一種全纖維素透明紙及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種全纖維素透明紙及其制備方法,以傳統(tǒng)造紙工藝得到的紙張或植物纖維為網(wǎng)絡(luò)骨架,以一定溶解度的纖維素均相溶液為填充劑和溶解介質(zhì),均勻涂布到紙張或植物纖維表面,以高效率、低成本的方式填充內(nèi)部孔隙和溶解纖維素側(cè)鏈或部分纖維素,降低孔隙率;通過后期整飾工藝提高平整度,形成一體化的纖維素復(fù)合結(jié)構(gòu),進而制備一種全新的低成本全纖維素透明紙,有望實現(xiàn)大規(guī)模的卷對卷工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】
一種全纖維素透明紙及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及透明紙制備工藝領(lǐng)域,主要涉及一種全纖維素透明紙及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界石化資源的日漸枯竭和環(huán)境的日益惡化,全球面臨著經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展和環(huán)境保護的雙重壓力,人們已經(jīng)深刻認識到生物質(zhì)資源的轉(zhuǎn)化和利用是未來社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。纖維素作為地球上儲量最大的生物質(zhì)資源,其開發(fā)和利用對人類的生存有著重要意義。由纖維素制作的透明紙(Transparent Paper),因具有可持續(xù)發(fā)展、原料易得和抄紙方便、生物相容性和降解性、利于卷對卷(roll-to-roll)印刷制作、優(yōu)異的光學(xué)、力學(xué)以及阻隔性能等優(yōu)勢,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品包裝、地圖、可剝離標(biāo)簽紙、高檔包裝、裝裱等領(lǐng)域。市場上常見的仿羊皮紙、玻璃紙、描圖紙、格拉辛紙等都可以歸屬到透明紙的范疇。特別是近年來隨著印刷電子和光電材料的迅速發(fā)展,透明紙又被認為是一種理想的低成本柔性電子器件基材,已初步在有機發(fā)光二極管(OLED)、有機太陽能電池、觸摸屏、薄膜晶體管(TFT)、天線(Antenna)、場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor,F(xiàn)ET)、化學(xué)和生物傳感器等柔性電子器件領(lǐng)域展開科學(xué)研究。作為一種引人注目的低成本材料,透明紙成為當(dāng)今國際科學(xué)研究的熱點前沿領(lǐng)域之一,極有可能替代傳統(tǒng)的塑料、玻璃和硅片,但是也對透明紙的制備提出了更高的要求。
[0003]科學(xué)家們報道了多種柔性透明紙的制備方法,主要分為三種方法,一、微米纖維素纖維制備法,具體可分為(I)物理浸漬法,通過將紙張浸漬到樹脂、礦物油、清漆、樹膠或它們的混合物中,進而填充紙頁內(nèi)部的孔隙使紙張變得透明;(2)化學(xué)處理法,將紙張表面的纖維素部分溶解,填充內(nèi)部空隙,又稱為全纖維素復(fù)合材料(all cellulose composites:ACCs),但需要對纖維素長達數(shù)小時的預(yù)處理和溶解過程方能達到一定的透明度。而且得到的透明紙的透光率一般都小于80%,且表面較為粗糙,尚不能滿足包裝材料以及電子器件的需求。