纤维素在造纸原料中的应用研究

刘彤彤

（潍坊育成安全教育培训有限公司，山东 潍坊 261000）

引言

现阶段，全球所面临的不可再生资源枯竭问题已经非常严峻，所以很多国家开始在可再生资源中探索发展空间，纤维素是生态自然中存量最丰富的天然聚合物，广泛分布在自然界中的木质植物当中。其中在非木材原料中的纤维素含量要明显高于木材原料。在生态发展理念下，纤维素开始被应用到各类材料的研发当中，其中造纸便是纤维素的主要应用方向之一，为研制出更多用于社会生产的纤维素材料，现当代学者逐渐开始加大对植物纤维素的研究力度。

1 羧甲基纤维素在造纸原料中的应用

现阶段羧甲基纤维素已经成为造纸领域内非常常见的生产材料，羧甲基纤维素在与水发生融合反应后会形成胶状的水状物质，这种物质具备较强粘性，造纸环节通过在纸浆中加入一定羧甲基纤维素能够提升纸浆的紧实性，同时经过处理后还能够将羧甲基纤维素转化成为羧甲基纤维素纳，将这种成分加入表面施胶剂中则能够使得纸张更为平滑［1］。除此之外，羧甲基纤维素还能够作为表面活性剂，因此在纸张印刷过程中能够有效促进颜料流变性，因此已经成为一类重要的造纸辅助剂。羧甲基纤维素在造纸原料中的应用价值主要表现在以下几个方面：

1.1 作为表面施胶剂。

羧甲基纤维素具备优良的成膜能力，此外对于纸张的保水效果也非常明显，所以在造纸过程中应用羧甲基纤维素，能够起到控制纸张湿度的效果，且生产出的纸张平整度与平滑度更好。除此之外，将羧甲基纤维素作为表面施胶剂还能够提升纸张的摩擦能力，并改善造纸中掉粉以及起毛等一系列问题。受到温度影响，在印刷之后纸张经常会面临翘边、卷边以及色彩不匀称等问题，这一问题显然会对纸张的实用性与美观性造成影响，而将羧甲基纤维素作为表面施胶剂并加入造纸原料中，则能够有效提升纸张的强度，并避免出现卷边等问题［2］。陈红军的研究表明，通过羧甲基纤维素能够有效提升造纸产品的质量，同时对于控制造纸成本也有一定意义，同时通过将羧甲基纤维素与改性淀粉展开对比后发现，改性淀粉无论是在积聚能力还是成膜性方面均不如羧甲基纤维素。莫立焕认为将羧甲基纤维素作为表面施胶剂的成本较高，因此试图通过在羧甲基纤维素中混合氧化淀粉的方式降低应用成本，其研究结论表明当两者比例达到1∶2 时，同样能够发挥预期作用。

1.2 作为纸机湿部助剂

将一定量羧甲基纤维素加入湿部纸料中后，羧甲基与纤维中的羟基会出现水合作用，在这种作用下纤维的键合力将会显著提升。现阶段造纸产业中主要是在原料中加入羧甲基纤维素纳，且通过羧甲基纤维素纳能够有效提升造纸材料的理化性质，这些优势主要表现为提升纸张自身的强度、确保纸张表面光滑性与平整度等等。除此之外，将羧甲基纤维素纳与聚丙烯酰胺联用后的强化效果更为明显，无论是纸张的强度还是抗撕裂能力均能够得到明显的增强。

1.3 作为保水剂

在造纸过程中通过应用羧甲基纤维素能够提升纸浆中颜料的流变效果，所以造纸涂料的保水性会更强。除此之外，羧甲基纤维素作为保水剂后还能够提升纸张的不透明性。目前很多食品生产厂家会将涂布纸作为产品包装，并会在涂布纸上印刷产品宣传广告，由于羧甲基纤维素的疏水能力较强，所以能够发挥对涂布刮刀的润滑作用，并确保涂布机正常工作。最后，羧甲基纤维素还能够影响到涂布纸的质量，如冯明仕的研究成果指出，涂料配方中羧甲基纤维素的用量与涂料网状结构的稳定性成正比关系，随着羧甲基纤维素用量的增加，涂料的触变能力与黏稠度均会增加，且保水能力将会更强［3］。

