表面活性剂在纸张柔软中的应用

 柔软性是对纤维而言。表面活性剂能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。通常总是将表面活性剂和油剂一起混合使用，表面活性剂可有效降低纤维物质的静摩擦因数，油剂则可以降低纤维物质的动摩擦因数。柔软润滑的效果可以用静摩擦因数和动摩擦因数的差值来表示，差值愈小，柔软润滑性愈强。
     不同类型的柔软剂适用于不同类型的纤维表面。纸纤维表面带负电荷，用阳离子或两性离子表面活性剂的效果要好得多。柔软剂、平滑剂的配方中除了表面活性剂外，一般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。
在柔软剂中以有机硅表面活性剂和有机硅高分子的效果最佳，但原料价格较高，往往要和其他柔软性组分配合使用以降低成本。
柔软剂作用机理
     纸纤维分子链中含有多个羟基，且为直链型大分子，链间有着很强的分子间力及氢键缔合，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化学品可使得纤维分子分散、降解和降低结晶度，能够起到一定的助软作用。但这还远不能满足对纸的柔软要求，故近年来国内外都十分重视柔软剂的研究和应用。
     要使纸张柔软，应使其中的纤维分子间的相互作用力降低，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，这样分子链易在应力下发生相互滑移和运动。纸张柔软剂大多数是含有Cl6以上的疏水性基团的表面活性剂。在适宜的工艺条件下，附着在纤维的表面上，可形成包裹纤维的疏水膜，从而使纤维构成的纸页柔软性得到改善，如阴离子型表面活性剂中的硫酸酯、磺化蓖麻油和非离子表面活性剂中的聚乙二醇酯等，当附着在纤维表面时会显示其柔软效果。
     阳离子表面活性剂中的阳离子基可以直接与带负电荷的纤维结合，疏水基在纤维外侧形成低能表面，其柔软效果特别好，如美国杜邦化学公司制造的ze1an(商品名)就是阳离子表面活性剂，易，溶于温水中，形成透明的泡沫溶液，能与纤维素纤维形成醚键结合，使纸张获得永久的柔软效果，其分子式为[C17H35CON—HCH2CH2NHR2]+C1-。英国ICI公司制造的Ve1an(商品名)也是这类表面活性剂。两性表面活性剂的适应范围较宽，其阳离子基可和纤维作用，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，同样可使疏水基排列向外，使表面能大大降低。另外阳离子及两性表面活性剂均具有抑菌性和杀菌能力，可有效防止纸的发霉。
有机硅高分子的柔软机理是以极性的硅氧链与纤维形成氢键，而疏水基朝外排列形成低能薄膜，大大减少纤维问的分子间力，故有机硅高分子是效果最好的一类纸张柔软剂。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，主要是渗透到纤维间，起到隔离和润滑作用，使纤维分子易于运动。
 柔软剂种类及主要品种
    (1)阳离子表面活性剂如脂肪酸双酰胺环氧氯丙烷主要用于对柔软性要求较高的纸张，如卫生纸、皱纹纸、卫生巾、手帕纸、餐巾纸等纸品，该种柔软剂能与纤维素纤维发生静电结合，并可与阳离子或非离子活性剂一起使用，互溶性能良好。
    (2)两性离子表面活性剂  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-氨乙基)-2-十七烷基咪唑啉羧酸衍生物。
        (3)有机硅表面活性剂  有机硅表面活性剂属于特种表面活性剂，作为柔软剂使用的主要是阳离子有机硅季铵盐型。l967年美国道康公司第一个发表专利，研制出有机硅季铵盐，商品名为DC-5700，结构式如下：(CH3O)3Si(CH2)3N(CH3)2C18H37C1-
    该化合物同时含有季铵盐和三个甲氧基的硅烷。这一有机硅表面活性剂带有三个易水解的甲氧基，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。同时还有较强的杀菌、抑菌能力，可渗透人细菌的细胞壁，使细胞壁的蛋白质凝固，从而达到杀菌抑菌的目的。我国自20世纪80年代以来，亦开发出和DC-5700结构与性能相似的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。
  (4)其他柔软剂
    ①硬脂酸聚氧乙烯酯  亦称柔软剂SME-4，属非离子性柔软剂。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80～90，HLB值为l0.0。
 ②氧化聚乙烯  氧化聚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值接近于7；分散相粒度≤0．5μμm；能稳定l年以上。主要用作纸张柔软剂及高光纸的防黏剂。
    ③羊毛脂  一般不单独使用，因其为油溶性表面活性剂，主要成分是高碳酸高碳醇酯、胆甾醇等，具有极好的润滑性能，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。这类柔软剂在国外已大量应用。可将羊毛脂进行聚氧乙烯化反应可改善其亲水性及其他性质，使之更适合于作为纸张柔软剂。
    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是用阳离子型的产品。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柔软度，还可提高平滑度，降低纸与纸或其他基材间的摩擦力，增强纸张的抗水性和抗湿磨能力。
    蜡乳胶是柔软剂的一种。其主要成分是非离子性的蜡，因它是用各种表面活性剂进行乳化分散制成，所以作用的机理与前述相同，有阴离子、阳离子、非离子、两性活性等柔软剂。
    生产蜡乳胶可使用许多种石蜡和动植物油脂，根据配制的情况，有以柔软性为主的，有以平滑性为主的，有以光泽为主的，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，在末端有不同的酸值。开始在高温条件下进行加压皂化，然后，用阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂或非离子表面活性剂使之在水中乳化制成蜡乳液。这种聚乙烯蜡乳液的离子性取决于乳化剂的离子性。
    聚乙烯蜡乳液柔软剂的特点是光滑、柔软而光泽效果好，对混用的其他树脂有很好的相容性，它可作为树脂增塑剂，并有防止树脂加工造成强度下降的效果。特别是高密度聚乙烯蜡的熔点及硬度比一般的蜡类高，对提高纸面的光泽也很有效。最近用以代替硬脂酸钙作为平滑剂使用也受到普遍重视。