CN105542275A - 一种造纸用无机纤维柔性化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种造纸用无机纤维柔性化的方法，通过聚四氟乙烯乳液改性处理后的SiO2纳米颗粒涂敷在无机纤维表面，使得纤维表面粗糙度增加，这使纤维与树脂基体在接触的时候产生锚钉效应，机械咬合力增大，有效地增加矿物纤维与石头纸中有机树脂基体之间的结合力，改善复合材料的界面性能，提高了无机纤维的抗断裂强度，并且本发明向无机纤维中还加入阳离子抗静电剂，因此SiO2表面带有正电荷，而带有正电荷的SiO2与表面带有负电荷的无机纤维相互作用，使无机纤维得到改性，其柔软性和强度明显提高，在制备石头纸的过程中能有效地增加矿物纤维与石头纸中有机树脂基体之间的接触面积，进而提高了纸张的抗拉性和抗剪切性。

Description

一种造纸用无机纤维柔性化的方法
技术领域
本发明涉及造纸技术领域，特别涉及一种造纸用无机纤维柔性化的方法。
背景技术
石头纸是一种介于纸张和塑料之间的新型材料，既可替代传统的部分功能性纸张、专业性纸张，又能替代传统的大部分塑料包装物。且具有成本低、可控性降解的特点，能够为使用者节省大量的成本，且不会产生污染。从替代传统部分纸张角度看，它能为社会节省大量的林木资源，又能减少造纸过程中产生的二次污染。无机纤维造纸成为今后造纸领域发展的主流技术。但矿物纤维脆性大、刚性大、易断裂，缺少柔性，造成了目前抄纸困难。因而在造纸环节中，还需要对其进行深入的处理。
目前，对矿物纤维用于造纸的研究主要是解决细纤维化、分散性、柔性化、粘接性等物理特性。特别是柔性化是主要技术难点，也是关键点。目前，主要是通过无机纤维与纸张软化剂、聚乙烯醇、阳离子淀粉、硅油、聚丙烯酰胺、高分子聚合物等复合来改善无机纤维的柔性。
中国专利公开号102086610A公开了一种粉煤灰纤维应用于造纸过程中的增强改性方法：粉煤灰纤维表面带有一定的羟基和负氧基团，采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷处理粉煤灰纤维形成硅氧键而结合在纤维表面，加入羧基化聚乙烯醇与γ-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基形成化学键。在聚乙烯醇的分子链上接上羧基基团，一方面能改善聚乙烯醇的亲水能力，另一方面羧基基团能与γ-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基基团形成化学键，提高聚乙烯醇的留着率，使在粉煤灰纤维表面带有了大量的羟基，提高纤维之间的结合能力，从而增强了粉煤灰纤维成纸纸张的抗张强度。但是该方法中，所使用的无机纤维必须是表面带有一定的羟基或者负氧基团，且表面这些官能团越多的无机纤维通过此种方法改性效果越好。而常用的无机纤维表面一般较为光滑，没有羟基等官能团，所以此方法的适用型局限。且当所制纸张遇到横向剪切力作用时，无机纤维与聚乙烯醇的界面就存在缺陷，形成裂纹扩展通道，纸张抗剪切能力差。
中国专利公开号104626438A提出一种纤维石头纸的制备方法：首先用双氧水对聚乙烯醇进行降解，然后在处理后的聚乙烯醇上接枝γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，接枝后的聚乙烯醇上的官能团能够与无机纤维之间产生作用。因此，此发明制得的无机纤维软化增强剂对无机纤维处理后，无机纤维的柔软性和强度明显提高，而且经过该方法处理的无机纤维用于造纸时能够提高纸张性能。此方法是通过对有机聚乙烯醇做接枝处理，使大分子上具有硅烷水解物，与无机材料表面形成化学键。这种方法的关键在于大分子的接枝硅烷水解物的效率，然而接枝效率有限，所以获得的纸张性能仍需要进一步提高。
根据上述描述，在无机纤维表面改性工艺中有需要开发出增加无机纤维与高分子聚合物之间结合力的工艺，提高无机纤维的柔韧性，进一步提高提高纸张柔性。
发明内容
