CN110552233B - 一种纸基透明材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纸基透明材料及其制备方法与应用。该方法包括如下步骤：(1)将漂白针叶木浆进行疏解，然后进行打浆，再将打浆后的浆料抄造成湿纸幅，干燥，得到涂布原纸；(2)将涂布原纸的其中一面均匀涂布纤维素纳米纤丝分散液，待水分全部渗入纸张后，在涂布原纸的另一面均匀涂布透明剂，真空抽滤，使涂布于表面的液体抽入纸张内部，干燥，得到纸基透明材料；其中，透明剂为聚乙烯醇溶液或聚乙烯吡咯烷酮溶液。本发明的制备工艺简单，生产周期短，获得的纸基透明材料具有高透明度、高强度的特点，可将其应用于装饰材料、阻隔材料以及包装材料中。

Description

一种纸基透明材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种纸基透明材料及其制备方法与应用。
背景技术
纸基透明材料的制备是一项具有重要应用背景的技术，透明纸大多具有透光率高、孔隙率低、紧度大、强度高，具有一定柔性等特点，因此具有较广的应用范围，可用于电子器件领域、文化艺术领域、包装领域等等。
生活中常见的纸张不透明的主要原因是纸张中的纤维与纸张内部孔隙中的空气的光折射率有较大差异，导致进入纸页内部的光线发生较为强烈的光散射，只有部分光线可以透过纸页，从而使纸张呈现较高的不透明度。
现有的制备透明纸的原理大致分为两种：一种是使纤维在化学或机械的作用下，使纤维被部分或全部溶解或制成纳米级纤维素，使用这种纤维制备出的纸张(薄膜)具有十分紧密的结构，内部只存在有极少的空气，具有较高的透光率；另一种方法则是以纸张或者植物纤维为骨架，向其中填充与纤维具有相近折光率的“透明剂”，填充纸张内部孔隙以赶走纸张内部的空气，或涂布纤维素溶剂，将纸张中的纤维素部分溶解来填实纸张中的孔隙，制得具有一定透明度的纸张。
涂布法制备透明纸指的是在纸张表面涂布“透明剂”，“透明剂”可在重力的作用下慢慢渗入纸张内部的孔隙中，进而赶走纸张内部孔隙使纸张变得透明，但是渗入纸张内部的涂料同样会在重力的作用下继续向下流动，使原留着在纸张内部的涂料流出纸张，而这些透明涂料的流失则会直接导致纸张透明性能的下降，此现象可以通过增大透明剂粘度得到改善，但较高的粘度使透明剂进入纸张孔隙变得困难，透明剂无法赶走纸张内部所有的空气，进而使制得的透明纸呈现较低的透光率。
中国专利申请CN 107119496公开了“一种浸渍液及其快速制备透明纸张的方法与制备的透明纸张的应用”，该技术先后将纸张浸渍于透明剂、透明助剂、表面活性剂、抗水剂、润滑剂和交联剂中，然后将浸渍后的纸张进行烘干、压光处理，得到透明纸张。此方法使用了较多的助剂，工艺流程较为复杂。
中国专利申请CN106498795公开了“高强度透明纳米纤维素纸的制备方法”将纳米纤维素沉积形成三维网络的纳米纸，使用聚乙醇填充纳米纤维素之间的孔隙。得到了具有一定力学强度和透明度的纸基材料，但以纳米纤维纸张为基底，成本较高，且纳米纤维素的滤水速度较慢，使得制备时间较长。
因此，提供一种简单有效的方法制备具有高透明度、高强度的纸基透明材料具有重要意义。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种纸基透明材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供所述方法制备得到的纸基透明材料。
本发明的再一目的在于提供所述纸基透明材料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种纸基透明材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将漂白针叶木浆进行疏解，然后进行打浆，再将打浆后的浆料抄造成湿纸幅，干燥，得到涂布原纸；
