納米科技在紙張中的應用

□林其水

一、納米粉體在紙張制造中的作用

在印刷領域中，與油墨涂料一樣，納米粉體材料在紙張上的應用也已呈現(xiàn)出良好的效果。我們知道，紙張是印刷和包裝中最常用的材料，其品質(zhì)的優(yōu)劣是印刷品質(zhì)量的最佳體現(xiàn)。由于傳統(tǒng)紙張所用的樹木、竹、麻等纖維物的纖維較粗，而涂料（如碳酸鈣等）、填充物（如高嶺土等）的顆粒較大，還有一些膠等配料的性能不好等原因，使傳統(tǒng)的紙張存在著一些缺陷，如普通紙具有怕水、怕潮等缺點，膠版印刷紙和靜電復印紙雖然有防水、防潮等功能，但書寫不方便，還有一些特殊的性能無法實現(xiàn)等，從而影響了印刷品的品質(zhì)。近年隨著納米材料學的迅速發(fā)展，納米技術在造紙工業(yè)的應用領域愈來愈廣，新成果不斷涌現(xiàn)。和制漿造紙中有關的是納米化學和納米材料學，它可能會對造紙工業(yè)的發(fā)展造成新的飛躍，使印刷品的品質(zhì)將再次提高。

根據(jù)目前的技術水準和紙張的實際應用，木纖維只能加工到微米（100-1000nm）的水準，由于木材的細胞直徑相對較粗，通過木材納米技術可以改變木材的細胞結構和控制細胞的生長，就可能改變木材的特性。對于絕大多數(shù)木材來說，當纖維加工到微米級后，木材細胞的胞管已經(jīng)全部破開，胞管內(nèi)的粘性液體可以容易地流出。機械制漿后就可以不必再用化學方法提取胞管內(nèi)的有害液體和分離纖維，而若將木材加工到納米級，木材原來的細胞結構將被破壞，纖維組織結構發(fā)生變化，纖維素、半纖維素和木素可在加工過程中用機械方法分離，這樣就可以大大提高制漿率和降低制漿造紙工業(yè)對環(huán)境的污染。

此外，在科技高速發(fā)展的今天，人們對紙張性能、品質(zhì)等將有更高的要求，除了常規(guī)的印刷、書寫紙張外，對于具有特殊功能紙張的需求也不斷增多。而納米材料作為特種紙張制造的一種特殊助劑，正愈來愈引起人們的重視。目前，在造紙行業(yè)中，納米材料主要用于抗水、抗菌、抗靜電、抗老化以及加香、阻燃、變色等功能性用紙的開發(fā)，而且已有一些產(chǎn)品面市。將納米復合材料應用于包裝印刷領域，將徹底改變包裝印刷領域的面貌，為包裝印刷開辟一條新的道路。

雖然納米材料及納米復合材料在造紙領域有著良好的性能和廣泛的用途，但是目前納米材料的研發(fā)還不太成熟和完善，它還有一些問題需要進一步的研究和解決，如破碎、團聚、分散技術等還不夠理想，有待于進一步提高，對于納米制品的性能檢測，產(chǎn)品標準還有待進一步完善。但可以預言，隨著納米粒子生產(chǎn)成本的降低，功能性納米粒子品種的增多，納米技術將在印刷領域和造紙工業(yè)中發(fā)揮更大的作用，給印刷和相關行業(yè)帶來無限的生機和活力。

二、目前已生產(chǎn)應用的納米紙

1、納米石科紙

大家知道草漿、木漿、竹漿、麻纖維等是最基本和常見的造紙原料，但是隨著納米高新技術在造紙領域的應用，如今已開發(fā)出利用石頭造紙的新技術，這種用石頭造成的紙就叫做納米石科紙，它首先由臺灣龍盟科技企業(yè)梁石輝先生于2001年初研發(fā)成功并于年底開始生產(chǎn)的，如今這種納米紙已有多家開始生產(chǎn)。

石科紙是將納米級碳酸鈣涂布到基材上制成的。鑒于納米的特性，任何物質(zhì)在達到納米級時都是可涂布的。由于石頭富含碳酸成分，所以在實際運用中成為首選材料。石科紙的造紙工藝與傳統(tǒng)造紙工藝有嚴格的區(qū)別，它要求更接近于塑料制作工藝，生產(chǎn)設備也更類似于制造塑料的設備，而且其工藝流程也不像傳統(tǒng)造紙那么復雜。兩者間一個重要區(qū)別是，石科紙的制作不是用漿去抄紙，因此客觀存在的整個工藝過程不用一滴水。相對于傳統(tǒng)紙巨大的耗水量，這可以算是一個革命性的進步。另外，石科紙造紙工藝對環(huán)境的要求比傳統(tǒng)工藝更嚴格，要求十分精細、干凈，只要有一點雜質(zhì)，就會影響到紙的表面光潔度和平滑度等。雖然目前這種石科紙大力生產(chǎn)推出的還只有彩色噴墨打印相紙一種，但新聞紙、銅版紙等印刷用紙的紙樣也已經(jīng)生產(chǎn)出來，因此可以相信，隨著研究的深入，其他印刷用石科紙的大規(guī)模生產(chǎn)也是為期不遠了。