为了解决上述的不足和缺陷，本发明提供一种造纸用无机纤维柔性化的方法，通过聚四氟乙烯乳液改性处理后的SiO2纳米颗粒涂敷在无机纤维表面，使得纤维表面粗糙度增加，并且本发明向无机纤维中还加入阳离子抗静电剂，因此SiO2表面带有正电荷，而带有正电荷的SiO2与表面带有负电荷的无机纤维相互作用，使无机纤维得到改性，其柔软性和强度明显提高，有效地增加矿物纤维与石头纸中有机树脂基体之间的接触面积，进而制备出具有抗拉性和抗剪切性的石头纸。
本发明提供一种造纸用无机纤维柔性化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、筛选矿物纤维粉体
将矿物纤维与水混合，然后采用电动搅拌器搅拌至均匀分散于水中配置成浆料，所述浆料浓度在1%以下，用140-200目的分级筛将所述矿物纤维从所述浆料中筛出，重复4-5次，将筛选后的矿物纤维置于水中，电动搅拌器搅拌分散均匀，滤干备用；
B、矿物纤维的改性
a、将纳米SiO2粒子0.5-1.0重量份，润滑剂0.1-0.5重量份，阳离子抗静电剂0.5-0.8重量份，聚四氟乙烯乳液0.5-1.0质量份与水3-5重量份混合，采用电动搅拌器搅拌0.5-1h后制成浆料备用；
b、将10-15重量份所述浆料2加入75-90重量份的滤干矿物纤维中，并用电动搅拌器搅拌浆料1-2h进行预处理后，用140-200目的分级筛过滤，获得预处理后的矿物纤维，将预处理过的矿物纤维置于85~90℃，干燥12h后获得纳米SiO2粒子改性的矿物纤维粉体。
优选的，所述矿物纤维为平均粒径为10-20μm的海泡石纤维、硅石灰纤维、蛭石纤维、玻璃纤维、石膏纤维、水镁石纤维中的至少一种。
优选的，步骤A中将矿物纤维与水混合，然后采用电动搅拌器搅拌至均匀分散于水中配置成浆料时，所述电动搅拌器搅拌时间为0.5-2h，搅拌后静置时间5-20s。
优选的，所述SiO2纳米粒子的粒度为100-300nm的SiO2粉体。
优选的，所述润滑剂为长链脂肪族咪唑啉、脂肪酰胺醋酸盐和硬脂酸聚氧乙烯酯，所述阳离子抗静电剂为季铵盐，所述聚四氟乙烯乳液固含量为50-60%（wt）。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
1、本发明首先对无机SiO2纳米粉体进行改性，再将改性后的无机SiO2纳米粉体作为矿物纤维的表面改性材料，由于改性后的无机SiO2纳米粉体分散性较好，表面附着聚四氟乙烯，易与无机纤维键合，增加了集束性，经搅拌器与矿物纤维进行高速搅拌后，使得矿物纤维表面粗糙度增加，进而能够均匀的涂覆到矿物纤维表面。
2、进一步，由于经无机SiO2纳米粉体改性后的无机纤维表面涂覆纳米SiO2后，使得无机纤维表面粗糙度提高，这使纤维与树脂基体在接触的时候产生锚钉效应，机械咬合力增大，有效地增加矿物纤维与石头纸中有机树脂基体之间的结合力，改善复合材料的界面性能，提高了无机纤维的抗断裂强度。
3、由于本发明工艺简单，有机溶剂使用量降低，更加环保，在造纸行业应用普及上有着广泛的市场前景。
具体实施方式
通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例一
本实施例包括以下步骤：
A、筛选矿物纤维粉体
将海泡石纤维与水混合，浆料浓度为0.08%，然后采用电动搅拌器搅拌至均匀分散于水中配置成浆料，搅拌时间为0.5h，搅拌后静置时间10s，接着，用140目的分级筛将海泡石纤维从浆料中筛出，重复4次，将筛选后的矿物纤维置于水中，电动搅拌器搅拌分散均匀，滤干待用。
B、矿物纤维的改性
a、取粒度为100nm的纳米SiO2粒子0.5重量份，长链脂肪族咪唑啉0.45重量份，季铵盐0.5重量份，聚四氟乙烯乳液0.5质量份与水3重量份混合，采用电动搅拌器搅拌0.5h后，对纳米SiO2粒子进行改性后，获得浆料；
b、取a步骤中制备的10重量份浆料2加入A步骤中制备的90重量份的矿物纤维中，并用电动搅拌器搅拌1h，搅拌速度为2000rpm，进行预处理后，用140目的分级筛过滤，获得预处理后的矿物纤维，将预处理过的矿物纤维置于85℃，干燥12h后获得纳米SiO2粒子改性的海泡石纤维粉体。
接下来，为了测试改性后的矿物纤维制备出纸张的性能，本发明中用纳米SiO2粒子改性后的海泡石纤维粉体制备石头纸。制备过程如下：
