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1、精品论文磁性纳米复合纤维及磁性纸的制备与性能研究1唐爱民，陈港，张宏伟，田英姿，刘映尧 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州（510640） E-mail：, 摘要：以漂白云杉化学浆为原料，采用原位复合的方法制备了云杉纤维素/磁性纳米复合 纤维。用 X-射线衍射、红外光谱分析、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）对制备 的磁性纳米复合纤维的结构进行了表征，用超导量子磁强计（SQUID）对其磁性能进行了定量测定。结果表明，磁性粒子在云杉纤维上的复合以表面复合为主，腔内复合粒子数较少，其晶体类型主要-Fe2O3，粒径大小为 20100nm；磁性测量显示云杉/磁性纳米复合纤维具 有
2、超顺磁性，其饱和磁化强度 Ms 较高为 14.7emu/g 纤维。将制备的云杉/磁性纳米复合纤维 采用不同的添加方式添加到抄纸浆料系统中，制备了磁性纳米复合纤维在纸页中具有取向分 布的磁性纸以及多层复合磁性纸，测定了磁性纸的强度、白度、色度性能。研究结果显示， 单独用磁性纤维抄造的纸强度差、白度低、书写和印刷适性差；将磁性纤维与植物纤维浆料 配抄或抄造成多层复合纸后，纸页的白度提高，强度性能显著改善，并具有较好的磁性能。 关键词：纤维素纤维，原位复合，磁性纳米，磁性纸前言聚合物基磁性纳米复合材料由于具有优良的物理、化学性质，并呈现广阔的应用潜力， 故而受到了越来越多的关注1，2。大部分研究所使
3、用的高分子基材为合成高分子，如聚吡咯 3，4、聚苯胺5 、聚苯乙烯1，6等。纤维素作为地球上最为丰富的可再生生物质资源是一 种对环境友好的绿色材料，与合成高分子材料相比，其所具有的环境协调性使其成为目前材 料研究中较为活跃的领域之一。纤维素广泛应用于造纸、纺织、功能材料等领域，其中造纸 工业是纤维素以纤维形态被利用得最多的部门。在当前不可再生资源日益短缺，合成高分子 功能材料面临原料枯竭的困境下，如何利用纤维素纤维的固有优势和特点，利用新技术和新 理论，赋予纤维素纤维以新的功能和更优的性能，合成出新的纤维素功能材料,是当前纤维 素科学研究领域，也是材料研究领域的一项重要内容。而将纳米技术与纤维
4、素纤维功能化相 结合，将磁性纳米粒子与纤维素纤维复合，开发出高性能的纤维素磁性纳米复合纤维，采用 造纸方法抄造成磁性纸，使该材料具有磁响应、磁记录、防伪、电磁（微）波屏蔽等功能， 对开拓纤维素纤维应用领域，增加特种功能纸新品种，提高我国造纸工业的理论研究水平和 技术水平具有重要意义。以纤维素纤维为基材制备磁性纸的研究，其技术关键在于磁性纤维素纤维的制备。目前 磁性纤维素纤维的制备方法有两种：一种是腔内填充法，以加拿大McGill大学Marhessault 教授7为代表，采用物理方法将磁性粒子填入到木材纤维的胞腔中制成磁性纤维，然后将磁 性纤维抄造成纸。采用这种方法由于受到原有磁性粒子的粒径及其
5、分布影响，并存在着粒子 的分散、团聚等问题，制备出的磁性复合材料未达到纳米级分散水平，属于微观复合材料。 第二种是Marhessault教授和Carrazana-Garcia等人研究的原位复合法810，采用原位复合将生 成的纳米级磁性Fe2O3、Fe3O4或CoFe2O4引入到纤维的无定型区中，制备出超顺磁性兼铁磁 性的磁性纳米复合纤维素纤维和纤维素膜材料。本研究小组从2003年进入该领域研究，并提 出通过模板控制来调控磁性粒子的尺寸及复合量的概念，即通过复合基材纤维素纤维的 选择及活化预处理，达到复合材料结构可控的目的。前期工作对木棉纤维、云杉纤维、桉木1本课题得到国家自然科学基金项目（项目
