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CN110924220B - 高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法 - Google Patents

高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法。该方法首次通过甲酸钙的交联作用实现了硫酸钙晶须和蔗渣纤维素的无机‑有机异质杂化交联，获得结构稳定的异质互穿网络结构，利用硫酸钙的刚性结构和微米尺寸增强蔗渣纤维素纸的机械性能和透气透湿性，最后通过高压压滤法一步合成高强度蔗渣纤维素纸。本发明制备的硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸的机械强度有显著提高，且具有合成工艺简单、成本低廉、变废为宝的特点，可满足实际生产的需求和资源社会可持续发展的要求。

Description

高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法
技术领域
本发明涉及一种纤维纸制备方法，特别涉及一种有机-无机材料复合纸制备方法，还涉及一种废弃物资源化的方法，应用于造纸和生物质材料资源化技术领域。
背景技术
甘蔗是制糖工业主要的原材料之一，每生产1吨糖大约需要6-12吨甘蔗，由此产生的大量废弃蔗渣造成严重的环境污染和资源浪费。蔗渣浆纸成本仅为木浆纸的一半，因此利用废弃的蔗渣制备高性能的纸张是生物质资源高附加值高效利用的新途径。
硫酸钙晶须(CSW)是以天然生石膏为原料合成的纤维状无机晶体材料，具有低毒性、高长径比、高强度和高模量等优异的力学性能和良好的耐热性能，广泛应用于复合材料的增强改性过程中。在蔗渣纸中添加相对廉价的硫酸钙晶须材料，既可降低原材料成本，又可改善纸张的刚性、强度和耐热性、透气性等性能。然而在有机材料中添加无机增强材料通常会有分散不均、相容性差等弊端，严重影响了复合材料的整体增强性能。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，利用硫酸钙晶须增强蔗渣纤维素纸，必须合理设计工艺条件，通过偶联剂的改性交联作用，以增强无机硫酸钙晶须在纸浆中的分散性和与蔗渣纤维的界面相容性，能够有效发挥硫酸钙晶须的增强作用，开发增强增韧的高品质蔗渣纤维素纸，对于降低生产成本、减少环境污染、合理利用资源、变废为宝、人类社会可持续发展具有重要意义。本发明方法制备的纸张具有机械强度高、弯折柔韧性好的特点，且工艺简单，成本低廉，过程环保，可满足实际生产可持续发展的需求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，包括以下步骤：
a.将粉碎好的蔗渣分散在去离子水中，超声分散至少20min，获得分散均匀的蔗渣纤维素(BCMF)的水分散液，形成纸浆原料悬浮液，其中蔗渣的料液比例(w/v)为0.05-0.5％(g/L)；所述蔗渣纤维素优选采用蔗渣纳米级纤维素及微米级纤维素中任意一种或者二者的混合物材料；
b.采用甲酸钙作为交联剂，将甲酸钙(CF)加入在所述步骤a中制备的纸浆原料悬浮液中，超声分散至少20min，得到分散稳定的BCMF和CF的混合悬浮液，其中甲酸钙的料液比例(w/v)为0.005～0.05％(g/L)；
c.采用硫酸钙晶须作为辅助添加材料，将硫酸钙晶须(CSW)加入在所述步骤b中制备的混合悬浮液中，进行磁力搅拌至少20min，得到混合均匀的甲酸钙交联的BCMF-CSW混合悬浮液，其中硫酸钙晶须的的料液比例(w/v)为0.01～0.1％(g/L)；所述硫酸钙晶须优选采用二水硫酸钙晶须、半水硫酸钙晶须和无水硫酸钙晶须中的任意一种或者任意几种的混合物材料；
d.将在所述步骤c中所得的甲酸钙交联的BCMF-CSW混合悬浮液倒入高压压滤机中，调节压强，压滤至不再有滤液流出，取出滤饼真空干燥，从而通过高压压滤一步法得到硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸。作为本发明优选的技术方案，对于所制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸，由硫酸钙晶须与蔗渣纤维素通过甲酸钙的交联作用，构筑异质网状结构，来增强蔗渣纤维纸的力学强度性能。优选高压压滤一步法调节压强范围为1～3MPa。优选所制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸的断裂强度不低于37.5MPa。
作为本发明优选的技术方案，所制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸中的硫酸钙晶须和蔗渣纤维素的无机-有机杂化交联，构筑完整的异质网络结构；其中硫酸钙晶须穿插在蔗渣纤维素网络中，破坏了蔗渣纤维素之间的氢键作用，形成BCMF-CSW复合纸网络结构的微孔，形成透气透湿通道微结构。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明方法利用硫酸钙晶须增强蔗渣纤维素纸，通过甲酸钙(CF)的交联作用，硫酸钙晶须(CSW)和蔗渣纤维素(BCMF)异质互穿形成三维网状结构，通过高压压滤法一步形成高强度的蔗渣纤维纸；刚性的硫酸钙晶须增加了蔗渣纤维素纸机械性能，同时由于硫酸钙晶须异质结构，增加了蔗渣纤维素纸的透气透湿性；
