纸尿裤边角料绒毛浆纤维回用研究

孟卿君， 刘丽娜， 张素风, 刘 叶， 钱立伟， 侯 晨

(陕西科技大学 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)



纸尿裤边角料绒毛浆纤维回用研究

孟卿君， 刘丽娜， 张素风, 刘 叶， 钱立伟， 侯 晨

(陕西科技大学 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

纸尿裤边角料绒毛浆纤维中夹杂着超吸水性树脂(Super Absorbent Polymer，SAP)，存在回用困难的问题.通过添加化学品的方式，改变超吸水性树脂的凝胶状态，实现纸尿裤边角料绒毛浆纤维的有效回用.采用动态滤水仪测试样品的滤水性能，环境扫描电子显微镜表征样品结构，超景深显微镜表征纸张的表面形貌.结果表明：添加无机铝盐，可以明显改善原料的滤水性能，可以改变SAP的凝胶状态，成纸无纸病.

纸尿裤； 超吸水性树脂； 无机铝盐

0 引言

近年来，随着国内经济持续快速增长，人民物质生活水平的改善，生活的便捷，婴儿及老年人对纸尿裤的使用量逐年增长.据统计，2015年，中国婴儿纸尿裤总消费量达到269.88亿片，预计2018年中国婴儿纸尿裤总消费量将达到351.25亿片[1].而在生产纸尿裤过程中，会产生较多的边角料及性能不达标的废产品，这部分材料直接废弃将造成极大的资源浪费，同时也对环境造成一定的污染.如果将其回收再利用将利好环境且节约资源.

在纸尿裤领域，国内外研究者一直致力于纸尿裤的环保性、结构设计、吸液性能、舒适性等功能方面的研究，并取得了一定的成果.如金佰利公司推出的 Huggies Convertibles 的新式纸尿裤，既可以像普通短裤一样穿上，又可像一般纸尿裤一样在侧面扣紧[2].Seventh Generation和Nature品牌的纸尿裤开发了环保型纸尿裤，因其产品使用的绒毛浆和香料不经含氯元素漂白，因而减少了对环境的污染[3].某些纸尿裤生产厂家通过改变纸尿裤的面层材料及结构，来提高纸尿裤的反渗透性[4-7].有研究表明通过改变导流层的材料及结构可以改善纸尿裤的吸收性[8].专利US7204907B中，介绍了一种具有三维开孔结构的非织造材料，该材料能改善产品导流性能[9].专利201120300749 介绍了一种具有弹性的复合防漏底膜，使得纸尿裤的穿着更为舒适[10].

在SAP相关技术方面，研究者们也已取得一定成果，例如，阮维青等[11]采用紫外光辐射聚合法制备高吸水性树脂.Alla等[12]以丙烯酸和塔拉胶为原料，采用γ射线辐射引发聚合法制备出了具有互穿网络结构的高吸水性树脂.张小磊等[13]首先采用水溶液聚合法制备出了聚丙烯酸钠 SAP.鲍艳等[14]用不同的单体(丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸羟乙酯等)和丙烯酰胺共聚合成 SAP.刘玉贵等[15]以丙烯酸和丙烯酰胺为原料，采用反相悬浮聚合法合成 SAP.

但对于纸尿裤绒毛浆纤维的回用技术研究，在国内外鲜有报道.原因主要是该类纤维的回用困难，其中掺杂着高吸水树脂SAP(Super Absorbent Polymer)，遇水膨胀形成凝胶，直接回用会给生产及产品质量造成很大问题，而SAP的脱除技术难度较大.目前在纸尿裤绒毛浆纤维的回用技术研究领域，日本研究人员已经取得一些进展，专利CN104411881A中介绍了一种在使用过的纸尿裤等卫生用品中添加漂白杀菌剂，再加入交联剂，再对其进行解离、稀释，加入酸性物质并加热，再使用分离装置进行多次分离，最终将SAP从纸尿裤绒毛浆纤维中分离出来，以实现纤维回用[16].但其工艺繁琐，化学品使用较多，能耗较大，且需要将SAP分离出来才可以实现纸尿裤绒毛浆纤维的回用.

在当今低碳经济和循环经济形势下，开发脱除SAP回用纸尿裤边角料绒毛浆纤维的生产技术，节约社会资源，是非常有必要的.所以课题研究一种纸尿裤边角料绒毛浆纤维回用方法，解决了现有技术中纸尿裤材料中高吸水树脂难脱除的问题.采用无机铝盐破坏纸尿裤边角料绒毛浆纤维中的高吸水树脂的吸水功能，破除其凝胶状态，使其对纸浆不产生恶劣影响.本研究将为纸尿裤边角料绒毛浆纤维的回收提供一定研究依据.

1 实验部分

1.1 实验原料

纸尿裤边角料绒毛浆纤维，由国内某纸业公司提供.无机铝盐，郑州润丰环保公司.

