纸基功能材料的秘密

通过对特种纤维增强纸基功能材料存在的共性关键技术问题进行全过程技术创新，开发了特种纤维与植物纤维纳米化改性复配分散技术、特种纤维与植物纤维混合配抄技术、湿部化学调控技术和多比例分层成形技术，实现了纸基功能材料成形结构的可控性制备；开发了纸基功能材料内部孔隙结构可控技术，提升了纸基功能材料对液相/气相颗粒的分离效率；开发了新型阻燃增强技术，提升了纸基功能材料的使用安全性及耐候性，获得15项发明专利。应用以上技术提升了纳米定量滤纸、纳米汽车滤纸、阻燃钢纸、防水绝缘钢纸等纸基功能材料系列产品的性能，产品性能达到国内领先水平。产品的开发推广，有助于造纸产业转型发展和高值化、多样化创新，对区域产业的转型发展和劳动力就业有重大贡献，经济和社会效益显著。

1  技术背景

纸基功能材料被认为是传统造纸产业转型升级的重要方向，是实现省政府关于《浙江省全面改造提升传统制造业行动计划（2017-2020年）》的重要抓手。纸基功能材料是以天然植物纤维为主要原料，制造过程多采用特种纤维提升天然植物纤维基材特性，其结构和性能完全不同于传统纸张，具有灵活可设计的结构和力学、光、电、磁、热、声性能，克服单一天然植物纤维材料无法适应的高冲击、高温、高湿、高腐蚀等恶劣工况条件，在国防军工、高速列车等国家重大工程中有着广泛的应用，是战略性物资之一。

纸基功能材料制备过程通过调整纤维类型（植物纤维、无机纤维和合成纤维）、配比、混合方式和成形方法等工艺技术，可进行产品性能的设计，进而制备结构和功能兼备的纸基功能材料系列产品。然而，由于不同类型纤维具有差异化的尺度、表面、界面和物理化学性能，不同纤维在湿法成形过程和加工成形过程表现出来的分散性、表面能、相容性千差万别，并且纤维之间结合力弱，会导致纸基功能材料整体性能不一，容易出现局部的层间破坏或局部微裂纹；特种纤维（无机纤维和合成纤维）添加比例的不恰当也会导致植物纤维基材在增加某一项性能时，过多地降低其他性能，最终导致纸基功能材料性能的顾此失彼，严重影响材料的整体匀度和机械性能。上述问题，已成为利用特种纤维提升高性能纸基功能材料产品开发过程的主要技术瓶颈。

纵观全球，发达国家由于研究起步早，已逐渐形成从单一产品制造向功能化、多样化和高端化产品制造转型，其纸基功能材料制备技术和核心竞争力居国际领先地位，但对制备关键技术进行严密封锁，目前这些共性产业问题已经严重制约我国造纸产业的转型升级和纸基功能材料产业的快速发展。因此，开发如何对特种纤维有效改性处理，不同纤维科学合理配比，以及设计天然植物纤维和特种纤维结合成形过程，充分发挥各类纤维优势特性，达到协同增强作用，进而实现纸基功能材料的高效可控制备，不仅与我国传统造纸产业相关行业的生存和发展息息相关，而且对于纸基功能材料相关产品的产业化推广意义显著。

2  创新内容

（1）提出了特种纤维与植物纤维纳米化改性复配分散技术，解决了混合浆料体系易絮聚、难分散的问题，实现了浆料悬浮液体系的分散均匀性和稳定性。学科分类，造纸技术。钢纸原纸及其制作工艺，吴安波，发明专利，专利号：ZL201310047168.3；一种纳米纤维复合空气滤纸及其制备方法，吴安波，发明专利，专利号：ZL201610371040.6；硬钢纸板及其制备方法，吴安波，发明专利，专利号：ZL201610104168.6。

针对特种纤维的表面疏水特性，利用电荷平衡原理，对玻纤等无机纤维和芳纶纤维等特种纤维进行纳米化改性，配合多元非离子型表面活性剂在特种纤维表面构成水合层大分子结构，解决特种纤维与植物纤维混合浆料体系易絮聚、难分散的问题，提升阻燃钢纸原纸和空气滤纸产品的均度和强度性能。

（2）开发了基于植物纤维与特种纤维混合配抄及湿部化学调控的多比例分层成形技术，解决了阻燃钢纸原纸和空气滤纸成形过程混合浆料滤水性能差、混合纤维Z向分布不均的问题。学科分类，造纸技术。研磨钢纸板及其制作工艺，吴安波，发明专利，专利号：ZL201310071956.6；重载荷用固化机油滤纸及其制备方法和应用，吴安波，发明专利，专利号：ZL201510236458.1；生物滤纸及其制备方法和应用，吴安波，发明专利，专利号：ZL201510260363.3；钢纸板及其制备工艺，吴安波，发明专利，专利号：ZL201310047030.3；一种热封型茶叶滤纸的制备工艺，吴安波，发明专利，专利号：ZL201410405439.2；旁通滤纸及其制备方法，吴安波，发明专利，专利号：ZL201610104010.9；国家标准——GBT1914-2017《化学分析滤纸》第一起草人。