6、编号 50573022）的资助。- 1 -纤维等不同来源的纤维素纤维的模板结构特性进行了表征 11，并研究了超声波处理对纤维 素纤维形态结构及可及度的影响12。研究显示，云杉纤维保水值较高，比表面积较大，对 试剂的可及度高，有利于对前驱体溶液的吸附；同时云杉纤维平均孔径较小，有利于控制复合的磁性粒子的大小，表明云杉纤维具有模板材料所需要的特性。因此前文13以云杉纤维 为原料，对磁性纤维素纳米复合材料的制备条件进行了初步探索，制备了具有超顺磁性的磁 性纳米复合纤维。但该研究尚存在着磁性粒子复合量较少、磁性较弱等不足。因此本文进一 步采用优化条件制备了磁性纳米复合纤维，提高了复合纤维中磁性粒子的复
7、合量及材料的磁 性能，并对磁性纤维在造纸中的应用性能进行了探讨。1. 实验部分1.1 原料与试剂 纤维素纤维原料：漂白云杉化学浆，加拿大产，用小型疏解机疏解后测定水分备用； 试剂：氯化亚铁、氢氧化钠、30%过氧化氢，均为分析纯。1.2 纤维素/磁性纳米复合纤维制备称取相当于 9 克绝干浆料的试样，装入三口烧瓶中，并按浴比 50：1 加入 0.036mol/L 的 FeCl2 溶液 ，在 40C 水浴下搅拌吸附 15 分钟后向溶液中加入 0.05mol/L 的 NaOH 溶液， 并调节 pH 值至 9 左右。升温至 65后缓慢加入 1%H2O2 溶液 90mL。然后将反应瓶置于 3530 高斯的
8、静磁场下熟化 60 分钟，洗涤、抽滤。重复上述操作，使复合次数为两次。洗涤、抽滤后，测得复合后湿纤维样品的质量，然 后测定水分，计算样品得率。测定结果为 125%。1.3 磁性纳米复合纤维灰分测定待测试样置于坩埚中用电炉灼烧至纤维炭化后，将坩锅转移至马福炉，于 770灼烧 2 小时。冷却后将坩锅放干燥器中平衡 30min 后称量出坩锅和灰分的重量，计算灰分含量，以 此评价样品的磁性粒子复合量。1.4 红外光谱分析复合纤维样品于 45 50C 真空干燥 4 小时，剪碎后过 200 目，采用 OMNIC FTIR-NEXUS Thermo Nicolet 傅立叶变换红外光谱仪（美国 Nicolet
9、 公司）对样品进行测定。1.5 扫描电镜（SEM）观察待测试样于 4550C 真空干燥 4 小时，粘台，真空喷金，用荷兰 PhillipsXL30FEG扫描电子显微镜（SEM，）扫描试样，观察其形貌结构。 样品制备：纤维表面观测样品的制备采用砂芯漏斗抄成均匀薄片烘干后即可；纤维横截面观察样品的制备：用砂芯漏斗抄成厚片（约 2mm），真空干燥，用锋利的剃须刀片（每 片刀片只能使用一次）以很快的速度划过样品，切出观察面，观察时注意选择样品的中间部 分，尽量避开样品被压变形的部分。1.6 AFM 观察将制备的云杉/磁性纳米复合纤维抄成薄片，压光处理后用 Veeco Di Multimode SPM
10、原 子力显微镜（AFM，美国 Veeco M etrology Group）进行观察, 操作模式为接触模式(ContactMode)。1.7 X 射线衍射测试待测试样于 4550下真空干燥 4 小时，用日本理学 D/MAX-1200 型 X射线衍射仪 测定。磁性粒子的晶粒尺寸 Dhkl 用谢乐公式计算：Dhkl=K/cos。式中 为 1.5410-10m，K 为常数，对 -Fe2O3 K 取 0.89，为布拉格（衍射）角（），为半峰宽。1.8 磁性表征定性测量：用磁感强度分别为 330740 高斯（编号 1#）、19202320 高斯（编号 2#）、3530 高斯（编号 3#）的三块磁铁进行测
