一种利用复合矿物纤维制备纸张的方法与流程

本发明涉及纸张制备，具体为一种利用复合矿物纤维制备纸张的方法。

背景技术：

1、纸张是纸的总称，是用植物纤维制成的薄片，可用来书写、画画、印刷成书、包装等，是印刷四大要素之一。传统纸张主要以植物纤维为原料，存在阻燃性差、耐温性低、透气度过高等缺陷，难以满足高温过滤、阻燃包装、电池隔膜等特种领域的应用需求。为改善纸张性能，已有技术尝试在植物纤维中添加无机矿物纤维（如硅灰石、海泡石、玻璃纤维等），以提高纸张的耐热性和阻燃性。

2、然而，现有技术仍存在以下问题：

3、矿物纤维与植物纤维相容性差：无机矿物纤维表面极性高，与植物纤维的氢键结合能力弱，导致纸张强度下降，抗张强度较低。

4、阻燃性能与力学性能难以兼顾：添加大量矿物纤维虽能提高阻燃性，但纸张脆性增加、柔韧性降低，无法同时满足高强度、低透气、高阻燃的要求。

5、矿物纤维的分布不均匀：常规机械混合难以使矿物纤维在植物纤维网络中均匀分散，容易产生团聚，影响纸张的匀度和耐破度。

6、缺乏对矿物纤维微观结构的设计：现有技术仅简单地将单一矿物纤维或两种矿物粉体混合使用，未利用不同矿物的协同效应构建具有核壳结构或janus表面的复合纤维，导致功能叠加效果有限。

7、制备工艺对产品性能的调控不足：熔融温度、喷吹参数、改性条件、打浆工艺等多为常规选择，缺乏针对复合矿物纤维特性的精细化控制。

8、因此，亟需开发一种能够同时实现高强度、低透气、高阻燃、良好加工性的复合矿物纤维纸张及其制备方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明旨在解决现有技术中矿物纤维纸张强度低、透气度高、阻燃与力学性能难以兼顾的问题，提供一种利用膨润土与凹凸棒土复合制备核壳结构矿物纤维，并经选择性表面改性后与植物纤维复配抄纸的方法，以及由此获得的具有优异综合性能的纸张产品及其应用。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种利用复合矿物纤维制备纸张的方法，包括以下步骤：

3、s1、原料预处理：将膨润土与凹凸棒土按质量比5：5混合，经破碎、研磨至粒径d50为10-30μm，得复合矿物粉体。

4、s2、纤维化处理：将所述复合矿物粉体置于高温熔融炉中，在1300-1400℃下熔融，经离心喷吹工艺制成复合矿物纤维，所述复合矿物纤维具有核壳结构，其中壳层主要由膨润土组分构成，核芯主要由凹凸棒土组分构成，核壳体积比为（2-4）：1，纤维直径5-10μm，长度80-150mm。

5、s3、表面改性：将所述复合矿物纤维浸入硅烷偶联剂溶液中，在60-80℃下搅拌反应30-60min，取出干燥，得表面改性复合矿物纤维，所述改性使硅烷偶联剂优先键合于膨润土壳层，同时保留凹凸棒土核芯的针状结构。

6、s4、制浆：将所述表面改性复合矿物纤维与植物纤维按质量比（20-50）：（80-50）混合，加入分散剂和水，打浆至叩解度30-50°sr，得复合浆料。

7、s5、抄纸：将所述复合浆料经网部成型、压榨脱水、干燥、压光、卷取，制得复合矿物纤维纸张，该纸张的定量为80-200g/m2，抗张强度≥3.5kn/m，耐破度≥2.0kpa，透气度≤10μm/（pa·s），阻燃等级达到gb 8624 b1级。

8、在一些实施例中，步骤s2中所述离心喷吹的转速为4000-5000r/min，所述核壳结构通过调节熔融温度与喷吹速度的比值控制，其中熔融温度（℃）与喷吹速度（m/s）的比值为（130-140）：1。

