一种改性无机纤维、其改性方法和用途技术领域
本发明属于纤维改性技术领域，涉及一种改性无机纤维、其改性方法和用
途。
背景技术
无机纤维不仅可以代替昂贵的植物纤维用于造纸，节约大量的植物纤维，
降低造纸成本，同时减少植物纤维制浆造成的污染问题。可用于造纸的无机纤
维主要有白泥纤维，玻璃纤维，石棉纤维，碳纤维，陶瓷纤维和粉煤灰纤维等。
无机纤维原料成本极低，不能细纤维化，其表面又不含能相互作用或与植
物纤维作用的基团，另外无机纤维脆性大，刚性强，纤维短，在制浆过程中经
打浆、分散、输送较易断裂为小段纤维，不仅造成在后续应用过程中出现小段
纤维交织、堵塞设备等现象，同时使用过多将使纸张强度大幅度下降。所以必
须选用易成柔性膜的成膜剂涂覆在无机纤维的表面将其包裹起来，增强其强度
和柔韧性。然而无机纤维表面不含能与有机材料作用的基团，成膜物质不易包
裹在无机纤维的表面。
CN103215844A公开了一种无机纤维的改性方法，将聚乙烯醇与水在
80-90℃下搅拌至聚乙烯醇完全溶解，然后加入氢氧化钠，再加入双氧水，在
80-90℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘
油醚氧丙基三甲氧基硅烷混合，碱性条件下在90-110℃反应，使γ-缩水甘油醚
氧丙基三甲氧基硅烷接枝到处理后的聚乙烯醇上，然后调节pH值＝7～9，得到
无机纤维软化增强剂；将无机纤维加入水中搅拌分散，然后加入无机纤维软化
增强剂搅拌均匀，待体系反应后，抽滤得到改性的无机纤维。但是，所述改性
方法制得的无机纤维的柔性和强度还不够高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种提高无机纤维柔软性和强度
的改性方法、改性的无机纤维及其用途，利用所述改性方法改性得到的无机纤
维具有优异的柔性及强度，用于造纸时能够显著提高纸张性能。
为了达到上述目的，本发明的采用以下技术方案：
一种无机纤维的改性方法，所述改性方法包括以下步骤：
1)按照1:(8-10)的质量比将聚乙烯醇与水在80-90℃下搅拌至聚乙烯醇
完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液，然后向聚乙烯醇水溶液中加入氢氧化钠和质
量浓度为30％的双氧水，在80-90℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；其中，
所加入的双氧水与聚乙烯醇水溶液的质量比为1：(140-180)，所加入的氢氧化
钠的质量是双氧水质量的3％-7％；
2)将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷按1:(0.4-0.6)
的质量比混合，然后在90-110℃下反应，使γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷
接枝到处理后的聚乙烯醇上，再调节pH值＝7～9，得到无机纤维软化增强剂；
3)将无机纤维加入水中，搅拌使无机纤维分散，然后加入无机纤维软化增
强剂，反应30min-60min，抽滤，得到的滤饼即为改性无机纤维；其中，所加
入的无机纤维软化增强剂与无机纤维的质量比为2:(8-10)。
本发明首先用双氧水对聚乙烯醇进行降解，然后在处理后的聚乙烯醇上接
枝γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，接枝后的聚乙烯醇上的官能团能够与无
机纤维之间产生作用，因此，本发明制得的无机纤维软化增强剂对无机纤维处
理后，无机纤维的柔软性和强度明显提高，而且经过该方法处理的无机纤维用
于造纸时能够提高纸张性能。
所述的步骤1)中搅拌时间为30min。
所述的步骤2)反应时间为30min。
所述的步骤3)在反应30min-60min前还要加入质量浓度为0.5％-1％的阳
离子聚丙烯酰胺溶液和质量浓度为0.5％-1％的十六烷基三甲基溴化铵溶液，搅
拌均匀；其中，所加入的阳离子聚丙烯酰胺溶液与十六烷基三甲基溴化铵溶液
的体积比为(3-10):(3-10)，且每加入5-10g的无机纤维软化增强剂需要加
入3-10mL的阳离子聚丙烯酰胺溶液。
本发明向无机纤维中加入无机纤维软化增强剂后，还加入使聚乙烯醇阳离
子化的阳离子聚丙烯酰胺和十六烷基三甲基溴化铵，因此聚乙烯醇带有正电荷。
而带有正电荷的聚乙烯醇与表面带有负电荷的无机纤维相互作用，使无机纤维
得到改性，其柔软性和强度明显提高。
所述的步骤3)中的无机纤维为白泥纤维、粉煤灰纤维、玄武岩纤维或煤
矸石纤维。
所述的步骤3)中每100-200mL水加入2g的无机纤维。
本发明还提供了利用所述的改性方法制得的改性无机纤维。
本发明还提供了所述改性无机纤维的用途，其用于造纸领域。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过选择合适的聚乙烯醇与水的质量比、双氧水与聚乙烯醇水溶液
