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纸张柔软剂及其应用
摘自:日期:2020-09-28 14:23

近年来,一次性生活用纸如纸手帕、卫生纸、餐巾纸及尿布纸等的消费日趋增大,同时对纸质量的要求也越来越高,尤其对纸张柔软性提出了更高的要求,所以纸用柔软剂越来越受到重视。使用纸张柔软剂的目的在于:①降低纤维之间的结合力,使纸张刚性下降,减少纸张对皮肤的摩擦力;②具有湿润纤维的作用,改善纤维的平滑性,增加纸张光滑、细腻的感觉;③使纸张具有可塑作用[1-2]。总之柔软剂可在纤维表面形成疏水基向外的反向吸附,降低纤维物质的动、静摩擦因数,从而获得平滑柔软的手感[3]。实际上柔软剂除具有柔软作用外,有时还兼有防水、防再污染、抗静电等效果。本文就柔软剂的作用机理及其在造纸工业中的应用作一简单介绍。

 

1  柔软剂的作用机理[14]

 

纸纤维分子链中含有多个羟基,且为直链型大分子,链间有很强的分子间力及氢键,具有较高的结晶度,属于刚性链。通过打浆等机械作用及加入各种助剂可使纤维分子分散、降解和降低结晶度,起到一定的助软作用,但这远不能满足对纸张柔软的要求。

若使纸张柔软,从根本上讲应降低纤维分子间的相互作用力,使链段和分子链都能够运动,而柔软剂的作用则是在纤维之间形成非极性隔离膜,从而使分子链易在应力下发生相互滑移和运动。多数纸张柔软剂都是具有12~18个碳的疏水性蔡团的表面活性剂,并带有短链的可溶性基团,但形成柔软功能的主要是疏水性基团——长链烷基。在适宜工艺条件下,疏水性基团附着在纤维表面,形成包裹纤维的疏水膜,从而使纸页柔软性得到改善。亲水性基团在水溶液中起到乳化分散的作用。短链可溶性基的主要作用是使其在水介质中溶解,与柔软性无直接关系,但其决定烷基在纤维周围的取向。

总之,柔软剂与纸张纤维的作用机理,随柔软剂亲水基离子性的不同而有差异。

 

2  柔软剂的分类[4]

 

2.1  表面活性剂类柔软剂

按其极性,表面活性剂类柔软剂可分为:阴离子型柔软剂、阳离子型柔软剂、非离子型柔软剂和两性型柔软剂。这4种柔软剂因其离子性的不同而在纤维上产生不同的定向,显示出不同的作用特征,从而使柔软剂性质判别较大。

2.1.1  阳离子型  阳离子型柔软剂由于带有正电荷,可以直接与带负电荷的纤维结合,此时柔软剂分子的亲水基吸附在纤维上,而憎水基向外侧排列,形成低表面能,纤维被长链脂肪烷基的膜所包覆,因此用阳离子型柔软剂处理的纤维柔软效果特别好,同时纸张可获得丰满、滑爽的手感。如美国杜邦化学公司制造的Zelan(商品名)就是阳离子表面活性剂[5],易溶于温水中,形成透明的泡添溶液,能与纤维形成醚链结合,使纸张获得永久的柔软效果。英国ICI公司制造的Velan(商品名)也是这类表面活性剂。

2.1.2  阴离子型  阴离子型柔软剂与带负电荷的纤维接触时,互相之间发生排斥,其不能吸附在纤维上,纸页脱水成形后,纤维上仅仅附着一些与介质中浓度相同的药剂,其活性基的憎水部分在纤维周围形成一层油状的膜,而亲水基向外侧排列。因此阴离子型柔软剂可赋子纸张柔软感和柔曲性,但不具有表面平滑的手感。

2.1.3  非离子型  非离子型柔软剂由于在水溶液中不带电荷,因而缺少作为柔软剂的突出特点。但在使用时它也能使纤维具有滑腻的柔软感。非离子型柔软剂的特点是稳定性好,如成年美女黄网站色视频免费酯,特别适合与其他助剂配合作用,但它们对纤维的吸附性相对较差,使用后的耐久性低。

