《中国造纸》2022年度“金蔡伦杯”优秀论文部分获奖作者专访.pdf

Interview 采访报道92023年第7期 造纸信息由中国造纸杂志社组织的中国造纸2022 年度“金蔡伦杯”优秀论文评选活动，以科学性、创新性、规范性、引领性以及理论与实践相结合为评审原则，邀请我国造纸行业及相关领域的知名专家、学者担任评委，经初评、复评、专家精读及点评、终评会 4 个阶段，最终评选出 20 篇优秀论文，其中一等奖 1 篇，二等奖 3 篇，三等奖 6 篇，优秀奖 10 篇。中国造纸优秀论文评选作为中国造纸杂志社的品牌活动，至今已成功举办 23 届，该活动在造纸及相关行业中产生了良好的影响，促进了造纸行业的学术交流，提高了中国造纸科技论文的质量与水平，对推动我国造纸科技进步、技术创新起到了引领作用。本刊特别对中国造纸2022 年度“金蔡伦杯”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。编 者 按中国造纸2022 年度“金蔡伦杯”优秀论文部分获奖作者专访采访报道 Interview造 信 息 10No.7 2023论 文 亮 点二等奖题目：表面活性剂与泡沫性质对泡沫成形间位芳纶纸性能的影响作者：聂景怡 张美云 甄晓丽 黄连青 宋顺喜 杨 斌 谭蕉君单位：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我们团队论文“表面活性剂与泡沫性质对泡沫成形间位芳纶纸性能的影响”在中国造纸2022年度“金蔡伦杯”优秀论文评选中获得优秀论文二等奖，倍感喜悦与荣幸。感谢中国造纸为业界同行以及跨学科研究者提供了交流、互动、学习的平台。也感谢中国造纸编辑部、专家评委和广大读者对我们团队工作的认可和支持。我们的科研团队以“高性能纸基功能材料”为主要研究方向，芳纶纸基材料因其优异性能，在电气绝缘、轨道交通、航空航天、建筑工业和海洋开发等领域发挥着日益重要的作用。本次获奖论文采用了泡沫成形技术制备间位芳纶纸，获得芳纶纤维在介质体系中良好的分散；重点研究了泡沫性质、芳纶纸性能与表面活性剂种类关系。希望本工作对高性能纤维纸基材料研究有所助益，也期待通过中国造纸这一平台与各位专家学者与读者朋友进一步交流。获奖者心声采用泡沫成形技术制备间位芳纶纸，与传统湿法成形相比，实现节约 90%用水量的同时，大幅提升匀度指数，节约能耗，有益于进一步完善合成纤维泡沫成形抄纸新工艺。聂景怡陕西科技大学轻工科学与工程学院Interview 采访报道112023年第7期 造纸信息造纸信息记者：聂景怡教授您好，恭喜您和您团队的论文表面活性剂与泡沫性质对泡沫成形间位芳纶纸性能的影响获得中国造纸2022 年度“金蔡伦杯”优秀论文二等奖！间位芳纶纤维制备的芳纶纸具有优异的理化性能，在多个领域都有非常重要的应用，请您简单介绍一下泡沫成形间位芳纶纸的课题背景、研究内容以及研究目的。聂景怡：高性能纤维纸基功能材料是特种纸领域的重要分支，而芳纶纤维正是制备高性能纤维纸基材料的一类重要原料。以芳纶纤维制备的芳纶纸基功能材料具有优异的机械强度、耐高温特性、阻燃性、化学稳定性以及电绝缘性能，在电气绝缘、电子通讯、轨道交通、航空航天、建筑工业和海洋开发等领域发挥着日益重要的作用。将短切芳纶纤维、沉析芳纶纤维等不同形态的芳纶纤维进行配比，采用湿法成形技术可制备芳纶纸基功能材料。但短切芳纶纤维表面光滑、疏水、惰性且纤维较长；沉析芳纶纤维则呈薄膜条带或乱丝状，形状不规则；因此，在湿法成形过程中纤维极易发生交织缠绕，从而产生絮聚，影响成纸匀度以及芳纶纸综合性能。泡沫成形技术是以泡沫代替水作为介质，进而实现纤维分散与纸张成形的成形方法。