淺論提升竹材資源的綜合利用

鄭勇湖南拓普竹麻產(chǎn)業(yè)開發(fā)有限公司 湖南 沅江（413200）

1 國內(nèi)竹材利用現(xiàn)狀

1.1 竹材簡述

竹子：被子植物門、單子葉植物綱、是禾本科的一個分支，分布在亞熱帶地區(qū)。有低矮似草，又有高如大樹。通常通過地下匍匐的根莖成片生長。也可以通過開花結(jié)籽繁衍，為多年生植物。

1.2 竹材在國內(nèi)及世界的分布

竹原產(chǎn)中國，類型眾多，適應(yīng)性強(qiáng)，分布極廣[1]。在中國主要分布在南方，像四川，湖南等，他們有熊貓之家和竹林深處的典故。全世界共計(jì)有70個屬1200種，盛產(chǎn)于熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)。中國是世界上產(chǎn)竹最多的國家之一，共有22個屬、200多種，分布全國各地，以珠江流域和長江流域最多，秦嶺以北雨量少、氣溫低，僅有少數(shù)矮小竹類生長。

竹子常和其他樹種一起組成混交林，而且處于主林層之下，過去很少受人重視。當(dāng)上層林木砍伐后，竹子以生長快、繁殖力強(qiáng)的特點(diǎn)很快恢復(fù)成次生竹林。竹子用途不斷擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)價值高，人們植竹造林，形成人工林。次生竹林和人工竹林，又以它強(qiáng)大的地下莖向四周蔓延擴(kuò)大。因此，近幾十年來，地球表面森林面積逐年減少（據(jù)統(tǒng)計(jì)，1988年以來，熱帶森林平均每年消失2,425萬h m2，每分鐘消失46.14 h m2），而竹林面積卻日益擴(kuò)大。

全世界竹林面積約2,200萬h m2，地理分布可分為3大竹區(qū)，即亞太竹區(qū)、美洲竹區(qū)和非洲竹區(qū)。竹林面積主要集中在亞太竹區(qū)，亞太竹區(qū)是世界最大的竹區(qū)。南至南緯42°的新西蘭，北至北緯51°的庫頁島中部，東至太平洋諸島，西至印度洋西南部。本區(qū)竹子約50多屬，900多種。既有叢生竹，又有散生竹，前者約占3/5，后者約占2/5。主要產(chǎn)竹國家有中國、印度、緬甸、泰國、孟加拉、柬埔寨、越南、日本、印度尼西亞、馬來西亞、菲律賓、韓國、斯里蘭卡等。

1.3 提升利用竹材綜合利用率的現(xiàn)實(shí)意義

國外在20世紀(jì)40年代開始研制竹膠合板，相繼建成了竹纖維板和單板生產(chǎn)線，而我國的竹加工一直停留在傳統(tǒng)項(xiàng)目上，技術(shù)落后，產(chǎn)品單調(diào)。

近10年來，國家和有關(guān)各級政府加強(qiáng)了對竹業(yè)生產(chǎn)的資金扶持、行業(yè)管理和科技推廣工作，我國以竹代木工業(yè)悄然興起。以竹代木，主要是大量生產(chǎn)竹質(zhì)人造板，代替各類木質(zhì)板材，主要產(chǎn)品有：竹編膠合板、竹材層積板、竹材旋切板、貼面裝飾板、竹拼花地板、竹木復(fù)合板、竹蔑層壓板、竹材碎料板、竹質(zhì)刨花板、竹材瓦楞及竹材纖維板等。竹質(zhì)人造板材質(zhì)細(xì)密，不易開裂、變形，具有抗壓、抗拉、抗彎等優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均高于常用木材。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在浙江、福建、湖南、江西、廣東、四川等竹資源豐富的南方各省區(qū)，已建立上百家竹質(zhì)人造板企業(yè)，年產(chǎn)量逾5萬立方米，相當(dāng)于每年節(jié)約15萬立方米木材。目前，竹質(zhì)人造板在我國已廣泛應(yīng)用于建筑、包裝、家具、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。

