特种纸用植物纤维原料

摘要

随着中国经济的发展和人们消费水平的提高，特种纸需求量不断增加。然而特种纸产业原料短缺，严重影响其稳定健康发展。基于“林浆纸一体化”模式及因地制宜策略，利用我国丰富的非木材纤维原料，大力发展原生浆，有望实现特种纸原料及产品的自主可控。本文综述了不同植物纤维原料特性、制浆方法及其适宜生产的特种纸纸种，以期对特种纸原料的选择提供参考。

关键词

特种纸; 植物纤维; 原生浆; 林浆纸一体化

在全球经济贸易受限和“双碳”目标背景下，我国造纸业正处于从高速发展向高质量发展转变的历史性节点。《造纸行业“十四五”及中长期高质量发展纲要》提到要优化企业结构，引导中小型造纸企业向专、精、特、新方向发展。作为造纸行业的高技术产品，特种纸已发展成为建材、电气及军工等高精尖领域的重要配套材料^[1]。

近年来，随着我国经济的发展和人们消费水平的提高，特种纸需求量不断增加。我国特种纸人均消费量约5 kg/a，北美人均消费量在10 kg/a左右。然而，我国绝大多数特种纸企业使用的原生浆为外购浆，纤维原料成本占总成本的50%以上^[2]，因此，浆料价格变动直接影响企业的生产经营^[3]。此外，外购浆价格高，使得我国生产的特种纸成本较高。由此可见，纸浆原料供应是影响我国特种纸产业稳定健康发展且亟待解决的重要问题^[4-5]。

我国森林资源匮乏，造纸工业的国产纸浆中木浆占比不足10%^[6-7]。在“禁塑令”和“禁废令”政策下，我国造纸业纸浆原料供应缺口达5000万t以上^[8-9]。植物纤维作为特种纸重要原料之一，其种类、数量与质量，直接影响特种纸的生产工艺、规模、质量及经济效益等^[10-12]。采用“林浆纸一体化”模式，自主生产原生浆及合理利用非木材纤维原料，将有望缓解原料短缺问题，增加纸浆材料供应量，提高特种纸生产稳定性及利润^[13-16]。本文综述了不同植物纤维原料特性、制浆方法及其适宜生产的特种纸纸种，以期对特种纸企业原料的选择提供一定帮助。

1 木材纤维原料

木材纤维原料包括针叶木纤维原料和阔叶木纤维原料^[17-18]。针叶木纤维较长，经处理可提高纤维间结合面积及强度，使抄造的纸张撕裂度和耐折度较高。此外，针叶木纤维含有较少的杂细胞，滤水性能较好，常见的针叶材包括马尾松、落叶松、红松、樟子松及云南松等。针叶木纤维可用来配抄食品包装纸、医用包装纸、装饰原纸等多种特种纸^[19]。阔叶木纤维较短，可与针叶木纤维混抄赋予纸张较好的匀度。此外，细小纤维可提高纸张的平滑度、不透明度等表面和光学特性^[20]。阔叶木木质素较少，具有易蒸煮、易漂白、易打浆等特点，同时含有较低的灰分，尤其是硅含量较低，蒸煮黑液较易处理。常见的阔叶木包括桉木、桦木和杨木等。木材纤维原料制浆具有较高的得率，且杂质少、易洗涤，滤水和抄造性能好。所抄纸张强度大，且具有较高的白度，适于生产各种特种纸产品^[18]。杨延昭^[21]将针叶木浆和阔叶木浆以6∶4（质量比）配比抄造装饰原纸，并采用自制的醚化酶化淀粉对其进行表面施胶，所制备的装饰原纸干、湿抗张强度分别为36.55和20.03 N·m/g。

