本发明涉及造纸领域， 特别是涉及环保石头纸及其制备方法。

背景技术

纸张是中国四大发明之一， 传统纸的主要原料是木材等， 其生产大 致分为制浆和造纸两个基本过程。 制浆就是把原料离解变成本色纸浆或 漂白纸浆。 造纸则是把悬浮在水中的纸浆纤维， 经过各种加工制成合乎 要求的纸张。 目前， 随着国家森林保护政策的出台， 造纸原料主要依靠 进口木浆维持。 同时， 由于传统纸生产过程中会产生大量废水， 严重污 染环境， 治理难度极大， 且传统纸不耐潮湿， 腐蚀， 尺寸稳定性和各项 物理机械能差， 已不能满足许多用纸领域的特殊要求， 因此， 纸张生产 研制需要创新。

上世纪五十年代， 出现了以塑料、 碳酸钙及多种助剂为原料， 用吹 膜法、 流延法生产的环保合成纸。 该环保合成纸的特点是各项物理机械 性能优于传统纸， 且具有耐潮湿， 防水， 尺寸稳定性好等特性， 因此满 足了不同领域的多种要求， 在部分领域取代了传统纸， 是造纸工业的一 次改革。 新型的环保合成纸——石头纸， 即出现在此变革中。

现有石头纸的特点是， 其主要由树脂和碳酸钙组成。 为降低石头纸 的成本， 则需要增加石头纸中碳酸钙的比例， 以此降低树脂的用量， 从 而使成本下降。 但随之而来的问题是， 随着碳酸钙比例增加， 其功能性 作用逐渐减退， 制备得到的石头纸各项物理机械能随之下降， 导致了石 头纸品质的降低。 另一方面， 虽然碳酸钙比例增加而减少了树脂的比例， 但制备得到的石头纸比重却因此而增加了， 反而造成实际生产的纸张数 量减少， 从而压缩了成本降低的实际空间。

发明内容

依据本发明的一方面提供一种环保石头纸， 其组分包括树脂和短纤 维， 其中短纤维是纤维长度为 10~15mm 的纤维产品。 该环保石头纸中 可根据纸张在实际使用中对刚性等的需求含有 或不含有碳酸钙。

本发明中， 短纤维可为棉短纤维， 树脂可为聚乙烯或聚丙烯。

进一步， 短纤维优选为短棉绒， 树脂优选聚乙烯。

其中， 优选短纤维的重量百分比为 30~50%, 优选树脂的重量百分 比为 47~67%。

上述环保石头纸中还包括重量百分比为 2.2~4.5%的助剂， 所述助剂 包括复合偶联剂、 阻燃剂、 增容剂或爽滑剂。

进一步优选， 复合偶联剂占 0.2-0.5%, 阻燃剂占 0.5-1%, 增容剂占 0.5-1%, 爽滑剂占 0.5-2%。 依据本发明的另一方面还提供一种三层共挤环 保石头纸， 其包括表 层和基层， 其基层的组分包括短纤维、 树脂及助剂； 其表层的组分包括 二氧化钛、 树脂和助剂。

该环保石头纸基层的组分按基层质量百分比计 优选包括 30-50%的 短纤维、 47-67%的树脂以及 2.2%-4.5%的助剂。

该环保石头纸表层的组分按表层质量百分比计 优选包括 32-64%的 二氧化钛、 33-65%的树脂以及 2.2%-4.5%的助剂。

本发明中， 短纤维可为棉短纤维， 树脂可为聚乙烯或聚丙烯。

进一步的， 上述表层和基层的组分中， 短纤维优选短棉绒， 树脂优 选聚乙烯， 该聚乙烯中， 高密度聚乙烯占 55-65% , 低密度聚乙烯占 25-35%, 线性低密度聚乙烯占 5-15%。