2.1.4  两性型  两性型柔软剂的亲水性是由阴离子活性基和阳离子活性基共同组成的,受水溶液中pH值影响较大,在酸性条件下可用作阳离子型柔软剂,在碱性条件下有阴离子型柔软剂的特点。两性型柔软剂的阳离子基可与纤维作用,阴离子基则可通过纸浆中的聚电解质或铝离子与纤维结合,同样可使疏水基向外排列,降低表面能。这类柔软剂能赋予纸张光滑性和柔软性,同时具有抑菌性和杀菌能力,可有效防止纸的发霉[4]

2.2  非表面活性剂类柔软剂

2.2.1  天然油脂  石蜡类柔软剂  以天然油脂和石蜡为原料,在乳化剂的作用下配制成乳液,如聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、石蜡及硬脂酸酯、硬脂酸双酰胺、羊毛脂等。以其作为纸张柔软剂的特点是手感好、有滑爽及丰满感,其作用机理主要是渗透到纤维间,起到隔离和润滑作用,使分子易于运动,其也常用作生活用纸的脱缸剂。

2.2.2  高分子聚合乳液柔软剂  以聚乙烯、聚丙烯、有机硅树脂、聚胺酯树脂等高分子聚合物为原料制成的乳液。其不仅具有较好的柔软效果,而且可作为起皱剂使用。特别是有机硅树脂用作纸张柔软剂时除赋予纸张良好的柔软感和平滑感外,还能使纸张有很好的柔弹感和厚实感,其柔软机理是以极性的硅氧链与纤维形成氢键,而疏水基向外排列形成低表面能薄膜,大大减少纤维间的分子间力,使纸张获得永久的柔软效果[6]

3  几种常用的柔软剂

3.1  长链脂肪烃季铵盐柔软剂与其他亲水必化合物的复配物[7]

简单的纸张用柔软剂可以是长链脂肪烃季铵盐。但普通长链脂肪烃季铵盐柔软剂通常存在乳液粘度较大、稳定性差、易分层,经此类柔软剂处理后的纸品的吸湿能力、抗静电能力、纸强度均降低,要克服这些缺点就感适当提高柔软剂分子的亲水性。在配方中常添加亲水性化合物为甘油类多羟基化合成年美女黄网站色视频免费型非离子表面活性剂,其中,成年美女黄网站色视频免费链段具有更好的效果。这是因为成年美女黄网站色视频免费链段具有吸湿和抗静电特性,因此柔软剂中加入这一组分后,可以在提高柔软性的同时,保持较好的吸湿性和抗静电能力,且乳液的稳定性也有改善。选用的成年美女黄网站色视频免费的相对平均分子质量宜在200~4000之间,为200~600之间,且其用量为1%(对纸浆)较为适宜。

3.2  两性离子型柔软剂

两性咪唑啉及甜菜碱型表面活性剂均可用作纸张柔软剂。已在造纸工业中应用的有1-(β-胺乙基)-2-十七烷基咪唑啉羧酸衍生物。

一般来说,阳离子或两性离子柔软剂都不能使用,而应与其他有效万分配成复合柔软剂,如可将其与有机硅油和合成蜡复合,得到一种两性硅蜡柔软剂[8]

3.3  有机硅柔软剂

有机硅是以聚硅氧烷为主链,侧基含有甲基等功能团的聚合物。由于硅氧键的键角比较大,使得Si-O之间容易旋转,链非常柔软[9]。同时由于硅氧烷在结构上可以有多种变化,因此可得到一系列的类似物和同系物。由于硅氧烷的优良性质难以代替,且其又难以乳化,人们尝试在硅氧烷分子上引入侧基以改善硅氧烷对基质的亲和性,因此制成了许多性能类似于脂肪系表面活性剂的聚硅氧烷系表面活性剂。聚硅氧烷表面活性剂兼有硅氧烷化合物的特性和支链官能团的特点。作为柔软剂使用的主要是乳液或微乳液[10-13]