9、在一些实施例中，步骤s3中所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，溶液浓度为0.5-2%，ph为4-6，改性后纤维与水的接触角为90-130°，且所述膨润土层间被硅烷分子插层，所述凹凸棒土表面被硅烷分子包覆，形成亲水-疏水交替分布的janus结构。

10、在一些实施例中，步骤s4中所述分散剂为聚丙烯酰胺，用量为绝干纤维质量的0.1-0.5%，打浆浓度为3-5%，打浆时间为15-30min。

11、在一些实施例中，步骤s5中所述干燥采用多段式干燥：第一段80-100℃、第二段100-120℃、第三段120-130℃，各段停留时间2-5min，且干燥过程中纸张的收缩率控制在≤3%。

12、在一些实施例中，步骤s4中还加入增强剂，所述增强剂为阳离子淀粉和/或羧甲基纤维素，阳离子淀粉用量为绝干纤维质量的0.5-2%，羧甲基纤维素用量为绝干纤维质量的0.3-1%，所述增强剂与表面改性复合矿物纤维相互作用，在纤维表面形成包覆层，使矿物纤维与植物纤维之间的氢键结合强度提高20%以上。

13、在一些实施例中，步骤s1中所述膨润土为钠基膨润土，蒙脱石含量≥60%，膨胀指数≥24ml/2g；所述凹凸棒土为硅酸铝质耐火粘土，al2o3含量≥35%，耐火度≥1580℃。

14、在一些实施例中，步骤s4中所述植物纤维为针叶木浆、阔叶木浆或棉浆中的一种或多种，且植物纤维的打浆前叩解度为15-25°sr，与表面改性复合矿物纤维混合后打浆至30-50°sr。

15、在一些实施例中，所述纸张中复合矿物纤维与植物纤维形成三维交联网络结构，复合矿物纤维的核壳结构在纸张中保持完整，且硅烷偶联剂在膨润土层间的插层距离为1.5-2.5nm。

16、在一些实施例中，所述的复合矿物纤维纸张在制备以下材料中的应用：（a）耐温≥300℃的高温过滤材料。（b）阻燃等级v-0级的阻燃包装材料。（c）导热系数≤0.05w/（m·k）的建筑保温隔热纸基材料。（d）孔隙率40-60%、离子电导率≥2.0ms/cm的电池隔膜基材。

17、本发明提供一种利用复合矿物纤维制备纸张的方法，具备以下有益效果：

18、核壳结构复合纤维的协同增强：膨润土（壳层）与凹凸棒土（核芯）按5:5质量比经熔融喷吹形成核壳体积比（2-4）：1的复合纤维，壳层膨润土提供良好的分散性与表面反应活性，核芯凹凸棒土提供高模量与针状骨架支撑，二者协同使纸张抗张强度≥3.5kn/m、耐破度≥2.0kpa，比单一矿物纤维纸张强度提高。

19、选择性表面改性形成janus结构：硅烷偶联剂优先键合于膨润土壳层，同时保留凹凸棒土核芯的原始针状结构，在单根纤维表面形成亲水-疏水交替分布的janus结构。该结构一方面增强与植物纤维的氢键结合，另一方面降低了纸张的透气度。

20、出色的阻燃性能：复合矿物纤维本身具有无机耐火特性，结合优化配比，纸张阻燃等级达到gb 8624 b1级，且无卤素添加，环保安全。

21、工艺精细化控制：通过限定熔融温度与喷吹速度的比值（130-140）：1控制核壳结构成型；通过多段式干燥将纸张收缩率控制在≤3%，避免翘曲开裂；通过增强剂包覆层使矿物纤维与植物纤维的氢键结合强度明显提高。

22、产品综合性能突出：本发明的纸张同时满足定量80-200g/m2、抗张强度≥3.5kn/m、耐破度≥2.0kpa、透气度≤10μm/(pa·s)、阻燃b1级，填补了现有技术中无同时达到上述指标的特种纸空白。