二、再生纖維素膜,通過均相纖維素溶液制備再生纖維素膜。此種方法得到的薄膜具有與塑料相似的透明度和優(yōu)異的阻隔性能,但相比于納米紙強度較差。另外,再生纖維素薄膜更多地被人們認為是一種薄膜或者薄張材料,并不具備纖維紙的一些特征。三、納米紙(Nanopaper),以分散的納米纖絲化纖維素為基本原料制備的透明紙。其中涉及的納米纖維素的制備過程需要高壓均質(zhì)處理、研磨、微射流處理、超聲處理或冷凍粉碎等機械處理,由于制備過程中能耗大、耗時長、成本高等弊端,嚴(yán)重地限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。另外,納米纖維素透明紙在潤濕之后,表面會變得起伏不平,強度也會有明顯地下降,也在某種程度上限制了其應(yīng)用的范圍。
[0004]可見,至今尚缺少低成本量產(chǎn)高透光度透明紙的制備方法,限制了其在工業(yè)和民用領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。因此,現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進和發(fā)展。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明的目的在于提供一種全纖維素透明紙及其制備方法,旨在解決現(xiàn)有的透明紙制備工藝成本高的問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]一種全纖維素透明紙的制備方法,其中,包括以下步驟:
[0008]將纖維素溶液涂布到原紙表面;
[0009]將原紙浸泡在凝固浴中;
[0010]沖洗,干燥,得到全纖維素透明紙。
[0011]所述的全纖維素透明紙的制備方法,其中,所述纖維素溶液為將纖維素原料放入纖維素溶解體系中進行溶解得到的。
[0012]所述的全纖維素透明紙的制備方法,其中,所述纖維素溶解體系包括LiCl/二甲基乙酰胺、N-甲基嗎琳-N-氧化物、離子液體、NaOH水溶液、尿素水溶液及硫脲水溶液中的至少一種或多種。
[0013]所述的全纖維素透明紙的制備方法,其中,纖維素溶液中包括7wt% NaOH/12wt %尿素水溶液、4.6wt %Li0H/15wt %尿素水溶液或9.5wt % NaOH/4.5wt %硫脲水溶液中的一種或多種。
[0014]所述的全纖維素透明紙的制備方法,其中,7wt% NaOH/ 12wt%尿素水溶液、
4.6wt %Li0H/15wt %尿素水溶液或9.5wt % NaOH/4.5wt %硫脲水溶液經(jīng)過預(yù)冷處理,預(yù)冷至-12 ?-5。。。
[0015]所述的全纖維素透明紙的制備方法,其中,當(dāng)所述纖維素溶解體系為LiCl/二甲基乙酰胺溶解體系時,所述凝固浴為I?5%的NaOH溶液;當(dāng)所述纖維素溶解體系為N-甲基嗎琳-N-氧化物的溶解體系時,所述凝固浴為20?40%的甘油水溶液;當(dāng)所述纖維素溶解體系為離子液體溶解體系時,所述凝固浴為水、甲醇、乙醇或丙酮;當(dāng)所述纖維素溶解體系為NaOH水溶液、尿素水溶液或硫脲水溶液溶解體系時,所述凝固浴為2-10%CaCl2水溶液、2-10% H2SO4水溶液、10?20 %硫酸鈉水溶液、I?5 % HCl水溶液或醋酸水溶液。
[0016]所述的全纖維素透明紙的制備方法,其中,在原紙表面涂布纖維素溶液的過程中,所采用的涂布方法為輥涂、噴涂、淋涂、窄縫涂布、絲印、膠印、柔印或凹印中的至少一種或多種。
[0017]所述的全纖維素透明紙的制備方法,其中,所述纖維素原料為一種或者多種植物纖維,或是細菌發(fā)酵工藝或人工合成工藝制備得到的纖維素;
