CN113846515A

CN113846515A - 一种遇水易分散的纸张及其制备方法

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Publication number: CN113846515A
Application number: CN202111167620.0A
Authority: CN
Inventors: 陈港; 王淳玉; 钱杨杨
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-10-07
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2041-10-07
Also published as: CN113846515B

Abstract

本发明提供了一种遇水易分散的纸张及其制备方法，属于特种纸张技术领域。室温条件下，将本发明制备的遇水易分散的纸张（0.1 g）置于150 mL水中，在400 r/min及以上的的搅拌条件下，无需特定溶解条件（水温、水质等），8 s内即可充分分散在水中，水溶效果优异。所述遇水易分散纸张主要成分包括：化学浆、化学热磨机械浆、干强剂、分散剂、润湿剂和柔软剂。所述遇水易分散纸张的制备方法为：将上述主要成分通过长网纸机或圆网纸机抄造得到的遇水易分散的纸张，所述遇水易分散纸张定量为20‑100 g/m²，紧度0.15‑0.4 g/cm³，可广泛应用于环保包装、仓储、医疗、电子产品标识防伪、文化文创及数字印刷等领域，具有原料百分之百采用可生物降解的植物纤维，可使用现有的造纸工艺和设备来生产，过程简便，成本较低且遇水分散性优异等优势。

Description

一种遇水易分散的纸张及其制备方法

技术领域

本发明涉及特种纸张技术领域，具体是一种遇水易分散的纸张及其制备方法。

背景技术

纸张的强度主要来自纤维之间的氢键结合力和纤维本身的强度，其最主要是来自氢键。形成氢键结合强度的必要条件是纤维之间的距离要小于2.8 Å且有游离的羟基。对于同样的浆料纤维，纤维之间的距离对形成纸页强度至关重要。纸张润湿后，水分子进入纤维间隙，纤维之间的距离变大，纤维间稳固的氢键结合转变为松散的“水桥”结构，纤维间结合力大幅度下降直至失去强度。

遇水分散纸属于特种纸的一种，设计之初是用于情报保密领域，其物化性能与普通纸相近，其真正价值在于遇水分散性。在水中浸泡数分钟后可全部自行分散，在搅拌、冲刷等外力作用下分散更快。时至今日，水溶纸被广泛应用于电器元件、包装纸、保密纸、便签纸和风马纸等领域。

纸张遇水分散性检测方法为：将纸张（0.1 g）置于150 mL水中，在400 r/min及以上的的搅拌条件下，分散至无肉眼可见浆块，视为分散于水中 [Sagawa T, Tatsu H,Horiuti M. 水性分散液の製造法: WO, WO2004067579 A1[P]. 2004.]。

目前，常见遇水分散纸张商用名称为水溶纸，在水中分散时间为10-20 s。用以制备遇水分散纸的方法主体仍为湿法造纸的方法，使用的原料主要有水溶性无机纤维和纤维素醚。以水溶性无机纤维（如水溶性维尼纶纤维）为原料，在湿法造纸之前需将其制备成细纤维，上网、脱水后，在聚乙烯醇溶液中挂浆，再成纸（上网、脱水、烘干、压光）。原料预处理步骤繁琐，工艺复杂，成本较高，不易推广生产。由于原料自身性质限制，该方法制备的水溶纸对溶解条件有所要求（水温低于70°C），且原料依赖化石能源，成纸不易降解，易造成环境污染 [金周敏, 陈峰彪. 水溶纸及其制造方法:, CN 1337492 A[P]，2001.]。纤维素醚为目前使用较多的遇水分散纸原料，制备过程包括纤维素醚酸化、成纸、纸张碱化。与无机纤维水溶纸的制备过程相似，纤维素醚基水溶纸原料预处理工艺繁琐，技术门槛极高，生产效率底下，且酸化过程对设备要求较高，易造成环境污染。除此之外，这类水溶纸成本高昂，难以大规模推广和应用 [杨玲,等；水溶纸浅议[J].纸和造纸,2019,38(03):38-40.]。此外，有研究者在聚乙烯醇中加入纳米纤维素和填料，制备出水溶性维伦纤维，以此为原料，添加分散剂，制成水溶纸。但仍存在工艺复杂，效率低，成本高昂，成纸难以降解，且遇水分散性较差等问题 [刘晓敏, 唐地源, 郑应福,等. 维纶纺丝原液及其制备方法,由其得到的水溶性维纶纤维和包含其的水溶纸:, CN109295522A[P]，2019.]。

