纸基功能材料的研究进展

颜鑫 王习文

摘要：介绍了纸基功能材料的定义，并重点阐述了纸基功能材料制备过程中的3大关键技术和发展趋势。目前，纸基功能材料已经广泛应用在航空航天、汽车、高铁、轮船、绝缘、过滤分离等领域，且随着未来科技的进步，纸基功能材料的发展前景更加光明。

关键词：纸基功能材料；关键技术；发展趋势

中图分类号：TS76文献标识码：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

图1纸基功能材料应用实例纸基功能材料（Paperbased materials）是以纤维为主要原料，采用造纸成形技术制备的新材料，其结构和性能完全不同于传统纸张， 具有灵活可设计的结构和力学、光、电、磁、热、声性能[111]，纸基功能材料在国防军工、航空航天、游艇、高速列车等国家重大工程中有着广泛的应用，是战略性物资之一。例如芳纶纸，可将其制备成蜂窝材料，已作为减重材料广泛应用于飞机、高铁和游艇。另外，基于造纸技术制备的碳纤维增强复合材料也在汽车中得到了应用，芳纶蜂窝和碳纤维增强复合材料示意图如图1所示。目前关于纸基功能材料最为准确的定义来自美國造纸协会（TAPPI）。纸基功能材料是以水为分散介质，以短纤维为主要原料，采用造纸工艺制造成形的，具有三维网络状结构材料的新材料。在该定义中纸基功能材料有以下几个特点：①以水作为最主要的分散介质；②原料以短纤维为主，其长度一般小于30 mm；③采用造纸成形工艺制备材料，造纸技术成为制备材料的一项基本工艺；④在该材料中，纤维之间的结合主要不是氢键而是靠机械力、黏结剂、热压、溶剂溶胀或者其他增强技术实现纤维的结合[12]。

本文主要结合国内外纸基功能材料的生产制造和应用情况，介绍了纸基功能材料制备过程中的分散技术、成形技术、增强技术3大关键技术和发展趋势。

1关键技术

目前制约我国纸基功能材料发展的瓶颈是技术，主要集中体现在以下3大关键技术上。

11分散技术

良好的分散，是纸幅湿法抄造的必要条件。所谓的良好分散是指：纤维在水介质中成为单根纤维的分散状态，同时纤维在成形之前必须具有一定的稳定性。常采用图象法来判断纤维分散状态，结果如图2所示。由图2可以看出，图2（a）实现了单根纤维的良好分散，而图2（b）仍然有纤维束存在。纤维稳定性是靠纤维的高频微湍动获得。纸基功能材料常用的纤维是各种高性能纤维如合成纤维、碳纤维、矿物纤维类和金属纤维等[1820]。针对不同的纤维在确定其分散工艺和技术时应充分考虑以下几方面。

（1）纤维特性：在选择特定产品的原料时，除了满足产品功能的需求，还要考虑到纤维的长径比、表面电荷、纤维表面油剂等因素。

（2）预处理技术：为了实现纤维良好分散，提高亲水性，针对纤维不同的特性，需进行相应的预处理。常用的预处理技术有：酸洗、碱洗、偶联剂处理、化学刻蚀等。

（3）疏解和搅拌方式：在这两个环节中要确保纤维尽量避免被破坏，比如打弯、破碎，同时也应避免纤维的打结，减少纤维束的形成。浓度的设定和设备的选择会明显影响纤维的分散和流态。

（4）分散助剂：分散助剂主要有两大类功能：增加体系黏度和改变纤维表面特性。分散助剂在使用时，要特别注意分散助剂对产品功能性和抄造过程的影响。因为很多分散助剂会带来气泡和粘缸等不良影响，且分散助剂的加入点也十分重要。

纸基功能材料的纤维原料中，多数是长径比较大的细长纤维。在纸基功能材料制备中其关键是如何解决这类纤维的成形。细长纤维纸浆在贮存和输送过程中，常因其纤维细长，缺乏足够的挺度，在纤维间相互碰撞和接触时，细长、柔软的纤维易絮聚。因此需要长纤维在上网时有足够的空间保持其悬浮状态，以防止絮聚。因此，超低浓成形技术随之出现，该技术适合长度3～25 mm的长纤维，适宜的上网浓度为001%～005%。纤维悬浮液只有在高度稀释状态下才能保证细长纤维可以充分的自由舒展。

