无机纤维造纸工业论文

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1几种无机纤维及无机纤维纸

1.1玻璃纤维纸

1.1.1玻璃纤维的概况

玻璃纤维不仅是一种性能优异的无机非金属材料，也是高新技术发展不可或缺的配套基础材料。玻璃纤维产品一般根据需求不同，将硅砂、石英、硼酸及黏土等原料按不同配比混合，送入高温炉中，在1100~1300℃将混合原料融制成玻璃熔融体，然后从喷丝板的小孔中通过自重流出、外力控制喷吹或凭借离心力甩制而成。与其他材料相比，玻璃纤维具有耐高温、不燃烧、电绝缘、拉伸强度大、尺寸稳定和耐化学试剂性强等优良性能。因而玻璃纤维产品己被广泛应用于航空航天、兵器、核能、交通运输及国防高新技术领域及传统工业生产中。

1.1.2玻璃纤维的性能

玻璃纤维截面呈圆形，表面光滑，纤维笔直且直径不变，对气体和液体的阻力小，是制备过滤产品的良好材料。其次，玻璃纤维的电绝缘性良好，可用于制作电气绝缘材料。再次，玻璃纤维还具有良好的耐化学试剂性，能有效抵抗各种介质的侵蚀。据研究可知，石英玻璃纤维的耐酸性良好，耐碱玻璃纤维（AR）的耐碱性良好，中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）的耐水性较好。最后，玻璃纤维的耐热性、隔音性也比较优良。这是因为玻璃纤维有较高的软化温度(550~750℃)和较大的吸声系数，因此宜于制作隔热材料及应用于各种声学设备中。正是由于玻璃纤维具有如此之多的优良性能，因此不论是在传统的工业生产领域还是在高新技术的开发领域玻璃纤维都得到了更广泛的应用。在造纸工业中，玻璃纤维较其他纤维相比具有以下优势：(1)阻燃、耐高温、耐腐蚀、吸湿小；(2)强度大、伸长小，抗拉伸强度和抗冲击强度大；(3)绝热性良好，耐化学试剂性强；(4)电绝缘性良好。玻璃纤维的可用温度范围较大，且具有一定的耐化学试剂性和非吸湿性，是制备过滤产品的良好材料。因此，采用玻璃纤维抄制成的玻璃纤维纸将会继承纤维所具有的全部优良性能，使玻璃纤维纸更适用于特种工业生产条件的需要。

1.1.3玻璃纤维在造纸工业中的应用

随着造纸工艺的不断优化，我们已经可以使用纯玻璃纤维进行抄纸。但受到玻璃纤维质脆、扭转性差、抗张模量低、表面光滑、纤维间结合力差等因素的影响，致使抄制成的玻璃纤维纸强度很低，难以适应后加工及使用过程中力的作用。针对这些问题，廖合等人通过打浆、热处理、酸处理、热酸处理及添加CPAM、丙烯酸丁酯两种增强剂的方法对玻璃纤维进行表面改性，并采用添加不同质量百分比的针叶木浆的方法对改性后的玻璃纤维纸进行增强。该研究改善了玻璃纤维纸强度低的问题，推动了玻璃纤维纸应用领域的不断扩大。玻璃纤维表面具有大量的SiO-和AlO-，易吸附水溶液中的H+使水分子发生极化，而使玻璃纤维表面带负电，纤维间互相缠绕，导致玻璃纤维在水中难以均匀分散。为解决这一问题，张素风等人通过对玻璃纤维表面电学性能的研究，发现有效降低纤维表面的Zeta电位可以使纤维在溶剂中良好分散。并针对玻璃纤维的该表面性能，选取不同溶剂和溶液对玻璃纤维进行处理，破坏玻璃纤维间的分子间作用力，以达到良好分散的目的。研究结果对比发现，经苯酚-四氯乙烷溶液处理后的玻璃纤维分散效果最好。该研究为解决玻璃纤维在造纸工业中的分散问题打下了良好的基础。

1.2碳纤维

1.2.1碳纤维的概况

碳纤维是指化学组成主要为碳元素，且分子结构介于石墨与金刚石之间，含碳体积分数一般在0.9以上的无机合成纤维材料。碳纤维具有许多优于其他纤维的机械性能和物理性能，作为一种新型功能碳材料，近年来发展迅速。碳纤维是由有机纤维原丝在1000℃以上的高温下碳化形成的，具有密度小、强度大、刚度好的显著优点，同时还具有一般碳材料的特性，即耐高温、耐摩擦、抗化学腐蚀、抗辐射、抗疲劳、高导电、高导热、耐烧蚀、膨胀系数小、生理相容性好等性能。由于碳纤维具有这些优异的综合性能，使其在现代工业中得到了广泛应用。