(2)将涂布原纸的其中一面均匀涂布纤维素纳米纤丝(NFC)分散液，待水分全部渗入纸张后，在涂布原纸的另一面均匀涂布透明剂，真空抽滤，使涂布于表面的液体抽入纸张内部，干燥，得到纸基透明材料；其中，透明剂为聚乙烯醇溶液(PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液。
步骤(1)中所述的漂白针叶木浆的浓度为质量百分比1～2％。
步骤(1)中所述的疏解为采用纤维疏解机进行疏解。
步骤(1)中所述的疏解的条件为：3000rpm疏解5min。
步骤(1)中所述的浆料的打浆度为30～70°SR；优选为30～60°SR。
步骤(1)中所述的干燥的条件为50～90℃干燥20min，以使纸幅有更好的松厚度；优选为60～70℃干燥20min；更优选为60℃干燥20min。
步骤(1)中所述的涂布原纸的定量为20～80g/m2；优选为40～60g/m2。
步骤(2)中所述的纤维素纳米纤丝(NFC)分散液的浓度为质量百分比0.3～ 1％；优选为质量百分比0.5～0.8％；更优选为质量百分比0.5％。
步骤(2)中所述的纤维素纳米纤丝(NFC)分散液为通过如下方法配置得到：将纤维素纳米纤丝(NFC)悬浊液与去离子水混合，然后在8000～10000rpm 条件下乳化5～10min使其分散均匀，得到所述的纤维素纳米纤丝(NFC)分散液。
所述的乳化为采用高剪切乳化机进行乳化。
步骤(2)中所述的纤维素纳米纤丝(NFC)分散液中纤维素纳米纤丝(NFC) 的涂布量为5～10g/m2；优选为5～8g/m2。
步骤(2)中所述的聚乙烯醇(PVA)溶液的浓度为质量百分比10～15％；优选为质量百分比13～15％；更优选为质量百分比15％。
步骤(2)中所述的聚乙烯醇的分子量为17～22万。
步骤(2)中所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的浓度为质量百分比15～20％；优选为质量百分比17～20％；更优选为质量百分比20％。
步骤(2)中所述的聚乙烯吡咯烷酮优选为聚乙烯吡咯烷酮K90。
步骤(2)中所述的透明剂中的聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮的涂布量为130～200g/m2；优选为150～200g/m2。
步骤(2)中所述的透明剂为通过如下方法配置得到：将聚乙烯醇(PVA) 或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到去离子水中，加热搅拌使其充分溶解，然后将其放入超声波振荡器中脱除溶液中的气泡，得到所述的透明剂。
所述的加热搅拌的条件为：温度70～90℃，100～300rpm搅拌20～40min。
步骤(2)中所述的真空抽滤为采用循环水式真空泵进行真空抽滤，其真空度为-0.05MPa，时间为4s。
步骤(2)中所述的干燥的方式为真空干燥。
所述的真空干燥的条件优选为：55℃干燥1～2h。
一种纸基透明材料，通过上述任一项所述的方法制备得到。
所述的纸基透明材料在克重为40～70g/m2时，其厚度为60～110μm，透光率为63～90％，抗张强度为73～110MPa，耐破度为412～550KPA。
所述的纸基透明材料在装饰材料、阻隔材料或包装材料中的应用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明拟使用一种简单有效方法，在抄造原纸的烘干过程采用低温烘干，以改善涂布原纸的松厚度；使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚乙烯醇(PVA) 作透明剂，纤维素纳米纤丝(NFC)作底膜材料，在涂布透明剂前在纸张底部构建一层致密的纳米纤丝薄膜以留着纸张内部的透明剂并改善纸张强度性能，使用两步涂布的方法构建具有高透明度、高强度的纸基透明材料。该方法具有制备工艺简单，易于操作，生产周期短，适于工业化生产等优势，且所制备的纸基透明材料成本低、透明度高，强度大。
