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| 纳米粉体在造纸工业的应用 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2014-06-25 09:37:14 浏览次数： |
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纳米技术主要是纳米材料的应用，可使纸张的填料、胶料和色料的聚集状态发生很大的变化，导致无论是光学性能、力学性能、阻隔性能、润湿性、导电性、导光性等都发生超常的变化。和制浆造纸中有关的是纳米化学和纳米材料学，它可能会对造纸工业的发展造成新的飞跃，使印刷品的品质将再次提高。
纳米二氧化硅
制浆造纸业是全球第三大制造行业，实际上早在20 多年前造纸业中就已经在应用纳米材料。纳米二氧化硅加入纸张涂料中后，在低剪切力下，纸张涂料屈服应力提高，其原理在于纳米二氧化硅主要通过表面的活性基团与涂料中的细小粒子形成化学键结合，因此提高了屈服应力。瑞士的Akzo Nobel公司开发了一种纳米SiO2微粒助留助滤剂，它和阳离子高分子的双元体系在造纸中的应用增强了絮凝助留的效果，纸品的质量也得到相应提高。
纳米二氧化硅产品已在全球340 多家造纸厂使用。防尘双层牛皮纸包装纸的制造也得益于纳米二氧化硅的应用，该产品使水泥厂的水泥包装过程不再尘埃飞扬。
纳米碳酸钙
世界造纸业从上世纪80 年代初开始成功地由酸性工艺转向碱性工艺，给了碳酸钙一个巨大的市场。目前造纸涂料配方中碳酸钙使用量大幅增加，已从5% ～ 10%上升到30% 左右，应用最多的是纳米碳酸钙。纳米碳酸钙生产的主要原料是石灰石，它是自然界仅次于Si，Al，Fe 储量的矿石。纳米碳酸钙生产工艺中最重要的是碳化和活化工序。
( 1) 碳化
碳化是Ca( OH)2乳浊液与CO2的反应过程，实质上是个复杂的传质反应过程，加快传质过程的速度就能保证整个碳化过程的过饱和度，从而使生成晶核速度加快，使最后的晶粒粒径减少。结晶导向剂的加入有助于控制纳米碳酸钙的晶型和粒径。低温鼓泡碳化、喷雾式连续碳化、搅拌式碳化、超重力碳化等各种类型碳化技术已经成功地实现工业化。
( 2) 活化
活化工序的目的是降低纳米粒子的团聚，提高其应用性能。
①采用的方法首先是表面活性剂改性，分为离子型和非离子型，国内应用最多的是硬脂酸，这是一种较为通用型活化剂，但在一些适用领域作用还不够理想。实验表明: 铝锆偶联剂改性后的纳米碳酸钙分散性有很大改善，颗粒粒度分布在70 ～ 100nm之间，低剪切速率下的表观黏度大为降低，这对提高纸张涂布时的流变性和提高纳米碳酸钙在纸张涂布时应用性能有帮助; 用偶联剂改性轻质碳酸钙加填纸后，纸张抗张强度，耐破度，撕裂度等比改性前有所提高。在造纸涂料中加入纳米碳酸钙，发现涂料黏度增加，纸张表面强度和油墨吸收性提高，但白度变化不明显，其纳米碳酸钙的用量存在一个最佳值。
②其次是借助外力作用分散以降低纳米粒子的团聚，提高其应用性能，如超声波分散技术。超声波在粉体分散中的应用研究较多，特别是对降低纳米粉体团聚更为有效，利用超声空化时产生的局部高温高压或强冲击波和微射流可较大幅度地弱化纳米粉体间的作用能，有效地防止超微粉体团聚而使之充分分散。或者高能表面改性纳米碳酸钙，如高能射线( 如x 射线等) 使其表面产生活性点，再加入乙烯基单体与表面的活性点反应在粒子表面形成一层有机包膜。
应用
( 1) 纳米碳酸钙的应用
造纸业是纳米碳酸钙最具开发潜力的市场。纳米活性碳酸钙代替木桨和其它颜料，可改善纸张的光亮度、不透性、空隙度、松密度等，因此具有以下优点: 粒度细、均匀，制品更加均匀、平整; 高蔽光性、高亮度，可提高纸制品的白度和蔽光性; 吸油值高，能提高彩色纸的色料牢固性; 高膨胀性，使造纸厂使用更多的填料而大幅度降低原料成本。
目前纳米碳酸钙还主要用于特殊纸制品，主要用在生产透气不透水的聚乙烯薄膜。纳米碳酸钙在卷烟纸中应用广泛，可以增加透气性从而降低卷烟纸的焦油含量保证其内在质量，也可以使其外观指标提高，即不露底、不熄灭、包灰好、白度高。若在瓦楞纸生产过程中，采用纳米碳酸钙材料和性能优越的助剂，经过特殊设备的加工，就制成了纳米技术的新型造纸添加剂，用在瓦楞纸中，其强度大大提高，就可以制成较薄型的瓦楞纸。如采用80g /m2 左右的低定量的纳米瓦楞纸制作纸箱，其强度可以与采用普通150g /m2 左右瓦楞纸制作的纸箱质量不相上下，与普通工艺生产的瓦楞纸相比，它具有强度高，脱水性能好，不掉粉、不掉毛等优点。
( 2) 纳米二氧化钛的应用
纳米二氧化钛光催化的原理是当纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，纳米二氧化钛的量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正，氧化还原势增大，光催化驱动力增大，这意味着纳米半导体粒子具有更强的氧化和还原能力，光催化活性提高。具体而言就是电子从价带跃迁到导带，产生电子－空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，空穴与纳米粒子表面的OH－反应生成氧化性很高的·OH 自由基，·OH 自由基可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物。改性高活性纳米TiO2光催化处理造纸脱墨废水有明显的优点: 无二次污染，除净度高。
结语
虽然纳米材料及纳米复合材料在造纸领域有着良好的性能和广泛的用途，但是目前纳米材料的研发还不太成熟和完善，它还有一些问题需要进一步的研究和解决，如破碎、团聚、分散技术等还不够理想，有待于进一步提高，对于纳米制品的性能检测，产品标准还有待进一步完善。但可以预言，随着纳米粒子生产成本的降低，功能性纳米粒子品种的增多，纳米技术将在造纸工业中发挥更大的作用，给造纸和相关行业带来无限的生机和活力。
总之，为了使我国造纸业在纳米技术产业化中占有一席之地。今后我们应该从前沿性、战略性、基础性来考虑，继续做好基础研究与应用研究的衔接和成果的转化。研究纳米技术应用、纳米材料添加对传统造纸材料改性和技术改造。扩大纳米技术在造纸中的应用范围，提升高新技术含量，抢占产业先机，实现跨越式的发展。
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