徐永建， 段叶荣， 周家俊， 刘 燕， 唐超群， 李 伟

(1.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 中国轻工业纸基功能材料重点实验室 轻化工程国家级实验教学示范中心， 陕西 西安 710021; 2.浙江华丰纸业科技有限公司， 浙江 湖州 313300)

0 引言

吸管是喝饮品时常用的辅助工具，其中塑料吸管用量一直居高不下.但塑料吸管的回收不当和回收困难给生存环境和生态环境都造成了严重危害[1].据统计，美国每天丢弃约5亿根塑料吸管，其中部分吸管与塑料瓶、塑料袋等塑料制品一起汇入海洋，对海洋生态环境造成了严重破坏[2,3]，并造成了每年超过约130亿美元的经济损失[4]；一根塑料吸管的使用时间平均只有20分钟左右，不仅没有再次利用的价值，而且对环境的危害巨大；英国一家废弃物处理公司已将塑料吸管列入“难以回收”物品行列，并建议对塑料吸管征税.如果我国每人每天使用1根吸管，全年共消耗约5 000亿根吸管，可见吸管的需求量巨大.随着国家对环保的重视，为减少“白色污染”，走循环经济道路，塑料制品逐渐被其他材料制品替代，“以纸代塑”的提倡亦非常重要[5,6].

2018年，纸吸管作为一种绿色环保的新型纸制品开始走进人们的视野.在纸吸管之前，玻璃吸管、不锈钢吸管曾被开发使用，但人们的体验效果并不乐观；之后，楼仲平带领“双童”公司研发出PLA可降解吸管，这种吸管材质由玉米淀粉乳化而成，在堆肥条件下45天就可分解为水和二氧化碳，但聚乳酸等可降解材料的原料价格过于昂贵，且这种吸管易破裂.张长伟[7]发明了一种可自然降解的饮料吸管，它是在纸质基层的内壁和外壁分别覆一层PE膜制成，PE膜透湿性小的特点使吸管具有抗水性，但PE膜对环境非常敏感，耐热老化性差，且制备工艺和回收工艺复杂，不支持市场使用.而塑料吸管因成本低、易加工、方便耐用等优点一直广受欢迎，但它不可再生、容易造成环境污染的问题仍然不可忽视，因此可再生且容易降解的纸质吸管成为有可能取代塑料吸管的新型吸管[8].

纯纸质吸管可在加入造纸助剂后具有优异的强度和抗水性能，是一种具有潜力且值得继续探索的环保型吸管，目前纸吸管研究仅限于工艺试验和设备设计，而没有真正考虑到工业化生产的各方面要素.国内部分纸厂对纸吸管已有小规模生产，但调查显示目前市售纸吸管良莠不齐，仍存在强度低、易软化等问题，因此还需要对纸吸管的性能进行改善，提高其使用率.

纸吸管的使用性能主要取决于纸吸管原纸的物理性能，本研究拟采用漂白针叶木硫酸盐浆和漂白阔叶木硫酸盐浆作为原料研究并确定纸吸管原纸最佳制备工艺，主要研究浆料配比、施胶剂用量以及湿强剂用量对各物理性能的影响，包括吸水值、抗张强度、湿强度和环压强度等；并采用纸吸管原纸温水抽出物含量评价纸吸管原纸的使用安全性.研究结果将为纸吸管研发提供理论依据和技术支撑.

1 实验部分

1.1 实验原料及试剂

漂白硫酸盐针叶木浆,漂白硫酸盐阔叶木浆，APMP，由浙江华丰纸业科技有限公司提供.

烷基烯酮二聚体(AKD)，施胶剂，固含量16.8%，购自衢州东升新材料有限公司；聚酰胺聚胺-表氯醇树脂(PAE)，湿强剂，固含量15.5%，购自栗田工业(大连)有限公司；胶黏剂，由浙江华丰纸业科技有限公司提供.

1.2 仪器与设备

DCS-041PT型PFI磨浆机；ZBJ-I型纸浆疏解机；TD10-200型纸页成形器；TD11-H型纸页压榨机；DC-HJY03型电脑测控厚度紧度仪；YT-WL300卧式电脑拉力仪；150-B型纸和纸板挺度仪；DC-KY3000A型环压强度测定仪；JX-X型纸张吸水性测定仪.

