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访张美云教授——《中国造纸》2018年度“诚铭化

文章来源:    时间:2019-07-17 11:19

  

  

  编者按 2019年1 月16 日,《中国造纸》2018 年度“诚铭化工杯”优秀论文评选活动落下帷幕。经过严格的初评、复评及专家终评会终评后,最终评选出优秀论文15篇,其中一等奖1篇、二等奖2篇、三等奖5篇、优秀奖7 篇。获奖优秀论文代表了我国造纸工业相应领域的技术水平和发展方向,为该领域技术进一步发展提供了借鉴和参考。本刊特别对《中国造纸》2018年度“诚铭化工杯”优秀论文一等奖和二等奖的部分获奖作者进行了专访,以期与读者共同分享作者的研究成果。

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  获奖者心声

  二等奖

  题目:原纤化过程对乐橙国际娱乐网站纸基空气滤材结构和性能的影响

  作者:张美云 马珊珊 杨斌 宋顺喜 鲁鹏 苏治平

  单位: 陕西科技大学轻工科学与工程学院

  中国轻工业纸基功能材料重点实验室

  轻化工程国家级实验教学示范中心

  广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室

  东华大学纤维材料改性国家重点实验室

  华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室

  

  张美云 教授

  非常荣幸我们的研究论文“原纤化过程对纸基空气滤材结构和性能的影响”获评《中国造纸》2018 年度优秀论文二等奖!近年来雾霾已经成为全球焦点问题,尤其是中国北京、河北、西安等地的居民更是深受其害。而传统的空气过滤材料常采用无法自然降解的石油基衍生物,其废弃滤材常会给生态环境带来二次的污染负担。因此,我们团队采用生物可降解的植物纤维为原材料,并利用典型的造纸技术-原纤化对其进行预处理,从而制备出可以拦截和吸附一定量PM2.5 颗粒物的柔性纸基空气滤材。各位评审专家对我们研究工作的肯定给予了我们进一步在纸基空气过滤材料领域研究探索的动力。我们将一如既往地关注空气污染问题,把制备绿色、轻质、抗菌的功能型柔性纸基空气过滤材料作为下一个努力目标,不断前进。最后衷心祝愿《中国造纸》杂志在新的一年里越办越好,成为造纸及相关领域新技术和新知识的交流平台,推动行业不断进步与发展!

  获奖论文研究要点:植物纤维作为一种广泛存在于大自然中的可再生生物质资源,来源广泛、价格低廉,因此以植物纤维为原料取代合成聚合物制备空气滤材具有很大的发展潜力和应用价值。获奖论文中,分别采用不同磨浆转数对木浆纤维进行不同程度的原纤化处理,利用访张美云教授——《中国造纸》2018年度“诚铭化冷冻干燥法脱除凝固相冰晶,同时尽可能地保留纤维分丝帚化的表观形貌,制备出可生物降解的纸基空气滤材。研究了不同程度原料化处理对纸基空气滤材结构和性能的影响,并探究了原纤化处理对纸基空气滤材的性能影响机理。

  《造纸信息》

  首先祝贺您的论文在《中国造纸》2018年度“诚铭化工”优秀论文评选中荣获二等奖。我们注意到,论文项目是国家自然科学基金项目等多个基金项目的一部分,请介绍一下当时提出这一课题的研究背景是什么?项目主要内容及目的是什么?

  张美云

  说近年来由于人类活动的不断加剧,如工业化和城市化进程的加快、煤炭能源的大量消耗,以及机动车数量的激增所引发的大气中细小颗粒物(PM)的污染问题,尤其是空气动学力直径小于2.5 μm 的细小颗粒(PM2.5),已经给人类健康带来了极大的威胁。据国际癌症研究中心报道,PM2.5 会诱发冠状动脉堵塞、充血性心力衰竭和肺癌等疾病,严重影响人类的生命安全。另外,最近美国环境保护局宣布,目前在世界范围内每年因PM2.5所导致的死亡人数高达2100 万。因此,研究和开发出高性能的空气过滤材料,以分离空气中的PM2.5,净化室内空气,一直以来都是工业界和学术界关注的热点。利用静电纺丝法制备的聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PSU)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(PU)等聚合物的无纺布材料是目前应用较为广泛的纤维类室内空气净化材料。然而,这些聚合物均属于不可再生资源,而且其制备过程中使用的大量化学品会对环境带来污染,另外其废弃物处理存在很大困难。纤维素纤维,作为一种广泛存在于大自然中的绿色可再生型生物质资源,来源广泛、价格低廉,因此,以纤维素纤维为原料取代合成聚合物原料制备空气过滤材料具有很大的发展潜力和应用价值。

