無機纖維造紙工業(yè)論文
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1.1玻璃纖維紙
1.1.1玻璃纖維的概況
玻璃纖維不僅是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，也是高新技術(shù)發(fā)展不可或缺的配套基礎(chǔ)材料。玻璃纖維產(chǎn)品一般根據(jù)需求不同，將硅砂、石英、硼酸及黏土等原料按不同配比混合，送入高溫爐中，在1100~1300℃將混合原料融制成玻璃熔融體，然后從噴絲板的小孔中通過自重流出、外力控制噴吹或憑借離心力甩制而成。與其他材料相比，玻璃纖維具有耐高溫、不燃燒、電絕緣、拉伸強度大、尺寸穩(wěn)定和耐化學試劑性強等優(yōu)良性能。因而玻璃纖維產(chǎn)品己被廣泛應用于航空航天、兵器、核能、交通運輸及國防高新技術(shù)領(lǐng)域及傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中。
1.1.2玻璃纖維的性能
玻璃纖維截面呈圓形，表面光滑，纖維筆直且直徑不變，對氣體和液體的阻力小，是制備過濾產(chǎn)品的良好材料。其次，玻璃纖維的電絕緣性良好，可用于制作電氣絕緣材料。再次，玻璃纖維還具有良好的耐化學試劑性，能有效抵抗各種介質(zhì)的侵蝕。據(jù)研究可知，石英玻璃纖維的耐酸性良好，耐堿玻璃纖維（AR）的耐堿性良好，中堿玻璃纖維（C玻璃纖維）的耐水性較好。最后，玻璃纖維的耐熱性、隔音性也比較優(yōu)良。這是因為玻璃纖維有較高的軟化溫度(550~750℃)和較大的吸聲系數(shù)，因此宜于制作隔熱材料及應用于各種聲學設(shè)備中。正是由于玻璃纖維具有如此之多的優(yōu)良性能，因此不論是在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域還是在高新技術(shù)的開發(fā)領(lǐng)域玻璃纖維都得到了更廣泛的應用。在造紙工業(yè)中，玻璃纖維較其他纖維相比具有以下優(yōu)勢：(1)阻燃、耐高溫、耐腐蝕、吸濕?。?2)強度大、伸長小，抗拉伸強度和抗沖擊強度大；(3)絕熱性良好，耐化學試劑性強；(4)電絕緣性良好。玻璃纖維的可用溫度范圍較大，且具有一定的耐化學試劑性和非吸濕性，是制備過濾產(chǎn)品的良好材料。因此，采用玻璃纖維抄制成的玻璃纖維紙將會繼承纖維所具有的全部優(yōu)良性能，使玻璃纖維紙更適用于特種工業(yè)生產(chǎn)條件的需要。
1.1.3玻璃纖維在造紙工業(yè)中的應用
隨著造紙工藝的不斷優(yōu)化，我們已經(jīng)可以使用純玻璃纖維進行抄紙。但受到玻璃纖維質(zhì)脆、扭轉(zhuǎn)性差、抗張模量低、表面光滑、纖維間結(jié)合力差等因素的影響，致使抄制成的玻璃纖維紙強度很低，難以適應后加工及使用過程中力的作用。針對這些問題，廖合等人通過打漿、熱處理、酸處理、熱酸處理及添加CPAM、丙烯酸丁酯兩種增強劑的方法對玻璃纖維進行表面改性，并采用添加不同質(zhì)量百分比的針葉木漿的方法對改性后的玻璃纖維紙進行增強。該研究改善了玻璃纖維紙強度低的問題，推動了玻璃纖維紙應用領(lǐng)域的不斷擴大。玻璃纖維表面具有大量的SiO-和AlO-，易吸附水溶液中的H+使水分子發(fā)生極化，而使玻璃纖維表面帶負電，纖維間互相纏繞，導致玻璃纖維在水中難以均勻分散。為解決這一問題，張素風等人通過對玻璃纖維表面電學性能的研究，發(fā)現(xiàn)有效降低纖維表面的Zeta電位可以使纖維在溶劑中良好分散。并針對玻璃纖維的該表面性能，選取不同溶劑和溶液對玻璃纖維進行處理，破壞玻璃纖維間的分子間作用力，以達到良好分散的目的。研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)苯酚-四氯乙烷溶液處理后的玻璃纖維分散效果最好。該研究為解決玻璃纖維在造紙工業(yè)中的分散問題打下了良好的基礎(chǔ)。
1.2碳纖維
1.2.1碳纖維的概況
