紙吸管原紙制備工藝研究

徐永建， 段葉榮， 周家俊， 劉 燕， 唐超群， 李 偉

(1.陜西科技大學(xué) 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 輕化工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 陜西 西安 710021; 2.浙江華豐紙業(yè)科技有限公司， 浙江 湖州 313300)

0 引言

吸管是喝飲品時(shí)常用的輔助工具，其中塑料吸管用量一直居高不下.但塑料吸管的回收不當(dāng)和回收困難給生存環(huán)境和生態(tài)環(huán)境都造成了嚴(yán)重危害[1].據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每天丟棄約5億根塑料吸管，其中部分吸管與塑料瓶、塑料袋等塑料制品一起匯入海洋，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[2,3]，并造成了每年超過(guò)約130億美元的經(jīng)濟(jì)損失[4]；一根塑料吸管的使用時(shí)間平均只有20分鐘左右，不僅沒(méi)有再次利用的價(jià)值，而且對(duì)環(huán)境的危害巨大；英國(guó)一家廢棄物處理公司已將塑料吸管列入“難以回收”物品行列，并建議對(duì)塑料吸管征稅.如果我國(guó)每人每天使用1根吸管，全年共消耗約5 000億根吸管，可見(jiàn)吸管的需求量巨大.隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視，為減少“白色污染”，走循環(huán)經(jīng)濟(jì)道路，塑料制品逐漸被其他材料制品替代，“以紙代塑”的提倡亦非常重要[5,6].

2018年，紙吸管作為一種綠色環(huán)保的新型紙制品開(kāi)始走進(jìn)人們的視野.在紙吸管之前，玻璃吸管、不銹鋼吸管曾被開(kāi)發(fā)使用，但人們的體驗(yàn)效果并不樂(lè)觀；之后，樓仲平帶領(lǐng)“雙童”公司研發(fā)出PLA可降解吸管，這種吸管材質(zhì)由玉米淀粉乳化而成，在堆肥條件下45天就可分解為水和二氧化碳，但聚乳酸等可降解材料的原料價(jià)格過(guò)于昂貴，且這種吸管易破裂.張長(zhǎng)偉[7]發(fā)明了一種可自然降解的飲料吸管，它是在紙質(zhì)基層的內(nèi)壁和外壁分別覆一層PE膜制成，PE膜透濕性小的特點(diǎn)使吸管具有抗水性，但PE膜對(duì)環(huán)境非常敏感，耐熱老化性差，且制備工藝和回收工藝復(fù)雜，不支持市場(chǎng)使用.而塑料吸管因成本低、易加工、方便耐用等優(yōu)點(diǎn)一直廣受歡迎，但它不可再生、容易造成環(huán)境污染的問(wèn)題仍然不可忽視，因此可再生且容易降解的紙質(zhì)吸管成為有可能取代塑料吸管的新型吸管[8].

純紙質(zhì)吸管可在加入造紙助劑后具有優(yōu)異的強(qiáng)度和抗水性能，是一種具有潛力且值得繼續(xù)探索的環(huán)保型吸管，目前紙吸管研究?jī)H限于工藝試驗(yàn)和設(shè)備設(shè)計(jì)，而沒(méi)有真正考慮到工業(yè)化生產(chǎn)的各方面要素.國(guó)內(nèi)部分紙廠對(duì)紙吸管已有小規(guī)模生產(chǎn)，但調(diào)查顯示目前市售紙吸管良莠不齊，仍存在強(qiáng)度低、易軟化等問(wèn)題，因此還需要對(duì)紙吸管的性能進(jìn)行改善，提高其使用率.

紙吸管的使用性能主要取決于紙吸管原紙的物理性能，本研究擬采用漂白針葉木硫酸鹽漿和漂白闊葉木硫酸鹽漿作為原料研究并確定紙吸管原紙最佳制備工藝，主要研究漿料配比、施膠劑用量以及濕強(qiáng)劑用量對(duì)各物理性能的影響，包括吸水值、抗張強(qiáng)度、濕強(qiáng)度和環(huán)壓強(qiáng)度等；并采用紙吸管原紙溫水抽出物含量評(píng)價(jià)紙吸管原紙的使用安全性.研究結(jié)果將為紙吸管研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑

漂白硫酸鹽針葉木漿,漂白硫酸鹽闊葉木漿，APMP，由浙江華豐紙業(yè)科技有限公司提供.