因此，发明出一种遇水易分散的纸张及其生产方法，用于解决现有技术中，遇水分散纸无法采用传统造纸方法生产，生产过程工艺复杂繁琐，生产效率低下，成纸价格高昂，遇水分散性一般，分散后无法降解等缺陷，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种遇水易分散的纸张及其制备方法，用于解决现有技术中存在的缺陷。

化学热磨机械浆由于制备工艺的影响，其中含有一定量木素，与化学浆相比其纤维表面暴露的氢键位点较少，其成纸具有松厚度高、紧度低、强度低于化学浆成纸等特点。将化学热磨机械浆与化学浆配抄，在干强剂和分散剂的作用下，成纸在干燥环境下可以获得较好的强度，以满足书写、印刷、包装等应用场景的要求。当本发明的遇水易分散纸张遇水后，润湿剂、柔软剂加速纸张的润湿和吸水，相对蓬松的纸张纤维间稳定的氢键结构迅速转变为松散的“水桥”结构。随着在水环境下时间的增长，或外力（搅拌、冲刷等）的作用下，纤维间距进一步变大，纤维间松散的“水桥”结构也被破坏，纸张即分散于水中。

所提供的技术方案原料易得简单且成本低廉，制备工艺简便，可规模化生产，所制备的纸张在具备纸张常规性能的同时，具有良好的遇水分散效果；经测试，所制备遇水易分散纸张在常温下，0.1 g纸样于150mL水中，在400 r/min的搅拌条件下，8 s内完全分散于水中。

本发明提供了一种遇水易分散的纸张，包括如下成分：化学浆，化学热磨机械浆，干强剂，分散剂，润湿剂。

进一步的，所述遇水易分散的纸张中各成分按质量分数为：化学浆10-60份，化学热磨机械浆40-90份，干强剂0-1份，分散剂0-1份，润湿剂0-3份，柔软剂0-1份。

进一步的，所述干强剂包括阳离子淀粉、两性离子淀粉、羧甲基化壳聚糖、阳离子化壳聚糖、醛基化纤维素、羧醛化聚乙烯醇、N-乙烯基酰胺类、水溶性植物胶类、聚合物乳胶类中的一种或两种以上。

进一步的，所述分散剂包括聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素及其衍生物和改性淀粉中的一种或两种以上。

进一步的，所述述润湿剂包括烷基硫酸盐、磺酸盐、脂肪酸或脂肪酸酯硫酸盐、羧酸皂类、磷酸酯、聚氧乙烯烷基酚醚、聚氧乙烯脂肪醇醚、聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物、硅醇类非离子表面活性剂中的一种或两种以上。

进一步的，所述柔软剂包括有机硅高分子、聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸蜡、硬脂酸双酰胺、羊毛脂、乳化蜡中的一种或两种以上。

本发明还提供了一种遇水易溶解纸张的制备方法，包括以下步骤：

（1）浆料原料的处理：对浆料原料进行打浆处理，打浆度范围为10-80°SR；

（2）上网浆料配置，按质量份计，将化学浆10-60份，化学热磨机械浆40-90份，分散剂0-1份，润湿剂剂0-3份，柔软剂0-1份混合均匀，配制成浆；

（3）通过长网纸机或圆网纸机抄造制备遇水易分散纸张，所述抄造的纸张定量为20-100 g/m²；紧度为0.15-0.4 g/cm³。

进一步的，步骤（1）中所述化学浆为漂白化学浆或未漂化学浆，包括针叶木浆、阔叶木浆、竹浆、蔗渣浆、棉浆、麻浆、废纸浆，浆料原料的打浆度为10-80°SR。

优选地，漂白蔗渣浆，打浆度为22°SR.

