專利名稱：納米材料改性的高強度紙及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于造紙領(lǐng)域，特別涉及納米材料改性的高強度紙及其制備方法。
背景技術(shù)：
紙張作為包裝行業(yè)的主要原料以其輕便、環(huán)保、可以再利用等優(yōu)點越來越受到包裝行業(yè)的重視。隨著包裝行業(yè)的高速發(fā)展，對包裝材料的要求也越來越高。傳統(tǒng)紙張性能上的缺陷也越來越明顯了，特別是紙張在強度方面的缺陷，越來越成為限制紙張在包裝行業(yè)中應(yīng)用的一個主要矛盾。
在我國《制漿造紙工藝學》書中指出，紙張的強度是通過將植物纖維經(jīng)過疏解和打漿等物理方法處理，使植物纖維的兩端發(fā)生不同程度的帚化和表面起毛，同時使纖維表面微纖維化，提高纖維的外比表面積，在紙張成型時促進纖維間氫鍵的形成，提高紙張的強度。由于傳統(tǒng)的制漿造紙工藝已經(jīng)非常成熟，所以，通過改進制漿造紙工藝來提高紙張的強度還未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是在傳統(tǒng)制漿造紙工藝的基礎(chǔ)上，將納米技術(shù)引入制漿造紙工藝中，提供一種納米材料改性的高強度紙，以提高紙張的強度。
本發(fā)明的另一目的是提供一種納米材料改性的高強度紙的制備方法。
本發(fā)明是以普通植物纖維為原料，通過傳統(tǒng)的對植物纖維進行疏解和打漿處理制成植物纖維漿料，然后將有機蒙脫土引入到植物纖維漿料內(nèi)，使其與纖維結(jié)合，制成納米材料改性的高強度紙，并以此來提高紙張的強度。
本發(fā)明的納米材料改性的高強度紙是由納米蒙脫土與植物纖維組成，其中，納米蒙脫土與植物纖維的重量比為0.001-0.05；高強度紙的撕裂指數(shù)為5-25mNm2/g；耐破指數(shù)1.5-8Kpam2/g；抗張指數(shù)15-70N.m/g；裂斷長1.5-10Km。
本發(fā)明的納米材料改性的高強度紙的制備方法包括對植物纖維進行疏解、打漿制成植物纖維漿料，及對植物纖維漿料進行抄紙工序；其特征是該方法為(1).將有機蒙脫土加入到植物纖維漿料內(nèi)，使其與植物纖維結(jié)合，加熱并同時攪拌，使有機蒙脫土轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米蒙脫土，并得到納米材料改性的植物纖維漿料，其中，有機蒙脫土與植物纖維的重量比為0.001-0.05；(2).將制成的納米材料改性的植物纖維漿料進行抄紙，制成納米材料改性的高強度紙。
所述有機蒙脫土的制備以鈉基蒙脫土為基本原料，其中鈉基蒙脫土的電荷交換量為80-100mmol/100g，在溫度為60-90℃及攪拌下，將有機插層劑的鹽酸溶液加入到含有3wt％-10wt％的鈉基蒙脫土的水溶液內(nèi)，其中，插層劑∶鈉基蒙脫土的電荷交換量的摩爾數(shù)比為1∶1-2∶1；攪拌，保溫1-3小時，使有機插層劑與Na+進行離子交換；溶液進行過濾、洗滌至無氯離子，進行真空烘干，研磨至200目以上，得到有機蒙脫土。
所述納米材料改性的植物纖維漿料的制備向含有1-5wt％的植物纖維漿料中加入助劑，攪拌均勻，加入有機蒙脫土，其中助劑總量與植物纖維的重量比為1∶100-1∶500，有機蒙脫土與植物纖維的重量比為0.001-0.05；在40-80℃的溫度下攪拌3-6小時，使有機蒙脫土轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米蒙脫土，并得到納米材料改性的植物纖維漿料；其中有機蒙脫土在加入前要進行預(yù)分散，分散方法為向有機蒙脫土中加入蒸餾水配制成濃度為1-10wt％的懸浮液，加入分散劑聚丙烯酸鈉或六偏磷酸鈉，攪拌分散1-3小時，其中分散劑與有機蒙脫土的重量比為1∶1000-1∶200。
所述的納米材料改性的高強度紙的組成為納米蒙脫土與植物纖維，其重量比為0.001-0.05。強度指標分別為撕裂指數(shù)5-25mNm2/g；耐破指數(shù)1.5-8Kpam2/g；抗張指數(shù)15-70N.m/g；裂斷長1.5-10Km。