烷基烯酮二聚體(AKD)，施膠劑，固含量16.8%，購(gòu)自衢州東升新材料有限公司；聚酰胺聚胺-表氯醇樹(shù)脂(PAE)，濕強(qiáng)劑，固含量15.5%，購(gòu)自栗田工業(yè)(大連)有限公司；膠黏劑，由浙江華豐紙業(yè)科技有限公司提供.

1.2 儀器與設(shè)備

DCS-041PT型PFI磨漿機(jī)；ZBJ-I型紙漿疏解機(jī)；TD10-200型紙頁(yè)成形器；TD11-H型紙頁(yè)壓榨機(jī)；DC-HJY03型電腦測(cè)控厚度緊度儀；YT-WL300臥式電腦拉力儀；150-B型紙和紙板挺度儀；DC-KY3000A型環(huán)壓強(qiáng)度測(cè)定儀；JX-X型紙張吸水性測(cè)定儀.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 紙吸管結(jié)構(gòu)

紙吸管由兩層里紙和一層面紙卷曲而成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.紙吸管原紙制備研究包括里紙和面紙.里紙定量為100～140 g/m2，面紙定量為40～80 g/m2.

圖1 紙吸管結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 漿料準(zhǔn)備及原紙制備

將針葉木漿、闊葉木漿、APMP三種紙漿漿板浸泡24 h，采用PFI磨漿機(jī)對(duì)3種漿料分別進(jìn)行磨漿處理，并測(cè)其打漿度后備用.

1.4 常規(guī)性能指標(biāo)檢測(cè)

紙吸管里紙和面紙定量、厚度、抗張強(qiáng)度、濕強(qiáng)度、挺度、環(huán)壓強(qiáng)度、吸水值等檢測(cè)方法均參照文獻(xiàn)[9]測(cè)定.

1.5 層間結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)

在兩層里紙與一層面紙之間涂覆一定量膠黏劑，通過(guò)測(cè)定層間結(jié)合強(qiáng)度衡量粘合強(qiáng)度大小，里紙、面紙粘合示意圖如圖2所示，測(cè)定時(shí)斷裂層出現(xiàn)在膠黏劑滲透層，層間結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)方法參照文獻(xiàn)[9]測(cè)定.

圖2 里紙、面紙粘合示意圖

1.6 溫水抽出物含量檢測(cè)

將一定量原紙裁成3～5 mm2大小樣品后，參照文獻(xiàn)對(duì)植物纖維原料的檢測(cè)方法對(duì)紙吸管里紙和面紙溫水抽出物含量進(jìn)行測(cè)定[10].抽提溫度20 ℃、40 ℃、60 ℃，抽提時(shí)間40 min.

2 結(jié)果與討論

2.1 漿料配比對(duì)紙吸管原紙常規(guī)性能指標(biāo)的影響

長(zhǎng)纖維和短纖維的結(jié)合可以賦予原紙更優(yōu)異的性能，因此里紙、面紙均選用針葉木漿和闊葉木漿分別按照10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50等比例混合配抄，漿料配比對(duì)紙吸管里紙、面紙常規(guī)性能指標(biāo)的影響如表1和表2所示.

表1 漿料配比對(duì)紙吸管里紙常規(guī)性能指標(biāo)的影響

測(cè)試項(xiàng)目ω(針葉木)+ ω(闊葉木)10%+90%20%+80%30%+70%40%+60%50%+50%定量/(g·m-2)119.5119.2119119.4119.1 厚度/mm 0.2450.229 0.2190.2050.200挺度/(mN·m)3.653.623.583.543.54環(huán)壓強(qiáng)度/(kN·m-1)0.83 1.131.201.341.42抗張強(qiáng)度/(kN·m-1)5.02 5.346.076.677.23吸水值/(g·m-2) 244 237 227 222207

表2 漿料配比對(duì)紙吸管面紙常規(guī)性能指標(biāo)的影響

測(cè)試項(xiàng)目ω(針葉木)+ ω(闊葉木)10%+90%20%+80%30%+70%40%+60%50%+50%定量/(g·m-2)59.559.659.659.559.4厚度/mm0.1450.1420.1330.1250.124 挺度/(mN·m)2.632.632.622.612.61環(huán)壓強(qiáng)度/(kN·m-1)0.180.180.190.19 0.20抗張強(qiáng)度/(kN·m-1)2.322.342.583.013.23吸水值/(g·m-2)118113111110 107

