复合绒毛化及其对绒毛浆性能的影响

徐永建， 闫 瑛， 岳小鹏， 张鼎军， 朱振峰

(1.陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 材料科学与工程博士后流动站， 陕西 西安 710021； 3.贵州赤天化纸业股份有限公司， 贵州 赤水 564700)

0 引言

一次性卫生用品也称吸收性用即弃产品，英文名“absorbent disposable products” 或“hygiene products”，如湿纸巾、餐巾纸、婴儿尿片、纸尿裤、医用手术纸、护垫纸、卫生巾等，一次性卫生用品的使用给人们的日常生活带来了极大的便利[1].绒毛浆作为一次性卫生用品的吸水垫层材料[2]，由绒毛浆板在干态环境下经解离得到，如此一来，要求绒毛浆板容易起绒、起绒后纤维完整性好、粉尘少、浆垫松厚度大而且柔软、良好的吸液能力以及起绒时无小浆块或纤维结等[3,4].因此，抄造绒毛浆板的纤维素纤维需要具备合适的纤维间结合强度及良好的吸收性.

“绒毛化”是在绒毛浆制备的过程中提出的一个概念，它指的是蒸煮、漂白、抄造工艺中为了实现绒毛浆性能要求所实施的物理、化学等一系列处理方法.传统的绒毛化工艺中通过添加解键剂、膨松剂等化学助剂实现纤维之间的弱结合，进而得到易于干解离的绒毛浆板，然而，解键剂作用机理是通过屏蔽纤维表面的羟基来减少纤维间所形成的氢键的数量，与此同时也对纤维的吸收性能产生了不利影响[5,6].论文采用马尾松硫酸盐浆为原料，提出复合绒毛化的概念，借助碱液处理对纤维形态及化学成分产生影响的特点，将漂白与浓碱处理进行复合，实现纤维的绒毛化处理，拟得到纤维间结合力适中、纤维吸收性能良好的绒毛浆.通过对比两种方法对绒毛浆性能的影响，得到一种适合绒毛浆制备工艺的较优的复合绒毛化方法，并通过实验对该方法的合理性进行了进一步研究，从而使其更具有实际应用意义.

1 实验

1.1 原料、试剂

马尾松硫酸盐浆，由凤凰纸业有限公司提供.卡伯值：16.57，白度：50.18% ISO.

化学试剂：NaOH、NaSiO3、MgSO4、EDTA、H2O2(107.95 g/L).

分析试剂：Na2S2O3(0.1 mol/L，0.2 mol/L)、KI(100 g/L，1 mol/L)、淀粉指示剂(5 g/L)、钼酸铵饱和溶液.

1.2 仪器、设备

电热恒温水浴锅，HH-2型，北京科伟永兴仪器有限公司；循环水多用真空泵，SHB-3型，郑州杜甫仪器厂；纤维解离器，ZQS4型，陕西科技大学造纸机械厂；纸样抄取器，ZQJ1-B-Ⅱ型，陕西科技大学造纸机械厂；油压机，ZQYC型，陕西科技大学造纸机械厂；光机，83型，上海贤华公司；耐破度仪，DCP-NPY5600，四川长江造纸仪器有限责任公司；白度仪，NO.010916，温州仪器仪表有限公司.

1.3 复合绒毛化处理方法

复合绒毛化指的是将漂白与浓碱处理进行复合，借助碱液处理对纤维形态及化学成分产生影响的特点，实现纤维的绒毛化处理，拟得到纤维间结合力适中、纤维吸收性能良好的绒毛浆.论文提出了两种复合绒毛化方法.

复合绒毛化方法一：将纸浆与浓碱液混合均匀，放入恒温水浴锅中处理，到达规定时间后取出，挤出残液后，补加水调节浆浓，将纸浆与漂白剂混合均匀(漂白剂用量均按占绝干原料百分比计)进行漂白处理，每隔10 min揉一次，处理规定时间后取出.浆料处理完毕后，用清水进行抽滤洗涤，洗至浆料呈中性为止，便于后续得率的计算.浆料脱水装入塑料袋中，平衡水分后备用.

复合绒毛化方法二：将纸浆与漂白剂(H2O2、NaOH、NaSiO3、MgSO4、EDTA)混合均匀(漂白剂用量均按占绝干原料百分比计)，放入恒温水浴锅中处理，每隔10 min揉一次，到达规定时间后取出，挤出部分残液，用于溶解需要补加的碱，两者混合均匀后倒入浆料中充分混合，处理规定时间后取出.浆料处理完毕后，用清水进行抽滤洗涤，洗至浆料呈中性为止，便于后续得率的计算.浆料脱水后，装入塑料袋中，平衡水分后备用.

