紙基功能材料的研究進(jìn)展

顏鑫 王習(xí)文

摘要：介紹了紙基功能材料的定義，并重點(diǎn)闡述了紙基功能材料制備過程中的3大關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。目前，紙基功能材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車、高鐵、輪船、絕緣、過濾分離等領(lǐng)域，且隨著未來科技的進(jìn)步，紙基功能材料的發(fā)展前景更加光明。

關(guān)鍵詞：紙基功能材料；關(guān)鍵技術(shù)；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TS76文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)用實(shí)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(shù)制備的新材料，其結(jié)構(gòu)和性能完全不同于傳統(tǒng)紙張， 具有靈活可設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和力學(xué)、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(yīng)用，是戰(zhàn)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(yīng)用于飛機(jī)、高鐵和游艇。另外，基于造紙技術(shù)制備的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也在汽車中得到了應(yīng)用，芳綸蜂窩和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料示意圖如圖1所示。目前關(guān)于紙基功能材料最為準(zhǔn)確的定義來自美國造紙協(xié)會（TAPPI）。紙基功能材料是以水為分散介質(zhì)，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(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)材料的新材料。在該定義中紙基功能材料有以下幾個特點(diǎn)：①以水作為最主要的分散介質(zhì)；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(shù)成為制備材料的一項(xiàng)基本工藝；④在該材料中，纖維之間的結(jié)合主要不是氫鍵而是靠機(jī)械力、黏結(jié)劑、熱壓、溶劑溶脹或者其他增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)纖維的結(jié)合[12]。

本文主要結(jié)合國內(nèi)外紙基功能材料的生產(chǎn)制造和應(yīng)用情況，介紹了紙基功能材料制備過程中的分散技術(shù)、成形技術(shù)、增強(qiáng)技術(shù)3大關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。

1關(guān)鍵技術(shù)

目前制約我國紙基功能材料發(fā)展的瓶頸是技術(shù)，主要集中體現(xiàn)在以下3大關(guān)鍵技術(shù)上。

11分散技術(shù)

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(zhì)中成為單根纖維的分散狀態(tài)，同時纖維在成形之前必須具有一定的穩(wěn)定性。常采用圖象法來判斷纖維分散狀態(tài)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，圖2（a）實(shí)現(xiàn)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(wěn)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(shù)時應(yīng)充分考慮以下幾方面。

（1）纖維特性：在選擇特定產(chǎn)品的原料時，除了滿足產(chǎn)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(yù)處理技術(shù)：為了實(shí)現(xiàn)纖維良好分散，提高親水性，針對纖維不同的特性，需進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理。常用的預(yù)處理技術(shù)有：酸洗、堿洗、偶聯(lián)劑處理、化學(xué)刻蝕等。

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

（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(chǎn)品功能性和抄造過程的影響。因?yàn)楹芏喾稚⒅鷦須馀莺驼掣椎炔涣加绊?，且分散助劑的加入點(diǎn)也十分重要。