由表1和表2可以看出，提高針葉木漿比例，里紙、面紙厚度均降低，挺度相應(yīng)小幅度降低；環(huán)壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度均增加，吸水值減小.為保證原紙?jiān)谥乒艹尚秃蟛灰妆粔罕?，原紙需具有一定的挺度；又因紙吸管是原紙裁切成一定寬度?guī)格后環(huán)形纏繞成管，為保證紙吸管縱向施壓后不變形，原紙必須具有較好的環(huán)壓強(qiáng)度；為保證制管時(shí)原紙不被拉斷，原紙應(yīng)具有一定的抗張強(qiáng)度；另外原紙還需具有適當(dāng)?shù)奈裕缺ＷC紙吸管具有較好的抗水性能，還要保證制管時(shí)能夠充分粘合.綜合考慮，里紙擬采用30∶70的針葉木、闊葉木配比；面紙擬采用40∶60的針葉木、闊葉木配比.針葉木打漿度為50 °SR～60 °SR，闊葉木打漿度為25 °SR～35 °SR.

2.2 濕強(qiáng)劑用量對(duì)紙吸管原紙濕強(qiáng)度的影響及濕強(qiáng)度損失率分析

濕強(qiáng)劑選用食品包裝用紙常用的 PAE濕強(qiáng)劑[10,11].合適的濕強(qiáng)度是紙吸管原紙需要具備的重要性能，既要保證紙吸管使用時(shí)具有一定的濕強(qiáng)度，又要使其在回收或降解處理時(shí)易于水分散或微生物降解.本研究分別加入0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%的PAE用量控制原紙的濕強(qiáng)度，PAE用量對(duì)紙吸管里紙、面紙濕強(qiáng)度的影響如圖3所示.

圖3 PAE用量對(duì)紙吸管原紙濕強(qiáng)度的影響

由圖3可以看出，隨著PAE用量的增加，里紙、面紙濕強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)PAE用量達(dá)到1.50%時(shí)，里紙、面紙濕強(qiáng)度分別為2.20 kN/m和0.92 kN/m，相比于初始加入時(shí)分別提高了165%和109%.

濕強(qiáng)度損失率可以反映原紙?jiān)诓煌瑴囟人薪?rùn)不同時(shí)間之后的強(qiáng)度損失程度.此原紙制管后擬用于60 ℃以下飲品，且據(jù)大眾飲用習(xí)慣，一杯飲品飲用時(shí)長(zhǎng)保持在40 min內(nèi).因此本研究將里紙和面紙?jiān)?0 ℃、40 ℃、60 ℃水中分別浸潤(rùn)10 min、20 min、30 min、40 min后對(duì)濕強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，將10～20 min時(shí)段記為A段，20～30 min時(shí)段記為B段，30～40 min時(shí)段記為C段，每段原紙濕強(qiáng)度損失率結(jié)果如圖4所示.

由圖4(a)、(b)可以看出，里紙、面紙濕強(qiáng)度損失率C段>B段>A段，且隨溫度升高，濕強(qiáng)度損失率增大，說(shuō)明里紙、面紙濕強(qiáng)度隨浸潤(rùn)溫度的升高和浸潤(rùn)時(shí)間的增加而降低，且降低程度越來(lái)越大.這說(shuō)明濕強(qiáng)劑與纖維產(chǎn)生的交聯(lián)作用強(qiáng)度會(huì)在一定程度上受溫度和時(shí)間的影響，從而減弱濕強(qiáng)劑對(duì)纖維的保護(hù)作用和增強(qiáng)作用.

(a)里紙

(b)面紙圖4 里紙和面紙?jiān)诓煌瑴囟人薪?rùn)一段時(shí)間后的濕強(qiáng)度損失率

為保證紙吸管的正常使用和易于回收，在研究條件范圍內(nèi)，里紙、面紙濕強(qiáng)度只需保持在原抗張強(qiáng)度的15%以上即可.結(jié)合圖3、圖4濕強(qiáng)度的變化及損失情況，并根據(jù)原抗張強(qiáng)度大小，里紙擬采用0.75%～1.00%的濕強(qiáng)劑用量，面紙擬采用0.50%～0.75%的濕強(qiáng)劑用量.

