聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹(shù)脂起皺劑在生活用紙中的應(yīng)用

1 前言

生活用紙作為生活必需品已滲透到人們的日常生活中，是一種受經(jīng)濟(jì)景氣度影響小、預(yù)期需求穩(wěn)定的消費(fèi)品。生活用紙行業(yè)中，品牌差異化趨勢(shì)不斷增強(qiáng)，在進(jìn)口紙品對(duì)策方面，一方面投入通用產(chǎn)品，另一方面為提高傳統(tǒng)產(chǎn)品的使用感覺(jué)，正在進(jìn)行高品質(zhì)化和高附加值化，具體就是：改善生活用紙的手感（體感）；賦予香味和除臭功能；提高溫水洗滌坐便器用紙的強(qiáng)度和吸水性；加長(zhǎng)型衛(wèi)生紙。由于生活用紙是與皮膚直接接觸的紙種，因此手感是受到特別重視的品質(zhì)之一。

為了提高生活用紙的手感，一般對(duì)紙進(jìn)行了起皺（細(xì)小皺紋）——起皺工藝。起皺工藝的皺紋質(zhì)量是左右生活用紙手感好壞的重要因素（圖1）。

圖1 生活用紙的不同質(zhì)量的皺紋放大照片

在楊克烘缸起皺過(guò)程中使用的起皺劑是穩(wěn)定操作并獲得良好皺紋不可或缺的化學(xué)品。起皺工藝的操作性和皺紋品質(zhì)隨包括紙機(jī)狀況和抄紙環(huán)境的改變而變化，針對(duì)這些變化，起皺劑進(jìn)行了各種改良使其能更好地發(fā)揮效果。

本文介紹了以聚酰胺環(huán)氧氯丙烷（PAE）樹(shù)脂為主劑的起皺劑中PAE貼缸劑（圖2）的功能、效果及技術(shù)動(dòng)向。

圖2 起皺用貼缸劑的模型圖

2 起皺劑的功能和效果

起皺工藝一般采用干式起皺法：（1）在高速狀態(tài)下使抄造的低定量濕紙粘貼在楊克烘缸表面上進(jìn)行烘干；（2）在烘干的同時(shí)，用烘缸刮刀刀片在紙機(jī)運(yùn)行方向壓縮紙頁(yè)；（3）剝離壓縮后的紙頁(yè)，使紙頁(yè)產(chǎn)生皺紋（圖3）。

圖3 生活用紙的干式起皺工藝

起皺劑大體由發(fā)揮貼缸（涂層）作用的化學(xué)品（即“貼缸劑”）和發(fā)揮剝離劑作用的化學(xué)品（即“剝離劑”）二大類(lèi)化學(xué)品組成。起皺劑噴涂到烘缸表面后，起皺劑中的貼缸劑在楊克烘缸上形成涂層薄膜，使?jié)窦堎N在烘缸上，同時(shí)也保護(hù)楊克烘缸不受刮刀損傷；而起皺劑中的剝離劑在涂層中形成油點(diǎn)，緩和涂層對(duì)濕紙的黏性。

毫無(wú)疑問(wèn)，起皺過(guò)程的操作性和皺紋質(zhì)量，與以下因素影響有關(guān)：毛布狀況、烘缸材質(zhì)及表面狀態(tài)、抄速等，以及纖維原料、抄造系統(tǒng)pH和導(dǎo)電度、漿內(nèi)添加化學(xué)品的種類(lèi)和數(shù)量等抄造條件的變化。為了應(yīng)對(duì)這些紙機(jī)狀況和抄造條件的變化，對(duì)起皺劑進(jìn)行過(guò)各種改良，尤其是其中的貼缸劑，因?yàn)樗菢?gòu)成起皺工藝基礎(chǔ)的涂層形成的化學(xué)品。下面介紹由PAE為主劑制備的起皺劑中的貼缸劑（PAE貼缸劑）的技術(shù)動(dòng)向。