3.3.1  季铵盐化有机硅油乳液

有机硅季铵盐同时含有季铵盐和聚硅氧烷主链。这一化合物带有易水解的甲氧基,水解为易起交联反应的硅羟基,能牢固地附着于纤维表面,起到柔软作用。同时其还有较强的杀菌、抑菌能力。我国现已开发出有机硅季铵盐表面活性剂,如以含氢硅油与缩水甘油烯丙醚反应,生成带环氧基的硅油,然后与二甲胺反应生成有机硅叔胺,再与氯甲烷在压力下反应生成有机硅季铵盐[1]

3.3.2  氨基硅油及其乳液

氨基硅油是目前受到重视的一种改性硅油[14],它在酸性条件下呈现阳离子性,且可根据需要制备不同的氨基硅油,如端基氨基硅油、侧基氨基硅油;改性制备可分为乳液聚合和本体聚合法。乳液聚合是以表面活性剂为乳化剂,在催化剂存在下,使单体乳化剂形成的胶束中聚合而形成乳液型氨基硅油;本体法则是将有机硅油或有机硅单体与含单胺型氨基有机硅偶联剂如KH-550或双胺型氨基有机硅偶联剂如KF-602等作用,在大分子中引入氨基[15]

3.3.3  阳离子羟基硅油乳液

八甲基环四硅氧烷(D4)是一种合成有机硅高分子的重要单体,其可在酸(如对甲苯磺酸、冰乙酸)或碱(如正丁基锂、NH3、二乙醇胺)催化下进行开环聚合,形成端羟基二甲基硅氧烷。该聚合物呈线型结构,主链由Si-O键组成,铡基为甲基,反应符合逐步聚合机理,即相对分子质量随着时间的延长而增加。

阳离子羟基硅油乳液作为纸张柔软剂有很大优势:由于带正电荷与纤维有很好的结合能力;同时极柔顺的硅氧主链使它处理后的纸张柔软性和手感极佳;还有利于提高纸张的滑爽性。可采用十二烷基苄基二甲基氯化铵(1227)及二乙醇胺作为乳化剂及催化剂,使乳液呈阳离子性,并且通过加入十八醇作为助乳化剂,提高乳液稳定性[1]

3.4  其他柔软剂

3.4.1  硬脂酸聚氧乙烯酯

变称柔软剂SME-4属非离子柔软剂。外观为米黄色膏状物,可溶于水、乙醇、乙醚和甲苯等,可与各种表面活性剂混用;水溶液pH值为中性,皂化值为80~90HLB值为10.0,由硬脂酸在氢氧化钠(或钾)催化下,与环氧乙烷反应制得[1]SME-4有良好的渗透性,兼有柔软平滑作用。

用硬脂酸聚氧乙烯酯作为柔软剂,生产餐巾纸、医院用纸订单和纸衣服时,不仅能使这类纸制品柔软,而且可以提高它们的吸湿性。用硬脂酸锌或成年美女黄网站色视频免费二硬脂酸酯和成年美女黄网站色视频免费二月桂酸酯处理多孔、能吸水的卫生纸,可获得很好的手感。处理后再用双硬脂奉二甲奉氯化铵进行改性,可减少处理剂从表面渗入内部。

3.4.2  聚氧化乙烯

聚氧化乙烯乳液可由低分子聚乙烯经氧化、乳化而成。外观为白色乳液,固含量20%pH值接近7,分散相粒度≤0.5μm,能稳定1年以上。主要用作纸张分散剂、柔软剂及高光纸的防粘剂。

3.4.3  羊毛脂

羊毛脂主要成分为高碳酸高碳醇酯、胆甾醇等,因其为油溶性表面活性剂,一般不单du使用,可与蜡类及其他亲水性表面活性剂配合,得到乳液型柔软剂。这类柔软剂具有极好的润滑性能,且已在国外大量应用。

