CN109706787A

CN109706787A - 一种纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系以及应用方法

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Publication number: CN109706787A
Application number: CN201910090279.XA
Authority: CN
Inventors: 李国栋; 刘温霞; 于得海; 王慧丽; 宋兆萍
Original assignee: Qilu University of Technology
Current assignee: Shandong Jiqing Technology Service Co ltd
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-05-03
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN109706787B

Abstract

本发明公开了一种纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系以及应用方法，该双元微粒助留助滤体系由聚乙烯吡咯烷酮和锂皂石纳米水凝胶组成，使用时先在纸浆和纳米纤维素混合浆料中加入聚乙烯吡咯烷酮，低速搅拌均匀形成较松散的微絮体后，再加入锂皂石纳米水凝胶，高速搅拌形成较致密的絮聚体。该双元微粒助留助滤体系不仅可明显提高浆料的滤水性，从而提高生产效率，还可以提高纳米纤维素的留着率，改善产品的匀度和机械性能。

Description

一种纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系以及应用方法

技术领域

本发明涉及一种纳米纤维素用的助留助滤体系，具体的说是涉及一种纳米纤维素用的双元微粒助留助滤体系及其在纤维素膜材料制备或造纸过程中的应用。

背景技术

纤维素是自然界最为丰富的可再生天然高分子资源。纳米纤维素是通过化学、物理、生物或者几者相结合的手段处理纤维得到的直径小于100 nm、长度可到微米的纤维聚集体，具有优异的机械性能、巨大的比表面积、良好的亲水性、高结晶度、高透明度、低密度、良好的生物可降解性和生物相容性及稳定的化学性质。由于纳米纤维素表面裸露出大量羟基，使其具有巨大的化学改性潜力。近年来，纳米纤维素在生物制药、食品加工、制浆造纸、能源存储与转化功能材料等领域的应用研究受到人们越来越多的重视。

基于优异的机械性能和较大的比表面积，纳米纤维素是复合材料增强剂的理想选择。比如在制浆造纸中，将纳米纤维素加入到纸浆中，其能够与纸浆纤维紧密结合，从而提高纸浆纤维之间的结合力，明显提高纸张的强度性能。另外，也有研究将纳米纤维素分散于水中，经抽滤热压、浇注成膜等方法制备透明度较高且强度较大的纳米纤维素膜。然而，由于纳米纤维素尺寸较小、比表面积较大，纤维间的范德瓦尔斯力、氢键等作用力较强，极易发生絮聚，导致成型时脱水网微孔堵塞，造成浆料滤水效率下降，如采用抽滤法制备纳米纤维素膜，往往需要数小时，生产效率明显较低。

在造纸及纳米纤维素膜生产过程中，为提高细小组分的留着率，改善浆料的滤水速率，添加助留助滤剂是较为常用的方法，选择较多的是硫酸铝、阳离子聚丙烯酰胺、阳离子淀粉及上述聚合物与矿物颗粒组成的微粒助留助滤体系。然而，由于纳米纤维素尺寸较小且具有亲水性，与传统浆料中加入的矿物质填料粒子性质不同，会使纳米纤维素发生严重絮聚，造成产品的匀度变差；或使纳米纤维素的留着率降低，造成生产成本增加；抑或不能有效提高纳米纤维素的滤水性能，造成脱水时间较长、生产效率变差。目前尚未有研究报道专门应用于纳米纤维素的助留助滤剂或相关体系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系，用以提高纳米纤维素的留着率，增加浆料的滤水速率，改善产品的匀度，同时还提供该助滤系统的使用方法。

一种纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系，包括聚乙烯吡咯烷酮、锂皂石纳米水凝胶。

所述的聚乙烯吡咯烷酮的添加量为绝干纳米纤维素重量的0.01-0.5%；

所述的锂皂石纳米水凝胶的添加量为绝干纳米纤维素重量的0.01-1%。

所述的聚乙烯吡咯烷酮平均分子量为10万到150万。

所述的锂皂石纳米水凝胶平均粒径为10-200nm。

上述纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系的使用方法，包括以下步骤：

（1）先在纳米纤维素悬浮液中加入聚乙烯吡咯烷酮，低速搅拌，产生较松散的微絮体；聚乙烯吡咯烷酮的加入量为绝干纳米纤维素质量的0.01-0.5%；

（2）再向步骤（1）的悬浮液中加入锂皂石纳米水凝胶，高速搅拌，产生较致密的絮聚体；锂皂石的加入量为绝干纳米纤维素质量的0.01-1%；

（3）后续经真空过滤、压榨和干燥处理后成膜。

上述纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系在造纸上的应用。

上述纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系在纳米纤维素膜生产上的应用。

本发明与现有造纸用助留助滤体系相比，具有以下的明显优点：

（1）提高浆料的滤水效率，增加纳米纤维素的留着率

本发明是一种用聚乙烯吡咯烷酮与锂皂石纳米水凝胶所组成的纳米纤维素专用双元微粒助留助滤体系，不仅可以明显提高浆料的滤水效率，还可增加纳米纤维素的留着率，改善产品匀度，降低生产成本，从而提高产品质量和产量。