1.3 实验方法

1.3.1 纸吸管结构

纸吸管由两层里纸和一层面纸卷曲而成，其结构如图1所示.纸吸管原纸制备研究包括里纸和面纸.里纸定量为100～140 g/m2，面纸定量为40～80 g/m2.

图1 纸吸管结构图

1.3.2 浆料准备及原纸制备

将针叶木浆、阔叶木浆、APMP三种纸浆浆板浸泡24 h，采用PFI磨浆机对3种浆料分别进行磨浆处理，并测其打浆度后备用.

1.4 常规性能指标检测

纸吸管里纸和面纸定量、厚度、抗张强度、湿强度、挺度、环压强度、吸水值等检测方法均参照文献[9]测定.

1.5 层间结合强度检测

在两层里纸与一层面纸之间涂覆一定量胶黏剂，通过测定层间结合强度衡量粘合强度大小，里纸、面纸粘合示意图如图2所示，测定时断裂层出现在胶黏剂渗透层，层间结合强度检测方法参照文献[9]测定.

图2 里纸、面纸粘合示意图

1.6 温水抽出物含量检测

将一定量原纸裁成3～5 mm2大小样品后，参照文献对植物纤维原料的检测方法对纸吸管里纸和面纸温水抽出物含量进行测定[10].抽提温度20 ℃、40 ℃、60 ℃，抽提时间40 min.

2 结果与讨论

2.1 浆料配比对纸吸管原纸常规性能指标的影响

长纤维和短纤维的结合可以赋予原纸更优异的性能，因此里纸、面纸均选用针叶木浆和阔叶木浆分别按照10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50等比例混合配抄，浆料配比对纸吸管里纸、面纸常规性能指标的影响如表1和表2所示.

表1 浆料配比对纸吸管里纸常规性能指标的影响

测试项目ω(针叶木)+ ω(阔叶木)10%+90%20%+80%30%+70%40%+60%50%+50%定量/(g·m-2)119.5119.2119119.4119.1 厚度/mm 0.2450.229 0.2190.2050.200挺度/(mN·m)3.653.623.583.543.54环压强度/(kN·m-1)0.83 1.131.201.341.42抗张强度/(kN·m-1)5.02 5.346.076.677.23吸水值/(g·m-2) 244 237 227 222207

表2 浆料配比对纸吸管面纸常规性能指标的影响

测试项目ω(针叶木)+ ω(阔叶木)10%+90%20%+80%30%+70%40%+60%50%+50%定量/(g·m-2)59.559.659.659.559.4厚度/mm0.1450.1420.1330.1250.124 挺度/(mN·m)2.632.632.622.612.61环压强度/(kN·m-1)0.180.180.190.19 0.20抗张强度/(kN·m-1)2.322.342.583.013.23吸水值/(g·m-2)118113111110 107

由表1和表2可以看出，提高针叶木浆比例，里纸、面纸厚度均降低，挺度相应小幅度降低；环压强度、抗张强度均增加，吸水值减小.为保证原纸在制管成型后不易被压扁，原纸需具有一定的挺度；又因纸吸管是原纸裁切成一定宽度规格后环形缠绕成管，为保证纸吸管纵向施压后不变形，原纸必须具有较好的环压强度；为保证制管时原纸不被拉断，原纸应具有一定的抗张强度；另外原纸还需具有适当的吸水性，既保证纸吸管具有较好的抗水性能，还要保证制管时能够充分粘合.综合考虑，里纸拟采用30∶70的针叶木、阔叶木配比；面纸拟采用40∶60的针叶木、阔叶木配比.针叶木打浆度为50 °SR～60 °SR，阔叶木打浆度为25 °SR～35 °SR.

2.2 湿强剂用量对纸吸管原纸湿强度的影响及湿强度损失率分析

湿强剂选用食品包装用纸常用的 PAE湿强剂[10,11].合适的湿强度是纸吸管原纸需要具备的重要性能，既要保证纸吸管使用时具有一定的湿强度，又要使其在回收或降解处理时易于水分散或微生物降解.本研究分别加入0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%的PAE用量控制原纸的湿强度，PAE用量对纸吸管里纸、面纸湿强度的影响如图3所示.

