CN120193440A 一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺

村(72)发明人胡江涛潘卫忠张平安毕文武胡兆安所(普通合伙)34255本发明公开了一种改善纸张表面平滑度的步骤：(1)将造纸原料浆料与纳米双相自组装体系混合，所述纳米双相自组装体系包含如下成围为5000~100000Da;本方案通过使用Janus纳米21.一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：(1)将造纸原料浆料与纳米双相自组装体系混合，所述纳米双相自组装体系包含如下Janus纳米粒子，其粒径为20~150纳米，表面具有亲水与疏水相间分布的结构；氢键网络辅助因子，选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠中的一种或多种，分子量范围为(2)将所述纳米双相自组装体系以浆料干重的0.1%～1.5%的比例在湿端网部前段中添(3)在浆料中引入多价金属离子，以诱导Janus纳米粒子与辅助因子形成网络化结构，(4)在湿端成形区域，利用浆料流动形成的剪切力场诱导所述Janus纳米粒子沿纤维表面定向排列并吸附；(5)经压榨和干燥后，在纸张表面形成一层厚度为30~100纳米的纳米粒子自组装层，该层均匀覆盖纤维交界区域并填充表面微孔，显著提升表面平滑度。2.根据权利要求1所述的一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，其特征在于，所述Janus纳米粒子由二氧化硅基底表面异相修饰而成，其一侧表面接枝氨基官能团，另一侧表面接枝烷基或氟烷基链段。3.根据权利要求1所述的一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，其特征在于，所述氢键网络辅助因子的添加比例为Janus纳米粒子质量的50%～200%。4.根据权利要求1所述的一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，其特征在于，所述金属离子以盐溶液形式加入，所述盐溶液pH值控制在4.5~7.5之间。5.根据权利要求1所述的一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，其特征在于，所述Janus纳米粒子表面Zeta电位绝对值不小于25mV。6.根据权利要求1所述的一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，其特征在于，所述浆料在添加自组装体系后的总固含量为2.5%,浆温控制在45℃。7.根据权利要求1所述的一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，其特征在于，所述利用浆料流动形成的剪切力场诱导所述Janus纳米粒子沿纤维表面定向排列并吸附过程在造纸机网部完成，流体流速不低于1.5m/s,剪切速率控制在200～800s⁻¹范围内。8.根据权利要求1所述的一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，其特征在于，所述3一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺技术领域[0001]本发明属于造纸技术领域，具体涉及一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺。背景技术[0002]随着造纸工业的不断发展，纸张在多个应用领域(如印刷、包装、电子显示、医疗等)中的需求日益多样化。纸张表面的质量，尤其是表面平滑度和均匀性，直接影响到纸张的使用性能，尤其是在印刷、涂层以及高精度应用中的表现。改善纸张表面平滑度不仅能够提升其表面质量，还能显著提高印刷适性和后续加工过程中的表现。然而，目前的纸张表面改性技术在解决这一问题时仍然存在一些挑战。纳米材料因其超小尺寸和高比表面积，具有很强的团聚倾向，这使得它们在浆料中的均匀分散成为一大难题。