[0018]所述植物纖維為木材纖維素或非木材纖維素;木材纖維素選擇針葉木樹木、闊葉木或針葉木和闊葉木的混合物;非木材料纖維素選擇自農(nóng)業(yè)殘余物、草類、藻類或其他植物物質(zhì);
[0019]所述針葉木包括但不限于云杉、松樹、冷杉、落葉松、花旗松或鐵杉中的一種或多種;所述闊葉木樹木包括但不限于白樺、白楊、山楊、赤揚、按樹或金合歡中的一種或多種。
[0020]所述的全纖維素透明紙的制備方法,其中,所述干燥的過程為,將沖洗后的紙夾在兩層濾紙中間,放在壓平機上壓平,干燥。
[0021]一種全纖維透明紙,其中,所述全纖維透明紙采用如上所述全纖維素透明紙的制備方法制備得到。
[0022]有益效果:本發(fā)明以傳統(tǒng)造紙工藝得到的紙張或植物纖維為網(wǎng)絡(luò)骨架,以一定溶解度的纖維素均相溶液為填充劑和溶解介質(zhì),均勻涂布到紙張或植物纖維表面,以高效率、低成本的方式填充內(nèi)部孔隙和溶解纖維素側(cè)鏈或部分纖維素,降低孔隙率;通過后期整飾工藝提高平整度,形成一體化的纖維素復(fù)合結(jié)構(gòu),進而制備一種全新的低成本全纖維素透明紙,有望實現(xiàn)大規(guī)模的卷對卷工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明提供一種全纖維素透明紙及其制備方法,為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確,以下對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
[0024]本發(fā)明所提供的一種全纖維素透明紙的制備方法,包括以下步驟:
[0025]配置纖維素溶液;
[0026]將纖維素溶液均勻涂布到原紙表面;
[0027]將原紙浸泡在凝固浴中,去除非纖維素成分;
[0028]沖洗,干燥,得到全纖維素透明紙。
[0029]其中,所述原紙為通過傳統(tǒng)方法制備得到的原紙。制備原紙的紙漿可以為木漿、草漿、麻漿、葦漿、蔗漿、竹漿等,優(yōu)選漂白紙漿。
[0030]所述纖維素溶液的制備過程為將纖維素原料放入纖維素溶解體系中進行溶解得至IJ。具體地,所述纖維素原料可以為所用的纖維素原料可基于包含纖維素的任何一種或者多種植物纖維,也可來源于某些細菌發(fā)酵工藝或者人工合成工藝制備得到的纖維素。植物材料可以是木材纖維素或非木材纖維素;木材可來自針葉木樹木(softwood)例如云杉、松樹、冷杉、落葉松、花旗松或鐵杉,或者來自闊葉木樹木(hardwood)例如白樺、白楊(aspen)、山楊(popIar)、赤揚、按樹或金合歡,或者來自針葉木與闊葉木的混合物;非木材料纖維素可來自農(nóng)業(yè)殘余物,草類、藻類或其他植物物質(zhì)。所述纖維素溶解體系可以為LiCl/二甲基乙酰胺、N-甲基嗎琳-N-氧化物、離子液體、NaOH水溶液、尿素水溶液及硫脲水溶液等中的至少一種或多種。纖維素溶液的濃度比例均可以采用現(xiàn)有常規(guī)的濃度比例。本發(fā)明中還提供一些纖維素溶液的優(yōu)選方案,7wt % NaOH/12wt %尿素水溶液、4.6wt %Li0H/15wt %尿素水溶液及9.5wt % NaOH/4.5wt %硫脲水溶液。其中,7wt % NaOH/12wt %尿素水溶液、4.6wt %Li0H/15wt %尿素水溶液及9.5wt% NaOH/4.5wt %硫脲水溶液等纖維素溶液需要預(yù)冷,預(yù)冷至-12?-5°C,經(jīng)過預(yù)冷的纖維素溶液能夠快速溶解纖維素。本發(fā)明方案中優(yōu)選的,纖維素溶解體系采用NaOH/尿素水溶液低溫溶解體系,因為采用此纖維素溶解體系的過程清潔無污染,成本低廉,是真正的“綠色”工藝,纖維素溶液可由纖維素原料溶解在預(yù)冷后的NaOH/尿素水溶液中得到。