2.3 施膠劑用量對(duì)紙吸管原紙抗張強(qiáng)度、濕強(qiáng)度、吸水值及層間結(jié)合強(qiáng)度的影響

為提高原紙強(qiáng)度和抗水性能，原紙抄造過(guò)程加入施膠劑，施膠劑選用食品包裝用紙常用的AKD施膠劑[12,13].本研究分別于紙漿中加入0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%的AKD，考察AKD用量對(duì)紙吸管里紙和面紙抗張強(qiáng)度、濕強(qiáng)度及吸水值的影響，結(jié)果如圖5所示.

由圖5(a)、(b)可知，隨著AKD用量的增加，里紙和面紙濕強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度逐漸提高，吸水值均下降.AKD用量增加至0.35%時(shí)，里紙、面紙濕強(qiáng)度分別為1.55 kN/m和0.98 kN/m，相比于加入之前分別提高了23.0%和34.2%；里紙、面紙抗張強(qiáng)度分別為7.97 kN/m和3.81 kN/m，相比于加入之前分別提高了0.27%和0.47%；而里紙、面紙吸水值相比于加入之前明顯降低，里紙由加入之前的196 g/m2降低至25.9 g/m2，降低了86.8%，面紙吸水值由加入之前的98 g/m2降低至21.4 g/m2，降低了78.2%；而當(dāng)AKD用量超過(guò)0.35%，紙張抗張強(qiáng)度和濕強(qiáng)度都有所下降，這可能是由于當(dāng)AKD加入過(guò)量，紙張施膠劑留著率下降，紙頁(yè)施膠度不再增加，為避免在生產(chǎn)中出現(xiàn)糊網(wǎng)和紙頁(yè)打滑等現(xiàn)象，施膠劑用量應(yīng)保持在0.35%以?xún)?nèi).

(a)里紙

紙吸管制管時(shí)需涂覆膠黏劑粘合，膠黏劑會(huì)部分滲透到紙內(nèi)而使紙間達(dá)到較好的粘合效果，因此原紙應(yīng)具有合適的吸水值，既要保證紙吸管有較好的抗水性，又要保證原紙對(duì)膠黏劑有一定的吸收性.本研究在兩層里紙和一層面紙之間涂覆一定量膠黏劑，擬通過(guò)測(cè)定層間結(jié)合強(qiáng)度衡量原紙對(duì)膠黏劑的吸收性.AKD用量對(duì)層間結(jié)合強(qiáng)度及吸水值的影響如圖6所示.

圖6 AKD用量對(duì)原紙層間結(jié)合強(qiáng)度及吸水值的影響

由圖6可知，隨著AKD用量的增大，原紙層間結(jié)合強(qiáng)度降低，說(shuō)明原紙對(duì)膠黏劑的吸收性逐漸減小.紙吸管、紙杯和液體包裝紙板都要求具有抗水性，紙杯原紙與液體包裝原紙的吸水值要求 一般在30 g/m2左右[14,15]，當(dāng)AKD用量為0.20%～0.35%時(shí)，里紙、面紙吸水值均在30 g/m2以?xún)?nèi)，因此原紙具有很好的抗水性，但當(dāng)AKD用量超過(guò)0.30%時(shí)，原紙層間結(jié)合強(qiáng)度由418 J/m2減小至325 J/m2，出現(xiàn)大幅度降低.結(jié)合圖5、圖6中AKD用量對(duì)原紙各物理性能的影響，本研究擬采用0.25%～0.30%的AKD用量.

2.4 APMP用量對(duì)紙吸管原紙挺度、環(huán)壓強(qiáng)度及抗張強(qiáng)度的影響

為降低生產(chǎn)成本，提高紙吸管原紙的挺度，加入高得率漿APMP，通過(guò)提高紙頁(yè)厚度賦予原紙更好的挺度[16,17].本研究采用APMP部分替代闊葉木漿，分別加入10%、20%、30%、40%的APMP，考察APMP用量對(duì)紙吸管里紙和面紙挺度的影響，結(jié)果如圖7所示.