紙基功能材料的纖維原料中，多數(shù)是長徑比較大的細(xì)長纖維。在紙基功能材料制備中其關(guān)鍵是如何解決這類纖維的成形。細(xì)長纖維紙漿在貯存和輸送過程中，常因其纖維細(xì)長，缺乏足夠的挺度，在纖維間相互碰撞和接觸時，細(xì)長、柔軟的纖維易絮聚。因此需要長纖維在上網(wǎng)時有足夠的空間保持其懸浮狀態(tài)，以防止絮聚。因此，超低濃成形技術(shù)隨之出現(xiàn)，該技術(shù)適合長度3～25 mm的長纖維，適宜的上網(wǎng)濃度為001%～005%。纖維懸浮液只有在高度稀釋狀態(tài)下才能保證細(xì)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(shè)備主要有斜網(wǎng)成形器和圓網(wǎng)成形器。斜網(wǎng)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(chǎn)汽車過濾材料、咖啡過濾材料等。由于國內(nèi)最近幾年過濾材料發(fā)展非常迅速，多流道斜網(wǎng)紙機(jī)（多層/漂片）在我國也有應(yīng)用。目前有一個誤區(qū)，認(rèn)為紙基功能材料的制備必須用斜網(wǎng)紙機(jī)。這主要是因?yàn)榧埛尚畏绞降拇_定，不僅要看纖維特性，特別是分散特性和脫水特性；還要結(jié)合產(chǎn)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(fā)展，在同一條生產(chǎn)系統(tǒng)中，不再局限于單一的抄造成形設(shè)備，會根據(jù)產(chǎn)品性能的需要，有可能會實(shí)現(xiàn)兩種、3種甚至多種成形方式的結(jié)合應(yīng)用，如長網(wǎng)圓網(wǎng)、圓網(wǎng)斜網(wǎng)、斜網(wǎng)與干法無紡布（水刺、熔噴、靜電紡等）等生產(chǎn)技術(shù)。這些都是根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)的需求來選擇成形方式。目前，在衛(wèi)材、個人護(hù)理等產(chǎn)品中已經(jīng)廣泛應(yīng)用結(jié)合技術(shù)，如超柔軟面膜基材（如圖3所示）就采用斜網(wǎng)成形結(jié)合水刺技術(shù)制造的。

以合成纖維為主的紙張，由于沒了氫鍵結(jié)合，必須通過增強(qiáng)技術(shù)來達(dá)到紙張的物理強(qiáng)度要求，增強(qiáng)技術(shù)主要有以下幾種。

（1）熱壓工藝

該技術(shù)能夠利用各種合成纖維的熔點(diǎn)，進(jìn)行熱處理，實(shí)現(xiàn)纖維粘結(jié)的增強(qiáng)。常用的熱處理可以在100～450℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱定形或?qū)訅?，這相當(dāng)于聚乙烯、聚丙烯、聚酯和芳族聚酰胺的熔點(diǎn)。

（2）化學(xué)粘結(jié)

在該工藝中，熱熔纖維在熱的作用下，發(fā)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(fù)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(jié)。

（3）樹脂增強(qiáng)

利用該方法，將黏結(jié)劑溶解在溶劑中以施膠的方式轉(zhuǎn)移到紙幅中，然后通過蒸發(fā)除去溶劑，從而實(shí)現(xiàn)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(qiáng)方式

紙基功能材料還可以通過溶劑溶脹處理或機(jī)械纏繞方式實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)。如可沖散紙巾，便是通過水刺形成的機(jī)械纏繞實(shí)現(xiàn)材料的增強(qiáng)。

2發(fā)展趨勢

未來在紙基功能材料領(lǐng)域可能會出現(xiàn)以下新技術(shù)：

（1）泡沫成形

最初于20世紀(jì)70年代開發(fā)的泡沫成形是一種造紙工藝，可以在造紙機(jī)上生產(chǎn)具有優(yōu)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(tǒng)，由薄液膜的氣泡構(gòu)成。氣泡使紙張的體積和孔隙增加。由于該工藝經(jīng)歷了一系列近期的技術(shù)改進(jìn)，使用泡沫成形的新系統(tǒng)現(xiàn)在正在進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)階段。泡沫成形還可以實(shí)現(xiàn)納米纖維素微纖絲（NCF）的應(yīng)用[28]。

（2）工業(yè)40

為了實(shí)現(xiàn)更高的精確度，紙基功能材料也在積極轉(zhuǎn)變，以實(shí)現(xiàn)智能自動化和大數(shù)據(jù)交換。在所有的制造行業(yè)中，這都被稱為工業(yè)40。在線整幅定量調(diào)節(jié)流漿箱的應(yīng)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(diào)節(jié)定量，這時流漿箱纖維的分布是基于一個強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。它與新形高分辨率紙張掃描儀系統(tǒng)的精度相匹配，從而實(shí)現(xiàn)紙張定量的控制。