泡沫成形技术可以改善长纤维分散，提高纤维成形浓度，降低用水量。本研究采用泡沫成形技术制备间位芳纶纸，重点研究了泡沫性质、芳纶纸性能与表面活性剂种类关系。目的是在保证成纸匀度、强度及绝缘性能的同时提高纤维成形浓度，减少生产水耗、能耗以及废水处理成本的目标。造纸信息记者：芳纶纸的匀度指数与所得泡沫体系性质直接相关，与泡沫尺寸标准偏差呈负相关性。选用适当的表面活性剂，有利于获得泡沫尺寸小、尺寸分布集中的泡沫体系，从而有利于获得更高的成纸匀度。结合经济因素与工业生产因素，您认为哪种表面活性剂更具备工业化优势？原因是什么？聂景怡：基于我们目前的研究，总体而言，非离子型表面活性剂表现出更好的效果。从经济与应用的角度出发，对于芳纶纸等高性能特种纸，获得好的机械强度、化学稳定性以及电绝缘性能等是首要目标，使其能够服务于电气绝缘、电子通讯、轨道交通、航空航天等领域。因此，泡沫体系对于芳纶纸性能的保障尤为重要。在泡沫成形过程中，泡沫性质对生产过程以及成纸性能具有非常重要的影响。泡沫体系的空气含量达到 65%左右时，各种类型的表面活性剂的泡沫体系都对纤维分散有改善。其中，采用 Tween 的泡沫成形体系在 0.4%的成形浓度下，所得芳纶纸的匀度指数达到 103，比传统湿法成形在 0.04%的成形浓度下所得芳纶纸的匀度指数提高 86.7%，实现了节约 9 倍用水量的同时，大幅度提升了匀度指数。从物理、化学性质的角度出发，本文中所研究的各种表面活性剂，并不与分散体系中的其他组分发生化学反应，主要差异在于对泡沫结构、稳定性的影响。使用不同种类表面活性剂形成的泡沫体系，泡沫稳定性存在差异。对于芳纶纤维总成形浓度、纤维配比相同的体系，滤水速率较慢的体系具有较好的泡沫稳定性。由各类表面活性剂相应滤水时间可知，非离子型表面活性剂所形成的泡沫体系稳定性最佳，特别是Tween 形成体系。泡沫的尺寸及分布将会影响到成纸的孔隙结构。体系中芳纶纤维的存在将阻碍表面活性剂在泡沫的气-液界面上的动态运动，使泡沫稳定性降低，进而发生泡沫粗化。非离子型表面活性剂所形成的泡沫体系中，泡沫尺寸较小，且泡沫尺寸分布更加集中。采访报道 Interview造 信 息 12No.7 2023而十八烷基三甲基氯化铵（STAC，阳离子型）、十二烷基硫酸钠（SDS，阴离子型）和椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱（CHSB，两亲型）对应的泡沫体系中，泡沫尺寸较大，且泡沫尺寸分布较为分散。非离子型表面活性剂所产生的泡沫体系更稳定，CTAB 和 CAB 对应体系居中，而 STAC、CHSB 和 SDS 产生泡沫体系的稳定性较低。非离子型表面活性剂在泡沫成形制备芳纶纸过程中，可产生平均尺寸较小、尺寸分布更均匀且更稳定的泡沫。造纸信息记者：未经热压的泡沫成形芳纶纸存在分布较为均匀的孔洞。热压后，芳纶纸孔隙减少，成纸更加致密，有利于提高击穿强度，其击穿强度可达到甚至高于传统湿法成形所得芳纶纸。请您简单介绍一下热压的作用机理，以及哪种表面活性剂更适合热压工艺？聂景怡：在本领域，热压是指粉末或压坯在高温下的单轴向压制，从而激活扩散和蠕变现象的过程。热压是一种改善芳纶纸性能的重要手段。在热压的过程中，受到高温高压的作用，间位芳纶沉析纤维部分软化并将芳纶短切纤维黏结在一起。因此，在热压过程中，纸张中纤维排布发生了重大的变化，对纸基材料性质也有至关重要的作用。本工作所研究的各种表面活性剂，对于泡沫结构、稳定性、纸张匀度、机械强度等影响有所差异；但从击穿强度这一参数分析，各种表面活性剂都有优良的表现。研究发现，热压后，芳纶纸的击穿强度都有大幅度提升。