（2）与原有的微粒助留体系不同

本发明的絮体形成方式与原有的微粒助留体系有所不同，它是利用聚乙烯吡咯烷酮与纳米纤维素先在低剪切作用下形成较松散的微聚体，后经高剪切絮体破坏后，再与锂皂石纳米水凝胶形成较致密的絮聚体。

（3）产业化

本发明首次提出了专用于纳米纤维素的高效双元微粒助留助滤体系，有利于纳米纤维素更深入的产业化开发，在造纸及纤维素膜的制备工业应用效果突出。

附图说明

图1为紧贴背景所拍摄的纳米纤维素膜照片；

图2为距离背景12.5mm（透明胶带卷支撑）所拍摄的纳米纤维素膜照片；

图3为纳米纤维素膜的透光率；

图4为纳米纤维素膜的雾度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明；除另有指明，实施例中的所述份数均以质量计。

实施例1

取1份纳米纤维素、999份去离子水、0.0001份分子量为10万的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌1 min，加入0.002份粒径为200 nm的锂皂石纳米水凝胶，在搅拌速度为1500 r/min下搅拌1 min，倒入铺设微孔滤膜（微孔直径0.65 μm）的G2过滤器中，开启真空抽滤，制备定量约30 g/m²的纳米纤维素膜，然后揭离纸页，利用热压机于100 ^oC干燥10 min，获得纳米纤维素透明膜，其形态如图1、图2所示。经测定，滤水时间102 min，留着率82%，透光率84%，雾度73%。

实施例2

取1份纳米纤维素、999份去离子水、0.001份分子量为150万的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌1 min，加入0.002份粒径为10 nm的锂皂石纳米水凝胶，在搅拌速度为1500 r/min下搅拌1 min，倒入铺设微孔滤膜（微孔直径0.65 μm）的G2过滤器中，开启真空抽滤，制备定量约30 g/m²的纳米纤维素膜，然后揭离纸页，利用热压机于100 ^oC干燥10min，获得纳米纤维素透明膜，其形态如图1、图2所示。经测定，滤水时间79 min，留着率94%，透光率89%（如图3所示），雾度69%。

实施例3

取1份纳米纤维素、999份去离子水、0.003份分子量为21.6万的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌1 min，加入0.002份粒径为20 nm的锂皂石纳米水凝胶，在搅拌速度为1500 r/min下搅拌1 min，倒入铺设微孔滤膜（微孔直径0.65 μm）的G2过滤器中，开启真空抽滤，制备定量约30 g/m²的纳米纤维素膜，然后揭离纸页，利用热压机于100 ^oC干燥10 min，获得纳米纤维素透明膜，其形态如图1、图2所示。经测定，滤水时间55 min，留着率95%，透光率91%（如图3所示），雾度66%。

实施例4

取1份纳米纤维素、999份去离子水、0.001份分子量为21.6万的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌1 min，加入0.004份粒径为20 nm的锂皂石纳米水凝胶，在搅拌速度为1500 r/min下搅拌1 min，倒入铺设微孔滤膜（微孔直径0.65 μm）的G2过滤器中，开启真空抽滤，制备定量约30 g/m²的纳米纤维素膜，然后揭离纸页，利用热压机于100 ^oC干燥10 min，获得纳米纤维素透明膜，其形态如图1、图2所示。经测定，滤水时间63 min，留着率95%，透光率88%，雾度68%。

实施例5

取1份纳米纤维素、999份去离子水、0.01份分子量为21.6万的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌1 min，加入0.004份粒径为20 nm的锂皂石纳米水凝胶，在搅拌速度为1500 r/min下搅拌1 min，倒入铺设微孔滤膜（微孔直径0.65 μm）的G2过滤器中，开启真空抽滤，制备定量约30 g/m²的纳米纤维素膜，然后揭离纸页，利用热压机于100 ^oC干燥10min，获得纳米纤维素透明膜，其形态如图1、图2所示。经测定，滤水时间81 min，留着率92%，透光率88%，雾度67%。

