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CN118600771A - 一种高透明纸基材料及其制备方法 - Google Patents

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CN118600771A CN202410982310.1A CN202410982310A CN118600771A CN 118600771 A CN118600771 A CN 118600771A CN 202410982310 A CN202410982310 A CN 202410982310A CN 118600771 A CN118600771 A CN 118600771A
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Abstract

本发明涉及一种高透明纸基材料及其制备方法,本发明提供了一种高纤维长径比的纳米纤维素透明纸,按质量百分比计包含下列成分:羧基改性纳米纤维素:93%~95%,填料0~2%,助剂1~2%。通过TEMPO(2,2,6,6‑四甲基‑1‑哌啶氧化物)氧化将纳米纤维素表面的羟基转化为羧基,提高了纤维素表面负电荷密度,进而增强纤维之间的静电斥力,防止纳米纤维素分散过程中团聚的发生。通过在纳米纤维素表面引入羧基基团,形成了一定的空间位阻效应,限制了水分子进入纤维素的无定形区,避免了制纸过程中吸湿膨胀。通过控制氧化反应条件,获得了高长径比的纳米纤维素,在制备纸基材料时可形成更加致密且均匀的纤维网络结构,减少了材料内部的孔隙率和散射中心,从而提高了光透过率,透明度可达93%。

