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纸张中的纳米高新技术

2021-07-23 来源:南安市农业机械网

纸张中的纳米高新技术

我们知道,纸张是印刷中最常用的承印物,其质量的优劣是印刷品质量的最佳体现。由于传统纸张所用的树木、竹、麻等纤维物的纤维较粗,而涂料(如碳酸钙等)、充填物(如高岭土等)的颗粒较大,还有一些胶等配料的性能不好等原因,使传统的纸张存在着一些缺陷,如普通纸具有怕水、怕潮等缺点,胶版印刷纸和静电复印纸虽然有防水、防潮等功能,但书写不方便,还有一些特殊的性能无法实现等等,从而影响了印刷品的质量。近年来随着纳米材料学的迅速发展,纳米技术在造纸工业的应用领域越来越广,新成果不断涌现。和制浆造纸中有关的是纳米化学和纳米材料学,它促进了造纸工业的发展,使印刷品的质量再次提高。

根据目前的技术水平和纸张的实际应用,木纤维只能加工到微米(100~l000nm)的水平,由于木材的细胞直径相对较粗,通过木材纳米技术可以改变木材的细胞结构和控制细胞的生长,就可能改变木材的特性。对于绝大多数木材来说,当纤维加工到微米级后,木材细胞的胞管已经全部破开,胞管内的黏性液体可以容易地流出。机械制浆后就可以不必再用化学方法提取胞管内的有害液体和分离纤维,而若将木材加工到纳米级,木材原来的细胞结构将被破坏,纤维组织结构发生变化,纤维素、半纤维素和木素可在加工过程中用机械方法分离,这样就可以大大提高制浆率和降低制浆造纸工业对环境的污染。另外,从造纸配料各组分的一般最小规格来看,除纤维宽度较大外,填料微粒一般在0.1~10μm,其余微纤维、非纤维性细小物质、可溶性聚合物等粒径均小于1~2μm,整体上呈胶体状态,相互间的表面作用和胶体作用居于重要地位,因而造纸湿部化学实质上也是一种表面与胶体化学。由于造纸湿部配料中许多组分结构均非常小,引入有特殊作用的纳米级组分,就可发挥纳米技术的作用,提高抄纸效果。例如,在现代高速纸机湿部配料中,应用新一代阴离子胶态二氧化硅(即ACS)与阳离子聚合物时,可在湿部配料系统中产生粒径为3~5μm的氧化硅纳米粒子。这种微粒能在纤维周围絮聚配料中的细小组分,从而改善浆料组织结构和降低细小组分流失,对改善纸机的运行和纸张匀度,降低浆内添加物用量,均可产生显著的效果。

在造纸涂料中,将纳米碳酸钙应用于涂布白纸板涂料中能有效地改善白纸板的性能。纳米碳酸钙本身具有白度高、表面积大、表面活性高、强度和硬度高等特点。纳米碳酸钙的加入有利于涂层几种重要性能指标的提高,如IGT值、K&N油墨吸收性、平滑度等。但是纳米碳酸钙的加入量对于性能的提高并不成正比。在涂料里加入5%纳米碳酸钙的涂料,在pH值和温度都相近的情况下,黏度比未加入时有明显增大。但是纳米碳酸钙对涂层的白度影响不大,似乎有违于纳米碳酸钙白度高可以很好地改善白度的设想。

关于增强纳米粒子在液相中分散的手段可以有以下几个发展方向:①选择适合的溶剂或溶液来提高粉体的润湿热,使润湿自发进行;②设计高效的分散机械使得有效体积和能量利用率得以提高;③选择适合的分散剂,使得制造出来的原生粒子十分稳定,阻止再絮聚。此外,在涂料中加入纳米硅基氧化物,可以达到屏蔽紫外的目的,大幅度提高涂料的抗老化性能。纳米硅基氧化物(SiOx)为无定型白色粉末(指其软团聚体),是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料。由于纳米SiOx具有的小尺寸效应使其产生淤渗作用,在涂层界面形成致密的"纳米涂膜",大大改善涂料的耐洗刷性和涂膜表面自洁性。还可与涂料体系产生良好的亲和性,从而改善涂料的悬浮稳定性与流变性。目前,纳米技术在造纸工业中的利用已开始进入实用性生产,它将克服普通纸张的一些缺陷,提高纸张的特殊性能。例如,河南银鸽公司和华中师范大学纳米科技研究院采用国际最先进的纳米技术,在普通纸表现制备纳米结构层,成功研制出新型的防水纳米纸。这种纳米纸除保持纸张原有的书写、复印等功能外,还具有普通纸所不具备的超级疏水陛和防潮、提高印刷表面强度、降低伸缩率的特殊性能。

此外,在科技高速发展的今天,人们对纸张性能、质量等将有更高的要求,除了常规的印刷、书写纸张外,对于具有特殊功能纸张的需求也不断增多。而纳米材料作为特种纸张 制造的一种特殊助剂,正越来越引起人们的重视。目前,在造纸行业中,纳米材料主 要用于抗水、抗菌、抗静电、抗老化以及加香、阻燃、变色等功能性用纸的开发,而且已有一些产品面市。

1.具抗菌功能的纳米纸

许多有机抗菌剂都存在着耐热性差、易挥发、易分解产生有害物质、安全性能差等缺点。为此,人们积极开发研究无机抗菌剂,而利用超微细技术能够生产亚微米及纳米级的无机抗菌剂,可以很好地解决有机抗菌剂的缺点。将纳米无机抗菌剂混入造纸浆料及表面施胶液中,就可将纸张抗菌产业化,如物理抗菌复合纤维无纺布、医用食品包装纸、高级生活用纸等。