1.2.2碳纤维纸的概况

碳纤维很少能被直接应用，大多都需要经深加工制成复合材料或中间产物后才能应用，碳纤维纸就是其中的一种。碳纤维纸一般由碳纤维或活性碳纤维及碳纤维或活性碳纤维与植物或非植物纤维混合抄造成的特种功能纸。由于碳纤维在水中易絮聚成团，且纤维间无氢键等化学作用力存在，自身结合能力差，所以在抄造过程中必须加入分散剂和粘合剂，以提高成纸匀度和强度。目前，碳纤维纸的抄造方法有干法和湿法两种，其中湿法工艺已实现工业规模生产，用该法可以成功抄制出碳纤维含量在5%~60%的碳纤维纸。随着现代造纸工艺和设备的不断发展，采用干法制造碳纤维纸的技术也开始备受关注。干法造纸具有无需将碳纤维切短，成纸强度性能较好和易规模化生产等优点。使用该法抄成的纸，其中碳纤维的含量理论上可以实现0~100%范围间的变化，主要被应用于制造高性能碳纤维纸。

1.2.3碳纤维纸的性能及应用

使用碳纤维抄造成的碳纤维纸继承了碳纤维的优良性能，具有优异的电热性能和导电性能。当碳纤维纸中碳纤维的含量在1%~5%的范围时，碳纤维纸的表面电阻减少且释放电荷，具有抗静电的性能，常用于制造抗静电产品。当碳纤维纸中碳纤维的含量在6%~30%的范围时，碳纤维纸的电阻很少，通电时可将电能转化成热能，可用于制造发热装置。同时，由于碳纤维具有多孔的特点，所以制成的碳纤维纸也是一种均匀多孔性材料，且其比表面积较大易吸附杂质，因此非常适于制造过滤性材料。而随着复合技术的不断提高，碳纤维纸的应用领域将会进一步拓宽。

1.2.4碳纤维在造纸工业中的应用

周兆云等人将丙烯腈基碳纤维经聚乙烯酰胺分散，聚乙烯醇黏合剂处理后，采用常规湿法造纸技术，对纸张进行憎水处理，抄造出了用于燃料电池的碳纤维纸，并使用扫描电子显微镜（SEM）对抄成的碳纤维纸的结构进行了检测，通过纸张电导率、空隙率、亲/疏水等性能的测试结果对由该工艺制备出的碳纤维纸的整体性能做出评估，结果显示性能指标达到国外制造水平。该高性能碳纤维纸不仅可用于燃料电池方面，在环保、航天、冶金、能源和建材等诸多行业都存在着巨大的潜在市场。气体扩散层用碳纤维纸是质子交换膜燃料电池中十分重要的组件。裴浩等人利用国产碳纤维毡制备了碳纤维纸，研究了短切碳纤维和树脂碳含量对碳纤维纸性能的影响，并采用分形维数的方法表征了碳纤维纸的结构。在此之后，梁云等人使用硅烷偶联剂对碳纤维进行处理，制备成的燃料电池用碳纤维纸经厚度、孔隙率、面电阻率、抗张强度、透气度、表面形貌等性能的测试改性结果良好。进一步促进了燃料电池用碳纤维纸的发展和进步。

1.3粉煤灰纤维

1.3.1粉煤灰纤维的概况

粉煤灰是火力发电厂和供热厂产生的主要固体废弃物，是煤粉在锅炉中经过1100~1150℃高温悬浮燃烧后生成的细颗粒粉末。粉煤灰纤维以粉煤灰、氧化钙为主要原料，经高温熔融、甩/喷丝、冷却等工序制成的无机纤维。我国以火力发电为主，燃煤电厂每年都会排放近亿吨粉煤灰，成为当前我国排量较大的工业废渣之一。粉煤灰可引起很多危害，如堆积占地，污染土壤；粉尘飘浮，污染大气；湿法排灰，污染水体；甚至含有的微量铀、镭等还会造成放射性污染。因此将粉煤灰及粉煤灰纤维用于造纸，既节约了造纸成本又有利于环境保护，对解决环境污染、资源浪费等诸多问题意义重大。