所述的助劑是陽離子淀粉、聚丙烯酰胺、聚酰胺聚表露醇樹脂、C16-18的烷基烯酮二聚體陽離子乳液、松香乳液或硫酸鋁等。上述助劑可以分別加入到植物纖維漿料中，在植物纖維漿料中任意混合，其混合助劑的總量與植物纖維的重量比為1∶100-1∶500。
所述的有機插層劑的鹽酸溶液為十六烷基三甲基溴化銨鹽酸溶液、十八烷基三甲基氯化銨鹽酸溶液、十六烷基三甲基氯化銨鹽酸溶液、十八胺鹽酸溶液、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨鹽酸溶液、三聚氰胺鹽酸溶液、十六胺鹽酸溶液、二硬脂胺鹽酸溶液、N，N-二甲基十二胺鹽酸溶液、N，N-二甲基十八胺鹽酸溶液或雙十八烷基二甲基氯化銨鹽酸溶液；其中有機插層劑的鹽酸溶液中的插層劑與鹽酸的摩爾比為1∶1-1∶2。
所述的植物纖維如麥草漿、稻草漿、豆秸稈漿、高粱稈漿、玉米稈漿、闊葉木木漿或針葉木木漿等。
對本發(fā)明得到的納米材料改性的高強度紙、鈉基蒙脫土及有機蒙脫土進行X光衍射測試，測試結(jié)果分別見附圖1、2和3。
將本發(fā)明得到的納米材料改性的高強度紙與沒有經(jīng)過納米材料改性的紙張一起進行恒溫恒濕處理后，進行物理指標的測試。
由X光衍射的測試結(jié)果可以看出有機蒙脫土吸收峰的2θ角較鈉基蒙脫土的明顯減少，片層距明顯增大，說明有機插層劑已經(jīng)成功的插入到了鈉基蒙脫土的片層內(nèi)；納米材料改性的高強度紙的X光衍射已無明顯吸收峰，說明納米材料改性的高強度紙中的蒙脫土已完全剝離，成為納米級的蒙脫土。
將本發(fā)明得到的納米材料改性的植物纖維漿料與沒有經(jīng)過納米材料改性的植物纖維漿料進行抄紙實驗，由抄紙實驗的對比測試結(jié)果可以看出用納米材料改性的植物纖維漿料進行抄紙實驗的測試數(shù)據(jù)與沒有經(jīng)過納米材料改性的植物纖維漿料的測試數(shù)據(jù)無明顯區(qū)別，說明納米材料改性的漿料可以按照傳統(tǒng)的造紙工藝進行使用。
由納米材料改性的紙張與沒有經(jīng)過納米材料改性的紙張的物理指標的對比測試結(jié)果可以看出納米材料改性紙張的各項指標較沒有經(jīng)過納米材料改性的紙樣均有不同程度的增加，綜合強度增幅可達15％-50％，說明利用納米技術(shù)對傳統(tǒng)的制漿造紙工藝進行改性可以提高紙張的強度。


圖1.鈉基蒙脫土X衍射圖；圖2.有機蒙脫土X衍射圖；圖3.實施例1中6#樣品X衍射圖。
具體實施例方式
有機蒙脫土的制配向10g鈉基蒙脫土中加入190ml蒸餾水，攪拌制成濃度為5wt％的鈉基蒙脫土懸浮液，加熱、攪拌升溫至70±5℃。向4.5g十六烷基三甲基溴化銨中加入4ml濃度為18wt％的鹽酸溶液，制成十六烷基三甲基溴化銨鹽酸溶液。將十六烷基三甲基溴化銨鹽酸溶液緩慢加入到上述濃度為5wt％的鈉基蒙脫土懸浮液中。攪拌、加熱至70±5℃。保溫處理2小時制成有機蒙脫土懸浮液。將有機蒙脫土懸浮液經(jīng)過過濾、洗滌至無氯離子為準，然后經(jīng)過真空干燥，研磨成200目以上的有機蒙脫土粉末備用。
將上述制得的有機蒙脫土粉末進行預(yù)分散處理，處理方法為向5g有機蒙脫土粉末中加入100ml蒸餾水和0.015g聚丙烯酸鈉，攪拌分散2小時，制成濃度為5wt％有機蒙脫土的懸浮液，備用。
納米材料改性的闊葉木植物纖維漿料的制備向30g絕干闊葉木木漿中加入1000ml蒸餾水，浸泡10小時后，經(jīng)過疏解、打漿處理，制成濃度為3wt％的闊葉木植物纖維漿料。分別向闊葉木植物纖維漿料中加入0.05g陽離子淀粉、0.03g聚酰胺聚表露醇和0.02g聚丙烯酰胺，攪拌均勻，分別加入上述制備出的濃度為5wt％的有機蒙脫土懸浮液0g，1.4g，3g，4g，6g，10g，20g，24g，30g。攪拌、加熱，升溫至60±5℃，保溫處理4小時，制成納米材料改性的闊葉木植物纖維漿料。
將制成的納米材料改性的闊葉木植物纖維漿料送至煙臺福斯達紙業(yè)集團公司中心實驗室，按照北美TAPPI造紙標準進行抄紙實驗。
將上述制備出的所有納米材料改性的闊葉木植物纖維漿料，都分別用蒸餾水稀釋成濃度為1.0wt％的納米材料改性的闊葉木植物纖維漿料，測其游離度見表1。