2.本发明方法首次通过甲酸钙偶联作用，实现硫酸钙晶须和蔗渣纤维素的无机-有机杂化交联，构筑完整的异质网络结构，利用硫酸钙晶须的刚性性能，增强了蔗渣纤维素纸的拉伸断裂强度，有利于BCMF-CSW复合纸的机械性能的提高；
3.本发明方法制备的复合纸的微米尺寸的硫酸钙晶须穿插在蔗渣纤维素网络中，破坏了蔗渣纤维素之间的氢键作用，增大了网络结构的孔隙率，从而提高了蔗渣纤维纸的透气透湿性；本发明方法工艺简单，成本低廉，主要原料都是工业废弃物，具有广泛的实际生产前景和社会应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例一、实施例二和对比例方法制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸的力学拉伸-断裂曲线对比图。
图2为本发明实施例一方法制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸实物照片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一
在本实施例中，一种高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，包括以下步骤：
a.将粉碎好的80mg蔗渣分散在100mL去离子水中，超声分散20min，获得分散均匀的蔗渣纤维素(BCMF)的水分散液，形成纸浆原料悬浮液；
b.采用甲酸钙作为交联剂，将8mg甲酸钙(CF)加入在所述步骤a中制备的纸浆原料悬浮液中，超声分散20min，得到分散稳定的BCMF和CF的混合悬浮液；
c.采用硫酸钙晶须作为辅助添加材料，将16mg硫酸钙晶须(CSW)加入在所述步骤b中制备的混合悬浮液中，进行磁力搅拌20min，得到混合均匀的甲酸钙交联的BCMF-CSW混合悬浮液；
d.将在所述步骤c中所得的甲酸钙交联的BCMF-CSW混合悬浮液倒入高压压滤机中，调节压强范围为1～3MPa，压滤至不再有滤液流出，取出滤饼真空干燥，从而通过高压压滤一步法得到硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸。
实验测试分析：
将本实施例制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸进行实验测试分析，所制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸的断裂强度达到39.6MPa，参见图1，本实施例制备的复合纸由硫酸钙晶须与蔗渣纤维素通过甲酸钙的交联作用，构筑异质网状结构，来增强蔗渣纤维纸的力学强度性能。本实施例制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸纸质均匀，透气透湿，参见图2。本实施例方法利用硫酸钙晶须增强蔗渣纤维素纸，必须合理设计工艺条件，通过偶联剂的改性交联作用，以增强无机硫酸钙晶须在纸浆中的分散性和与蔗渣纤维的界面相容性，能够有效发挥硫酸钙晶须的增强作用，开发增强增韧的高品质蔗渣纤维素纸，对于降低生产成本、减少环境污染、合理利用资源、变废为宝、人类社会可持续发展具有重要意义。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
一种高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，包括以下步骤：
a.将粉碎好的80mg蔗渣分散在100mL去离子水中，超声分散20min，获得分散均匀的蔗渣纤维素(BCMF)的水分散液，形成纸浆原料悬浮液；
b.采用甲酸钙作为交联剂，将8mg甲酸钙(CF)加入在所述步骤a中制备的纸浆原料悬浮液中，超声分散20min，得到分散稳定的BCMF和CF的混合悬浮液；
c.采用硫酸钙晶须作为辅助添加材料，将8mg硫酸钙晶须(CSW)加入在所述步骤b中制备的混合悬浮液中，进行磁力搅拌20min，得到混合均匀的甲酸钙交联的BCMF-CSW混合悬浮液；
d.将在所述步骤c中所得的甲酸钙交联的BCMF-CSW混合悬浮液倒入高压压滤机中，调节压强范围为1～3MPa，压滤至不再有滤液流出，取出滤饼真空干燥，从而通过高压压滤一步法得到硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸。
实验测试分析：
将本实施例制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸进行实验测试分析，所制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸的断裂强度达到37.5MPa，参见图1，本实施例制备的复合纸由硫酸钙晶须与蔗渣纤维素通过甲酸钙的交联作用，构筑异质网状结构，来增强蔗渣纤维纸的力学强度性能。本实施例制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸纸质均匀，透气透湿。本实施例方法利用硫酸钙晶须增强蔗渣纤维素纸，必须合理设计工艺条件，通过偶联剂的改性交联作用，以增强无机硫酸钙晶须在纸浆中的分散性和与蔗渣纤维的界面相容性，能够有效发挥硫酸钙晶须的增强作用，开发增强增韧的高品质蔗渣纤维素纸，对降低生产成本、减少环境污染、合理利用资源、变废为宝、人类社会可持续发展具有重要意义。