的质量比、聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的质量比及无机纤维
软化增强剂与无机纤维的质量比，进一步提高了无机纤维的柔性及强度，用其
制成的纸张具有更优异的性能。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：
1)按照1:10的质量比将聚乙烯醇与水混合，并搅拌加热至85℃直到聚乙
烯醇完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液，然后向聚乙烯醇水溶液中加入氢氧化钠
和质量浓度为30％的双氧水，在85℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；其中，
所加入的双氧水与聚乙烯醇水溶液的质量比为1:150，所加入的氢氧化钠的质量
是双氧水质量的4％；
2)将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷按1:0.4的质
量比混合，然后在90℃下反应30min，调节pH＝7，得到无机纤维软化增强剂；
3)将2g的白泥纤维加入100mL的水中，搅拌使白泥纤维分散，然后加入
8g的无机纤维软化增强剂，充分搅拌均匀，再依次加入5mL质量浓度为0.6％
的阳离子聚丙烯酰胺溶液、6mL质量浓度为0.8％的十六烷基三甲基溴化铵溶
液，搅拌均匀，并反应30min，抽滤，得到的滤饼即为改性白泥纤维。
实施例2：
1)按照1:8的质量比将聚乙烯醇与水混合，并搅拌加热至90℃直到聚乙烯
醇完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液，然后向聚乙烯醇水溶液中加入氢氧化钠和
质量浓度为30％的双氧水，在90℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；其中，
所加入的双氧水与聚乙烯醇水溶液的质量比为1:140，所加入的氢氧化钠的质量
是双氧水质量的5％；
2)将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷按1:0.5的质
量比混合，然后在110℃下反应30min，调节pH＝8，得到无机纤维软化增强剂；
3)将2g的白泥纤维加入150mL的水中，搅拌使白泥纤维分散，然后加入
8g的无机纤维软化增强剂，充分搅拌均匀，再依次加入7mL质量浓度为0.5％
的阳离子聚丙烯酰胺溶液，4mL质量浓度为0.7％的十六烷基三甲基溴化铵溶
液，搅拌均匀，并反应40min，抽滤，得到的滤饼即为改性白泥纤维。
实施例3：
1)按照1:10的质量比将聚乙烯醇与水混合，并搅拌加热至80℃直到聚乙
烯醇完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液，然后向聚乙烯醇水溶液中加入氢氧化钠
和质量浓度为30％的双氧水，在80℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；其中，
所加入的双氧水与聚乙烯醇水溶液的质量比为1：180，所加入的氢氧化钠的质
量是双氧水质量的7％；
2)将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷按1:0.6的质
量比混合，然后在100℃下反应30min，调节pH＝9，得到无机纤维软化增强剂；
3)将2g的白泥纤维加入200mL的水中，搅拌使白泥纤维分散，然后加入
10g的无机纤维软化增强剂，充分搅拌均匀，再依次加入3mL质量浓度为1％
的阳离子聚丙烯酰胺溶液和10mL质量浓度为0.5％的十六烷基三甲基溴化铵溶
液，搅拌均匀，并反应50min，抽滤，得到的滤饼即为改性白泥纤维。
实施例4：
1)按照1:9的质量比将聚乙烯醇与水混合，并搅拌加热至87℃直到聚乙烯
醇完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液，然后向聚乙烯醇水溶液中加入氢氧化钠和
质量浓度为30％的双氧水，在87℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；其中，
所加入的双氧水与聚乙烯醇水溶液的质量比为1：180，所加入的氢氧化钠的质
量是双氧水质量的7％；
2)将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷按1:0.6的质
量比混合，然后在105℃下反应30min，调节pH＝7，得到无机纤维软化增强剂；
3)将2g的白泥纤维加入125mL的水中，搅拌使白泥纤维分散，然后加入
