一种石墨烯改性纸张涂料制备方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯改性纸张涂料制备方法。本发明将石墨烯这一新型功能材料引入纸张涂料体系，升级了纸张涂料配方、优化了纸张涂料的配伍性、改善了涂料及涂布纸性能。首先，对石墨烯分散液进行机械剪切分散，然后加入片状高岭土，通过剪切分散形成一定固含量颜料液，随后依次加入一定质量胶乳、NaOH溶液、润滑剂、分散剂、增稠剂等助剂，经历高速剪切之后得到石墨烯改性纸张涂料。本发明的石墨烯改性纸张涂料制备条件温和，不需要添加新的设备，工艺简单。本发明的石墨烯改性纸张涂料具有很好的涂布加工适应性，对涂布纸的阻隔性能和力学性能均有较为明显的提升效果。

权利要求

1.一种石墨烯改性纸张涂料制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤（1）：先称取一定量的蒸馏水置于分散容器中，然后称取一定量的石墨烯分散液，加入蒸馏水中；采用搅拌研磨分散多用机在转速为300-500rpm的条件下搅拌10min；

步骤（2）：称取一定量的片状高岭土，缓慢地加入到步骤（1）中的分散液中，过程中片状高岭土颗粒不接触到容器的内壁及搅拌棒，过程中根据分散的实际情况逐渐提高转速至

1500rpm，确保片状高岭土和石墨烯充分分散；此后按照一定的顺序加入助剂，包括胶乳、NaOH溶液、润滑剂、分散剂、增稠剂，助剂的添加有一定的时间间隔，以保证分散均匀充分；

步骤（3）：所有原料添加完毕之后，将转速提高到2000rpm左右，再分散20min；20min后缓慢地降低转速，防止涂料内产生气泡影响物性的检测，待速度降至0后，从分散机上取下涂料，得到石墨烯改性纸张涂料；

步骤（1）所述的石墨烯为一种具有单层二维碳骨架的不渗透材料，石墨烯水相分散液的固含量为3.5%，以绝干颜料质量为基准，涂料体系中石墨烯加入量为0.2-0.4%；

步骤（2）所述的片状高岭土颜料为300g，以绝干的片状高岭土加入量为基准，胶乳用量为40%，NaOH用量0.08%，润滑剂用量0.6%，分散剂用量0.3%，增稠剂用量0.1%；

步骤（2）所述的胶乳的固含量50%，NaOH固含量30%，润滑剂固含量23.5%，分散剂固含量

42.4%，增稠剂固含量29.3%；

步骤（2）所述的胶乳为丁苯胶乳或苯丙胶乳中的一种，润滑剂为脂肪酸酯类，分散剂为聚丙烯酸钠或六偏磷酸钠，增稠剂为羧甲基纤维素或羟乙基纤维素。

说明书

一种石墨烯改性纸张涂料制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于制浆造纸技术领域，具体涉及一种石墨烯改性纸张涂料制备方法。

背景技术

[0002] 纳米粒子改性涂料是将纳米粒子分散在常规涂料中，利用纳米粒子独特的物化性质对常规涂料进行改性，以显著提高涂料某些性能。纳米粒子改性涂料已成为涂料领域的研究热点之一。《中国涂料业创新发展目标》将“纳米材料改性涂料原理和作用机理的研究”列为主要研究内容，足见发展纳米材料改性涂料的重要意义。纸张涂料是由颜料分散液、胶粘剂及其它助剂组成的混合体系。将纳米粒子分散在纸张涂料体系中，因其粒径小、比表面积大、表面层内原子所占比例大，在理论上可以与涂料体系中的高分子聚合物充分地吸附、键合，增强粒子与基体的界面粘合；而且，纳米粒子活性强，可以与颜料、胶粘剂及其它助剂等分子中存在的诸多活性点发生强烈的相互作用，从而形成稳定而均匀的涂层，因而可显著改善涂布纸的光学性能和力学性能。

[0003] 石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道相互连接形成的六元环紧密堆积成的二维（2D）周期性点阵结构，也是构成零维富勒烯（0D）、一维碳纳米管（1D）、三维石墨（3D）以及金刚石的基本单元。石墨烯是世界上己知材料中最薄的二维材料，其厚度仅为0.335nm，具有很高的机械强度（1060GPa），超高的电子迁移率（2×105cm2/V·s)，极大的比表面积（2600m2/g）。石墨烯作为目前科研领域的热门研究对象，它的稳定性、光电性能、电磁性能等都得到了广泛的关注。另外，它是一种具有单层二维碳骨架的不渗透材料，基于其独特的结构性质，被广泛应用于优化复合材料的阻隔性能。石墨烯的加入，使材料的气体渗透路径发生改变，延长了气体分子或者其他分子扩散的路径，从而加大了小分子的透过难度，改善了复合材料本身的阻隔性能。因此，将石墨烯这一新型功能材料引入纸张涂料体系中，改性传统纸张涂料，优化涂料配方，提升涂料性能，必然会对纸张涂布加工行业产生积极影响。通过表面涂布应用，可以预期，涂布纸的阻隔性能和力学性能将会得到明显改善。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术的不足，提供了一种石墨烯改性纸张涂料制备方法，本发明包括如下步骤：

[0005] 步骤（1）：先称取一定来的蒸馏水置于分散容器中，然后称取一定量的石墨烯分散液，加入蒸馏水中；采用搅拌研磨分散多用机在转速为300-500rpm的条件下搅拌10min。