(a)里紙

(b)面紙圖7 APMP用量對(duì)紙吸管里紙和面紙挺度、環(huán)壓強(qiáng)度及抗張強(qiáng)度的影響(里紙PAE用量0.75%～1.00%；面紙PAE用量0.50%～0.75%；里紙、面紙AKD用量0.25%～0.30%)

由圖7(a)、(b)可以看出，隨著APMP用量增大，紙吸管原紙的挺度提高，抗張強(qiáng)度、環(huán)壓強(qiáng)度有一定程度降低；說(shuō)明APMP的加入在提高原紙挺度的同時(shí)會(huì)對(duì)原紙抗張強(qiáng)度、環(huán)壓強(qiáng)度等性能造成負(fù)面影響.綜合考慮，原紙擬采用30%的APMP加入量，此時(shí)，里紙、面紙挺度分別為3.70 mN·m和2.69 mN·m，相比于加入之前分別提高了3.51%和2.23%.

2.5 原紙溫水抽出物含量分析

紙吸管用于飲品，使用時(shí)水溶出物較多會(huì)影響紙吸管的安全使用，因此對(duì)原紙溫水抽出物含量進(jìn)行檢測(cè)是非常有必要的.本研究分別測(cè)試未加入任何助劑時(shí)，加入濕強(qiáng)劑、加入施膠劑以及加入APMP后的原紙分別在20 ℃、40 ℃、60 ℃水中處理40 min后的水抽出物含量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示.

由圖8(a)、(b)可知，里紙和面紙溫水抽出物含量均隨水處理溫度的升高和濕強(qiáng)劑、施膠劑的加入而增加.在未加入助劑之前，溫水抽出物主要是植物纖維原料中部分能溶于水的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)以及多糖類(lèi)物質(zhì)，逐步加入濕強(qiáng)劑和施膠劑后，溫水抽出物含量增加可能是由于部分濕強(qiáng)劑、施膠劑分子與紙頁(yè)纖維未完全結(jié)合，導(dǎo)致部分離解于水中，而水處理溫度對(duì)原紙的溫水抽出物含量影響不大，溫水抽出物含量的微量增加可能只是纖維原料中的多糖類(lèi)物質(zhì)隨著水處理溫度的升高溶解量增大；APMP加入后的原紙水抽出物含量在不同處理溫度下均略低于加入之前的水抽出物含量，說(shuō)明其熟化過(guò)程使施膠劑固化較為完全.可見(jiàn)紙張是否完全熟化對(duì)溫水抽出物含量有較大影響，在實(shí)際生產(chǎn)中可適當(dāng)加長(zhǎng)熟化時(shí)間，將原紙溫水抽出物含量降到最低.里紙、面紙?jiān)?0 ℃水中處理40 min后的水抽出物含量分別只有0.218%和0.206%，接近于市售紙吸管溫水抽出物含量(0.202%～0.223%左右).且本實(shí)驗(yàn)對(duì)原紙進(jìn)行了裁剪，并于恒溫水中處理40 min，在實(shí)際紙吸管使用時(shí)，水溫在40 min內(nèi)會(huì)由60 ℃降至約35 ℃，因此實(shí)際抽出物含量會(huì)低于實(shí)驗(yàn)值.

3 結(jié)論

(1)里紙、面紙最佳原料配比分別為30∶70和40∶60(針葉木∶闊葉木)；里紙、面紙濕強(qiáng)劑用量范圍分別為0.50%～0.75%和0.75%～1.00%的，此時(shí)里紙、面紙均獲得合適的濕強(qiáng)度；里紙、面紙施膠劑用量范圍為0.25%～0.30%，此時(shí)，紙吸管原紙獲得較好的抗張強(qiáng)度、濕強(qiáng)度、抗水性和膠黏劑吸收性.

(2)APMP加入量為30%時(shí)，里紙、面紙挺度分別為3.70 mN·m和2.69 mN·m，相比于加入之前分別提高了3.51%和2.23%.

(3)在一定處理?xiàng)l件下，里紙、面紙均只有微量溫水抽出物，不會(huì)影響吸管的安全使用；這也說(shuō)明此研究中紙吸管原紙抄造工藝條件合理，可為之后紙吸管原紙的工業(yè)化生產(chǎn)和進(jìn)一步優(yōu)化提供一些理論依據(jù).