关键词:
芳纶纳米纤维
低成本制备
特种纸
复合增强
镧系金属有机框架
荧光防伪
摘要:
纤维素基特种纸如钞票纸、证券纸,是有价证券的载体。随着社会的发展,该类特种纸在市场交易、商品经济等领域发挥着至关重要的作用。然而,受植物纤维本身性质的影响导致其存在抗水性差、柔韧性不足及耐折度偏低等问题,制约了特种纸的耐久性与使用寿命。因此,亟需开发综合性能增强技术为纤维素基材料高值化应用奠定基础。相比纤维素,芳纶纳米纤维(ANF)具有独特的纳米尺度结构与优异的机械性能,同时在热稳定性、抗水性、光致荧光特性方面具有优势,有望为纤维素特种纸综合性能的提升提供一种新的选择。然而,芳纶纳米纤维制备存在效率低、成本高、成纤质量可控性差等问题,限制了其在特种纸领域的规模化应用。针对上述问题,本论文以芳纶纳米纤维低成本制备及其在特种纸增强与防伪领域的应用为主要研究目标,系统研究了废弃芳纶纤维去质子化过程中纤维结构与微观形貌的演化规律,阐明ANF高效成纤机理与性能保持机制。在此基础上,利用具有高强高模、大长径比、耐温性和湿强度俱佳的芳纶纳米纤维作为增强体,研究其对特种纸协同增强增韧效果,同时揭示了纳米纤维对特种纸的增强机理;此外,基于ANF与镧系金属有机框架(Ln-MOFs)的紫外发光特性,探究了其在特种纸防伪领域的应用。具体研究内容如下:针对ANF制备效率低、成本高等问题,利用废弃芳纶资源替代昂贵的原生芳纶纤维作为原料,通过质子供体耦合去质子化法快速制备ANF,研究了废弃芳纶纤维对ANF成纤得率、纳米纤维形态、分子量保留程度与热稳定性的影响。研究结果表明,该策略下ANF的制备成本比传统方法可降低88%;同时制得的ANF分子量仍高达43.0 kg/mol,保持宏观芳纶纤维本征优势。基于ANF制备的薄膜拉伸强度可达149.2 MPa,同时具有出色的热稳定性(Td为542℃)和高比表面积(65.2 m2·g-1),使其成为构筑先进材料的理想选择。此外,利用废弃芳纶纤维进行了 ANF制备放大试验,表明该工艺具有很高的经济可行性与普适性。针对传统纤维素纸张机械强度低、耐折度与耐水性差等问题,本文设计了 ANF对纤维素特种纸的多尺度界面增强体系,利用“浆料混抄/纤维原位纳米化/原纸涂布”三种强韧化策略研究ANF对特种纸协同增强增韧效果。ANF涂布增强纸在仅1.5 wt%的涂布量下,使特种纸的强度有了明显的提升,抗张指数79.1 Nm/g,超3500次的耐折度,以及良好的耐水性(水接触角为85.2°)。此外,通过原位SEM观察阐明了 ANF对纤维素特种纸协同增强增韧机制主要源于ANF的高模量与其在纸张中的三维纳米网络结构能够有效的传递应力并耗散能量。针对传统荧光防伪纸匀度低、荧光防伪性能单一的问题,选择天然棉纤维(CFs)作为沉积镧系金属有机骨架(Ln-MOFs)的理想基底以制备荧光防伪纸。原位沉积Eu-MOF的防伪纸在254nm UV激发下发出红色荧光。在此基础上,引入ANF为柔性纤维素基材增强增韧,抗张指数相比原纸增加24.9%。基于ANF特有的荧光显色性,该复合纸具有双波长发射的光开关特性,可在不同波长下切换发光的颜色(当激发波长在254 nm时呈现红光发射,而在365 nm时呈现绿光发射),适用于裸眼视觉下的高级荧光防伪。本研究开发废弃芳纶纤维高值化利用技术,实现ANF低成本制备,在此基础上利用ANF强韧化策略实现对纤维素特种纸强度与韧性的协同增强;利用Ln-MOFs和ANF的发光特性,实现双波长发射荧光防伪纸的制备。本研究将为芳纶纳米纤维的工业化生产和多样化应用提出可靠的理论指导和技术支撑,以促进其在特种纸领域的应用与发展。