卢诗强 ，陈张彦，杨冬梅，马洪生，王 玥，陈 冰，张红杰

（1.珠海红塔仁恒包装股份有限公司，珠海 519070；2.中国制浆造纸研究院有限公司，制浆造纸国家工程实验室，北京 100102）

目前仍在全世界蔓延的新冠病毒，其主要是以微生物气溶胶的形式在空气中传播，很容易被人体吸入呼吸道，因此口罩成为抵御这类病毒侵袭的最有力武器。

口罩通常可用于防尘和防毒，过滤空气中的有害物质[1]。其中，防毒口罩又分为空气过滤式与供气式两种。空气过滤式口罩是通过口罩将空气中的有害物质过滤净化后，空气被人体吸入；供气式口罩是将分离出有害物质后的干净气源，通过动力部分（空压机等）经面罩送到人体面部进行呼吸。空气过滤式口罩一般是由内外层的面罩和芯层的滤材（口罩纸）两部分构成[1-3]。滤材的过滤效果一般与材料自身性质、颗粒物粒径等密切相关[4-6]。国内市场上的口罩纸多采用PP、PET、PBT 等高分子材料制作，其阻隔细颗粒物的效果好，但这些合成纤维难以降解、回收，后续处理相对困难，甚至严重影响生活垃圾的可堆肥处理。为了迎合环境保护和可持续发展的国家战略，新型高效口罩环保过滤材料的开发已成为此领域研究的热点之一。

天然植物纤维绿色、经济、环保，其纤维细胞壁自身具备多孔性结构，过滤阻力相对较低，因此在制备一次性医用口罩纸方面具有很大潜力。但是直接使用天然植物纤维抄造口罩原纸还存在很多缺陷，必须对其进行改性处理。本文尝试以氢氧化钠/尿素/硫脲体系进行植物纤维的溶剂法改性，并使用硅烷偶联剂对改性后的纤维进行疏水处理，最后利用实验室动态纸页成型器试制开发绿色可降解的口罩纸，分析改性纤维的打浆度和口罩纸的定量对其关键物理强度指标、透气度和过滤效率等的影响，探讨利用改性植物纤维生产口罩纸的可行性。

1 实验

1.1 实验原料、试剂与仪器

1.1.1 实验原料及药品

银星针叶浆板，智利Arauco 公司。氢氧化钠、尿素、硫脲、乙醇，分析纯，西陇化工股份有限公司；硅烷偶联剂KH570，美国道康宁公司。

1.1.2 实验仪器

GBJ-A 型纤维标准解离器，长春市月明公司；P40130 型瓦利打浆机，奥地利PTI 实验仪器公司；912.1E 型纤维质量分析仪，瑞典L&W 公司；2543 型动态纸页成型器，日本KRK 公司；TQY-III 型纸张透气度测量仪，中国科学院安徽光学精密机械研究所；8130A 型过滤效率测试仪，美国TSI 公司；XWY-VII 型纤维测量仪，珠海华伦造纸科技公司；DCP-HDY09 型卫生纸厚度仪，四川长江造纸仪器有限责任公司；ZB-WL30 型卧式电脑拉力仪，杭州纸邦自动化技术有限公司。

1.2 口罩纸的实验室制备

本实验利用氢氧化钠/尿素/硫脲体系处理针叶浆板，然后利用硅烷偶联剂进行改性。在改性过程中纤维发生润胀、氢键弱化、结构松弛等变化，从而使得用其抄造的纸页有较好的松厚性能和透气性能。实验中，按氢氧化钠:尿素:硫脲的质量比为3:3:4的比例配制质量分数为20%的溶剂。

1.2.1 浆料的处理

（1）溶剂法改性：取绝干质量为100 g 的针叶木浆板，在浓度5%、转速35 000 r/min 的条件下进行疏解。将疏解后的纤维放入2 000 mL 预冷的氢氧化钠/尿素/硫脲溶液中，利用机械搅拌器搅拌均匀后，置于-2 ℃冰箱内处理30 min。溶液过滤回收，纸浆洗涤干燥后放入冰箱平衡水分。