上述助剂包括复合偶联剂、 阻燃剂、 增容剂或爽滑剂。 进一步优选， 复合偶联剂占 0.2-0.5%, 阻燃剂占 0.5-1%, 增容剂占 0.5-1%, 爽滑剂占 0.5-2%, 均分别以基层或表层质量的百分比计算。

上述基层的组分还可进一步包括碳酸钙。

该三层共挤环保石头纸结构为表层-基层-表层� �� 基层夹于两个表层 之间， 其纸张厚度可以为 0.08-0.15mm, 基层和表层的厚度则可根据实 际需要进行调整， 优选基层的厚度占环保石头纸总厚度的 70%-90%, 每 一表层的厚度占环保石头纸总厚度的 5%-15%。

依据本发明的再一方面还提供三层共挤环保石 头纸的制备方法， 该 方法包括：

A. 将各组分干燥至含水量小于 2%, 组分及配比可参照上述描述；

B. 将基层的组分和表层的组分分别于 100-110 °C下进行混合搅拌， 混合顺序为，

基层： 在短纤维中加入助剂， 混合均勾后加入树脂；

表层： 在二氧化钛中加入助剂， 混合均勾后加入树脂；

C. 混合后的基层的组分和表层的组分分别经真空 捏合后造粒，得到 表层粒子和基层粒子；

D. 将表层粒子和基层粒子三层共挤压延， 制备得到表层 -基层 -表层 三层结构的环保石头纸。

上述步骤 B中， 加入助剂混合时， 助剂的添加顺序是依次加入复合 偶联剂、 阻燃剂、 增容剂、 爽滑剂， 且每加入一种成分后经过充分混合 再加入另一种。

上述步骤 D中， 釆用三层共挤五辊压延机， 其包括挤压机部分和压 延机部分， 挤压机中各段的挤出温度设定为 90-110 °C、 220-240 °C、 100-120 °C , 压延机温度设定小于 150 °C。

由于釆用以上技术方案， 本发明的有益效果在于： 1. 通过将短纤维引入环保石头纸之后， 能够使得环保石头纸的比重 降低， 刚性、 挺度、 柔韧性等物理机械性能提高， 抗撕裂强度大大加强， 环保石头纸的尺寸稳定性也更加良好。

2. 短纤维在环保石头纸中部分或全部取代碳酸钙 可以大大降低环 保石头纸的比重， 从而减少树脂的用量， 使得产品成本降低， 因此该种 新型环保石头纸有更高的经济效益。

3. 釆用表层 -基层 -表层的三层结构， 其基层和表层组分不同， 各自 发挥不同作用。 基层起到支撑作用， 对环保石头纸的各项物理机械性质 的提升起决定作用； 表层光洁， 具有一定的硬度， 且润湿张力高， 着色 性能好， 有利于印刷， 本发明的环保石头纸特别适用于要求其物理机 械 性能高、 尺寸变形性小的领域， 如地图， 海图， 石油、 地质、 地震灾害 图、 国土测绘图等方面的应用。

附图说明

图 1是本发明的一种新型环保石头纸的结构图， 图中 1表示基层， 2 表示表层；

图 2是本发明的一种新型环保石头纸的制备流程� �；

图 3 是本发明的一种新型环保石头纸的制备步骤中 压延过程示意 图， 图中 3表示挤压机， 4表示模头， 5表示压延机， 6表示收卷机。 具体实施方式

不同于传统石头纸， 本发明以短纤维作为主要组分代替了现有技术 中传统石头纸的主要成分碳酸钙， 制备得到的纸张与传统石头纸的性能 相比， 不仅具备传统石头纸的基本特性， 还在各项性能上均有不同程度 的优化提高， 因此， 本发明公开的是一种新型环保石头纸。

