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中国竹浆造纸的潜力与发展

2022-12-06

世界竹藤通讯 2022年1期
关键词:竹材制浆木质素

傅 兴

(中国林产工业有限公司 北京 100029)

中国森林资源相对匮乏,人均占有森林面积不足世界平均水平的1/4,随着木材工业的快速发展,木材供需矛盾将日益凸显[1]。但中国具有丰富的竹子资源,有竹类植物500 多种,竹林总面积超过700 万hm2,竹材产量、活立竹储蓄量及竹林面积均排在世界首位。竹材的合理、高效、绿色利用将有效缓解中国森林资源短缺的现状。

竹材纤维素含量均较高,纤维形态细长,力学性能和可塑性能均较好,竹材作为木材造纸原料的较好替代材料,可满足制造中高档纸的纸浆要求。研究表明,竹子化学成分和纤维性质具有良好的制浆性能,竹浆性能仅次于针叶材木浆,优于阔叶材木浆和禾草纸浆。缅甸、印度等国在竹材制浆造纸领域走在了世界前列,中国的竹浆纸产品主要是从缅甸、印度进口。大力发展竹材制浆造纸产业,对于缓解木浆原料短缺现状具有重要意义。

竹子生长迅速,一般3~4 年即可成材采收,而且竹林具有极强固碳效果,使得竹产业的经济效益、生态效益及社会效益日益凸显[2-3]。目前中国竹浆生产技术和设备已逐渐成熟,刨片、磨浆等主机设备已实现了国产化,大中型竹材造纸生产线已在贵州、四川等地相继产业化投产。

1 竹材的化学特性

作为生物质材料,竹材具有纤维素、半纤维素、木质素3 大化学组分,此外还有少量果胶、淀粉、多糖及蜡质。通过分析竹材的化学成分及其特性,可了解竹材作为制浆造纸材料的优劣性。

1.1 竹材纤维素含量较高

优等成品纸对纸浆原料有较高的要求,要求纤维素含量越高越好,木质素、多糖及其他抽出物含量越低越好。杨仁党等[4]对比毛竹(楠竹)、马尾松、杨木、麦草等生物质材料的主要化学成分发现,纤维素含量依次为马尾松(51.20%)、毛 竹 (45.50%)、杨 木 (43.24%)、麦 草(35.23%);半纤维素(戊聚糖) 含量依次为杨木 (22.61%)、毛 竹 (21.12%)、麦 草(19.30%)、马尾松(8.24%);木质素含量依次为毛竹 (30.67%)、马尾松 (27.97%)、杨木(17.10%)、麦草(11.93%)。可见,在4 种对比材料中,毛竹是仅次于马尾松的制浆原料。

1.2 竹材纤维较长、长径比较大

竹材纤维平均长度为1.49~2.28 mm,平均直径为12.24~17.32 μm,长径比为122~165;纤维平均壁厚为3.90~5.25 μm,壁腔比为4.20~7.50,属于长径比较大的厚壁纤维[5]。纸浆材料主要依靠生物质材料的纤维素,良好的造纸用生物纤维原料要求纤维素含量高、木质素含量低,不仅可提高得浆率,而且可减少灰分和抽出物。竹材具有纤维长、长径比大等特点,使得竹浆成纸后单位面积中纤维交织的次数较多,纸张强度较好。因此,竹子制浆性能接近于木材,强于稻草、麦秸、蔗渣等其它禾本科植物。

1.3 竹纤维具有较高的纤维强度

竹纤维素不仅具有可再生、可降解、生物相容性好、亲水性强、机械性能及耐热性能优良等特点[6],而且竹纤维力学性能较好,有学者对12种竹子纤维进行拉伸试验,发现其弹性模量、抗拉强度均超过了人工速生林木材纤维[6]。Wang等[7]比较了毛竹、洋麻、杉木及苎麻4 种纤维的拉伸力学性能,结果表明毛竹纤维拉伸模量和强度均高于另外3 种纤维材料。

1.4 竹材灰分和抽出物含量较高

与木材相比,竹材中的灰分 (约1.0%)、1%NAOH 抽出物(约30.0%) 含量较高,在制浆过程中会产生较多的杂质,不利于制浆造纸工业的排污和废水处理,将会增加部分设备投资成本。

2 竹浆造纸工艺

自竹材成功实现工业化开发利用后,相继出现了许多竹材加工的新工艺、新技术、新产品,从而使得竹材的利用价值得到了大幅度提升。中国机械化制浆技术的发展突破了传统手工方式,正在向产业化、工业化生产模式转型。目前流行的竹浆生产工艺有机械法、化学法、化学机械法。中国竹浆以化学法居多,约占70%;化学机械法较少,不足30%;采用机械法生产竹浆仅限于试验阶段,尚无大型产业化报道。