2 纳米纤维素在造纸原料中的应用

2.1 纳米纤维素的应用价值

对纳米纤维素进行改性处理后将会显著提升其应用价值，因此纳米纤维素也就成为造纸领域的主要研究方向之一，除了造纸外，纳米纤维素还被广泛应用到产品包装以及生物制药等领域。纳米纤维素具备生态价值高以及可再生等优势，将其应用到造纸生产领域，能够显著提升纸张的强度与韧性。纳米纤维来源于棉花、竹子以及树木等材料当中，且能够连同树脂材料一起使用，从质量方面来看，纳米材料要轻于钢铁材料，但是纤维材料的强度却超出钢铁数倍。除此之外纳米纤维材料还具备一定抗热与抗冲击能力，同时也能够应用到造纸设备材料研发当中。

2.2 纳米纤维素在造纸领域应用研究现状

目前很多国家和地区已经开始认识到纳米纤维素在造纸领域中的关键作用，并开始加大这种新型材料在造纸产业中的应用力度。以日本为例，目前日本已经在纳米纤维素研发中取得领先地位，并充分意识到纳米纤维素材料在造纸中的应用价值。相关研究表明，自2017 年时日本就成为全世界纳米纤维素材料的主要供给国家，通过目前发展趋势来看，在2030 年时日本纳米纤维素供应量至少能够达到50 000 吨，纳米纤维素出口额将会突破600 亿日元。从大众层面来看，虽然很多人对纳米纤维素感到陌生，但是这种材料却早已出现在大众日常生活中，如在化妆品产业中一些生产厂商会通过添加纳米纤维素的方式提升产品的细腻感。此外，由于纳米纤维素来源于植物中，因此具备明显绿色属性，且可食用特征也意味着可以将纳米纤维素添加到食品当中，而添加纳米纤维素的食品口感更佳［4］。

将纤维素纤维作为材料，经过化学处理后能够得到纳米微晶纤维素，现阶段纳米微晶纤维素多通过酸解以及硫酸水解等方式取得，而纳米纤维素纤维丝则多通过物理方法获取，由于在材料获取过程中并不会应用大量化学药剂，所以对生态环境的污染基本可以忽略不计，但是由于当前材料制作技术尚不成熟，因此在制备阶段的耗能极高，而通过纤维素酶预处理在一定程度上能够降低材料制备阶段的能耗。按照制备方式的不同，可以将纳米纤维素分为纳纤化纤维素（NFC）以及纳米微晶纤维素（NCC）等类型，通过各类纳米纤维素特性对比能够发现，纳纤化纤维素无论是在韧性、弹性还是抗冲击方面的性能均要优于纳米微晶纤维素。早在1983 年时Turbak 等人就已经成功制备出纳纤化纤维素，同时Turbak 认为可以将其应用到造纸产业当中，2008 年时Ahola 等人就纳纤化纤维素在造纸领域中的应用展开探究，同时实验研究表明纳纤化纤维素可以有效提升纸张的物理性能。除此之外，纳米微晶纤维素也存在自身优势，在造纸生产阶段通过添加纳米微晶纤维素同样可以提升纸张的强度以及抗撕裂能力，研究表明当纳米微晶纤维素的用量保持在造纸原料总量0.5%时，纸张断裂长指数至少能够提升14%，而撕裂指数则至少能够提升29%。目前很多领域的产品在生产制造环节对包装用纸的强度提出了新的要求，传统纸张强度提升方法主要有提升打浆度以及加入增强剂等等，在应用纳米纤维素之前，很多造纸企业会通过在纸浆中加入聚丙烯酰胺的方式提升纸张强度，但是这些增强剂的效果非常有限，而纳米微晶纤维素的效果则非常明显，当NCC 用量达到造纸纸浆总用量1%时，纸张抗张能力至少能够提升22%［5］。

