CN111304949A - 一种吸水吸油的类纸材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种吸水吸油的类纸材料及其制备方法，所述吸水吸油的类纸材料由包括植物纤维浆料、化学合成纤维、无机填料和纸张湿强剂的原料按照纸张加工方法制备而成，按照原料的绝干质量计，所述化学合成纤维和植物纤维浆料的质量比为5:95~25:75。

Description

一种吸水吸油的类纸材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及吸水吸油材料，具体涉及一种吸水吸油的类纸材料及其制备方法。
背景技术
植物纤维是造纸工业中常用的，用于抄造纸张的原料。常用的植物纤维包括：木材纤维，如：针叶木、阔叶木；禾本科纤维，如：稻草、甘蔗渣、毛竹等等；韧皮纤维，如：桑皮、苎麻、黄麻等等种子纤维，如：棉纤维、木棉纤维等等。这些不同来源的植物纤维共同特性是：以纤维素为主，有的含有少量的半纤维素。无论是纤维素，还是半纤维素，分子链中含有大量的羟基，都是具有强烈亲水性的聚合物。以植物纤维为主原料，添加少量无机填料、纸张增强剂、助留助滤剂而得到的纸张，具有强大的吸水性能。
化学合成纤维，例如：聚乙烯纤维(PE)、聚丙烯纤维(PP)、聚酯纤维(PET、PTT等)、聚丙烯腈纤维(PAN)、聚氯乙烯纤维(PVC)、聚酰胺纤维(PA6、PA66)等。化学合成纤维的特性是：分子链中绝大部分，或者分子链整体均为疏水性结构。因此，化学合成纤维对油类，如汽油、柴油、植物油等，具有强烈的吸附能力。同时其对水的亲和力非常弱，吸水能力差。
如果能将植物纤维和化学合成纤维在微观组成或结构上均匀地复合在一起，得到的材料将同时具有吸水和吸油的性能。以下为现有公开的吸水吸油材料及其制备方法：
CN102603978公开一种纤维素基吸水吸油材料及其制备方法：以活化处理后的木质纤维素为基体，丙烯酰胺、甲基丙烯酸丁酯为聚合单体，过硫酸钾为引发剂，N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，聚乙烯吡咯烷酮为分散剂，通过悬浮聚合法，在无需氮气保护的条件下制备出纤维素基吸水吸油材料。
CN102604134A公开一种纤维素基吸水吸油薄膜及其制备方法：通过在木质纤维素上接枝吸水性物质和吸油性物质，制备出的薄膜使用轻巧方便，使应用领域更加广泛。另外，采用均相接枝共聚，有效避免了非均相聚合微观相分离，接枝效果不理想，组分分布不均匀的问题。
CN107201676A公开一种吸水吸油的纤维素纤维织物及其染色方法。上述吸水吸油的纤维素纤维织物，包括纤维素纤维织物和染色剂，所述纤维素纤维织物的纤维具有裂缝；所述染色剂附着于纤维裂缝内；一种吸水吸油的纤维素纤维织物的染色方法，包括以下步骤：步骤一：对染料进行预处理，保证染料颗粒的最小直径介于最小纤维裂缝与1/30最小纤维裂缝之间；步骤二：将步骤一中的得到的染料的水溶液施加到纤维素纤维织物上，然后进行汽蒸和烘干；步骤三：进行水洗、烘干和定型。
CN107793532A公开一种淀粉接枝的吸水吸油材料：包括玉米淀粉20-30份、过硫酸钾0.3-0.5份、碳酸氢钠0.3-0.5份、丙烯酰胺10-15份、丙烯酸5-10份、甲基丙烯酸甲酯10-20份、亚甲基双丙烯酰胺化学纯1-3份、丙烯酸丁酯10-20份、硝酸2-3份、去离子水30-50份。通过对淀粉进行接枝共聚改性，以过硫酸铵为引发剂，以丙烯酸、醋酸乙烯酯为单体制得的接枝共聚物具有淀粉和各个单体的多重优良性能，使其在吸水和吸油方面同时发挥作用，该材料能够同时吸油和吸水。
以上现有技术的特点是：以天然聚合物材料(如纤维素、淀粉)为主，利用化学合成、表面接枝改性、孔道空隙镶嵌等方式和工艺，将吸油性的物质结合在天然材料上，从而依靠吸油性的物质提升最终复合材料的吸油能力。同时，天然材料，如纤维素，淀粉，具有吸水能力。因此最终得到的材料具有吸水吸油的能力。其主要不足在于：涉及到吸油材料的化学合成、表面接枝改性、孔道空隙镶嵌等工艺，要实现精准控制，具有较高的难度；而且整个制备工艺较复杂，从而造成中间副产物或废水量大，工艺成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原料易得、工艺简单的吸水吸油的类纸材料，所述吸水吸油的类纸材料由包括植物纤维浆料、化学合成纤维、无机填料和纸张湿强剂的原料按照纸张加工方法制备而成，按照原料的绝干质量计，所述化学合成纤维和植物纤维浆料的质量比为5:95～25:75；优选5:95～15:85，更优选8:92～12:88。
