中國竹漿造紙的潛力與發(fā)展
2022-12-06 07:01:43傅興
世界竹藤通訊 2022年1期
傅 興
(中國林產(chǎn)工業(yè)有限公司 北京 100029)
中國森林資源相對匱乏，人均占有森林面積不足世界平均水平的1/4，隨著木材工業(yè)的快速發(fā)展，木材供需矛盾將日益凸顯[1]。但中國具有豐富的竹子資源，有竹類植物500 多種，竹林總面積超過700 萬hm2，竹材產(chǎn)量、活立竹儲蓄量及竹林面積均排在世界首位。竹材的合理、高效、綠色利用將有效緩解中國森林資源短缺的現(xiàn)狀。
竹材纖維素含量均較高，纖維形態(tài)細長，力學(xué)性能和可塑性能均較好，竹材作為木材造紙原料的較好替代材料，可滿足制造中高檔紙的紙漿要求。研究表明，竹子化學(xué)成分和纖維性質(zhì)具有良好的制漿性能，竹漿性能僅次于針葉材木漿，優(yōu)于闊葉材木漿和禾草紙漿。緬甸、印度等國在竹材制漿造紙領(lǐng)域走在了世界前列，中國的竹漿紙產(chǎn)品主要是從緬甸、印度進口。大力發(fā)展竹材制漿造紙產(chǎn)業(yè)，對于緩解木漿原料短缺現(xiàn)狀具有重要意義。
竹子生長迅速，一般3～4 年即可成材采收，而且竹林具有極強固碳效果，使得竹產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益及社會效益日益凸顯[2－3]。目前中國竹漿生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備已逐漸成熟，刨片、磨漿等主機設(shè)備已實現(xiàn)了國產(chǎn)化，大中型竹材造紙生產(chǎn)線已在貴州、四川等地相繼產(chǎn)業(yè)化投產(chǎn)。
1 竹材的化學(xué)特性
作為生物質(zhì)材料，竹材具有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素3 大化學(xué)組分，此外還有少量果膠、淀粉、多糖及蠟質(zhì)。通過分析竹材的化學(xué)成分及其特性，可了解竹材作為制漿造紙材料的優(yōu)劣性。
1.1 竹材纖維素含量較高
優(yōu)等成品紙對紙漿原料有較高的要求，要求纖維素含量越高越好，木質(zhì)素、多糖及其他抽出物含量越低越好。楊仁黨等[4]對比毛竹(楠竹)、馬尾松、楊木、麥草等生物質(zhì)材料的主要化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，纖維素含量依次為馬尾松(51.20%)、毛 竹 (45.50%)、楊 木 (43.24%)、麥 草(35.23%)；半纖維素(戊聚糖) 含量依次為楊木 (22.61%)、毛 竹 (21.12%)、麥 草(19.30%)、馬尾松(8.24%)；木質(zhì)素含量依次為毛竹 (30.67%)、馬尾松 (27.97%)、楊木(17.10%)、麥草(11.93%)。可見，在4 種對比材料中，毛竹是僅次于馬尾松的制漿原料。
1.2 竹材纖維較長、長徑比較大
竹材纖維平均長度為1.49～2.28 mm，平均直徑為12.24～17.32 μm，長徑比為122～165；纖維平均壁厚為3.90～5.25 μm，壁腔比為4.20～7.50，屬于長徑比較大的厚壁纖維[5]。紙漿材料主要依靠生物質(zhì)材料的纖維素，良好的造紙用生物纖維原料要求纖維素含量高、木質(zhì)素含量低，不僅可提高得漿率，而且可減少灰分和抽出物。竹材具有纖維長、長徑比大等特點，使得竹漿成紙后單位面積中纖維交織的次數(shù)較多，紙張強度較好。因此，竹子制漿性能接近于木材，強于稻草、麥秸、蔗渣等其它禾本科植物。
1.3 竹纖維具有較高的纖維強度
竹纖維素不僅具有可再生、可降解、生物相容性好、親水性強、機械性能及耐熱性能優(yōu)良等特點[6]，而且竹纖維力學(xué)性能較好，有學(xué)者對12種竹子纖維進行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)其彈性模量、抗拉強度均超過了人工速生林木材纖維[6]。Wang等[7]比較了毛竹、洋麻、杉木及苧麻4 種纖維的拉伸力學(xué)性能，結(jié)果表明毛竹纖維拉伸模量和強度均高于另外3 種纖維材料。
1.4 竹材灰分和抽出物含量較高
與木材相比，竹材中的灰分 (約1.0%)、1%NAOH 抽出物(約30.0%) 含量較高，在制漿過程中會產(chǎn)生較多的雜質(zhì)，不利于制漿造紙工業(yè)的排污和廢水處理，將會增加部分設(shè)備投資成本。
2 竹漿造紙工藝
自竹材成功實現(xiàn)工業(yè)化開發(fā)利用后，相繼出現(xiàn)了許多竹材加工的新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品，從而使得竹材的利用價值得到了大幅度提升。中國機械化制漿技術(shù)的發(fā)展突破了傳統(tǒng)手工方式，正在向產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型。目前流行的竹漿生產(chǎn)工藝有機械法、化學(xué)法、化學(xué)機械法。中國竹漿以化學(xué)法居多，約占70%；化學(xué)機械法較少，不足30%；采用機械法生產(chǎn)竹漿僅限于試驗階段，尚無大型產(chǎn)業(yè)化報道。