图3 PAE用量对纸吸管原纸湿强度的影响

由图3可以看出，随着PAE用量的增加，里纸、面纸湿强度逐渐增大，当PAE用量达到1.50%时，里纸、面纸湿强度分别为2.20 kN/m和0.92 kN/m，相比于初始加入时分别提高了165%和109%.

湿强度损失率可以反映原纸在不同温度水中浸润不同时间之后的强度损失程度.此原纸制管后拟用于60 ℃以下饮品，且据大众饮用习惯，一杯饮品饮用时长保持在40 min内.因此本研究将里纸和面纸在20 ℃、40 ℃、60 ℃水中分别浸润10 min、20 min、30 min、40 min后对湿强度进行测定，将10～20 min时段记为A段，20～30 min时段记为B段，30～40 min时段记为C段，每段原纸湿强度损失率结果如图4所示.

由图4(a)、(b)可以看出，里纸、面纸湿强度损失率C段>B段>A段，且随温度升高，湿强度损失率增大，说明里纸、面纸湿强度随浸润温度的升高和浸润时间的增加而降低，且降低程度越来越大.这说明湿强剂与纤维产生的交联作用强度会在一定程度上受温度和时间的影响，从而减弱湿强剂对纤维的保护作用和增强作用.

(a)里纸

(b)面纸图4 里纸和面纸在不同温度水中浸润一段时间后的湿强度损失率

为保证纸吸管的正常使用和易于回收，在研究条件范围内，里纸、面纸湿强度只需保持在原抗张强度的15%以上即可.结合图3、图4湿强度的变化及损失情况，并根据原抗张强度大小，里纸拟采用0.75%～1.00%的湿强剂用量，面纸拟采用0.50%～0.75%的湿强剂用量.

2.3 施胶剂用量对纸吸管原纸抗张强度、湿强度、吸水值及层间结合强度的影响

为提高原纸强度和抗水性能，原纸抄造过程加入施胶剂，施胶剂选用食品包装用纸常用的AKD施胶剂[12,13].本研究分别于纸浆中加入0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%的AKD，考察AKD用量对纸吸管里纸和面纸抗张强度、湿强度及吸水值的影响，结果如图5所示.

由图5(a)、(b)可知，随着AKD用量的增加，里纸和面纸湿强度和抗张强度逐渐提高，吸水值均下降.AKD用量增加至0.35%时，里纸、面纸湿强度分别为1.55 kN/m和0.98 kN/m，相比于加入之前分别提高了23.0%和34.2%；里纸、面纸抗张强度分别为7.97 kN/m和3.81 kN/m，相比于加入之前分别提高了0.27%和0.47%；而里纸、面纸吸水值相比于加入之前明显降低，里纸由加入之前的196 g/m2降低至25.9 g/m2，降低了86.8%，面纸吸水值由加入之前的98 g/m2降低至21.4 g/m2，降低了78.2%；而当AKD用量超过0.35%，纸张抗张强度和湿强度都有所下降，这可能是由于当AKD加入过量，纸张施胶剂留着率下降，纸页施胶度不再增加，为避免在生产中出现糊网和纸页打滑等现象，施胶剂用量应保持在0.35%以内.

(a)里纸

纸吸管制管时需涂覆胶黏剂粘合，胶黏剂会部分渗透到纸内而使纸间达到较好的粘合效果，因此原纸应具有合适的吸水值，既要保证纸吸管有较好的抗水性，又要保证原纸对胶黏剂有一定的吸收性.本研究在两层里纸和一层面纸之间涂覆一定量胶黏剂，拟通过测定层间结合强度衡量原纸对胶黏剂的吸收性.AKD用量对层间结合强度及吸水值的影响如图6所示.

图6 AKD用量对原纸层间结合强度及吸水值的影响

由图6可知，随着AKD用量的增大，原纸层间结合强度降低，说明原纸对胶黏剂的吸收性逐渐减小.纸吸管、纸杯和液体包装纸板都要求具有抗水性，纸杯原纸与液体包装原纸的吸水值要求 一般在30 g/m2左右[14,15]，当AKD用量为0.20%～0.35%时，里纸、面纸吸水值均在30 g/m2以内，因此原纸具有很好的抗水性，但当AKD用量超过0.30%时，原纸层间结合强度由418 J/m2减小至325 J/m2，出现大幅度降低.结合图5、图6中AKD用量对原纸各物理性能的影响，本研究拟采用0.25%～0.30%的AKD用量.