本发明中的短纤维是纤维长度为 10~15mm 的纤维产品， 可以选用 棉短纤维， 短玻璃纤维等， 其中优选使用短棉绒。 本发明使用的短棉绒 是指棉籽轧制后留在棉籽上残存的短纤维， 是不能纺织的短棉花纤维。 将其引入环保石头纸之后， 使得环保石头纸的品质产生一系列的变化， 其突出的有益效果是使环保石头纸的比重降低 ， 同时使环保石头纸各项 物理机械性能得以优化， 柔韧性和尺寸稳定性也得以提升， 进一步使得 传统的石头纸的定义， 特性， 优势和应用领域产生质的变化。 本领域技 术人员可以根据纸张实际使用的需求对该环保 石头纸的组分进行适当的 调整， 使其各项机械性质符合需求， 例如可根据实际需要进一步加入碳 酸钙等组分。

本发明进一步提供的一种三层共挤环保石头纸 ， 包括表层和基层， 其结构如图 1 所示为： 表层 -基层 -表层的三层结构。 其中， 基层的组分 主要包括短纤维、 树脂及助剂。 本发明中优选基层的组分按基层质量百 分比计包括 30-50%的短纤维、 47-67%的树脂以及 2.2%-4.5%的助剂。 表 层的组分包括二氧化钛、 树脂和助剂， 其中二氧化钛具有遮光作用和增 白作用。本发明中优选表层的组分按表层质量 百分比计包括 32-64%的二 氧化钛、 33-65%的树脂以及 2.2%-4.5%的助剂。

本发明的三层共挤环保石头纸其基层和表层组 分不同， 因此作用也 不相同。 基层具有支撑作用， 对环保石头纸的各项物理机械性质起决定 作用； 表层则主要用于印刷。 本领域技术人员可以根据纸张实际使用的 需求对上述基层和表层的组分进行适当的调整 ， 使其各项机械性质符合 需求， 其基层组分优选短棉绒， 此外也可根据实际需要在基层中进一步 加入碳酸钙等组分。 此外， 该环保石头纸的厚度为 0.08-0.15mm, 其表 层、 基层的厚度比例可根据印刷条件、 印刷要求和片材物理机械性能的 要求进行相应的调整， 本发明中优选基层的厚度占环保石头纸厚度的 70%-90%, 每一表层的厚度占环保石头纸厚度的 5%-15%, 上下表层的 厚度可以相同， 也可以根据需要调整为不同厚度。 在依据本发明的一个 实施例中， 纸张的基层厚度占 90%, 上下表层各占 5%。

本发明的表层和基层组分中的树脂可以釆用聚 乙烯或聚丙烯等， 本 领域技术人员可以根据纸张制造的实际要求， 选择合适的树脂类型。 在 本发明中优选聚乙烯， 该聚乙烯中， 高密度聚乙烯占 55-65%, 低密度聚 乙烯占 25-35%, 线性低密度聚乙烯占 5-15%, 在依据本发明的一个实施 例中进一步优选为， 在聚乙烯中， 高密度聚乙烯占 60%, 低密度聚乙烯 占 30%, 线性低密度聚乙烯占 10%。

本发明的表层和基层组分中的助剂主要包括复 合偶联剂、 阻燃剂、 增容剂 （也可称为相容剂）、 爽滑剂 （也可称为分散剂）。 其中， 基层使 用的复合偶联剂即为其名称， 并不是指由多种偶联剂混合组成， 其作用 是使短棉绒等组分与树脂实现良好的链接， 本领域技术人员可以根据实 际使用的树脂、 短棉绒等组分， 选择合适的复合偶联剂， 例如 OL-AT系 列铝钛复合偶联剂， 在某些实施例中， 复合偶联剂还可与硅烷偶联剂共 用以增加链接强度。 在制备过程中挤出压延时， 用于制备基层、 表层的 组分处于流体形式的熔融状态， 应具有内润滑和外润滑特性， 即熔体内 部、 熔体和金属之间应有良好的润滑保证， 因此需要选择良好的爽滑剂 作为助剂， 保证其起到良好的润滑作用， 例如可以选用 RH型润滑剂作 为爽滑剂， 或者选用 WP型聚丙烯蜡或 WE型聚乙烯蜡等。 阻燃剂的作 用是可以使得纸张具备防火的功能， 例如可以选用阻燃 PP (此为名称）， 有效又环保， 也可用 FZY系列复合阻燃抑烟剂作为阻燃剂。 此外， 助剂 可根据所选用的树脂对应选择， 例如， 爽滑剂可根据所选用的树脂对应 选择为聚乙烯蜡或聚丙烯蜡 （如树脂是聚乙烯， 则爽滑剂用聚乙烯蜡； 如树脂是聚丙烯， 则爽滑剂用聚丙烯蜡）， 增容剂可以选用 POE8100型 增容剂或 POE8210型增容剂。 本发明中优选复合偶联剂占 0.2-0.5%, 阻 燃剂占 0.5-1%, 增容剂占 0.5-1%, 爽滑剂占 0.5-2%, 均分别以基层或 表层质量的百分比计算。

