非植物纤维造纸技术研究现状与发展.doc

非植物纤维造纸技术研究现状与发展摘要：本文阐述了利用无机纤维、化学纤维、微生物纤维等非植物纤维造纸的技术现状与发展趋势。关键词：非植物纤维造纸；无机纤维造纸；化学纤维造纸；微生物纤维造纸 天然植物纤维造纸技术经过近两千年的发展，其技术已相当成熟。随着现代人类文明的不断发展，纸张已不完全局限于书写文化领域使用，而逐渐成为工业、农业、商业、建筑业等领域不可缺少的材料，纸张需求量也在逐年攀升。由于传统植物纤维造纸需要消耗大量的森林资源，生产过程需要对植物纤维进行蒸煮、漂白等处理工艺，造成严重的水污染，因此传统的植物纤维造纸的发展受到了一定的制约。同时由于不同领域对纸张的需求有所不同，利用传统植物纤维抄纸已无法满足对人们对纸张性能的特殊需求。因此，利用非植物纤维造纸技术在近几年来得到了较快的发展。目前利用非植物纤维造纸技术主要有无机纤维造纸、石头造纸、化学纤维造纸、微生物纤维造纸等几大类。一、无机纤维造纸在传统植物纤维造纸时通常将l0-20%的滑石粉、高岭土、二氧化钛、碳酸钙等无机矿物粉料作为填料加入。造纸加无机填料的主要目的是为了降低纸的成本，同时无机填料也有助于改善纸张的性能，通过使用无机填料填充的纸张空隙得到填充，平滑度有较大提高，纸张的不透明度和白度增加，纸张适印性良好，尺寸稳定性增加。但随着无机填料的进一步增加，填料会减弱纤维间的结合，造成纸的强度下降，印刷时出现掉粉现象。为了使无机填料填充于纸张而又不能降低纸张的强度，目前逐渐出现使用无机纤维作为纸张填充料。无机纤维不但具有填充性能，降低纸张成本，更重要的是无机纤维特殊的纤维结构可以替代植物纤维作为造纸原材料，开辟了造纸原料的新途径。无机纤维造纸原料可以是天然的矿物纤维，也有人造无机纤维。1.1天然无机纤维造纸 目前天然矿物纤维在造纸中应用研究主要有海泡石纤维、硅灰石纤维、水镁石纤维、石膏纤维等。矿物纤维是将自然中具有纤维结构的矿石经过超细粉碎，表面复合处理得到的新材料。纤维粒径一般为2-10微米，长度为10-100微米，结构介于粒状无机填料与植物纤维。由于良好的长径比，矿物纤维可以替代植物纤维用于造纸，对降低造纸成本，保护森林，减少水污染具有重要意义。矿物纤维不同于传统的填料碳酸钙、滑石粉等，在纸张中不仅仅只是简单的填充作用，而是与植物纤维交织在一起，构成了新型的植物纤维与矿物复合纤维网状结构，从而可以部分替代植物短纤维。矿物纤维用于造纸，具有提高纸张不透明度、降低生产成本、改善匀度、提高适印性等特性。在添加相同比例填料量的情况下，加入矿物纤维纸张的抗张指数、撕裂指数及耐破指数均明显高于添加普通碳酸钙填料的纸张。国内云南超微新材料有限责任公司、江西华杰泰矿纤科技有限公司推出的矿物纤维在市场上开始逐步推广使用，使用方法与普通填料相似，无需对现有造纸设备和工艺流程进行改造，纸张强度符合相应纸产品的强度要求，且白度、不透明度、匀度、印刷适印性等指标有所改善。晏全香等人通过对海泡石与植物纤维复合使用研究发现，海泡石像三维网一样缠绕在植物纤维的表面，得到与纯木浆纸相当的效果，当海泡石纤维的添加量达到40%时，可提高纸片的强度、白度、平滑度、不透明度。刘焱对木浆中填加硅灰石纤维的效果进行了研究分析，硅灰石纤维通常为纤维状和针状，即便将硅灰石微细至5000目，硅灰石颗粒也保持纤维状结构，长径比可达到20：1。木浆中填加30%的硅灰石时纸张强度性能均达到一般印刷类用纸及文化用纸的要求，因此可以作为填料替代部分纸浆纤维进行抄纸用来降低生产成本。孙立金等将硅灰石矿物复合纤维和碳酸钙与植物纤维的抄纸性能进行对比研究，硅灰石矿物复合纤维呈纤维状和放射状，纤维长度相对较长，而碳酸钙的结构形态几乎都呈颗粒状，长度明显比硅灰石矿物纤维短。孙传敏等研究了改性硅灰石在新闻纸中的应用，结果表明：在新闻纸中加入10-15% 改性硅灰石能极大地改善新闻纸的白度、不透明度、适印性、撕裂强度。唐靖炎分别就海泡石/改性硅灰石、纤维水镁石/硅灰石、纤维水镁石/改性硅灰石、纤维水镁石/海泡石与植物纤维复合，其纸片性能优于单一矿物纤维与植物纤维复合纸片的性能，加入量可以达30%-40%。