（2）疏水化改性：取绝干质量为5 g 的上述利用溶剂法改性后的纤维，将其分散在1 000 mL 乙醇中，于60 ℃条件下搅拌均匀，并加入5 g 硅烷偶联剂KH570，反应2 h 后过滤，洗涤，烘干得到疏水改性纤维。

（3）打浆：用瓦利打浆机对上述溶剂化和疏水化改性后的针叶木化学浆纤维进行不同程度的打浆处理，得到18 °SR、24 °SR 和35 °SR 三种不同打浆度水平的纸浆纤维，检测其水分，备用。

1.2.2 口罩纸的制备

采用2543 型动态纸页成型器抄制低定量的口罩纸。设定动态纸页成型器的喷嘴角度90°、喷嘴压力0.1 MPa、转鼓转速1 000 r/min 和纸浆浓度0.37%等参数，利用该设备通过控制喷嘴上下往复的次数抄制所需定量的纸页。

1.3 纤维形态和纸页性能的分析检测

1.3.1 纤维形态和形貌

采用912.1E 型纤维质量分析仪进行改性植物纤维的形态分析，分别得到不同打浆度改性纤维的长度和宽度。采用XWY-VII 型纤维测量仪分析改性植物纤维的表面形貌。

1.3.2 纸页物理强度

低定量薄页纸的厚度采用DCP-HDY09 型卫生纸厚度仪进行测定；纸页的纵向和横向抗张强度采用ZB-WL30 型卧式电脑拉力仪进行测定。

1.3.3 透气度和过滤效率

纸页的透气性采用TQY-III 型纸张透气度测量仪进行分析；纸页的过滤效率采用8130A 型过滤效率测试仪进行检测。

2 结果与讨论

2.1 改性植物纤维的性能分析

2.1.1 形态分析

针对化学改性的针叶木化学浆纤维，用瓦利打浆机进行打浆处理后，18、24、35 °SR 三种打浆度的改性纤维的形态测量数据如表1 所示。

由表1 可见：随着改性植物纤维打浆度的提高，纤维长度略有下降，从2.385 mm 下降至2.341 mm，这说明改性植物纤维经过机械处理后，只有很少比例被切断；纤维宽度没有发生变化，为32 μm 左右；纤维的长宽比也略有下降，从75.48 下降至72.48。当改性植物纤维在相对较低打浆度水平时，纤维主要经受的是分丝帚化，很少被切断。

表1 不同打浆度的改性植物纤维的形态分析

2.1.2 形貌观察

针对不同打浆度水平的改性针叶木化学浆纤维，利用光学显微镜观察其纤维形貌特征，结果如图1—图3 所示。

由图1 可见：未打浆的改性针叶木化学浆纤维，仍旧保持针叶木纤维的细长和完整，很少观察到被切断的纤维端面；部分纤维表面有少量类似“微纤丝状”，这有可能是前期进行化学改性过程中，纤维细胞壁外层发生一定程度的“破坏”，暴露出少量微细纤维。

图2 和图3 分别是轻度打浆（打浆度为24°SR）和重度打浆（打浆度为35°SR）的改性针叶木化学浆纤维。经过轻度打浆后，改性纤维表面的“微纤丝状”比例增多，说明纤维细胞壁发生较明显的分丝帚化现象（如图2 所示）。经过重度打浆的改性纤维，开始有少量发生切断，在图3 的显微镜图片中可以看到，存在少量被切断纤维的端面；而且纤维表面出现非常明显的分丝帚化现象，很多纤维表面都存在大量的“微纤丝”状。

对比图1—图3，打浆机械处理改性植物纤维的效果非常明显。轻度打浆（打浆度为24 °SR）的纤维试样，改性植物纤维的表面仅发生少量分丝帚化。对于重度打浆（打浆度为35 °SR）的改性纤维试样，大量纤维开始出现表面分丝帚化，存在较多的“起毛”现象，纤维开始有少量被切断。

