CN105297524B - 跨尺度纤维纸及其湿法抄造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开跨尺度纤维纸及其湿法抄造方法。将小纤维（纳米级纤维）先附着于大纤维（微米级纤维），使它们成为一个整体，然后采用普通湿法造纸技术进行抄造。本发明的技术方案可有效克服小纤维（纳米纤维）在普通现在造纸机上难以抄造，无法留着的技术难点，实现包含纳米纤维纸的湿法抄造。

Description

跨尺度纤维纸及其湿法抄造方法

技术领域

本发明涉及一种特种纸及其制备方法，特别涉及一种跨尺度纤维纸及其湿法抄造方法。

背景技术

造纸术是中国古代的四大发明之一，人类文明史上一项杰出的发明创造。得益于造纸术的发展，使得人们能更自如的记录文字，使得中国灿烂的文化得以流传。中国古代造纸术，主要基于湿法抄造技术，即通过打浆的方式将纸浆纤维分散于水中，然后再在网上（古代是用竹帘）抄造成型，烘干即可。现代造纸主流仍然是采用湿法抄造的方式，只不过是由原来的手工变成了现在的机器生产，原来的单张的成型，变成了现在的连续成型。并且，现代抄造的纸的用处也不仅仅局限于书写文字，它的功能变得愈发多样，例如，生活用纸、电气用纸、滤纸、包装纸、卷烟纸等等。造纸的材料也不再局限于天然的纸浆纤维了，越来越多的人工合成纤维也在用于造纸，例如，聚酯纤维、玻璃纤维、聚烯烃纤维、金属纤维以及碳纤维等。在纤维尺度上，目前，湿法抄造的原料主要以微米直径级为主。然而，随着人们需求的多样化，包含纳米直径(1-200 nm)的纤维的纸张表现出更加优异的物理和化学性能，越来越受到人们的青睐。

目前制造包含纳米纤维的纸，主要有两种方式，一种为原纤化法，另一种为直接加入人工纳米纤维。

原纤化指纤维表面分裂出细小的微纤维，这种现象通常发生在天然纤维，部分人工纤维也会出现这种现象。通常通过深度打浆，原始粗纤维发生分丝、帚化可获得原纤化纳米纤维，此时原纤化纳米纤维仍然和粗纤维连成一个整体的，然后采用普通造纸机，进行抄造即可获得纳米纤维纸。原纤化纳米纤维纸，由于制造仍然可以采用普通造纸机进行抄造（脱水速度有所减慢），因此制造工艺简单、很容量进行批量生产。发明专利CN 101766929A公开了一种纳米纤维过滤纸，就是采用游离度小于45的纳米级原纤化纤维纸浆制成的。但是，采用原纤化制造纳米纤维纸的所选用的纤维种类受到限制，通常只有天然植物纤维，并且原纤化的纳米纤维和原始纤维为同种物质，纸张多功能化受限。

另一种制造纳米纤维纸的方式是直接采用加入人工纳米纤维，这种方式往往不能应用普通造纸机进行抄造，因为纳米纤维过小的尺寸使它们难以在普通在造纸机的网部留着。因此通常采用其他方式进行制造：改用微孔过滤膜、涂膜法、干法。发明专利102154913A公开了一种含有单纤维数均直径为1 ～ 500nm的纳米纤维合成纸及其制备方法，其采用制备纳米纤维分散液进行抄造的方法制备，其实施例中的公布的成型网为PET网纱（80μm，约300目），并且其纳米纤维长度达到2mm，但是很多纳米纤维要制造如此长度十分困难。发明专利102877367A公开了一种碳纳米管/短纤维复合纳米碳纸及其连续制备方法，碳纳米管为纳米纤维，将碳纳米管分散于溶剂中形成分散液，随后将短纤维混合分散形成浆料，通过真空辅助流延成膜制备得初始薄膜，随后经后续处理将其中的聚合物去除获得目标产物。发明专利101653676公开一种采用静电纺丝的方法制备纳米纤维过滤（纳米纤维纸）材料的方式。发明专利CN 103147355A 公开了一种生物质纳米纤维导电纸的制备方法，其采用混合的方式制备，原纤化纤维素纳米纤维和碳纳米管混合，真空过滤，烘干制得纳米纤维导电纸，从实施例可看出，采用的是孔径在0.2-0.5微米的纤维素滤纸充当过滤膜，而非普通的造纸网（40目-60目）。采用直接加入人工纳米纤维的方式，无法适应现代造纸机的高效，连续大批量的造纸方式。因为目前的造纸机的网部的网孔较大（40目-60目），无法适用纳米纤维的抄造；如若改用更细的成型网进行抄造，又存在滤水过慢的缺陷。

