CN113308945A - 表面涂覆纳米氧化硅涂层的高阻隔纸张及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于造纸技术领域，涉及阻隔纸，尤其涉及一种表面涂覆纳米氧化硅涂层的高阻隔纸张，包括基体纸，和至少一面的纳米氧化硅涂层，所述纳米氧化硅涂层厚度1～1000 nm，作为阻隔层，以C‑O‑Si化学键结合于基体纸表面。本发明还公开了所述高阻隔纸张的制作工艺。本发明在各类基体纸张表面沉积氧化硅涂层，所制备的纳米氧化硅阻隔层薄膜致密、阻隔性能高、附着力强、不潮解、抗油渗、抗酸碱腐蚀、抗有害小分子迁移、防霉变抗蚕食等，且纸张表面能高，可以直接进行后续的印刷工艺，不需要表面处理、不需要表面活化。可广泛用于书籍出版物、药品食品、咖啡、香烟、茶叶、干货等各类纸张使用环境。
Description
技术领域
本发明属于造纸技术领域，涉及阻隔纸，尤其涉及一种表面涂覆纳米氧化硅涂层的高阻隔纸张及其制作工艺。
背景技术
传统纸张因为结构松散、木质素纤维易吸潮、吸油、降解，透气率、透水率和吸水率均较高，长期放置易脆化，长霉菌。“阻隔”是用于降低或消除空气、水蒸气通过纸张，能将氧气、潮气阻断传递的材质，均可作为阻隔材料。目前使用的阻隔纸张主要是在纸张表面镀铝或薄膜涂覆有机涂层，但是镀铝存在阻隔性能低、不透明、不能通过微波探测和微波加热，铝对身体健康有影响、附着力低、易脱落等问题；而纸张涂覆有机涂层存在着诸如存放时间短、降解易老化、耐候性差、有机涂层随时间变色等问题。此外，这类阻隔纸的制备方法还有工艺复杂、成本高、回收利用困难及环保不达标等问题。
氧化硅涂层具有很高的阻隔（阻湿隔氧）性能外，防潮防吸水、不潮解、耐候性强、抗酸碱腐蚀、抗小分子迁移、防霉变抗蚕食、抗油渗、表面能高，可以直接进行后续的印刷工艺，无需表面处理、不需要表面活化等特性。因此，氧化硅涂覆纸张有着广阔的应用前景。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张。
技术方案如下：
一种表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，包括基体纸，和至少一面的纳米氧化硅涂层，所述纳米氧化硅涂层厚度1～1000 nm，作为阻隔层，以C-O-Si化学键结合于基体纸表面。
本发明较优公开例中，所述基体纸为柔性纸张，厚度为1～500μm。
本发明较优公开例中，所述纳米氧化硅涂层厚度50～100 nm。
本发明较优公开例中，所述基体纸为纤维纸、复合纸、铜版纸、塑胶纸、新闻纸、板纸、淋膜纸、涂覆纸、包装纸等。
本发明还有一个目的，在于公开了上述表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张的干法制作工艺，包括如下步骤：
A. 将基体纸置于等离子体环境中，通入放电气体Ar或N2，或二者以任意比混合；
B. 输入氧化硅或硅单体，放电气体与氧化气体在等离子体环境中进行物理或化学气相沉积反应，在基体纸表面沉积厚度为1～1000nm的纳米氧化硅层，以SiOx表述，其中x= 1.8～2 .4之间，所述纳米氧化硅层中含有C和H。
本发明较优公开例中，所述等离子体环境包括但不限于电子束、离子束、电容耦合、电感耦合、电子回旋共振、介质阻挡放电等。
本发明较优公开例中，所述氧化硅为SiO或SiO2。
本发明较优公开例中，所述硅单体为硅烷、三甲基硅烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷、八甲基四硅氧烷等。
本发明较优公开例中，所述氧化气体为O2, N2O, CO2等。
本发明所制得的表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，具有防潮、阻隔、不潮解、抗酸碱腐蚀，抗小分子迁移、表面能高可以直接进行后续的印刷工艺，不需要表面处理、不需要表面活化、不影响纸张的颜色。具体的，氧气的透过率小于3 ml/m2/24h，一般为1～3ml/m2/24h；水蒸气的透过率小于3g/m2/24h，一般为1～3g /m2/24h。抗渗透性为在纸张药物包装接触流体包装中的流体内容物之处24h不渗透；抗划痕达到铅笔硬度4H；表面能在47dyn以上。