10g的无机纤维软化增强剂，充分搅拌均匀，再依次加入6mL质量浓度为0.8％
的阳离子聚丙烯酰胺溶液、5mL质量浓度为0.9％的十六烷基三甲基溴化铵溶
液，搅拌均匀，并反应60min，抽滤，得到的滤饼即为改性白泥纤维。
实施例5：
1)按1:10的质量比将聚乙烯醇与水混合，并搅拌加热至83℃直到聚乙烯
醇完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液，然后向聚乙烯醇水溶液中加入氢氧化钠和
质量浓度为30％的双氧水，在83℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；其中，
所加入的双氧水与聚乙烯醇水溶液的质量比为1：170，所加入的氢氧化钠的质
量是双氧水质量的3％；
2)将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷按1:0.5的质
量比混合，然后在95℃下反应30min，调节pH＝9，得到无机纤维软化增强剂；
3)将2g的白泥纤维加入175mL的水中，搅拌使白泥纤维分散，然后加入
8g的无机纤维软化增强剂，充分搅拌均匀，再依次加入4mL质量浓度为0.9％
的阳离子聚丙烯酰胺溶液和3mL质量浓度为1％的十六烷基三甲基溴化铵溶液，
搅拌均匀，并反应30min，抽滤，得到的滤饼即为改性白泥纤维。
实施例6：
1)按1:10的质量比将聚乙烯醇与水混合，并搅拌加热至87℃下使聚乙烯
醇完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液，然后向聚乙烯醇水溶液中加入氢氧化钠和
质量浓度为30％的双氧水，在87℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；其中，
所加入的双氧水与聚乙烯醇水溶液的质量比为1：160，所加入的氢氧化钠的质
量是双氧水质量的6％；
2)将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷按1:0.4的质
量比混合，然后在105℃下反应30min，调节pH＝7，得到无机纤维软化增强剂；
3)将2g的粉煤灰纤维加入115mL的水中，搅拌使粉煤灰纤维分散，然后
加入9g的无机纤维软化增强剂，充分搅拌均匀，再依次加入6mL质量浓度为
0.8％的阳离子聚丙烯酰胺溶液、5mL质量浓度为0.9％的十六烷基三甲基溴化铵
溶液，搅拌均匀，并反应60min，抽滤，得到的滤饼即为改性粉煤灰纤维。
实施例7：
1)按1:9的质量比将聚乙烯醇与水混合，并搅拌加热至83℃直到聚乙烯醇
完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液，然后向聚乙烯醇水溶液中加入氢氧化钠和质
量浓度为30％的双氧水，在83℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；其中，所
加入的双氧水与聚乙烯醇水溶液的质量比为1：150，所加入的氢氧化钠的质量
是双氧水质量的3％；
2)将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷按1:0.5的质
量比混合，然后在95℃下反应30min，调节pH＝9，得到无机纤维软化增强剂；
3)将2g的玄武岩纤维加入185mL的水中，搅拌使玄武岩纤维分散，然后
加入8g的无机纤维软化增强剂，充分搅拌均匀，再依次加入4mL质量浓度为
0.9％的阳离子聚丙烯酰胺溶液和3mL质量浓度为1％的十六烷基三甲基溴化铵
溶液，搅拌均匀，并反应30min，抽滤，得到的滤饼即为改性玄武岩纤维。
实施例8：
1)按1:8的质量比将聚乙烯醇与水混合，并搅拌加热至90℃直到聚乙烯醇
完全溶解，得到聚乙烯醇水溶液，然后向聚乙烯醇水溶液中加入氢氧化钠和质
量浓度为30％的双氧水，在90℃下反应4h，得到处理后的聚乙烯醇；其中，所
加入的双氧水与聚乙烯醇水溶液的质量比为1:170，所加入的氢氧化钠的质量是
双氧水质量的5％；
2)将处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷按1:0.5的质
量比混合，然后在110℃下反应30min，调节pH＝8，得到无机纤维软化增强剂；
3)将2g的煤矸石纤维加入160mL的水中，搅拌使煤矸石纤维分散，然后
加入8g的无机纤维软化增强剂，充分搅拌均匀，再依次加入7mL质量浓度为
0.5％的阳离子聚丙烯酰胺溶液，4mL质量浓度为0.7％的十六烷基三甲基溴化铵
溶液，搅拌均匀，并反应40min，抽滤，得到的滤饼即为改性煤矸石纤维。
对比例1
所述对比例1与实施例8相同，唯一的不同点在于：聚乙烯醇与水的质量
比为1:7。
对比例2
所述对比例2与实施例8相同，唯一的不同点在于：聚乙烯醇与水的质量