所以开发一种适于纳米纤维的湿法抄造方法，变得愈发紧迫。

发明内容

本发明的第一目的是提供跨尺度的纤维纸；另一目的在于提供所述纤维纸的湿法抄造方法。

本发明的第一目的是这样实现的，所述跨尺度的纤维纸，是由直径大小不同的纤维组成，大小纤维平均直径大于50倍，小纤维以吸附或粘附的方式被固定在大纤维上，大纤维与大纤维交织成纸。

所述大纤维为天然纤维和人工合成纤维，直径为微米级。

所述大纤维具体为棉纤维、纸浆纤维、碳纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、玻璃纤维中的一种。

所述小纤维为人工合成纤维，直径为纳米级，具体为气相合成碳纳米管和碳纳米纤维。

本发明的第二目的是这样实现的，包括纤维处理，跨尺度纤维复合、复合纤维分散液制备和抄造，具体为：

A.大小纤维的预处理，使其适于抄造

B.跨尺度纤维复合，将大纤维和小纤维复合在一起，制成复合纤维；

C.制备复合纤维分散液；

D.上网抄造，采用普通造纸机进行抄造成纸。

所述大小纤维的预处理，具体为对小纤维进行表面官能团化，或者对大纤维进行打浆，或者对大纤维进行切短，或者在大纤维表面设置催化剂。

所述跨尺度纤维复合方式采用下列至少一种方式：

（1）直接生长方式，将纳米纤维直接生长在大纤维上；

（2）热复合方式，采用加热粘合的方式复合；

（3）分散液混合凝聚方式，将大小纤维分散液混合，加入凝聚剂，使得小纤维凝聚与大纤维上。

所述抄造方法中，大小纤维预处理工序A可置于跨尺度纤维复合工序B之后。

本发明的技术方案可有效克服小纤维（纳米纤维）在普通现在造纸机上难以抄造，无法留着的技术难点，实现包含纳米纤维的纸的湿法抄造。

附图说明

图1为 本发明中跨尺度纤维的湿法抄造方法步骤示意图，

图中：1-大纤维；2-小纤维；A-大小纤维预处理；B-跨尺度纤维复合；C-制备复合纤维分散液；D -上网抄造。

图2 为本发明中一实施例所制得的跨尺度纤维纸的扫描电子显微镜照片。

图3 为本发明中另一实施例中所制得的跨尺度纤维纸的扫描电子显微镜照片。

图4为本发明中另一实施例中所制得的跨尺度纤维纸的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明一种跨尺度纤维纸及其湿法抄造方法作进一步对说明，但不以任何方式对本发明加以限制，依据本发明的教导所作的任何变更或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明的原理是将小纤维（纳米级纤维）附着于大纤维（微米级纤维），使它们成为一个整体，然后采用普通湿法造纸技术进行抄造，由于大小纤维已经成为一个整体，湿法抄造过程就适用于普通造纸机的大网孔网部。

本发明公开一种跨尺度的纤维纸，所述跨尺度的纤维纸，是由直径大小不同的纤维组成，大小纤维平均直径大于50倍，小纤维以吸附或凝聚的方式被固定在大纤维上，大纤维与大纤维交织成纸。

所述大纤维为天然纤维和人工合成纤维，直径为微米级。

所述大纤维具体为棉纤维、纸浆纤维、碳纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、玻璃纤维中的一种。

所述小纤维为人工合成纤维，直径为纳米级，具体为气相合成碳纳米管和碳纳米纤维。

本发明还公开跨尺度纤维纸的湿法抄造方法。如图1所示，包括纤维处理A，跨尺度纤维复合B、复合纤维分散液制备C和抄造D，具体为：

A.大小纤维的预处理，使其适于抄造

B.跨尺度纤维复合，将大纤维和小纤维复合在一起，制成复合纤维；

C.制备复合纤维分散液；

D.上网抄造，采用普通造纸机进行抄造成纸。

所述大小纤维的预处理，具体为对小纤维进行表面官能团化，或者对大纤维进行打浆，或者对大纤维进行切短，或者在大纤维表面设置催化剂。

所述跨尺度纤维复合方式采用下列至少一种方式：

（1）直接生长方式，将纳米纤维直接生长在大纤维上；

（2）热复合方式，采用加热粘合的方式复合；

（3）分散液混合凝聚方式，将大小纤维分散液混合，加入凝聚剂，使得小纤维凝聚与大纤维上。

所述抄造方法中，大小纤维预处理工序A可置于跨尺度纤维复合工序B之后。

实施例1：

将玻璃纤维进行一定的疏解，切短，在玻璃纤维表面设置一层铁催化剂，将带有铁催化剂的玻璃纤维至于CVD反应炉中，通入C₂H₂、H₂、N₂反应气体，控制温度650℃，在玻璃纤维上生长一层碳纳米管。将生长有碳纳米管的玻璃纤维，加入分散剂分散于液体中，然后在斜网造纸机上进行抄造，施胶，烘干即可。