图1 未打浆改性纤维的光学显微镜图片

图2 轻度打浆改性纤维的光学显微镜图片

图3 重度打浆改性纤维的光学显微镜图片

2.2 动态纸页的物理强度和透气性

2.2.1 物理强度

用动态纸页成型器将三种不同打浆度水平的改性纤维抄制出不同定量的纸页（15、25、35 g/m2），系统比较其在物理强度方面的变化趋势。检测纸页的物理强度指标如表2 所示。为了便于比较，将相同打浆度、不同定量的动态纸页的物理强度指标绘制成图4，将不同打浆度、相近定量的动态纸页的物理强度指标绘制成图5。

表2 不同打浆度、不同定量动态纸页的物理强度

由图4 可见：当改性植物纤维的打浆度不变时，随着定量的提高，纸页紧度略有下降，纵向抗张强度和横向抗张强度明显提高。纸页紧度在较低定量时下降不明显，在较高定量时下降幅度较明显（从1.3 g/cm3下降至0.8 g/cm3）。纸页定量为25 g/m2左右的纵横向抗张强度比纸页定量为15 g/m2左右的均提升了一倍左右；当定量继续增加至35 g/m2左右时，纸页纵横向抗张强度的提升幅度开始下降。

图4 相同打浆度不同定量动态纸页的物理强度比较

图5 不同打浆度相近定量动态纸页的物理强度比较

由图5 可知：当改性植物纤维的定量保持相近时，此时随着打浆度提高，纸页的紧度和纵向抗张强度均呈现上升趋势，横向抗张强度变化不大。随着打浆度的提高，较低定量动态纸页的紧度和纵向抗张强度提高非常显著，而较高定量动态纸页的紧度和纵向抗张强度的提升幅度相对较小。这说明随着改性植物纤维打浆度的提高，纤维发生显著的分丝帚化现象，纤维表面暴露的羟基数量增多，致使纤维间的氢键结合增多，纤维自身的结合力也增强，这都有效增加了纤维间的接触面积，使纸页中纤维网络结合的更致密；另外，在定量一定的前提下，紧度相对提高将会导致纸页的容尘能力相对较差。

2.2.2 透气度

透气度反映的是纸页中纤维网络结构的空隙情况，是口罩原纸的重要指标之一。一般情况下，透气度会随着纸页紧度的增加而下降。本部分内容旨在分析不同打浆度水平(纤维之间结合程度不同)或不同定量(纤维网络层数不同)的情况下，纤维网络内部的空隙状况以及空气透过情况。为了便于分析不同状况下纤维网络的空气透过情况，将相同打浆度、不同定量动态纸页的透气度绘制成图6，将不同打浆度、相近定量动态纸页的透气度绘制成图7。

图6 相同打浆度、不同定量动态纸页的透气度比较

图7 不同打浆度、相近定量动态纸页的透气度比较

由图6 可知：不论打浆度较低还是较高，当其保持不变时，随着动态纸页定量的增加，其透气度明显下降。在纸页定量从15 g/m2左右增加至25 g/m2左右时，透气度剧烈下降，几乎损失了60%～70%。这说明动态纸页的定量与其透气度密切相关。结合表2中紧度的数据表明，纸页紧度下降，导致纸页内部纤维网络结构趋于疏松，纤维间结合相对较差，内部空隙较多，容尘能力增强。由图7 可以看出：对于三个打浆度水平的相近定量的动态纸页，随着打浆度的提高，透气度下降，表明纸页对于空气的通过阻力增大。当打浆度从18 °SR 提高至24 °SR 时，纸页透气度下降幅度相对较小，特别是针对较低定量的动态纸页而言。这说明改性纤维的打浆度对纸页的透气度有一定的影响，但不是很剧烈。