1.4 测试方法

复合绒毛化后纸浆纤维白度，浆板定量，耐破指数等检测方法参见文献[7].

浆板干解离后绒毛浆相关性能指标测试按 GB/T 21331-2008 所述方法进行，其中吸收时间由t表示，干蓬松度(A)、吸水速度(B)、吸水量(C)分别由如下公式计算得到：

A=s·h/(10·x)

(1)

B=(y-x)/t

(2)

C=(y-x)/x

(3)

其中：s—试样底面积(19.64 cm2)；h—绒毛浆浆样高度；x—取样质量(3g)；t—绒毛浆试样从底部浸渍到顶部吸液所用时间；y—绒毛浆充分吸液后的湿样质量.

2 结果与讨论

徐斌等指出[8]，在碱液的作用下，纤维得到充分润胀，碱液扩散至纤维细胞壁内部，使纤维素结晶区间的半纤维素、树脂、色素等都能较好地溶解而除去，经碱液处理后的纤维变得光滑、圆润、扭曲.另外，纤维中的半纤维素是影响纤维结合及纤维吸收性能的主要因素.碱性条件中，半纤维素可以在较温和的条件下降解，发生剥皮反应[9].纸浆纤维经过短时间碱处理时，纤维表面部分半纤维素发生降解，使得纤维之间的结合力削弱[10].因此，论文利用碱液对纤维形态及成分的作用，对纤维进行H2O2漂白与浓碱结合处理，即复合绒毛化.通过研究浓碱在漂白时添加的时间点，确定较优的复合绒毛化方法.

2.1 复合绒毛化处理方法研究

H2O2漂白时，pH值是影响漂白效果的一个重要因素，pH值主要由加入的NaOH量来调节，即要控制合适的NaOH/H2O2比值(质量比值)，中浓(9%～12%)漂白时，NaOH/H2O2为1较好[11].论文研究的复合绒毛化工艺，需要将H2O2漂白与浓碱处理相结合，拟通过短时间的浓碱处理，使纤维表面的部分半纤维素发生降解，从而降低纤维之间的结合力，而又不过多的损失纤维的吸收性.因此，以下工艺条件中NaOH用量远高于常规H2O2漂白时的用量.接下来对复合绒毛化的两种方法进行对比研究.

初步拟定复合绒毛化工艺条件为：NaOH，8%(总碱量；以质量浓度计)；H2O2用量，2%；Na2SiO3，2.5%；EDTA，0.4%；浆浓，10%；时间，60 min；温度，70 ℃.两种处理方法对绒毛浆性能的影响如表1所示(漂后检测残余H2O2用量，数值较小，在表1中不做列举).

表1 两种复合绒毛化方法对绒毛浆性能影响对比

注: 1—复合绒毛化方法一；2—复合绒毛化方法二；两种处理方法总用碱量及H2O2用量保持一致.

由表1可知，在相同的总碱量、H2O2用量、温度及复合绒毛化时间条件下，复合绒毛化方法二在纸浆白度、绒毛浆吸水速度及吸收性方面均优于复合绒毛化方法一.两种方法得到的绒毛浆板耐破指数相差不大，经方法二处理的绒毛浆的干蓬松度低于方法一.同一处理方法，浓碱处理时间不同时，纤维各项性能相差较小.因此，综合考虑可知，复合绒毛化方法二优于方法一.

分析可知，复合绒毛化方法一先对原浆纤维进行浓碱处理，然后挤出碱液，补加水调节纸浆浓度后直接进行H2O2漂白，如果浓碱处理后残碱过高，挤出碱液后纸浆中可能存在过量的碱.而pH值是影响H2O2漂白的一个重要因素，漂白时pH值过高，H2O2分解过快，生成的HOO-离子来不及与木素反应便与H2O2反应生成自由基HO· 及O2·，而O2·进攻木素芳核和其从碳水化合物中除去氢原子的速率基本一致，使得漂白反应对木素的选择性降低[12,13]，会发生“碱性变暗”而引起返黄，从而降低漂白效率.另外，残碱浓度过高，将导致半纤维素在后续较长时间的漂白过程中的降解增加.因此，复合绒毛化方法一的纸浆白度及纤维吸收性均低于方法二.复合绒毛化方法二先对原浆纤维进行H2O2漂白，在漂白接近终点时补加浓碱，对纤维进行短时间的浓碱处理，既减小了半纤维的损失几率，又适度降低了纤维间的结合强度.但此时，纸浆中木素的脱除率会增加，纤维经过漂液润胀后，浓碱处理对其强度的破坏也将更为容易，同时纤维粗度增大，浓碱对纤维的卷曲幅度变小，这都会影响后续绒毛浆的干蓬松度，并使其略有下降.