本发明采用适量吸油性的化学合成纤维代替植物纤维，以简单的方法在保持原有的吸水性同时赋予类纸材料吸油性。
较佳地，所述纸张湿强剂选用聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂以及甲醛类湿强剂的至少一种；优选地，甲醛类湿强剂包括尿醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂中至少一种。由于湿强剂为阳离子性，其能静电吸附于植物纤维上，当纸张在干燥过程中，湿强剂上的活性官能团能与植物纤维上的羟基结合，能够提升纸张的强度。当纸张再次吸水回湿以后，湿强剂能够使得回湿的纸张具有强度，不易破损。
较佳地，相对于化学合成纤维与植物纤维浆料总绝干质量，所述纸张湿强剂的添加量为0.5-2.0％。湿强剂添加量太少，纸张回湿后强度不明显，不能提升纸张回湿后的强度。湿强剂是靠静电作用吸附于植物纤维上，如果添加量太多，植物纤维吸附量饱和，多余的湿强剂将造成浪费，且对纸机湿部系统有害。
较佳地，所述化学合成纤维选取聚烯烃类纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乳酸纤维中的至少一种；优选地，所述聚烯烃类纤维选自聚乙烯纤维、聚丙烯纤维中至少一种；所述聚酯纤维选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对萘二甲酸乙二酯中至少一种；所述聚酰胺纤维选自聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610中至少一种。
较佳地，所述化学合成纤维的长度为0.5mm-15mm，优选1-4.5mm；直径为100nm-60μm，优选250nm-25μm。
较佳地，所述植物纤维浆料包括针叶木纤维浆料、棉纤维浆料、木棉纤维浆料、麻纤维浆料、阔叶木纤维浆料中的至少一种；优选地，所述植物纤维浆料中，按重量百分比计，绝干针叶木纤维浆料添加量40％-85％，更优选为60％-80％，绝干棉纤维浆料、木棉纤维浆料或麻纤维浆料中至少一种的添加量20％以下，优选5％-15％，绝干阔叶木纤维浆料添加量25％以下，优选20％以下。
较佳地，所述无机填料的添加量占化学合成纤维与植物纤维浆料总绝干质量的5％以下。
较佳地，所述吸水吸油的类纸材料的克重为50-300g/m2。
第二方面，本发明还提供上述吸水吸油的类纸材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将植物纤维浆料的原料分别通过磨浆、打浆使得浆料达到一定的磨浆游离度，然后按照一定的比例混合均匀，得到植物纤维浆料；
S2：向植物纤维浆料中加入化学合成纤维、无机填料和纸张湿强剂，在网上成型后压榨、干燥、卷曲，即可得到吸水吸油的类纸材料。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。以下各百分含量如无特别说明均指质量百分含量。
本发明将具有吸水能力的植物纤维，以及具有吸油能力的化学合成纤维，按照一定的比例均匀的结合在一起，得到材料类似于纸张。因此得到的纸张具有吸水吸油的能力。
化学合成纤维，可选取以下纤维中的一种，或两种及以上的混合纤维：
聚烯烃纤维：聚乙烯纤维(PE)、聚丙烯纤维(PP)；
聚氯乙烯纤维(PVC)；
聚丙烯腈纤维(PAN)；
聚酯纤维：聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚对萘二甲酸乙二酯(PEN)；
聚酰胺纤维：聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)、聚酰胺610(PA610)；
聚乳酸纤维(PLA)。
选取合适的合成纤维，利用其吸油能力，提升最终材料的吸油性能。相对于其他形状的合成聚合物，纤维形状的聚合物，有利于增强最终纸张的强度。同时纤维状的聚合物，比表面积比颗粒状更大，更利于其吸附油。
化学合成纤维的尺寸大小可为长度0.5mm-15mm，优选1-4.5mm；直径：100nm-60μm，优选250nm-25μm。该长度范围内的纤维最有助于增强纸张强度，太短强度不够，太长则制浆时不易分散均匀。化学合成纤维的尺寸越小，其比表面积越大，因而其吸油能力越强大。根据最终产品的用途以及吸油值范围，以及优选纤维长度范围内，从而选取相应尺寸的化学合成纤维。本发明中无需对聚合物纤维进行特殊的改性处理，仅需借助纸张的湿强剂以及植物纤维浆料，通过聚合物纤维和植物纤维之间简单的机械排列，实现聚合物和植物纤维之间良好的相容性。
