应用微米纤丝提升纸浆性能技术的发展

应用微米纤丝提升纸浆性能技术的发展

降低浆料成本、生产超轻和具有优质性能的纸和纸板是微米纤丝发挥应用潜力的强大推动力。该文介绍了应用微米纤丝提升纸浆性能技术的最新进展情况，并认为初露头角的纳米和微细纤维素在造纸领域即将引发一场革命，也许比我们想象的要来得更快。

目前在造纸厂有众多中试规模的设备能够生产足够数量的纳米纤丝纤维素（CNF）和微米纤丝纤维素（CMF）。如Verso公司位于美国缅因州的Bucksport工厂首次在纸机生产设备中实现连续添加英格瓷的FiberLean CMF（目前该工厂已关闭）。

众多纤丝纤维素在线生产的结果令人鼓舞，因为能够节省纤维原料、改善纸张性能；虽然目前仍处于应用发展阶段的初期，但是仍有许多新进者进入市场竞争。事实上，细小纤维的发展潜力巨大且极具竞争力。

1 纳米晶体纤维素与纳米/微米纤丝纤维素的区别

区分纳米晶体纤维素（CNC）与CMF或CNF非常重要。研究人员称CNC形态类似大米颗粒，呈针状且强度较大，根据原料和制备方法的不同，其直径为5～10 nm，长度为100～200 nm，可作为助剂用于生产强度胜过钢铁的复合材料、磁感和光感材料、阻隔膜和柔性电子材料，甚至可用于生物医学和其他未知的领域；而CNF的直径约为5 nm，长度较长（≥1μm），类似于通心粉，柔韧易缠结，换言之，像是极小的造纸纤维，适于保留在纸机成形部，纤维与微米纤丝之间的连接能够提升结合强度，可用作生物塑料和其他石油化工替代产品的组成原料。

2 增加灰分

目前有众多制备纤丝纤维素的新型方法。例如，英格瓷的FiberLean MFC工艺（此处MFC是英格瓷和其他一些作者所用术语，TAPPI标准中所用术语为CMF）是将纤维和填料一起研磨，形成一种精细的复合材料。聚集体中的矿物颗粒有助于将能量向纸浆纤维传递，纸浆纤丝与填料颗粒缠结在一起，赋予纸张更好的结合力和遮盖性。图1所示为FiberLeanTMMFC的扫描电镜照片：纸张中MFC和填料颗粒缠结在一起。

图1 纸张中MFC和填料颗粒缠结在一起

该聚集体固含量为5%～6%，通过泵送，可以直接在纸机浆料制备系统中进行混合。英格瓷表示，添加该聚集体后，成纸的灰分可提高10%～15%（相对于原纸质量）（如图2所示），纸张结合强度和平滑度有所增加，可采用轻压压光。

图2 FiberLeanTMMFC有助于提高不含磨木浆纸张的填料量

由图2可见，增加10%的灰分需要添加2%的MFC（相对于原纸质量）。

众多的纸机试验证明该方法制备的纤丝纤维素实现产业化的潜力大于先前Verso纸厂生产的。

3 新的市场竞争者

FPInnovations和Kruger公司联合建造的最新的纤维素纤维（CF）中试工厂——热磨机械浆新闻纸厂产能为5 t/d（对于中试工厂而言，已是相当大的生产规模）。尽管CF与CMF有所不同，但其依旧是微尺度纤维素的另一重要部分。

据FPInnovations表示，无化学助剂的纯机械处理工艺温和地将纤丝从纤维表面剥离，保留了原始纤维的长度。该工厂采用可实现工业化的设计，有利于扩大规模走向产业化阶段。为证实可操作性，这一快速建成的中试工厂项目于2014年6月启动并运行，从最初宣布建设到启动仅用了6个月时间。到2014年9月，该工厂已生产几卡车产量的CF产品并应用于一些纸厂和研发项目中。

自Kruger工厂启动后，Resolute林产品公司和Mercer国际公司宣布达成协议，实现CF产品在制浆造纸行业外的其他领域的商业化应用。他们将产品命名为Performance BioFilaments，可应用于热塑性塑料、强化塑料、热固性塑料、胶粘剂、无纺布和涂料中。