本发明所公开的表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，其中的涂层或层通过等离子体物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，PVD),或离子体增强化学的气相沉积法( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition )来实现，采用电子束、离子束、电容耦合、电感耦合、电子回旋共振等离子体、介质阻挡放电等离子体中通入氧化硅或硅单体，在等离子体环境下离解电离，形成氧化硅前驱体，和离子氧、原子氧反应生成纳米簇，和纸张表面的官能团再反应形成C-O-Si化学键结合，表面即生长出致密的氧化硅涂层。所述的氧化硅为SiO或SiO2; 所述的硅单体为硅烷、三甲基硅烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷、八甲基四硅氧烷或, 均为气体或液体，以氩气为放电气体混合后进入真空室。在等离子体区的高能电子、离子、激发态的原子、分子的作用下形成硅氧活性物种，与等离子体原子氧反应后生成氧化硅沉积在基材上。所述的工作气体为氩气、氮气的一种或它们的混合气体。
采用先进等离子体技术实施在纸张表面直接制备纳米氧化硅薄膜涂层，通过前驱体和纸张表面羟基官能团反应，形成-C-O-Si化学键，增加涂层和纸张之间的结合力。其致密的无机材料结构，阻止气体、水分、油脂和各类小分子的通过和迁移。其表面的氧化硅具有高的表面能，可以在涂层表面直接进行后续的印刷工序。
它具有对气体、水分子和油阻隔性能，同时此纸张具有耐酸碱、耐腐蚀、防划痕及防潮防吸水、不潮解、抗小分子迁移、表面能高可以直接进行后续的印刷工艺等。其特征在在普通纸张表面涂覆纳米氧化硅层，氧化硅沉积中的前驱体和纸张中的羟基反应，形成C-O-Si化学键结合，使得纸张涂层附着力好，可卷绕、弯曲、折叠。
高分辨X射线光电子能谱( XPS )示出了在氧化硅阻隔涂层或纸基底之间存在化学键结合，结果是在实际应用时具有高的与该基底的粘附程度的一个紧密附着的阻隔涂层或层。
有益效果
本发明公开了一种氧化硅涂层高阻隔纸张，表面有一层纳米厚度SiOx阻隔涂层，其中x从1.8~2 .4之间，厚度为1~1000nm的纳米薄膜。在各类基体纸张表面沉积氧化硅涂层，所制备的纳米氧化硅阻隔层薄膜致密、阻隔性能高、附着力强、不脱落，不潮解、抗油渗、抗酸碱腐蚀、抗有害小分子迁移、防霉变抗蚕食等，且纸张表面能高，可以直接进行后续的印刷工艺，不需要表面处理、不需要表面活化。可广泛用于书籍出版物、药品食品、咖啡、香烟、茶叶、干货等各类纸张使用环境。
附图说明
图1. 表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张的结构示意图，其中1为基体纸，2为纳米氧化硅涂层；
图2. 高分辨X射线光电子能谱( XPS )。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
一种表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，包括基体纸1，和至少一面的纳米氧化硅涂层2，所述纳米氧化硅涂层2厚度50nm，作为阻隔层，以C-O-Si化学键结合于基体纸1表面。所述基体纸为柔性纸张，厚度为1μm。所述基体纸为纤维纸、复合纸、铜版纸、新闻纸、板纸、塑胶纸、淋膜纸、涂覆纸、包装纸等。
实施例2
一种表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，包括基体纸1，和至少一面的纳米氧化硅涂层2，所述纳米氧化硅涂层2厚度100 nm，作为阻隔层，以C-O-Si化学键结合于基体纸1表面。所述基体纸为柔性纸张，厚度为500μm。所述基体纸为纤维纸、复合纸、铜版纸、新闻纸、板纸、塑胶纸、淋膜纸、涂覆纸、包装纸等。
实施例3
