纖維素在造紙原料中的應用研究

劉彤彤

（濰坊育成安全教育培訓有限公司，山東 濰坊 261000）

引言

現(xiàn)階段，全球所面臨的不可再生資源枯竭問題已經(jīng)非常嚴峻，所以很多國家開始在可再生資源中探索發(fā)展空間，纖維素是生態(tài)自然中存量最豐富的天然聚合物，廣泛分布在自然界中的木質植物當中。其中在非木材原料中的纖維素含量要明顯高于木材原料。在生態(tài)發(fā)展理念下，纖維素開始被應用到各類材料的研發(fā)當中，其中造紙便是纖維素的主要應用方向之一，為研制出更多用于社會生產的纖維素材料，現(xiàn)當代學者逐漸開始加大對植物纖維素的研究力度。

1 羧甲基纖維素在造紙原料中的應用

現(xiàn)階段羧甲基纖維素已經(jīng)成為造紙領域內非常常見的生產材料，羧甲基纖維素在與水發(fā)生融合反應后會形成膠狀的水狀物質，這種物質具備較強粘性，造紙環(huán)節(jié)通過在紙漿中加入一定羧甲基纖維素能夠提升紙漿的緊實性，同時經(jīng)過處理后還能夠將羧甲基纖維素轉化成為羧甲基纖維素納，將這種成分加入表面施膠劑中則能夠使得紙張更為平滑［1］。除此之外，羧甲基纖維素還能夠作為表面活性劑，因此在紙張印刷過程中能夠有效促進顏料流變性，因此已經(jīng)成為一類重要的造紙輔助劑。羧甲基纖維素在造紙原料中的應用價值主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 作為表面施膠劑。

羧甲基纖維素具備優(yōu)良的成膜能力，此外對于紙張的保水效果也非常明顯，所以在造紙過程中應用羧甲基纖維素，能夠起到控制紙張濕度的效果，且生產出的紙張平整度與平滑度更好。除此之外，將羧甲基纖維素作為表面施膠劑還能夠提升紙張的摩擦能力，并改善造紙中掉粉以及起毛等一系列問題。受到溫度影響，在印刷之后紙張經(jīng)常會面臨翹邊、卷邊以及色彩不勻稱等問題，這一問題顯然會對紙張的實用性與美觀性造成影響，而將羧甲基纖維素作為表面施膠劑并加入造紙原料中，則能夠有效提升紙張的強度，并避免出現(xiàn)卷邊等問題［2］。陳紅軍的研究表明，通過羧甲基纖維素能夠有效提升造紙產品的質量，同時對于控制造紙成本也有一定意義，同時通過將羧甲基纖維素與改性淀粉展開對比后發(fā)現(xiàn)，改性淀粉無論是在積聚能力還是成膜性方面均不如羧甲基纖維素。莫立煥認為將羧甲基纖維素作為表面施膠劑的成本較高，因此試圖通過在羧甲基纖維素中混合氧化淀粉的方式降低應用成本，其研究結論表明當兩者比例達到1∶2 時，同樣能夠發(fā)揮預期作用。

1.2 作為紙機濕部助劑

將一定量羧甲基纖維素加入濕部紙料中后，羧甲基與纖維中的羥基會出現(xiàn)水合作用，在這種作用下纖維的鍵合力將會顯著提升?，F(xiàn)階段造紙產業(yè)中主要是在原料中加入羧甲基纖維素納，且通過羧甲基纖維素納能夠有效提升造紙材料的理化性質，這些優(yōu)勢主要表現(xiàn)為提升紙張自身的強度、確保紙張表面光滑性與平整度等等。除此之外，將羧甲基纖維素納與聚丙烯酰胺聯(lián)用后的強化效果更為明顯，無論是紙張的強度還是抗撕裂能力均能夠得到明顯的增強。

1.3 作為保水劑

在造紙過程中通過應用羧甲基纖維素能夠提升紙漿中顏料的流變效果，所以造紙涂料的保水性會更強。除此之外，羧甲基纖維素作為保水劑后還能夠提升紙張的不透明性。目前很多食品生產廠家會將涂布紙作為產品包裝，并會在涂布紙上印刷產品宣傳廣告，由于羧甲基纖維素的疏水能力較強，所以能夠發(fā)揮對涂布刮刀的潤滑作用，并確保涂布機正常工作。最后，羧甲基纖維素還能夠影響到涂布紙的質量，如馮明仕的研究成果指出，涂料配方中羧甲基纖維素的用量與涂料網(wǎng)狀結構的穩(wěn)定性成正比關系，隨著羧甲基纖維素用量的增加，涂料的觸變能力與黏稠度均會增加，且保水能力將會更強［3］。

