紙基功能材料的研究進展

顏鑫 王習文

摘要：介紹了紙基功能材料的定義，并重點闡述了紙基功能材料制備過程中的3大關鍵技術和發展趨勢。目前，紙基功能材料已經廣泛應用在航空航天、汽車、高鐵、輪船、絕緣、過濾分離等領域，且隨著未來科技的進步，紙基功能材料的發展前景更加光明。

關鍵詞：紙基功能材料；關鍵技術；發展趨勢

中圖分類號：TS76文獻標識碼：ADOI：1011980/jissn0254508X201807013

Abstract：Paperbased functional materials are widely used in aerospace， auto mobile， high speed train， ship， insulation， filtration/separation， and so on The definition of paperbased functional materials was presented in this paper The three key techniques and the future development of paperbased functional materials were also introduced

Key words：paperbased materials； key techniques； development

圖1紙基功能材料應用實例紙基功能材料（Paperbased materials）是以纖維為主要原料，采用造紙成形技術制備的新材料，其結構和性能完全不同于傳統紙張， 具有靈活可設計的結構和力學、光、電、磁、熱、聲性能[111]，紙基功能材料在國防軍工、航空航天、游艇、高速列車等國家重大工程中有著廣泛的應用，是戰略性物資之一。例如芳綸紙，可將其制備成蜂窩材料，已作為減重材料廣泛應用于飛機、高鐵和游艇。另外，基于造紙技術制備的碳纖維增強復合材料也在汽車中得到了應用，芳綸蜂窩和碳纖維增強復合材料示意圖如圖1所示。目前關于紙基功能材料最為準確的定義來自美國造紙協會（TAPPI）。紙基功能材料是以水為分散介質，以短纖維為主要原料，采用造紙工藝制造成形的，具有三維網絡狀結構材料的新材料。在該定義中紙基功能材料有以下幾個特點：①以水作為最主要的分散介質；②原料以短纖維為主，其長度一般小于30 mm；③采用造紙成形工藝制備材料，造紙技術成為制備材料的一項基本工藝；④在該材料中，纖維之間的結合主要不是氫鍵而是靠機械力、黏結劑、熱壓、溶劑溶脹或者其他增強技術實現纖維的結合[12]。

本文主要結合國內外紙基功能材料的生產制造和應用情況，介紹了紙基功能材料制備過程中的分散技術、成形技術、增強技術3大關鍵技術和發展趨勢。

1關鍵技術

目前制約我國紙基功能材料發展的瓶頸是技術，主要集中體現在以下3大關鍵技術上。

11分散技術

良好的分散，是紙幅濕法抄造的必要條件。所謂的良好分散是指：纖維在水介質中成為單根纖維的分散狀態，同時纖維在成形之前必須具有一定的穩定性。常采用圖象法來判斷纖維分散狀態，結果如圖2所示。由圖2可以看出，圖2（a）實現了單根纖維的良好分散，而圖2（b）仍然有纖維束存在。纖維穩定性是靠纖維的高頻微湍動獲得。紙基功能材料常用的纖維是各種高性能纖維如合成纖維、碳纖維、礦物纖維類和金屬纖維等[1820]。針對不同的纖維在確定其分散工藝和技術時應充分考慮以下幾方面。

（1）纖維特性：在選擇特定產品的原料時，除了滿足產品功能的需求，還要考慮到纖維的長徑比、表面電荷、纖維表面油劑等因素。

（2）預處理技術：為了實現纖維良好分散，提高親水性，針對纖維不同的特性，需進行相應的預處理。常用的預處理技術有：酸洗、堿洗、偶聯劑處理、化學刻蝕等。

（3）疏解和攪拌方式：在這兩個環節中要確保纖維盡量避免被破壞，比如打彎、破碎，同時也應避免纖維的打結，減少纖維束的形成。濃度的設定和設備的選擇會明顯影響纖維的分散和流態。

（4）分散助劑：分散助劑主要有兩大類功能：增加體系黏度和改變纖維表面特性。分散助劑在使用時，要特別注意分散助劑對產品功能性和抄造過程的影響。因為很多分散助劑會帶來氣泡和粘缸等不良影響，且分散助劑的加入點也十分重要。

紙基功能材料的纖維原料中，多數是長徑比較大的細長纖維。在紙基功能材料制備中其關鍵是如何解決這類纖維的成形。細長纖維紙漿在貯存和輸送過程中，常因其纖維細長，缺乏足夠的挺度，在纖維間相互碰撞和接觸時，細長、柔軟的纖維易絮聚。因此需要長纖維在上網時有足夠的空間保持其懸浮狀態，以防止絮聚。因此，超低濃成形技術隨之出現，該技術適合長度3～25 mm的長纖維，適宜的上網濃度為001%～005%。纖維懸浮液只有在高度稀釋狀態下才能保證細長纖維可以充分的自由舒展。

