基于无尘纸的复合材料研究进展

靳晓瑞，马 畅，杨 俊，马明国

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083)

无尘纸(Air-laid-paper)是以木浆纤维为原料，采用气流成网技术由纤维素和聚酯组成的高分子材料[1]。无尘纸的原料多种多样，包括基于棉、麻等植物纤维，基于黏胶人造丝、尼龙、卡普纶等合成纤维以及基于石棉、玻璃纤维、矿棉等矿物纤维。与普通纤维素纸相比，无尘纸结合了纤维素和聚酯的特性，具有良好的透气性、柔韧性、亲水性以及优异的机械性能。在造纸工艺上，无尘纸与普通的纤维素纸造纸工艺也不同，多采用干法造纸工艺[2]。基于无尘纸原料组成、干法成型技术及其表面形态的不同，无尘纸可以划分为胶合无尘纸、热合无尘纸和综合无尘纸三大类别[3]。无尘纸功能复合材料在电磁屏蔽、可穿戴电子设备、太阳能海水淡化以及工业擦拭用品等领域具有潜在的应用前景，已经成为制浆造纸领域的研究热点之一[4]。

本文介绍了胶合无尘纸、热合无尘纸和综合无尘纸等三种无尘纸的特点和制备方法，概述了基于无尘纸的复合材料在超级电容器电极、电磁屏蔽、传感器、吸收芯以及太阳能蒸发器等领域中的应用进展，最后指出了无尘纸复合材料的发展方向，以期对无尘纸复合材料的功能化、高值化、资源化以及循环利用提供参考。

1 无尘纸的分类及制备方法

无尘纸可以作为载体或增强相制备复合材料，其主要成分纤维素富含羟基，聚酯的存在弥补了纤维素纸耐久性的不足，可以提高纸张的干、湿拉伸强度。按照无尘纸的成型加工技术，本文将无尘纸分为胶合无尘纸、热合无尘纸以及综合无尘纸三个类别进行阐述。

1.1 胶合无尘纸

胶合无尘纸是100%木浆纤维气流成网后采用化学粘合法经胶乳粘结而成，具有柔软、蓬松以及湿抗张强度大等特点。与热合无尘纸相比，胶合无尘纸不掉粉尘，用于复膜纸、印花纸以及染色纸等各个方面[5]。

化学粘合法的基本工序包括木浆纤维分散、气流成型、正面喷胶、反面喷胶、烘干以及后整理等，其主要特点是纸浆纤维在成型过程中两面喷胶粘合成纸。化学粘合法生产无尘纸的成本较低，但产品在膨松度、柔软性以及吸液性能方面存在不足[3]。

1.2 热合无尘纸

热合无尘纸主要是通过将木浆纤维与polyethylene/polypropylene（PE/PP）、polypropylene/polyethylene terephthalate（PP/PET）等热熔纤维采用热熔粘合法混合成形得到的[6]。热熔粘合法的基本工序包括木浆纤维分散、热熔纤维浆包开包疏松、热熔纤维混合、气流铺装成型、冷却、压榨以及后整理等流程。热熔粘合法的主要特点在于是植物纤维与热熔纤维均匀混合后成形。热合无尘纸的吸水性、湿强度及柔软性均优于胶合无尘纸[4]，主要用于高吸收性卫生产品的吸收芯、薄型卫生巾等。丹麦DAN-WEB公司开发的中型热合无尘纸生产线将处理后的SAP定量添加到热合无尘纸中，所得热合无尘纸具有优异的吸液性能，作为吸收芯材广泛应用于卫生产品中[4]。

1.3 综合无尘纸

综合无尘纸是介于胶合无尘纸和热合无尘纸之间的一种无尘纸，其兼有胶合无尘纸与热合无尘纸的性能。综合无尘纸主要采用喷胶粘合和热熔粘合并用的综合方法，在干法纸的外层喷淋少量胶乳，纸的中心部分采用热熔性纤维粘合[3]。通过对综合无尘纸生产过程的有效调控以及功能化复合，可以制备一系列多功能复合材料，并广泛地应用于电磁屏蔽、可穿戴电子设备、太阳能海水淡化以及工业擦拭用品等领域。

2 基于无尘纸的功能复合材料

2.1 无尘纸柔性电极

近年来，无尘纸因其良好的机械性能、透气性和耐折性，已成为制备柔性纸基电极的重要原料[7]。无尘纸不含任何黏合剂和化学添加剂，其中聚酯可以弥补纤维素力学性能的不足，提高纸张的干、湿拉伸强度。因此，无尘纸是制造具有高机械强度柔性电极的一种极为重要的材料。超级电容器也被称为电化学电容器，具有高功率密度、低电阻和快速充放电等特点。陈元勋等[8-9]以低温界面聚合法制备了具有透气性能、导电性能以及柔性的聚吡咯（PPy）/无尘纸电极。该电极具有优异的比电容、速率和耐磨性。利用无尘纸柔性电极组装的全固态超级电容器具有较高的能量密度，还具有优异的柔性、耐磨、抗拉伸和透气性。吴宸宇[10]综述了柔性电极的发展与应用前景，认为柔性电极对植入式电子设备、人性智能化设备以及可穿戴领域的发展具有重要意义。无尘纸柔性电极的成本低廉，且性能优异，在可穿戴电子设备中具有很好的应用前景。