2 納米纖維素在造紙原料中的應用

2.1 納米纖維素的應用價值

對納米纖維素進行改性處理后將會顯著提升其應用價值，因此納米纖維素也就成為造紙領域的主要研究方向之一，除了造紙外，納米纖維素還被廣泛應用到產品包裝以及生物制藥等領域。納米纖維素具備生態(tài)價值高以及可再生等優(yōu)勢，將其應用到造紙生產領域，能夠顯著提升紙張的強度與韌性。納米纖維來源于棉花、竹子以及樹木等材料當中，且能夠連同樹脂材料一起使用，從質量方面來看，納米材料要輕于鋼鐵材料，但是纖維材料的強度卻超出鋼鐵數(shù)倍。除此之外納米纖維材料還具備一定抗熱與抗沖擊能力，同時也能夠應用到造紙設備材料研發(fā)當中。

2.2 納米纖維素在造紙領域應用研究現(xiàn)狀

目前很多國家和地區(qū)已經(jīng)開始認識到納米纖維素在造紙領域中的關鍵作用，并開始加大這種新型材料在造紙產業(yè)中的應用力度。以日本為例，目前日本已經(jīng)在納米纖維素研發(fā)中取得領先地位，并充分意識到納米纖維素材料在造紙中的應用價值。相關研究表明，自2017 年時日本就成為全世界納米纖維素材料的主要供給國家，通過目前發(fā)展趨勢來看，在2030 年時日本納米纖維素供應量至少能夠達到50 000 噸，納米纖維素出口額將會突破600 億日元。從大眾層面來看，雖然很多人對納米纖維素感到陌生，但是這種材料卻早已出現(xiàn)在大眾日常生活中，如在化妝品產業(yè)中一些生產廠商會通過添加納米纖維素的方式提升產品的細膩感。此外，由于納米纖維素來源于植物中，因此具備明顯綠色屬性，且可食用特征也意味著可以將納米纖維素添加到食品當中，而添加納米纖維素的食品口感更佳［4］。

將纖維素纖維作為材料，經(jīng)過化學處理后能夠得到納米微晶纖維素，現(xiàn)階段納米微晶纖維素多通過酸解以及硫酸水解等方式取得，而納米纖維素纖維絲則多通過物理方法獲取，由于在材料獲取過程中并不會應用大量化學藥劑，所以對生態(tài)環(huán)境的污染基本可以忽略不計，但是由于當前材料制作技術尚不成熟，因此在制備階段的耗能極高，而通過纖維素酶預處理在一定程度上能夠降低材料制備階段的能耗。按照制備方式的不同，可以將納米纖維素分為納纖化纖維素（NFC）以及納米微晶纖維素（NCC）等類型，通過各類納米纖維素特性對比能夠發(fā)現(xiàn)，納纖化纖維素無論是在韌性、彈性還是抗沖擊方面的性能均要優(yōu)于納米微晶纖維素。早在1983 年時Turbak 等人就已經(jīng)成功制備出納纖化纖維素，同時Turbak 認為可以將其應用到造紙產業(yè)當中，2008 年時Ahola 等人就納纖化纖維素在造紙領域中的應用展開探究，同時實驗研究表明納纖化纖維素可以有效提升紙張的物理性能。除此之外，納米微晶纖維素也存在自身優(yōu)勢，在造紙生產階段通過添加納米微晶纖維素同樣可以提升紙張的強度以及抗撕裂能力，研究表明當納米微晶纖維素的用量保持在造紙原料總量0.5%時，紙張斷裂長指數(shù)至少能夠提升14%，而撕裂指數(shù)則至少能夠提升29%。目前很多領域的產品在生產制造環(huán)節(jié)對包裝用紙的強度提出了新的要求，傳統(tǒng)紙張強度提升方法主要有提升打漿度以及加入增強劑等等，在應用納米纖維素之前，很多造紙企業(yè)會通過在紙漿中加入聚丙烯酰胺的方式提升紙張強度，但是這些增強劑的效果非常有限，而納米微晶纖維素的效果則非常明顯，當NCC 用量達到造紙紙漿總用量1%時，紙張抗張能力至少能夠提升22%［5］。

