纳米科技在纸张中的应用

□林其水

一、纳米粉体在纸张制造中的作用

在印刷领域中，与油墨涂料一样，纳米粉体材料在纸张上的应用也已呈现出良好的效果。我们知道，纸张是印刷和包装中最常用的材料，其品质的优劣是印刷品质量的最佳体现。由于传统纸张所用的树木、竹、麻等纤维物的纤维较粗，而涂料（如碳酸钙等）、填充物（如高岭土等）的颗粒较大，还有一些胶等配料的性能不好等原因，使传统的纸张存在着一些缺陷，如普通纸具有怕水、怕潮等缺点，胶版印刷纸和静电复印纸虽然有防水、防潮等功能，但书写不方便，还有一些特殊的性能无法实现等，从而影响了印刷品的品质。近年随着纳米材料学的迅速发展，纳米技术在造纸工业的应用领域愈来愈广，新成果不断涌现。和制浆造纸中有关的是纳米化学和纳米材料学，它可能会对造纸工业的发展造成新的飞跃，使印刷品的品质将再次提高。

根据目前的技术水准和纸张的实际应用，木纤维只能加工到微米（100-1000nm）的水准，由于木材的细胞直径相对较粗，通过木材纳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。对于绝大多数木材来说，当纤维加工到微米级后，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。机械制浆后就可以不必再用化学方法提取胞管内的有害液体和分离纤维，而若将木材加工到纳米级，木材原来的细胞结构将被破坏，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制浆率和降低制浆造纸工业对环境的污染。

此外，在科技高速发展的今天，人们对纸张性能、品质等将有更高的要求，除了常规的印刷、书写纸张外，对于具有特殊功能纸张的需求也不断增多。而纳米材料作为特种纸张制造的一种特殊助剂，正愈来愈引起人们的重视。目前，在造纸行业中，纳米材料主要用于抗水、抗菌、抗静电、抗老化以及加香、阻燃、变色等功能性用纸的开发，而且已有一些产品面市。将纳米复合材料应用于包装印刷领域，将彻底改变包装印刷领域的面貌，为包装印刷开辟一条新的道路。

虽然纳米材料及纳米复合材料在造纸领域有着良好的性能和广泛的用途，但是目前纳米材料的研发还不太成熟和完善，它还有一些问题需要进一步的研究和解决，如破碎、团聚、分散技术等还不够理想，有待于进一步提高，对于纳米制品的性能检测，产品标准还有待进一步完善。但可以预言，随着纳米粒子生产成本的降低，功能性纳米粒子品种的增多，纳米技术将在印刷领域和造纸工业中发挥更大的作用，给印刷和相关行业带来无限的生机和活力。

二、目前已生产应用的纳米纸

1、纳米石科纸

大家知道草浆、木浆、竹浆、麻纤维等是最基本和常见的造纸原料，但是随着纳米高新技术在造纸领域的应用，如今已开发出利用石头造纸的新技术，这种用石头造成的纸就叫做纳米石科纸，它首先由台湾龙盟科技企业梁石辉先生于2001年初研发成功并于年底开始生产的，如今这种纳米纸已有多家开始生产。

石科纸是将纳米级碳酸钙涂布到基材上制成的。鉴于纳米的特性，任何物质在达到纳米级时都是可涂布的。由于石头富含碳酸成分，所以在实际运用中成为首选材料。石科纸的造纸工艺与传统造纸工艺有严格的区别，它要求更接近于塑料制作工艺，生产设备也更类似于制造塑料的设备，而且其工艺流程也不像传统造纸那么复杂。两者间一个重要区别是，石科纸的制作不是用浆去抄纸，因此客观存在的整个工艺过程不用一滴水。相对于传统纸巨大的耗水量，这可以算是一个革命性的进步。另外，石科纸造纸工艺对环境的要求比传统工艺更严格，要求十分精细、干净，只要有一点杂质，就会影响到纸的表面光洁度和平滑度等。虽然目前这种石科纸大力生产推出的还只有彩色喷墨打印相纸一种，但新闻纸、铜版纸等印刷用纸的纸样也已经生产出来，因此可以相信，随着研究的深入，其他印刷用石科纸的大规模生产也是为期不远了。