分別取250ml上述濃度為1.0wt％的納米材料改性的闊葉木植物纖維漿料，在半自動抄片器上進行抄紙實驗，同時對漿料的濾水時間進行測試見表1。將紙片經(jīng)過全自動壓榨儀壓榨處理后，風干、恒溫恒濕處理，制成納米材料改性的高強度紙。紙片的編號如下空白樣品在闊葉木植物纖維漿料中沒有加入濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；1#樣品在闊葉木植物纖維漿料中加入了1.4g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；2#樣品在闊葉木植物纖維漿料中加入了3g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；3#樣品在闊葉木植物纖維漿料中加入了4g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；4#樣品在闊葉木植物纖維漿料中加入了6g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；5#樣品在闊葉木植物纖維漿料中加入了10g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；6#樣品在闊葉木植物纖維漿料中加入了20g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；7#樣品在闊葉木植物纖維漿料中加入了24g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；8#樣品在闊葉木植物纖維漿料中加入了30g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；表1

在中國科學院物理研究所對鈉基蒙脫土、有機蒙脫土及6#納米材料改性的高強度紙樣進行x光衍射測試，測試結(jié)果見附圖。
在煙臺福斯達紙業(yè)集團有限公司中心實驗室按照北美TAPPI標準，對納米材料改性的高強度紙樣及空白紙樣進行恒溫恒濕處理后，進行物理指標的測試。
測試結(jié)果由x光衍射的圖譜(附圖1、2和3)可以看出鈉基蒙脫土2θ為7.12處有一明顯吸收峰，測定片層間距為12.4051nm，有機蒙脫土2θ為3.22處有一明顯吸收峰，測定片層間距為27.4159nm；6#納米材料改性的高強度紙樣的圖譜已無明顯吸收峰，可以判斷6#納米材料改性的高強度紙樣中的蒙脫土的片層結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全被剝離成為納米級的蒙脫土。
納米材料改性的高強度紙樣與空白紙樣的物理指標對比測試結(jié)果如下

其中測試項目中灰份的含量即代表納米材料改性的高強度紙樣中納米蒙脫土的含量。
納米材料改性的麥草植物纖維漿料的制備向30g絕干麥草漿中加入1000ml蒸餾水，浸泡5小時后，經(jīng)過疏解、打漿處理，制成濃度為3wt％的麥草植物纖維漿料。分別向麥草植物纖維漿料中加入0.08g陽離子淀粉、0.05g聚酰胺聚表露醇和0.03g聚丙烯酰胺，攪拌均勻，分別加入上述制備出的濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液0g，1.4g，3g，4g，6g，10g，20g，24g，30g。攪拌、加熱，升溫至50±5℃，保溫處理4小時，制成納米材料改性的麥草植物纖維漿料。
將制成的納米材料改性的麥草植物纖維漿料送至煙臺福斯達紙業(yè)集團公司中心實驗室，按照北美TAPPI造紙標準進行抄紙實驗。
將上述制備出的所有納米材料改性的麥草植物纖維漿料用蒸餾水分別稀釋成濃度為1.0wt％納米材料改性的麥草植物纖維漿料，測其游離度見表2。