從納米纖維素在造紙領域的應用現(xiàn)狀來看，雖然NFC 以及NCC 優(yōu)勢較多，但是由于納米纖維素對制備工藝水平的要求較高且制備時間非常長，因此即便是現(xiàn)在國內仍然不具備大批量制備納米纖維素的能力［6］。不可否認的是，由于納米纖維素在造紙領域中的應用價值非常明顯，尤其是在強化紙張撕裂指數(shù)等方面具備完全取代聚丙烯酰胺等增強劑的可能，因此在未來，關于納米纖維素在造紙領域的研究將會更為常態(tài)化，且非?？赡艽笠?guī)模地應用到造紙領域當中。

3 細菌纖維素在造紙原料中的應用

3.1 細菌纖維素在改善紙張性能方面的價值

在造紙領域中通過細菌纖維素可以有效強化紙張的物理性能，如增加紙張的強度、強化紙張的耐折性以及撕裂性等等?，F(xiàn)階段細菌纖維素已經(jīng)廣泛應用到造紙領域，尤其是在高檔書寫紙生產制造中的應用價值更高，相對于常規(guī)書寫紙，應用細菌纖維素的紙張吸墨能力更強且更加均勻，且墨水在紙張內的附著能力更強?，F(xiàn)階段有關細菌纖維素在造紙生產環(huán)節(jié)的研究成果主要如下所示：第一，在早期研究中，修慧娟等人通過實驗的方式發(fā)現(xiàn)，在造紙材料中加入總量占比3%的細菌纖維素后，所生產出的紙張質量更好，與常規(guī)造紙紙張相比，這些紙張的抗折能力能夠提升3 倍左右，除此之外紙張的抗破損能力以及撕裂性等也得到了明顯提升［7］；第二，周丹丹在實驗研究中將細菌纖維素作為表面施膠劑使用，將細菌纖維素與淀粉按照一定比例配合后對紙張施膠，且研究發(fā)現(xiàn)施膠后的紙張強度明顯增強，同時還發(fā)現(xiàn)細菌纖維素具備降低常規(guī)施膠劑黏性的作用，但是紙張施膠的效果卻會顯著提升；第三，羅先毅等人發(fā)現(xiàn)細菌纖維素與造紙紙張的白度存在一定關系，在研究過程中，羅先毅將3%含量的細菌纖維素加入造紙原料中并充分混合，所生產的紙張白度能夠降低3%，同時紙張對油墨的吸收效率也表現(xiàn)出輕微下降趨勢。最后，羅先毅還提到通過細菌纖維素能夠有效提升造紙紙張的表面平整性以及光澤性等等；第四，徐紅霞就細菌纖維素在特種紙張中的應用展開分析，研究表明通過在造紙原料中加入一定比例的細菌纖維素能夠明顯提升紙張的降解能力，且紙張的抗撕裂能力更強，根據(jù)這一特性，徐紅霞設計出了一類應用到食品領域的降解能力較強的紙張，這種紙張不會對包裝食品的質量造成影響，同時還具備一定抗水能力，在自然條件下的分解速度要明顯快于常規(guī)紙張，因此可以降低食品包裝紙對生態(tài)環(huán)境造成的影響［8］。

3.1 細菌纖維素在其他方向的應用

除了能夠將細菌纖維素應用到紙張生產環(huán)節(jié)外，其還能夠應用到造紙廢水處理當中，如孫映宏通過細菌纖維素成功制備出三維網(wǎng)狀結構產物，將其作為絮凝材料后能夠應用到造紙廢水處理當中，且孫映宏的研究表明這種材料對廢水濁度的去除率能夠達到94.6%。此外，細菌纖維素還能夠應用到老舊紙張修復當中，隨著時間的推移，一些紙張會出現(xiàn)老化情況，由于細菌纖維素的保水、吸水能力較強，所以可以將其應用到老舊紙張修復工作當中，如段大程選擇細菌纖維素以及殼聚糖兩種材料，將上述兩種材料按照一定比例配比后使用噴壺均勻地噴灑到紙張表面，干燥后紙張抗張強度明顯提升，同時這些材料并不會對紙張的平整度造成影響，所以，細菌纖維素還有望應用到老舊紙質材料修復等考古工作當中。

4 結語

綜上所述，本文主要對羧甲基纖維素、納米纖維素以及細菌纖維素在造紙領域的應用情況展開分析，這些纖維素在提升造紙紙張質量、降低造紙成本等方面發(fā)揮了重要意義。且隨著中國造紙技術的革新，很多纖維素材料已經(jīng)得到學者的關注，因此未來纖維素材料，必將能夠成熟地應用到造紙行業(yè)當中，并在降低成本、提升效率以及提高質量等方面產生重要意義。