目前能够满足超低浓成形的设备主要有斜网成形器和圆网成形器。斜网成形器在抄造成形后成纸匀度佳，能满足纸张对透气性能的特定要求，特别适用于生产汽车过滤材料、咖啡过滤材料等。由于国内最近几年过滤材料发展非常迅速，多流道斜网纸机（多层/漂片）在我国也有应用。目前有一个误区，认为纸基功能材料的制备必须用斜网纸机。这主要是因为纸幅成形方式的确定，不仅要看纤维特性，特别是分散特性和脱水特性；还要结合产品的要求，如电气用纸和绝缘用纸等特殊要求。

随着纸基功能材料的发展，在同一条生产系统中，不再局限于单一的抄造成形设备，会根据产品性能的需要，有可能会实现两种、3种甚至多种成形方式的结合应用，如长网圆网、圆网斜网、斜网与干法无纺布（水刺、熔喷、静电纺等）等生产技术。这些都是根据产品特点的需求来选择成形方式。目前，在卫材、个人护理等产品中已经广泛应用结合技术，如超柔软面膜基材（如图3所示）就采用斜网成形结合水刺技术制造的。

以合成纤维为主的纸张，由于没了氢键结合，必须通过增强技术来达到纸张的物理强度要求，增强技术主要有以下几种。

（1）热压工艺

该技术能够利用各种合成纤维的熔点，进行热处理，实现纤维粘结的增强。常用的热处理可以在100～450℃的温度范围内进行热定形或层压，这相当于聚乙烯、聚丙烯、聚酯和芳族聚酰胺的熔点。

（2）化学粘结

在该工艺中，热熔纤维在热的作用下，发生融化，以薄膜形式或纤维形式在纸基材料中存在。薄膜形式的树脂适用于各种功能材料的复合，而纤维形式的树脂则适用于需要透气性过滤材料的粘结。

（3）树脂增强

利用该方法，将黏结剂溶解在溶剂中以施胶的方式转移到纸幅中，然后通过蒸发除去溶剂，从而实现树脂在基材中的分布。黏合剂树脂在使用前重新加热时起到黏合剂的作用[2127]。

（4）其他增强方式

纸基功能材料还可以通过溶剂溶胀处理或机械缠绕方式实现增强。如可冲散纸巾，便是通过水刺形成的机械缠绕实现材料的增强。

2发展趋势

未来在紙基功能材料领域可能会出现以下新技术：

（1）泡沫成形

最初于20世纪70年代开发的泡沫成形是一种造纸工艺，可以在造纸机上生产具有优异成形匀度、较大体积和孔隙率的新材料。泡沫成形是一种多相流体系统，由薄液膜的气泡构成。气泡使纸张的体积和孔隙增加。由于该工艺经历了一系列近期的技术改进，使用泡沫成形的新系统现在正在进入商业生产阶段。泡沫成形还可以实现纳米纤维素微纤丝（NCF）的应用[28]。

（2）工业40

为了实现更高的精确度，纸基功能材料也在积极转变，以实现智能自动化和大数据交换。在所有的制造行业中，这都被称为工业40。在线整幅定量调节流浆箱的应用就是一个很好的例子。流浆箱的唇口尽可能保持直线，通过稀释水来调节定量，这时流浆箱纤维的分布是基于一个强大的控制系统。它与新形高分辨率纸张扫描仪系统的精度相匹配，从而实现纸张定量的控制。

（3）可伸缩的纸张

芬兰的VTT公司已经开发出可伸缩纸，并已经实现产业化。可伸缩纸主要依赖于机械处理，使其在纵向上和横向上分别获得20%和16%的伸长率。可拉伸的纸张是一种新的概念，旨在用天然纸取代塑料，使其具有可持续性，特别是一次性包装。该纸可以卷筒供应，也可以在以前用于聚合物的传统加工线上进行印刷、涂层和其他加工。最终可以应用的产品包括：托盘式包装、医疗包装、纸杯和其他液体容器、家具装饰等领域[29]。

3结语

在科技飞速发展的今天，新材料和新技术对产业带来的冲击和变革无法估量。在学科的融合，技术的集成和团队协作条件下，纸基功能材料将会在各行各业发挥出更大的作用。作为一个多元化，高附加值的行业，未来纸基功能材料领域的技术创新必将十分活跃。

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