对比例
在本对比例中，一种蔗渣纤维纸制备方法，包括以下步骤：
a.将粉碎好的80mg蔗渣分散在100mL去离子水中，超声分散20min，获得分散均匀的蔗渣纤维素(BCMF)的水分散液，形成纸浆原料悬浮液；
b.将在所述步骤a中所得的纸浆原料悬浮液倒入高压压滤机中，调节压强范围为1～3MPa，压滤至不再有滤液流出，取出滤饼真空干燥，从而通过高压压滤一步法得到蔗渣纤维素纸。
实验测试分析：
将本对比例制备的蔗渣纤维素纸进行实验测试分析，蔗渣纤维素纸的断裂强度为36.9MPa，参见图1，其强度显然比实施例一和实施例二制备的高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸要低。
综合上述实施例可知，通过甲酸钙偶联作用，实现硫酸钙晶须和蔗渣纤维素的无机-有机杂化交联，构筑完整的异质网络结构，利用硫酸钙晶须的刚性性能，增强了蔗渣纤维素纸的拉伸断裂强度，参见图1，有利于BCMF-CSW复合纸的机械性能的提高。利用硫酸钙晶须增强蔗渣纤维素纸，通过甲酸钙(CF)的交联作用，硫酸钙晶须(CSW)和蔗渣纤维素(BCMF)异质互穿形成三维网状结构，通过高压压滤法一步形成高强度的蔗渣纤维纸。刚性的硫酸钙晶须增加了蔗渣纤维素纸机械性能，同时由于硫酸钙晶须异质结构，增加了蔗渣纤维素纸的透气透湿性。上述实施例方法通过甲酸钙的交联作用实现了硫酸钙晶须和蔗渣纤维素的无机-有机异质杂化交联，获得结构稳定的异质互穿网络结构，利用硫酸钙的刚性结构和微米尺寸增强蔗渣纤维素纸的机械性能和透气透湿性，最后通过高压压滤法一步合成高强度蔗渣纤维素纸。本发明制备的硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸的机械强度有显著提高，且具有合成工艺简单、成本低廉、变废为宝的特点，可满足实际生产的需求和资源社会可持续发展的要求。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将粉碎好的蔗渣分散在去离子水中，超声分散至少20min，获得分散均匀的蔗渣纤维素(BCMF)的水分散液，形成纸浆原料悬浮液，其中蔗渣的料液比例(w/v)为0.05-0.5％(g/L)；
b.采用甲酸钙作为交联剂，将甲酸钙(CF)加入在所述步骤a中制备的纸浆原料悬浮液中，超声分散至少20min，得到分散稳定的BCMF和CF的混合悬浮液，其中甲酸钙的料液比例(w/v)为0.005～0.05％(g/L)；
c.采用硫酸钙晶须作为辅助添加材料，将硫酸钙晶须(CSW)加入在所述步骤b中制备的混合悬浮液中，进行磁力搅拌至少20min，得到混合均匀的甲酸钙交联的BCMF-CSW混合悬浮液，其中硫酸钙晶须的的料液比例(w/v)为0.01～0.1％(g/L)；
d.将在所述步骤c中所得的甲酸钙交联的BCMF-CSW混合悬浮液倒入高压压滤机中，调节压强，压滤至不再有滤液流出，取出滤饼真空干燥，从而通过高压压滤一步法得到硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸。
2.根据权利要求1所述高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述蔗渣纤维素采用蔗渣纳米级纤维素及微米级纤维素中任意一种或者二者的混合物材料。
3.根据权利要求1所述高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，所述硫酸钙晶须采用二水硫酸钙晶须、半水硫酸钙晶须和无水硫酸钙晶须中的任意一种或者任意几种的混合物材料。
4.根据权利要求1所述高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，其特征在于：在所述步骤d中，对于所制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸，由硫酸钙晶须与蔗渣纤维素通过甲酸钙的交联作用，构筑异质网状结构，来增强蔗渣纤维纸的力学强度性能。
5.根据权利要求1所述高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，其特征在于：在所述步骤d中，所述高压压滤一步法调节压强范围为1～3MPa。
6.根据权利要求1所述高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，其特征在于：在所述步骤d中，所制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸的断裂强度不低于37.5MPa。
7.根据权利要求1所述高强度硫酸钙晶须增强的蔗渣纤维纸制备方法，其特征在于：在所述步骤d中，所制备的硫酸钙晶须增强的柔性高强蔗渣纤维素纸中的硫酸钙晶须和蔗渣纤维素的无机-有机杂化交联，构筑完整的异质网络结构；其中硫酸钙晶须穿插在蔗渣纤维素网络中，破坏了蔗渣纤维素之间的氢键作用，形成BCMF-CSW复合纸网络结构的微孔，形成透气透湿通道微结构。
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