（3）可伸縮的紙張

芬蘭的VTT公司已經(jīng)開發(fā)出可伸縮紙，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?？缮炜s紙主要依賴于機(jī)械處理，使其在縱向上和橫向上分別獲得20%和16%的伸長率?？衫斓募垙埵且环N新的概念，旨在用天然紙取代塑料，使其具有可持續(xù)性，特別是一次性包裝。該紙可以卷筒供應(yīng)，也可以在以前用于聚合物的傳統(tǒng)加工線上進(jìn)行印刷、涂層和其他加工。最終可以應(yīng)用的產(chǎn)品包括：托盤式包裝、醫(yī)療包裝、紙杯和其他液體容器、家具裝飾等領(lǐng)域[29]。

3結(jié)語

在科技飛速發(fā)展的今天，新材料和新技術(shù)對產(chǎn)業(yè)帶來的沖擊和變革無法估量。在學(xué)科的融合，技術(shù)的集成和團(tuán)隊(duì)協(xié)作條件下，紙基功能材料將會在各行各業(yè)發(fā)揮出更大的作用。作為一個多元化，高附加值的行業(yè)，未來紙基功能材料領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新必將十分活躍。

參考文獻(xiàn)

[1] Chang R C， Schoen H M， Grove C S. Bubble Size and Bubble Size Determination[J]. Ind. Eng. Chem.， 2002， 48（11）： 2035.

[2] Cho Y S， Laskowski J S. Effect of flotation frothers on bubble size and foam stability[J]. International Journal of Mineral Processing， 2002， 64（2）： 69.

[3] Doubliez L. The drainage and rupture of a nonfoaming liquid film formed upon bubble impact with a free surface[J]. International Journal of Multiphase Flow， 1991， 17（6）： 783.

[4] Deshpande N S， Barigou M. Mechanical suppression of the dynamic foam head in bubble column reactors[J]. Chem. Eng. Process， 2000， 39（3）： 207.

[5] Duan M， Hu X， Ren D， et al. Studies on foam stability by the actions of hydrophobically modified polyacrylamides[J]. Colloid & Pdymer Scoence， 2004， 282（11）： 1292.

[6] Exerowa D， Kolarov T， Esipova N E， et al. Foam and Wetting Films from Aqueous Cetyltrimethylammonium Bromide Solutions： Electrostatic Stability[J]. Colloid J.， 2001， 63（1）： 45.

[7] Gidoa S P， Hirta D E， Montgomerya S M， et al. Foam bubble size measured using analysis before and after passage through a porous medium[J]. J. Dispersion Sci. Technol， 1989， 10（6）： 785.

[8] Garrett P R. Defoaming： Theory and Industrial Applications[J]. USA CRC Press， Miami， 1992.

[9] Guevara J S， Mejia A F， Shuai M， et al. Stabilization of Pickering foams by highaspectratio nanosheets[J]. Soft Matter， 2003， 9（4）： 1327.

[10] Hirt D E， Prud homme R K， Rebenfeld L. A new technique to study foam flow in porous media： Radial flow in fibrous mats[J]. AICHE J， 1988， 34（2）： 326.

[11] Hsieh Y L， Thompson J， Miller A. Water wetting and retention of cotton assemblies as affected by alkaline and bleaching treatments[J]. Textile Research Journal， 1996， 66（7）： 456.

[12] Holder D C. Effects of leaf hydrophobicity and water droplet retention on canopy storage capacity[J]. Ecohydrology， 2013， 6（3）： 483.

[13] Khristov K I， Exerowa D R， Krugljakov P M. Influence of the type of foam films and the type of surfactant on foam stability[J]. Colloid. Polym. Sci.， 1983， 261（3）： 265.

[14] Lappalainen T， Lehmonen J. Determinations of bubble size distribution of foamfiber mixture using circular hough transform[J]. Nord Pulp Pap. Res. J.， 2012， 27： 930.

[15] Li X， Karakashev S I， Evans G M， et al. Effect of Environmental Humidity on Static Foam Stability[J]. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids， 2012， 28（9）： 4060.