3 非反應(yīng)型貼缸劑和反應(yīng)型貼缸劑的特征

PAE樹(shù)脂擁有AZR基（圖2），具有通過(guò)分子間架橋反應(yīng)，使其高相對(duì)分子質(zhì)量化的特征。由于PAE樹(shù)脂可以根據(jù)AZR基的數(shù)量任意調(diào)節(jié)架橋反應(yīng)程度，因此可以選擇適用于不同紙機(jī)和抄造條件的貼缸劑。

表2數(shù)據(jù)顯示，參與調(diào)研的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在未安裝任何脫硫除塵環(huán)保設(shè)施的情況下，其SO2 和煙塵實(shí)際排放水平均遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放限值，也遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)施超低排放燃煤機(jī)組的污染物排放水平。

因?yàn)镻AE貼缸劑是一種可通過(guò)AZR基使PAE樹(shù)脂高相對(duì)分子質(zhì)量化的產(chǎn)品，所以根據(jù)高相對(duì)分子質(zhì)量化后的PAE樹(shù)脂中有無(wú)AZR基殘留，大體可分為反應(yīng)型貼缸劑和非反應(yīng)型貼缸劑。

非反應(yīng)型貼缸劑是沒(méi)有AZR基的貼缸劑，具有在楊克烘缸上噴涂后不產(chǎn)生相對(duì)分子質(zhì)量變化的特征。反應(yīng)型貼缸劑是有AZR基的貼缸劑，在楊克烘缸上噴涂后可以通過(guò)AZR基發(fā)生架橋反應(yīng)，具有高相對(duì)分子質(zhì)量化的特征（圖2）。

反應(yīng)型貼缸劑按其AZR基的數(shù)量在楊克烘缸上可以提高非反應(yīng)型貼缸劑無(wú)法達(dá)到的架橋程度，形成高相對(duì)分子質(zhì)量化后的涂層。反應(yīng)型貼缸劑比非反應(yīng)型貼缸劑的涂層耐水性高，對(duì)濕紙水分高的紙機(jī)能形成穩(wěn)定的涂層薄膜。因此，非反應(yīng)型貼缸劑適合烘缸入口水分低的中高速圓網(wǎng)紙機(jī)，反應(yīng)型貼缸劑適合濕紙水分高的新月形成型器等高速紙機(jī)。

4 PAE貼缸劑的技術(shù)動(dòng)向

20世紀(jì)70年代以來(lái)起皺用貼缸劑的技術(shù)動(dòng)向如表1所示。

表1 20世紀(jì)70年代以來(lái)起皺用貼缸劑的技術(shù)動(dòng)向

20世紀(jì)70年代起皺劑開(kāi)始在日本市場(chǎng)銷(xiāo)售。銷(xiāo)售初期，漿內(nèi)添加反應(yīng)型貼缸劑的例子較多，到了20世紀(jì)80年代，開(kāi)始普及在楊克烘缸上使用噴涂裝置，用于噴涂的濕紙貼缸性能優(yōu)越的非反應(yīng)型PAE貼缸劑開(kāi)發(fā)完成并開(kāi)始在楊克烘缸上噴涂，噴涂工藝與漿內(nèi)添加工藝相比，前者極易形成涂層薄膜。

20世紀(jì)90年代，由于圓網(wǎng)紙機(jī)的改良和新月形成型器的投產(chǎn)，紙機(jī)進(jìn)入高速化，并且楊克烘缸開(kāi)始采用熔射加工。紙機(jī)的高速化使得濕紙?jiān)诤娓兹肟诘乃稚?，因而涂層薄膜較難形成，增加了維持均一涂層的難度。而且熔射加工造成了楊克烘缸表面粗糙度增加，從而濕紙與烘缸粘貼可能變得更加困難。為了形成對(duì)濕紙水分穩(wěn)定的涂層，及提高涂層的耐水性，并且提高濕紙的貼缸性，非反應(yīng)型PAE貼缸劑通過(guò)高相對(duì)分子質(zhì)量化提高了其性能，因而對(duì)改良圓網(wǎng)紙機(jī)和熔射加工烘缸顯示了良好效果。而通過(guò)高相對(duì)分子質(zhì)量化和增加AZR基數(shù)量，耐水性的反應(yīng)型貼缸劑對(duì)速度較高的新月形成型器紙機(jī)顯示了較好的效果。