因为致密性是重要影响因素，而热压显著提升了芳纶纸的致密性,在压榨、干燥环节中，通孔和半通孔等结构被消除。芳纶纸厚度减小，紧度提高；且通过热压，可发生部分熔融从而进一步提高成纸的紧度。芳纶纸孔隙减少，成纸更加致密，有利于提高击穿强度，其击穿强度可达到甚至高于传统湿法成形所得芳纶纸。造纸信息记者：2022 年工业和信息化部等六部门联合发布工业水效提升行动计划。您的论文中提到，采用 Tween 的泡沫成形体系在节约 9 倍用水量的同时，大幅度提升了匀度指数。请您结合工业水效提升行动计划展望一下这项新技术的应用前景。聂景怡：芳纶纤维表面疏水、长度大等特点导致纤维在水中分散性差，因而抄造过程中必须采用超低浓成形技术，造成生产水耗和能耗显著增加。因此，开发芳纶纤维的高效分散与高浓成形技术对于提升纸张性能，实现生产过程中的节能减排具有重要意义。泡沫成形是以水基泡沫作为纤维载体的一种新型成形方法，在改善纤维分散效果方面优势明显。为解决高性能纤维成纸匀度差这一问题，在生产过程中采取如下的方式：第一，降低成形浓度。非植物纤维的上网浓度为 0.005%0.05%。（下转至 16 页）采访报道 Interview造 信 息 16No.7 2023造信 息16No.7 2023交织制备了纳米纸，用于太阳能驱动的界面水蒸发。但上述纸基光热材料均以纤维素纳米纤维和贵金属为原材料，制备成本高，并且由于真空抽滤过程耗时较长而难以实现大规模制备。我们团队的阶段性研究结果表明，与上述制备方法相比，以纸浆纤维为原材料，采用原位聚合法在其上负载聚吡咯制得复合纤维，通过既有的纸页抄造方法即可生产出高效、稳定循环使用、便携的光热纸，除复合纤维制备装置外，无需增加额外设施，可与现有造纸系统实现无缝衔接，具有工艺过程简单、设备投资少、制造成本低、可大规模制备等优势。造纸信息记者：您长期从事特种纸方面的研究，结合目前的研究成果，请展望一下本课题未来的研究方向及应用前景。钱学仁：根据我们团队的多年研究，我们认为聚吡咯/纸浆纤维复合纸是一种多功能纸基复合材料。通过工艺参数的优化和调控、预修饰、双重改性或后加工等技术措施，可实现该复合纸抗静电、电磁屏蔽、超电容、阻燃、抗菌、光催化、光热等多种功能及其组合应用，因而在抗静电或电磁屏蔽包装、传感和致动、超级电化学、抗菌阻燃除甲醛等多功能装饰、废水净化、海水淡化等众多领域都大有用武之地。通过双重改性等手段实现光热和光催化、光热和超级电化学等功能组合的研究可能是本课题未来的重要发展方向，一旦取得实质性突破，则有望在污染物消解同步清洁水生产、耐低温超级电容器等方面获得实际应用，具有巨大的开发潜力和广阔的市场前景。目前，我们团队正就上述部分内容开展研究，期愿早日取得实质性进展和突破。第二，使用分散剂。制浆造纸工业中常用的分散剂有聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等，其原理为增加体系黏度，从而限制纤维在水中的运动，使纤维不易相互接触，起到防止纤维絮聚的作用。第三，对高性能纤维本身进行处理。包括减少纤维的长度、增加纤维粗度、提高纤维挺度以及对纤维进行改性等方面，这对设备及处理条件的高要求导致其较难实现工业化。其中，最有效且最常用的方法是降低成形浓度和使用分散剂，成形浓度的降低会增加生产过程中的水耗和能耗，分散剂的使用则增加废水处理成本。因此，如何在提高成形浓度的同时，解决芳纶纤维分散、保证成纸匀度成为一项具有意义的难题。泡沫成形的出现为此问题的解决提供了契机。但目前对于泡沫成形的研究大都集中在植物纤维上，未见有在高性能纤维上的研究报道。