取碳酸钙粉体70份，改性后的海泡石纤维粉体10份，聚乙烯树脂18份，助剂2份。将碳酸钙粉体和改性后的海泡石纤维粉体倒入混合机内，搅拌1h后加入助剂以及聚乙烯树脂，搅拌0.5h后至完全混合均匀后，将混合物料经过密炼机密炼，设置温度为175℃，再通过单螺杆机挤出造粒机造粒。造粒后通过吹塑、压延制备得到石头纸。
其性能测试见表一。
实施例二
A、筛选矿物纤维粉体
将海泡石纤维与水混合，浆料浓度为0.08%，然后采用电动搅拌器搅拌至均匀分散于水中配置成浆料，搅拌时间为0.5h，搅拌后静置时间10s，接着，用140目的分级筛将海泡石纤维从浆料中筛出，重复4次，将筛选后的矿物纤维置于水中，电动搅拌器搅拌分散均匀、滤干待用；
B、矿物纤维的改性
a、取粒度为100nm的纳米SiO2粒子0.7重量份，长链脂肪族咪唑啉0.3重量份，季铵盐0.1重量份，聚四氟乙烯乳液1.0质量份与水4重量份混合，采用电动搅拌器搅拌0.5h后，对纳米SiO2粒子进行改性后，获得浆料；
b、取a步骤中制备的12重量份浆料2加入A步骤中制备的88重量份的矿物纤维中，并用电动搅拌器搅拌1h，搅拌速度为2000rpm，进行预处理后，用140目的分级筛过滤，获得预处理后的矿物纤维，将预处理过的矿物纤维置于85℃，干燥24h后获得纳米SiO2粒子改性的海泡石纤维粉体。
取碳酸钙粉体70份，改性后的海泡石纤维粉体10份，聚乙烯树脂18份，助剂2份。将碳酸钙粉体和改性后的海泡石纤维粉体倒入混合机内，搅拌1h后加入助剂以及聚乙烯树脂，搅拌0.5h后至完全混合均匀后，将混合物料经过密炼机密炼，设置温度为175℃，再通过单螺杆机挤出造粒机造粒。造粒后通过吹塑、压延制备得到石头纸。
其性能测试见表一。
实施例三
本实施例包括以下步骤：
A、筛选矿物纤维粉体
将硅石灰纤维与水混合，浆料浓度为0.09%，然后采用电动搅拌器搅拌至均匀分散于水中配置成浆料，搅拌时间为1.5h，搅拌后静置时间30s，接着，用200目的分级筛将硅石灰纤维从浆料中筛出，重复5次，将筛选后的硅石灰矿物纤维置于水中，电动搅拌器搅拌分散均匀、铝焊待用。
B、矿物纤维的改性
a、取粒度为200nm的纳米SiO2粒子0.5重量份，脂肪酰胺醋酸盐0.45重量份，季铵盐0.5重量份，聚四氟乙烯乳液0.5质量份与水5重量份混合，采用电动搅拌器搅拌1h后，对纳米SiO2粒子进行改性后，获得浆料；
b、取a步骤中制备的10重量份浆料2加入A步骤中制备的90重量份的矿物纤维中，并用电动搅拌器搅拌1h，搅拌速度为3000rpm，进行预处理后，用200目的分级筛过滤，获得预处理后的硅石灰纤维矿物纤维，将预处理过的硅石灰纤维置于90℃，干燥24h后获得纳米SiO2粒子改性的硅石灰纤维粉体。
接下来，为了测试改性后的矿物纤维制备出纸张的性能，本发明中用纳米SiO2粒子改性后的硅石灰纤维粉体制备石头纸。制备过程如下：
取碳酸钙粉体70份，改性后的硅石灰纤维粉体10份，聚乙烯树脂18份，助剂2份。将碳酸钙粉体和改性后的硅石灰纤维粉体倒入混合机内，搅拌1h后加入助剂以及聚乙烯树脂，搅拌0.5h后至完全混合均匀后，将混合物料经过密炼机密炼，设置温度为175℃，再通过单螺杆机挤出造粒机造粒。造粒后通过吹塑、压延制备得到石头纸。
其性能测试见表一。
实施例四
本实施例包括以下步骤：
A、筛选矿物纤维粉体
将石膏纤维与玻璃纤维与水混合，浆料浓度为0.05%，然后采用电动搅拌器搅拌至均匀分散于水中配置成浆料，搅拌时间为0.5h，搅拌后静置时间10s，接着，用140目的分级筛将石膏纤维与玻璃纤维从浆料中筛出，重复5次，将筛选后的石膏纤维与玻璃纤维置于水中，电动搅拌器搅拌分散均匀、滤干待用。
B、矿物纤维的改性
a、取粒度为300nm的纳米SiO2粒子0.5重量份，长链脂肪族咪唑啉0.45重量份，季铵盐0.5重量份，聚四氟乙烯乳液0.5质量份与水3重量份混合，采用电动搅拌器搅拌0.5h后，对纳米SiO2粒子进行改性后，获得浆料；
b、取a步骤中制备的10重量份浆料2加入A步骤中制备的90重量份的矿物纤维中，并用电动搅拌器搅拌1h，搅拌速度为2000rpm，进行预处理后，用140目的分级筛过滤，获得预处理后的石膏纤维与玻璃纤维，将预处理过的石膏纤维与玻璃纤维置于85℃，干燥12h后获得纳米SiO2粒子改性的石膏纤维与玻璃纤维粉体。