進(jìn)入21世紀(jì)后，為了改善生活用紙的手感（接觸肌膚時(shí)的感覺(jué)），開(kāi)始使用改善手感的化學(xué)品（柔軟劑）。一般來(lái)說(shuō)，改善手感的化學(xué)品含有疏水性物質(zhì)，定著在濕紙中起著剝離劑的作用，使得濕紙貼缸性能下降。

為了追求PAE貼缸劑的高性能化，通過(guò)引入具有氫鍵結(jié)合能的官能基，提高了聚合物之間的氫鍵結(jié)合,抑制了涂層對(duì)水的耐受性。該技術(shù)的導(dǎo)入可以提高非反應(yīng)型貼缸劑和反應(yīng)型貼缸劑2種貼缸劑的濕紙貼缸性和耐水性。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，通過(guò)PAE貼缸劑高相對(duì)分子質(zhì)量化的改良——增加AZR基數(shù)量和提高氫鍵結(jié)合能，推進(jìn)了非反應(yīng)型貼缸劑（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“非反應(yīng)型”）及反應(yīng)型貼缸劑（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“反應(yīng)型”）的高性能化，分別見(jiàn)圖4和圖5。圖5中：“耐水性”的評(píng)價(jià)方法是，將在培養(yǎng)皿上干燥的貼缸劑薄膜浸漬在溫度為50℃的水中，評(píng)價(jià)未被溶解的殘存的薄膜比例，數(shù)值越大表示耐水性越好；“濕紙貼缸性”是指在定位測(cè)試儀（tacking tester）的探頭上（溫度為110℃）涂上貼缸劑后，將涂布面貼到濕紙上后拉開(kāi)時(shí)的抵抗力。

5 新型PAE貼缸劑CA6003和CA6006

2010年以后由于下述原因提高PAE樹(shù)脂相對(duì)分子質(zhì)量的趨勢(shì)仍在延續(xù)：用于改善生活用紙手感的化學(xué)品用量的增加；紙機(jī)速度提升和造紙纖維原料的多樣化。為了形成穩(wěn)定的涂層薄膜，以及提高濕紙貼缸性，出現(xiàn)了起皺劑中貼缸劑成分的比例高于剝離劑的傾向。提高起皺劑中貼缸劑使用比例后，涂層薄膜變得容易在楊克烘缸兩端等位置堆積。如果硬化涂層薄膜在楊克烘缸兩端等部位過(guò)度堆積，將加大與之接觸的烘缸刮刀刀片的負(fù)荷，結(jié)果造成刀片磨耗加速，壽命縮短，而且因?yàn)榈镀駝?dòng)（咔噠聲）還會(huì)增加產(chǎn)生針眼和斷紙，還可能引起烘缸受損。正如在PAE貼缸劑的技術(shù)動(dòng)向中所述的那樣，PAE樹(shù)脂的高相對(duì)分子質(zhì)量化、AZR基數(shù)量的增加及提高氫鍵結(jié)合能的改良方法在提高涂層薄膜耐水性和濕紙貼缸性方面具有效果；但是，如果進(jìn)一步強(qiáng)化這些方法，將出現(xiàn)涂層薄膜玻璃化溫度上升，涂層薄膜硬化的問(wèn)題，見(jiàn)圖6。圖6中的“涂層薄膜硬度”的評(píng)價(jià)方法是，用鉛筆硬度測(cè)試法評(píng)價(jià)在培養(yǎng)皿上干燥的貼缸劑涂層薄膜硬度，數(shù)值越高代表涂層薄膜硬度越大。

圖4 20世紀(jì)70年代以來(lái)PAE貼缸劑相對(duì)分子質(zhì)量的變化

圖5 20世紀(jì)70年代以來(lái)PAE貼缸劑效果的變化

圖6 20世紀(jì)70年代以來(lái)PAE貼缸劑的玻璃化溫度和鉛筆硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化