进一步的，步骤（1）中所述化学热磨机械浆包针叶木化学热磨机械浆、阔叶木化学热磨机械浆、草类（蔗渣、芦苇、禾草等）热磨化学机械浆，浆料原料游离度为105-600 ml。

优选地，针叶木化学热磨机械浆，游离度为380 ml。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明所用原料为植物纤维原料，可降解，环境友好；

（2）制备的遇水易分散纸张成本低廉，在具备常规纸张的功能同时，水分散性优异；

（3）与现有遇水分散纸张制备方法相比，本发明使用的制备方法工艺简便，生产效率高，没有额外设备要求，可使用造纸设备大规模生产，利于遇水分散纸张的广泛推广使用。

具体实施方式

为了更详细的说明本发明，下面结合实施例，对本发明提供的一种遇水易分散纸张及其制备方法，进行具体地描述。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

遇水易分散纸张定量40 g/m²，成分组成：化学浆20 kg，化学热磨机械浆80 kg，干强剂0.5 kg，分散剂0.08 kg，润湿剂0.05 kg，柔软剂0.2 kg。

制备方法如下：

（a）浆料原料的处理：对浆料原料进行打浆处理，打浆度为12 °SR；

（b）上网浆料配置，按质量份计，将化学浆20 kg，化学热磨机械浆80 kg，干强剂0.5 kg，分散剂0.08 kg，润湿剂0.05 kg，柔软剂0.2 kg，混合均匀，配制成浆；

（c）通过单长网纸机抄造制备遇水易分散纸张，所述抄造的纸张定量为60 g/m²；紧度为0.29 g/cm³。

上述实施例中所述化学浆为漂白南方松浆；化学热磨机械浆为马尾松化学热磨机械浆，游离度为580 ml。

上述实施例中所述干强剂为羧甲基化壳聚糖，分散剂为聚氧化乙烯（分子量350万），润湿剂为烷基硫酸盐，柔软剂为氧化聚乙烯蜡。

实施例2

遇水易分散纸张定量60 g/m²，成分组成：化学浆50 kg，化学热磨机械浆50 kg，干强剂0.1 kg，分散剂0.8 kg，润湿剂1 kg，柔软剂0.5 kg。

制备方法如下：

（d）浆料原料的处理：对浆料原料进行打浆处理，打浆度为21 °SR；

（e）上网浆料配置，按质量份计，将化学浆50 kg，化学热磨机械浆50 kg，干强剂0.1 kg，分散剂0.8 kg，润湿剂0.1 kg，柔软剂0.5 kg，混合均匀，配制成浆；

（f）通过单长网纸机抄造制备遇水易分散纸张，所述抄造的纸张定量为60 g/m²；紧度为0.36 g/cm³。

上述实施例中所述化学浆为未漂稻草浆；化学热磨机械浆为杨木化学热磨机械浆，游离度为500 ml。

上述实施例中所述干强剂为阳离子淀粉，分散剂为阳离子聚丙烯酰胺（分子量1500万），润湿剂聚氧乙烯脂肪醇醚，柔软剂为有机硅高分子。

实施例3

遇水易分散纸张定量80 g/m²，成分组成：化学浆45 kg，化学热磨机械浆55 kg，干强剂0.37 kg，分散剂0.5 kg，润湿剂2 kg，柔软剂0.3 kg。

制备方法如下：

（a）浆料原料的处理：对浆料原料进行打浆处理，打浆度为28 °SR；

（b）上网浆料配置，按质量份计，将化学浆45 kg，化学热磨机械浆55 kg，干强剂0.37 kg，分散剂0.1 kg，润湿剂0.2 kg，柔软剂0.3 kg，混合均匀，配制成浆；

（c）通过单长网纸机抄造制备遇水易分散纸张，所述抄造的纸张定量为90 g/m²；紧度为0.34 g/cm³。

上述实施例中所述化学浆为漂白蔗渣浆；化学热磨机械浆为稻草热磨化学机械浆，游离度为600 ml。

上述实施例中所述干强剂为羧醛化聚乙烯醇，分散剂为聚丙烯酰胺（分子量13 00万），润湿剂为硅醇类非离子表面活性剂，柔软剂为有机硅高分子（0.1 kg）和石蜡（0.2kg）。

实施例4

遇水易分散纸张定量90 g/m²，成分组成：化学浆30 kg，化学热磨机械浆70 kg，干强剂0.91 kg，分散剂0.05 kg，润湿剂0.05 kg，柔软剂0.15 kg。