(2)本发明制得的纸基透明材料在可见光区域(400～800nm)具有良好的透光性能，透光度最高为90％。
(3)本发明制得的纸基透明材料具有较高的物理强度性能，其抗张强度最高可达110MPa，远高于涂布前纸张；且涂布后纸张表面平整，具有一定的柔韧性，具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，本发明所用试剂和原材料均可通过市售获得。
本发明中涉及的漂白针叶木浆为虹鱼牌漂白针叶木浆。
本发明中涉及的聚乙烯醇溶液(PVA)溶液的配制方法如下：将PVA加入到去离子水中，放入磁力搅拌器中加热搅拌(温度90℃，搅拌速度200～300rpm，加热搅拌40min)，使其充分溶解，将溶液放入超声波振荡器中，脱除溶液中的气泡后，配制成一定浓度(浓度为质量分数为5～10％；优选为8～10％)的透明剂溶液。其中，聚乙烯醇的分子量为17～22万。
本发明中涉及的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液的配制方法如下：将PVP加入到去离子水中，放入磁力搅拌器中加热搅拌(温度70℃，搅拌速度100～200rpm，加热搅拌20min)，使其充分溶解，将溶液放入超声波振荡器中，脱除溶液中的气泡后，配制成一定浓度(浓度为质量分数为15～20％；优选为18～10％)的透明剂溶液。其中，聚乙烯吡咯烷酮的型号为K90。
本发明中涉及的纤维素纳米纤丝(NFC)分散液的制备方法如下：取适量纤维素纳米纤丝(NFC)悬浊液(购于KEXLAN)与去离子水混合，然后使用高剪切乳化机(转速8000～1000rpm，乳化5～10min)使其分散均匀，制备质量分数为0.5～1％的纤维素纳米纤丝分散液(纳米纤维素分散液)。
实施例1
(1)对一定量的漂白针叶木浆料先用纤维疏解机(转速3000rpm，浆料浓度1wt％～2wt％，疏解5min)再用PFI打浆机将其打浆度打至60°SR。将打浆后的浆料抄成湿纸幅，并于60℃下干燥20min，得到干纸幅，其定量为60g/m2，并将其裁成直径约80mm的圆形纸片作为涂布原纸。
(2)在涂布原纸的纸面(其中一面)涂布5ml质量分数0.5％的纤维素纳米纤丝(NFC)分散液。待水分全部渗入纸张后，再在涂布原纸的另一面同样密集滴入5ml质量分数为15％的聚乙烯醇溶液，使用涂布棒轻轻涂覆使聚乙烯醇在纸张表面涂布均匀，使用循环水式真空泵(真空度-0.05MPa)抽吸4s将涂布于表面的溶液抽入纸张内部后将其放入真空干燥箱中55℃干燥2h，制得纸基透明材料。
实施例2
(1)对一定量的漂白针叶木浆料先用纤维疏解机(转速3000rpm，浆料浓度1wt％～2wt％，疏解5min)再用PFI打浆机将其打浆度打至60°SR。将打浆后的浆料抄成湿纸幅，并于60℃下干燥20min，得到干纸幅，其定量为 60g/m2，并将其裁成直径约80mm的圆形纸片作为涂布原纸。
(2)在涂布原纸的纸面涂布0ml质量分数0.5％的纤维素纳米纤丝(NFC) 分散液(即其中一面不进行涂布)。在原纸的另一面同样密集滴入5ml质量分数为15％的聚乙烯醇溶液，使用涂布棒轻轻涂覆使聚乙烯醇在纸张表面涂布均匀，使用循环水式真空泵(真空度-0.05MPa)抽吸4s将涂布于表面的溶液抽入纸张内部后将其放入真空干燥箱中55℃干燥2h，制得纸基透明材料。
实施例3
(1)对一定量的漂白针叶木浆料先用纤维疏解机(转速3000rpm，浆料浓度1wt％～2wt％，疏解5min)再用PFI打浆机将其打浆度打至60°SR。将打浆后的浆料抄成湿纸幅，并于60℃下干燥20min，得到干纸幅，其定量为 60g/m2，并将其裁成直径约80mm的圆形纸片作为涂布原纸。