比为1:11。
对比例3
所述对比例3与实施例8相同，唯一的不同点在于：双氧水与聚乙烯醇水
溶液的质量比为1：130。
对比例4
所述对比例4与实施例8相同，唯一的不同点在于：双氧水与聚乙烯醇水
溶液的质量比为1：190。
对比例5
所述对比例5与实施例8相同，唯一的不同点在于：处理后的聚乙烯醇与
γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的质量比为1：0.3。
对比例6
所述对比例6与实施例8相同，唯一的不同点在于：处理后的聚乙烯醇与
γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的质量比为1：0.7。
对比例7
所述对比例7与实施例8相同，唯一的不同点在于：无机纤维软化增强剂
与无机纤维的质量比为2:7。
对比例8
所述对比例8与实施例8相同，唯一的不同点在于：无机纤维软化增强剂
与无机纤维的质量比为2:11。
本发明的无机纤维优选为白泥纤维，白泥纤维属于无机纤维的一种，它是
制浆造纸厂在碱回收过程中产生的大量苛化白泥经过重熔、纤维化而制成的以
无机矿物为基本成分的无机质纤维，其具有无机纤维的脆性，故需要对白泥纤
维进行软化处理，以增强纤维及其网络结合物的强度。
下面将本发明制备的改性白泥纤维添加到纸浆纤维中进行抄纸实验，测试
改性白泥纤维对纸张性能的影响。
抄纸实验：在不加任何助剂的条件下，将改性白泥纤维与纸浆纤维混合，
在400r·min-1的条件下搅拌1min，然后在纸样抄取器上进行抄片，得到的湿纸
页经压榨并干燥10min，抄造的纸页经48h吸水平衡后，按国家标准方法测试
实施例8与对比例6制得的改性纤维的物理性能(实验结果如表2及表3所示)，
本实验中的纤维添加量是以改性白泥纤维的质量占总纤维质量的百分比来表示
的，总纤维质量是指改性白泥纤维和纸浆纤维的总质量。另外，将改性白泥纤
维的抄纸实验条件中的改性白泥纤维替换成未改性白泥纤维，即得到未改性白
泥纤维的抄纸实验条件(实验结果如表1所示)，且纤维添加量是以未改性白泥
纤维的质量占总纤维质量的百分比来表示的，总纤维质量是指未改性白泥纤维
和纸浆纤维的总质量。
表1不同未改性白泥纤维添加量对纸张性能的影响
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抗张强度、抗张指数的数据处理及计算方法按GB/T22898-2008进行；
环压强度的测试方法按国标GB/T2679.8-1995进行。
表2不同改性白泥纤维添加量对纸张性能的影响
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抗张强度、抗张指数的数据处理及计算方法按GB/T22898-2008进行；
环压强度的测试方法按国标GB/T2679.8-1995进行。
实施例1-7的性能与实施例8基本相同。
表3
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对比例1-5及对比例7和8的性能与对比例6基本相同。
表1、2及3为不同的白泥纤维添加量下纸张性能的变化趋势。从表1、2
和3中可以看出，白泥纤维加入量对纸张强度影响较大，随白泥纤维用量的增
加，纸张的抗张强度和环压强度都有一定程度的降低。当其加填量较大时会对
纸张物理强度带来较大的负面影响。虽然本发明软化改性的目的是为了提高白
泥纤维的柔软性和强度，进而增强其与植物纤维之间的联接作用，减小因白泥
纤维的加入而导致的纸页强度损失，但纤维的软化不能完全抵消这个损失，所
以导致纸张的环压强度和抗张强度随着纤维添加量的增加而降低。
对比表1与表2中的数据，在同样的纤维含量下，未改性白泥纤维和改性
白泥纤维的物理性能相差较大，改性后较改性前明显提高。表2中，当纤维含
量为20％时，添加改性后白泥纤维的纸张环压强度较未改性的增加了65％。纤
维含量为20％时，抗张强度提高了96％；而表3中当纤维含量为20％时，添加
改性后白泥纤维的纸张环压强度较未改性的增加了38％。纤维含量为20％时，
抗张强度提高了93％。可见，选择合适的聚乙烯醇与水的质量比、双氧水与聚
乙烯醇水溶液的质量比、处理后的聚乙烯醇与γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅
烷的质量比及无机纤维软化增强剂与无机纤维质量比有助于提高改性纤维的性
能和纸张的性能。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围
并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技
术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明
的保护范围和公开范围之内。