制备方法如下：

（a）浆料原料的处理：对浆料原料进行打浆处理，打浆度为43 °SR；

（b）上网浆料配置，按质量份计，将化学浆30 kg，化学热磨机械浆70 kg，干强剂0.91 kg，分散剂0.1 kg，润湿剂0.2 kg，柔软剂0.15 kg，混合均匀，配制成浆；

（c）通过单长网纸机抄造制备遇水易分散纸张，所述抄造的纸张定量为90 g/m²；紧度为0.32 g/cm³。

上述实施例中所述化学浆为漂白桉木浆，化学热磨机械浆为落叶松化学热磨机械浆，游离度为480 ml。

上述实施例中所述干强剂为两性离子淀粉，分散剂为羧甲基纤维素，润湿剂为磷酸酯，柔软剂为硬脂酸酯。

实施例5

遇水易分散纸张定量25 g/m²，成分组成：化学浆38 kg，化学热磨机械浆62 kg，干强剂0.15 kg，分散剂0.5 kg，润湿剂2.5 kg，柔软剂0.8 kg。

制备方法如下：

（a）浆料原料的处理：对浆料原料进行打浆处理，打浆度为48 °SR；

（b）上网浆料配置，按质量份计，将化学浆45 kg，化学热磨机械浆55 kg，干强剂0.15 kg，分散剂0.5 kg，润湿剂1.5 kg，柔软剂0.8 kg，混合均匀，配制成浆；

（c）通过单长网纸机抄造制备遇水易分散纸张，所述抄造的纸张定量为25 g/m²；紧度为0.33 g/cm³。

上述实施例中所述化学浆为漂白竹浆；化学热磨机械浆为亚麻化学热磨机械浆，游离度为285 ml。

上述实施例中所述干强剂为阳离子淀粉，分散剂为聚氧化乙烯（分子量350万），润湿剂为硅醇类非离子表面活性剂，柔软剂为有机硅高分子。

对比例1

市售卷筒卫生纸，维达“蓝色经典”系列（4层，160 g/卷），定量为14 g/m²，紧度为0.25 g/cm³。

对比例2

A4打印纸，亚太森博“战斗金刚”系列，定量为70 g/m²，紧度为0.76 g/cm³。

对比例3

市售遇水分散纸，组分为羧甲基纤维素钠，少量羧甲基纤维素，及少量针叶木长纤，定量为50 g/m²，紧度为0.54 g/cm³。

验证例1

分别取实施例1-5及对比例1-3的样品进行物理性能（抗张指数）测试和遇水分散性检测，检测结果如下表1所示。

表1性能测试参数

	抗张指数（N•m/g）	遇水分散时间（s）
			实施例1	14.78	5
实施例2	17.85	8
			实施例3	16.87	7
实施例4	15.23	6.5
			实施例5	16.19	6.5
对比例1	20.21	无法分散
			对比例2	50.03	无法分散
对比例3	21.79	11

对比例1的卷筒卫生纸，虽然成纸紧度较低，但为了满足使用场景的要求，成纸原料采用化学浆，纤维柔软，强度较高，机械交织情况严重，遇水后在搅拌的情况下，纸张碎裂成较大浆块，残余的机械交织作用阻碍其难以进一步分散。

对比例2的A4打印纸在制备的过程中，为了满足其使用场景要求，成纸紧度大，纸页润湿速度较慢；且添加了一定量的湿强剂，使纸张润湿后转化为“水桥”结构的氢键数量大幅减少，纤维间结合力较好的保留了下来。同时，为了获得更好的干强，使用的纸浆纤维较长，长径比较大，纸张纤维之间的机械交织作用很强，在没有助剂的帮助下难以在水中分散。因此，纸张遇水后仍保有一定的强度。此外，一些如A4打印纸这一类纸张，制备过程中进行了浆内施胶，进一步提升了干强的同时，使其丧失遇水分散性。