这种新的彩色喷墨打印相纸（石科纸）与传统同类产品相比，具有以下优势：（1）由于客观存在用木纤维制造，而是由纳米级石粉浆涂布到基材上，其颗粒形状使纸表面由无数个孔洞组成，因此吸墨牢，喷墨打印不易被浸浊，也能够防水。（2）传统木浆纸有纤维，容易晕墨，而石科纸无纤维，不存在晕墨现象，所以喷墨打印后清晰度高。喷墨打印相纸要求极高的分辨率，石科纸全部达到2880dpi精度，打印效果特别好。石科纸表面不覆膜，表面的无机物就不会与墨发生化学反应，从而避免了偏色、脱色现象的发生。（3）与传统彩色喷墨打印纸用墨量相比，石科纸更省墨。石科纸720dpi精度与传统1440dpi精度清晰度相同，在同等清晰度要求下，石科纸能省墨一半。（4）石科纸所用原料是无机物，与墨不发生反应，与空气中的酸碱成分也不发生反应，不会变色泛黄，更适合于贵重档的保存。传统相纸有保存期限的要求，开封两个月后就不能使用了，而石科纸轻易地解决了这个问题，放置多久都不会存在过期不能用的问题。（5）易回收。石科纸爆晒三个月后会风化成石粉，有利于环保。（6）低成本。石科纸由于是使用廉价的石头为原料，因此成本较低。与传统彩色喷墨打印相纸相比，其成本只达到其25%，售价也只有其1/3左右，这就充分提高了其产品的竞争能力。但目前的石科纸的产品规格还不齐全，还主要局限在 A1、A2、A3、A4这些常规小幅面范围内，大幅面的产品还是空白，但随着科技的发展，生产大幅面的产品应是没什么难度的问题。

2、抗菌纳米纸

许多有机抗菌剂都存在着耐热性差、易挥发、易分解产生有害物质、安全性能差等缺点。为此，人们积极开发研究无机抗菌剂，而利用超微细技术能够生产亚微米及纳米级的无机抗菌剂，可以很好地解决有机抗菌剂的缺点。纳米级无机抗菌剂系列包括元素、氧化物和多种化合物。将纳米无机抗菌剂混入造纸浆料及表面施胶液中，就可将纸张抗菌产业化，如物理抗菌复合纤维无纺布、医用食品包装纸、高级生活用纸等。无机抗菌剂主要包括银、铜、锌、硫、砷及其离子元素等。光催化抗菌剂有纳米级氧化钛、氧化锌、氧化硅等，它们能将细菌和残骸一起杀灭和消除，从而超过传统抗菌剂仅能杀灭细菌本身的性能。同时，还能将细菌分泌的毒素也分解掉，而传统的抗菌剂就无法消除细菌残骸和毒素。MOD系列纳米高性能无机抗菌剂解决了无机抗菌剂在应用中变色的世界性难题，用0.5%-2%添加量的包装产品，其抗菌率可达99.9%，目前应用于牛奶、饮料抗菌包装、塑料制品，功能性涂料及专用纸张等。

3、耐磨、抗静电纳米纸

在多样化的工业用品包装中，特别是高精密仪表电器、光洁度要求很高的不锈钢材料及各种合金材料的包装衬纸，不仅要求包装用纸具有防水、防油、防锈性能，而且要求具有强度高、耐磨擦、抗静电、抗老化的特点，而一般的纸张都很难同时具有这些特点。但如果将0.1%-0.3%左右的纳米二氧化钛、三氧化二铬、氧化锌、三氧化二铁、二氧化锡等粉体渗入到造纸浆料中而制作的这种特种纸，就可以具有优良的耐磨、抗水、耐腐蚀等作用，而且它同时还会产生良好的静电屏蔽性能，大大降低其静电效应，从而可大幅度地提高包装产品的安全系数。