2 非木材纤维原料

2.1　草类纤维原料

作为农业大国，我国拥有丰富的草类纤维原料，可用来造纸的草类原料有竹子、蔗渣、芦苇、稻草、麦草、玉米或高粱秆、龙须草及巨菌草等。

竹子具有生长速度快、单次产量高及容易繁殖等特性，是仅次于木材纤维的造纸原料^[17]。竹纤维平均长度一般在1.1~2.1 mm，比阔叶木纤维长，介于针叶木纤维和草类纤维之间；纤维平均直径15 μm左右，纤维长宽比大。竹纤维具有较高的纤维素含量（40%~50%），木质素含量较低，接近阔叶木，灰分含量比其他草类纤维低。竹子制浆所得纸浆性能介于阔叶木浆和针叶木浆之间，可部分替代针叶木浆使用，造纸性能优良^[22-23]。我国拥有世界上最丰富的竹类资源，其中毛竹的种植面积最大^[24]。但毛竹主要用于竹材制品的生产，且近年来该生产不景气，大量毛竹未被及时砍伐，造成浪费。目前用竹浆配抄或单独抄纸的特种纸品种有无碳复写纸、薄页纸、编织纸、热转印原纸及卷烟用纸等^[25]。此外，由于竹浆挺度大，其在纸张轻量化方面具有较大的应用价值。王云丰^[26]采用60%的针叶木机械浆与40%的竹浆配抄薄页纸，由于针叶木机械浆纤维直径较大，以及竹浆的纤维壁较厚，所抄薄页纸具有较高的厚度（75 μm）、抗张强度（2.12 kN/m）、不透明度（59.0%）和挺度（3.96 mN，20 m弯矩）。

蔗渣是我国重要的造纸原料之一。广西地区蔗渣资源丰富，近年来广西大力发展蔗渣造纸，蔗渣浆产量逐年增加^[27]。蔗渣纤维平均长度为1.0~2.3 mm，纤维平均宽度约20 μm。采用蔗渣浆抄造的纸张一般具有较好的平滑度、柔软度及较低的不透明度，其强度与阔叶木浆生产的纸张相当或稍低。蔗渣浆可用于生产薄页纸和食品包装纸等特种纸。

芦苇是一年生草本植物，在我国北部地区大量生长^[28]。芦苇含有较高的纤维素，纤维平均长度约1.28 mm，平均宽度5.9~13.4 μm。可用80%的芦苇浆与长纤维木浆以最佳车速混合抄配中高档纸^[29]。

稻草资源主要分布在我国黑龙江、长江流域及其以南的地方。稻草中SiO₂含量高，收集和储存成本高。但由于其分布集中、蓄积量大、价廉和易于处理，是木材短缺地区的首选替代纤维来源^[30]。稻草是一种纤维较短的草类纤维原料，纤维平均长度约0.92 mm，宽度仅8~10 μm，杂细胞较多^[31]。跟其他纤维原料相比，稻草纤维含有较低的纤维素、木质素及较高的灰分含量^[29]。Chollakup等人^[32]将氧化淀粉和龙眼皮中提取的多酚化合物（鞣花单宁、没食子酸等）混合涂布在稻草浆抄造的纸张上，成功制备了厚度为0.34 mm、抗张指数为32.26 N·m/g的抗菌包装纸。

小麦在我国种植面积大、产量高。麦草纤维平均长度约1.32 mm，纤维平均宽度约15 μm，其平均长度、纤维匀度及细度均比其他农产秸秆好^[33]。可采用干湿结合法备料、连续蒸煮、中浓筛选、多段连续漂白工艺生产麦草浆。漂白后的浆料，滤水和抄造性能均有所提高。麦草浆与不同比例的木浆组合，可用于抄造离型原纸和玻璃纸等^[29]。慈元钊等人^[34]以50%的漂白针叶木浆和50%的漂白麦草浆配抄得到撕裂度和白度分别为25 kN/m和85%的离型原纸，其质量达到了国家A级标准。

