特種紙制造新技術(shù)及新設(shè)備

袁 麟 錢學(xué)仁，* 管 菅

(1.東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱，150040;2.福伊特造紙 (中國(guó))有限公司，江蘇昆山，215300)

特種紙一般是滿足某種特殊用途的紙，其生產(chǎn)規(guī)模及市場(chǎng)容量相對(duì)較小，但經(jīng)濟(jì)附加值較高，技術(shù)門檻也較高。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)特種紙的高質(zhì)量需求，近年來圍繞特種紙研發(fā)的新技術(shù)、新裝備層出不窮。本文就近年來特種紙制造的新技術(shù)和新設(shè)備進(jìn)行了總結(jié)介紹。

1 特種紙制造的新技術(shù)

1.1 阻燃紙制造新技術(shù)

1.1.1 基于鎂鋁水滑石原位合成技術(shù)

鎂鋁水滑石是自然界中唯一帶有正電荷的黏土類礦物，兼具了Al(OH)3和Mg(OH)2阻燃劑的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們各自的不足，具有阻燃、消煙、填充3種功能。添加鎂鋁水滑石可提高紙張的不透明度，但會(huì)降低紙張的強(qiáng)度，這些作用與傳統(tǒng)填料相似。

鎂鋁水滑石具有一定的自留著性能，當(dāng)用量小于15%時(shí)，鎂鋁水滑石的留著率保持在80%以上，添加用量為0.025%的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺 (CPAM)可進(jìn)一步提高鎂鋁水滑石的留著率。

采用鎂鋁水滑石原位合成法制造阻燃紙，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)紙張的強(qiáng)度性能影響較小，缺點(diǎn)則是制造過程相對(duì)較復(fù)雜［1-3］。

1.1.2 基于鎂鹽晶須的濕部加填技術(shù)

晶須是一種針狀單晶體，通過人工控制、以單晶形式生長(zhǎng)的形狀類似于短纖維、而尺寸遠(yuǎn)小于短纖維的須狀單晶體。鎂鹽晶須是高性能無機(jī)阻燃增強(qiáng)材料，其結(jié)構(gòu)式為 MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O。鎂鹽晶須克服了Al(OH)3分解溫度低及Mg(OH)2吸熱量不高的缺點(diǎn)。濕部加填鎂鹽晶須制備阻燃紙?jiān)趯?shí)驗(yàn)室規(guī)模是可行的，當(dāng)鎂鹽晶須加填量大于25%時(shí)，制備的阻燃紙的氧指數(shù) (OI)大于25%，達(dá)到難燃級(jí)別［4］。

1.1.3 基于導(dǎo)電聚合物的原位沉積技術(shù)

導(dǎo)電聚合物聚苯胺 (其分子結(jié)構(gòu)見圖1)具有價(jià)廉、熱穩(wěn)定、抗氧化和可逆摻雜等諸多優(yōu)點(diǎn)，其在二極管、電致變色、傳感器、二次電池、電磁屏蔽等方面都有廣泛應(yīng)用。有研究發(fā)現(xiàn)［5-6］，在氧化劑存在的情況下，通過原位聚合的方法在不同的酸溶液中制備了聚苯胺導(dǎo)電紙，測(cè)定了不同情況下導(dǎo)電紙的導(dǎo)電性與阻燃性，并通過摻雜-脫摻雜-再摻雜過程制備導(dǎo)電紙，試圖說明摻雜酸在導(dǎo)電紙阻燃性能上所起的作用。當(dāng)使用濃度為1.0 mol/L的H3PO4做單一摻雜酸時(shí)，紙樣的阻燃性最好，OI值可達(dá)到28.81%。用混合摻雜酸的效果比單一摻雜酸效果更好，其中H3PO4-H2SO4摻雜的綜合作用效果較好，當(dāng)混合摻雜酸中H3PO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，其電導(dǎo)率和OI值分別為5.687 S/m和28.25%。

圖1 導(dǎo)電聚合物聚苯胺的分子結(jié)構(gòu)

Wu Xianna等人［7］通過原位聚合的方法在不同的無機(jī)摻雜酸 (HCl、H2SO4、H3PO4)中合成了聚苯胺導(dǎo)電紙，并研究了其阻燃性能。結(jié)果表明，導(dǎo)電紙的導(dǎo)電性與阻燃性隨聚苯胺沉積量的增加而增大。摻雜酸的種類在導(dǎo)電紙的阻燃性能上起重要作用，其中H3PO4與聚苯胺摻雜的導(dǎo)電紙呈現(xiàn)出最好的阻燃性能，H2SO4與聚苯胺摻雜導(dǎo)電紙導(dǎo)電性最好。通過H3PO4-H2SO4混合摻雜可以使導(dǎo)電紙的導(dǎo)電與阻燃性能得到優(yōu)化，混合摻雜酸與聚苯胺基摻雜的導(dǎo)電紙具有良好的阻燃性。