2.有抗静电、耐磨功能的纳米纸

在多样化的工业用品包装中,特别是高精密仪表电器、光洁度要求很高的不锈钢材料及各种合金材料的包装衬纸,不仅要求包装用纸具有防水、防油、防锈性能,而且要求具有强度高、耐磨擦、抗静电、抗老化的特点,而一般的纸张都很难同时具有这些特点。但如果将0.1%~0.3%左右的纳米二氧化钛、三氧化二铬、氧化锌、三氧化二铁、二氧化锡等粉体掺入到造纸浆料中而制作的这种特种纸,就可以具有优良的耐磨、抗水、耐腐蚀等作用,而且它同时还会产生良好的静电屏蔽性能,大大降低其静电效应,从而可大幅度地提高包装产品的安全系数。

3。具染色功能纳米纸

用于纸张着色的色料可分为染料和颜料两大类。染色用颜料多属天然无机颜料,也有部分是有机合成的。颜料不溶于水,与纤维无亲和力,染色性能不如染料,但 是颜料耐光性强,对酸、碱等化学药剂的抗拒性能也较强。染 料虽然容易上色,但是易水 解,在湿部流失大,污染性强,成纸的色牢度差,且不耐酸、碱等化学药剂。如果采用纳米级颜料,就可以解决有色纸的色牢度问题。最近研究发现,将纳米二氧化钛、铬黄、氧化铁红等粉体添加到化学纤维中,可以屏蔽紫外线的过度照射。利用电子计算机模拟设计发现,二氧化钛微粒粒径在50~1 20nm时,吸收紫外线:效果最好,把这种粒径范围的屏蔽粉体微粒加入到纤维中,可以制作成耐光的亚光高白纸,以及色彩鲜艳的有色纸,并且可以达到抗紫外线的效果。

4.无机纤维纳米纸

造纸工业主要是以植物纤维为原料,现在也有用无机化合物来生产特种纸张的。由于这些无机物加工制成的无机纤维具有良好的尺寸稳定性、耐热性、抗化学性、阻燃性和电绝缘性,这些性质都是植物纤维所望尘莫及的。而具有代表性的无机纤维--玻璃纤维,因经不起打浆,玻璃纤维之间又缺乏粘结和,抄成的纸页很脆弱,但是如果把玻璃丝直径控制在100纳米以下,那么就可以解决玻璃丝的伸缩小、柔软性差而造成的成纸难的现象,有利于纤维的互相交织成形。

5.彩色加香纳米纸

随着科技的发展,人们生活水平的不断提高,对纸的质量要求也越来越高,如今已开发并生产出各种香型、各种颜色的胶版印刷纸、书写纸等系列用纸。这种加香纸不仅色泽柔和细腻,而且含有淡淡的清香。而将纳米技术应用于加香纸的研制,将使加香纸的质量、印刷适性等大为提高,印刷的高档印刷品的图像将更加细腻、逼真。将彩色加香纸应用于印制书刊、中小学课本、练习本、笔记本及各种儿童读物等,人们在阅读时不会因为纸的白度高而感到刺眼,从而可减轻长时间阅读的疲劳,对保护视力、预防近视有一定作用。因此,这种加香纸一经推出,就受到广大用户的好评。

6.纳米阻燃纸

就是能阻止着火燃烧的纸,对它来说,无论多大的火力,都不会引起燃烧,是任何火种的克星,它只能烧焦、碳化,但不着火。这种纸使用后,可作废纸处理,在自然降解中无任何有害物释放,阻燃纸一般可用于烟花、礼花、彩炮、圣诞玩具、旅游炊具等。是当今节日用品中理想的绿色环保产品。甚至有人提出用这种纸做成消防队员等经常要与火打交道人员的衣服,防止衣服燃烧,起到阻燃作用。此外,将阻燃纸应用于干式变压器上,具安全、无毒、阻燃、抗辐射等优点。

7.磁性纳米纸

磁性纸可以像录音磁带那样在录音机上录音,也能放送出声音。磁性纸的制造方法,是在该纸的内部加入磁性物质粉末,或者是在该纸的表面附着有磁性物质粉末,这种纸经冲磁处理后而具有磁性。利用这种纸本身所具有的磁性,可以将它直接附着在铁质物体上。而将纳米技术应用于磁性纸上,使纸张质量更加优良,磁性效果更好,更持久。如今这种磁性纸在工农业生产、医疗保健、国防、科研、文教卫生以及人民生活等领域将有更广泛、更新颖的用途。

除此之外,纳米技术及材料在纸张产品的开发中也发挥着特殊的功效。如变色纸、储能纸等高性能特种纸产品的开发和研究。此外,由于纳米材料的化学活性优异,作为催化剂在造纸化学品、废水处理方面也有广阔的应用前景。纳米技术除了在纸张上的应用外,目前在包装印刷行业中还有不少用途,如包装印刷中的纳米粘合剂和密封胶;纳米磁性材料;纳米基板包装材料;纳米催化剂与净水剂;纳米发光材料与防伪印刷等等。总之,纳米作为近年来研究发展迅速的高新技术,它在印刷领域的应用也将和其它领域一样,将在深度和广度上不断发展。

虽然纳米材料及纳米复合材料在造纸领域有着良好的性能和广泛的用途,但是,目前纳米材料的研制开发还不太成熟,它还有一些问题需要进一步解决,如破

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