因此，我们这项工作采用泡沫成形方法改善纤维的分散，通过研究泡沫成形技术在不同纤维配比下的泡沫性质与成纸性能来确定泡沫成形对芳纶纸的适用性及泡沫体系下的不同纤维配比纸张性能规律；然后通过改变表面活性剂用量、机械搅拌转速及表面活性剂种类改变泡沫性质，进而研究泡沫性质对纸张性能的影响，进一步优化泡沫成形条件。实现在保证成纸匀度、强度及绝缘性能的同时提高纤维成形浓度，减少生产水耗、能耗以及废水处理成本的目标。上接 12 页Interview 采访报道132023年第7期 造纸信息二等奖题目：聚吡咯/纸浆纤维复合光热纸的制备及其太阳能驱动界 面水蒸发研究作者：胡 颖 安显慧 钱学仁单位：东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室得知我们撰写的“聚吡咯/纸浆纤维复合光热纸的制备及其太阳能驱动界面水蒸发研究”一文荣获中国造纸2022 年度“金蔡伦杯”优秀论文二等奖，我们的心情无比激动。感谢中国造纸杂志为广大造纸科技工作者搭建如此良好的学术交流平台，也感谢专家评委们对我们研究工作的认可和肯定。我们深知，获奖是一份荣誉，更是一种鞭策和激励！我们将以此次获奖为新起点，更加自觉地担起国家“双碳”战略赋予造纸科技工作者的时代使命，在新型纸基功能材料尤其是纸基光热转换材料的研发领域不断开拓和探索，争取产出更多有价值的原创性科研成果，为中国造纸工业高质量发展和转型升级添砖加瓦，为中国纸基功能材料与器件的持续创新贡献绵薄之力。获奖者心声论 文 亮 点重点对光热纸的表面形貌和结构进行表征，探究了吡咯浓度及单体与氧化剂摩尔比对纸张光热性能的影响。该论文属于光热转化纸基功能材料的创制，具有学术价值，在太阳能水净化方面有潜在的应用意义。钱学仁东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室采访报道 Interview造 信 息 14No.7 2023造纸信息记者：钱教授您好，恭喜您和您团队的论文聚吡咯/纸浆纤维复合光热纸的制备及其太阳能驱动界面水蒸发研究 获得 中国造纸 2022 年度“金蔡伦杯”优秀论文二等奖！淡水资源对人类生存与发展起着至关重要的作用，高效、绿色、低成本和便携的水处理技术对提升工业水效、节约淡水资源具有重要意义。请您介绍一下复合光热纸的制备及其太阳能驱动界面水蒸发的课题背景、研究内容以及研究目的。钱学仁：非常感谢造纸信息记者的采访，使我有机会在造纸信息这个专业科技信息交流平台上分享我们的研究心得。水是宝贵的自然资源，是人类和一切生物赖以生存的物质基础。但地球上的水绝大部分是海水，淡水只占地球水储量的约 2.53%。目前人类利用的淡水资源，主要是江河湖泊水和浅层地下水，仅占地球水储量的 0.77%，极其有限。淡水资源对人类生存与发展起着至关重要的作用。据报道，全球约有 40 亿人每年至少有一个月面临严重的淡水资源短缺问题，约 16 亿人无法获得清洁安全的淡水资源供给。随着全球人口的持续增长、淡水污染的日趋严重和气候变化的日益加剧，预计到 2050 年，全球 50%以上的人口将生活在淡水资源匮乏的地区，保障充足且安全的淡水资源供给具有更大的挑战性。近年来，废水净化和海水淡化正逐步成为解决淡水资源短缺的重要途径和必由之路。废水净化就是分离废水中的污染物和水从而获得清洁水并实现污染物单独排放的过程，海水淡化就是分离海水中的盐和水从而获取淡水和盐的过程，二者的本质都是分离。传统的分离技术（如蒸发、蒸馏、吸附、萃取等）是能源密集型的，其能耗成本通常占总成本的 40%70%。在全球加快能源转型和国家实施双碳战略的大背景下，急需颠覆性技术创新以突破废水净化和海水淡化的能耗瓶颈。