CN115182188B - 一种将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法，其是以纤维浆板为原料，通过打浆、球磨的方式对其进行二次纤维化处理，然后经抽滤、热压，以制得所述透明纸。本发明方法无需使用化学试剂、无污染，透明纸的成型速度快、制备时间短，并可大大降低生产成本。同时，本发明物理处理纤维的方式较温和，不会对纤维造成大的损害，可保持纤维良好的亲水性及生物相容性，为进一步用作电子导电基底材料等提供了良好的基础，也为纤维后续的功能化应用提供了重要的支撑。

Description

一种将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法

技术领域

本发明属于天然高分子领域，具体涉及一种将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法。

背景技术

造纸术是中国的四大发明之一，作为纸的主要原材料，植物纤维一直被委以重任。天然植物纤维具有天然可再生、生物可降解、柔韧可弯曲、可回收利用等特点。然而它具有光学不透明性，由填充纤维和空隙组成的纸张由于其三维纤维网络的微米级空隙和纤维本身造成的与空气之间不同的折射率，这导致了大量光散射的产生。

近年来，研究机构的科学家们开始利用纤维素纳米纤维来制备具有高透光率的纳米纸，并以其作为基板以制备超级电容器、太阳能电池、触摸屏、柔性晶体管和电子皮肤等设备。为此，人们费尽周折去制备具有低孔隙率和一定强度的透明纤维素纸。通常制备透明纤维素纸的方法是使用纤维素纳米颗粒或将纤维素溶解再生的方式去获得低光散射的透明纤维素纸。例如，纤维素纳米纤丝、纤维素纳米晶体和细菌纤维素，这些纤维素纳米颗粒由于具备纤维素的高亲水性和纳米颗粒的大比表面积，通常能够做成一些高透明度的纤维素纸。然而，由于纤维尺寸的减小及暴露的更多亲水基团使它们排水极差，这造成了非常长的纸张成形制备的时间。除此之外，制备这些纳米颗粒又会消耗比普通纸高很多的能量和化学品。溶解再生纤维素的制备涉及纤维素材料的高选择性与大量溶剂的使用，通常溶解纤维素的溶剂是有毒有害的石油基产品，因此，纸张成形不仅需要较长干燥时间，溶剂的回收也是个大问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法，其无需使用化学试剂，可保持纤维良好的亲水性，且透明纸的成型速度快、制备时间短，具有良好应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法，其选取纤维浆板作为细纤维化的原料，将浆板通过Valley打浆机进行一次粗打浆后，采用球磨进行二次细纤维化，再经抽滤、热压，以制得所述透明纸；其具体包括以下步骤：

（1）一次细纤维化

a）按绝干计，取纤维浆板360±2g，将其于5L水中浸泡12小时，捞出后将其撕成小于2×2厘米的小块；

b）向Valley打浆机的水槽中加入10L水，启动打浆机，同时将步骤a）处理好的浆板小块缓慢放入打浆机的环形水槽内（放料时间控制在10分钟以内），然后补加水使水槽中浆料的浓度为15g/L后进行打浆处理，至打浆度达到78°SR（约4小时）后停止打浆；