但是對竹材的利用，實(shí)際上我們還停留在比較原始的物理加工水平，真正要實(shí)現(xiàn)竹材的高附加值深加工我認(rèn)為可以用現(xiàn)代的化工處理技術(shù)對竹材進(jìn)行深加工，使我們對竹材的加工處理技術(shù)深入到分子水平，出現(xiàn)一個質(zhì)的飛越。

2 竹材的化學(xué)成分分析

竹材的化學(xué)成分會因?yàn)槠贩N、生長地域、成材年齡等有所變化。但是其主要成分還是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素；微量的淀粉、氨基酸、蛋白質(zhì)等有機(jī)物；微量的無機(jī)元素：銅、鋅、鉛等

2.1 慈竹的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

表1 慈竹徑向各層中化學(xué)成分的含量/%

（1）脂蠟質(zhì)、水溶物和半纖維素的含量均是外層最低，然后逐層遞增，從外至內(nèi)，脂蠟質(zhì)的含量比例為1:2.71:4.22，水溶物的含量比例為1:1.50:1.89，半纖維素的含量比例為1:1.13:1.24；果膠物質(zhì)的含量中層最低，其它兩層與中層的含量相差不大；

（2）木質(zhì)素含量內(nèi)層最高，是外層的1.1倍，是中層的1.14倍，由此可見，竹壁外層的細(xì)胞木質(zhì)化程度最輕，中層、內(nèi)層與外層相比，細(xì)胞的木質(zhì)化作用均有不同程度的提升。所以，2年生慈竹外層的竹片在制取纖維和纖維細(xì)化的過程中具有更大的優(yōu)勢。

2.2 毛竹（楠竹）的化學(xué)成分分析

表2 不同竹齡、部位毛竹（楠竹）化學(xué)組成成分差異表

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，湖南盛產(chǎn)的楠竹，其木質(zhì)素的含量和竹齡沒有關(guān)系，平均占竹材總質(zhì)量的25.58%。α-纖維素含量以2年生成竹含量最高47.32%，3至8年的楠竹α-纖維素含量無明顯變化，平均穩(wěn)定在43.08%。半纖維素含量以2年生成竹含量最低20.47%，3至8年生成竹的半纖維素含量無明顯差異，平均為24.31%。但是綜纖維素卻和竹齡無顯著關(guān)系，平均為67.49%。pH值以2年生成竹最高為8.29，3至8年生成竹pH值無明顯變化，平均為5.49。酸緩沖容量以2年生成竹最高為26.30mL，4年生與8年生成竹酸緩沖容量接近，平均為9.24mL。堿緩沖容量以2年生成竹最小9.65mL,8年生成竹堿緩沖容量較小10.90mL,4至6年生成竹堿緩沖容量最大，平均為22.34mL。

（2）楠竹外層木質(zhì)素含量較高，從根部到稍部平均為27.19%，中層和內(nèi)層沒有顯著差異，平均為23.47%。α-纖維素從外層到內(nèi)層依次降低，分別平均為：45.29%、41.71%、39.25%。半纖維素含量外層最低，平均為21.70，內(nèi)層稍高一點(diǎn)，平均為24.61%，中層最高，平均為25.05%。pH值由外層至內(nèi)層逐漸降低，分別平均為：5.52、5.04、4.89。根部酸緩沖容量逐漸降低，分別為9.28mL、8.70mL、5.58mL。稍部酸緩沖容量逐漸升高，分別為7.35mL、10.32mL、12.50mL。中部酸緩沖容量，中層最高9.20mL、外層次之7.24mL、內(nèi)層最低5.10mL。堿緩沖容量中部從外層到內(nèi)層逐漸降低，分別為：13.58mL、13.21mL、12.95mL；稍部從外層到內(nèi)層逐漸上升，分別為：11.62mL、17.46mL、20.26mL；根部的堿緩沖容量中層最高15.20mL、外層次之11.42mL、內(nèi)層最低10.89mL。