[0031]在本發(fā)明中,纖維素溶液是作為填充劑和溶解介質(zhì),均勻涂布到紙張或植物纖維表面。而除纖維素溶液外,填充劑和溶解介質(zhì)的均相溶液還可以為大分子多糖混合溶液、淀粉混合溶液、半纖維素混合溶液、纖維素混合溶液、木質(zhì)素混合溶液以及上述物質(zhì)及衍生物混合溶液等代替纖維素溶液。
[0032]在原紙表面涂布纖維素溶液的過程中,所采用的涂布方法可以為輥涂、噴涂、淋涂、窄縫涂布、絲印、膠印、柔印或凹印等中的至少一種或多種。
[0033]所述凝固浴根據(jù)纖維素溶解體系的不同,選擇不同的凝固浴。當(dāng)所述纖維素溶解體系為LiCl/二甲基乙酰胺溶解體系時,所述凝固浴為I?5%的NaOH溶液。當(dāng)所述纖維素溶解體系為N-甲基嗎琳-N-氧化物的溶解體系時,所述凝固浴為20?40%的甘油水溶液。當(dāng)所述纖維素溶解體系為離子液體溶解體系時,所述凝固浴為水、甲醇、乙醇或丙酮等。當(dāng)所述纖維素溶解體系為NaOH水溶液、尿素水溶液及硫脲水溶液溶解體系時,所述凝固浴可以為2-10 % CaCl2水溶液、2-10 %H2S04水溶液、10?20 %硫酸鈉水溶液、I?5 %HC1水溶液或醋酸水溶液。
[0034]所述干燥的過程可以為,將沖洗后的紙夾在兩層濾紙中間,放在壓平機上壓平,干燥。這樣,可以提高透明紙的平整度。
[0035]本發(fā)明全纖維透明紙的制備方法,具有以下改進點:1、以紙張為網(wǎng)絡(luò)骨架,以紙張表面的纖維素或側(cè)鏈為粘合劑,以再生纖維素為填充劑,呈現(xiàn)一體化的纖維素復(fù)合結(jié)構(gòu);2、以纖維素均相溶液為填充劑和溶解介質(zhì),具有填充紙張內(nèi)部孔隙和溶解纖維素側(cè)鏈或部分纖維素的雙重功效;3、通過涂布工藝將纖維素溶液涂敷到紙張表面。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0037]1、本發(fā)明以傳統(tǒng)造紙工藝得到的紙張或植物纖維為網(wǎng)絡(luò)骨架,以一定溶解度的纖維素均相溶液為填充劑和溶解介質(zhì),均勻涂布到紙張或植物纖維表面,以高效率、低成本的方式填充內(nèi)部孔隙和溶解纖維素側(cè)鏈或部分纖維素,降低孔隙率;2、通過后期整飾工藝提高平整度,形成一體化的纖維素復(fù)合結(jié)構(gòu),進而制備一種全新的低成本全纖維素透明紙。而且,采用本發(fā)明制備方法制備得到的透明紙在一定條件下易生物降解,屬環(huán)境友好材料。此夕卜,本工藝以水為介質(zhì),價格便宜,對環(huán)境無污染,廢液容易回收循環(huán)使用,且整個工藝對設(shè)備要求不高,有望實現(xiàn)大規(guī)模的卷對卷工業(yè)化生產(chǎn)。另外,此方法制作的透明紙,具有良好的柔韌性,特別是在水浸潤之后,依然能夠保持很高的強度。因此,本發(fā)明中還提供一種全纖維素透明紙,所述透明紙采用上述方法制備得到。
[0038]以下通過具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0039]實施例1
[0040]1、制作20g/m2的原紙。其過程可以為:稱取0.4g的針葉木漿板經(jīng)過浸泡后用疏散機疏散,轉(zhuǎn)數(shù)為2萬轉(zhuǎn),將疏散后的漿倒入手抄機中,攪拌,打開排水閥排水,使用濾紙將網(wǎng)上的水吸收,使之貼附在濾紙上,用壓平機壓平,干燥。