2.4 APMP用量对纸吸管原纸挺度、环压强度及抗张强度的影响

为降低生产成本，提高纸吸管原纸的挺度，加入高得率浆APMP，通过提高纸页厚度赋予原纸更好的挺度[16,17].本研究采用APMP部分替代阔叶木浆，分别加入10%、20%、30%、40%的APMP，考察APMP用量对纸吸管里纸和面纸挺度的影响，结果如图7所示.

(a)里纸

(b)面纸图7 APMP用量对纸吸管里纸和面纸挺度、环压强度及抗张强度的影响(里纸PAE用量0.75%～1.00%；面纸PAE用量0.50%～0.75%；里纸、面纸AKD用量0.25%～0.30%)

由图7(a)、(b)可以看出，随着APMP用量增大，纸吸管原纸的挺度提高，抗张强度、环压强度有一定程度降低；说明APMP的加入在提高原纸挺度的同时会对原纸抗张强度、环压强度等性能造成负面影响.综合考虑，原纸拟采用30%的APMP加入量，此时，里纸、面纸挺度分别为3.70 mN·m和2.69 mN·m，相比于加入之前分别提高了3.51%和2.23%.

2.5 原纸温水抽出物含量分析

纸吸管用于饮品，使用时水溶出物较多会影响纸吸管的安全使用，因此对原纸温水抽出物含量进行检测是非常有必要的.本研究分别测试未加入任何助剂时，加入湿强剂、加入施胶剂以及加入APMP后的原纸分别在20 ℃、40 ℃、60 ℃水中处理40 min后的水抽出物含量，并对实验结果进行分析，结果如图8所示.

由图8(a)、(b)可知，里纸和面纸温水抽出物含量均随水处理温度的升高和湿强剂、施胶剂的加入而增加.在未加入助剂之前，温水抽出物主要是植物纤维原料中部分能溶于水的无机盐类以及多糖类物质，逐步加入湿强剂和施胶剂后，温水抽出物含量增加可能是由于部分湿强剂、施胶剂分子与纸页纤维未完全结合，导致部分离解于水中，而水处理温度对原纸的温水抽出物含量影响不大，温水抽出物含量的微量增加可能只是纤维原料中的多糖类物质随着水处理温度的升高溶解量增大；APMP加入后的原纸水抽出物含量在不同处理温度下均略低于加入之前的水抽出物含量，说明其熟化过程使施胶剂固化较为完全.可见纸张是否完全熟化对温水抽出物含量有较大影响，在实际生产中可适当加长熟化时间，将原纸温水抽出物含量降到最低.里纸、面纸在60 ℃水中处理40 min后的水抽出物含量分别只有0.218%和0.206%，接近于市售纸吸管温水抽出物含量(0.202%～0.223%左右).且本实验对原纸进行了裁剪，并于恒温水中处理40 min，在实际纸吸管使用时，水温在40 min内会由60 ℃降至约35 ℃，因此实际抽出物含量会低于实验值.

3 结论

(1)里纸、面纸最佳原料配比分别为30∶70和40∶60(针叶木∶阔叶木)；里纸、面纸湿强剂用量范围分别为0.50%～0.75%和0.75%～1.00%的，此时里纸、面纸均获得合适的湿强度；里纸、面纸施胶剂用量范围为0.25%～0.30%，此时，纸吸管原纸获得较好的抗张强度、湿强度、抗水性和胶黏剂吸收性.

(2)APMP加入量为30%时，里纸、面纸挺度分别为3.70 mN·m和2.69 mN·m，相比于加入之前分别提高了3.51%和2.23%.

(3)在一定处理条件下，里纸、面纸均只有微量温水抽出物，不会影响吸管的安全使用；这也说明此研究中纸吸管原纸抄造工艺条件合理，可为之后纸吸管原纸的工业化生产和进一步优化提供一些理论依据.