（3）至于熱水提取物及苯醇提取物平均在7%至15%之間，其中絕大部分都是可以用于食品、藥材的有機(jī)化合物，鑒于成本和提取技術(shù)的因素，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，還有待技術(shù)的更進(jìn)一步發(fā)展。

3 利用化工方法提升竹材綜合利用率及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的方法

從表2可以看出，在利用竹材制造粘膠漿粕的工藝中，主要是提取其中的α-纖維素，絕干竹材的利用率平均為33%，如果將其中的半纖維素及木質(zhì)素都利用起來，那么將竹材的綜合利用率提升至60%以上，在理論上還是可行的。我公司經(jīng)過近6個月的研究，初步擬定了，從竹材水煮液中提取木糖、從竹材堿煮液中提取木質(zhì)素和燒堿、然后生產(chǎn)90%的粘膠纖維用竹漿粕、10%的造紙用竹漿、最后利用溶解性竹漿生產(chǎn)功能性竹纖維，這是提升竹材綜合利用率的系統(tǒng)項(xiàng)目工程。

3.1 利用竹材水煮液提取木糖

①木糖生產(chǎn)基本化學(xué)反應(yīng)式

②木糖生產(chǎn)工藝

水解→中和→一次脫色→前陽交換→一陰交換→一陽交換→一次蒸發(fā)→二次脫色→二陰交換→二陽交換→三次交換→二次濃縮→三次濃縮→結(jié)晶→離心分離→干燥→包裝

③工藝說明

竹漿水煮液取木糖（D－木糖）的工藝過程可以分成三大部分：水解、精制和提取。水解是將竹漿水煮液中含有的戊聚糖通過硫酸催化水解得到單分子戊糖水解液，其中的戊糖主要是木糖。精制是為了去除水解液中含有的固體懸浮物、有機(jī)有色物質(zhì)、硫酸催化劑、膠粘性物質(zhì)及灰分等雜質(zhì)，得到比較純凈的戊糖水溶液。提取是通過濃縮和結(jié)晶的辦法使木糖以晶體形式從水溶液中析出并同時與其它戊糖分離，從而得到高純度的結(jié)晶木糖成品。

3.2利用竹材堿煮液提取木質(zhì)素

（1）木質(zhì)素的化學(xué)式

（2）木質(zhì)素的應(yīng)用

利用木質(zhì)素作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑的方法，屬木質(zhì)素在橡膠工業(yè)中應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。其要點(diǎn)是在濃縮的造紙廢液中加進(jìn)甲醛制成木質(zhì)素甲醛樹脂，再按比例加入硫磺、氧化鋅、硬脂酸、硫化劑、硫化促進(jìn)劑、硫化活化劑與橡膠在一定溫度下進(jìn)行硫化。本發(fā)明可使橡膠中填充大量木質(zhì)素仍不需加軟化劑，這既節(jié)省大量橡膠，又可獲得優(yōu)良性質(zhì)的硫化膠，同時硫化中不會塵土飛揚(yáng)污染環(huán)境，又使造紙廢液變害為利，有著很大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著人類對環(huán)境污染和資源危機(jī)等問題的認(rèn)識不斷深入,天然高分子所具有的可再生、可降解性等性質(zhì)日益受到重視。廢棄物的資源化與可再生資源的利用,是當(dāng)代經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的重大課題,也是對當(dāng)代科學(xué)技術(shù)提出的新要求。在自然界中,木質(zhì)素的儲量僅次于纖維素,而且每年都以5 0 0億噸的速度再生。制漿造紙工業(yè)每年要從植物中分離出大約1.4億噸纖維素,同時得到5 0 0 0萬噸左右的木質(zhì)素副產(chǎn)品,但迄今為止,超過9 5%的木質(zhì)素仍以“黑液”直接排入江河或濃縮后燒掉,很少得到有效利用。