太阳能是一种清洁、可再生的绿色能源，太阳能光热蒸发技术因其可持续、低/无能耗、零 CO2排放等特点，近年来成为分离领域的研究焦点，在废水净化、海水淡化等方面展现出巨大的应用潜力，是缓解淡水资源紧张的一种大有前景的技术。然而，水蒸发涉及的潜热变化限制了自然阳光下的水蒸发产量。发展与设计可降低水蒸发能量需求的光热转换材料可实现太阳能驱动的高效快速界面水蒸发。迄今开发的光热转换材料主要有等离激元材料、碳纳米材料和半导体材料等，但制备复杂、成本高、稳定性低等弊端限制了它们的推广应用。因此，研发高效率、低成本、可循环的光热转换材料尤为重要和迫切。基于上述背景，我们团队在以往对导电聚合物/纤维素纤维复合材料长期研究和探索的基础上，提出了采用原位聚合法制备聚吡咯/纸浆纤维复合光热纸的新思路，旨在创制一种高效率、低成本、可循环、便携式的新型纸基光热转换材料，并尝试将其应用于太阳能驱动的界面水蒸发。我们对该光热纸的表面形貌和结构进行了表征，探究了吡咯浓度以及单体与氧化剂摩尔比对复合光热纸光热性能的影响。研究结果表明，随吡咯浓度和氧化剂用量的增加，纸的光热性能也随之提升，当吡咯浓度为 5 g/L、单体与氧化剂摩尔比为 1 2 时，在 1 kW/m2的光照强度下，5 min 内光热纸的表面温度可达 85.3，水蒸发效率可达 93.1%。具有优异能量转换效率、良好可循环性能、低成本的光热纸的成功开发，为太阳能废水净化和海水淡化等提供了一种新的技术方案，具有广阔的应用前景。造纸信息记者：迄今为止，科研工作者已经制备了多种用于太阳能驱动水蒸发的光热转换材料，请您分析一下这些材料的优缺点，以及聚吡咯/纸浆纤维复合光热纸的优势。Interview 采访报道152023年第7期 造纸信息钱学仁：若想充分利用太阳能，良好的光热转换材料必须满足两个基本条件：（1）要在整个太阳光谱范围内具有强烈的吸收；（2）要具有高的光热转换效率，以便能够将捕获的太阳光能用于水蒸发。迄今已开发的光热转换材料主要有等离激元材料、碳纳米材料、半导体材料等。等离激元材料在太阳光照射下产生局域表面等离激元共振现象，在材料表面形成很强的电场，因而在太阳能利用等领域拥有广泛的应用前景。等离激元材料在全光谱范围内吸收能力优异，但多数是基于贵金属（如金、银）而制造，价格昂贵，并且银表面易氧化导致稳定性不佳。碳纳米材料具有宽谱范围的太阳光吸收能力，对太阳能较为集中的可见光及近红外光都有强烈的吸收，同时具有稳定性高、成本低等优势，已成为海水淡化、废水净化等领域中最有潜力的光热转换材料之一。但目前绝大多数的碳纳米材料的能量转换效率普遍偏低（90%）。半导体材料具有种类繁多、原材料成本低、易功能化等优势，但其制造成本较高且部分难以规模化生产，长期使用时可能存在稳定性问题，使得它们在废水净化和海水淡化中的实际应用受到限制。因而，尝试制备成本低 廉、综合性能优异的具有全光谱吸收能力的光热转换材料是该领域的研究热点之一。有鉴于此，基于导电聚合物聚吡咯的良好太阳光吸收能力和光热转换性能，我们团队采用原位聚合法制备了一种新型的聚吡咯/纸浆纤维复合光热纸。尽管目前的研究尚显粗糙，但现有的研究结果已经证实，作为一种新型的低成本、便携式纸基光热转换材料，该光热纸应用于太阳能驱动的界面水蒸发，展现出太阳光全光谱吸收能力强、能量转换效率高、可循环性好、亲水性佳等一系列优势，在废水净化和海水淡化等领域具有较大的应用潜力，值得进一步深入研究与 开发。造纸信息记者：原位聚合法在纸浆纤维上负载聚吡咯（PPy），制备了高效、稳定可循环、便携的聚吡咯/纸浆纤维复合光热纸。与现有的制备方法相比，原位聚合法在纸浆纤维上负载聚吡咯具有哪些优势？