c）将浆料从打浆机中取出，放入滤布制成的袋子中，用甩干机甩去干大部分水分至浆料浓度为200g/L，然后将其放入密封袋中平衡水分48小时；

（2）二次细纤维化

d）将一次细纤维化的浆料放入玛瑙球磨罐，启动行星球磨机，将环境温度设定为10℃，以500r/min的转速磨浆2小时；

e）将球磨好的浆料从球磨罐中取出，放入密封袋中平衡水分48小时；

（3）透明纸的制备

f）按绝干计，按20g/m²透明纸的量取所需二次细纤维化的浆料，并按1800 mL/g的量补加水，在10000r/min的转速下均质1分钟，得到纤维分散液；

g）取玻璃砂芯过滤器，在其中垫一张孔径为0.22μm的滤膜，然后倒入制得的纤维分散液，在0.1MPa真空度下进行抽滤；

h）将抽滤形成的湿纸连同滤膜一起取下，在上面垫一张相同的滤膜后进行热压，热压的温度为90℃，压力为0.1MPa，时间为5分钟；

i）将热压好的纸沿着滤膜边缘揭下来，即得所述透明纸。

所用纤维浆板来源于木质纤维、竹纤维的硫酸盐浆或溶解浆。

本发明的显著优势在于：

1）本发明选取纤维浆板作为原料，其来源广泛，低廉，很大程度上降低了生产成本；

2）本发明采用纯物理的方法处理纤维，其无污染，且透明纸的成型速度快、制备时间短；

3）由于物理处理纤维的方式较温和，不会对纤维造成大的损害，可使所得透明纸保持纤维良好的亲水性及生物相容性，为将其进一步用作电子导电基底材料等提供了良好的基础，也为纤维后续的功能化改性或处理研究提供了很好的原料。

附图说明

图1为不同球磨转速对细化纤维的影响，其中，（a）100 r/min、（b）300 r/min、（c）500 r/min。

图2为不同球磨时间对细化纤维的影响，其中，（a）1h、（b）2h。

图3为不同处理所得纤维及透明纸的SEM图，其中，（a）原浆板纤维、（b）一次细纤维化的纤维、（c）二次细纤维化的纤维、（d）原始浆板制备的透明纸、（e）一次细纤维化制备的透明纸、（f）二次细纤维化制备的透明纸。

图4为不同处理制得透明纸的宏观透明度比较图。

图5为不同处理制得透明纸的透明度比较图。

图6为不同处理制得透明纸的力学强度比较图。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例

一种将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法，其步骤如下：

（1）一次细纤维化

a）取硫酸盐木浆板，称量其含水量，根据其含水量取绝干浆板360±2g，将其泡入5L水中12小时，捞出后将其撕成小于2×2厘米的小块，备用；

b）向Valley打浆机水槽加入10L水，启动打浆机，加重陀调节杠杆臂负荷为54±1N；

c）取步骤a）处理好的浆板小块，将其缓慢放入打浆机的环形水槽内（放料时间控制在10分钟以内），然后补加水使水槽中浆料浓度控制在15g/L左右；

d）打浆处理4小时左右，取打浆机中浆水133g，补加水至1L后，用纤维疏解机以5000r/min的速度疏解5分钟，然后将疏解好的浆料倒入打浆度仪，测量其打浆度；当打浆度达到78°SR左右，则停止打浆机打浆；

e）将浆料从打浆机中取出，放入滤布制成的袋子中，用甩干机甩干大部分水分，然后用水分天平测试其含水量，控制浆料浓度在200g/L左右，然后放入密封袋中平衡水分48小时，待用；

（2）二次细纤维化

f）取一次细纤维化的浆料1g（按绝干计算），放入玛瑙球磨罐中，启动行星球磨机，将环境温度设定为10℃，以500r/min的转速磨浆2小时；

g）将球磨好的浆料从球磨罐中取出，放入密封袋中平衡水分48小时，待用；

（3）透明纸的制备

h）取出二次细纤维化的纤维浆料，通过水分天平确定其含水量，然后按照20g/m²透明纸（按绝干计算）的量取浆料0.157 g，并按1800 mL/g的量补加水，使用均质器在10000r/min的转速下均质1分钟，得到纤维分散液；

i）取玻璃砂芯过滤器，将一张孔径0.22μm的滤膜（50 mm×50 mm）垫到砂芯滤器上，并组装好过滤器，倒入制得的纤维分散液，使用真空泵在0.1MPa下进行抽滤；

j）将抽滤好的湿纸连同滤膜一起取下，在上面垫一张相同的滤膜后，将其放在热压机上进行热压；热压机温度为90℃，压力为0.1MPa，热压时间为5分钟；

k）将热压好的纸沿着滤膜边缘揭下来，即完成透明纸的制备。

对纤维进行第二次细纤维化（也就是进行球磨时），球磨参数的改变会对纤维产生很大影响。图1考察了不同球磨转速（100 r/min、300 r/min、500 r/min）对纤维的影响。结果显示，在两小时的球磨时间下，采用100 r/min处理的纤维几乎没有变化，依然存在微米级直径（a）；采用300 r/min处理的纤维出现了较多的细长纤维，纤维束出现了明显的解离，但解离不完全，部分纤维仍旧缠连在一起（b）；采用500 r/min处理的纤维几乎完全解离，出现了较多纳米级直径的纤维丝，纤维束较少（c）。图2考察了不同球磨时间（1h、2h）对纤维的影响。结果显示，在500 r/min的转速下，球磨1h的纤维束出现了明显的解离，产生了纳米级直径的细纤维，然而依然存在少部分未解离的纤维束（a）；球磨2h的纤维束完全解离（b）。

