表面活性剂改性再生纤维增强可持续包装材料的脱水效率与力学性能研究

推荐：为解决再生纤维因回收次数增加导致的脱水效率下降和力学性能劣化问题，研究人员通过阳离子(CTAB)和非离子(NS)表面活性剂对OCC(旧瓦楞纸箱)浆料进行高/低浓改性，结合优化干燥工艺，使脱水速率提升1.56倍，HRW(难脱除水)和WRV(保水值)分别降低49%和13%，同时获得54.1 Nm/g的拉伸指数和31 Nm/g的STFI(短距压缩强度)，为再生纤维的高值化利用提供新策略。

　　

随着电子商务的蓬勃发展，全球旧瓦楞纸箱(OCC)回收量激增，但再生纤维在反复回收过程中面临两大核心难题：一是纤维角质化(hornification)导致脱水能耗增加，二是力学性能显著衰减。据统计，美国2023年产生的6670万吨纸制品废弃物中，OCC占比高达71-76%，而中国禁止进口OCC政策更加剧了库存压力。传统物理化学处理方法往往顾此失彼——提升脱水效率会牺牲强度，而增强力学性能又可能增加能耗。这种矛盾促使北卡罗来纳州立大学的Kazi Md Yasin Arafat团队在《Cleaner and Circular Bioeconomy》发表创新研究，通过表面活性剂分子设计破解再生纤维的"脱水-强度"悖论。

研究采用两种差异化改性策略：低浓(LC,3%浆浓)条件下使用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和醇乙氧基化物(NS)处理，模拟常规造纸湿部工艺；高浓(HC,40%浆浓)处理则刻意诱导角质化以模拟多次回收效应。通过加拿大标准游离度(CSF)、差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)量化脱水性能，结合扫描电镜(SEM)和飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)解析纤维界面特性，最后在120 g/m²手抄片体系评估常温(LT)与高温(HT)干燥对力学性能的影响。

【脱水性能突破】

表面活性剂将浆料表面张力降至47 mN/m，使毛细管力显著降低。CTAB的阳离子特性使其通过静电作用优先吸附于带负电的纤维素表面，NS则通过疏水作用介入，二者均能破坏水分子间强氢键(12.9 kcal/mol)，代之以更弱的水-表面活性剂相互作用(3.4 kcal/mol)。这种"分子润滑"效应使LC处理浆料的CSF值从357 mL跃升至558 mL，HRW和WRV分别下降49%和13%，印证了表面张力与WRV高达91.5%的负相关性。

【微观结构演变】

ToF-SIMS检测到CTAB改性纤维表面出现质量数284的C₁₉H₄₂N⁺特征峰，NS组则检出C₂H₅O⁺(45 u)，证实表面活性剂成功锚定。SEM显示LC处理形成均匀的纤维网络和原纤桥接(fibril bridges)，而HC处理因角质化产生结构缺陷。XPS揭示NS组C-O/C-C峰面积比达4.07，显著高于CTAB组的1.45，反映非离子 surfactant 通过乙氧基团增强纤维亲水性。

【力学性能优化】

在LT干燥条件下，LC-CTAB手抄片展现最佳综合性能：拉伸指数54.1 Nm/g比对照提升11%，STFI强度31 Nm/g，RCT(环压强度)12 Nm/g，耐折度361次/千克力。这种"低浓改性+常温干燥"组合使密度降低15%的同时实现强度提升，颠覆了传统高密度高强度的认知范式。研究还发现HT干燥虽能提高密度，但会破坏NS诱导的原纤桥接结构，导致折叠耐受性下降23%。

该研究开创性地建立了"表面活性剂类型-浆料浓度-干燥工艺"三维调控策略，首次证实CTAB在0.3%添加量下即可实现脱水与强度的协同提升。相较于生物酶处理或机械精磨等传统方法，该工艺能耗降低20%且无需改造现有生产线，为每年4600万吨美国OCC的升级利用提供可规模化解决方案。未来通过优化CTAB/NS复配比例及脉冲式添加工艺，有望进一步降低生产成本并拓展至特种纸领域。