钱学仁：迄今为止，关于纸基光热转换材料的研究尚不多见。现有的制备方法主要是真空抽滤法。2018 年，我国的罗继文等采用真空抽滤法制备了一种金纳米粒子修饰的氧化石墨烯/纳米纤维素纸，用于近红外激光诱导的致病菌光热消融。2020 年，日本的Hirotaka Koga 课题组采用先真空抽滤后热压干燥的方法在纤维素纳米纤维上原位生成等离激元金纳米颗粒，制备了一种具有双层多孔纳米微结构的光热纸，用于海水淡化和废水净化。2022 年，瑞典的 Chao Xu 团队采用真空抽滤法使纤维素基多孔碳与纤维素纳米纤维采访报道 Interview造 信 息 16No.7 2023造信 息16No.7 2023交织制备了纳米纸，用于太阳能驱动的界面水蒸发。但上述纸基光热材料均以纤维素纳米纤维和贵金属为原材料，制备成本高，并且由于真空抽滤过程耗时较长而难以实现大规模制备。我们团队的阶段性研究结果表明，与上述制备方法相比，以纸浆纤维为原材料，采用原位聚合法在其上负载聚吡咯制得复合纤维，通过既有的纸页抄造方法即可生产出高效、稳定循环使用、便携的光热纸，除复合纤维制备装置外，无需增加额外设施，可与现有造纸系统实现无缝衔接，具有工艺过程简单、设备投资少、制造成本低、可大规模制备等优势。造纸信息记者：您长期从事特种纸方面的研究，结合目前的研究成果，请展望一下本课题未来的研究方向及应用前景。钱学仁：根据我们团队的多年研究，我们认为聚吡咯/纸浆纤维复合纸是一种多功能纸基复合材料。通过工艺参数的优化和调控、预修饰、双重改性或后加工等技术措施，可实现该复合纸抗静电、电磁屏蔽、超电容、阻燃、抗菌、光催化、光热等多种功能及其组合应用，因而在抗静电或电磁屏蔽包装、传感和致动、超级电化学、抗菌阻燃除甲醛等多功能装饰、废水净化、海水淡化等众多领域都大有用武之地。通过双重改性等手段实现光热和光催化、光热和超级电化学等功能组合的研究可能是本课题未来的重要发展方向，一旦取得实质性突破，则有望在污染物消解同步清洁水生产、耐低温超级电容器等方面获得实际应用，具有巨大的开发潜力和广阔的市场前景。目前，我们团队正就上述部分内容开展研究，期愿早日取得实质性进展和突破。第二，使用分散剂。制浆造纸工业中常用的分散剂有聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等，其原理为增加体系黏度，从而限制纤维在水中的运动，使纤维不易相互接触，起到防止纤维絮聚的作用。第三，对高性能纤维本身进行处理。包括减少纤维的长度、增加纤维粗度、提高纤维挺度以及对纤维进行改性等方面，这对设备及处理条件的高要求导致其较难实现工业化。其中，最有效且最常用的方法是降低成形浓度和使用分散剂，成形浓度的降低会增加生产过程中的水耗和能耗，分散剂的使用则增加废水处理成本。因此，如何在提高成形浓度的同时，解决芳纶纤维分散、保证成纸匀度成为一项具有意义的难题。泡沫成形的出现为此问题的解决提供了契机。但目前对于泡沫成形的研究大都集中在植物纤维上，未见有在高性能纤维上的研究报道。因此，我们这项工作采用泡沫成形方法改善纤维的分散，通过研究泡沫成形技术在不同纤维配比下的泡沫性质与成纸性能来确定泡沫成形对芳纶纸的适用性及泡沫体系下的不同纤维配比纸张性能规律；然后通过改变表面活性剂用量、机械搅拌转速及表面活性剂种类改变泡沫性质，进而研究泡沫性质对纸张性能的影响，进一步优化泡沫成形条件。实现在保证成纸匀度、强度及绝缘性能的同时提高纤维成形浓度，减少生产水耗、能耗以及废水处理成本的目标。上接 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