MA等[11]以无尘纸为柔性基底，聚吡咯（PPy）和还原性氧化石墨烯（rGO）为电化学活性材料，制备了无尘纸柔性电极。所得柔性电极不仅具有机械柔韧性和重量轻的特点，而且具有优异的比电容(在电流密度2 mA/cm2时为1 685 mF/cm2)和循环稳定性（循环5 000次后电容保持率为92.8%）。此外，采用两片混合无尘纸电极和polyvinyl alcohol（PVA）/H3PO4电解液组装了全固态超级电容器，所得全固态超级电容器的表面积能密度为147μWh/cm2，面功率密度为0.63 mW/cm2。无尘纸的多孔结构有利于电解质离子的扩散和吸附，PPy与rGO的协同作用可以提高柔性纸基电极的电化学性能。该制备方法工艺简单，成本低廉，是大规模、批量化生产无尘纸柔性电极的重要途径。龙震等[12]制备得到电化学性能显著提高的无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料，在扫描速率为20 mV/s时，比电容达到280 F/g，充电后可点亮白色LED灯，可以应用于超级电容器。

良好的透气性是可穿戴织物舒适度的必要保证。DONG等[13]提出了柔性纸基超级电容器电极的三个要求为固态，灵活、坚固且具有良好的电化学性能，性能不受到孔影响。以无尘纸作为载体，以碳纳米管和二氧化锰（MnO2）作为电化学活性材料制备纸基电极，所得电极具有优异的电化学性能、循环性能和机械性能。基于纸基电极和聚乙烯醇/KOH凝胶电解质的柔性固态超级电容器保留了纸电极94%的电容，与普通衣服一样透气。

无尘纸柔性电极结合了纤维素活性基团易复合和聚酯优异机械性能的特点，在柔性可穿戴储能领域具有潜在的应用前景。

2.2 无尘纸太阳能蒸发器

无尘纸具有亲水性好、孔隙率高、比表面积大、耐久性优异、表面粗糙度高和导热性低等特点，是太阳能蒸发器的重要支撑材料[14]。无尘纸有利于增大蒸发面积，使得太阳光发生多次散射，提高光热效率。CAO等[14]综述了纤维素基太阳能蒸发器的研究进展，提出了实际应用时需要克服的突出问题及潜在的研究方向。无尘纸作为廉价的纤维素基材料，有利于低成本大规模生产。此外，CAO等[15]以丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸酯共聚物为基体，采用3D打印技术制备了具有太阳能收集和光热响应的锥形吸收体，其吸收率可达99.80%。该研究采用亲水性好、孔隙率高的无尘纸作为覆水层，增强了盐离子的扩散系数，使蒸发器具有更强的耐盐性、再生能力和较好的稳定性。

LIU等[16]将生物质原料炭化处理后的碳颗粒涂在无尘纸上，得到双层体系太阳能蒸发器。随着纸张层数的增加，蒸发率逐渐增大，蒸发效率为70%，蒸发速率为0.964 kg/（m2·h）。研究表明，蒸发速率和蒸发效率与国产CNT纸和GO纸相近。QIN等[17]利用超长的羟基磷灰石纳米线、玻璃纤维制成耐高温纸；利用黑色氧化镍组装成太阳能驱动的高效可循环的水蒸发器，并应用于海水淡化。蒸发器可以最大限度地利用太阳能，优化了水提取，使热损失最小化。可见，以无尘纸为基底的光热纸在太阳能驱动的海水淡化和废水净化方面具有广阔的应用前景。2020年，WANG等[18]基于无尘纸设计了高效持久的具有水蒸发和盐抑制功能的太阳能蒸发器输水通道。在1 kW/m2的太阳辐照度下，拒盐蒸发器对模拟海水的蒸发率显著提高到1.46 kg/(m2·h)，光热转换效率为91.7%，是单独模拟海水蒸发率的3.74倍。在使用16次后，蒸发器的蒸发率仍然保持不变，具有良好的稳定性和耐久性。MA等[19]基于多孔二维金属有机骨架材料、无尘纸和聚乙烯泡沫设计了一种太阳能蒸发器。所制备的太阳能蒸发器具有独特的光阱结构，具有较高的太阳能吸收率(>97%)、良好的亲水性、良好的可回收性和耐久性。研究表明，其光热转换效率为84.3%，蒸发速率为1.222 kg/(m2·h)。

