影响生活用纸吸收性能的因素

生产生活用纸所用的纤维原料大多为植物纤维，主要由纤维素、半纤维素和木素等成分组成。纤维素是由D-葡萄糖以β-1,4糖苷键组成的单一多糖，分子链上的一部分羟基通过氢键与另一个纤维素分子链相连接，剩下的一部分羟基称为游离羟基。游离羟基具有亲水性，可与水分子发生氢键结合，从而吸附水分子。纤维的结晶区结构相当稳定，水分一般难以进入纤维的结晶区，对纸张吸水性能影响不大。而纤维无定形区结构比较松散，表面存在很多游离羟基，当水分子进入纤维内部后，这些游离羟基因具有极强的亲水性，会吸附水分子，所以纤维无定形区体积及内部极性羟基的含量决定了纤维本身的吸水性能^[6]。

木素的存在使纤维素分子链上的游离羟基含量下降，对纤维的吸水性能产生了不利影响。Eriksson等人^[7]经过研究表示，木素的刚性性质会对纤维的吸水润胀有抵抗作用。另一项研究也得到了相似的结论^[8]：通过去除纸浆中60%的木素，发现纤维吸水量可达2~4 g/g；水温高于木素的软化点时，吸水量还会增加。生活用纸的原料大多为漂白化学木浆，木素含量较低。根据Beuther等人^[9]的研究，主要由漂白硫酸盐木浆制成的生活用纸能够吸收比本身质量大5~10倍的水。

另一个影响纤维吸收性能的因素是纤维本身的空腔体积。纤维是一个管状结构，其内部具有纤维空腔，直径在微米范围内，使纤维可以通过毛细管效应快速吸取水分，水分在进入纤维空腔后一部分和无定形区的游离羟基结合，一部分则留在空腔内。

纤维在纸张中彼此交织形成孔隙结构，使生活用纸中有许多孔隙通道^[10]。孔隙通道直径较小，纸张可以通过毛细管效应将水分吸入孔隙通道。

蔡文祥^[11]发现不同形态的植物纤维具有不同的吸收性能。通过对不同原料抄造的定量均为22 g/m²的生活用纸进行吸水率测定发现，以棉浆为原料的生活用纸吸水率为58.0 mm/100 s；以木浆为原料的生活用纸吸水率为26.0 mm/100 s；以二次回用浆为原料的生活用纸吸水率为24.0 mm/100 s；以麦草浆为原料的生活用纸吸水率为17.0 mm/100 s。棉浆具有比一般植物纤维更大体积的纤维空腔和更高的游离羟基含量，因此具有较高的吸收性能；木浆作为生活用纸生产中最普遍的原料，是除棉浆外吸收性能最高的植物纤维之一。

总体来说，纤维对于生活用纸吸收性能的影响主要由微观上游离羟基的含量、纤维本身空腔体积的大小和纤维交织成纸后所产生的孔隙结构所决定。

打浆通过机械剪切力和纤维之间摩擦力等对纸浆纤维产生一系列的结构变化^[12]。通过控制打浆条件，可有效破除纸浆纤维的初生壁和次生壁，将次生壁中大量的纤维素羟基暴露出来，使纤维细胞通过纵向分裂作用发生分丝帚化和细纤维化现象，这会对纤维细胞产生横向切断作用，产生更多新的纤维壁腔端口，对胞腔通过毛细管效应吸水产生一定的积极作用，会在一定程度上改善纤维的吸水性。但是过度打浆可能会增加纸张的紧度，从而降低纸张的孔隙率，对纸张吸收性能产生不利影响。纤维种类不同，打浆对纤维吸收性能的作用也会有所变化。

管敏^[13]通过对高得率竹浆和硫酸盐竹浆为原料的生活用纸原纸在不同打浆度下的吸水量进行研究。发现在20~30°SR下，2种竹浆原纸的吸水量呈较高的水平，竹浆纤维与木浆纤维不同，其纤维较为挺硬，在打浆过程中，竹浆纤维难于切断，所以在20~30°SR之间，竹浆原纸吸水量会有一段升高；但随着打浆的进行，竹浆原纸的吸水性逐步下降。过度打浆增加了纤维表面分丝帚化的程度和浆内细小纤维的含量，使纤维在成纸的过程中，彼此间的交织次数增多，导致原纸的紧度增加；细小纤维的存在，则导致原纸孔隙率的下降，从而降低了原纸的吸水量。

蔡文祥^[11]通过对不同打浆度下纸浆的吸水率进行研究，发现随着打浆度的升高，生活用纸原纸的吸水率逐渐降低。通过使用克列姆法对不同打浆度下定量为15 g/m²的生活用纸进行吸水率测定，发现打浆度为25°SR时，吸水率为26 mm/100 s；打浆度为36°SR时吸水率为25 mm/100 s；打浆度为46°SR时吸水率为20 mm/100s；打浆度为65°SR时吸水率为19 mm/100 s。克列姆法本质上是根据所测原纸的毛细吸液速率来比较不同原纸之间吸水性能（主要是吸液速率）的测试方法。随着打浆度的增加，原纸的紧度增大而孔隙率下降，导致原纸的毛细管效应逐渐减弱，从而导致原纸吸水速率的下降。

Gigac等人^[14]通过对不同浆料所制成的生活用纸吸收率进行研究，发现当ECF漂白亚硫酸盐浆打浆度从20°SR增加到50°SR时，生活用纸吸收率从245%降至195%（质量百分比）；TCF漂白亚硫酸盐浆打浆度从14°SR增至45°SR时，生活用纸吸收率从270%降至190%（质量百分比）；TCF漂白桦木浆打浆度从24°SR增至44°SR时，生活用纸吸收率从285%降至245%（质量百分比）；ECF漂白桉木浆打浆度从25°SR增至49°SR时，生活用纸吸收率从275%降至230%（质量百分比）。该研究通过不同处理方法得到木浆原料，随着打浆度的增加，成纸后原纸的吸收率都出现了下降，说明了过度打浆确实会造成原纸吸水性能的下降。