碳纖維是指化學組成主要為碳元素，且分子結(jié)構(gòu)介于石墨與金剛石之間，含碳體積分數(shù)一般在0.9以上的無機合成纖維材料。碳纖維具有許多優(yōu)于其他纖維的機械性能和物理性能，作為一種新型功能碳材料，近年來發(fā)展迅速。碳纖維是由有機纖維原絲在1000℃以上的高溫下碳化形成的，具有密度小、強度大、剛度好的顯著優(yōu)點，同時還具有一般碳材料的特性，即耐高溫、耐摩擦、抗化學腐蝕、抗輻射、抗疲勞、高導電、高導熱、耐燒蝕、膨脹系數(shù)小、生理相容性好等性能。由于碳纖維具有這些優(yōu)異的綜合性能，使其在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應用。
1.2.2碳纖維紙的概況
碳纖維很少能被直接應用，大多都需要經(jīng)深加工制成復合材料或中間產(chǎn)物后才能應用，碳纖維紙就是其中的一種。碳纖維紙一般由碳纖維或活性碳纖維及碳纖維或活性碳纖維與植物或非植物纖維混合抄造成的特種功能紙。由于碳纖維在水中易絮聚成團，且纖維間無氫鍵等化學作用力存在，自身結(jié)合能力差，所以在抄造過程中必須加入分散劑和粘合劑，以提高成紙勻度和強度。目前，碳纖維紙的抄造方法有干法和濕法兩種，其中濕法工藝已實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，用該法可以成功抄制出碳纖維含量在5%~60%的碳纖維紙。隨著現(xiàn)代造紙工藝和設(shè)備的不斷發(fā)展，采用干法制造碳纖維紙的技術(shù)也開始備受關(guān)注。干法造紙具有無需將碳纖維切短，成紙強度性能較好和易規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點。使用該法抄成的紙，其中碳纖維的含量理論上可以實現(xiàn)0~100%范圍間的變化，主要被應用于制造高性能碳纖維紙。
1.2.3碳纖維紙的性能及應用
使用碳纖維抄造成的碳纖維紙繼承了碳纖維的優(yōu)良性能，具有優(yōu)異的電熱性能和導電性能。當碳纖維紙中碳纖維的含量在1%~5%的范圍時，碳纖維紙的表面電阻減少且釋放電荷，具有抗靜電的性能，常用于制造抗靜電產(chǎn)品。當碳纖維紙中碳纖維的含量在6%~30%的范圍時，碳纖維紙的電阻很少，通電時可將電能轉(zhuǎn)化成熱能，可用于制造發(fā)熱裝置。同時，由于碳纖維具有多孔的特點，所以制成的碳纖維紙也是一種均勻多孔性材料，且其比表面積較大易吸附雜質(zhì)，因此非常適于制造過濾性材料。而隨著復合技術(shù)的不斷提高，碳纖維紙的應用領(lǐng)域?qū)M一步拓寬。
1.2.4碳纖維在造紙工業(yè)中的應用
周兆云等人將丙烯腈基碳纖維經(jīng)聚乙烯酰胺分散，聚乙烯醇黏合劑處理后，采用常規(guī)濕法造紙技術(shù)，對紙張進行憎水處理，抄造出了用于燃料電池的碳纖維紙，并使用掃描電子顯微鏡（SEM）對抄成的碳纖維紙的結(jié)構(gòu)進行了檢測，通過紙張電導率、空隙率、親/疏水等性能的測試結(jié)果對由該工藝制備出的碳纖維紙的整體性能做出評估，結(jié)果顯示性能指標達到國外制造水平。該高性能碳纖維紙不僅可用于燃料電池方面，在環(huán)保、航天、冶金、能源和建材等諸多行業(yè)都存在著巨大的潛在市場。氣體擴散層用碳纖維紙是質(zhì)子交換膜燃料電池中十分重要的組件。裴浩等人利用國產(chǎn)碳纖維氈制備了碳纖維紙，研究了短切碳纖維和樹脂碳含量對碳纖維紙性能的影響，并采用分形維數(shù)的方法表征了碳纖維紙的結(jié)構(gòu)。在此之后，梁云等人使用硅烷偶聯(lián)劑對碳纖維進行處理，制備成的燃料電池用碳纖維紙經(jīng)厚度、孔隙率、面電阻率、抗張強度、透氣度、表面形貌等性能的測試改性結(jié)果良好。進一步促進了燃料電池用碳纖維紙的發(fā)展和進步。
1.3粉煤灰纖維
1.3.1粉煤灰纖維的概況
粉煤灰是火力發(fā)電廠和供熱廠產(chǎn)生的主要固體廢棄物，是煤粉在鍋爐中經(jīng)過1100~1150℃高溫懸浮燃燒后生成的細顆粒粉末。粉煤灰纖維以粉煤灰、氧化鈣為主要原料，經(jīng)高溫熔融、甩/噴絲、冷卻等工序制成的無機纖維。我國以火力發(fā)電為主，燃煤電廠每年都會排放近億噸粉煤灰，成為當前我國排量較大的工業(yè)廢渣之一。粉煤灰可引起很多危害，如堆積占地，污染土壤；粉塵飄浮，污染大氣；濕法排灰，污染水體；甚至含有的微量鈾、鐳等還會造成放射性污染。因此將粉煤灰及粉煤灰纖維用于造紙，既節(jié)約了造紙成本又有利于環(huán)境保護，對解決環(huán)境污染、資源浪費等諸多問題意義重大。