  

  采用冷冻干燥技术制备纸基空气滤材流程图

  本研究采用纤维素纤维为原材料,结合造纸中常用的纤维处理方式——原纤化,使纤维充分分丝帚化,制备出纸基空气滤材。另外,随着磨浆转速的增加,纤维表面分丝帚化作用越明显,纤维表面暴露出了更多的细纤维丝或更多的纤维丝从纤维表面剥离,这会使最终制备的过滤材料中包含有更多比表面积大、吸附能力强的细纤维丝,有助于增强过滤材料对空气中颗粒物的吸附作用,提高其过滤效率。从而,以纤维素纤维为原材料,基于原纤化处理结合冷冻干燥技术制备出绿色可生物降解的空气过滤材料,减少雾霾污染对人体的伤害。

  《造纸信息》

  作为高性能纤维纸基功能材料的一种,纸基空气滤材的发展潜力及应用价值如何?其主要的制备方法有哪些?在制备及应用方面存在哪些瓶颈?

  张美云

  PM2.5,作为当前最为严重的大气污染物,对人类的生命健康有极大的威胁。因此研究和开发高性能的空气过滤材料用以截留空气中的PM2.5,一直以来都是工业界和学术界关注的热点。纸基空气滤材是一类典型的绿色可降解的生物质材料,符合国家可持续的发展战略要求。目前纸基空气过滤材料的制备方法主要分为冷冻干燥、泡沫成形和湿法成形。

  (1)冷冻干燥法,作为一种常用的制备多孔材料的技术,其原理是首先将液态悬浮液冷冻成冰,然后通过减压升华脱除水分。冷冻干燥过程中水分直接从固态升华为水蒸气而被去除,避免了液态状态下水分子的表面张力对多孔材料结构带来的破坏。以纤维素纤维悬浮液为原料,利用冷冻干燥技术制备空气过滤材料可以避免纤维之间的角质化,保持过滤材料的本质微观形貌和结构,而且冷冻干燥工艺简单、灵活便捷,因此,更适合于用以制备高性能纸基空气过滤材料。

  (2)泡沫成形法,原理是向纤维悬浮液中加入发泡剂,在机械搅拌作用下使纤维悬浮液中产生大量气泡,发泡后纤维悬浮液中的水分子会在纤维端部之间搭建起水桥,从而将分散在泡沫体系中的纤维连接起来,干燥后泡沫破裂,纤维相互搭接形成三维网状结构。在利用泡沫成形法制备纤维素基空气过滤材料时,纤维/ 泡沫体系中的空气含量对过滤材料的孔隙结构起着决定性影响,进而会影响过滤材料的空气过滤性能。但是,发泡剂含量、机械搅拌速率、搅拌时间、纤维悬浮液浓度等因素都会对空气含量产生影响,因此如何精准地控制空气含量依然是一项困难的工作。

  (3)湿法成形法,是生产纸基材料应用最广泛和最成熟的工艺。湿法成形法主要是纤维在水流状态下均匀分散形成纤网,大量的纤维在纤网中呈现杂乱无章的分布,当于烘缸上干燥后,样品会呈现出疏松多孔的结构。但是湿法成形过程中需要大量的生产用水进入整个循环系统,增加了生产过程中的能耗。另外湿法造纸技术适于生产薄片状的纸页产品材料,而这类薄页材料由于其本身多孔的性质,对微细颗粒物捕捉和拦截作用有限的容尘量远达不到日常对微细颗粒物的过滤要求。