传统的分散方法常依赖于高浓度的表面活性剂，然而这些表面活性剂可能对环境造成污染，或者在后续加工中发明内容[0003]本发明针对上述痛点，提供一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，以解决上述问题。[0004]本发明方案如下：一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，该工艺包括以下步(1)将造纸原料浆料与纳米双相自组装体系混合，所述纳米双相自组装体系包含如下成分：Janus纳米粒子，其粒径为20~150纳米，表面具有亲水与疏水相间分布的结构；氢键网络辅助因子，选自聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠中的一种或多种，分子量范围为5000~100000Da;(2)将所述纳米双相自组装体系以浆料干重的0.1%～1.5%的比例在湿端网部前段(3)在浆料中引入多价金属离子，以诱导Janus纳米粒子与辅助因子形成网络化结构，所述金属离子选自Ca²+、Mg²+、A1³+中的一种或多种，其浓度为浆料总质量的0.01%~(4)在湿端成形区域，利用浆料流动形成的剪切力场诱导所述Janus纳米粒子沿纤维表面定向排列并吸附；(5)经压榨和干燥后，在纸张表面形成一层厚度为30~100纳米的纳米粒子自组装层，该层均匀覆盖纤维交界区域并填充表面微孔，显著提升表面平滑度。[0005]优选的，所述Janus纳米粒子由二氧化硅基底表面异相修饰而成，其一侧表面接枝氨基官能团，另一侧表面接枝烷基或氟烷基链段。[0006]优选的，所述氢键网络辅助因子的添加比例为Janus纳米粒子质量的50%～200%。[0007]优选的，所述金属离子以盐溶液形式加入，所述盐溶液pH值控制在4.5~7.5之间。4[0009]优选的，所述浆料在添加自组装体系后的总固含量为2.5%,浆温控制在45℃。[0010]优选的，所述剪切诱导过程在造纸机网部完成，流体流速不低于1.5m/s,剪切速率控制在200～800s⁻¹范围内。[0011]优选的，所述自组装体系不含任何表面活性剂类添加物，排除烷基酰胺、季铵盐、(1)本方案通过使用Janus纳米粒子和金属离子诱导的自组装技术，显著改善了纸张表面粗糙度。实验结果表明，采用本发明方案的纸张表面粗糙度(Ra值)明显低于传统工艺，提升了纸张的平滑度和光滑感，尤其适用于高端印刷、精细加工等对纸张表面要求较高的应用。[0013](2)本发明避免了传统湿端造纸工艺中常用的表面活性剂，减少了表面活性剂的使用和残留。实验结果显示，在本发明的湿端工艺中，纸张的表面活性剂残留量几乎为零，而传统工艺中的表面活性剂残留量较高，可能会导致环保问题和后续加工污染。因此，本方案提供了一种更环保、更符合可持续发展要求的纸张生产工艺。[0014](3)由于表面平滑度的显著提高，纸张的印刷适性得到了显著改善。光泽度、吸墨均匀性、油墨附着力等性能的提升，确保了纸张在高精度印刷过程中的优良表现。[0015](4)本方案不依赖传统的表面活性剂，而是采用纳米粒子的自组装与金属离子辅助凝胶网络的绿色工艺，既减少了化学品的使用，又避免了污染源的产生。这种创新的湿端造纸工艺符合现代造纸行业对于环保和绿色生产的高标准要求。[0016](5)本发明的工艺操作简便，能够直接与现有纸机设备集成，无需大规模的设备改造。通过调整浆料中纳米粒子的分散性和排列方式，可以在不增加额外设备复杂度的情况[0017](6)本发明在改善表面质量的同时，未对纸张的基材强度、吸水性等物理性能造成负面影响，确保了纸张的综合性能得到优化。这使得改性后的纸张不仅适用于高端印刷，还能在包装、电子纸等领域中保持良好的使用特性。具体实施方式实施例1:一种改善纸张表面平滑度的湿端造纸工艺，该工艺包括以下步骤：(1)将造纸原料浆料与纳米双相自组装体系混合，所述纳米双相自组装体系包含如下成分：氢键网络辅助因子，选用聚乙烯醇(PVA),分子量为50,000Da,添加量为Janus纳米粒子质量的100%;(2)将所述纳米双相自组装体系以浆料干重的0.1%～1.5%的比例在湿端网部前段(3)在浆料中引入Ca²+盐溶液，浓度为0.1%(即浆料总质量的0.1%),pH值控制在56.5;(4)在湿端成形区域，利用浆料流动形成的剪切力场诱导所述Janus纳米粒子沿纤维表面定向排列并吸附；(5)经压榨和干燥后，在纸张表面形成一层厚度为30~100纳米的纳米粒子自组装层，该层均匀覆盖纤维交界区域并填充表面微孔，显著提升表面平滑度。