11、试，观察测试样品被磁铁吸附情况，定性比较样品 的磁性大小。定量测量：用超导量子磁强计（SQUID，中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室） 测定样品的磁性能。1.9 磁性纳米复合纤维的在造纸中的应用抄纸磁性纳米复合纤维定向排列抄纸：设定纸张定量为 60g/m2，采用打浆度为 52SR 的漂 白云杉浆和打浆度为 37SR 的阔叶木浆配抄，浆料比为云杉：阔叶木6：4。在浆料中添 加 2.0%的磁性纳米复合纤维，抄纸时固定一块磁强度为 3530Gs 的方形磁铁于成型器下方， 以观察静磁场对纸中磁性纳米复合纤维定向排列的影响。多层复合纸抄造：复合纸结构设计为三层，芯层全部采用磁性纳米复合纤维；面层和底
12、 层采用植物纤维，浆料配比为漂白云杉浆（52SR）：阔叶木（37SR） = 6：4，各层定量 设计见表 1。表 1 三层复合磁性纸各层定量的设计编号面层定量 g/m2底层定量 g/m2芯层定量 g/m2MP0060MP1303040MP2505040MP36060401.10 磁性纸性能检测分析指标有白度、色度、抗张强度。白度和色度用 YQ-Z-48A 白度颜色测定仪，按国家标准方法测定14； 抗张强度用 L&M TH-1 抗张强度测试仪，按国家标准方法 GB453-89 测定14。2结果与讨论2.1 磁性纳米复合纤维的制备用原位复合法制备纤维素/磁性纳米复合纤维的反应过程（见图 1）较为复杂
13、，涉及纤 维素纤维对前驱体溶液亚铁离子溶液的吸附、氢氧化亚铁沉淀及羟基氧化铁的生成，以 及羟基氧化铁在熟化过程向-Fe2O3 的转化及其在纤维上的复合等，影响因素较多。本文通 过 Fe2+溶液浓度、氢氧化钠浓度及用量、反应溶液 PH 值、过氧化氢用量及反应时间等的控 制，并在静磁场下进行熟化反应，利用静磁场对-Fe2O3 晶体生长速度的促进作用15，达到有效提高磁性粒子的复合量，控制生成的磁性粒子的尺寸目的。对复合试样的灰分测定结果显示经过两次复合反应后制备的磁性纳米复合纤维的灰分含量为 22.25%，经与空白样品（云 杉）灰分值（0.09%）比较可知制备的云杉/磁性纳米复合纤维复合的磁性粒子
14、含量较高。Fe 2+NaOHH2O2纤维素纤维沉淀Fe (OH)2-FeOOH熟化循环纤维素/磁性纳米复合纤维i-Fe2O3Fe3O4图 1 原位复合法制备纤维素/磁性纳米复合纤维的反应过程示意图2.2 磁性纳米复合纤维的结 构与性能表征图 2 的云杉/磁性纳米复合 纤维的 SEM 结果表明，云杉纤 维的表面有大量的磁性粒子生 成，大部分单个磁性粒子尺寸在 纳米级范畴，尺寸大小为 20100nm ；但磁性粒子有团聚现 象，极少数磁性粒子聚集体的尺寸可达 200nm；复合纤维横截面的 SEM 图像显示，在纤维的胞 腔内也有磁性粒子的生成，但与 纤维表面复合情况相比，腔内的 复合量要少得多，磁性粒
15、子的粒 径也相对较小。图 3 的云杉/磁性纳米复合 纤维的 AFM 结果显示，未复合 的云杉纤维基材表面较为光洁，A1, 2500XB1, 2500XA2, 10000XB2, 10000X但呈现出植物纤维具有的层次A3, 横截面10000XB3, 横截面10000X结构、表面形貌起伏不平以及微纤维排列取向的特征；而复合后 的云杉/磁性纳米复合纤维，纤图 2 扫描电镜（SEM）图A: 空白样, 云杉纤维B: 云杉/磁性纳米复合纤维维表面被磁性粒子覆盖，在纤维表面可观察到大量的磁性粒子， 磁性粒子分布较均匀，大部分磁 性粒子的粒径大小为 20 100nm，处于纳米级范畴。图 4 是云杉/磁性纳米复合纤 维的 FTI