[0006] 步骤（2）：称取一定量的片状高岭土，缓慢地加入到步骤（1）中的分散液中，注意过程中片状高岭土颗粒不接触到容器的内壁及搅拌棒，过程中根据分散的实际情况逐渐提高转速至1500rpm，确保片状高岭土和石墨烯充分分散；此后按照一定的顺序加入胶乳、NaOH溶液、润滑剂、分散剂、湿强剂、增稠剂等助剂，助剂的添加有一定的时间间隔，以保证分散均匀充分。

[0007] 步骤（3）：所有原料添加完毕之后，将转速提高到2000rpm左右，再分散20min。20min后缓慢地降低转速，防止涂料内产生气泡影响物性的检测，待速度降至0后，从分散机上取下涂料，得到石墨烯改性纸张涂料。

[0008] 上述方法中，步骤（1）所述的石墨烯为一种具有单层二维碳骨架的不渗透材料，石墨烯水相分散液的固含量为3.5%，涂料体系中石墨烯加入量为0.2-0.4%（相对于绝干颜料）。

[0009] 上述方法中，步骤（2）所述的绝干片状高岭土颜料为300g，以片状高岭土加入量为基准，胶乳用量为40%，NaOH用量0.08%，润滑剂用量0.6%，分散剂用量0.3%，增稠剂用量0.1 %。

[0010] 上述方法中，步骤（2）所述的胶乳的固含量50%，NaOH固含量30%，润滑剂固含量23.5%，分散剂固含量42.4%，增稠剂固含量29.3%。

[0011] 上述方法中，步骤（2）所述的胶乳为丁苯胶乳或苯丙胶乳中的一种，润滑剂为脂肪酸酯类，分散剂为聚丙烯酸钠或六偏磷酸钠，增稠剂为羧甲基纤维素或羟乙基纤维素。

[0012] 本发明的有益效果：本发明将新型功能材料石墨烯引入纸张涂料体系，对传统纸张涂料进行改性，制备了加工性能优良的纸张涂料。涂布加工应用表明，石墨烯改性纸张涂料可明显改善涂布纸的阻隔性能和力学性能，从而有利于涂布纸档次的提升。

具体实施方式

[0013] 下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

[0014] 实施例1

[0015] 涂料组成：绝干颜料300g，以绝干片状高岭土加入量为基准，胶乳用量40%，NaOH用量0.08%，润滑剂用量0.6%，分散剂用量0.3%，增稠剂用量0.15 %。其中，胶乳的固含量50%，NaOH固含量30%，润滑剂固含量23.5%，分散剂固含量42.4%，增稠剂固含量29.3%。

[0016] 根据计算好的组分取用量，先称取102 g蒸馏水置于分散容器中，然后称取0.2%（对绝干颜料质量）的石墨烯分散液，加入蒸馏水中；采用搅拌研磨分散多用机在转速为300-500rpm的条件下搅拌10min；再称取绝干300g的片状高岭土，缓慢地加入到分散液中，注意过程中片状高岭土颗粒不接触到容器的内壁以及分散机的搅拌棒，过程中根据分散的实际情况逐渐提高转速至1500rpm，确保片状高岭土和石墨烯充分分散；此后按照一定的顺序加入胶乳、NaOH溶液、润滑剂、分散剂、增稠剂等助剂，助剂的添加有一定的时间间隔，以保证分散均匀充分。所有原料添加完毕之后，将转速提高到2000rpm左右，再分散约20min。
20min后缓慢地降低转速，防止涂料内产生气泡影响物性的检测，待速度降至0后，从分散机上取下涂料。另外再配制一组不添加石墨烯的涂料作为空白组。最后，将涂料涂布在白卡原纸上，通过阻隔性能及力学性能检测，可以发现石墨烯的引入，可明显改善涂布纸的阻隔性能和力学性能。

[0017] 实施例2

[0018] 涂料组成：绝干颜料300g，以片状高岭土加入量为基准，胶乳用量40%（对绝干颜料，下同），NaOH用量0.08%，润滑剂用量0.6%，分散剂用量0.3%，增稠剂用量0.15 %。其中，胶乳的固含量50%，NaOH固含量30%，润滑剂固含量23.5%，分散剂固含量42.4%，增稠剂固含量29.3%。

[0019] 根据计算好的组分取用量，先称取102 g蒸馏水置于分散容器中，然后称取0.4%（对绝干颜料质量）的石墨烯分散液，加入蒸馏水中；采用搅拌研磨分散多用机在转速为300-500rpm的条件下搅拌10min；再称取绝干300g的片状高岭土，缓慢地加入到分散液中，注意过程中片状高岭土颗粒不接触到容器的内壁以及分散机的搅拌棒，过程中根据分散的实际情况逐渐提高转速至1500rpm，确保片状高岭土和石墨烯充分分散；此后按照一定的顺序加入胶乳、NaOH溶液、润滑剂、分散剂、增稠剂等助剂，助剂的添加有一定的时间间隔，以保证分散均匀充分。所有原料添加完毕之后，将转速提高到2000rpm左右，再分散约20min。
20min后缓慢地降低转速，防止涂料内产生气泡影响物性的检测，待速度降至0后，从分散机上取下涂料。另外再配制一组不添加石墨烯的涂料作为空白组。最后，将涂料涂布在白卡原纸上，通过阻隔性能及力学性能检测，可以发现石墨烯的引入，可明显改善涂布纸的阻隔性能和力学性能。

[0020] 本发明所采用的石墨烯是一种具有单层二维碳骨架的不渗透材料，它的加入使材料的气体渗透路径发生改变，延长了气体分子或者其他分子扩散的路径，从而加大了小分子的透过难度，改善了材料本身的阻隔性能。另一方面，石墨烯是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍；同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。因此，石墨烯可对涂料及涂层的力学性能有较大改善作用。同时，本发明极力控制石墨烯在纸张涂料中的加入量，能够很好地实现质量效益最大化与原料成本最低化之间的平衡。