分別取250ml上述濃度為1.0wt％的納米材料改性的麥草植物纖維漿料，在半自動抄片器上進行抄紙實驗，同時對漿料的濾水時間進行測試見表2。將紙片經(jīng)過全自動壓榨儀壓榨處理后，風干、恒溫恒濕處理，制成納米材料改性的高強度紙。紙片的編號如下空白樣品在麥草植物纖維漿料中沒有加入濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；1#樣品在麥草植物纖維漿料中加入了1.4g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；2#樣品在麥草植物纖維漿料中加入了3g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；3#樣品在麥草植物纖維漿料中加入了4g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；4#樣品在麥草植物纖維漿料中加入了6g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；5#樣品在麥草植物纖維漿料中加入了10g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；6#樣品在麥草植物纖維漿料中加入了20g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；7#樣品在麥草植物纖維漿料中加入了24g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；8#樣品在麥草植物纖維漿料中加入了30g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；
表2

在煙臺福斯達紙業(yè)集團有限公司中心實驗室按照北美TAPPI標準，對納米材料改性的高強度紙樣及空白紙樣進行恒溫恒濕處理后，進行物理指標的測試。
納米材料改性的高強度紙樣與空白紙樣的物理指標對比測試結(jié)果如下

其中測試項目中灰份的含量即代表紙樣中納米蒙脫土的含量。
將上述制得的有機蒙脫土粉末進行預(yù)分散處理，處理方法為向5g有機蒙脫土粉末中加入100ml蒸餾水和0.02g聚丙烯酸鈉，攪拌分散2小時，制成濃度為5wt％有機蒙脫土的懸浮液，備用。
納米材料改性的針葉木植物纖維漿料的制備向30g絕干針葉木木漿中加入1000ml蒸餾水，浸泡10小時后，經(jīng)過疏解、打漿處理，制成濃度為3wt％的針葉木植物纖維漿料。向針葉木植物纖維漿料中加入0.1g聚酰胺聚表露醇，攪拌均勻，加入上述制備出的濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液0g，10g。攪拌、加熱，升溫至60±5℃，保溫處理4小時，制成納米材料改性的針葉木植物纖維漿料。將制成的納米材料改性的針葉木植物纖維漿料送至煙臺福斯達紙業(yè)集團公司中心實驗室，按照北美TAPPI造紙標準進行抄紙實驗。
將所有的納米材料改性的針葉木植物纖維漿料稀釋成濃度為1.0wt％納米材料改性的針葉木植物纖維漿料，測其游離度見表3。
分別取250ml上述濃度為1.0wt％的納米材料改性的針葉木植物纖維漿料，在半自動抄片器上進行抄紙實驗，同時對漿料的濾水時間進行測試見表3。將紙片經(jīng)過全自動壓榨儀壓榨處理后，風干、恒溫恒濕處理，制成納米材料改性的高強度紙。紙片的編號如下空白樣品在針葉木植物纖維漿料中沒有加入濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；樣品在針葉木植物纖維漿料中加入了10g濃度為5wt％有機蒙脫土懸浮液的紙樣；表3

在煙臺福斯達紙業(yè)集團有限公司中心實驗室按照北美TAPPI標準，對納米材料改性的高強度紙樣及空白紙樣進行恒溫恒濕處理后，進行物理指標的測試。
納米材料改性的高強度紙樣與空白紙樣的物理指標對比測試結(jié)果如下

其中測試項目中灰份的含量即代表紙樣中納米蒙脫土的含量。
結(jié)論(1)、有機蒙脫土在樣品中是以納米級蒙脫土的形式存在。
(2)、通過樣品的定量可以看出漿料的留著率在一定的范圍內(nèi)有隨著有機蒙脫土的加入量增加而提高的趨勢。
(3)、樣品的強度隨著有機蒙脫土加入量的增加而提高；加入量增加到一定程度后，強度的增加變得很緩慢甚至有所降低。
權(quán)利要求