4、染色纳米纸

用于纸张着色的色料可分为染料和颜料两大类。染色用颜料多属天然无机颜料，也有部分是有机合成的。颜料不溶于水，与纤维无亲和力，染色性能不如染料，但是颜料耐旋光性强，对酸、碱等化学药剂的抗拒性能也较强。染料虽然容易上色，但是易水解，在湿部流失大，污染性强，成纸的色牢度差，且不耐酸、碱等化学药剂。如果采用纳米级颜料，就可以解决有色纸的色牢度问题。最近研究发现，将纳米二氧化钛、铬黄、氧化铁红等粉体添加到化学纤维中，可以遮盖紫外线的过度照射。利用电子计算机模拟设计发现，二氧化钛微粒粒径在50至120纳米时，吸收紫外线效果最好，把这种粒径范围的屏蔽粉体微粒加入纤维中，可以制作成耐光的亚光高白纸，以及色彩鲜艳的有色纸，并且可以达到抗紫外线的效果。

5、无机纤维纳米纸

造纸工业主要是以植物纤维为原料，现在也有用无机化合物来生产特种纸张的。由于这些无机物加工制成的无机纤维具有良好的尺寸稳定性、耐热性、抗化学性、阻燃性和电绝缘性，这些性质都是植物纤维所望尘莫及的。而具有代表性的无机纤维——玻璃纤维，因经不起打浆，玻璃纤维之间又缺乏粘结和，抄成的纸页很脆弱，但是如果把玻璃丝直径控制在100纳米以下，那么就可以解决玻璃丝的伸缩小、柔软性差而造成的成纸难的现象，有利于纤维的互相交织成形。

6、彩色加香纳米纸

随着科技的发展，人们生活水准的不断提高，对纸的品质要求也愈来愈高，如今已开发并生产出各种香型、各种颜色的胶版印刷纸、书写纸等系列用纸。这种加香纸不仅色泽柔和细腻，而且含有淡淡的清香。而将纳米技术应用于加香纸的研制，将使加香纸的品质、印刷适性等大为提高，印刷的高档印刷品的图像将更加细腻、逼真。将彩色加香纸应用于印制书刊、中小学课本、练习本、笔记本及各种儿童读物等，人们在阅读时不会因为纸的白度高而感到刺眼，从而可减轻长时间阅读的疲劳，对保护视力、预防近视有一定作用。因此，这种加香纸一经推出，就受到广大用户的好评。

7、纳米阻燃纸

就是能阻止着火燃烧的纸，对它来说，无论多大的火力，都不会引起燃烧，是任何火种的克星，它只能烧焦、碳化，但不着火。这种纸使用后，可作废纸处理，在自然降解中无任何有害物释放，阻燃纸一般可用于烟花、礼花、彩炮、圣诞玩具、旅游炊具等。是当今节日用品(各种喜庆场面、营造室内欢快气氛等)中理想的绿色环保产品。甚至有人提出用这种纸做成消防队员等经常要与火打交道人的衣服，防止衣服燃烧，起到阻燃作用。此外，将阻燃纸应用于干式变压器上，具安全、无毒、阻燃及抗辐射等优点。

8、磁性纳米纸

磁性纸可以像录音磁带那样在录音机上录音，也能放送出声音。磁性纸的制造方法，是在该纸的内部含有磁性物质粉末，或者是在该纸的表面附着有磁性物质粉末，这种纸经冲磁处理后而具有磁性；利用这种纸本身所具有的磁性，可以将它直接附着在铁质物体上。而将纳米技术应用于磁性纸上，使纸张品质更加优良，磁性效果更好、更持久。如今这种磁性纸在工农业生产、医疗保健、国防、科研、文教卫生以及人民生活等领域将有更广泛、更新颖的用途。

除此之外，纳米技术及材料在纸张产品的开发中也发挥着特殊的功效，例如变色纸、储能纸等高性能特种纸产品的开发和研究。此外，由于纳米材料的化学活性优异，作为催化剂在造纸化学品、废水处理方面也有广阔的应用前景。纳米技术除了在纸张上的应用外，目前在包装印刷行业中还有不少用途，如包装印刷中的纳米粘合剂和密封胶、纳米磁性材料、纳米基板包装材料、纳米催化剂与净水剂、纳米发光材料与防伪印刷等。总括而言，纳米作为近年来研究发展迅速的高新技术，它在印刷领域的应用也将和其它领域一样，将在深度和广度上不断发展。