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云之南

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竹材制浆造纸  

2013-12-04 21:39:34|  分类: 生物学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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竹材制浆造纸
 作为造纸原料,竹类纤维仅次于什叶材纤维,而优于一般草类纤维,基本上属长纤维原料,是优良的造纸原料。江西省是全国重 点林业省份之一,盛产竹类。现有竹林面积700多万亩、毛竹蓄积量达10.3亿株,还有许多小山竹。充分利用竹类原料造纸,使自 然资源优势变为产业优势,促进江西经济发展,将具有十分重要的意义。 
    一、竹类造纸的历史和现状 
    我国利用竹类造纸历史悠久,据记载已有1700多年历史。那时已开始利用嫩竹,经过石灰腌料,制造文化用纸。竹类纸与皮类 纸分别为中国手工纸的两大类。江西省很久以前也已开始使用竹类造纸,相传1200多年前铅山县就利用嫩竹生产出连史纸。连史纸是 手工纸中的佼佼者,质地细腻均匀、色泽洁白、抗虫蛀、防老化,作书画时润墨性良好,不仅成为皇宫御用纸张,而且又是印刷古籍 文献、民章宗谱、信笺、书画及装裱用纸。传统的手工工艺一直保持到现在。目前我国南方各省许多山区还沿用原始生产方式造纸。 竹类纤维用于机制纸,在我国始于40年代。采用半机械法竹浆生产代用新闻纸;配用木浆制成牛皮纸;用漂白竹浆生产打纸、 道林纸、书写纸等。江西省最早的机械纸生产厂是1947年投产的东南造纸厂,系现赣南造纸厂的前身。该厂于1949年人民政府后,根据赣西南地区盛产竹浆的资源条件,兴建一台1575毫米园网造纸机,于1951年9月投产,开始使用竹类生产道林纸。竹类原料用于 制纸。起初是采用石灰俺过的半料浆即竹丝式脱青竹片,在工厂再经碱法或硫酸盐法蒸煮成浆。目前大量使用2.3年生的原竹或多年生老竹。 
    采用竹类制浆造纸,已有较丰富的经验。几乎各种竹子都能制成竹浆与木浆或草浆按不同比例配比,也可单独使用竹浆生产出多 种纸张。据不完全统计全国已生产的有40多个品种。我省也有30个左右品种已有不同比例的竹浆。其中有凸版纸、书写纸、单面胶版 纸、双面胶版纸、政文纸、招贴纸、扑克牌纸、复印纸等书写印刷用纸类;有考贝纸、打字纸、邮封纸等薄页纸类;有牛皮纸、条纹 牛皮纸、条纹包装纸、纸袋纸、炸药包装纸、防潮原纸、糖果包装纸等包装用纸类;有卷烟纸、皱纹电缆纸等工业技术用纸类;有箱 板纸、中性纸、白板纸等纸板类用纸。另外还可利用竹类生产出卫生巾用的绒毛浆。其中江西省利用竹类造纸的主要生产厂及品种见(表)。

江西省利用竹类造纸的主要生产厂及品种

企业名称 纸张品种 企业名称 纸张品种
赣南造纸厂 拷贝纸、打字纸、薄页纸、糖果包装纸、水松纸、纪录纸 萍乡造纸厂 竹浆面条箱板纸
赣江造纸厂 双胶纸、单胶纸、彩色胶版纸、书写纸、铝箔衬纸、纪录纸 贵溪造纸厂 凸版纸
吉安造纸厂 双胶纸、凸版纸、复印纸、书写纸、晒图原纸 永丰造纸厂 牛皮纸、条纹牛皮纸
虎山造纸厂 凸版纸 抚州造纸厂 牛皮箱板纸
黄岗山造纸厂 牛皮纸、条纹牛皮纸、纸袋纸、中性包装纸、茶叶包装纸 宜春造纸厂 胶印书刊
万载造纸厂 条纹包装纸、条纹柏油原纸、仿纸袋纸    