2.3 两种打浆度条件下的口罩原纸过滤效率比较

过滤效率是衡量过滤材料过滤特性的重要性能指标之一，指在一定检测条件下，被捕获的颗粒物质量与原颗粒物质量之比。过滤效率主要受过滤材料的内部结构、微观孔隙结构与空隙比例、宏观孔径尺寸和分布等因素影响。对于口罩纸这类过滤材料来说，其具有一定纤维网络厚度和错综复杂的空隙结构，微小颗粒随着气流运动进入多层纤维网络，纤维之间交织结构一定程度可以截留较大尺寸的颗粒物，对于带有电荷的颗粒物，可以通过与纤维上的功能团发生作用，通过静电作用等方式束缚微小颗粒，达到提高过滤效率的目的。

参照口罩纸国家标准GB/T 22927—2008 的要求，利用动态纸页成型器抄制定量为15 g/m2纸页，检测的物理强度和透气度指标等如表3 所示。由表3 可知：动态纸页的定量维持在15 g/m2左右，随着纸浆纤维打浆度的提高，纸页的紧度、纵向抗张强度和横向抗张强度也随之提高，而透气度有下降趋势。当打浆度在18 °SR 以下时，纸页的透气度非常大，都远超过20 000 CU。当打浆度超过20 °SR 时，透气度显著下降，29 °SR 纤维抄制的动态纸页的透气度只有2 300 CU，已不能满足国家标准GB/T 22927—2008 的要求。

表3 不同打浆度的动态纸页的性能比较

本文选取两种打浆度（15 °SR 和22.5 °SR）条件的改性针叶木化学浆纤维，利用动态纸页成型器抄制定量和强度指标符合国标要求的口罩纸，在实际口罩机上制作成口罩，采用美国产的TSI 过滤效率测试仪检测其过滤效率。颗粒物选取0.3 μm 的氯化钠颗粒，通气阻力180 Pa，设定不同的流速，检测得到单层口罩纸的过滤效率如表4 所示。

表4 两种打浆度条件下单层口罩纸的过滤效率

由表4 可知：两种打浆度的口罩纸针对两种流速的颗粒物的过滤效率都不高，远不能达到一次性医用口罩的过滤标准（国家标准中，颗粒物过滤效率最低要求是大于30%）。

同时，还针对22.5°SR 的口罩，采用2.5 μm 氯化钠颗粒物进行同样的过滤测试，单层采用85 L/min，此时的过滤效率为97.7%。这说明定量为15 g/m2纸页可以满足PM2.5防雾霾口罩的使用要求，不能满足一次性医用口罩的要求。

3 总结

（1）改性植物纤维经过打浆处理后纤维长度和宽度的变化很小，但是纤维形貌发生较大改变，纤维表面出现显著的分丝帚化现象。当改性纤维的打浆度不变时，随着动态纸页定量的提高，纸页紧度略有下降，纵向和横向抗张强度提高；当动态纸页的定量保持相近，随着改性纤维打浆度的提高，纸页的紧度和纵向抗张强度提高，横向抗张强度变化不大。

（2）动态纸页的透气度与其定量和改性纤维的打浆度有关。当改性纤维的打浆度保持不变时，随着纸页定量的增加，其透气度急剧下降；当纸页的定量保持相近，随着改性纤维打浆度的提高，纸页透气度也明显下降，但相比定量变化对透气度的影响，打浆度的影响相对较小。

（3）按照国家标准GB/T 22927—2008 的要求，动态纸页定量15 g/m2左右时，随着改性纤维打浆度的提高，纸页的紧度、纵向抗张强度、横向抗张强度呈现上升趋势，透气度则快速下降；当打浆度小于等于22.5 °SR 时，其透气度超过10 000 CU，符合国标要求。但是，不论是15 °SR 打浆度的口罩纸还是22.5 °SR 打浆度的口罩纸，针对0.3 μm氯化钠颗粒物的过滤效率均不高，无法达到一次性医用口罩的过滤标准，仅能满足PM2.5防霾口罩的使用。