1.2 抗菌紙制造新技術(shù)

許多抗菌劑不溶于水，只溶于有機(jī)溶劑，兩親性嵌段聚合物膠束恰好解決了這個(gè)難題，它可作為非水溶性藥物的載體，應(yīng)用到抗菌紙的制造中。

2010年，通過合成PS-b-PAA(聚苯乙烯-b-聚丙烯酸)嵌段聚合物自組裝合成膠束 (見圖2)，并以其作為抗菌劑的載體，加載抗菌劑 (見圖3)。該膠束能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化，對(duì)抗菌劑進(jìn)行加載和釋放，加載后的膠束通過涂布的方式涂在紙張表面，使紙張具有抗菌性能，抗菌劑在膠束的包裹下，較好地解決了其在高溫、有氧、光照等一般抄紙條件下失效的問題，同時(shí)又不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來污染［8-10］。

圖2 嵌段聚合物自組裝合成膠束

圖3 嵌段聚合物膠束加載抗菌劑

1.3 離型紙制造新技術(shù)

目前制造離型紙的主流技術(shù)為電子束輻射固化技術(shù)，其離型層以輻射固化樹脂和單體為主要原料，采用輥式涂布等涂布方式將涂布液涂覆于紙面上，并采用輻射源從紙基背面將其固化［11］，其原理見圖4。

采用電子束輻射固化技術(shù)生產(chǎn)離型紙的優(yōu)點(diǎn)為:外觀與天然皮革相似，圖紋的保持性好，不會(huì)破壞合成革中的微孔層結(jié)構(gòu)，基料有更大的選擇范圍，生產(chǎn)成本降低，涂層膠料較少滲透到基料內(nèi)部，基料仍能保持其柔軟性。

圖4 電子束輻射固化技術(shù)

1.4 無碳復(fù)寫紙制造新技術(shù)

無碳復(fù)寫紙微膠囊的制造中，采用聚脲合成技術(shù)，與現(xiàn)有生產(chǎn)無碳復(fù)寫紙微膠囊的制造技術(shù)相比，具有新的特點(diǎn)，其制造原理見圖5。

圖5 采用聚脲合成技術(shù)制備無碳復(fù)寫紙微膠囊的原理

采用聚脲合成技術(shù)制備的無碳復(fù)寫紙微膠囊，有以下優(yōu)點(diǎn):具有較寬的微膠囊單體選擇范圍，可在不同的涂層廣泛應(yīng)用，高溫穩(wěn)定，可在甲醛、甲醇和戊二醛溶液中完全溶解，低殘余單體不容易泄漏，在改善粒子直徑和控制質(zhì)量成本方面比傳統(tǒng)的三聚氰胺甲醛樹脂和明膠微膠囊更具競(jìng)爭(zhēng)力［12］。

1.5 柔性包裝紙制造新技術(shù)

采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法 (PECVD技術(shù))制造柔性包裝紙，是借助微波或射頻等使含有薄膜組成的原子氣體電離，局部形成等離子體，而等離子化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜，可使化學(xué)反應(yīng)在較低的溫度下進(jìn)行。采用該技術(shù)制備的柔性復(fù)合包裝紙具有基本溫度低、沉積速率快、成膜質(zhì)量好、針孔較少、不易龜裂等優(yōu)點(diǎn)［13-14］，具體工作原理見圖6。

圖6 PECVD工作原理

Favia P［15］、Navarro F［16］和 Sudeep Vaswani［17］等人利用PECVD技術(shù)，將氟碳化合物沉積在紙張表面。實(shí)驗(yàn)表明，該紙張具有良好的憎水、防油功能。使用此包裝紙包裝液體、油脂，既能達(dá)到使用功能，又能減少石油類產(chǎn)品消耗，防止白色污染。

1.6 4A分子篩填料的制備及其在過濾紙中的應(yīng)用

分子篩是具有均勻微孔、其孔徑與一般分子大小相當(dāng)?shù)囊活愇絼┗虮∧ゎ愇镔|(zhì)。A型分子篩屬于立方晶系，一般孔徑為4 ?，故稱為4A分子篩［18］。主要合成方法有水熱晶化法、磁場(chǎng)誘導(dǎo)合成法、微波法、超聲波法等。

Lucio等人［19］利用超聲波法，通過優(yōu)化合成了超微4A分子篩。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可制得結(jié)晶度較好的4A分子篩，合成速度是常規(guī)水熱晶華法的24倍，白度達(dá)95%，平均粒經(jīng)為280 nm。