    近年来,我国在竹类制浆造纸方面的设备和技术有了很大的进步,特别是江西省作为全国重点开发利用竹类的省份发展很快。如 赣南造纸厂采用芒、竹混合蒸煮工艺,这一工艺可以简化流程,稳定配比,所制的纸浆易洗易漂,打浆性能好。可配抄多种纸张;井 冈山纸厂利用笋壳制浆配抄卷烟纸;抚州造纸厂利用 80%毛竹制半化学浆生产牛皮箱板纸和宜春造纸厂利用80-100%毛竹制漂白 化学浆生产胶印书刊纸。这两个项目都是全国利用毛竹新技术开发项目,引进采用了国际上先进的技术和装备,年生产能力都达 3400O吨,在国内处于领先水平。综上所述,竹类造纸不论在我国造纸史上和当前的生产中,都占有重要的地位。 
    二、竹类原料特性和评价 
    不同的植物纤维原料造纸,在制浆造纸过程中,所得的浆和纸的品质均存在异同点。这些异同点都与所用各种原料自身的化学 组成及生物结构有着密切的关系,只有深入了解竹类原料的生物结构和化学组成,才能对其造纸过程中所表现的特性有更清晰的认识。 
    1.竹类的生物结构 
     竹子属单子叶禾本科,竹亚科植物。竹类品种很多,分布在我国约有200多种。我国造纸常用的有30多种。我省基本上是以毛竹和 小山竹为主。小山竹实际上是苦竹、水竹、刚竹、方竹等多种类竹通称,品种繁杂。 
    竹类细胞主要有纤维细胞、薄壁细胞、导管、表皮细胞等。竹纤维细胞约占细胞总面积比的60—70%,低于什叶木而高于一般草 类。竹类纤维细长,呈纺锤状,两端尖锐,其平均长度一般在1.5-2.1毫米之间,平均宽度一般在15微米左右。其长宽比约在120-200之间。这个比值比阔叶木为好。竹纤维壁厚约5微米,纤维内外壁均较平滑,胞壁甚厚,胞腔小。也有部分短而宽的纤维,两端 纯尖,胞腔较大,此类纤维多生长于节部。综合竹类纤维形态特征是:纤维细长、壁厚腔小、比重大、纤维较挺硬、透明度高。几种竹类纤维长宽度见(表)。           

几种竹材纤维长宽度

品名 长度(微米) 宽度(微米) 长宽比
范围 平均 范围 平均
毛竹 810-3157 1987 6.25-23.4 11.53 178.8
苦竹 830-1920 1460 6.3-20.3 10.6 138
白夹竹 310-4200 1950
9.6 200
慈竹 700-4300 2590
12.6

198

     2.竹类原料的化学组成 
    竹类原料的纤维素含量,一般为50-60%,介于针叶材和阔叶材之间,较芦苇、芒杆、稻麦草类原料高10-15%。 
    竹类的木素含量一般为19-25%,少数在25%以上,比较接近阔叶材,略低于什叶材,而高于草类原料。 
    竹类的多戊糖含量一般为19-24%,少数高达27-28%,接近阔叶材和草类原料,比针叶材(12%左右)高一倍左右。 
    竹类的1%NaOH抽出物一般25—30%,少数高达30%,较之木材,要高一倍左右,但都低于一般草类原料。 
    竹类原料的灰份含量,一般为1-2%,较木材高三倍左右,但比草类原料低,仅为稻草灰份量的10-14%。竹材灰份主要集中 在皮部和节部。据介绍,节部灰份为2.09%,皮部含量高达27.64%,其灰分中SiO2含量占97.7%。几种竹材的化学成份见(表)。

  几种竹材的化学成份

品名 纤维素%(次氯酸钠) 木素(%) 多戌糖(%) 1%NaOH抽提物%
毛竹 54.83 25.44 22.86 27.39
苦竹 58.55 27.06 19.33 21.71
白夹竹 55.38 25.60 19.88 26.91
慈竹 59.06 23.96 18.88 26.20

