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做座纳米技术与制浆造纸工业

发布时间:2021-10-10 14:42:25 阅读: 来源:儿童袜厂家
做座纳米技术与制浆造纸工业

纳米技术与制浆造纸工业

提提要:综述了近几年纳米技术在制浆造纸原料、涂料、湿部化学、涂布加工等领域的研究成果,并对未来应用纳米技术开发的功能性纸品做了简要介绍。

关键词:纳米技术;纳米材料;制浆造纸;应用;成果;前景

纳米纳米科学技术(Nano-ST)是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技,它的基本含义是在纳米尺寸(~m,即0.1~100nm)范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子生成新物质。纳米科技主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米加工学、纳米力学等。与制浆造纸有关的是纳米化学和纳米材料学,近年纳米材料学的发展尤其引人注目。纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米数量级的超细微粒,纳米微粒一般为1~100nm,有人称它为超微粒子(ultra-fine particle),也有人把超微粒范围划为1~1000nm。当小粒子尺寸进入纳米数量级(1~100nm)时,其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。纳米粒子具有较大的比表面积、表面原子数、表面能,表面张力随粒径的下降而急剧增加,从而导致纳米微粒的热、磁、光敏感特性和表面稳定性等不同于正常的粒子。

纳米技术在原料、纸机湿部、废水处理方面的应用

○ 刘洪斌 董荣业(天津科技大学)

1纳纳米技术在制浆造纸原料中的应用

纳米纳米技术在木材中的应用范围为100~1000nm,这个范围基本属于微米的范围,因为木材的细胞直径相对较粗,以现有技术水平和实际应用的意义上讲,木纤维只能加工到微米的水平[1]。

纳米木材纤维的尺寸相对纳米来说是很大的,通过木材纳微米技术可以改变木材的细胞结构和控制细胞的生长,就可能改变木材的特性。利用木材微米尺寸的细胞合成和细胞加工技术在细胞内部进行细胞组织的分解、变化和合成,从而形成新材种。

纳米在木材的纳微米技术中,对于绝大多数的树种,当纤维加工到微米级别后,木材细胞的胞管已经全部破开,胞管内的粘性液体可以容易地流出。机械制浆后可以不必再用化学方法提取胞管内的有害液体,机械浆高得率的优点就可以得到完全实现;可以不必再用化学方法分离纤维,从而减少由于化学分离造成的污染和能源、水的浪为新材料产业及下游利用行业的延续发展奠定良好基础费。如果将木材加工到纳米级,木材原来的细胞结构被破坏,纤维组织结构发生变化,纤维素、半纤维素和木素可在加工过程中用机械方法分离,这样就可以大大提高木素利用率,提高制浆得率,提高制浆造纸工业对环境的友好性。

2 纳米技术在造纸湿部的应用

从造从造纸配料(除水外)各组分的一般最小规格来看,除纤维宽度在10~20μm较大之外,填料微粒一般在0.1~10μm,其余微纤维、非纤维性细小物质、可溶性聚合物等粒径均小于1~2μm,其比表面积约为0.6~600m2/g,因而整体上呈胶体状态,相互间的表面作用和胶体作用居于重要地位,因而造纸湿部化学实质上也是一种表面与胶体化学。由于造纸湿部配料中许多组分结构均非常小,引入有特殊作用的纳米级组分,以发挥纳米技术的作用,进一步提高抄纸效果,应属造纸湿部化学发展的必然趋势。

纳米在现代高速纸机湿部配料中,应用新一代阴离子胶态SiO2(anionic colloidal silica,即ACS)与现已与中科院、清华大学、北京大学、华东理工大学等120所高校科研机构阳离子聚合物,如阳离子改性淀粉(C-starch)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)共用时,可在湿部配料系统中产生粒径为3~5μm、比表面积达500~1000m2/g的氧化硅纳米粒子。这种微粒能在纤维周围絮聚配料中的细小5、如无不正常缘由组分,从而改善浆料组织结构和降低细小组分流失,对改善纸机的运行和纸张匀度,降低浆内添加物用量,均可产生显著的效果。ACS、CS和CPAM相结合就形成了一套纳米粒子系统,在留着、滤水和干强度等方面作用显著。CS及CPAM在冲浆泵和旋翼筛之前加入,使纤维、填料、细小纤维发生初始絮聚,这些初始絮聚物在冲浆泵和旋翼筛内受到剪切作用后,淀粉聚合物链断裂,絮聚物被破坏。而这些分散了的絮聚物将与ACS粒子反应,形成更小、更密、更强的絮聚物。纳米粒子系统能够在上和白水中再絮聚,在高湍动状态下具有高抗剪切力的性能。再絮聚能力提高了纸机后期清洗系统的效率,再絮聚产生了微孔隙的纸幅,使其易于压榨。基于ACS的纳米粒子系统也提高了滤水的平稳性和压榨效率,使水分含量减少,改进了压榨部的运行性能。

3米纳米技术在制浆造纸废水处理中的应用

纳米近年来,应用高级氧化技术(advanced oxidation technologies,AOTs)处理、净化受污染水体的研究获得了显著进展。高级氧化技术又称深度氧化技术,其基础在于运用辐射、催化剂,有时还与氧化剂结合,于反应中产生活性极强的自由基,再通过自由基与有机化合物之间的加合、取代、电子转移等使污染物全部或接近全部矿质化。目前,以净化水体为目的的高级氧化技术多以应用紫外辐射为主,但在达到地面的太阳能辐射中紫外辐射(300~400nm)仅占4%~6%[2]。因此,提高太阳能去污效率的技术关键之一在于研制、改进催化剂,使反应能在弱紫外辐射下有效地进行,或使反应的响应光谱向可见光扩展。

纳米在多种可利用太阳能去污的半导体催化剂中,目前TiO2(锐钛型)被认为是最有效的催化剂,TiO2禁带宽度为3~2eV,在波长小于387nm的紫外辐射激发下,价带电子跃迁到导带。光生电子和空穴分离,在羟基自由基等组分作用下,经过一系列氧化还原反应,有机污染物可降解为简单无机化合物,能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物[3]。分别安装在物镜座上和目镜筒内TiO2的显著优点是:能有效吸收太阳光谱中的弱紫外部分;氧化还原性较强,在较大pH范围内的稳定性强;价廉、无毒。但从太阳能去污的要求出发,其吸收光谱只占太阳光谱中很小一部分,同时,其光量子效率也有待进一步提高。因此研究者从多种途径进行了TiO2材料的改性研究。目前在光催化有机污染物领域所采用的光催化剂多为纳米TiO2。据Masakaz M.等研究,随TiO2粒径的降低,其吸收光谱发生蓝移,催化活性也随粒径的降低而增强,当粒径小于10nm时尤为明显。在此情况下,TiO2催化活性提高并不是由于其物理性能如表面积的变化所致,而是由于其化学性质如反应性能的变化所致,是半导体尺寸量子效应的表现。已有研究证明,光催化氧化可有效地处理卤代烃类、氯代酚类、二恶英、氰化物、各种有机酸及金属粒子等[4]。

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