將合成的4A分子篩高嶺土或沸石粉，作為填料加入到過濾紙中，不僅能夠提高過濾紙的過濾性能，而且還具有良好的防腐殺菌作用，該過濾紙應(yīng)用在飲料果汁生產(chǎn)中的過濾，可將果汁中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)很好地保留下來，既保證了果汁鮮美口感，又保證了果汁中豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［20］。另外，該過濾紙還可用于啤酒生產(chǎn)過濾，不僅使啤酒生產(chǎn)減少一道工序，還可使啤酒的味道更加鮮美。

2 特種紙制造的新設(shè)備

2.1 MG型特種紙?jiān)旒垯C(jī)

福伊特近期推出的新設(shè)備MG型特種紙?jiān)旒垯C(jī)，其主要結(jié)構(gòu)和原理見圖7［21］。

圖7 MG型特種紙?jiān)旒垯C(jī)部分結(jié)構(gòu)

(1)靴式壓榨與揚(yáng)克烘缸組合干式壓榨的優(yōu)點(diǎn):脫水效率高，不宜斷紙，大幅度提高紙張單面平滑度。

(2)幕簾接觸式涂布機(jī)的優(yōu)點(diǎn):涂布層可隨意調(diào)節(jié)，涂布表面光潔，較好地彌補(bǔ)紙張表面的缺陷。

圖8 迷你型靴壓

(3)輥式軟壓光機(jī)的優(yōu)點(diǎn):雙組輥式軟壓光機(jī)采用游泳輥?zhàn)詣?dòng)中高補(bǔ)償技術(shù)，可使紙張雙面獲得400 s以上的平滑度，且保證紙張表面平整無壓痕。

(4)多輥超級(jí)軟壓光機(jī)的優(yōu)點(diǎn):多輥超級(jí)軟壓光機(jī)采用游泳輥?zhàn)詣?dòng)中高補(bǔ)償技術(shù)，可使紙張雙面獲得1000 s以上的平滑度，保證紙張表面平整無壓痕。在生產(chǎn)過程中，由于是柔性超級(jí)壓光，生產(chǎn)損失同比硬性超級(jí)壓光要降低50%以上。

2.2 迷你型靴壓

2009年，美卓公司設(shè)計(jì)并推出了迷你型靴壓，其結(jié)構(gòu)見圖 8［22］。

迷你型靴壓具有高線壓、柔軟寬壓區(qū)、運(yùn)轉(zhuǎn)過程中無振動(dòng)、紙機(jī)斷紙次數(shù)可比未采用迷你靴壓前減少50%等優(yōu)點(diǎn)，這使壓榨濾水的流速變緩、紙張兩面吸收性能更均一，從而減輕紙幅的兩面差。壓榨部運(yùn)行性能的改善，可提高濕紙幅干度，降低紙機(jī)干燥部能耗;同時(shí)壓榨部設(shè)備改造便利，無需對(duì)整條生產(chǎn)線進(jìn)行大的改造，只需更換一對(duì)足夠小的輥?zhàn)蛹纯蓪?shí)現(xiàn)，而且還可以提高紙機(jī)車速。

3 未來特種紙技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展前景

特種紙制造業(yè)的技術(shù)將從功能化學(xué)、濕部化學(xué)向表面化學(xué)、生物化學(xué)、復(fù)合化學(xué)、復(fù)合生物化學(xué)方向發(fā)展;特種紙的制造設(shè)備也從單一、簡(jiǎn)單、傳統(tǒng)形式向多功能、高效、節(jié)能、集成化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

(1)未來特種紙主要利用納米技術(shù)、控制釋放技術(shù)、生物技術(shù)、微電子技術(shù)、特種纖維和特種填料技術(shù)，研發(fā)智能紙、藝術(shù)紙、防偽包裝紙、禮品包裝紙、裝飾薄紙、半透明紙及熱敏紙等產(chǎn)品。

(2)特種紙是一種高技術(shù)含量、高經(jīng)濟(jì)附加值的紙基材料，它的市場(chǎng)容量相對(duì)普通類紙張，如印刷紙、衛(wèi)生紙、包裝紙等要小很多，有的甚至全國(guó)年市場(chǎng)容量只有幾百噸，如電池隔膜紙。這就要求生產(chǎn)特種紙的設(shè)備具有更多的靈活性，調(diào)整更換便捷，如流漿箱上下唇板調(diào)節(jié)范圍更大，甚至上唇板都可落在網(wǎng)上，水平式網(wǎng)案可根據(jù)生產(chǎn)要求變換成傾斜式網(wǎng)案;功能性加工部的設(shè)備，如施膠部、壓光部等，制造成集成模塊形式，可根據(jù)生產(chǎn)需要更換為其他功能部，如輻射固化等，以適應(yīng)特種紙功能多變的特性要求。

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