    3.竹类制浆造纸的评价
    竹材作为造纸原料,具有明显的优点,是一个很有希望的材种,对其用于造纸进行综合评价,具有的优点是: 
    (1)竹类生长迅速、成材快、产量高。一般无性生殖的竹种在6-8年之后即可达到最高度,只要气候温和,土质疏松,排水良好, 无论田埂、宅边,还是丘陵、河岸、平原都可种植,种植4—6年可成林。一般竹类每亩年产可达600—900公斤,生长特别良好每亩年 产可达1500-2000公斤,有利于建立稳定的原料基地。 
    (2)竹材采伐和运输方便。从造纸角度,希望竹伐应在2-3年的较好,有的竹种可大一些,这另外还要考虑竹材生长特点。竹材 易于捆扎,便运输和贮存堆放。 
    (3)竹类原料比重大,一般为0.6—0.8。而针叶材一般只有0.4左右,阔叶材为0.43-0.64,因竹类原料在蒸煮时其装锅量都比 木材和草类原料都高。 
    (4)竹类纤维基本属于长纤维范畴,适于生产多种纸张。 
    竹类作为造纸原料,也有不足之处,主要是: 
    (1)竹类含有较多糖类、脂肪和蛋白质,而这些物质是一些昆虫和微生物的营养物质,如果伐期掌握不当或管理保管不善,极易引起虫蛀和病腐,影响纸浆质量。 
    (2)竹类组织结构紧密,蒸煮过程中药液渗透较困难。蒸煮的药液从竹片横向渗透显然是困难的,从纵向来看,由于竹子生长时, 其导管或汁管充满液汁,经干燥后,空气取代液汁而留存于导管中。这样在蒸煮过程中,导管内的空气极不易排除,极大防碍药液的浸 透。同时竹节部分纤维素含量比茎部少15%,而其更难以煮透。 
    (3)竹浆在漂白时漂率较高,另外在单独采用次氨酸盐漂白,特别是次氯酸盐单段漂时,所制得的漂白竹浆较易返黄。 
    (4)由于竹材灰份含量比木材高三倍,在制浆黑液回收过程中易发生硅干扰。 
    三、竹类制浆造纸工艺技术 
    因手工造纸费工费时,又受季节性限制。在此着重介绍机制制浆造纸。 
    1.竹子的贮存 
    由于竹子砍伐的季节性,要保证工厂机制造纸的长年连续生产,工厂必须存放一定数量的竹料,一般为3-6个月的用量。有的要 在政9个月。过去造纸多采用嫩竹,先在产地加工成脱青竹片,即去掉竹尖及笋壳,劈成宽不超过25毫米,长约1.3米的竹片,厚度不 超过5毫米,放入清水池浸泡45—60天之后取出风干,然后打捆,每捆25公斤,运到工厂贮藏在仓库里、仓库应高大宽敞,通风干燥, 竹片水分不宜超过18%。脱青竹片亦可露天堆放在距地面0.3米高的架置树条上,堆高可6—7米,上面再堆成尖顶式,每堆宽约12-15米。现在生产中都已使用老何原竹,比如小山竹,老毛竹。对小山竹是先打成捆,然后象脱青竹片露天堆放方法作的堆垛方法堆放。对 于毛竹,有两种方法,一种是竖放立堆,设置有原木或毛竹制的竖头格架,将毛竹竖立堆放在格架两侧,倾斜度约10-15o;另一种为 卧放横堆,即在垛基两端分别树立木桩,然后在其间卧放原竹,垛长达100-150米,垛宽8-12米,堆高用人工可达6米。 
    2.备料 
    备料包括轧竹、切竹、筛片三个工序,我国一般使用的切竹机有两种,一种是刀辊式切竹机,其结构与刀辊式切草机相似,只是 在喂料部分装有一对乳竹辊,其作用是轧裂原竹,便于喂料,随后是一对喂料辊。另一种是刀盘式切竹机,其结构与木料削片机相似, 只是在喂料部装有一对轧竹辊和一对喂料辊,一般是水平喂料,且与刀盘垂直。因切后的竹片的纵向渗透比横向快,横向渗透中又以 心部比皮部略快,竹片应切得短些,一般10-25毫米左右。轧竹是很重要的,竹子经轧裂后切削出的竹片没有斜度,便于排出空气, 利于药液渗透,提高蒸煮效果,另外,竹节质坚,是高度木质化了的,含硅较多,竹子经轧裂后,在筛片时最好能将竹节筛去。 
    竹片筛选机有转鼓式与震动斜筛式两种,主要是筛除去租大的和碎片,以保证竹片的均匀性。 
    3.蒸煮 
    竹类蒸煮,一般采用硫酸盐法,有的采用烧碱一蒽醌法或者多硫化物法,这里只介绍硫酸盐法。 