2.1 机械制浆法

机械制浆法是将竹材用机械的方法磨制成纤维,不添加化学制剂,具有污染低、得浆率高、工艺简单等优点。在国家日趋严格控制污染、木浆资源短缺的形势下,机械竹浆逐渐被人们所重视。

虽然机械制浆法具有得浆率高、污染低等优点,广泛应用于云杉等针叶材制浆造纸行业中,但由于竹材的化学成分中木质素、灰分、1%NAOH 抽出物等含量较高,导致纸浆质量较差,难以达到商品纸质量要求,产业化应用很少见,多为科学研究和技术探索阶段。

2.2 化学制浆法

化学制浆法是以竹材为原料,用硫酸盐法或亚硫酸盐法制得竹浆。将竹片原料经筛选、洗涤、脱水、蒸煮、苛化、过滤、逆流洗涤、封闭筛选、氧脱木质素、漂白等过程制成竹浆。化学制浆法可保护纤维、提高得浆率,得到的纸浆质量较好,洁净柔软,易于漂白,可用以生产高级书写纸和印刷用纸。

由于在化学制浆法制浆过程中去掉了大量的木质素、灰分及多种抽出物,竹材制浆得浆率偏低,一般在45%~55%。

2.3 化学机械制浆法

化学机械制浆法是以竹材为原料、结合化学制浆法和机械制浆法的部分特点的一种制浆方法。化学机械制浆法包括半化学法、化学机械法和化学热磨机械法等。

用于竹材制浆造纸,化学机械制浆法的得浆率要高于化学制浆法,一般可达72%~75%;化学机械制浆法得到的纸浆质量要远高于机械制浆法,可满足一般性的商品纸生产要求。同时,碱回收和污水处理成本也介于化学制浆法和机械制浆法之间。

3 竹浆造纸设备

竹浆造纸生产线成型工段设备与木浆生产线基本相同,竹浆造纸设备的最大差异在于切片、洗涤、蒸煮等备料工段。

由于竹子具有中空结构,切片设备与木材不同。常用的竹子切片(刨片) 设备主要包括辊式切竹机、盘式切竹机及鼓式削片机。辊式切竹机、盘式切竹机工作效率较高,但加工的竹片质量(竹片形态) 不及鼓式削片机削片质量好,用户可根据竹浆的用途及生产成本选择合适的切片(刨片) 设备。对于中小型竹浆厂(产量<10 万t/a),国产竹材切片设备足可满足生产需要;对于大型竹浆厂(产量≥10 万t/a),则可选用国际上先进的大型切片(刨片) 设备。

竹片洗涤设备是用于去除杂质,国内已有多种专利产品见于报道。一般采用真空洗浆机、压力洗浆机及带式洗浆机,中大型企业可采用新型双辊置换压榨洗浆机或强力脱水洗浆机。

竹片蒸煮设备是用于竹片软化和化学分离。中小企业采用立式蒸煮锅或横管式连续蒸煮器。大型企业可采用带扩散洗涤的卡米尔连续蒸煮器,以提高生产效率,得浆率也会相应提高,但会增加一次性投资成本。

4 中国竹浆造纸的潜力与发展方向

4.1 竹浆造纸具有较大潜力

依据对中国竹材资源调查和对竹材本身造纸的适用性分析,大力发展竹材造浆产业,不仅可缓解中国纸业木材原料紧张的问题,也是改变造纸行业原料结构的有效之法,可降低对进口木片的依存度。有学者分析,竹浆单位质量的生产单位成本比松木、云杉、桉木等降低约30%,而且竹浆质量与木浆相当[8]。

4.2 林纸一体化是重要发展方向

由于竹材的速生和再生性优势,加强培育速丰专用竹林,建立林纸一体化的竹浆生产基地,将成为中国制浆造纸行业可持续发展、减少木片及纸浆进口依存度、发展民族产业的一个方向。

4.3 丛生竹制浆具有较大发展潜力

在现行竹材加工产业中,以毛竹(楠竹) 为原料的占90%以上,主要用于生产家居用品和结构材料制品。而竹浆造纸也基本以毛竹(楠竹)、慈竹等为主要原料,形成原料竞争态势,不利于产业可持续发展。竹浆造纸产业在现有原料竹种的基础上,应大力开发多种竹种原料利用,充分利用价格较低的慈竹、巨龙竹、凤尾竹、麻竹等丛生竹制浆造纸,提高市场竞争活力。

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