因此，卷筒卫生纸、A4打印纸等日常生活用纸不具备遇水分散效果。

外购遇水分散纸主要原料为羧甲基纤维素钠（含少量羧甲基纤维素）和少量针叶木纤维。其遇水分散原理为：纸张遇水后，部分羧甲基纤维素上暴露出的羧基使纤维素迅速润胀直至胶体化；羧甲基纤维素钠含有可解离集团——羧基钠，遇水后解离为羧基负离子和带正电荷的水合钠离子，该过程将在纤维表面形成双电层，使纤维间依靠静电斥力相互排斥，经受机械搅拌或冲刷后分散。但是由于羧甲基纤维素钠纤维尺寸较小，纤维间空隙小，吸水毛细管作用减弱，对水有一定的阻隔效果，水分子进入纸张内部需要一定的时间。因此，其遇水分散性与本发明制备的遇水易分散纸有一定差距。

同时，由于外购遇水分散纸成纸紧度高，纤维间接触面积增大，提供纸张强度的氢键也增多，使着纸张强度明显高于本发明制备的遇水易分散纸。但值得注意的是，本发明制备的遇水易分散纸强度也可满足书写、印刷、包装等应用场景的强度要求。

以上具体实施方式部分对本发明所涉及的分析方法进行了具体的介绍。应当注意的是，上述介绍仅是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明的方法及思路，而不是对相关内容的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可以对本发明进行适当的调整或修改，上述调整和修改也应当属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种遇水易分散的纸张，其特征在于，所述遇水易分散纸张包括如下成分：化学浆、化学热磨机械浆、干强剂、分散剂、润湿剂和柔软剂；所述遇水易分散纸张种各成分按质量分数为：化学浆10-50份，化学热磨机械浆50-90份，干强剂0-1份、分散剂0-1份，分散剂0-3份，柔软剂0-1份。

2.根据权利要求1所述的一种遇水易分散的纸张，其特征在于所述化学浆为漂白化学浆或未漂化学浆，包括针叶木浆、阔叶木浆、竹浆、蔗渣浆、稻草浆、棉浆、麻浆、废纸浆，浆料原料的打浆度为10-80 °SR。

3.根据权利要求1所述的一种遇水易分散的纸张，其特征在于所述化学热磨机械浆包括针叶木化学热磨机械浆、阔叶木化学热磨机械浆、草类（蔗渣、芦苇、禾草等）热磨化学机械浆，浆料原料游离度为105-600 ml。

4.根据权利要求1所述的一种遇水易分散的纸张，其特征在于所述干强剂包括阳离子淀粉、两性离子淀粉、羧甲基化壳聚糖、阳离子化壳聚糖、醛基化纤维素、羧醛化聚乙烯醇、N-乙烯基酰胺类、水溶性植物胶类、聚合物乳胶类中的一种或两种以上。

5.根据权利要求1所述的一种遇水易分散的纸张，其特征在于所述分散剂包括聚氧化乙烯、阳离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素及其衍生物和改性淀粉中的一种或两种以上。

6.根据权利要求1所述的一种遇水易分散的纸张，其特征在于所述润湿剂包括烷基硫酸盐、磺酸盐、脂肪酸或脂肪酸酯硫酸盐、羧酸皂类、磷酸酯、聚氧乙烯烷基酚醚、聚氧乙烯脂肪醇醚、聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物、硅醇类非离子表面活性剂中的一种或两种以上。

7.根据权利要求1所述的一种遇水易分散的纸张，其特征在于所述柔软剂包括有机硅高分子、聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸蜡、硬脂酸双酰胺、羊毛脂、乳化蜡中的一种或两种以上。

8.一种制备权利要求1~6任一项所述遇水易分散纸张的制备方法，其特征在于包括一下步骤：

浆料原料的处理：对浆料原料进行打浆处理，化学浆打浆度范围为10-80°SR，化学热磨机械浆游离度为105-600 ml；

上网浆料配置，按质量份计，将化学浆10-50份，热磨化学机械浆50-90份，干强剂0-1份，分散剂0-1份，润湿剂0-3份，柔软剂0-1份，混合均匀，配制成浆；

通过长网纸机或圆网纸机抄造制备遇水易分散纸张，所述抄造的纸张定量为20-100g/m²；紧度为0.15-0.4 g/cm³。

9.一种包括权利要求1至7任一所述的制备方法得到的遇水易分散的纸张。