在生活用纸的生产过程中，起皱是一个非常重要的过程。起皱技术主要是用来提高生活用纸的柔软度，可在一定程度上改善生活用纸原纸的吸收性能。生活用纸原纸起皱后，其纵向伸长可提高8倍，纸张厚度增加3倍，挺度下降38%，强度下降70%^[15]。

起皱过程中，起皱率也会对生活用纸的吸收性能造成影响。Tiago等人^[16]使用漂白硫酸盐桉木浆为原料生产生活用纸，发现随着起皱率的升高，生活用纸的吸收性能也逐渐升高。未起皱的生活用纸吸水量为6.1 g/g；起皱率为5%的生活用纸吸水量为8.0 g/g；起皱率为10%的生活用纸吸水量为8.1 g/g；起皱率为15%的生活用纸吸水量为8.1 g/g；起皱率为20%的生活用纸吸水量为8.4 g/g，起皱工艺使纸张的吸收能力提升了34%。

生活用纸纸机的干燥部是影响生活用纸吸收性能的一个重要因素。生活用纸行业最常用的2种干燥方式是扬克烘缸干燥和热风穿透干燥技术（TAD）。扬克烘缸干燥操作过程中会对生活用纸原纸进行起皱处理。研究表明，扬克烘缸干燥起皱改善了生活用纸原纸的松厚度和吸收性能，但由于干燥过程中会对原纸产生较大的压力，导致实际生产中生活用纸原纸的吸收性能下降^[17]。

TAD干燥技术可使热风直接穿过纸张，实现生活用纸的干燥。TAD干燥速率为170~500 kg/(h·m²)，比扬克烘缸干燥速率（50~100 kg/(h·m²)）高得多，TAD不仅以更快的速度对生活用纸进行干燥，还解决了因为扬克烘缸压力过大引起纸张松厚度降低等问题，所以采用TAD技术制造出的纸张透气度、松厚度和吸收性能更好。在生活用纸的干燥过程中，传统扬克烘缸热风气罩里的空气最高温度被限制在510℃以下，大多数厂家会加速热风的喷出速率，致使成本提高。因此在实际生产中，扬克烘缸干燥和TAD热风干燥会被结合起来使用，以降低生产成本。实验证明，起皱干燥方式不同，效果有明显的区别。

图1是不同起皱干燥方式的纸张横截面SEM图。未加扬克烘缸的热风干燥技术（UCTAD）比加扬克烘缸的热风干燥技术（C-TAD）的起皱干燥效果更好；与轻度干法起皱（LDC）相比，使用C-TAD技术，干燥之后纸张起皱更好；由于生活用纸原纸内部结合紧密，UCTAD技术干燥后的生活用纸原纸表面较挺硬，但由于纸张承受压力小，生活用纸松厚度更高^[18]。所以，在不考虑成本的情况下单独使用热风干燥技术可有效改善生活用纸松厚度，从而提高其吸收性能。

图1  不同干燥方式的纸张横截面SEM图^[18]

Fig. 1  SEM images of cross-section of paper from different drying methods^[18]

近年来，生活用纸设备生产厂家对纸机进行了许多改进，推出一种新的带式成形生活用纸的纸机概念^[19]，以提高生活用纸的吸收性能。一般情况下，纸机成形网具有一定的平面结构，这样使纸幅在上网后也呈现出平整的状态，而改进后的纸机能赋予成形网一定的3D波浪结构，使纸幅在上网后和扬克烘缸干燥前就随成形网呈现出同样的3D立体结构。Raunio等人^[19]建立一种针对此类纸机的在线质量评价机制，发现这种带式成形纸机所生产出来的生活用纸的吸收性能与经过扬克烘缸所生产的生活用纸的吸收性能相比增加了50%~80%，相较热风干燥技术则增加了80%~100%。通过比较3者的能耗，带式纸机的能耗甚至低于扬克烘缸纸机，并且所生产出来的生活用纸的吸收性能更高。总的来说，如果能很好解决纸机运行时因干燥操作对纸张产生压力导致的纸张紧度的降低问题，会进一步改善生活用纸原纸吸水性。

在实际生产生活用纸的过程中，大多数生活用纸生产厂家为了在节约成本的同时提高其吸收性能，会使用3层甚至4层生活用纸原纸层合的方式去保证生活用纸产品的质量。直接将生活用纸原纸层合在一起，不用经过压花等操作，而通过增加原纸数量以达到提升吸收性能的目的，降低生产成本。

一般认为2层纸比1层纸具有更高的吸收性能，当2层或多层纸张压在一起时，纸张层间会形成层状流动通道，这种结构会大大降低黏性流动阻力，增加其吸水速率，并且额外的层数也会增加吸水空间，提高其吸水量^[25]，通常空间增加的吸水量比纸张原本的吸水量更多，使得多层纸的吸收能力大大提升。

Loebker等人^[26]对生活用纸的层数进行了研究，使用不同的层间结合方式，分别将原纸在湿态下（CWP）和在干燥后（TAD）进行层间结合，并与单层纸的吸水量进行对比，发现单层CWP的吸水量为0.66 g/g；双层CWP的吸水量为6.6 g/g；单层TAD的吸水量为13.8 g/g；双层TAD的吸水量为16.2 g/g。说明生活用纸原纸通过多层结合的吸收性能优于单层原纸，而在干燥后结合的纸吸收吸能优于干燥前结合的原纸。