(2)在涂布原纸的纸面涂布8ml质量分数0.5％的纤维素纳米纤丝(NFC) 分散液。待水分全部渗入纸张后，再在原纸的另一面同样密集滴入5ml质量分数为15％的聚乙烯醇溶液，同样使用涂布棒轻轻涂覆使聚乙烯醇在纸张表面涂布均匀，使用循环水式真空泵(真空度-0.05MPa)抽吸4s将涂布于表面的溶液抽入纸张内部后将其放入真空干燥箱中55℃干燥2h，制得纸基透明材料。
实施例4
(1)对一定量的漂白针叶木浆料先用纤维疏解机(转速3000rpm，浆料浓度1wt％～2wt％，疏解5min)再用PFI打浆机将其打浆度打至60°SR。将打浆后的浆料抄成湿纸幅，并于60℃下干燥20min，得到干纸幅，其定量为40g/m2，并将其裁成直径约80mm的圆形纸片作为涂布原纸。
(2)在涂布原纸的纸面涂布5ml质量分数0.5％的纤维素纳米纤丝(NFC) 分散液。待水分全部渗入纸张后，再在原纸的另一面同样密集滴入5ml质量分数为15％的聚乙烯醇溶液，使用涂布棒轻轻涂覆使聚乙烯醇在纸张表面涂布均匀，使用循环水式真空泵(真空度-0.05MPa)抽吸4s将涂布于表面的溶液抽入纸张内部后将其放入真空干燥箱中55℃干燥2h，制得纸基透明材料。
实施例5
(1)对一定量的漂白针叶木浆料先用纤维疏解机(转速3000rpm，浆料浓度1wt％～2wt％，疏解5min)再用PFI打浆机将其打浆度打至30°SR。将打浆后的浆料抄成湿纸幅，并于60℃下干燥20min，得到干纸幅，其定量为60g/m2，并将其裁成直径约80mm的圆形纸片作为涂布原纸。
(2)在涂布原纸的纸面涂布8ml质量分数0.5％的纤维素纳米纤丝(NFC) 分散液。待水分全部渗入纸张后，再在原纸的另一面同样密集滴入5ml质量分数为15％的聚乙烯醇溶液，使用涂布棒轻轻涂覆使聚乙烯醇在纸张表面涂布均匀，使用循环水式真空泵(真空度-0.05MPa)抽吸4s将涂布于表面的溶液抽入纸张内部后将其放入真空干燥箱中55℃干燥2h，制得纸基透明材料。
实施例6
(1)对一定量的漂白针叶木浆料先用纤维疏解机(转速3000rpm，浆料浓度1wt％～2wt％，疏解5min)再用PFI打浆机将其打浆度打至60°SR。将打浆后的浆料抄成湿纸幅，并于60℃下干燥20min，得到干纸幅，其定量为60g/m2，并将其裁成直径约80mm的圆形纸片作为涂布原纸。
(2)在涂布原纸的纸面涂布8ml质量分数0.5％的纤维素纳米纤丝(NFC) 分散液。待水分全部渗入纸张后，再在原纸的另一面同样密集滴入5ml质量分数为20％的聚乙烯吡咯烷酮溶液，使用涂布棒轻轻涂覆使聚乙烯吡咯烷酮在纸张表面涂布均匀，使用循环水式真空泵(真空度-0.05MPa)抽吸5s将将涂布于表面的溶液抽入纸张内部后将其放入真空干燥箱中55℃干燥2h，制得纸基透明材料。
效果实施例
对实施例1～6制备得到的纸基透明材料的透光率，抗张指数以及耐破度分别进行检测，具体测试步骤如下：
分别取实施例1～6制备好的纸基透明材料以及实施例1步骤(1)制备的未涂布的原纸，用紫外-可见-近红外分光光度计测定纸基透明材料或原纸的透光率，测定的波长范围为200～800nm，扫描速度为200nm/min，采样间隔1nm，测定温度25℃，灵敏度100％。为确保试验的准确性，每个样品选定不同区域测定3次并取平均值。抗张指数以及耐破度分别选用L&W抗张强度测试仪和L&W 耐破度测定仪测得，测试结果如表1所示。
表1纸基透明材料性能测试结果
Figure BDA0002159691950000071
由表1结果可以看出，原纸经两步涂布后得到的纸基透明材料，其透明度及其强度性能得到了极大的改善，在优选的实施例3中，其透光率、抗张强度、耐破度分别为88％、110MPa、575KP，较原纸分别提高了880％、520％、367％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种纸基透明材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将漂白针叶木浆进行疏解，然后进行打浆，再将打浆后的浆料抄造成湿纸幅，干燥，得到涂布原纸；