刘焱研究了石膏纤维在纸中的添加情况，结果表明，在植物纤维纸张中添加石膏纤维对纸张强度有明显的提高，当石膏纤维添加量为35%时纸张时强度最大，在受外力拉伸时纤维间的相对滑动受到石膏纤维结合网络阻碍，说明石膏纤维与植物纤维形成一个整体网状结构。石膏纤维由于纤维较短，通常与长纤维搭配使用。黑龙江省造纸工业研究所利用粉煤灰纤维生产特种纸，它具有植物纤维无法实现的特殊性能：耐腐蚀、耐高温、阻燃、绝缘、隔热、保温等。随着不同矿物纤维技术的不断开发，玄武岩纤维、云母、硅酸铝、石棉等纤维在造纸中也开始使用。石棉纤维具有柔性和弹性，在无机纤维中属于最容易抄纸的纤维，但由于石棉纤维对人体存在治癌危害，限制了在纸张中的应用。河北工业大学推出的武岩纤维造纸将30-40%的玄武岩纤维与60-70%木浆混合成浆，生产高强配抄纸，处世界先进水平。1.2人造无机纤维造纸 除了天然矿物纤维，随着人造无机纤维技术的不断发展，逐渐出现了将人造无机纤维用于造纸，从而得到具有特殊性能的纸张。人造无机纤维主要有碳酸钙晶须、碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维等。应用碳酸钙晶须代替粒子碳酸钙作填料，由于它们的方向性，作造纸填料时能够与原纸表面平行而紧密地排列，加之其白度和填充性都很高，与以往填充粒状碳酸钙的纸张相比，显示出优越的印刷适应性，纸张的光泽、填料的比例也得到提高。碳纤维由于优异的导电性、多孔性，可用于抗静电包装纸，过滤纸等领域。玻璃纤维、陶瓷纤维相对较脆，但由于耐燃、耐高温等特性在冶金、化工等领用用途广泛。无机纤维的发展为造纸提供了更宽范围的选择，一方面，无机纤维替代植物纤维造纸改善了纸张性能，可以制备适合不同性能需要的纸张。另一方面，在造纸技术中使用无机纤维，不但节能环保，而且极大的降低了造纸成本。矿物纤维正由填充料变为造纸的主要原料，因此利用矿物纤维替换植物纤维造纸是今后发展的一个重要方向。不过矿物纤维造纸也存在一些问题。尽管矿物纤维具有植物纤维的纤维状结构，但由于矿物纤维脆性大、比重高，如果用矿物纤维替换大量植物纤维，势必会造成纸张比重升高，柔韧性降低等缺陷。二、石头造纸利用石头造纸是一种完全不同于传统抄纸的造纸技术。石头造纸是将石头矿物细粉、加工助剂、高分子材料经螺杆挤出机挤出，最后进行吹塑、流延、延压等成型设备加工成型。石头造纸利用廉价的石头矿产资源造纸可以不用传统造纸中的纸浆材料，不用传统造纸的昂贵设备投入，减少了生产和管理投入。由于在整个生产过程无需用水，不需要添加强酸、强碱、漂白粉及众多有机氯化物，比传统造纸工艺省去了蒸煮、洗涤、漂白等几个重要的污染环节，得到了较快的发展。石头造纸技术最早由中国台湾龙盟提出，目前有大连地球卫士公司正在推出利用石头造纸的产品。该技术生产的纸光洁度好，不易撕裂，易于印刷，不怕水，纸张具有较好的耐候性、耐水性，因此在户外广告、包装等领域用途广泛。在利用塑料加工工艺进行石头造纸中，由于石粉含量高、密度大，所生产的石头纸张明显偏重，尤其是逐步提高石头纸中无机粉体的用量后，纸张的松厚度通常小于0.8cm3/g，手感明显较差，无传统纸张柔软的质感，影响了进一步推广使用。成都新柯力公司针对提高石头纸中的无机粉体后分散性差、纸张密度大、松厚度低的缺陷，研制出以矿物纤维为主体材料，通过热塑加工设备制备石头纸，从而有效降低了纸张的比重，赋予纸张比重轻、蓬松、柔软的特点，从而使石头纸具有良好的纸张外观，以及良好的书写性和油墨吸收性，推动了石头纸的产业化生产和推广。三、化学纤维造纸二十世纪三十年代，随着棉、麻、丝、毛等天然纤维的限制，人们便开始利用合成高分子化合物制备合成化学纤维，并在服装材料、道路增强材料、耐磨材料等领域得到了快速的发展，并逐渐拓展到造纸领域。用于造纸的化学纤维主要有聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚氯乙烯纤维、聚丙烯纤维、维尼纶纤维、粘胶纤维等。选用何种化学纤维造纸主要是根据制品的用途，例如包装纸张要求耐酸、耐水、耐高温，可选用聚酯纤维和聚氯乙烯纤维；包装纸张要求耐碱、耐磨，可选用聚酰胺纤维和维尼纶纤维。