[0041 ] 2、配制NaOH/硫脲/水溶液(NaOH:硫脲:水的質(zhì)量比為9.6:9.4:81),在15°C左右加入纖維素粉末,攪拌,纖維素粉末溶解,配制成5 %的纖維素溶液。
[0042]3、將纖維素溶液用20μ絲棒涂布在紙張表面,隨之浸入5%的硫酸溶液中,浸泡15分鐘左右,用水沖洗。
[0043]4、將沖洗后的紙夾在兩層濾紙中間,放在壓平機上壓平,干燥。
[0044]所制備的透明紙透明度在90%,室溫下抗張強度為390.72N/m,斷裂伸長率為19.54%;透明紙浸入蒸餾水中16s,測量濕的情況下的抗張強度為1198.ΙΟΝ/m,斷裂伸長率為1.38%。檢測方法如下:透明度采用48丨16的8453群八4分光光度計測定。抗張強度和斷裂伸長率由臥式濕抗張強度儀測定,采用IS0-1924-3標(biāo)準(zhǔn)。
[0045]實施例2
[0046]1、制作40g/m2的原紙。其過程可以為:稱取0.Sg的針葉木漿板經(jīng)過浸泡后用疏散機疏散,轉(zhuǎn)數(shù)為2萬轉(zhuǎn),將疏散后的漿倒入手抄機中,攪拌,打開排水閥排水,使用濾紙將網(wǎng)上的水吸收,使之貼附在濾紙上,用壓平機壓平,干燥。
[0047]2、配制L1H/尿素/水溶液(NaOH:硫脲:水的質(zhì)量比為4.6:15:80.4),在15 °C左右加入纖維素粉末,攪拌,纖維素粉末溶解,配制成5 %的纖維素溶液。
[0048]3、將纖維素溶液用20μ絲棒涂布在紙張表面,隨之浸入5%的硫酸溶液中,浸泡15分鐘左右,用水沖洗。
[0049]4、將沖洗后的紙夾在兩層濾紙中間,放在壓平機上壓平,干燥。
[0050]所制備的透明紙透明度在90%,室溫下抗張強度為372.90N/m,斷裂伸長率為18.64%;透明紙浸入蒸餾水中16s,測量濕的情況下的抗張強度為1200.ΙΟΝ/m,斷裂伸長率為1.48%。檢測方法如下:透明度采用Agilent8453UV/Vis分光光度計測定??箯垙姸群蛿嗔焉扉L率由臥式濕抗張強度儀測定,采用IS0-1924-3標(biāo)準(zhǔn)。
[0051 ] 實施例3
[0052]1、制作20g/m2的原紙。其過程可以為:稱取0.4g的針葉木漿板經(jīng)過浸泡后用疏散機疏散,轉(zhuǎn)數(shù)為2萬轉(zhuǎn),將疏散后的漿倒入手抄機中,攪拌,打開排水閥排水,使用濾紙將網(wǎng)上的水吸收,使之貼附在濾紙上,用壓平機壓平,干燥。
[0053]2、配制NaOH/硫脲/水溶液(NaOH:硫脲:水的質(zhì)量比為9.5:4.5:86),在15°C左右加入纖維素粉末,攪拌,纖維素粉末溶解,配制成5 %的纖維素溶液。
[0054]3、將纖維素溶液用20μ絲棒涂布在紙張表面,隨之浸入5%的硫酸溶液中,浸泡15分鐘左右,用水沖洗。
[0055]4、將沖洗后的紙夾在兩層濾紙中間,放在壓平機上壓平,干燥。
[0056]所制備的透明紙透明度在90%,室溫下抗張強度為380.92N/m,斷裂伸長率為17.54%;透明紙浸入蒸餾水中16s,測量濕的情況下的抗張強度為1189.ΙΟΝ/m,斷裂伸長率為1.58%。檢測方法如下:透明度采用48丨16的8453群八4分光光度計測定??箯垙姸群蛿嗔焉扉L率由臥式濕抗張強度儀測定,采用IS0-1924-3標(biāo)準(zhǔn)。