    竹材的硫酸盐法蒸煮较木材(特别是针叶材)硫酸盐法容易,因竹材合本素少,当然脱木素要容易些,但更重要的似乎是本素的 化学结构,竹子原料中较针叶材中含有较多的紫丁香基本素结构单元。此外,竹子中还含有 5-10%的香豆酸和少量阿魏酸以酯 的型式与其他结构单元联接。酯联接是蒸煮初期就能进行碱化断裂的联接键。所以竹子较木材易蒸煮。 
    硫酸盐法蒸煮工艺参数有用碱量、硫化度、液比、蒸煮的温度和时间。这些参数随竹种不同和年龄不同,还有所制竹浆的品种不 同(是漂白竹浆或是未漂竹浆),而有较大差异。 
    (1)用碱量:一般为18一23%(对绝干量)。也有低于18%的,如用脱青竹生产纸袋纸用浆, 16%左右即可;采用连续蒸煮用 竹片生产高得率半化学浆在 13%左右。也有高达 26-27%。 
    (2)硫化度:一般蒸煮漂白竹浆的硫化度为20一25%,蒸煮本色竹浆要高一些,一般为 28-30%。 
    (3)液比:采用蒸球蒸煮竹片一般为2.6-2.7:1;采用立式蒸锅蒸煮竹片一般为2.6-2.7:1;采用连续蒸煮器时一般为2.5-3.0:1。 
    (4)蒸煮温度和时间:研究发现,竹料硫酸盐法蒸煮时大量脱木素阶段是在升温到140以前,升温一小时左右时脱木素已达 64%,升温时间近二小时时,脱本素可达 74%。对于最适宜的蒸煮最高温度,在硫酸盐法蒸煮竹子时,升温到160就达到了纤维分离点,但还有少量科渣。这说明最高温度160是适宜的,但在此温度下要保温一段时间。在实际生产中,鉴于竹材结构紧密,加 上导管内留存的空气极难排除,竹材蒸煮需要较长的渗透时间,升温渗透时间一般1.5-2小时,保温时间也都需要2-2.5小时。 应当指出,升温时间和保温时间是互补的,关键的问题:一是竹片与蒸煮药液必须在蒸煮开始时就尽可能混合均匀;二是通汽必须 使蒸煮器内温度均匀,有了这两个均匀,就有可能缩短蒸煮周期。这两个均匀对竹料蒸煮显得格外重要。 蒸煮用的设备一般大多小厂采用蒸球,中型纸厂采用立式蒸煮锅。 
    4.洗涤、筛选、漂白 
    蒸煮后的竹浆要经过洗涤、筛选。若生产漂白竹浆,再进行漂白。 
    为了达到洗涤的要求而又能提取蒸煮的黑液,有利于碱回收,一般洗涤设备为真空洗浆机或水平带式洗浆机。许多中小厂没有 碱回收系统,还都采用园网浓缩机或侧压浓缩机进行洗涤。 竹浆筛选采用除节机,离心式筛浆机和鲍尔除渣器。 
    竹浆的漂白在漂白机或漂白塔中进行,考虑到硫酸盐法竹浆漂率较高,漂白的浆又较易发生返黄现象,除要严格控制终漂的 PH值在9以上外,还要根据对白度的要求,分别采取单段漂,两段原或三段以上的漂白方法。漂白是蒸煮的继续,目前普遍采用 的漂白剂是次氯酸盐,其漂率即有效氯用量一般为7-9%。 
单段次氨酸盐漂白条件是:浆浓度为5%左右,时间2-3小时,温度37—40,终漂pH8-10。 
    两段次氯酸盐漂白的总有效氯分配的比例为第一段60-70%,第H段为 40—30%。 
    三段漂为CET,即氯化一碱处理一次氯酸盐漂。第一段氯化浆浓为 3—3.5%,时间45分到60分钟,有效氯为总耗氯的 50-60%;第二段碱处理浆浓为10-12%,用碱为2%左右,时间1小时;第三段次氨酸盐漂浆浓8-10%, 用氯量为总耗氯的 40-50%。 
    竹浆漂白在较好的情况下,单段漂可达白度70%左右,H段漂白度在75%左右,三段漂白度可达50%左右。 
    5.竹浆抄纸 
    近年轻工部造纸研究所对竹浆打浆作了试验研究,该所用相同硬度的可漂的云南松浆和毛竹浆作打浆对比试验,在相同打浆 条件下,竹浆打到85°SC,约需90分钟,较原浆打浆度上升约七倍,而云南松浆打浆90分钟,打浆度由原浆的10°SR,上升到24°SR,只上升1.4倍,认为竹浆打浆相对来讲是容易的。无论如何,说明竹浆打浆性能有其自身的特点,还有待进一步探讨研究。一般来说,随着打浆过程的进行,竹浆成纸的断裂长、耐折度、耐破度等都较高,而撕裂度却下降较快。 竹浆打浆设备过去大都采用打浆机。现在大多采用圆盘磨浆机、园柱精浆机。国内生产的设备能力较小,大型厂一般引进国外设备。 关于竹浆所抄造的纸张品种,前面已提及,需要指出的是,为发挥各种不同纤维原料的特点适应纸张品种的不同要求以及经济上更为合理,一般都将木浆、竹浆,其他草类浆按不同比例混合均整进行抄造。这里介绍一下根据竹浆的特点,对纸页抄造和成纸的影响: 