聚酯超短纤维的长度在2-12 mm，在造纸领域中，聚酯超短纤维替代部分植物纤维用于制造特种纸，有效地改善了特种纸的性能。将30-70%的聚酯超短纤维与天然纤维混合，可以制成超薄型的热敏印刷纸。在纸浆中添加一定量的聚酯短纤维可以做成各种过滤纸，如：化学分析用滤纸、高效真空吸尘器、食品加工用滤纸、汽车工业用滤纸等。将20-25%的聚酯纤维进行干法造纸，可以提高纸的抗张强度，纸质手感丰满有弹性、膨松度好，可以明显改善吸湿效果和透气效果，常用于手术衣帽、妇女卫生巾、纸尿布、湿纸巾、香烟滤嘴纸等。聚丙烯纤维是最轻的纤维，它的吸水性小，耐磨性好，可以用来制作地毯、帆布、尿不湿等，医学上可以代替棉纱布，做卫生用品。化学合成纤维造纸技术较为成熟，主要向高档类造纸发展。国外的很多特种纸都添加化学纤维，国内目前还没有形成气候，一般只在防伪纸、钞票纸中添加一定量的化学纤维，在干法抄纸中使用制备卫生用品较多。目前化学纤维应用于造纸中，遇到的技术问题主要是如何改善化学纤维的亲水性和抄造分散性，并提高纤维间或纤维与基体材料间的黏结强度。四、微生物纤维造纸由微生物进行合成的纤维素统称为微生物纤维素，也叫做细菌纤维素。由于微生物纤维素纯度、结晶度、机械强度较高，具有较大的表面网状结构，因此微生物纤维能够很好的与植物纤维结合，具有良好的抄纸特性。尤其是微生物纤维由于强氢键的结合作用，具有优异的成膜性能，即便在低浓度时也具有良好的粘结作用，因此可以用于造纸中的增粘剂、增稠剂、增强剂，在防伪纸张、高强度纸张、高品质薄纸等方面巨大的开发利用价值。由于较高的纯度，微生物纤维不需要漂白、提纯等处理，极大的保护了水资源。但目前生物纤维生产成本较高，仅限于在高端纸制品中使用。在植物纤维中添加0.5%的细菌纤维素，制造一种新型薄层印刷纸，即使在定量很小时，纸张针孔也很少，而且纸张强度及印刷性能也得到提高，印刷时油墨产生的冲击力很难使纸张破裂，这种纸张可应用于大字典和词汇手册。细菌纤维素用于造纸，其性能介于涂布纸及未涂布纸之间，具有更平滑、更好印刷性能的表面，而同时又保留其原纸的亮度及光泽度。Ajinomoto与三菱造纸厂开发出了添加细菌纤维素的特种纸品，可用作纸质流通货币。此外，利用细菌纤维的粘合作用和高比表面积，在制造吸收有毒气体的碳纤维纸板时加入细菌纤维可提高碳纤维板的吸附容量，减少纸中填料的泄漏。用细菌纤维素作为胶粘剂用于聚酯和木浆混合抄造无纺布时，随着细菌纤维素的增加,纸张抗张指数及撕裂指数都明显的增加，说明了细菌纤维素作为胶粘剂对聚酯与木浆混抄无纺布也非常有效。严格意义来说，由于细菌纤维来源有限，成本较高，在造纸中只能作为改善纸张材料的助剂使用，而要大量替换植物纤维还需要细菌纤维不断完善发展。日本、美国等发达国家正致力于细菌纤维素的开发及应用,通过提高微生物的发酵得率,降低生产成本,进一步扩大其应用范围。我国在这方面的研究开发仍处于起步阶段,国内迄今尚无一家企业从事细菌纤维素的生产和应用。目前的技术障碍主要是发酵水平较低,还无法真正实现产业化。因此,下一步工作应结合基因工程和高密度培养等手段来提高细菌纤维素的合成效率,同时应加强细菌纤维素合成的动力学研究,设计合理的生物反应器,早日实现细菌纤维素在我国的商品化。五、非植物纤维造纸发展趋势造纸原料问题是全世界造纸产业面临的共同难题，摆脱或者减少造纸对纸浆的依赖是造纸发展的总趋势。由此，非植物纤维造纸对造纸的可持续发展具有重要的意义。利用非植物纤维造纸的目的主要有两点：第一，可以部分或全部替代植物纤维，减少森林开采，可以很大程度上缓解纸浆供应的压力，以减少由于处理植物纤维而产生的水污染；第二，可以制备具有高强度、耐撕裂、耐水、耐腐蚀等特殊性能的纸张，满足不同领域的需要。总的来说，利用非植物纤维造纸不仅原材料发生了变化，而且加工工艺、纸张的性能都在发生明显变化。非植物纤维造纸工艺也不完全局限于纸浆抄纸，利用清洁环保的造纸工艺是非植物纤维造纸的主流。最值得一提的是，利用塑料设备制备的石头纸从工艺路线上完全解决了植物纤维造纸的高污染、高能耗缺陷，具有巨大的发展潜力。参 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