這種新的彩色噴墨打印相紙（石科紙）與傳統(tǒng)同類產(chǎn)品相比，具有以下優(yōu)勢：（1）由于客觀存在用木纖維制造，而是由納米級石粉漿涂布到基材上，其顆粒形狀使紙表面由無數(shù)個孔洞組成，因此吸墨牢，噴墨打印不易被浸濁，也能夠防水。（2）傳統(tǒng)木漿紙有纖維，容易暈墨，而石科紙無纖維，不存在暈墨現(xiàn)象，所以噴墨打印后清晰度高。噴墨打印相紙要求極高的分辨率，石科紙全部達到2880dpi精度，打印效果特別好。石科紙表面不覆膜，表面的無機物就不會與墨發(fā)生化學反應，從而避免了偏色、脫色現(xiàn)象的發(fā)生。（3）與傳統(tǒng)彩色噴墨打印紙用墨量相比，石科紙更省墨。石科紙720dpi精度與傳統(tǒng)1440dpi精度清晰度相同，在同等清晰度要求下，石科紙能省墨一半。（4）石科紙所用原料是無機物，與墨不發(fā)生反應，與空氣中的酸堿成分也不發(fā)生反應，不會變色泛黃，更適合于貴重檔的保存。傳統(tǒng)相紙有保存期限的要求，開封兩個月后就不能使用了，而石科紙輕易地解決了這個問題，放置多久都不會存在過期不能用的問題。（5）易回收。石科紙爆曬三個月后會風化成石粉，有利于環(huán)保。（6）低成本。石科紙由于是使用廉價的石頭為原料，因此成本較低。與傳統(tǒng)彩色噴墨打印相紙相比，其成本只達到其25%，售價也只有其1/3左右，這就充分提高了其產(chǎn)品的競爭能力。但目前的石科紙的產(chǎn)品規(guī)格還不齊全，還主要局限在 A1、A2、A3、A4這些常規(guī)小幅面范圍內(nèi)，大幅面的產(chǎn)品還是空白，但隨著科技的發(fā)展，生產(chǎn)大幅面的產(chǎn)品應是沒什么難度的問題。

2、抗菌納米紙

許多有機抗菌劑都存在著耐熱性差、易揮發(fā)、易分解產(chǎn)生有害物質(zhì)、安全性能差等缺點。為此，人們積極開發(fā)研究無機抗菌劑，而利用超微細技術能夠生產(chǎn)亞微米及納米級的無機抗菌劑，可以很好地解決有機抗菌劑的缺點。納米級無機抗菌劑系列包括元素、氧化物和多種化合物。將納米無機抗菌劑混入造紙漿料及表面施膠液中，就可將紙張抗菌產(chǎn)業(yè)化，如物理抗菌復合纖維無紡布、醫(yī)用食品包裝紙、高級生活用紙等。無機抗菌劑主要包括銀、銅、鋅、硫、砷及其離子元素等。光催化抗菌劑有納米級氧化鈦、氧化鋅、氧化硅等，它們能將細菌和殘骸一起殺滅和消除，從而超過傳統(tǒng)抗菌劑僅能殺滅細菌本身的性能。同時，還能將細菌分泌的毒素也分解掉，而傳統(tǒng)的抗菌劑就無法消除細菌殘骸和毒素。MOD系列納米高性能無機抗菌劑解決了無機抗菌劑在應用中變色的世界性難題，用0.5%-2%添加量的包裝產(chǎn)品，其抗菌率可達99.9%，目前應用于牛奶、飲料抗菌包裝、塑料制品，功能性涂料及專用紙張等。

3、耐磨、抗靜電納米紙

在多樣化的工業(yè)用品包裝中，特別是高精密儀表電器、光潔度要求很高的不銹鋼材料及各種合金材料的包裝襯紙，不僅要求包裝用紙具有防水、防油、防銹性能，而且要求具有強度高、耐磨擦、抗靜電、抗老化的特點，而一般的紙張都很難同時具有這些特點。但如果將0.1%-0.3%左右的納米二氧化鈦、三氧化二鉻、氧化鋅、三氧化二鐵、二氧化錫等粉體滲入到造紙漿料中而制作的這種特種紙，就可以具有優(yōu)良的耐磨、抗水、耐腐蝕等作用，而且它同時還會產(chǎn)生良好的靜電屏蔽性能，大大降低其靜電效應，從而可大幅度地提高包裝產(chǎn)品的安全系數(shù)。