(2)将涂布原纸的其中一面均匀涂布纤维素纳米纤丝分散液，待水分全部渗入纸张后，在涂布原纸的另一面均匀涂布透明剂，真空抽滤，使涂布于表面的液体抽入纸张内部，干燥，得到纸基透明材料；其中，透明剂为聚乙烯醇溶液或聚乙烯吡咯烷酮溶液；
步骤(1)中所述的漂白针叶木浆的浓度为质量百分比1～2％；
步骤(1)中所述的浆料的打浆度为30～70°SR；
步骤(2)中所述的聚乙烯醇的分子量为17～22万；
步骤(2)中所述的聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K90；
步骤(2)中所述的纤维素纳米纤丝分散液中纤维素纳米纤丝的涂布量为5～10g/m2；
步骤(2)中所述的透明剂中的聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮的涂布量为130～200g/m2；
步骤(2)中所述的纤维素纳米纤丝分散液的浓度为质量百分比0.3～1％；
步骤(2)中所述的聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10～15％；
步骤(2)中所述的聚乙烯吡咯烷酮的浓度为质量百分比15～20％。
2.根据权利要求1所述的纸基透明材料的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的纤维素纳米纤丝分散液中纤维素纳米纤丝的涂布量为5～8g/m2；
步骤(2)中所述的透明剂中的聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮的涂布量为150～200g/m2。
3.根据权利要求1所述的纸基透明材料的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的纤维素纳米纤丝分散液的浓度为质量百分比0.5～0.8％；
步骤(2)中所述的聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比13～15％；
步骤(2)中所述的聚乙烯吡咯烷酮的浓度为质量百分比17～20％。
4.根据权利要求1所述的纸基透明材料的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的纤维素纳米纤丝分散液为通过如下方法配置得到：将纤维素纳米纤丝悬浊液与去离子水混合，然后在8000～10000rpm条件下乳化5～10min使其分散均匀，得到所述的纤维素纳米纤丝分散液；
步骤(2)中所述的透明剂通过如下方法配置得到：将聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮加入到去离子水中，加热搅拌使其充分溶解，然后将其放入超声波振荡器中脱除溶液中的气泡，得到所述的透明剂；其中，加热搅拌的条件为：温度70～90℃，100～300rpm搅拌20～40min。
5.根据权利要求1所述的纸基透明材料的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的疏解的条件为：3000rpm疏解5min；
步骤(1)中所述的干燥的条件为：50～90℃干燥20min；
步骤(1)中所述的涂布原纸的定量为20～80g/m2；
步骤(2)中所述的真空抽滤为采用循环水式真空泵进行真空抽滤，其真空度为-0.05MPa；
步骤(2)中所述的干燥的方式为真空干燥，其真空干燥的条件为：55℃干燥1～2h。
6.一种纸基透明材料，其特征在于：通过权利要求1～5任一项所述的方法制备得到。
7.权利要求6所述的纸基透明材料在装饰材料、阻隔材料或包装材料中的应用。
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