从纳米纤维素在造纸领域的应用现状来看，虽然NFC 以及NCC 优势较多，但是由于纳米纤维素对制备工艺水平的要求较高且制备时间非常长，因此即便是现在国内仍然不具备大批量制备纳米纤维素的能力［6］。不可否认的是，由于纳米纤维素在造纸领域中的应用价值非常明显，尤其是在强化纸张撕裂指数等方面具备完全取代聚丙烯酰胺等增强剂的可能，因此在未来，关于纳米纤维素在造纸领域的研究将会更为常态化，且非常可能大规模地应用到造纸领域当中。

3 细菌纤维素在造纸原料中的应用

3.1 细菌纤维素在改善纸张性能方面的价值

在造纸领域中通过细菌纤维素可以有效强化纸张的物理性能，如增加纸张的强度、强化纸张的耐折性以及撕裂性等等。现阶段细菌纤维素已经广泛应用到造纸领域，尤其是在高档书写纸生产制造中的应用价值更高，相对于常规书写纸，应用细菌纤维素的纸张吸墨能力更强且更加均匀，且墨水在纸张内的附着能力更强。现阶段有关细菌纤维素在造纸生产环节的研究成果主要如下所示：第一，在早期研究中，修慧娟等人通过实验的方式发现，在造纸材料中加入总量占比3%的细菌纤维素后，所生产出的纸张质量更好，与常规造纸纸张相比，这些纸张的抗折能力能够提升3 倍左右，除此之外纸张的抗破损能力以及撕裂性等也得到了明显提升［7］；第二，周丹丹在实验研究中将细菌纤维素作为表面施胶剂使用，将细菌纤维素与淀粉按照一定比例配合后对纸张施胶，且研究发现施胶后的纸张强度明显增强，同时还发现细菌纤维素具备降低常规施胶剂黏性的作用，但是纸张施胶的效果却会显著提升；第三，罗先毅等人发现细菌纤维素与造纸纸张的白度存在一定关系，在研究过程中，罗先毅将3%含量的细菌纤维素加入造纸原料中并充分混合，所生产的纸张白度能够降低3%，同时纸张对油墨的吸收效率也表现出轻微下降趋势。最后，罗先毅还提到通过细菌纤维素能够有效提升造纸纸张的表面平整性以及光泽性等等；第四，徐红霞就细菌纤维素在特种纸张中的应用展开分析，研究表明通过在造纸原料中加入一定比例的细菌纤维素能够明显提升纸张的降解能力，且纸张的抗撕裂能力更强，根据这一特性，徐红霞设计出了一类应用到食品领域的降解能力较强的纸张，这种纸张不会对包装食品的质量造成影响，同时还具备一定抗水能力，在自然条件下的分解速度要明显快于常规纸张，因此可以降低食品包装纸对生态环境造成的影响［8］。

3.1 细菌纤维素在其他方向的应用

除了能够将细菌纤维素应用到纸张生产环节外，其还能够应用到造纸废水处理当中，如孙映宏通过细菌纤维素成功制备出三维网状结构产物，将其作为絮凝材料后能够应用到造纸废水处理当中，且孙映宏的研究表明这种材料对废水浊度的去除率能够达到94.6%。此外，细菌纤维素还能够应用到老旧纸张修复当中，随着时间的推移，一些纸张会出现老化情况，由于细菌纤维素的保水、吸水能力较强，所以可以将其应用到老旧纸张修复工作当中，如段大程选择细菌纤维素以及壳聚糖两种材料，将上述两种材料按照一定比例配比后使用喷壶均匀地喷洒到纸张表面，干燥后纸张抗张强度明显提升，同时这些材料并不会对纸张的平整度造成影响，所以，细菌纤维素还有望应用到老旧纸质材料修复等考古工作当中。

4 结语

综上所述，本文主要对羧甲基纤维素、纳米纤维素以及细菌纤维素在造纸领域的应用情况展开分析，这些纤维素在提升造纸纸张质量、降低造纸成本等方面发挥了重要意义。且随着中国造纸技术的革新，很多纤维素材料已经得到学者的关注，因此未来纤维素材料，必将能够成熟地应用到造纸行业当中，并在降低成本、提升效率以及提高质量等方面产生重要意义。