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纳米纤维素在造纸工业中的应用

2016-11-16 21:08:31 来源:江苏省造纸学会 浏览:1270
 

用作造纸增强剂

由于纳米纤维素具有很大的比表面积(NFC直径在 30~40 nm 之间,计算出的比表面积为 76m2·g-1)和丰富的羟基,将其加入到纸浆中,与纸浆纤维能够紧密结合,提高纸浆纤维之间的结合力,因此纳米纤维素可作为制浆造纸过程中的增强剂。

减少打浆能耗

有人研究了加入 NFC 对纸浆打浆的影响。发现打浆度随 NFC 用量的增大而逐渐提高。加入3% 6% NFC 的浆料的打浆度分别为 29°SR 45°SR。当 NFC 用量为纸浆的 3% 时,抗张指数提高24.5%;当 NFC 用量为 6% 9% 时,抗张指数分别提高了67%100%。原因是浆料中加入的NFC填充了纸张成形过程中纤维之间的空隙,有助于增大结合面积,使浆料获得与打浆浆料相同的强度性能。

NFC 的加入与打浆产生了相同的效果。在加入 6% NFC 的浆料中,细纤维缠绕在纤维周围,填充了纸张中的空隙。在这种情况下,NFC充当填料,与打浆产生的细纤维的作用相同。轻度打浆并加入3% NFC 的浆料所抄造纸张的强度性能与书写印刷纸和胶版印刷纸的强度性能基本相同。这表明通过添加 NFC 来降低打浆强度是可能的,这有助于降低打浆能耗。

增加造纸填料用量,有利于降低生产成本

木浆中加入纳米纤维素,由于提高了纤维之间的结合力,可提高纸张中填料的用量。长期以来,提高纸张填料含量一直是造纸工作者的努力方向,这是因为高岭土比纤维便宜,且高岭土的碳足迹较小。造纸生产过程中添加纳米纤维素代替木浆,可添加更多的填料,生产成本大约减少 3%

由于添加的纳米纤维素较少,纸张在干燥时可以节约30% 的能源。与传统的纤维素相比,含纳米纤维素的纸张具有较少的碳含量。含纳米纤维素的纸张不仅价格便宜,而且性能优异,其孔隙率小,印刷质量好,不透明度高。总之,用更低的成本可生产出性能更好的纸张。填料含量较高(80%)的纸张对印刷型电子产品来说可能是一种较合适的基质。

用作助留助滤剂

单独使用时,纳米微晶纤维素和 TEMPO 改性产物均能提高浆料的留着率,但浆料滤水性能有所降低。其中,表观电荷密度大的 TEMPO 改性产物对留着率和滤水性能的影响更大,留着率可以提高 5.2%,滤水速度降低约 12.5%。由阳离子聚丙烯酰胺与纳米微晶纤维素构成的微粒助留体系在提高留着率的同时可以增加滤水速度,阳离子聚丙烯酰胺与表观电荷密度大的 TEMPO 改性产物构成微粒助留体系时,助留与助滤效果最好,留着率提高 3.1%,滤水速度降低11.8%

用作施胶剂

将改性后的纳米纤维素用作纸页的浆内添加剂和表面施胶剂,可以提高纸页的施胶度,且改性比越大的改性纳米纤维素对纸页施胶度提高越大,1:4 改性纳米纤维素加入量为 10% 时纸页的施胶度提高了 5.6 倍。相对于浆内添加,用疏水纳米纤维素作为纸页表面施胶剂可以更大幅度地提高纸页的施胶度,且对纸页白度的影响不明显。

用作食品包装纸的涂料

NFC具有较高的结晶度和内聚能密度,是一种高效的氧气阻隔物质,其氧气阻隔性能优异。用于制备涂料或贴膜,提高包装纸的阻隔性能,应用于食品包装领域,以替代铝箔。干态 NFC 的氧气渗透率很低,但在湿度较高条件下,其吸湿性和吸水性限制了其作为阻隔材料的应用。