Description

一种高透明纸基材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及特种纸制造领域,特别是涉及一种高透明纸基材料及其制备方法,该纸基材料具有高透明度及良好的机械性能。
背景技术
透明纸属于特种纸中的一种,它通常由植物性纤维素类纳米纤维(如CelluloseNanofiber,简称CNF)作为主要原料,这些纳米纤维的细度仅为头发直径的两万分之一,赋予了透明纸极高的透明度。由于其独特的性能,透明纸在液晶显示屏、照明器具、太阳能电池以及替代平板电脑显示屏玻璃等领域展现出广泛的应用前景。
尽管透明纸具有诸多优点和应用潜力,但现有技术在透明纸的生产和应用过程中仍存在一些问题亟待解决。尤其是透明纸的透明度和强度之间往往存在矛盾,如何在保证透明度的同时提升纸张的强度,是现有技术面临的一个重要难题。现有技术采用对天然纤维素处理后获得的纳米纤维素制造透明纸,利用纳米纤维素能够在纸张内部形成紧密的网络结构,显著增强了纸张的强度及韧性,并保质量良好的透明度。然而纳米纤维素本身在分散过程中容易形成团聚体,且制备过程中容易产生吸湿膨胀,最终影响透明纸的均匀性和透明度。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高透明纸基材料,通过TEMPO氧化将纳米纤维素表面的羟基转化为羧基,提高了纤维素表面负电荷密度,进而增强纤维之间的静电斥力,防止纳米纤维素分散过程中团聚的发生。通过在纳米纤维素表面引入羧基基团,形成了一定的空间位阻效应,限制了水分子进入纤维素的无定形区,避免了制纸过程中的吸湿膨胀。通过控制氧化反应条件,获得了高长径比的纳米纤维素,在制备纸基材料时可形成更加致密且均匀的纤维网络结构,减少了材料内部的孔隙率和散射中心,从而提高了光透过率,透明度可达95%。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:所述高透明纸基材料,按质量百分比计包含下列成分:羧基改性纳米纤维素:93%~95%,填料 0~2%,助剂 1~2%。
上述方案中,所述羧基改性纳米纤维素是纳米纤维素通过TEMPO氧化获得的。
上述方案中,所述填料为碳酸钙、二氧化钛、滑石粉中的至少一种。
上述方案中,所述助剂为丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
上述方案中,所述高透明纸基材料,按质量百分比计包含下列成分:羧基改性纳米纤维素:95%,填料 2%,助剂 1%。
上述方案中,所述羧基改性纳米纤维素纤维长径比为:1:50-1:200。
本发明的另一目的在于提供所述高透明纸基材料的制备方法,具体步骤为,
S1:羧基改性纳米纤维素的制备,将纳米纤维素分散于去离子水中,分散均匀的悬浮液,向上述悬浮液中加入TEMPO/NaBr溶液,搅拌充分后,缓慢滴加NaClO溶液,采用1mol/L的NaOH溶液,保持反应体系PH值为10-11,0℃下反应10h;反应结束后用1mol/L的HCl溶液中和反应液至中性,用去离子水对反应液进行抽滤洗涤,获得羧基改性纳米纤维素;
S2:纸基材料的制备,将羧基改性纳米纤维素、填料、助剂按比例分散于适量水中,超声分散2h后抽滤,将滤饼在烘箱中30℃干燥2h后即得所述纸基材料。
步骤S1中纳米纤维素、TEMPO、NaBr、NaClO质量比为1:(0.01-0.02):(0.1-0.2):(5-10)
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括:
1.本发明通过TEMPO(2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧化物)氧化将纳米纤维素表面的羟基转化为羧基,提高了纤维素表面负电荷密度,进而增强纤维之间的静电斥力,防止纳米纤维素分散过程中团聚的发生。通过在纳米纤维素表面引入羧基基团,形成了一定的空间位阻效应,限制了水分子进入纤维素的无定形区,避免了制纸过程中吸湿膨胀。
2. 通过控制氧化反应条件,调节纳米纤维素、TEMPO、NaBr、NaClO质量比为1:(0.01-0.02):(0.1-0.2):(5-10),获得了高长径比的纳米纤维素,在制备纸基材料时可形成更加致密且均匀的纤维网络结构,减少了材料内部的孔隙率和散射中心,从而提高了光透过率,透明度可达93%。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
以下各实施例及对比例透明度根据GB/T 2410-2008国家标准进行测定;采用拉伸压缩材料试验机(Instron5565)测定其机械强度。
实施例1:将纳米纤维素分散于去离子水中,分散均匀的悬浮液,向上述悬浮液中加入TEMPO/NaBr溶液,搅拌充分后,缓慢滴加NaClO溶液,纳米纤维素、TEMPO、NaBr、NaClO质量比为1:0.01:0.1:5。采用1mol/L的NaOH溶液,保持反应体系PH值为10,0℃下反应10h;反应结束后用1mol/L的HCl溶液中和反应液至中性,用去离子水对反应液进行抽滤洗涤,获得羧基改性纳米纤维素;
将羧基改性纳米纤维素、碳酸钙、丙烯酸树脂以质量比93:1:1分散于适量水中,超声分散2h后抽滤,将滤饼在烘箱中30℃干燥2h后即得所述纸基材料。纸基材料中纤维长径比为50,透明度为89%,拉伸强度为201.3Mpa。
实施例2:将纳米纤维素分散于去离子水中,分散均匀的悬浮液,向上述悬浮液中加入TEMPO/NaBr溶液,搅拌充分后,缓慢滴加NaClO溶液,纳米纤维素、TEMPO、NaBr、NaClO质量比为1:0.02:0.2:10。采用1mol/L的NaOH溶液,保持反应体系PH值为10,0℃下反应10h;反应结束后用1mol/L的HCl溶液中和反应液至中性,用去离子水对反应液进行抽滤洗涤,获得羧基改性纳米纤维素;
将羧基改性纳米纤维素、二氧化钛、丙烯酸树脂以质量比95:2:1分散于适量水中,超声分散2h后抽滤,将滤饼在烘箱中30℃干燥2h后即得所述纸基材料。纸基材料中纤维长径比为200,透明度为93%,拉伸强度为233.1Mpa。
实施例3:将纳米纤维素分散于去离子水中,分散均匀的悬浮液,向上述悬浮液中加入TEMPO/NaBr溶液,搅拌充分后,缓慢滴加NaClO溶液,纳米纤维素、TEMPO、NaBr、NaClO质量比为1:0.01:0.2:5。采用1mol/L的NaOH溶液,保持反应体系PH值为10,0℃下反应10h;反应结束后用1mol/L的HCl溶液中和反应液至中性,用去离子水对反应液进行抽滤洗涤,获得羧基改性纳米纤维素;
将羧基改性纳米纤维素、碳酸钙、聚甲基丙烯酸甲酯以质量比93:0:2分散于适量水中,超声分散2h后抽滤,将滤饼在烘箱中30℃干燥2h后即得所述纸基材料。纸基材料中纤维长径比为135,透明度为90%,拉伸强度为214.5Mpa。
对比例1
对比例1中各组分用量和制备步骤基本同实施例1,其区别在于对比例1中的纳米纤维素未进行羧基化改性。最终所得纸基材料中纤维长径比为20,透明度为73%,拉伸强度为132.7Mpa。
对比例2
对比例2中各组分用量和制备步骤基本同实施例1,其区别在于对比例2中未采用NaOH调节反应体系PH,室温下反应20h;最终所得纸基材料中纤维长径比为15,透明度为80%,拉伸强度为144.5Mpa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高透明纸基材料,其特征在于,按质量百分比计包含下列成分:
羧基改性纳米纤维素:93%~95%,填料 0~2%,助剂 1~2%。
2.根据权利要求1所述的高透明纸基材料,其特征在于,所述羧基改性纳米纤维素是纳米纤维素通过TEMPO氧化获得的。
3.根据权利要求1所述的高透明纸基材料,其特征在于,所述填料为碳酸钙、二氧化钛、滑石粉中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的高透明纸基材料,其特征在于,所述助剂为丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高透明纸基材料,其特征在于,按质量百分比计包含下列成分:羧基改性纳米纤维素:95%,填料 2%,助剂 1%。
6.根据权利要求1所述的高透明纸基材料,其特征在于,所述羧基改性纳米纤维素纤维长径比为:1:50-1:200。
7.根据权利要求1-6任意一项所述高透明纸基材料的制备方法,其特征在于:具体步骤为,
S1:羧基改性纳米纤维素的制备,将纳米纤维素分散于去离子水中,分散均匀的悬浮液,向上述悬浮液中加入TEMPO/NaBr溶液,搅拌充分后,缓慢滴加NaClO溶液,采用1mol/L的NaOH溶液,保持反应体系PH值为10-11,0℃下反应10h;反应结束后用1mol/L的HCl溶液中和反应液至中性,用去离子水对反应液进行抽滤洗涤,获得羧基改性纳米纤维素;
S2:纸基材料的制备,将羧基改性纳米纤维素、填料、助剂按比例分散于适量水中,超声分散2h后抽滤,将滤饼在烘箱中30℃干燥2h后即得所述纸基材料。
8.根据权利要求7任意一项所述高透明纸基材料的制备方法,其特征在于:所述步骤S1中纳米纤维素、TEMPO、NaBr、NaClO质量比为1:(0.01-0.02):(0.1-0.2):(5-10)。
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