1.3.2粉煤灰纤维的性能

粉煤灰纤维具有密度小、导热系数低、耐腐烛、化学稳定性强、吸声性能好、无毒、无污染、防蛀等特点。粉煤灰纤维经处理后具有较好的亲和力，可用于制造特种用途纸张，如包装用纸、耐热纸、防火纸、防潮纸、档案用纸等，被广泛应用于造纸行业。

1.3.3粉煤灰纤维在造纸工业中的应用

粉煤灰纤维脆性大，刚性强，表面极性基团少，与植物纤维结合困难，并且粉煤灰纤维中的渣球，在造纸时都会极大地影响纸品质量，需要对其加以严格控制。苏芳等人针对粉煤灰纤维存在的这些缺点，使用实验室自制的氧化阳离子聚乙烯醇改性剂对粉煤灰纤维进行改性，然后将改性后的粉煤灰纤维与植物纤维混合抄纸，通过电子显微镜（SEM）进行测试，发现改性后纸张性能良好。耿杰等人也采用低取代度的季铵型阳离子淀粉对造纸用粉煤灰纤维进行表面阳离子化改性。除此之外，王金山等人对粉煤灰纤维复合纸的增强方法进行了研究，景元琳对粉煤灰纤维的分散、软化及应用方面做了相关研究。目前，有关粉煤灰纤维在造纸等各领域的应用报道较多，这表明我国在粉煤灰纤维的综合利用方面已取得了长足发展。因此，解决粉煤灰及粉煤灰纤维的综合利用问题对解决环境污染及资源浪费等问题具有重大意义。

1.4白泥纤维

1.4.1白泥纤维的概述

白泥纤维是将制浆造纸厂在碱回收过程中产生的大量副产物白泥、粉煤灰和煤矸石等工业废料以适当组分配比，经高温熔融、喷丝、冷却等工艺制成的以无机矿物为基本成分的无机质纤维，是一种原料成本极低的新型特种纤维材料。其主要化学成分为CaCO3，此外还有CaSiO3和残余的NaOH，以及由于纤维原料不同而含有的不同无机化合物，如Na2S、Al、Fe、Mg及尘埃杂质等。将白泥纤维应用在造纸工业中不仅能替代和节约植物纤维，而且能在降低造纸成本的同时减少制浆过程的环境污染，同时还解决了由造纸白泥固体废弃物堆积而引起的环境污染及资源浪费等问题。

1.4.2白泥纤维的性能

白泥纤维属于无机纤维，不能细纤维化，脆性大，刚性强，纤维短，在制浆过程中经打浆、分散，输送较易发生断裂。且表面极性基团少，与植物纤维结合困难，使成纸强度大幅下降，同时在抄纸过程中易出现小段纤维交织、堵塞设备等问题。由于受到上述诸多问题的制约，因此白泥纤维在造纸工业中的应用还需进一步地研究和探索。

1.4.3白泥纤维在造纸工业中的应用

近年来，国外对碱回收白泥的应用研究已经发展得较为深入，而国内对碱回收白泥的研究和应用尚处于起步阶段，尤其是对由碱回收白泥制成的白泥纤维的综合利用方面报道少之又少。毛敏等人针对白泥纤维脆性大，刚性强的特征，通过化学接枝法合成了聚乙烯醇-γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷软化剂对白泥纤维进行改性。改性后的纤维性能增强，与植物纤维配抄出的纸张性能也有所改善。这一研究推动了我国白泥纤维在造纸工业领域的应用研究和发展。除此之外，为使白泥纤维能够更适用于大工业化的造纸生产要求，王楠等人进一步对白泥纤维的表面改性进行了研究。研究选用改性后的聚乙烯醇对白泥纤维进行表面处理。经改性处理后的纤维成纸效果良好，纸张性能增强。该研究进一步推动了造纸用白泥纤维的发展。

2结语

无机纤维具有其他纤维无法比拟的优越性能，如耐高温、强度高、绝缘性好、化学稳定性好、使用寿命长等优点。同时，随着科技的进步，各种新兴产业对高新材料的需求越来越大。以性能优异的无机纤维抄制成的特种无机纤维纸的市场需求也会越加广阔，开发潜力巨大。因此，研究和开发无机纤维在造纸工业中的应用对推进我国无机纤维材料的综合利用具有不容忽视的重大经济和社会价值。

作者：吕檬夷 苏秀霞 郑小鹏 单位：陕西科技大学教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室