实施例6

取1份纳米纤维素、999份去离子水、0.001份分子量为110万的聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌1 min，加入0.01份粒径为20 nm的锂皂石纳米水凝胶，在搅拌速度为1500 r/min下搅拌1 min，倒入铺设微孔滤膜（微孔直径0.65 μm）的G2过滤器中，开启真空抽滤，制备定量约30 g/m²的纳米纤维素膜，然后揭离纸页，利用热压机于100 ^oC干燥10min，获得纳米纤维素透明膜，其形态如图1、图2所示。经测定，滤水时间88 min，留着率92%，透光率87%，雾度60%（如图4所示）。

实施例7

取10份打浆度为40的化机浆、1份纳米纤维素、989份去离子水、0.001份分子量为21.6万的聚乙烯吡咯烷酮，倒入铺设200目滤网（微孔直径75 μm）的动态滤水仪中，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌1 min，加入0.01份粒径为20纳米的锂皂石纳米水凝胶，在搅拌速度为1500 r/min下搅拌1 min，开启滤水阀门。经测定，滤水时间11 min，留着率82%。

实施例8

取10份打浆度为40的化机浆、1份纳米纤维素、989份去离子水、0.01份分子量为21.6万的聚乙烯吡咯烷酮，倒入铺设200目滤网（微孔直径75 μm）的动态滤水仪中，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌1 min，加入0.01份粒径为20nm的锂皂石纳米水凝胶，在搅拌速度为1500r/min下搅拌1 min，开启滤水阀门。经测定，滤水时间6 min，留着率91%。

对比例1

取1份纳米纤维素、999份去离子水，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌2 min，倒入铺设微孔滤膜（微孔直径0.65 μm）的G2过滤器中，开启真空抽滤，制备定量约30 g/m²的纳米纤维素膜，然后揭离纸页，利用热压机于100 ^oC干燥10 min，获得纳米纤维素透明膜，其形态如图1、图2所示。经测定，滤水时间135 min，留着率89%，透光率81%，雾度75%。

对比例2

取1份纳米纤维素、999份去离子水、0.001份聚乙烯吡咯烷酮，在搅拌速度为1000 r/min下搅拌2 min，倒入铺设微孔滤膜（微孔直径0.65 μm）的G2过滤器中，开启真空抽滤，制备定量约30 g/m²的纳米纤维素膜，然后揭离纸页，利用热压机于100 ^oC干燥10 min，获得纳米纤维素透明膜，其形态如图1、图2所示。经测定，滤水时间110 min，留着率93%，透光率87%，雾度72%。

实施效果例

将实施例1-6及对比例1、2的留着率、透光率、雾度，统计如下表：

表1实施例1-6及对比例1、2的留着率、透光率、雾度统计表

项目	滤水时间	留着率	透光率	雾度
					实施例1	102	82	84	73
实施例2	79	94	89	69
					实施例3	55	95	91	66
实施例4	63	95	88	68
					实施例5	81	92	88	67
实施例6	88	92	87	60
					对比例1	135	89	81	75
对比例2	110	93	87	72

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims

1.一种纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系，其特征在于，包括聚乙烯吡咯烷酮、锂皂石纳米水凝胶。

2.根据权利要求1所述的纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系，其特征在于，所述的聚乙烯吡咯烷酮的添加量为绝干纳米纤维素重量的0.01-0.5%；

3.根据权利要求1所述的纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系，其特征在于，所述的聚乙烯吡咯烷酮平均分子量为10万到150万。

4. 根据权利要求1所述的纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系，其特征在于，所述的锂皂石纳米水凝胶平均粒径为10-200 nm。

5.一种权利要求1所述的纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）先在纳米纤维素悬浮液中加入聚乙烯吡咯烷酮，低速搅拌，产生较松散的微絮体；

（2）再向步骤（1）的悬浮液中加入锂皂石纳米水凝胶，高速搅拌，产生较致密的絮聚体；

（3）后续经真空过滤、压榨和干燥处理后成膜。

6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，所述步骤（1）中聚乙烯吡咯烷酮的加入量为绝干纳米纤维素质量的0.01-0.5%。

7.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，所述步骤（2）中锂皂石的加入量为绝干纳米纤维素质量的0.01-1%。

8.权利要求1所述的纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系在造纸上的应用。

9.权利要求1所述的纳米纤维素用双元微粒助留助滤体系在纳米纤维素膜生产上的应用。