4、染色納米紙

用于紙張著色的色料可分為染料和顏料兩大類。染色用顏料多屬天然無機顏料，也有部分是有機合成的。顏料不溶于水，與纖維無親和力，染色性能不如染料，但是顏料耐旋光性強，對酸、堿等化學藥劑的抗拒性能也較強。染料雖然容易上色，但是易水解，在濕部流失大，污染性強，成紙的色牢度差，且不耐酸、堿等化學藥劑。如果采用納米級顏料，就可以解決有色紙的色牢度問題。最近研究發(fā)現(xiàn)，將納米二氧化鈦、鉻黃、氧化鐵紅等粉體添加到化學纖維中，可以遮蓋紫外線的過度照射。利用電子計算機模擬設計發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦微粒粒徑在50至120納米時，吸收紫外線效果最好，把這種粒徑范圍的屏蔽粉體微粒加入纖維中，可以制作成耐光的亞光高白紙，以及色彩鮮艷的有色紙，并且可以達到抗紫外線的效果。

5、無機纖維納米紙

造紙工業(yè)主要是以植物纖維為原料，現(xiàn)在也有用無機化合物來生產(chǎn)特種紙張的。由于這些無機物加工制成的無機纖維具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐熱性、抗化學性、阻燃性和電絕緣性，這些性質(zhì)都是植物纖維所望塵莫及的。而具有代表性的無機纖維——玻璃纖維，因經(jīng)不起打漿，玻璃纖維之間又缺乏粘結和，抄成的紙頁很脆弱，但是如果把玻璃絲直徑控制在100納米以下，那么就可以解決玻璃絲的伸縮小、柔軟性差而造成的成紙難的現(xiàn)象，有利于纖維的互相交織成形。

6、彩色加香納米紙

隨著科技的發(fā)展，人們生活水準的不斷提高，對紙的品質(zhì)要求也愈來愈高，如今已開發(fā)并生產(chǎn)出各種香型、各種顏色的膠版印刷紙、書寫紙等系列用紙。這種加香紙不僅色澤柔和細膩，而且含有淡淡的清香。而將納米技術應用于加香紙的研制，將使加香紙的品質(zhì)、印刷適性等大為提高，印刷的高檔印刷品的圖像將更加細膩、逼真。將彩色加香紙應用于印制書刊、中小學課本、練習本、筆記本及各種兒童讀物等，人們在閱讀時不會因為紙的白度高而感到刺眼，從而可減輕長時間閱讀的疲勞，對保護視力、預防近視有一定作用。因此，這種加香紙一經(jīng)推出，就受到廣大用戶的好評。

7、納米阻燃紙

就是能阻止著火燃燒的紙，對它來說，無論多大的火力，都不會引起燃燒，是任何火種的克星，它只能燒焦、碳化，但不著火。這種紙使用后，可作廢紙?zhí)幚恚谧匀唤到庵袩o任何有害物釋放，阻燃紙一般可用于煙花、禮花、彩炮、圣誕玩具、旅游炊具等。是當今節(jié)日用品(各種喜慶場面、營造室內(nèi)歡快氣氛等)中理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品。甚至有人提出用這種紙做成消防隊員等經(jīng)常要與火打交道人的衣服，防止衣服燃燒，起到阻燃作用。此外，將阻燃紙應用于干式變壓器上，具安全、無毒、阻燃及抗輻射等優(yōu)點。

8、磁性納米紙

磁性紙可以像錄音磁帶那樣在錄音機上錄音，也能放送出聲音。磁性紙的制造方法，是在該紙的內(nèi)部含有磁性物質(zhì)粉末，或者是在該紙的表面附著有磁性物質(zhì)粉末，這種紙經(jīng)沖磁處理后而具有磁性；利用這種紙本身所具有的磁性，可以將它直接附著在鐵質(zhì)物體上。而將納米技術應用于磁性紙上，使紙張品質(zhì)更加優(yōu)良，磁性效果更好、更持久。如今這種磁性紙在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療保健、國防、科研、文教衛(wèi)生以及人民生活等領域?qū)⒂懈鼜V泛、更新穎的用途。

除此之外，納米技術及材料在紙張產(chǎn)品的開發(fā)中也發(fā)揮著特殊的功效，例如變色紙、儲能紙等高性能特種紙產(chǎn)品的開發(fā)和研究。此外，由于納米材料的化學活性優(yōu)異，作為催化劑在造紙化學品、廢水處理方面也有廣闊的應用前景。納米技術除了在紙張上的應用外，目前在包裝印刷行業(yè)中還有不少用途，如包裝印刷中的納米粘合劑和密封膠、納米磁性材料、納米基板包裝材料、納米催化劑與凈水劑、納米發(fā)光材料與防偽印刷等。總括而言，納米作為近年來研究發(fā)展迅速的高新技術，它在印刷領域的應用也將和其它領域一樣，將在深度和廣度上不斷發(fā)展。