[0057]應(yīng)當(dāng)理解的是,本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例,對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說,可以根據(jù)上述說明加以改進或變換,所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種全纖維素透明紙的制備方法,其特征在于,包括以下步驟: 將纖維素溶液涂布到原紙表面; 將原紙浸泡在凝固浴中; 沖洗,干燥,得到全纖維素透明紙。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全纖維素透明紙的制備方法,其特征在于,所述纖維素溶液為將纖維素原料放入纖維素溶解體系中進行溶解得到的。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全纖維素透明紙的制備方法,其特征在于,所述纖維素溶解體系包括LiCl/二甲基乙酰胺、N-甲基嗎琳-N-氧化物、離子液體、NaOH水溶液、尿素水溶液及硫脲水溶液中的至少一種或多種。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全纖維素透明紙的制備方法,其特征在于,纖維素溶液中包括7wt%Na0H/12wt% 尿素水溶液、4.6wt%Li0H/15wt% 尿素水溶液或9.5wt%Na0H/4.5wt%硫脲水溶液中的一種或多種。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全纖維素透明紙的制備方法,其特征在于,7wt%Na0H/12wt%尿素水溶液、4.6wt %Li0H/15wt %尿素水溶液或9.5wt % NaOH/4.5wt %硫脲水溶液經(jīng)過預(yù)冷處理,預(yù)冷至-12?-5 °C。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全纖維素透明紙的制備方法,其特征在于,當(dāng)所述纖維素溶解體系為LiCl/二甲基乙酰胺溶解體系時,所述凝固浴為I?5%的NaOH溶液;當(dāng)所述纖維素溶解體系為N-甲基嗎琳-N-氧化物的溶解體系時,所述凝固浴為20?40%的甘油水溶液;當(dāng)所述纖維素溶解體系為離子液體溶解體系時,所述凝固浴為水、甲醇、乙醇或丙酮;當(dāng)所述纖維素溶解體系為NaOH水溶液、尿素水溶液或硫脲水溶液溶解體系時,所述凝固浴為2-10 %CaCl2水溶液、2-10%H2S04水溶液、10?20%硫酸鈉水溶液、I?5%HC1水溶液或醋酸水溶液。7.根據(jù)權(quán)利要求1?6任一所述的全纖維素透明紙的制備方法,其特征在于,在原紙表面涂布纖維素溶液的過程中,所采用的涂布方法為輥涂、噴涂、淋涂、窄縫涂布、絲印、膠印、柔印或凹印中的至少一種或多種。8.根據(jù)權(quán)利要求1?6任一所述的全纖維素透明紙的制備方法,其特征在于,所述纖維素原料為一種或者多種植物纖維,或是細菌發(fā)酵工藝或人工合成工藝制備得到的纖維素; 所述植物纖維為木材纖維素或非木材纖維素;木材纖維素選擇針葉木樹木、闊葉木或針葉木和闊葉木的混合物;非木材料纖維素選擇自農(nóng)業(yè)殘余物、草類、藻類或其他植物物質(zhì); 所述針葉木包括但不限于云杉、松樹、冷杉、落葉松、花旗松或鐵杉中的一種或多種;所述闊葉木樹木包括但不限于白樺、白楊、山楊、赤揚、按樹或金合歡中的一種或多種。9.根據(jù)權(quán)利要求1?6任一所述的全纖維素透明紙的制備方法,其特征在于,所述干燥的過程為,將沖洗后的紙夾在兩層濾紙中間,放在壓平機上壓平,干燥。10.—種全纖維透明紙,其特征在于,所述全纖維透明紙采用如權(quán)利要求1?9任一所述全纖維素透明紙的制備方法制備得到。
【文檔編號】D21H17/66GK106012667SQ201610341731
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】何明輝, 田君飛
【申請人】廣州紐楷美新材料科技有限公司