應(yīng)用微米纖絲提升紙漿性能技術(shù)的發(fā)展

應(yīng)用微米纖絲提升紙漿性能技術(shù)的發(fā)展

降低漿料成本、生產(chǎn)超輕和具有優(yōu)質(zhì)性能的紙和紙板是微米纖絲發(fā)揮應(yīng)用潛力的強(qiáng)大推動力。該文介紹了應(yīng)用微米纖絲提升紙漿性能技術(shù)的最新進(jìn)展情況，并認(rèn)為初露頭角的納米和微細(xì)纖維素在造紙領(lǐng)域即將引發(fā)一場革命，也許比我們想象的要來得更快。

目前在造紙廠有眾多中試規(guī)模的設(shè)備能夠生產(chǎn)足夠數(shù)量的納米纖絲纖維素（CNF）和微米纖絲纖維素（CMF）。如Verso公司位于美國緬因州的Bucksport工廠首次在紙機(jī)生產(chǎn)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)連續(xù)添加英格瓷的FiberLean CMF（目前該工廠已關(guān)閉）。

眾多纖絲纖維素在線生產(chǎn)的結(jié)果令人鼓舞，因?yàn)槟軌蚬?jié)省纖維原料、改善紙張性能；雖然目前仍處于應(yīng)用發(fā)展階段的初期，但是仍有許多新進(jìn)者進(jìn)入市場競爭。事實(shí)上，細(xì)小纖維的發(fā)展?jié)摿薮笄覙O具競爭力。

1 納米晶體纖維素與納米/微米纖絲纖維素的區(qū)別

區(qū)分納米晶體纖維素（CNC）與CMF或CNF非常重要。研究人員稱CNC形態(tài)類似大米顆粒，呈針狀且強(qiáng)度較大，根據(jù)原料和制備方法的不同，其直徑為5～10 nm，長度為100～200 nm，可作為助劑用于生產(chǎn)強(qiáng)度勝過鋼鐵的復(fù)合材料、磁感和光感材料、阻隔膜和柔性電子材料，甚至可用于生物醫(yī)學(xué)和其他未知的領(lǐng)域；而CNF的直徑約為5 nm，長度較長（≥1μm），類似于通心粉，柔韌易纏結(jié)，換言之，像是極小的造紙纖維，適于保留在紙機(jī)成形部，纖維與微米纖絲之間的連接能夠提升結(jié)合強(qiáng)度，可用作生物塑料和其他石油化工替代產(chǎn)品的組成原料。

2 增加灰分

目前有眾多制備纖絲纖維素的新型方法。例如，英格瓷的FiberLean MFC工藝（此處MFC是英格瓷和其他一些作者所用術(shù)語，TAPPI標(biāo)準(zhǔn)中所用術(shù)語為CMF）是將纖維和填料一起研磨，形成一種精細(xì)的復(fù)合材料。聚集體中的礦物顆粒有助于將能量向紙漿纖維傳遞，紙漿纖絲與填料顆粒纏結(jié)在一起，賦予紙張更好的結(jié)合力和遮蓋性。圖1所示為FiberLeanTMMFC的掃描電鏡照片：紙張中MFC和填料顆粒纏結(jié)在一起。

圖1 紙張中MFC和填料顆粒纏結(jié)在一起

該聚集體固含量為5%～6%，通過泵送，可以直接在紙機(jī)漿料制備系統(tǒng)中進(jìn)行混合。英格瓷表示，添加該聚集體后，成紙的灰分可提高10%～15%（相對于原紙質(zhì)量）（如圖2所示），紙張結(jié)合強(qiáng)度和平滑度有所增加，可采用輕壓壓光。

圖2 FiberLeanTMMFC有助于提高不含磨木漿紙張的填料量

由圖2可見，增加10%的灰分需要添加2%的MFC（相對于原紙質(zhì)量）。

眾多的紙機(jī)試驗(yàn)證明該方法制備的纖絲纖維素實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的潛力大于先前Verso紙廠生產(chǎn)的。

3 新的市場競爭者

FPInnovations和Kruger公司聯(lián)合建造的最新的纖維素纖維（CF）中試工廠——熱磨機(jī)械漿新聞紙廠產(chǎn)能為5 t/d（對于中試工廠而言，已是相當(dāng)大的生產(chǎn)規(guī)模）。盡管CF與CMF有所不同，但其依舊是微尺度纖維素的另一重要部分。

據(jù)FPInnovations表示，無化學(xué)助劑的純機(jī)械處理工藝溫和地將纖絲從纖維表面剝離，保留了原始纖維的長度。該工廠采用可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的設(shè)計(jì)，有利于擴(kuò)大規(guī)模走向產(chǎn)業(yè)化階段。為證實(shí)可操作性，這一快速建成的中試工廠項(xiàng)目于2014年6月啟動并運(yùn)行，從最初宣布建設(shè)到啟動僅用了6個月時間。到2014年9月，該工廠已生產(chǎn)幾卡車產(chǎn)量的CF產(chǎn)品并應(yīng)用于一些紙廠和研發(fā)項(xiàng)目中。

自Kruger工廠啟動后，Resolute林產(chǎn)品公司和Mercer國際公司宣布達(dá)成協(xié)議，實(shí)現(xiàn)CF產(chǎn)品在制漿造紙行業(yè)外的其他領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。他們將產(chǎn)品命名為Performance BioFilaments，可應(yīng)用于熱塑性塑料、強(qiáng)化塑料、熱固性塑料、膠粘劑、無紡布和涂料中。