    (1)竹浆纤维细软,易纠合成团,故抄纸时纤维长度不宜过长,浆浓也不能过大。如抄1号胶版纸时,竹浆纤维应在1毫米以下, 而用木浆一般在1毫米以上。 
    (2)竹浆用于抄造文化用纸,成纸吸墨性强,且易上胶,成纸组织致密,印刷时亦不易排毛。竹浆拉力高,能添加较多的填料,且 填料的留着率也较高,其主要的缺点是透明度高,伸缩性大。 
    (3)竹浆纤维较易能打成水化度高的粘状纸浆,竹浆的透明度高,可以用于生产如描图纸、仿羊皮纸等纸张。 
    (4)竹浆纤维细长而柔软,表面结合力较大,可以替代部分长纤维术素生产牛皮纸、纸袋纸等对强度要求高的纸张。 
    四、几点建议 
    造纸工业是国民经济中重要的基础原材料工业。建国以来,我国造纸工业虽然有了很大发展,但与世界上发达国家相比,差距 很大。全世界纸及纸板人均消费量为45公斤,亚洲约为20公斤,我国仅为13公斤。我省若按产量计算,人均仅为8公斤。可见造 纸工业发展潜力很大,为更好开发利用竹类造纸,提出几点建议。 
    1.利用竹类生产土纸,在历史上是最有功绩的,发展了人类文化。现在则是弊端,不但效率低,费工费时。更主要的是即浪费了 竹料,又破坏了资源。因土纸生产必须用嫩竹路料,1吨土纸需竹材8-9吨,而用老竹制浆1吨仅需3-4吨竹材。由于连年政嫩 竹,母竹减少,竹林逐渐残败,这类土纸生产应予停止。 
    2.造纸工业是资金密集和技术密集性的工业,造纸企业投资大,建设周期长,生产连续性强,工艺流程比较复杂,能源耗用量 大,原料品种多,处理量大,同时治理污染费用高。因此国家产业政策都有具体要求。“九五”期建设制浆造纸厂的经济规模要求达 到年产10万吨以上,这样的规模投资要达10亿元以上。江西省政府从保护环境考虑,规定小型造纸企业一律不准建设,现有的小 型企业要逐步关、停、并、转。其中有条件的通过改造升级为大、中型企业。这样我国竹类造纸的企业最小的起步规模应达到年产 1.5万吨,以便配套碱回收系统,投资约需2亿元。 
    3.造纸企业规模大,所需原材料就多。要想大量利用竹类原料,就必须建立固定稳产、高产、优质的造纸竹林基地,才能青山常 在,永续利用,走林纸结合的道路,已成为人们的共识。这是一项复杂的系统工程,实施起来有较大难度,有政策上的不协调,管理 上的分散,经济上利益的分配,供求关系上的矛盾。但这项工作事关重大,一定要搞。江西抚州造纸厂和江西宜春造纸厂都在建毛 竹林基地方面作了有益的探索,取得些经验,希望各方共同努力,促进林纸结合。 
    4.世界上利用竹类纸的优势主要在印度。印度的制浆原料中竹子占60%以上。我国不到2%,江西省约占10%左右。在印度对使用竹子制浆造纸有较系统的研究。从竹子的资源、种类、供应、储存和特性(包括纤维形态和结构以及化学成份)等都有详尽的介绍。对制浆工艺、包括医竹和切片,竹片筛选和再切,蒸煮方法和黑液回收等,也有专门报道。生产技术水平也比较高,如印度Madhya、Pradesh省的纸厂,以100%的竹浆制优质纸,日产纸达200吨和竹浆300吨。印度中央制浆有限公司的 Fort Songad厂。 以100%的竹浆生产伸性纸袋纸,都具有较高的现代化水平。 最后需要指出的是,江西竹类资源丰富,有良好的竹类造纸基础,特别是抚州造纸厂和宜春造纸厂利用竹类造纸的大型企业的 建成投产,竹类造纸完全有可能成为江西的优势产业

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