目前能夠滿足超低濃成形的設備主要有斜網成形器和圓網成形器。斜網成形器在抄造成形后成紙勻度佳，能滿足紙張對透氣性能的特定要求，特別適用于生產汽車過濾材料、咖啡過濾材料等。由于國內最近幾年過濾材料發展非常迅速，多流道斜網紙機（多層/漂片）在我國也有應用。目前有一個誤區，認為紙基功能材料的制備必須用斜網紙機。這主要是因為紙幅成形方式的確定，不僅要看纖維特性，特別是分散特性和脫水特性；還要結合產品的要求，如電氣用紙和絕緣用紙等特殊要求。

隨著紙基功能材料的發展，在同一條生產系統中，不再局限于單一的抄造成形設備，會根據產品性能的需要，有可能會實現兩種、3種甚至多種成形方式的結合應用，如長網圓網、圓網斜網、斜網與干法無紡布（水刺、熔噴、靜電紡等）等生產技術。這些都是根據產品特點的需求來選擇成形方式。目前，在衛材、個人護理等產品中已經廣泛應用結合技術，如超柔軟面膜基材（如圖3所示）就采用斜網成形結合水刺技術制造的。

以合成纖維為主的紙張，由于沒了氫鍵結合，必須通過增強技術來達到紙張的物理強度要求，增強技術主要有以下幾種。

（1）熱壓工藝

該技術能夠利用各種合成纖維的熔點，進行熱處理，實現纖維粘結的增強。常用的熱處理可以在100～450℃的溫度范圍內進行熱定形或層壓，這相當于聚乙烯、聚丙烯、聚酯和芳族聚酰胺的熔點。

（2）化學粘結

在該工藝中，熱熔纖維在熱的作用下，發生融化，以薄膜形式或纖維形式在紙基材料中存在。薄膜形式的樹脂適用于各種功能材料的復合，而纖維形式的樹脂則適用于需要透氣性過濾材料的粘結。

（3）樹脂增強

利用該方法，將黏結劑溶解在溶劑中以施膠的方式轉移到紙幅中，然后通過蒸發除去溶劑，從而實現樹脂在基材中的分布。黏合劑樹脂在使用前重新加熱時起到黏合劑的作用[2127]。

（4）其他增強方式

紙基功能材料還可以通過溶劑溶脹處理或機械纏繞方式實現增強。如可沖散紙巾，便是通過水刺形成的機械纏繞實現材料的增強。

2發展趨勢

未來在紙基功能材料領域可能會出現以下新技術：

（1）泡沫成形

最初于20世紀70年代開發的泡沫成形是一種造紙工藝，可以在造紙機上生產具有優異成形勻度、較大體積和孔隙率的新材料。泡沫成形是一種多相流體系統，由薄液膜的氣泡構成。氣泡使紙張的體積和孔隙增加。由于該工藝經歷了一系列近期的技術改進，使用泡沫成形的新系統現在正在進入商業生產階段。泡沫成形還可以實現納米纖維素微纖絲（NCF）的應用[28]。

（2）工業40

為了實現更高的精確度，紙基功能材料也在積極轉變，以實現智能自動化和大數據交換。在所有的制造行業中，這都被稱為工業40。在線整幅定量調節流漿箱的應用就是一個很好的例子。流漿箱的唇口盡可能保持直線，通過稀釋水來調節定量，這時流漿箱纖維的分布是基于一個強大的控制系統。它與新形高分辨率紙張掃描儀系統的精度相匹配，從而實現紙張定量的控制。

（3）可伸縮的紙張

芬蘭的VTT公司已經開發出可伸縮紙，并已經實現產業化。可伸縮紙主要依賴于機械處理，使其在縱向上和橫向上分別獲得20%和16%的伸長率。可拉伸的紙張是一種新的概念，旨在用天然紙取代塑料，使其具有可持續性，特別是一次性包裝。該紙可以卷筒供應，也可以在以前用于聚合物的傳統加工線上進行印刷、涂層和其他加工。最終可以應用的產品包括：托盤式包裝、醫療包裝、紙杯和其他液體容器、家具裝飾等領域[29]。

3結語

在科技飛速發展的今天，新材料和新技術對產業帶來的沖擊和變革無法估量。在學科的融合，技術的集成和團隊協作條件下，紙基功能材料將會在各行各業發揮出更大的作用。作為一個多元化，高附加值的行業，未來紙基功能材料領域的技術創新必將十分活躍。

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