依据本发明的一种实施方式的三层共挤环保石 头纸的制备方法， 如 图 2所示， 包括： 步骤 A, 将所有组分干燥至含水量小于 2%, 以保证 整个工艺流程的顺利进行。 步骤 B , 将基层的组分和表层的组分分别加 入高速搅拌机中于 100-110 °C下进行混合搅拌， 混合顺序为， 基层： 先 将短纤维搅拌 3-5分钟， 再加入助剂搅拌 3-5分钟， 混合均勾后加入树 脂搅拌 3-5分钟； 表层： 先将二氧化钛搅拌 3-5分钟， 再加入助剂搅拌 3-5分钟， 混合均勾后加入树脂搅拌 3-5分钟。 步骤 C , 将混合后的基层 的组分和表层的组分分别经真空捏合后造粒， 分别得到表层粒子和基层 粒子。 步骤 D , 将表层粒子和基层粒子送至挤压机， 如图 3所示， 在挤 压机中加热后经模头流出， 再经压延机压延到需要的厚度， 适当处理后 经收卷机收卷制备得到表层-基层-表层三层结� ��的环保石头纸。

以短棉绒为例， 进一步具体说明如下。

依据本发明的一种实施例的制备方法中， 短棉绒在高速搅拌器中约 110 °C下加入偶联剂及其它助剂， 低速搅拌约 3-5分钟， 再加入树脂， 低 速搅拌 3-5分钟， 即实现短棉绒与树脂的良好链接， 两者形成一体， 保 证了环保石头纸性能的一致性。 为保证混合塑化效果， 提升产品质量， 基层的助剂加入顺序优选为先加入复合偶联剂 ，再加入阻燃剂、增容剂、 爽滑剂， 且每加入一种助剂后经过充分混合比如混合一 分钟后再加入另 一种。

在上述制备过程中， 当基层、 表层粒子送入三层共挤五辊压延机的 挤压机后， 基层的树脂、 短棉绒系统与表层的二氧化钛、 树脂系统均需 要保证其流体的流变性能良好。 此时， 基层、 表层的熔体流动性能良好 的考核标准是熔体流动速率应> 1 , 以保持其流动性能的一致性。熔体流 动速率由所选择的树脂、 配方、 工艺过程决定， 本领域技术人员可根据 实际情况， 釆取适当的条件控制好熔体流动速率。 其中挤出时各段的温 度的设定约为 90-110 °C— >220-240 °C—>100-120 °C左右，优选温度为 100 °C ->240 °C ->110 °C , 压延机的温度设定应在组分的维卡软化点以下 ， 即 150 °C以下， 在收卷前， 可进一步增加电晕处理、 静电消除、 在线厚 度非接触式测量等工序。

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说 明。在以下实施例中， 所使用的聚乙烯为市售的沙特 HTA-001HD聚乙烯， 所使用的二氧化钛 为美国杜邦的 R960二氧化钛， 所使用的复合偶联剂为深圳市优越昌浩 科技有限公司的 27#复合型偶联剂， 所使用的爽滑剂为上海松亚化工有 限公司的 8丁-108#爽滑剂， 所使用的阻燃剂为广州嘉卓贸易有限公司的 无机阻燃剂，所使用的增容剂为上海金山星星 塑料有限公司的 WP-11增 容剂， 所使用的短棉绒为河南开封棉产公司的短棉绒 ， 所使用的碳酸钙 为南京欧米亚碳酸钙。 实施例 1