以前發(fā)現(xiàn)PAE樹(shù)脂聚合物之間的氫鍵結(jié)合越強(qiáng)，越容易造成涂層薄膜的硬化。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，采用聚合物間氫鍵結(jié)合較緩慢的官能基置換氫鍵結(jié)合能較強(qiáng)的官能基，并且利用最新的技術(shù)，推進(jìn)高相對(duì)分子質(zhì)量化和AZR基數(shù)量增加，可以在使涂層薄膜軟化的同時(shí)，提高耐水性和濕紙貼缸性。

應(yīng)用了上述技術(shù)的新型PAE貼缸劑CA6003（非反應(yīng)型）和CA6006（反應(yīng)型）的濕紙貼缸性和涂層薄膜耐水性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖7所示。玻璃化溫度和涂層薄膜硬度的關(guān)系如圖8所示。

圖7 新型PAE貼缸劑的濕紙貼缸性和耐水性的評(píng)價(jià)結(jié)果

圖8 新型PAE貼缸劑的玻璃化溫度和涂層薄膜硬度的關(guān)系

由圖7和圖8可見(jiàn)，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，新型PAE貼缸劑CA6003和CA6006具有形成較低玻璃化溫度、較軟的涂層薄膜、濕紙貼缸性及耐水性較佳的特征。

6 新型PAE貼缸劑CA6003，CA6006應(yīng)用實(shí)例

6.1 CA6006在衛(wèi)生紙紙機(jī)上的應(yīng)用實(shí)例

關(guān)于CA6006的操作性，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，容易形成涂層薄膜，貼缸劑用量可以減少10%；另一方面由于貼缸劑用量減少，用刮刀剝離紙頁(yè)變得容易，剝離劑用量減少了20%以上。另外，刮刀磨耗減輕，刮刀刀片壽命延長(zhǎng)了2倍以上，見(jiàn)表2。

表2 CA6006和傳統(tǒng)產(chǎn)品的用量和起皺刮刀磨耗的比較

品質(zhì)方面，傳統(tǒng)產(chǎn)品在驅(qū)動(dòng)側(cè)不能形成皺紋或皺紋質(zhì)量變差，而使用CA6006時(shí)，在驅(qū)動(dòng)側(cè)也能與中間和控制側(cè)一樣取得質(zhì)量良好的皺紋，橫向全幅起皺均勻，見(jiàn)表3。

表3 形成的皺紋質(zhì)量比較

使用傳統(tǒng)產(chǎn)品時(shí)，橫向溫度分布不均勻，特別是驅(qū)動(dòng)側(cè)溫度較低。估計(jì)這與驅(qū)動(dòng)側(cè)的起皺質(zhì)量不良有關(guān)。在使用CA6006時(shí)，可以看到橫向溫度分布均勻。表4為用放射溫度計(jì)測(cè)量的剛出楊克烘缸出口后卷取的紙溫。

6.2 CA6003在面巾紙中的應(yīng)用實(shí)例

關(guān)于CA6003的操作性，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，在楊克烘缸端部的PAE樹(shù)脂堆積（殘?jiān)p少，紙張針眼和斷紙發(fā)生頻率改善。另外CA6003使涂層薄膜形成變得容易，抄造速度可以提高1.2倍。

表4 烘缸出口后卷取的紙溫比較

7總結(jié)

最近開(kāi)發(fā)的提高聚合物間氫鍵結(jié)合能的新型PAE貼缸劑具有降低涂層薄膜硬度的同時(shí)，擁有優(yōu)良耐水性和濕紙貼缸性的特征，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，新型PAE貼缸劑不僅能夠較好地適應(yīng)紙機(jī)和抄造條件的變化，而且在改善操作條件和產(chǎn)品質(zhì)量方面有如下優(yōu)勢(shì)：操作方面能延長(zhǎng)刮刀刀片使用壽命，提高了烘干效率，提高了抄造速度和減少了起皺劑用量；質(zhì)量方面減少了針眼，紙機(jī)橫向全幅起皺均勻，皺紋質(zhì)量?jī)?yōu)良。