植物纤维浆料包括针叶木纤维浆料、棉纤维浆料、木棉纤维浆料、麻纤维浆料、阔叶木纤维浆料中的至少一种。本发明中的植物纤维尺寸，按照造纸工业中使用的植物纤维正常尺寸即可，无特殊要求。
一些实施方式的植物纤维浆料中，绝干针叶木纤维浆料添加量40％-85％，绝干棉纤维、木棉纤维或麻纤维或二者及二者以上的混合纤维的添加量20％以下，绝干阔叶木纤维浆料添加量25％以下。优选地，在植物纤维浆料中，绝干针叶木纤维浆料添加量60％-80％，绝干棉纤维、木棉纤维或麻纤维或二者及二者以上的混合纤维的添加量5-15％，绝干阔叶木纤维浆料添加量20％以下。针叶木纤维浆料强度比阔叶木纤维浆料好，但是价格高，同时因其纤维粗，使得纸张不够细腻平滑；阔叶木纤维直径细，纤维较短，尽管其强度不及针叶木纤维，但是能够使得纸张表面细腻平滑，而且具有成本优势。棉纤维、木棉纤维以及麻纤维，纤维长，强度最好，但是价格昂贵，在本发明中少量添加，主要是为了提升最终产品的强度指标。
上述植物纤维浆料中的植物纤维，其长度可为小于10mm，优选200nm-2mm。长径比可大于100：1。
化学合成纤维与植物纤维浆料的绝干质量比范围为5:95-25:75，优选5:95～15:85，更优选8:92～12:88。将化学合成纤维和植物纤维浆料的质量比控制在上述范围内，可以在保证吸水吸油的类纸材料强度的基础上，还使其具有优异的吸油性能。
相对于无化学合成纤维的纸张而言，化学合成纤维的加入，使得最终得到的纸张更加松厚和蓬松，有利于吸水吸油性能的提升。合成纤维与植物纤维共同作用，最终材料具有吸水吸油能力。
上述吸水吸油类纸材料的原料除了化学合成纤维和植物纤维浆料以外，还包括其他造纸化学品，例如无机填料和纸张湿强剂。
填料添加量占化学合成纤维与植物纤维浆料总绝干质量的5％以下。无机填料可为碳酸钙等。
本发明的吸水吸油类纸材料不同于普通的文化用纸、生活用纸，为了确保材料吸收水分后仍具有足够的湿强度，加入纸张湿强剂。湿强剂选用聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂以及甲醛类湿强剂的至少一种。甲醛类湿强剂可以是尿醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂等。湿强剂添加量相对于化学合成纤维与植物纤维浆料总绝干质量而言，添加量为0.5-2.0％。湿强剂添加量太少，纸张回湿后强度不明显，不能提升纸张回湿后的强度。湿强剂是靠静电作用吸附于植物纤维上，如果添加量太多，植物纤维吸附量饱和，多余的湿强剂将造成浪费，且对纸机湿部系统有害。
另外，吸水吸油类纸材料的原料还可以包括纸张干强剂、染料、增白剂、助留助滤剂等助剂。其中，纸张干强剂可为阳离子淀粉。上述助剂按照无化学合成纤维时的纸张工艺正常含量添加，根据化学合成纤维用量不同，添加量略微调整即可。
上述吸水吸油类纸材料的制备方法可按照纸张的生产过程进行。在纸张的生产过程中，按照一定的混合比例添加化学合成纤维，化学合成纤维与植物纤维浆料混合均匀后，按照纸张的正常生产流程，即可得到吸水吸油的纸张。整个工艺简单，容易控制和操作。可利用已有的造纸设备、工艺，实现吸收吸油材料的大批量生产。
一些示例中，具体操作步骤如下：
将针叶木浆、阔叶木浆等植物纤维浆料，通过磨浆、打浆等设备使得浆料达到一定的磨浆游离度，其中针叶木浆的游离度范围为330-450ml，阔叶木浆的游离度范围为350-450ml，棉纤维浆、木棉纤维浆或麻纤维浆中至少一种的游离度范围为350-450ml；然后按照一定的比例混合均匀，加入化学合成纤维、无机填料和纸张湿强剂(若有其他的造纸化学品，可一并加入)，在网上成型后进入压榨、干燥、卷曲等设备，即可得到纸张。
本发明利用部分化学合成纤维取代部分植物纤维浆料，使得最终得到的纸张中以植物纤维浆料为主，还有部分化学合成纤维。利用植物纤维浆料的吸水性、化学合成纤维的吸油性，因此最终得到的纸张具有吸水吸油的性能。
最终得到的吸水吸油材料的克重范围50-300g/m2。可以是一张单独使用，也可以将两张或更多张叠加后使用。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
以下具体的造纸步骤采用常规的造纸方法，可参见《造纸原理与工程》(2010年中国轻工业出版社出版)，具体过程不再累述。另外，在无特殊说明的情况下，实施例中使用的填料为碳酸钙，其粒子小于2μm的占65％。填料和纸张湿强剂的添加量比例指的是填料或纸张湿强剂相对于化学合成纤维与植物纤维浆料总绝干质量的比例。
对比例1a：