市场中还存在其他的新进入者，美国亚特兰大过程公司介绍了其AVAP高效节能和高产能生物质工艺，可用于生产CNC和CNF，如图3所示。

图3 AVAP纳米纤维素工艺用于生产CNC和CNF

该工艺利用二氧化硫和乙醇为预处理化学试剂，同时也会产生木素和半纤维素糖的副产物。木素可用作燃料，糖类可用作生物基化学品。纳米纤维素产品可涂覆木素实现疏水应用。产量为0.5 t/d的中试工厂正在佐治亚州的AVAP示范基地建设中。

Group Laperriere&Verreault（GL&V）推出了利用所有纸厂都有的市售浆料精磨设备生产MFC的制备系统。这一简单的工艺采用循环封闭式流程将纤维处理成目标产物，经测量可达到微纤维级别，如图4所示。

图4 GL&V开发的可利用市售浆料精磨机生产MFC的制备系统

1 台产能为1 t/d的单体精磨机示范流程已安装在缅因州大学。GL&V利用并联的循环精磨机已经设计出产能为20 t/d生产系统。这些精磨机安装了防碰撞系统以保护磨盘。自2013年4月该中试工厂启动后，已向其他工厂和科研实验室提供了超过5 000磅（约2 268 kg）的产品。

缅因州大学工艺研发中心的研究者们与Cerealus公司合作，将制备系统向前推进了一步，将CMF精制系统与正在申请专利的淀粉胶囊工艺结合，制备出一种新的产品，称为“Cerenano”，如图5所示。

图5 加入Cerenano的成纸（右侧CN 200-245X）比Control-208X对比纸样更加紧密和平滑

在纸和纸板生产中，该产品允许将微米或纳米纤丝以较高的配比添加到其中，生产高强度、低定量和低成本的纸和纸板。Cerenano已在一些商业设备中进行实验，以证明其能够提升纸页紧度、透气度、表面性能和z向强度（内结合强度）。该产品已签订商业规模协议，产能为2～30 t/d。

除了上述这些最新进展外，目前已有多家生产CMF和CNF的中试工厂，包括UPM、斯道拉恩索、Borregaard、Innventia和日本制纸公司。BillerudKorsnas和瑞典研究机构Innventia正在建立一种便携式平台，可在工厂间灵活移动进行试验。

4 生产超轻纸

细纤维应用的经济回报被认为是非常可观的。芬兰VTT技术研发中心开展了纸机中试试验，利用微米或纳米纤丝预絮聚轻质碳酸钙（PCC）加填至超压纸中以提高总填料加填量。

研究结果表明，加填纤丝预絮聚PCC，不仅能提升结合强度，而且成纸灰分可从30%提高至40%或更多，IGT表面强度和Scott结合强度大幅提升，匀度和印刷特性维持不变或有所改善。尽管最初的滤水性较差，但是总的脱水性能相当。超压纸的成本按CMF用量1.8%～2.5%计算可降低3.0%～6.5%。

2012年TAPPI蒙特利尔纳米技术会议期间，来自UPM的研究者发表了中试纸机实验结果，纸张中添加1%～2%的CMF以增强纸板强度，结果显示在保持原强度性能不变的基础上可大幅降低纸板定量。CMF可促进超轻产品的发展，可以利用比现有轻量纸更少的纤维生产超轻纸。

5 总结

CMF对纸机操作性和成纸质量的影响需要进行评估。深度精磨打浆意味着降低滤水性和不透明度，同时也需要考虑CMF对湿部化学的影响；但是，CMF在降低成本、提高创新性和生产超轻纸种方面的巨大潜力是纤丝纤维素未来发展的强劲动力。

该领域仍在发展中。由于研发者注重知识产权保护，其生产方法仍存在一定的保密性。考虑到这些产品采用不同的机械方法生产，所以它们的物理性能有所不同。尽管这一领域的研究还在发展中，但是工业供应商、制浆造纸公司和研究机构都互相视对方为竞争者。这是前所未有的现象。

（杨扬编译）