摘要：天然植物纤维造纸技术经过近2000年的发展，到如今已相当成熟。由于传统植物纤维造纸需要消耗大量的森林资源，生产过程还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,传统植物纤维造纸的发展受到了一定制约。
关键字：制浆造纸；科学技术；装备科学
前言
随着现代人类文明的不断发展，纸张已不完全局限于文化领域使用，而逐渐成为工业、农业、商业、建筑业等领域不可缺少的材料，需求量也在逐年攀升。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人们对纸张性能的特殊需求,因此非植物纤维造纸技术在近十几年来得到了较快的发展。目前，非植物纤维造纸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。
1无机纤维造纸
在传统植物纤维造纸过程中，通常将滑石粉、高岭土、二氧化钛、碳酸钙等无机矿物粉料作为填料加入，其添加量一般为l0%～20%，这不仅降低了纸的成本，也有助于改善纸张的性能。无机填料的使用，使得纸张空隙得到填充，平滑度有较大提高，不透明度、白度和尺寸稳定性增加，适印性良好；但无机填料添加量如果进一步增加，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降低纸张的强度，可采用无机纤维作为纸张填充料。无机纤维不仅仅具有填充性能，更重要的是，由于其特殊的纤维结构，可以替代植物纤维，因此不会降低纸张的强度。这一举措，开辟了造纸原料的新途径。按来源不同，无机纤维造纸原料可以分为天然无机纤维和人造无机纤维。
目前，天然无机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。矿物纤维是将自然界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2～10μm，长度为10～100μm，结构介于粒状无机填料与植物纤维之间。由于其良好的长径比，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碳酸钙填料、滑石粉等，它应用于纸张中不仅仅是简单的填充，而是与植物纤维交织在一起，构成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、提高适印性等作用。在添加相同比例填料的情况下，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。
目前，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用于造纸的矿物纤维已经开始在市场上逐步推广使用。这些矿物纤维的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、印刷适印性等指标均有所改善。晏全香等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。孙立金等将硅灰石矿物复合纤维和碳酸钙分别与植物纤维的抄纸性能进行了对比研究，发现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%的改性硅灰石能极大地改善新闻纸的白度、不透明度、适印性和撕裂强度。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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进行实验，实验结果发现，这些复合材料得到的纸片性能优于单一矿物纤维与植物纤维复合纸片的性能，而且加入量可以达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，由此说明石膏纤维与植物纤维形成的是一个整体网状结构，但由于石膏纤维的纤维较短，通常与长纤维搭配使用。刘焱还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，即使将硅灰石微细至5000目，硅灰石颗粒也保持纤维状结构，长径比可达20：1，木浆中添加30%的硅灰石时，纸张强度等性能仍可达到一般印刷类用纸及文化用纸的要求。由于填料硅灰石纤维的价格低于纸浆纤维，因此可以利用填料替代部分纸浆纤维，从而降低造纸的生产成本。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耐腐蚀、耐高温、阻燃、绝缘、隔热、保温等特殊性能。
2石头造纸
目前，造纸原料紧缺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，因此，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优势主要有2点：一是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，减少由于处理植物纤维而产生的水污染；二是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石头造纸是一种完全不同于传统抄纸的造纸技术，该技术是将石头矿物细粉、加工助剂、高分子材料经螺杆挤出机挤出，最后经吹塑、流延、延压等成型设备加工成型。石头造纸的原料为廉价的矿产资源，与传统造纸所采用的的纸浆材料和昂贵的设备相比，石头造纸的生产和管理投入较低。石头造纸在整个生产过程无需用水，节约了水资源；此外，其生产过程不需要添加强酸、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、漂白等几个污染环节，因此该工艺得到了较快的发展[10]。石头造纸技术最早由中国台湾龙盟科技股份有限公司提出，目前，地球卫士环保新材料股份有限公司、成都新柯力化工科技有限公司（以下简称“成都新柯力”）、美伦达（福建）纸业科技有限公司等正推广该技术。该技术所生产的纸张具有光洁度好、不易撕裂、易于印刷等特点，而且还具有较好的耐候性和耐水性，因此在户外广告、包装、轻型印刷等领域用途广泛。利用复合材料进行石头造纸时，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，手感明显较差，无传统纸张柔软的质感，这些缺陷影响了这种新型纸张的进一步推广使用。成都新柯力针对提高石头纸中的无机粉体后分散性差、纸张密度大、松厚度低等缺陷，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的技术，有效降低了纸张的密度，赋予纸张质轻、蓬松、柔软的特性，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。
结束语
非植物纤维造纸不仅使造纸在原材料的使用上发生了变化，而且在加工工艺及纸张的性能上也都发生了明显变化。此外，非植物纤维造纸工艺也不完全局限于纸浆抄纸，清洁环保的造纸工艺是非植物纤维造纸的主流。尤其值得关注的是，利用复合材料及设备制备的石头纸，从工艺路线上完全解决了植物纤维造纸的高污染、高能耗缺陷以及对植物纤维的依赖，具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景。
参考文献
[1]刘焕彬.新时代下我国造纸工业发展与创新驱动的几点思考——在2017广东省造纸学会年会上的报告(提纲)[J].造纸科学与技术,2018(1).
[2]侯庆喜,张红杰,刘苇.造纸科学技术发展研究[C]//2016-2017制浆造纸科学技术学科发展报告.2018.
论文作者:延伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：植物纤维论文; 纤维论文; 纸张论文; 无机论文; 填料论文; 矿物纤维论文; 石头论文; 《基层建设》2019年第15期论文;