2.1 機械制漿法
機械制漿法是將竹材用機械的方法磨制成纖維，不添加化學(xué)制劑，具有污染低、得漿率高、工藝簡單等優(yōu)點。在國家日趨嚴(yán)格控制污染、木漿資源短缺的形勢下，機械竹漿逐漸被人們所重視。
雖然機械制漿法具有得漿率高、污染低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于云杉等針葉材制漿造紙行業(yè)中，但由于竹材的化學(xué)成分中木質(zhì)素、灰分、1%NAOH 抽出物等含量較高，導(dǎo)致紙漿質(zhì)量較差，難以達到商品紙質(zhì)量要求，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用很少見，多為科學(xué)研究和技術(shù)探索階段。
2.2 化學(xué)制漿法
化學(xué)制漿法是以竹材為原料，用硫酸鹽法或亞硫酸鹽法制得竹漿。將竹片原料經(jīng)篩選、洗滌、脫水、蒸煮、苛化、過濾、逆流洗滌、封閉篩選、氧脫木質(zhì)素、漂白等過程制成竹漿?；瘜W(xué)制漿法可保護纖維、提高得漿率，得到的紙漿質(zhì)量較好，潔凈柔軟，易于漂白，可用以生產(chǎn)高級書寫紙和印刷用紙。
由于在化學(xué)制漿法制漿過程中去掉了大量的木質(zhì)素、灰分及多種抽出物，竹材制漿得漿率偏低，一般在45%～55%。
2.3 化學(xué)機械制漿法
化學(xué)機械制漿法是以竹材為原料、結(jié)合化學(xué)制漿法和機械制漿法的部分特點的一種制漿方法?；瘜W(xué)機械制漿法包括半化學(xué)法、化學(xué)機械法和化學(xué)熱磨機械法等。
用于竹材制漿造紙，化學(xué)機械制漿法的得漿率要高于化學(xué)制漿法，一般可達72%～75%；化學(xué)機械制漿法得到的紙漿質(zhì)量要遠高于機械制漿法，可滿足一般性的商品紙生產(chǎn)要求。同時，堿回收和污水處理成本也介于化學(xué)制漿法和機械制漿法之間。
3 竹漿造紙設(shè)備
竹漿造紙生產(chǎn)線成型工段設(shè)備與木漿生產(chǎn)線基本相同，竹漿造紙設(shè)備的最大差異在于切片、洗滌、蒸煮等備料工段。
由于竹子具有中空結(jié)構(gòu)，切片設(shè)備與木材不同。常用的竹子切片(刨片) 設(shè)備主要包括輥式切竹機、盤式切竹機及鼓式削片機。輥式切竹機、盤式切竹機工作效率較高，但加工的竹片質(zhì)量(竹片形態(tài)) 不及鼓式削片機削片質(zhì)量好，用戶可根據(jù)竹漿的用途及生產(chǎn)成本選擇合適的切片(刨片) 設(shè)備。對于中小型竹漿廠(產(chǎn)量＜10 萬t/a)，國產(chǎn)竹材切片設(shè)備足可滿足生產(chǎn)需要；對于大型竹漿廠(產(chǎn)量≥10 萬t/a)，則可選用國際上先進的大型切片(刨片) 設(shè)備。
竹片洗滌設(shè)備是用于去除雜質(zhì)，國內(nèi)已有多種專利產(chǎn)品見于報道。一般采用真空洗漿機、壓力洗漿機及帶式洗漿機，中大型企業(yè)可采用新型雙輥置換壓榨洗漿機或強力脫水洗漿機。
竹片蒸煮設(shè)備是用于竹片軟化和化學(xué)分離。中小企業(yè)采用立式蒸煮鍋或橫管式連續(xù)蒸煮器。大型企業(yè)可采用帶擴散洗滌的卡米爾連續(xù)蒸煮器，以提高生產(chǎn)效率，得漿率也會相應(yīng)提高，但會增加一次性投資成本。
4 中國竹漿造紙的潛力與發(fā)展方向
4.1 竹漿造紙具有較大潛力
依據(jù)對中國竹材資源調(diào)查和對竹材本身造紙的適用性分析，大力發(fā)展竹材造漿產(chǎn)業(yè)，不僅可緩解中國紙業(yè)木材原料緊張的問題，也是改變造紙行業(yè)原料結(jié)構(gòu)的有效之法，可降低對進口木片的依存度。有學(xué)者分析，竹漿單位質(zhì)量的生產(chǎn)單位成本比松木、云杉、桉木等降低約30%，而且竹漿質(zhì)量與木漿相當(dāng)[8]。
4.2 林紙一體化是重要發(fā)展方向
由于竹材的速生和再生性優(yōu)勢，加強培育速豐專用竹林，建立林紙一體化的竹漿生產(chǎn)基地，將成為中國制漿造紙行業(yè)可持續(xù)發(fā)展、減少木片及紙漿進口依存度、發(fā)展民族產(chǎn)業(yè)的一個方向。
4.3 叢生竹制漿具有較大發(fā)展?jié)摿?/h3>
在現(xiàn)行竹材加工產(chǎn)業(yè)中，以毛竹(楠竹) 為原料的占90%以上，主要用于生產(chǎn)家居用品和結(jié)構(gòu)材料制品。而竹漿造紙也基本以毛竹(楠竹)、慈竹等為主要原料，形成原料競爭態(tài)勢，不利于產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。竹漿造紙產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)有原料竹種的基礎(chǔ)上，應(yīng)大力開發(fā)多種竹種原料利用，充分利用價格較低的慈竹、巨龍竹、鳳尾竹、麻竹等叢生竹制漿造紙，提高市場競爭活力。
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