[0019]所述剪切诱导过程在造纸机网部完成，在网部剪切速率控制在500s⁻¹,流速为2m/[0020]实施例2:Janus纳米粒子：采用二氧化硅基底，粒径为100纳米，一侧表面接枝氨基[0021]氢键网络辅助因子：选用羧甲基纤维素钠(CMC),分子量为70,000Da,添加量为Janus纳米粒子质量的150%。[0022]金属离子：使用Al³+盐溶液，浓度为0.15%(即浆料总质量的0.15%),pH值控制在[0023]浆料总固含量：控制在2.8%,浆温保持在42℃。[0024]剪切力：在网部剪切速率控制在700s⁻¹,流速为1.7m/s。[0025]实施例3:Janus纳米粒子：采用二氧化硅基底，粒径为80纳米，一侧表面接枝氨基[0026]氢键网络辅助因子：选用聚乙烯醇(PVA),分子量为60,000Da,添加量为Janus纳米粒子质量的120%。[0027]金属离子：使用Mg²+盐溶液，浓度为0.08%(即浆料总质量的0.08%),pH值控制在[0029]剪切力：在网部剪切速率控制在400s⁻¹,流速为1.9m/s。[0030]实施例4:Janus纳米粒子：采用二氧化硅基底，粒径为150纳米，一侧表面接枝氨基[0031]氢键网络辅助因子：选用羧甲基纤维素钠(CMC),分子量为80,000Da,添加量为Janus纳米粒子质量的200%。[0032]金属离子：使用Ca²+盐溶液，浓度为0.05%(即浆料总质量的0.05%),pH值控制在[0033]浆料总固含量：控制在2.7%,浆温保持在44℃。[0034]剪切力：在网部剪切速率控制在600s⁻¹,流速为2.2m/s。对比例1:纳米材料：使用常规的纳米二氧化硅粒子，粒径为100纳米，表面无任何表面改性，无法针对纤维表面定向排列。[0036]表面活性剂：使用烷基酰胺类表面活性剂，浓度为0.3%(浆料总质量的0.3%),用于促进粒子的分散。[0039]剪切力：在传统纸机网部剪切速率约为250s⁻¹,流速为1.2m/s。6[0040]对比例2:纳米材料：采用普通纳米钛白粉，粒径为200纳米，未进行表面改性。[0041]表面活性剂：使用磺酸盐类表面活性剂，浓度为0.5%(浆料总质量的0.5%),以稳定钛白粉的分散性。[0043]浆料总固含量：4.0%,浆温控制在50℃。[0044]剪切力：在传统纸机网部剪切速率约为300s⁻¹,流速为1.5m/s。[0048]浆料总固含量：3.5%,浆温控[0049]剪切力：在传统纸机网部剪切速率约为350s⁻¹,流速为1.8m/s。[0050]对比实验实验1:验证不同工艺对纸张表面平滑度的影响，比较实施例1-4与对比例1-3之间的表面粗糙度Ra值，评估本发明方案在提高纸张表面质量方面的优势，实验步骤如下：1.样本制备：根据实施例1—4和对比例1—3中的工艺参数，分别生产纸张样本。确保每个样本的浆料固含量，温度，剪切速率等条件符合各自工艺要求。2.表面粗糙度测量：在每张纸样的表面，选择至少5个不同的点进行Ra值的测量。使用表面粗糙度测量仪(如德国WILCOX或Mitutoyo等公司生产的测量仪器)进平均值作为该点的Ra值。对于每个样本，最终计算出5个测量点的Ra值平均值，作为该样本的粗糙度值。3.数据处理：对每个工艺组的Ra值进行统计分析，计算每组的平均Ra值和标准偏差。4.数据计算与结果展示：Ra值计算公式：表面粗糙度Ra值是通过在纸张表面某一测量路径上采样点的平均偏差来计算的，计算公式为：[0051]其中，n是测量的点数，Yi是第i个点相对于平面基准的高度偏差。[0052]实验结果如表1。编号Ra值(m)标准偏差(m)实施例1实施例2实施例3实施例4对比例1对比例2对比例3从实验结果可以看出，实施例1-4的纸张表面粗糙度结果表明，在使用Janus纳米粒子和金属离子诱导网络结构的情况下，纸张表面得到了显著改善。实施例3的Ra值为0.78μm,仍显著优于传统工艺，表明金属离子和纳米自组装体系对7[0055]2.表面活性剂提取：取纸张样本1g(即10x10cm的一小块),放入50mL的乙醇(或异提取液中表面活性剂的质量浓度(mg/mL),然后通过以下公式计算每克纸样本中的表面活性剂残留量(mg/g纸):