1.3.2粉煤灰纖維的性能
粉煤灰纖維具有密度小、導熱系數(shù)低、耐腐燭、化學穩(wěn)定性強、吸聲性能好、無毒、無污染、防蛀等特點。粉煤灰纖維經(jīng)處理后具有較好的親和力，可用于制造特種用途紙張，如包裝用紙、耐熱紙、防火紙、防潮紙、檔案用紙等，被廣泛應用于造紙行業(yè)。
1.3.3粉煤灰纖維在造紙工業(yè)中的應用
粉煤灰纖維脆性大，剛性強，表面極性基團少，與植物纖維結(jié)合困難，并且粉煤灰纖維中的渣球，在造紙時都會極大地影響紙品質(zhì)量，需要對其加以嚴格控制。蘇芳等人針對粉煤灰纖維存在的這些缺點，使用實驗室自制的氧化陽離子聚乙烯醇改性劑對粉煤灰纖維進行改性，然后將改性后的粉煤灰纖維與植物纖維混合抄紙，通過電子顯微鏡（SEM）進行測試，發(fā)現(xiàn)改性后紙張性能良好。耿杰等人也采用低取代度的季銨型陽離子淀粉對造紙用粉煤灰纖維進行表面陽離子化改性。除此之外，王金山等人對粉煤灰纖維復合紙的增強方法進行了研究，景元琳對粉煤灰纖維的分散、軟化及應用方面做了相關(guān)研究。目前，有關(guān)粉煤灰纖維在造紙等各領(lǐng)域的應用報道較多，這表明我國在粉煤灰纖維的綜合利用方面已取得了長足發(fā)展。因此，解決粉煤灰及粉煤灰纖維的綜合利用問題對解決環(huán)境污染及資源浪費等問題具有重大意義。
1.4白泥纖維
1.4.1白泥纖維的概述
白泥纖維是將制漿造紙廠在堿回收過程中產(chǎn)生的大量副產(chǎn)物白泥、粉煤灰和煤矸石等工業(yè)廢料以適當組分配比，經(jīng)高溫熔融、噴絲、冷卻等工藝制成的以無機礦物為基本成分的無機質(zhì)纖維，是一種原料成本極低的新型特種纖維材料。其主要化學成分為CaCO3，此外還有CaSiO3和殘余的NaOH，以及由于纖維原料不同而含有的不同無機化合物，如Na2S、Al、Fe、Mg及塵埃雜質(zhì)等。將白泥纖維應用在造紙工業(yè)中不僅能替代和節(jié)約植物纖維，而且能在降低造紙成本的同時減少制漿過程的環(huán)境污染，同時還解決了由造紙白泥固體廢棄物堆積而引起的環(huán)境污染及資源浪費等問題。
1.4.2白泥纖維的性能
白泥纖維屬于無機纖維，不能細纖維化，脆性大，剛性強，纖維短，在制漿過程中經(jīng)打漿、分散，輸送較易發(fā)生斷裂。且表面極性基團少，與植物纖維結(jié)合困難，使成紙強度大幅下降，同時在抄紙過程中易出現(xiàn)小段纖維交織、堵塞設(shè)備等問題。由于受到上述諸多問題的制約，因此白泥纖維在造紙工業(yè)中的應用還需進一步地研究和探索。
1.4.3白泥纖維在造紙工業(yè)中的應用
近年來，國外對堿回收白泥的應用研究已經(jīng)發(fā)展得較為深入，而國內(nèi)對堿回收白泥的研究和應用尚處于起步階段，尤其是對由堿回收白泥制成的白泥纖維的綜合利用方面報道少之又少。毛敏等人針對白泥纖維脆性大，剛性強的特征，通過化學接枝法合成了聚乙烯醇-γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷軟化劑對白泥纖維進行改性。改性后的纖維性能增強，與植物纖維配抄出的紙張性能也有所改善。這一研究推動了我國白泥纖維在造紙工業(yè)領(lǐng)域的應用研究和發(fā)展。除此之外，為使白泥纖維能夠更適用于大工業(yè)化的造紙生產(chǎn)要求，王楠等人進一步對白泥纖維的表面改性進行了研究。研究選用改性后的聚乙烯醇對白泥纖維進行表面處理。經(jīng)改性處理后的纖維成紙效果良好，紙張性能增強。該研究進一步推動了造紙用白泥纖維的發(fā)展。
2結(jié)語
無機纖維具有其他纖維無法比擬的優(yōu)越性能，如耐高溫、強度高、絕緣性好、化學穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點。同時，隨著科技的進步，各種新興產(chǎn)業(yè)對高新材料的需求越來越大。以性能優(yōu)異的無機纖維抄制成的特種無機纖維紙的市場需求也會越加廣闊，開發(fā)潛力巨大。因此，研究和開發(fā)無機纖維在造紙工業(yè)中的應用對推進我國無機纖維材料的綜合利用具有不容忽視的重大經(jīng)濟和社會價值。
作者：呂檬夷 蘇秀霞 鄭小鵬 單位：陜西科技大學教育部輕化工助劑化學與技術(shù)重點實驗室