  冷冻干燥技术适合制备多孔的三维纤维素基空气滤材,然而由于其过程主要分为“浆料预冻”和“升华干燥”,在样品干燥过程中需要低压真空的冷冻环境,整个过程需要较大动力能耗输入,在短时期内较难达到工业化批量生产。

  《造纸信息》

  张美云

  “ 过滤效率”“压力降”和“质量因子”是评价空气过滤材料最基本也是最重要的参数。目前,我们团队制备的纸基空气过滤材料达到超高过滤效率(99.9%),符合美国职业健康安全研究所制定的N-99标准要求,详细的样品信息与参数已发表在相关杂志。

  

  在纸基空气过滤材料的制备过程中,我们发现冷冻介质、浆料浓度、冷冻温度等因素都会对纸基空气过滤材料的“ 孔隙率”“ 孔径分布”“密度”和“强度”等性能参数产生较大的影响。实验发现:当冷冻介质由纯水溶剂变为叔丁醇时,孔隙率从94.8% 增加到96.4%,孔径分布峰值由120.9 μm 变化为72.6 和6.0 μm。另外实验过程中在浆料悬浮液中加入一定量的纳米纤维素可以显著改善纸基空气过滤材料的强度性能。

  制备合格的纸基空气过滤材料,首先一定要将原材料—纤维素纤维充分地分丝帚化,因为絮聚的浆团经过冷冻干燥过程会变为干硬的块状物质,这种材料对PM2.5 颗粒物几乎没有吸附和过滤效果,所以充分的原纤化过程是必要的。另外滤材样品在冷冻干燥过程中必须一次性冷冻成型,未完全冷冻的样品在经历二次冷冻过程中会对滤材内部的多孔结构造成较大影响,破坏原有的孔隙结构,导致空气滤材的过滤效率降低。

  《造纸信息》

  在纸基空气滤材的研发与应用方面,我国与国际相比差距在哪里?您对纸基空气滤材未来研发的重点方向有哪些建议?

  张美云

  目前对于纸基空气滤材研发和制备,国内普遍采用冷冻干燥法、泡沫成形和湿法成形,即层层抄造技术,这些研究的阶段性成果是比较先进的,制备的纸基空气滤材可以达到国际N-99 标准,芬兰VTT 研究中心采用泡沫成形技术制备多孔的纸基滤材,已经进行了多次多产品中试,这项技术在国际上领先。

  纸基空气滤材未来研发的重点方向:

  ● 研究和开发憎水性或超疏水性纸基空气过滤材料,因为纤维素纤维的吸湿性较高,当空气中湿度较高时,纸基空气过滤材料的结构容易受到破坏;

  ● 优化生产工艺,降低生产能耗,实现纸基滤材的规模化和批量化生产;

  ●“ 功能化”和“智能化”是目前材料的发展趋势,所以对于纸基空气过滤材料的要求可能不仅仅是拦截和吸附PM2.5颗粒物,同时对污染空气中有毒气体可以有效地吸附,因此研究和开发多功能型的纸基空气过滤材料是一项具有意义和挑战性的工作。

  《造纸信息》

  您作为一直奋战在制浆造纸行业教学、科研第一线的一名老兵,有什么样的心得体会,您想对业内的全体造纸科技工作者说些什么?

  张美云

  做学术、搞科研是十分辛苦的工作,要耐得住寂寞、抵得住诱惑,要沉得下心、扑得下身,没有谁能随随便便成功。作为科技工作者要走出校园,深入生产实际,解决实际问题,把论文写在祖国的大地上。

  

  与发达国家相比,目前我国在高性能纸基功能材料领域,尚未形成基础研究、关键技术、应用研究、生产集成等完整体系,在国际市场缺乏话语权和竞争力,相关技术水平及产品仍处于“跟跑”或“并跑”水平。未来我们团队将继续紧密围绕国家重大需求,开展基础研究和技术开发,加强产学研结合与国际合作,实现高端领域用纸基复合材料国产化,加快替代进口并参与国际竞争。我们将继续致力于科技创新,产学研并举,为推进我国高性能纤维纸基功能材料国产化,促进轻工新材料轻量化、高性能化和绿色安全化不懈努力!

  

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