一种表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，包括基体纸1，和至少一面的纳米氧化硅涂层2，所述纳米氧化硅涂层2厚度100 nm，作为阻隔层，以C-O-Si化学键结合于基体纸1表面。所述基体纸为柔性纸张，厚度为250μm。所述基体纸为纤维纸、复合纸、铜版纸、新闻纸、板纸、塑胶纸、淋膜纸、涂覆纸、包装纸等。
从图2可看出，在氧化硅阻隔涂层或纸基底之间存在化学键结合，结果是在实际应用时具有高的与该基底的粘附程度的一个紧密附着的复合阻隔涂层或层。
实施例4
一种表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张的干法制作工艺，包括如下步骤：
A. 将基体纸置于等离子体环境中，通入放电气体Ar或N2，或二者以任意比混合；
B. 输入氧化硅或硅单体，放电气体与氧化气体在等离子体环境中进行物理或化学气相沉积反应，在基体纸表面沉积厚度为1～1000nm的纳米氧化硅层，以SiOx表述，其中x= 1.8～2 .4之间，所述纳米氧化硅层中含有C和H。
本发明较优公开例中，所述等离子体环境包括但不限于电子束、离子束、电容耦合、电感耦合、电子回旋共振、介质阻挡放电等。
本发明较优公开例中，所述氧化硅为SiO或SiO2。
本发明较优公开例中，所述硅单体为硅烷、三甲基硅烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷、八甲基四硅氧烷等。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，包括基体纸（1），和至少一面的纳米氧化硅涂层（2），其特征在于：所述纳米氧化硅涂层（2）厚度1～1000 nm，作为阻隔层，以C-O-Si化学键结合于基体纸（1）表面。
2.根据权利要求1所述的表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，其特征在于：所述基体纸（1）为柔性纸张，厚度为1～500μm。
3.根据权利要求1所述的表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，其特征在于：所述纳米氧化硅涂层（2）厚度50～100 nm。
4.根据权利要求1所述的表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张，其特征在于：所述基体纸（1）为纤维纸、复合纸、铜版纸、塑胶纸、包装纸、新闻出版纸、木质纤维纸、淋膜纸、涂覆纸。
5.制作如上述权利要求1-4任一所述表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
A. 将基体纸置于等离子体环境中，通入放电气体Ar或N2，或二者以任意比混合；
B. 输入氧化硅或硅单体，放电气体与氧化气体在等离子体环境中进行物理或化学气相沉积反应，在基体纸表面沉积厚度为1～1000nm的纳米氧化硅层，以SiOx表述，其中x=1.8～2 .4之间，所述纳米氧化硅层中含有C和H。
6.根据权利要求5所述的表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张的制作工艺，其特征在于：步骤A所述等离子体环境包括但不限于电子束、离子束、电容耦合、电感耦合、电子回旋共振、介质阻挡放电。
7.根据权利要求5所述的表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张的制作工艺，其特征在于：步骤B所述氧化硅为SiO或SiO2。
8.根据权利要求5所述的表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张的制作工艺，其特征在于：步骤B所述硅单体为硅烷、三甲基硅烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷、八甲基四硅氧烷。
9.根据权利要求5所述的表面涂覆纳米氧化硅层的高阻隔纸张的制作工艺，其特征在于：步骤B所述氧化气体为O2, N2O, CO2。
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