1.2 实验内容

1.2.1 纸尿裤边角料绒毛浆纤维的组分分析及表征

根据TAPPI标准(T401cm-93)制片，用针头挑出少许样品附于载玻片上，加入赫氏试剂染色，盖上载玻片，并置于PMB5-223IPL-5光学显微镜的载物台上，观察纸尿裤边角料绒毛浆纤维形态.并在样品中取出少许SAP，将SAP放置于载玻片上，盖上盖玻片放置于德国LEICA型超景深显微镜载物台上，采用超景深显微镜观察SAP形貌，透射光模式.

1.2.2 破除纸尿裤边角料绒毛浆纤维中凝胶状SAP

将纸尿裤边角料粉碎后溶于水中，再加入一定量无机铝盐，充分搅拌，然后采用991738型标准浆料疏解器疏解10 000转，得到纤维浆料；无机铝盐可以为氯化铝、硫酸铝或聚合氯化铝中的一种.

1.2.3 纸尿裤边角料绒毛浆纤维浆料滤水性检测

取1 L刻度的量桶，将浆料样品添加至量桶，并添加水至液面到1 L刻度处，并加入50目滤网的滤水保留游离度测试仪(BTG公司生产，型号为DFR-05)中，进行纸浆滤水性测试.

1.2.4 SAP性状变化表征

采用美国FEI环境扫描电子显微镜表征SAP结构及其与无机铝盐反应后的结构.

1.2.5 纸尿裤边角料绒毛浆纤维造纸

采用ZQJ1-B型纸样抄取器抄纸.首先将疏解后浆料加至纸样抄取器，加水至浆料上网浓度为0.3 g/L，用搅拌器将纤维浆料搅拌均匀，放水，使之成为湿纸幅，其次用压辊进行手动压榨，最后放入纸页烘干器，在真空度为0.06 MPa的条件下，以105 ℃的温度烘干10 min，烘干后，放真空，取纸.

1.2.6 成纸表面形貌的表征

采用德国LEICA型超景深三维显微镜表征纸张的表面形貌.

2 结果与讨论

2.1 纸尿裤边角料绒毛浆纤维组分分析

通过光学显微镜观察放大100倍的纸尿裤边角料绒毛浆纤维(如图1所示)发现，纤维呈深蓝色，为化学浆纤维，且纤维为木材纤维，具有较高回用价值.该纤维回收后可避免制浆污染，且节约植物资源.

图1 纸尿裤边角料绒毛浆纤维的显微镜图(×100)

纸尿裤边角料绒毛浆纤维样品，将其浸泡于水中，肉眼观察发现水中除了有纤维外还有较多量的透明的不同体积的凝胶状物质，此物质即为SAP吸水后的状态，此物质手感滑腻，与纤维均匀的混合在一起.随着浸泡时间的延长，凝胶状物质的体积逐渐增大，大约20 min后，凝胶状物质体积恒定，但已占整个浆料的大部分体积，浆料整体变成粘稠状，可以预见，如果这种浆料上纸机，将导致糊网、纸页难以成型等严重生产问题.将凝胶状SAP挑出，采用超景深显微镜观察放大140倍的超吸水性树脂，发现SAP为透明胶状物质，其中包裹着些许细小纤维(如图2所示).如果能够破除凝胶状态的SAP，并释放出其间的细小纤维将为后续造纸减少生产及成纸问题.

图2 吸水性树脂超景深显微镜图(×140)

2.2 纸尿裤边角料绒毛浆纤维成浆后滤水性能研究

SAP在湿浆料中以凝胶状态存在，其与纤维混合在一起，用加热、筛选、挤压、离心等方法均不能除掉，凝胶状SAP的存在严重影响了纸浆的滤水性，将直接导致纸浆难于成形.本研究采用添加无机铝盐的方法除去SAP的吸水功能，改变其凝胶状态.

在纸尿裤边角料绒毛浆纤维纸浆中分别添加相当于样品绝干量的2%、5%、8%、10%、12%的无机铝盐，并标记为2#、3#、4#、5#、6#样品，不添加无机铝盐的浆料样品为1#样品，观察浆料中凝胶状SAP的破除效果.结果发现：1#浆料肉眼可见凝胶状树脂，触感滑腻，浆料较粘稠.而适量的无机铝盐可以很好的破除SAP，肉眼观察，发现4#、5#、6#浆料样品中已观察不到凝胶状SAP，手感已无滑腻感；2#浆料样品观察可见较少量SAP，手感微滑；3#浆料样品中可看到些许SAP，手感基本不滑腻.并对6种浆料样品进行滤水性测试，结果如表1所示.

表1 1#～6#样品滤水性能

纸浆的滤水时间可以表征纸浆的滤水性，滤水时间越长，表明纸浆的滤水性越差，纸浆越不容易成形；反之，纸浆滤水时间越短，表明纸浆滤水性越好，纸浆越容易成形，利于抄纸.从表1中可以看出，1#样品是没有添加无机铝盐的浆料，其滤水时间为110 s；2#样品为添2%无机铝盐的浆料，其滤水时间为40 s；3#样品为添加5%无机铝盐的浆料，其滤水时间为10 s；4#～6#样品为添加8%～12%无机铝盐的浆料，其滤水时间为1 s或2 s.以上结果表明，添加无机铝盐后，纸浆滤水性有明显提高，且随着无机铝盐添加量的增加，滤水性提高的幅度越大，当无机铝盐添加量为样品量的8%、12%时，纸浆的滤水性最好，此时浆料最易成形.