按以下配方制备环保石头纸。

表层组分（各组分重量百分比以表层质量计） ： 聚乙烯 57.5%, 二氧 化钛 40%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

基层组分 （各组分重量百分比以基层质量计）： 聚乙烯 55%, 短棉 绒 42.5%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。 具体制备过程如下：

1. 将以上各组分置于真空干燥箱内， 干燥至含水量小于 2%, 取出 待用。

2. 将短棉绒和二氧化钛分别放入高速搅拌机中， 设定温度为 100-110 °C左右， 以低速档搅拌 3-5分钟。

3. 依次将复合偶联剂、 阻燃剂、 增容剂、 爽滑剂分别加入至已加热 的短棉绒和二氧化钛中， 每种助剂加入之间间隔一分钟， 再将短棉绒混 合物和二氧化钛混合物分别置于高速搅拌机中 ， 设定温度为 100-110°C, 以高速档搅拌 3-5分钟。

4. 分别将短棉绒助剂混合物与树脂混合搅拌、将 二氧化钛助剂混合 物与树脂混合搅拌， 搅拌充分后分别送至真空捏合机捏合， 再分别送入 造粒机造粒， 分别得到表层粒子和基层粒子。

5. 将表层粒子和基层粒子送至挤压机，挤出时各 段温度的设定约为 100°C—>240°C—>110°C左右， 将粒子融化成熔融状态， 经模头流出后， 用压延辊压成需要的厚度， 压延机的温度设定为 150°C以下， 再进行电 晕处理、 静电消除、 在线厚度非接触式测量等工序， 处理完成后收卷， 得到产品 1。 实施例 2

按以下配方制备环保石头纸。

表层组分（各组分重量百分比以表层质量计） ： 聚乙烯 57.5%, 二氧 化钛 40%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

基层组分 （各组分重量百分比以基层质量计）： 聚乙烯 67%, 短棉 绒 30.8%, 复合偶联剂 0.2%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

其制备步骤同实施例 1, 得到产品 2。 实施例 3 按以下配方制备环保石头纸。

表层组分（各组分重量百分比以表层质量计） ： 聚乙烯 57.5%, 二氧 化钛 40%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

基层组分（各组分重量百分比以基层质量计） ： 聚乙烯 45.5%, 短棉 绒 50%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 1%, 增容剂 1%, 爽滑剂 2%。

其制备步骤同实施例 1, 得到产品 3。 实施例 4

按以下配方制备环保石头纸。

表层组分（各组分重量百分比以表层质量计） ： 聚乙烯 57.5%, 二氧 化钛 40%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

基层组分 （各组分重量百分比以基层质量计）： 聚乙烯 47%, 短棉 绒 48.5%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 1%, 增容剂 1%, 爽滑剂 2%。

其制备步骤同实施例 1, 得到产品 4。 实施例 5

按以下配方制备环保石头纸。

表层组分（各组分重量百分比以表层质量计） ： 聚乙烯 57.5%, 二氧 化钛 40%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

基层组分（各组分重量百分比以基层质量计） ： 聚乙烯 66.7%, 短棉 绒 30%, 复合偶联剂 0.3%, 阻燃剂 0.75%, 增容剂 0.75%, 爽滑剂 1.5%。

其制备步骤同实施例 1, 得到产品 5。 实施例 6

按以下配方制备环保石头纸。

表层组分（各组分重量百分比以表层质量计） ： 聚乙烯 63.5%, 二氧 化钛 32%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 1%, 增容剂 1%, 爽滑剂 2%。

基层组分 （各组分重量百分比以基层质量计）： 聚乙烯 55%, 短棉 绒 42.5%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