1.一種納米材料改性的高強度紙的制備方法，包括對植物纖維進行疏解、打漿制成植物纖維漿料，及對植物纖維漿料進行抄紙工序；其特征是(1).將有機蒙脫土加入到植物纖維漿料內(nèi)，使其與植物纖維結(jié)合，加熱并同時攪拌，使有機蒙脫土轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米蒙脫土，并得到納米材料改性的植物纖維漿料，其中，有機蒙脫土與植物纖維的重量比為0.001-0.05；(2).將制成的納米材料改性的植物纖維漿料進行抄紙，制成納米材料改性的高強度紙。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的有機蒙脫土是由下面方法制備得到的以鈉基蒙脫土為基本原料，其中鈉基蒙脫土的電荷交換量為80-100mmol/100g，在溫度為60-90℃及攪拌下，將有機插層劑的鹽酸溶液加入到含有3wt％-10wt％的鈉基蒙脫土的水溶液內(nèi)，其中，插層劑鈉基蒙脫土的電荷交換量的摩爾數(shù)比為1∶1-2∶1；攪拌，保溫1-3小時，使有機插層劑與Na+進行離子交換；溶液進行過濾、洗滌至無氯離子，進行真空烘干，研磨至200目以上，得到有機蒙脫土。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是所述的有機插層劑的鹽酸溶液為十六烷基三甲基溴化銨鹽酸溶液、十八烷基三甲基氯化銨鹽酸溶液、十六烷基三甲基氯化銨鹽酸溶液、十八胺鹽酸溶液、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨鹽酸溶液、三聚氰胺鹽酸溶液、十六胺鹽酸溶液、二硬脂胺鹽酸溶液、N，N-二甲基十二胺鹽酸溶液、N，N-二甲基十八胺鹽酸溶液或雙十八烷基二甲基氯化銨鹽酸溶液；其中有機插層劑的鹽酸溶液中的插層劑與鹽酸的摩爾比為1∶1-1∶2。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是所述的納米材料改性的植物纖維漿料是由下面方法制備得到的向含有1-5wt％的植物纖維漿料中加入助劑，攪拌均勻，加入有機蒙脫土，其中助劑與植物纖維的重量比為1∶100-1∶500，有機蒙脫土與植物纖維的重量比為0.001-0.05；在40-80℃的溫度下攪拌3-6小時，使有機蒙脫土轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米蒙脫土，并得到納米材料改性的植物纖維漿料。
5.如權(quán)利要求1或4所述的制備方法，其特征是所述的有機蒙脫土在加入前要進行預(yù)分散，分散方法為向有機蒙脫土中加入蒸餾水配制成濃度為1-10wt％的懸浮液，加入分散劑聚丙烯酸鈉或六偏磷酸鈉，攪拌分散1-3小時，其中分散劑與有機蒙脫土的重量比為1∶1000-1∶200。
6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是所述的助劑是陽離子淀粉、聚丙烯酰胺、聚酰胺聚表露醇樹脂、C16-18的烷基烯酮二聚體陽離子乳液、松香乳液或硫酸鋁。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征是所述的助劑可在植物纖維漿料中任意混合，其混合助劑的總量與植物纖維的重量比為1∶100-1∶500。
8.如權(quán)利要求1-7任意一項所述的納米材料改性的高強度紙的制備方法得到的高強度紙，其特征是該紙是由納米蒙脫土與植物纖維組成，其中，納米蒙脫土與植物纖維的重量比為0.001-0.05。
全文摘要
本發(fā)明屬于造紙領(lǐng)域，特別涉及納米材料改性的高強度紙及其制備方法。該方法包括對植物纖維進行疏解、打漿制成植物纖維漿料，及對植物纖維漿料進行抄紙工序；其特征是(1).將有機蒙脫土加入到植物纖維漿料內(nèi)，使其與植物纖維結(jié)合，加熱并同時攪拌，使有機蒙脫土轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米蒙脫土，并得到納米材料改性的植物纖維漿料，其中，有機蒙脫土與植物纖維的重量比為0.001－0.05；(2).將制成的納米材料改性的植物纖維漿料進行抄紙，制成納米材料改性的高強度紙。強度指標分別為撕裂指數(shù)5－25mNm
文檔編號D21H21/14GK1414176SQ0113668
公開日2003年4月30日 申請日期2001年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者史艷林, 江雷 申請人:中國科學院化學研究所, 煙臺華實科技開發(fā)有限公司