为了提高纸基功能材料的形稳性和强度，特种纤维类型及配抄方式是决定纸基功能材料形稳性和强度性能的关键环节。根据浆料浓度、纤维类型、滤水速度以及纸机车速，构建多元线性回归模型优化混合浆料配抄比例，配合铝离子基-PAM微粒助留助滤技术及通过调整斜网的倾斜角度和真空脱水强度，开发多比例分层成形技术，解决了低密度特种纤维悬浮、高密度特种纤维沉降的问题，满足了纸基功能材料匀度、纵横向分布、Z向分布均匀性等一系列技术指标要求性能，提升阻燃钢纸原纸和高精度柴油复合滤纸产品的均度和强度性能。

（3）开发了纸基功能材料内部孔结构可控构建技术，在保证纸基功能材料高机械强度条件下，在纵向深度方向构建合理的孔结构分布，提升纸基功能材料对液相/气相颗粒的分离效率。学科分类，造纸技术。高精度柴油复合滤纸及其制备方法和应用，吴安波，发明专利，专利号：ZL201510235655.1；一种内燃机滤清器用滤纸及其制备方法，吴安波，发明专利，专利号：ZL201610370533.8；一种平层滤纸及其制备方法，吴安波，发明专利，专利号：ZL201610366872.9；行业标准JBT12651.1-2016《内燃机滤清器用滤纸第1部分，技术条件》第一起草人；行业标准JBT12651.2-2016《内燃机滤清器用滤纸第2部分，检测方法》第二起草人。

纸基功能材料内部孔结构特性决定其应用于功能滤纸产品的过滤效率、容尘率及透过性。采用纤维错位交联理论，结合创新型凹版网纹面的辊式涂布方式对纤维层进行浸渍，制备反应钝化型海绵状孔结构，提高纸基功能材料的孔容积，控制纤维层中微孔和小孔的平均孔径约39μm，解决了内燃机滤清器用滤纸、热固性空气滤纸和高精度柴油复合滤纸等纸基过滤材料过滤效果差和过滤精度低的问题。

（4）开发了新型高阻燃湿纸增强技术，解决了纸基功能材料表面抗水性差，阻燃性差及湿强度低的问题，赋予了纸基功能材料高的使用安全性能及耐候性能。学科分类，造纸技术。硬钢纸板及其制备方法，吴安波，发明专利，专利号：ZL201610104168.6；一种热固性空气滤纸及其制备方法，吴安波，发明专利，专利号：ZL201610225695.2；皱纹滤纸及其制作工艺，吴安波，发明专利，专利号：ZL201310167652.X。

植物纤维是易燃、高亲水性物质，纸基功能材料的抗水性和阻燃性需要依靠特种纤维及阻燃剂等协同作用实现。采用纳米微纤化纤维素负载二氧化钛，结合聚磷酸铵-硅藻土/纳米二氧化钛复合阻燃剂，有效提升纸基功能材料的湿强度和阻燃性能，使纸页的纵向湿抗张强度可达21.8N/15mm，横向湿抗张强度可达6.4N/15mm，有效提高了高精度柴油复合滤纸、医用皱纹纸和高湿强仿皮纸等纸基功能材料的使用安全性能及使用寿命。

（5）应用以上创新性研究工作，提出了特种纤维提升纸基功能材料性能的关键技术，基于该技术开发了纳米定量滤纸、纳米汽车滤纸、阻燃钢纸、防水绝缘钢纸等高性能纸基功能材料系列产品。

由表1可以看出，利用项目技术开发的纳米定量滤纸产品在滤水时间上与国内外竞争企业相同，在最大孔径和灰分指标上比国内双圈牌定量滤纸和美国i-Quip定量滤纸要高。利用项目技术开发的纳米汽车滤纸产品在耐破度和平均孔径关键指标上均好于国内阿木森汽车滤纸和英国MG汽车滤纸产品。利用项目技术开发的阻燃钢纸和防水绝缘钢纸产品在紧度和横断面抗张强度指标上高于国内青岛天丰钢纸产品和日本北越防火快巴FR产品；在氯化锌含量指标上明显优于上述两种对比产品；在阻燃功能性指标上，与日本对比产品阻燃性能相当，国内对比产品未体现原纸的阻燃性；在防水功能性指标上，国内外对比产品未体现原纸的防水性。由此可见，开发的纳米定量滤纸、纳米汽车滤纸、阻燃钢纸和防水绝缘钢纸等产品关键性能指标已达到国外先进水平。

（6）授权知识产权情况：已授权国家发明专利15件；制订国家及行业标准3项；发表论文6篇。

（7）技术指标：该技术开发的代表性产品纳米定量滤纸、纳米汽车滤纸、阻燃钢纸、防水绝缘钢纸等经浙江方圆检测集团股份有限公司、浙江省纸张与包装产品质量检测中心、机械工业电工材料产品质量监督检测中心等单位检测，所测技术指标符合企业标准的要求。

3  应用推广及取得的经济社会效益

该技术自2014年开始成功推广应用到本公司的纳米定量滤纸、纳米汽车滤纸、阻燃钢纸、防水绝缘钢纸等纸基功能材料系列产品的产业化生产中，产品性能达到国内领先水平，国内市场需求量较大。从2014年1月至2018年12月，共计生产和销售产品3.5万多吨，实现产值7亿元、利税7000万元，获得了显著的经济效益。已使所在公司获得高新技术企业、省级企业研究院、省级企业研发中心、省级企业技术标准创新基地、省级博士后科研工作站等研发资源，合作高校新批建省重点实验室、省级工程实验室及省级新兴特色专业等优秀科研平台和优势学科。在不同功能领域的技术创新和技术推广，对浙江省特种纸产品的高端化、高值化、功能化提供技术支撑，显著提升了产品的市场竞争力。