从上述结果可知，添加一定量的无机铝盐可以有效改善SAP对纸浆滤水性的影响.并发现当无机铝盐添加量大于8%时，可以得到比较理想的纸浆滤水性.

2.3 SAP结构表征

图3(a)为凝胶状SAP放大1000倍的环境扫描电子显微镜图，图3(b)为添加了8%无机铝盐的SAP放大1000倍的环境扫描电子显微镜图.从图3可以看出，SAP处于凝胶状态时，结构致密、表面相对光滑.添加无机铝盐后，SAP结构松散，表面褶皱.出现这种结构差异的原因可能是，一方面无机铝盐可以破坏乳状液界面的双电层，增加了油、水两相的密度差，使内相水析出较快；一方面，无机铝盐增加了油、水两相的极性差，使油在水中的溶解度降低，从而实现破乳.

(a)凝胶状SAP (b)添加无机铝盐后的SAP图3 环境扫描电子显微镜(×1 000)

2.4 纸尿裤边角料绒毛浆纤维成纸的表征

将1#～6#浆料分别抄造成纸，抄纸过程中发现：1#浆料，抄片后，其湿纸幅上有明显凝胶状超吸水性树脂，烘干后其成纸有明显纸病，纸页上有凹坑(如图4(a)所示).2#、3#分别为添加2%及5%无机铝盐的浆料抄片，其湿纸幅较平整、均匀，有部分凸起，说明仍有部分SAP的凝胶性状没有被改变.干燥后发现其成纸表面仍存在少许凹坑，存在纸病(如图4(b)、(c)所示).4#、5#、6#分别为添加8%、10%、12%无机铝盐的浆料，抄纸后湿纸幅平整、均匀，未见凸起，干燥后成纸未见凹坑，没有纸病(如图4(d)、(e)、(f)所示)，说明凝胶状的SAP在纸尿裤边角料绒毛浆纤维抄纸前已经被破除.

(a)1#样品 (b)2#样品

(c)3#样品 (d)4#样品

(e)5#样品 (f)6#样品图4 1#～6#浆料成纸照片

超景深显微镜观察发现1#浆料成纸表面存在明亮反光物质(如图5所示)，此为SAP吸水润涨成凝胶状后再干燥的状态.添加8%无机铝盐的4#浆料成纸在超景深显微镜下观察，未见超吸水性树脂(如图6所示).

图5 未添加无机铝盐的纸尿裤边角料绒毛浆纤维成纸超景深显微镜图(×50)

图6 添加8%无机铝盐的纸尿裤边角料绒毛浆纤维成纸超景深显微镜图(×50)

由上述结果可以发现，添加无机铝盐，可以解决SAP阻碍纸尿裤绒毛浆纤维回用的问题，同时，在制浆造纸中无机铝盐为常用化学助剂，故选择无机铝盐也不会给后续的抄纸工段带来新的问题.

综上所述，添加无机铝盐，能够破除纸尿裤纤维中的凝胶状SAP，且浆料滤水性好，易成形，不糊网，不会给生产造成困扰，且成纸无纸病，从而可实现纸尿裤边角料的回用.

3 结论

采用无机铝盐可以破坏高吸水树脂凝胶物质的界面双电层，提高该物质的内、外两相密度差，促使内相容易析出，同时，增加内、外两相的极性差，使外相即油相在水中的溶解度降低，破除SAP的性状.将实现纸尿裤边角料绒毛浆纤维的有效回收，有利于大幅度节约资源.

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【责任编辑：陈 佳】

Study on recycling of diaper offcut fluff pulp fiber

MENG Qing-jun, LIU Li-na, ZHANG Su-feng, LIU Ye, QIAN Li-wei, HOU Chen

(Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Diapers offcut fluff pulp fiber mix with Super Absorbent Polymer(SAP),that were recycled difficultly.The paper,SAP was exploded by adding chemicals,that led to recycling of diapers offcut fluff pulp fiber was come ture.The filtering performance of the sample was tested by dynamic filter water meter,structure of sample was tested by environmental scanning electron microscope,the surface morphology of the paper was studied by super depth of field microscope.Results show the filtering performance of raw material can significantly improve with adding inorganic aluminum salt.The SAP gel state can be changed with adding inorganic aluminum salt,and no disease into paper.

diaper; super absorbent polymer; inorganic aluminum salt

2017-04-01

陕西省科技厅重大科技专项项目( 2015KTCQ01-44)； 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室科研项目(12JS024)； 陕西科技大学博士科研启动基金项目( BJ15-14)； 陕西科技大学大学生创新创业训练计划项目(2016-024)

孟卿君(1981-)，女，河北安国人，工程师，博士，研究方向：纸基材料印刷适性

2096-398X(2017)03-0025-05

TQ325

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