实施例2：

将棉纤维进行打浆处理，制成棉浆，同时采用HNO₃/H₂SO4混合酸对碳纳米管进行氧化，使其表面接上大量羟基和羧基，然后将棉浆和处理过的碳纳米管用水混合打浆，加入凝聚剂聚丙烯酰胺，使得碳纳米管和棉浆在表面电荷的吸引下凝聚在一起，制成棉纤维-碳纳米管分散液，然后在长网造纸机上进行抄造，既得棉纤维-碳纳米管复合纸，电子显微镜照片如图3。

实施例3：

将原木纤维进行打浆处理，制成纸浆，同时采用Fenton试剂对碳纳米纤维进行氧化，使其表面接上大量羟基，然后将纸浆和处理过的碳纳米纤维混合，加入凝聚剂聚合硫酸铝，使得碳纳米纤维和纸浆在表面电荷的吸引下凝聚在一起，制成纸浆纤维-碳纳米纤维分散液，然后在长网造纸机上进行抄造，既得纸浆纤维-碳纳米纤维复合纸，电子显微镜照片如图2。

实施例4：

将碳纤维进行切短处理，在碳纤维表面设置一层铁催化剂，将带有铁催化剂的碳纤维至于CVD反应炉中，通入C₂H₂、H₂、N₂反应气体，控制反应温度为700℃，在碳纤维上生长一层碳纳米管。将生长有碳纳米管的玻璃纤维，加入分散剂分散于液体中，然后在斜网造纸机上进行抄造，施胶，烘干即可。

实施例5：

将聚丙烯纤维和碳纳米纤维充分混合，在强光下加热，使碳纳米纤维和聚丙烯纤维熔合制成碳纳米-聚丙烯复合纤维，将碳纳米-聚丙烯复合纤维进行切短处理后，加入分散剂，使碳纳米-聚丙烯复合纤维分散与液体中，然后在斜网造纸机上进行抄造，施胶，烘干即可，电子显微镜照片如图4。

实施例6：

将聚碳酸酯纤维进行切短处理后，将聚碳酸酯纤维和碳纳米纤维充分混合，在强光下加热，使碳纳米纤维和聚碳酸酯纤维熔合制成碳纳米-聚碳酸酯复合纤维，加入分散剂，使碳纳米-聚碳酸酯复合纤维分散于液体中，然后在斜网造纸机上进行抄造，施胶，烘干即可。

实施例7：

将聚酰胺纤维进行切短处理后，将聚酰胺纤维和碳纳米纤维充分混合，在强光下加热，使碳纳米纤维和聚酰胺纤维熔合制成碳纳米-聚酰胺复合纤维，加入分散剂，使碳纳米-聚酰胺复合纤维分散于液体中，然后在斜网造纸机上进行抄造，施胶，烘干即可。

实施例8：

将涤纶纤维进行切短处理后，将涤纶纤维和碳纳米纤维充分混合，在强光下加热，使碳纳米纤维和涤纶纤维熔合制成碳纳米-涤纶复合纤维，加入分散剂，使碳纳米-涤纶复合纤维分散于液体中，然后在斜网造纸机上进行抄造，施胶，烘干即可。

Claims (3)

1.一种跨尺度的纤维纸，是由直径大小不同的纤维组成，大小纤维平均直径相差大于50倍，小纤维以吸附或粘合的方式被固定在大纤维上，大纤维与大纤维交织成纸，所述大纤维具体为棉纤维、纸浆纤维、碳纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、玻璃纤维中的一种；所述小纤维具体为气相合成碳纳米管或碳纳米纤维；其湿法抄造方法，包括纤维处理，跨尺度纤维复合、复合纤维分散液制备和抄造，具体为：

A．大小纤维的预处理；

B．跨尺度纤维复合，将大纤维和小纤维复合在一起，制成复合纤维；

C．制备复合纤维分散液；

D.上网抄造，采用普通造纸机进行抄造成纸；

所述跨尺度纤维复合方式具体为采用下列至少一种方式：

（1）直接生长方式，将纳米纤维直接生长在大纤维上；

（2）热复合方式，采用加热粘合的方式复合。

2.根据权利要求1 所述的跨尺度纤维纸，其特征是：所述大小纤维的预处理，具体为对小纤维进行表面官能团化，或者对大纤维进行打浆， 或者在大纤维表面设置催化剂。

3.根据权利要求1 所述的跨尺度纤维纸，其特征是：所述抄造方法中，大小纤维预处理工序A可置于跨尺度纤维复合工序B之后。