综上，复合绒毛化方法二优于方法一.方法二中，由于浓碱处理时间对纤维性能的影响差异不大，因此，为了便于工厂实际操作，同时减少半纤维素的降解以及H2O2的无效分解，后续处理过程中均选取浓碱处理时间为10 min.

2.2 复合绒毛化对纤维性能的影响

根据上节中确定的较优的复合绒毛化方法，论文对原浆纤维经过单独的碱处理、单独的H2O2处理及复合绒毛化后的纤维各项性能进行了对比，结果如表2所示.

表2 复合绒毛化前后绒毛浆性能对比

注:1.原浆；2.碱处理后浆样(用碱量8%，以质量浓度计)；3.过氧化氢漂后浆样(H2O2用量2%，以占绝干原料质量百分比计)；4.复合绒毛化后浆样.

由表2可知，原浆纤维经复合绒毛化后的纸浆白度提高了52.77%，绒毛浆板耐破指数下降了48.18%，吸收时间减少了46.64%，同时，吸收性及干蓬松度分别降低了10.23%、6.63%.然而，原浆纤维经单独碱处理后纤维的吸收性及干蓬松度两个性能指标略优于经复合绒毛化后的纤维，其他如白度、耐破指数、吸收时间、吸收速度等性能指标不及经复合绒毛化后的纤维.而经单独H2O2处理后纤维的白度、吸收性等各项性能指标均不及经复合绒毛化后的纤维.分析可知，在H2O2漂终补加浓碱，进行短时间的碱处理，一方面减小了H2O2无效分解的几率，还在一定程度上提高了漂白效率，进一步增加了纸浆白度；另一方面，纤维表面部分半纤维素发生碱性降解，利于达到后续较合适的纤维间结合强度的要求，而且纤维吸收性的降低幅度较小.

2.3 复合绒毛化工艺中补加浓碱对漂白效率的影响

为了进一步研究复合绒毛化工艺中，当H2O2漂白接近终点时，补加浓碱对H2O2漂白效率的影响，论文进行了如下研究.取一定量的原浆纤维，在浆料中加入少量的H2O2，同时补加碱，作用10 min.补加碱量占绝干原料百分比与复合绒毛化工艺条件一致，H2O2用量根据残余H2O2量来添加(因为补加碱是在离H2O2漂白结束还有10 min时加入，因此，此时的H2O2剩余量应该在残余H2O2用量的基础上略高一些).结果如表3所示.

表3 浓碱对H2O2漂白效率的影响

由表3可知，原浆纤维采用少量的H2O2漂白，同时添加浓碱，纸浆白度最大可提高33.72%，较相同用碱量的单独碱处理时提高了16.57%.分析表明，由于浓碱作用时间较短，对H2O2的无效分解较少，从而使H2O2无效分解所引起的消极影响远远低于浓碱的添加对纸浆白度所产生的积极影响，说明在H2O2漂白接近终点时，补加浓碱进行短时间的处理，可以促进残余H2O2漂白作用的有效发挥，进而在一定程度上提高H2O2的漂白效率.

复合绒毛化方法二处理后纸浆纤维，经过工艺条件的优化及进一步补充漂白后，得到的绒毛浆各项指标均符合GB/T 21331-2008 的要求，该方法对于提高国产绒毛浆质量具有实际意义.

3 结束语

(1)在纸浆漂白近终点时补加碱，对纤维进行短时间浓碱处理，采用这样的漂白与浓碱处理结合的复合绒毛化工艺，可以达到绒毛浆标准中有关白度、耐破指数、吸收性等性能的要求.

(2)原浆纤维经复合绒毛化后，纸浆白度为76.66% ISO，提高了52.77%，绒毛浆板耐破指数为0.57 kpa·m2/g，下降了48.18%，吸收时间为8.42 s，减少了46.64%，同时，吸收性为8.95 g/g，干蓬松度为17.19 cm3/g，这两个性能指标分别降低了10.23%、6.63%.

(3)复合绒毛化将漂白与浓碱处理相结合，在H2O2漂终补加浓碱，进行短时间的浓碱处理，一方面，减小了H2O2无效分解的几率，还能够促进残余H2O2漂白作用的有效发挥，进一步增加纸浆白度；另一方面，纤维表面部分半纤维素发生碱性降解，利于达到后续较低的纤维间结合强度的要求，而且纤维吸收性的降低幅度较小.

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