朱科杭[20]以膨胀聚乙烯醇泡沫为隔热材料，以无尘纸为吸水材料，组装成集“吸水·隔热·光热转换”为一体的蒸馏组件。该蒸馏组件能够在不同盐度、不同光强的条件下保持良好的抗盐析性能，对盐水最优蒸发速率可达1.39 kg/(m2·h)，是盐水的4.96倍。罗旖旎[21]通过在无尘纸的表面选择性地印刷碳黑来获得图案化的表面，研究其对太阳能驱动的界面蒸发性能的影响。研究发现，表面图案化的吸光材料产生横向的热量可以有效地加速蒸汽的产生。

2.3 无尘纸电磁屏蔽材料

电磁屏蔽污染是当下亟待解决的问题。随着可穿戴设备需求的不断增加，兼具耐磨性、柔韧性、透气性、稳定性和高电磁屏蔽性能的复合材料在电磁屏蔽领域具有潜在利用前景[22]。基于无尘纸的复合材料具有孔隙率高、易于加工、机械强度高、价格低廉等特点，符合电磁屏蔽领域的要求。

马畅等[23]以简单的“浸渍”方法制备了集成透气性、机械强度和柔韧性的MXene/无尘纸复合材料。复合纸具有良好的导电性（高达173.0 S/m），优异的电磁屏蔽效率（X波段90%以上的电磁波可以被屏蔽）。复合纸经过折叠处理后，仍然具有良好的耐久性，在柔性可穿戴领域具有广阔的应用前景。

2.4 无尘纸传感器

纸基传感器的性能会随外界压力对纸表面的作用而改变，电子迁移率沿纤维发生变化，最终引起电阻变化[24]。

廖璐璐等[25]以无尘纸作为基底，混合石墨烯、碳纳米管和聚二甲基硅氧烷，制备了性能优异的压力阵列传感器。该传感器的灵敏度高（3.29 kPa－1），响应速度快（141 ms），工作压力范围宽（0～45 kPa），具有耐久性好、工艺简便、成本低等优点，可用于检测人体如关节弯曲、喉结振动等动作，在柔性可穿戴领域具有潜在应用前景。利用纸基传感器集成信号的无线传输，在柔性可穿戴领域具有实际应用价值[26]。YANG等[27]基于无尘纸将摩擦纳米发电机与超级电容器相结合，研制了具有透气耐磨性能的自充电摩擦纳米发电机。该材料透气性为333 mm/s，4次浸泡循环后仍然保持85%的电压保持率，在柔性可穿戴器件领域具有应用前景。最近，MA等[28]的研究将导电MXene纳米片负载在无尘纸上，再利用聚二甲基硅氧烷修饰，制备了疏水性多功能纺织纤维织物。所得智能纤维织物具有优异的电热、光热以及机械三重响应特性，将其应用于压力传感器后具有灵敏度高和响应时间快的特点，能够捕捉到人体的各种运动，为开发轻巧、便携、可穿戴纸基电子器件提供了可能。

2.5 无尘纸吸收芯体

以无尘纸与多孔材料复合得到的无尘纸吸收芯体具有优异的吸液性能[29]。栗亚等[7]综述了纸尿裤吸收芯体的历史发展和研究进展。研究者指出，纸尿裤等卫生产品主要采用热合无尘纸为原料，其吸液能力高。无尘纸吸收芯体作为卫生产品，还可以拓展抗菌、抗紫外线、抗氧化等其他功能，以更好地适应产业化发展需要[30]。

3 总结与展望

综上所述，基于无尘纸的功能复合材料价格低廉，性能优异，在电磁屏蔽、柔性可穿戴、太阳能海水淡化以及工业擦拭用品等领域具有潜在应用前景。从设备状况、工艺参数以及原辅材料的性能等多方面综合考虑，实施有效的质量控制体系和方法是提高无尘纸质量和改善其性能的重要手段[31]。在超级电容器方面，基于无尘纸的功能复合材料可以应用于电极材料和隔膜，开发集成高比电容、高能量密度、高功率密度以及循环稳定性的混合型超级电容器是未来的发展方向。无尘纸功能复合材料具有耐酸碱盐的特性，可以提高光热转化效率，有望实现太阳能海水淡化。利用无尘纸中丰富的羟基活性基团和聚酯优异的力学性能，有希望实现无尘纸传感器的实际应用。探索基于无尘纸的电磁屏蔽材料的普适性制备方法，大幅度提高电磁屏蔽性能，并降低生产成本，是其产业化应用的基础。开展基于无尘纸、皱纹纸、耐火纸以及等离子纳米纸等系列纸基功能复合材料的研究有利于拓展其应用领域[32]。

目前，在基于无尘纸的功能复合材料研究基础上，应该进一步简化其制备过程，深入研究其微观结构，提高其综合性能，构建制备方法、微观结构与综合性能的有机联系，开拓多功能、高性能的应用新途径，将无尘纸功能复合材料应用于储能、柔性可穿戴、海水淡化以及生物医用等诸多领域，开辟纸基复合材料功能化应用新途径。