接下来，为了测试改性后的矿物纤维制备出纸张的性能，本发明中用纳米SiO2粒子改性后的石膏纤维与玻璃纤维制备石头纸。制备过程如下：
取碳酸钙粉体70份，改性后的石膏纤维与玻璃纤维粉体10份，聚乙烯树脂18份，助剂2份。将碳酸钙粉体和改性后的硅石灰纤维粉体倒入混合机内，搅拌1h后加入助剂以及聚乙烯树脂，搅拌0.5h后至完全混合均匀后，将混合物料经过密炼机密炼，设置温度为175℃，再通过单螺杆机挤出造粒机造粒。造粒后通过吹塑、压延制备得到石头纸。
其性能测试见表一。
实施例五
A、筛选矿物纤维粉体
将水镁石纤维与水混合，浆料浓度为0.05%，然后采用电动搅拌器搅拌至均匀分散于水中配置成浆料，搅拌时间为0.5h，搅拌后静置时间10s，接着，用200目的分级筛将水镁石纤维从浆料中筛出，重复5次，将筛选后的水镁石纤维置于水中，电动搅拌器搅拌分散均匀、滤干待用。
B、矿物纤维的改性
a、取粒度为300nm的纳米SiO2粒子1.0重量份，长链脂肪族咪唑啉0.5重量份，季铵盐0.5重量份，聚四氟乙烯乳液1.0质量份与水97重量份混合，采用电动搅拌器搅拌0.5h后，对纳米SiO2粒子进行改性后，获得浆料；
b、取a步骤中制备的25重量份浆料2加入A步骤中制备的75重量份的矿物纤维中，并用电动搅拌器搅拌1h，搅拌速度为3000rpm，进行预处理后，用200目的分级筛过滤，获得预处理后的水镁石纤维，将预处理过的水镁石纤维置于85℃，干燥12h后获得纳米SiO2粒子改性的水镁石纤维粉体。
取碳酸钙粉体70份，改性后的水镁石粉体10份，聚乙烯树脂18份，助剂2份。将碳酸钙粉体和改性后的硅石灰纤维粉体倒入混合机内，搅拌1h后加入助剂以及聚乙烯树脂，搅拌0.5h后至完全混合均匀后，将混合物料经过密炼机密炼，设置温度为175℃，再通过单螺杆机挤出造粒机造粒。造粒后通过吹塑、压延制备得到石头纸。
其性能测试见表一。
表一
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种造纸用无机纤维柔性化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、筛选矿物纤维粉体
将矿物纤维与水混合，然后采用电动搅拌器搅拌至均匀分散于水中配置成浆料，所述浆料浓度在1%以下，用140-200目的分级筛将所述矿物纤维从所述浆料中筛出，重复4-5次，将筛选后的矿物纤维滤干备用；
B、矿物纤维的改性
a、将纳米SiO2粒子0.5-1.0重量份，润滑剂0.1-0.5重量份，阳离子抗静电剂0.1-0.5重量份，聚四氟乙烯乳液0.5-1.0质量份与水3-5重量份混合，采用电动搅拌器搅拌0.5-1h后制成浆料备用；
b、将10-25重量份所述浆料加入75-90重量份的滤干矿物纤维中，并用电动搅拌器搅拌1-2h，搅拌速度为2000-3000rpm，进行预处理后，用140-200目的分级筛过滤，获得预处理后的矿物纤维，将预处理过的矿物纤维置于85-90℃，干燥12-24h后获得纳米SiO2粒子改性的矿物纤维粉体。
2.如权利要求1所述一种造纸用无机纤维柔性化的方法，其特征在于，所述矿物纤维为海泡石纤维、硅石灰纤维、蛭石纤维、玻璃纤维、石膏纤维、水镁石纤维中的至少一种。
3.如权利要求1所述一种造纸用无机纤维柔性化的方法，其特征在于，步骤A中将矿物纤维与水混合，然后采用电动搅拌器搅拌至均匀分散于水中配置成浆料时，所述电动搅拌器搅拌时间为0.5-2h，搅拌后静置时间10-30s。
4.如权利要求1所述一种造纸用无机纤维柔性化的方法，其特征在于，所述纳米SiO2粒子的粒度为100-300nm的SiO2粉体。
5.如权利要求1所述一种造纸用无机纤维柔性化的方法，其特征在于，所述润滑剂为长链脂肪族咪唑啉、脂肪酰胺醋酸盐和硬脂酸聚氧乙烯酯中的至少一种，所述阳离子抗静电剂为季铵盐，所述聚四氟乙烯乳液固含量为50-60%（wt）。
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