将羊毛脂进行聚氧乙烯化反应可改善其亲水性及其他性能,使之更适合用于用作纸张柔软剂。阳离子化羊毛脂作为柔软剂目前正在研究中。

3.4.4  乳化蜡

可分为非离子型、阳离子型和阴离子型。作为纸张柔软剂主要应用阳离子型产品。即将阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂加入蜡中,经乳化后得到稳定蜡乳液。为了改性,可加入有机硅油和液体石蜡。加入乳化蜡不仅可改善纸张的柔软度,还可提高平滑度、降低纸与纸或与其他基材间的摩擦力、增强纸张的抗水性和抗湿磨能力。

3.4.5  蜡乳胶

蜡乳胶也是一种柔软剂,其主要成分为非离子性的蜡,因其是通过用各种表面活性剂进行乳化、分散而制成的,因此有阴离子、阳离子、非离子、两性型等柔软剂。

生产蜡乳胶可使用多种石蜡和动植物油脂,根据配制情况,可以以柔软性为主、以平滑性为主、以光泽性为主,或者具有防水性、憎水性等。

另外,还有低相对分子质量的氧化聚乙烯蜡,与相对分子质量在10000以上的高分子聚乙烯不同,其相对分子质量一般在1500~3000左右,且在末端有不同的酸值。这种聚乙烯蜡乳胶的离子性取决于乳化剂的离子性。聚乙烯蜡乳胶柔软剂的特点是光滑、柔软、光泽效果好,对混用的其他树脂有很好的相容性。特别是提高纸面光泽非常有效。用其代替硬脂酸钙作为平滑剂也受到普遍重视。

 

4  如何用好柔软剂[2]

 

1)柔软剂的贮存。柔软剂进厂后,一定要在阴凉、干燥、通风条件下贮存并远离火源、明火。贮存的容器应采用玻璃钢或聚烯烃类高分子材料制成。在使用前,一定要熟悉出厂检验报告单和使用说明书,并对其产品的外观、pH值、固含量、水溶性进行化验,看是否符合作用要求,否则不得进入车间使用。

2)在造纸工艺过程中添加柔软剂时,必须用水稀释后以水分散液的形式加入浆料中,其添加方法可分为连续法和间歇法。连续法添加适用于柔软剂用量较大的车间,在流程中使用化学计量泵将柔软剂经过调节器泵入静态混合器,与定量水在静态混合器中充分混合后送入车间使用,混合兴高采烈浓度控制在1%~5%。间歇法添加用于柔软剂用量较小的车间。

3)柔软剂制成水分散液后的贮存温度为21~38℃。经过水分散稀释后的柔软剂,可以在抄前池、混浆箱、冲浆泵入口等位置加入。不管在何处添加,必须保证纸浆与柔软剂混合均匀。当使用阳离子柔软剂时,任何含有阴离子表面电荷的化学添加剂均会降低柔软剂效能。柔软剂用量一般为风干浆量的0.5%~1.5%,实际加入量视浆料品种、产品对柔软度的要求而定。应在实验室及中试条件下确定适宜添加量。纸浆的洗净程序、其他造纸化学助剂与柔软剂同时使用时是否产生相互影响等因素,均会影响柔软剂效果的发挥。

4)不同类型的柔软剂适用于不同类型的纤维素面。纤维表面带负电荷,用阳离子或两性离子柔软剂的效果比较好。柔软、平滑剂的配方中除了表面活性剂外,一般还要加入有机硅高分子或羊毛脂这样的脂类,以充分降低纤维表面能,提高纸张的柔软性。

 

5  结语

 

综上所述,在诸多的柔软剂中尤以有机硅柔软剂和有机硅高分子的效果好,但原料价格较高,往往要与其他柔软性组分配合使用以降低成本。

由于我国非木材纤维及二次纤维抄造生活用纸的比例很高,如何研制开发适合我国国情的纸张柔软剂,正确、合理地使用好现有纸张柔软剂,还有待进一步探索。

 

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[9]沈一丁,造纸化学品的制备及作用机理[M],北京:中国轻工业出版社,1999

[10]彭洪安,陈中豪,李友明,纸用柔软剂的新进展[J],广东造红,20005):34

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[15]李忆平,双烷基酰胺咪唑啉季铵盐型纸张柔软剂的应用研究[J],西北轻工业学院学报,20003):98

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