[16] Mira I， Mira M， Mira L， et al. Foam forming revisited. Part I. Foaming behavior of fibersurfactant systems[J]. Nord Pulp Pap. Res. J.， 2014， 29： 679.

[17]Peng J， Ren T. The latest application status of carbon fiber reinforced resin matrix composites[J]. China Adhesives， 2014（8）： 48.

彭金濤， 任天斌. 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的最新應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 中國膠粘劑， 2014（8）： 48.

[18]LU Zhaoqing， JIANG Ming， ZHANG Meiyun， et al. Effect of Paraaramid Fibrid on the Structure and Properties of PPTA Paperbased Material[J]. China Pulp & Paper， 2014， 33（8）： 21.

陸趙情， 江明， 張美云， 等. 對位芳綸沉析纖維對芳綸紙基材料結(jié)構(gòu)和性能的影響[J]. 中國造紙， 2014， 33（8）： 21.

[19] LU Zhaoqing， CHEN Jie， ZHANG Dakun. Influence of PEO and CPAM on the Formation of the Base Paper for Paper Based Friction Material[J]. China Pulp & Paper， 2013， 32（2）： 22.

陸趙情， 陳杰， 張大坤. PEO和CPAM對紙基摩擦材料原紙性能的影響[J]. 中國造紙， 2013， 32（2）： 22.

[20] HU Jian， ZHANG Zeng. Manufacture of Paperbased Friction Material[J]. China Pulp & Paper， 2004， 23（2）： 24.

胡健， 張?jiān)? 混合纖維紙基復(fù)合摩擦材料的研究[J]. 中國造紙， 2004， 23（2）： 24.

[21]Okayasu M， Yamazaki T， Ota K， et al. Mechanical properties and failure characteristics of a recycled CFRP under tensile and cyclic loading[J]. International Journal of Fatigue， 2013， 55（5）： 257.

[22]Yin X Y， Zhu B， Liu H Z， et al. Advance of the Research in Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Resin Matrix Composite[J]. HiTech Fiber & Application， 2011， 36（6）： 42.

尹翔宇， 朱波， 劉洪正， 等. 碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J]. 高科技纖維與應(yīng)用， 2011， 36（6）： 42.

[23]Rao Jun， Liang Zhiyong， Zhang Zuoguang. The prepreg technology processing of thermoplastic composite materials[C]// Fiberglass/composite academic annual meeting. 1995.

饒軍， 梁志勇， 張佐光. 熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸和成型工藝[C]// 玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會. 1995.

[24]Lv Chiyan. Development Trends of Foreign GMT： Part 1[J]. Glass Fiber， 1997（2）： 28.

呂赤炎. 國外GMT的發(fā)展動向（上）[J]. 玻璃纖維， 1997（2）： 28.

[25]Bigg D M， Hiscock D F， Preston J R， et al. The properties of wetformed thermoplastic sheet composites[J]. Polymer Composites， 1993， 14（1）： 26.

[26]Hiscock D F， Bigg D M. Longfiberreinforced thermoplastic matrix composites by slurry deposition[J]. Polymer Composites， 1989， 10（10）： 145.

[27] Jiang Haipeng. The deispersion and its evaluation of fiber in the thermoplastic by wet process[D]. Shanghai： East China University of Science and Technology， 2012.

蔣海鵬. 熱塑性復(fù)合材料濕法浸漬過程中纖維的分散及其評價[D]. 上海： 華東理工大學(xué)， 2012.

[28]Kimura T， Ino H， Nishida Y， et al. Compression Molding of CFRTP Used with Carbon Fiber Extracted from CFRP Waste[J]. SeikeiKakou， 2010， 22（3）： 153.

[29]Caba A C， Romesh， Batra C， et al. Characterization of Carbon Mat Thermoplastic Composites： Flow and Mechanical Properties[J]. Journal of Cell Biology， 2005， 138（5）： 1139.CPP（責(zé)任編輯：吳博士）