化学合成纤维0％；针叶木纤维浆料70％、棉纤维浆料15％、阔叶木纤维浆料15％、填料添加量5％、聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂0.5％。纸张克重80g/m2。
对比例1b：
化学合成纤维5％，化学纤维为长度1mm、直径250nm的PP纤维；植物纤维浆料95％，其中针叶木纤维浆料占70％、棉纤维浆料占15％、阔叶木纤维浆料占15％、填料添加量5％、聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂0％。纸张克重80g/m2。
对比例2a：
化学合成纤维0％；针叶木纤维浆料80％、棉纤维浆料15％、阔叶木纤维浆料5％、填料添加量3％、聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂1.0％。纸张克重80g/m2。
对比例2b：
化学合成纤维10％，化学纤维为长度3mm、直径15μm的PET纤维；植物纤维浆料90％，其中针叶木纤维浆料占80％、棉纤维浆料占15％、阔叶木纤维浆料占5％、填料添加量3％、聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂0％。纸张克重80g/m2。
对比例3：
化学合成纤维0％；针叶木纤维浆料85％、棉纤维浆料15％、阔叶木纤维浆料0％、填料添加量0％、聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂1.5％。纸张克重80g/m2。
实施例1：
化学合成纤维5％，化学纤维为长度1mm、直径250nm的PP纤维；植物纤维浆料95％，其中针叶木纤维浆料占70％、棉纤维浆料占15％、阔叶木纤维浆料占15％、填料添加量5％、聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂0.5％。纸张克重80g/m2。
实施例2：
化学合成纤维10％，化学纤维为长度3mm、直径15μm的PET纤维；植物纤维浆料90％，其中针叶木纤维浆料占80％、棉纤维浆料占15％、阔叶木纤维浆料占5％、填料添加量3％、聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂1.0％。纸张克重80g/m2。
实施例3：
化学合成纤维15％，化学纤维为长度4.5mm、直径25μm的PLA纤维；植物纤维浆料85％，其中针叶木纤维浆料占85％、棉纤维浆料占15％、阔叶木纤维浆料0％、填料添加量0％、聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂1.5％。纸张克重80g/m2。
将对比例1a、2a、3和实施例1、2、3得到的纸张，分别裁取10cm*10cm大小的纸样，在105℃烘箱中干燥至恒重后，分别称量其重量并记录。然后将纸样完全浸泡于纯净水和液体石蜡中。在浸泡20分钟后，确保所有的纸样充分吸收了水分或者液体石蜡。称量吸收水分或液体石蜡后的纸样总重量。具体的结果如下表1所示。
表1对比例和实施例1-3的吸水吸油性能测试表
对比例1a 对比例2a 对比例3 实施例1 实施例2 实施例3
纸样重量g 0.80 0.79 0.79 0.81 0.80 0.79
吸水后总重g 2.41 2.35 2.36 2.39 2.31 2.30
吸油后总重g 1.47 1.40 1.45 2.54 2.71 2.30
由上表1可见，实施例的吸水后总重，与对比例相近。然而实施例的吸油后总重，明显高于对比例。对比例1a和对比例2a，没有添加聚合物纤维，因而其吸油量较低；实施例1-2分别加入了5％的PP纤维，10％的PET纤维，因而实施例1-2的吸油能力将显著提升。相对于PET纤维，从化学结构方面而言，实施例1中的PP纤维的吸油能力强于PET纤维。而且实施例1中的PP纤维，更加细小，比表面积更大，有助于吸油能力的提升。同时PP纤维直径的直径较小，与植物纤维的网络结构相称，微孔结构更为丰富，这也有利于吸油性能的提升。
本发明通过选择合适的类纸材料配方，无需对聚合物纤维进行特殊的改性处理，仅需借助纸张的湿强剂以及植物纤维浆料，通过聚合物纤维和植物纤维之间简单的机械排列，将聚合物纤维(即化学合成纤维)强大的吸油能力与植物纤维的强大的吸水能力特性集中在一起，同时实现聚合物和植物纤维之间良好的相容性。
将对比例1a、1b、2a、2b和实施例1、2得到的纸张，按照国标GB/T 465.2-2008测试纸张的湿强度(吸水后的湿强度)。具体结果如下表2所示。
表2对比例和实施例1-2的湿强度性能测试表