其制备步骤同实施例 1, 得到产品 6。 实施例 7

按以下配方制备环保石头纸。

表层组分（各组分重量百分比以表层质量计） ： 聚乙烯 33.8%, 二氧 化钛 64%, 复合偶联剂 0.2%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

基层组分 （各组分重量百分比以基层质量计）： 聚乙烯 55%, 短棉 绒 42.5%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。 其制备步骤同实施例 1, 得到产品 7。 实施例 8

按以下配方制备环保石头纸。

表层组分 （各组分重量百分比以表层质量计）： 聚乙烯 65%, 二氧 化钛 32.7%, 复合偶联剂 0.3%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

基层组分 （各组分重量百分比以基层质量计）： 聚乙烯 55%, 短棉 绒 42.5%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

其制备步骤同实施例 1, 得到产品 8。 实施例 9

按以下配方制备环保石头纸。

表层组分 （各组分重量百分比以表层质量计）： 聚乙烯 33%, 二氧 化钛 63.7%, 复合偶联剂 0.3%, 阻燃剂 0.75%, 增容剂 0.75%, 爽滑剂 1.5%。

基层组分 （各组分重量百分比以基层质量计）： 聚乙烯 55%, 短棉 绒 42.5%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

其制备步骤同实施例 1, 得到产品 9。 实施例 10

按以下配方制备环保石头纸。

表层组分（各组分重量百分比以表层质量计） ： 聚乙烯 57.5%, 二氧 化钛 40%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

基层组分 （各组分重量百分比以基层质量计）： 聚乙烯 50%, 短棉 绒 35%, 碳酸钙 12.5%, 复合偶联剂 0.5%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

其制备步骤同实施例 1(在步骤 2中，将碳酸钙与短棉绒一同加入）， 得到产品 10。

以上制得的产品 1-10 的纸张厚度为 0.12±0.03mm, 其基层厚度占 纸张厚度的 90%, 其上下表层厚度各占纸张厚度的 5%。 对比例

将上述产品 1-10与传统 PP (聚丙烯） 单层石头纸就相关指标进行 如下对比实验， 结果如表 1所示。

表 1 断裂 屈服 尺寸 断裂

比重 成本

伸长率 拉伸强度 变形性 拉伸强度

(g/cm ³ ) (；万元 /吨）

(%) (N/mm ² ) (%) (N/mm ² )

产品 1 1.0 410 26 <2 30 0.58 产品 2 1.0 410 27 <2 29 0.59 产品 3 1.0 400 28 <2 31 0.60 产品 4 1.0 390 28 <2 31 0.61 产品 5 0.9 400 27 <2 30 0.60 产品 6 0.9 380 28 <2 30 0.60 产品 7 1.0 390 26 <2 31 0.59 产品 8 1.0 400 28.2 <2 31 0.58 产品 9 1.0 410 26 <2 31 0.59 产品 10 1.1 400 26 <2 30 0.60

对照 1.2 330 20 <3 20 0.60

注： 对照为 PP 单层石头纸， 其配方为 （按质量百分比计）： PP (聚 丙烯均聚物） 47.2%, 碳酸钙 50%, 偶联剂 0.8%, 阻燃剂 0.5%, 增容剂 0.5%, 爽滑剂 1%。

通过表 1可知，依据本发明制备得到环保石头纸在上� �指标对比中， 较传统石头纸比重低， 各项物理机械性能好， 例如断裂伸长率高， 屈服 拉伸强度高， 断裂拉伸强度高。 同时， 依据本发明的石头纸较 PP石头 纸， 在稳定性实验中尺寸变化率的百分比低， 即尺寸稳定性好。 而成本 方面， 因依据本发明的环保石头纸比重低， 故实际生产的纸张数目较 PP 石头纸多， 从而降低了单位纸张的成本。 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 对于本 领域的一般技术人员， 依据本发明的思想， 可以对上述具体实施方式进 行变化。