图3为原浆板纤维、一次细纤维化的纤维和二次细纤维化的纤维及利用其制备的透明纸的SEM图。由图中对比可见，原浆板纤维比较粗大，纤维直径在20微米以上（a），纤维成纸后具有比较大的孔隙率，造成较多的光散射，影响透明度（d）；经过一次细纤维化后的纤维出现了很多纤维束解离的纤维，但仍存在较粗大的纤维束（b），在成纸后纳米级直径的纤维降低了一部分孔隙率，然而较粗的纤维束仍然造成了较多的光散射（e）；二次细纤维化后的纤维几乎没有粗的纤维束存在（c），该纳米级直径的纤维制备的透明纸产生很少的空隙，较低的孔隙率使纸张具有较好的透明度（f）。

对不同处理制备的透明纸进行宏观透明度比较，结果如图4所示。由图4可见，随着细纤维化的程度加深，透明纸的透明度增加，透明纸下的图案变得越来越清晰。结合图5可见，相比于原始浆板制备的透明纸和一次细纤维化的透明纸，二次细纤维化的纤维制备的透明纸在透明度上具有明显的优势，其在可见光区域（550nm）具有超过80%的透明度。

对不同处理制备的透明纸进行力学性能比较，结果如图6所示。由图6可见，原始浆板制备的透明纸具有较低的拉伸强度，经过一次细纤维化，透明纸的力学强度有了明显的提升，达到20MPa以上，而经过二次细纤维化后制备的透明纸具有了更高的强度，达到了35MPa以上，这可能是由于纳米级直径的纤维交织在一起，提供了更加紧密的交织结构，从而提升了透明纸的力学强度，可满足其应用需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1. 一种将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）一次细纤维化

a）按绝干计，取纤维浆板360±2g，将其于5L水中浸泡12小时，捞出后将其撕成小于2×2厘米的小块；

b）向Valley打浆机的水槽中加入10L水，启动打浆机，同时将步骤a）处理好的浆板小块缓慢放入打浆机的环形水槽内，然后补加水使水槽中浆料的浓度为15g/L后进行打浆处理，至打浆度达到78°SR后停止打浆；

c）将浆料从打浆机中取出，放入滤布制成的袋子中，用甩干机甩去大部分水分至浆料浓度为200g/L，然后将其放入密封袋中平衡水分48小时；

（2）二次细纤维化

d）将一次细纤维化的浆料放入玛瑙球磨罐，启动行星球磨机进行磨浆；

e）将球磨好的浆料从球磨罐中取出，放入密封袋中平衡水分48小时；

（3）透明纸的制备

f）按绝干计，按20g/m²透明纸的量取所需二次细纤维化的浆料，并按1800 ml/g的量补加水，在10000r/min的转速下均质1分钟，得到纤维分散液；

g）取玻璃砂芯过滤器，在其中垫一张孔径为0.22μm的滤膜，然后将制得的纤维分散液倒入其中进行抽滤；

h）将抽滤形成的湿纸连同滤膜一起取下，在上面垫一张相同的滤膜后进行热压；

i）将热压好的纸沿着滤膜边缘揭下来，即得所述透明纸；

步骤d）中球磨机的转速为500r/min，环境温度设定为10℃，磨浆时间为2小时；

步骤h）中所述热压的温度为90℃，压力为0.1MPa，时间为5分钟。

2.根据权利要求1所述的将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法，其特征在于，所用纤维浆板来源于木质纤维、竹纤维的硫酸盐浆或溶解浆。

3.根据权利要求1所述的将纤维素纤维细纤维化制备透明纸的物理方法，其特征在于，步骤g）所述抽滤在0.1MPa真空度下进行。