对比例1a 对比例1b 对比例2a 对比例2b 实施例1 实施例2
湿强度kN/m 0.20 0 0.31 0 0.22 0.35
分别与实施例1、实施例2相比，对比例1b和对比例2b中不添加湿强剂，其湿强度为0，原因是在测试过程，湿强度低于仪器的最低检测下限，不能得到有效数据。实施例1和实施例2因添加湿强剂，纸张的湿强度分别为0.22、0.35kN/m。对比例1a、对比例2a中不添加化学合成纤维，其湿强度略低于相对应的实施例1、实施例2。其原因为以下两点：第一、实施例1和实施例2中得到的纸张中分别有5％、10％的化学合成纤维，当纸张遇水后，化学合成纤维的疏水性，对植物纤维浆料具有一定的保护作用，从而在一定程度上减少了植物纤维浆料网络结构的强度损失。第二、纸张经过干燥工艺后，湿强剂以化学键的连接方式在植物纤维之间形成网络结构，同时湿强剂的分子结构中含有亲水性基团，也有疏水性结构，疏水性结构与化学合成纤维之间的亲和性良好。因而，湿强剂的加入，在吸水吸油的类纸材料中，有利于提升化学合成纤维与植物纤维浆料之间的相互亲和性，从而也有助于材料的湿强度提升。

Claims (9)

1.一种吸水吸油的类纸材料，其特征在于，所述吸水吸油的类纸材料由包括植物纤维浆料、化学合成纤维、无机填料和纸张湿强剂的原料按照纸张加工方法制备而成，按照原料的绝干质量计，所述化学合成纤维和植物纤维浆料的质量比为5:95~25:75；优选5:95~15:85，更优选8:92~12:88。
2.根据权利要求1所述的类纸材料，其特征在于，所述纸张湿强剂选用聚酰胺聚胺表氯醇树脂类湿强剂以及甲醛类湿强剂中的至少一种；优选地，甲醛类湿强剂包括尿醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的类纸材料，其特征在于，相对于化学合成纤维与植物纤维浆料总绝干质量，所述纸张湿强剂的添加量为0.5-2.0%。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的类纸材料，其特征在于，所述化学合成纤维选取聚烯烃类纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乳酸纤维中的至少一种；优选地，所述聚烯烃类纤维选自聚乙烯纤维、聚丙烯纤维中至少一种；所述聚酯纤维选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对萘二甲酸乙二酯中至少一种；所述聚酰胺纤维选自聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610中至少一种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的类纸材料，其特征在于，所述化学合成纤维的长度为0.5mm-15mm，优选1-4.5mm；直径为100nm-60μm，优选250nm-25μm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的类纸材料，其特征在于，所述植物纤维浆料包括针叶木纤维浆料、棉纤维浆料、木棉纤维浆料、麻纤维浆料、阔叶木纤维浆料中的至少一种；优选地，所述植物纤维浆料中，按重量百分比计，绝干针叶木纤维浆料添加量40%-85%，更优选为60%-80%，绝干棉纤维浆料、木棉纤维浆料或麻纤维浆料中至少一种的添加量20%以下，优选5%-15%，绝干阔叶木纤维浆料添加量25%以下，优选20%以下。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的类纸材料，其特征在于，所述无机填料的添加量占化学合成纤维与植物纤维浆料总绝干质量的5%以下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的类纸材料，其特征在于，所述吸水吸油的类纸材料的克重为50-300g/m2。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的吸水吸油的类纸材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将植物纤维浆料原料分别通过磨浆、打浆使得浆料达到一定的磨浆游离度，然后按照一定的比例混合均匀，得到植物纤维浆料；
S2：向植物纤维浆料中加入化学合成纤维、无机填料和纸张湿强剂，在网上成型后压榨、干燥、卷曲，即可得到吸水吸油的类纸材料。
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