玉米是全球第一大粮食作物，2018年我国玉米产量约2.6亿t，东北地区玉米产量约9000万t，占34.6%。按粮秆比1∶1.2计算，东北地区玉米秸秆产生量为1.08亿t^[24]。玉米秸秆被认为是很好的特种纸原料来源，其在物理结构上与蔗渣相似，纤维平均长度1.08 mm左右，纤维平均宽度18 μm左右，其长宽比介于其他木材纤维原料和三倍体毛白杨之间，且长短均整，纤维之间结合力大，成纸强度好^[24]。玉米秸秆皮含有较高的纤维素含量及较低的木质素含量，制浆得率高、蒸煮时消耗的化学药品少。纯玉米秸秆浆抄配的纸张透明度较高，纸张较脆，可以与部分棉浆或木浆配抄^[35]。

龙须草纤维细而长，处于针叶木纤维与阔叶木纤维之间。该纤维具有较好的强度和韧性，较高的纤维素含量（高达56.78%）和较低的木质素含量（与草本植物相比）。龙须草在蒸煮过程中木质素容易溶出，用碱量少，容易漂白，纤维经打浆后具有较好的分丝帚化效果^[36]。采用龙须草浆抄造的纸张具有较均匀细腻的表面、良好的弹性和较强的抗张强度。但龙须草纤维细胞壁较厚，纤维比较刚硬，易发生脆裂，可通过混入一定量的棉浆、木浆或麻浆加以改善^[37]。龙须草浆主要用于薄页纸和复写原纸的生产，目前市售书画纸已经大量掺用甚至全部使用龙须草浆^[38]。罗磊等人^[39]在漂白竹浆中掺入30%的漂白龙须草浆混合配抄书画纸，该书画纸的撕裂指数、耐折次数和白度分别为16.2 mN·m²/g、8.12次和68.62%，其性能与市场上的书画纸相当。

巨菌草是优质饲料，同时也是值得制浆造纸行业高度关注的纤维原料资源^[24]。巨菌草种植范围广，已被我国福建地区成功引种^[40]。巨菌草纤维平均长度0.91 mm左右，纤维平均宽度23.1 μm左右，长宽比值高于普通草类植物，纤维交织能力良好，是优异的制浆造纸原料^[40]。主要草类纤维原料纤维形态及适宜生产的特种纸纸种总结见表1。

表 1  主要草类纤维原料纤维形态及适宜生产的特种纸纸种

Table 1  Fiber morphology and suitable production type of specialty paper of main grass fiber raw materials

草类纤维原料	纤维平均长度/mm	纤维平均宽度/μm	适宜生产的特种纸纸种
竹子	1.1~2.1	15	无碳复写纸、薄页纸、编织纸、热转印原纸及卷烟用纸
蔗渣	1.0~2.3	20	薄页纸和食品包装纸
麦草	1.32	15	离型原纸和玻璃纸
龙须草			薄页纸、复写原纸和书画纸

2.2　韧皮纤维原料

韧皮纤维材料通常是指韧皮部高度发达的材料。这种材料包括2类，一类是树皮，皮质中含有丰富的纤维，如桑树皮、棕褐色皮、皮结构、棉秆皮等，在制浆造纸中具有重要的应用价值；另一种是麻，包括红麻、黄麻、大麻、亚麻等。黄麻、大麻、马尼拉麻、亚麻和剑麻生产的纸浆^[2]，由于其纤维特别长，并且α-纤维素含量高，相应的戊糖含量低，因此，要求长时间打浆（3~8 h）^[41]。这些纸浆在高浓下进行精浆，获得足够的强度性能，从而可生产各种高价特种纸，如茶叶袋纸、滤纸、证券纸、电解电容器纸、复写纸和卷烟用纸等^[29, 41]。

大麻纤维长度15~25 mm，宽度15~25 μm，长宽比约909。用大麻生产的碱性过氧化物机械浆（APMP）撕裂指数较高，可用于配抄薄页纸等，也可替代碱性过氧化氢机械浆（APMP）和漂白硫酸盐针叶木浆（NBKP）配抄各类纸张，减少木浆用量^[42]。此外，大麻浆还可用于配抄档案纸、证券纸、绝缘纸、防油纸、咖啡滤纸、茶包、手工纸、圣经纸和各种专业艺术纸等特种纸。