生产防伪纸、防伪标签和高级变色防伪油墨

NCC 的悬浮液在磁场或剪切力的作用下能发生定向,干燥成固体后这种定向仍然存在,因此NCC 具有手性向列液晶相的特殊光学性能。定向NCC 膜所反射的圆偏振光颜色随入射角度变化而变化。基于这种特殊光学性能,NCC 可用于荧光变色颜料(如荧光变色油墨)的制造;NCC 的光学特性使其不能通过印刷和影印等技术进行复制,可用于防伪纸、防伪标签和高级变色防伪油墨。

生产特种纸

①“电子纸”

有研究者将纤维素制成电传导薄片,有两种整合微生物纤维素薄膜的方法:一是将不间断的电传导性细菌纤维素薄膜夹在两透明电极薄片中间,得到的装置前面是不可弯曲的电子屏幕,后面是玻璃线路上的电极薄片。这种整合方式相似于液晶显示屏(LCD),只是材料有所不同,它有较好的光学性质。二是把薄膜置于两个平行的电极薄片上面。其外观更类似于纸。用笔状的电极在电子纸上涂写,接触点改变颜色,而用相反的电极来擦去,其颜色则消失,因此电子纸可以重复使用。“电子纸”的最大优势是像纸一样有高度反射能力,此外还有易曲性、高清晰度和生物可降解性。

②透明纸基触摸屏

透明纸基电子器件因具有较高的潜力实现规模化和可持续性生产“绿色”器件,成为研究热点。通过结构设计和纤维直径的控制制备出一种适用于触摸屏的新型双层结构的透明纸。该透明纸不仅具有优异的透明度和形稳性,而且还展现出纳米级的表面粗糙度。通过未打浆处理的木材纤维和纳米纤丝化纤维素(NFC)混合抄造,纸张的抄造效率和挺度得到显著提高,同时纸张还有可书写性。通过涂布技术在该双层结构的透明纸平滑面涂布一层碳纳米管(carbon nanotube, CNT),赋予透明纸导电性能,用该导电透明纸可制备具有防眩功能的透明纸基触摸屏。

③透明纸基光电转换薄膜

方志强 [15] 采用 TEMPO/NaClO/NaBr 氧化体系预处理木浆,通过造纸技术制备出一种适用于太阳能电池的新型高透明高雾度(雾度是偏离入射光2.5° 角以上的透射光强占总透射光强的百分数,雾度越大意味着薄膜光泽以及透明度尤其成像度下降)的纸张。在 550 nm 波长的条件下,该纸张的透明度高达 90% 以上,雾度达到 60%。与常见的纳米纸相比,这种新型的透明纸具有更强的光散射性能和更高的抄造效率。

将该高雾度高透明纸应用于硅片作为反射层,可有效地降低硅片对可见光的反射,其对可见光的反射率下降幅度达到 10%~18%。采用膜转移技术将纳米银线(silver nanowires)交叉网络转移到具有双层结构的高雾度高透明纸的光滑表面,制备出一种具有高散射性能的纸基透明导电电极(transparent conducting electrode, 简称TCE),具有较好的柔韧性、环境兼容性以及优异的光电性能。

将该高雾度高透明纸分别黏附到有机太阳能电池和砷化镓(GaAs)太阳能电池表面,它们的光电转化效率分别提高 10% 23.91%。透明纸较低的折射指数、粗糙的表面以及强烈的光散射效应是太阳能电池光电转化效率增强的主要原因。此外,高雾度高透明纸在可见光区可以有效地降低太阳能电池对光线的反射,同时减少太阳能电池对入射光角度的依赖。

④纳米纸及其复合材料

李勍通过类似于造纸工艺的真空抽滤-水分蒸发法制备出厚度可控的纳米纸,将纳米纸与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)复合,制备具有良好光学性质、显著的弯曲柔韧性以及高力学强度的复合材料,可用于 AMOLED 显示器基板材料以及柔性OLED 封装材料。


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