市場中還存在其他的新進(jìn)入者，美國亞特蘭大過程公司介紹了其AVAP高效節(jié)能和高產(chǎn)能生物質(zhì)工藝，可用于生產(chǎn)CNC和CNF，如圖3所示。

圖3 AVAP納米纖維素工藝用于生產(chǎn)CNC和CNF

該工藝?yán)枚趸蚝鸵掖紴轭A(yù)處理化學(xué)試劑，同時也會產(chǎn)生木素和半纖維素糖的副產(chǎn)物。木素可用作燃料，糖類可用作生物基化學(xué)品。納米纖維素產(chǎn)品可涂覆木素實(shí)現(xiàn)疏水應(yīng)用。產(chǎn)量為0.5 t/d的中試工廠正在佐治亞州的AVAP示范基地建設(shè)中。

Group Laperriere&Verreault（GL&V）推出了利用所有紙廠都有的市售漿料精磨設(shè)備生產(chǎn)MFC的制備系統(tǒng)。這一簡單的工藝采用循環(huán)封閉式流程將纖維處理成目標(biāo)產(chǎn)物，經(jīng)測量可達(dá)到微纖維級別，如圖4所示。

圖4 GL&V開發(fā)的可利用市售漿料精磨機(jī)生產(chǎn)MFC的制備系統(tǒng)

1 臺產(chǎn)能為1 t/d的單體精磨機(jī)示范流程已安裝在緬因州大學(xué)。GL&V利用并聯(lián)的循環(huán)精磨機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)出產(chǎn)能為20 t/d生產(chǎn)系統(tǒng)。這些精磨機(jī)安裝了防碰撞系統(tǒng)以保護(hù)磨盤。自2013年4月該中試工廠啟動后，已向其他工廠和科研實(shí)驗(yàn)室提供了超過5 000磅（約2 268 kg）的產(chǎn)品。

緬因州大學(xué)工藝研發(fā)中心的研究者們與Cerealus公司合作，將制備系統(tǒng)向前推進(jìn)了一步，將CMF精制系統(tǒng)與正在申請專利的淀粉膠囊工藝結(jié)合，制備出一種新的產(chǎn)品，稱為“Cerenano”，如圖5所示。

圖5 加入Cerenano的成紙（右側(cè)CN 200-245X）比Control-208X對比紙樣更加緊密和平滑

在紙和紙板生產(chǎn)中，該產(chǎn)品允許將微米或納米纖絲以較高的配比添加到其中，生產(chǎn)高強(qiáng)度、低定量和低成本的紙和紙板。Cerenano已在一些商業(yè)設(shè)備中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以證明其能夠提升紙頁緊度、透氣度、表面性能和z向強(qiáng)度（內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度）。該產(chǎn)品已簽訂商業(yè)規(guī)模協(xié)議，產(chǎn)能為2～30 t/d。

除了上述這些最新進(jìn)展外，目前已有多家生產(chǎn)CMF和CNF的中試工廠，包括UPM、斯道拉恩索、Borregaard、Innventia和日本制紙公司。BillerudKorsnas和瑞典研究機(jī)構(gòu)Innventia正在建立一種便攜式平臺，可在工廠間靈活移動進(jìn)行試驗(yàn)。

4 生產(chǎn)超輕紙

細(xì)纖維應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)回報被認(rèn)為是非常可觀的。芬蘭VTT技術(shù)研發(fā)中心開展了紙機(jī)中試試驗(yàn)，利用微米或納米纖絲預(yù)絮聚輕質(zhì)碳酸鈣（PCC）加填至超壓紙中以提高總填料加填量。

研究結(jié)果表明，加填纖絲預(yù)絮聚PCC，不僅能提升結(jié)合強(qiáng)度，而且成紙灰分可從30%提高至40%或更多，IGT表面強(qiáng)度和Scott結(jié)合強(qiáng)度大幅提升，勻度和印刷特性維持不變或有所改善。盡管最初的濾水性較差，但是總的脫水性能相當(dāng)。超壓紙的成本按CMF用量1.8%～2.5%計(jì)算可降低3.0%～6.5%。

2012年TAPPI蒙特利爾納米技術(shù)會議期間，來自UPM的研究者發(fā)表了中試紙機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，紙張中添加1%～2%的CMF以增強(qiáng)紙板強(qiáng)度，結(jié)果顯示在保持原強(qiáng)度性能不變的基礎(chǔ)上可大幅降低紙板定量。CMF可促進(jìn)超輕產(chǎn)品的發(fā)展，可以利用比現(xiàn)有輕量紙更少的纖維生產(chǎn)超輕紙。

5 總結(jié)

CMF對紙機(jī)操作性和成紙質(zhì)量的影響需要進(jìn)行評估。深度精磨打漿意味著降低濾水性和不透明度，同時也需要考慮CMF對濕部化學(xué)的影響；但是，CMF在降低成本、提高創(chuàng)新性和生產(chǎn)超輕紙種方面的巨大潛力是纖絲纖維素未來發(fā)展的強(qiáng)勁動力。

該領(lǐng)域仍在發(fā)展中。由于研發(fā)者注重知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，其生產(chǎn)方法仍存在一定的保密性。考慮到這些產(chǎn)品采用不同的機(jī)械方法生產(chǎn)，所以它們的物理性能有所不同。盡管這一領(lǐng)域的研究還在發(fā)展中，但是工業(yè)供應(yīng)商、制漿造紙公司和研究機(jī)構(gòu)都互相視對方為競爭者。這是前所未有的現(xiàn)象。

（楊揚(yáng)編譯）