化石能源的日益枯竭、木質(zhì)素的豐富儲量、木質(zhì)素科學(xué)的飛速發(fā)展決定木質(zhì)素的經(jīng)濟(jì)效益的可持續(xù)發(fā)展性。木質(zhì)素成本較低，木質(zhì)素及其衍生物具有多種功能性，可作為分散劑、吸附劑/解吸劑、石油回收助劑、瀝青乳化劑，木質(zhì)素對人類可持續(xù)發(fā)展最為重大貢獻(xiàn)就在于提供穩(wěn)定、持續(xù)的有機(jī)物質(zhì)來源，其應(yīng)用前景十分廣闊。

研究木質(zhì)素性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)系，利用木質(zhì)素制造可降解、可再生的聚合物。木質(zhì)素的物化性能和加工性能、工藝成為目前木質(zhì)素研究的障礙。

（3）利用竹材堿煮液生產(chǎn)木質(zhì)素及回收燒堿的工藝

從竹材的堿煮黑液中提取木質(zhì)素的方法很多，主要有：堿析法、酸沉淀法、超濾法、絮凝法、沉淀法、高沸醇溶劑法、化學(xué)藥劑法、花崗巖法等。

湖南拓普公司經(jīng)過綜合考慮，主要采取超濾法來提取木質(zhì)素。

流程如下：

3.3 利用竹材生產(chǎn)功能性粘膠纖維漿粕

（1）湖南拓普竹麻產(chǎn)業(yè)開發(fā)有限公司技術(shù)中心--《益陽市綠色漿粕與纖維研究技術(shù)工程中心》--經(jīng)過半年的研究，總結(jié)出一套工藝，在一定的p H值及溫度、壓力、保溫時間、水煮時間、堿煮時間下，可以獲得9 0%的粘膠纖維用竹漿粕、1 0%的造紙用漿粕。

（2）至于《利用竹材生產(chǎn)粘膠纖維漿粕的工藝》是吉林化纖集團(tuán)的專利，這里只簡述其工藝流程

3.4 利用竹漿粕生產(chǎn)功能性粘膠纖維[1]

（1）功能性竹纖維是吉林化纖集團(tuán)的專利產(chǎn)品，具備天然的抗菌和抑菌功能性，極好的吸濕和放濕性等功能，倍受歐美、韓國、日本等廣大消費(fèi)者的青睞。

（2）《竹材粘膠纖維及其制備方法》是吉林化纖集團(tuán)的專利，其工藝流程如下：

竹漿粕→粉碎→老成→黃化→粘膠→黃酸酯粉碎→粗研磨→細(xì)研磨→混合→1F過濾機(jī)過濾→真空脫泡→熟成→2F過濾機(jī)過濾→計(jì)量泵→酸浴→牽伸機(jī)→洗滌→切斷→成絨分配槽→精煉→酸水洗→脫硫→水洗→漂白→水洗→上油→濕開松→烘干→精開松→分級→稱量→包裝入庫。

4 結(jié)論

1）利用化工方法對竹材進(jìn)行高附加值深加工，選用2至4年生的成竹比較合適。

2）竹材的邊、角、余料提取木糖和木質(zhì)素以后，用來生產(chǎn)造紙漿，比較合適。

3）用含水分4 7%的鮮竹6噸，可以生產(chǎn)竹漿粕1噸、木糖0.3 3噸、木質(zhì)素0.6噸，將竹材的綜合利用率從3 3%提升至6 4%，在理論上是可行的。

[1]《粘膠纖維工藝學(xué)》河北吉藁化纖有限責(zé)任公司，1988年8月，第二篇、第三篇、104-158

[2]楊淑惠.植物纖維化學(xué).北京:中國輕工出版社，2001年

[3]張齊生.中國竹材工業(yè)化利用.北京:中國林業(yè)出版社，1995年