亚麻纤维较长，平均长度20 mm，其中最长的纤维长度可达47 mm。此外，亚麻纤维外壁光滑，胞腔微小，两端渐尖，管壁凹坑极少，横向结明显。亚麻纤维具有纤维素含量高、木质素含量低的优点，在化学制浆过程中化学品用量低、制浆过程温和、制浆得率高、强度好，可以和部分木浆或棉浆生产卷烟用纸、钞票纸、圣经纸和证券纸^[35]。刘秋莺^[43]在大麻浆中掺入60%的废亚麻浆混合抄造卷烟用纸，其纸张的抗张强度和透气度分别为1.06 kN/m和3.77 μm/Pa·s，达到A级品卷烟纸的质量标准。

红麻皮结构疏松，有利于制浆，能耗低、化学品用量少。红麻纤维中含有约65.7%的纤维素和21.6%的木质素。红麻韧皮部纤维长度2.6~2.9 mm，宽度17~19 μm；木质部纤维长度0.7~0.8 mm，宽度20~25 μm。然而，壁厚和管腔比（1.73）较大的特性会对制浆和打浆造成负面影响^[35]。添加不同比例的红麻浆可以配抄薄页纸、卷烟用纸和其他低定量特种纸。

黄麻纤维平均长度和宽度分别为2.5 mm和20 μm，具有光滑的纤维表面、不均匀的细胞壁厚度及较高的木质素含量，可以生产卷烟用纸、标签纸和茶叶滤纸。Nong等人^[44]采用NaOH/尿素/ZnO溶液对黄麻纤维进行改性，并成功制备茶叶滤纸。所得茶叶滤纸干、湿抗张强度和透气度分别为0.76 kN/m、0.12 kN/m和2283 μm/Pa·s，其物理性能均高于国家标准（GB/T 25436—2010）。

剑麻属于单子叶龙舌兰科，是热带多年生草本植物，在我国台湾、广东及广西等地种植较广泛。剑麻纤维长度0.8~8 mm，宽度8~41 μm，长宽比约165，综纤维素含量59.78%，聚戊糖含量18.52%，木质素含量7.7%^[45]。剑麻浆作为一种长纤维浆，在成本和质量上可媲美针叶木浆^[46]。剑麻浆撕裂度、透气度、耐折度、松厚度及湿抗张强度高，且吸收性能好，可用来生产电解电容器纸、证券纸、复写纸、钞票纸及卷烟用纸等^[45]。

蕉麻又名马尼拉麻，在菲律宾、印尼及中美洲等众多国家均有种植。蕉麻纤维具有细长、坚韧和质轻的特性，可抗挠曲、抗海水腐蚀及抗霉，强度和伸长率好。蕉麻浆可与部分棉浆或木浆配抄电解电容器纸、茶叶滤纸、钞票纸、证券纸和肠衣纸。

胡麻秆制成的麻浆可供特种纸使用，麻纤维细长、弹性好、壁腔比大，是优质高档纸和特种纸的好原料^[47]。胡麻秆浆也可作配抄长纤维使用，是生产壁纸的优良原料。

光叶楮属桑科、构树属，是多年生阔叶乔木。构树生命力强，耐干涝，是我国常见的野生植物^[29, 41]。构树皮纤维柔韧、细长、强度大，纤维平均长度为10.89 mm，纤维长宽比535，为一般针叶木纤维长宽比的6~10倍，有助于纤维相互交织，从而提高纸张强度等指标。构皮纤维具有较好的化学稳定性、柔软度、光泽度、丝滑度和吸湿性，其织物有较好的耐腐蚀性和使用舒适性^[48]，可生产书画纸、圣经纸和高档茶叶包装纸^[49]。桑枝与光叶楮非常相似，可用于生产相同特种纸产品，且桑枝作为农副产品，资源丰富^[29, 41]。

我国棉秆产量大，产地较集中，价格较低。棉秆皮纤维较长，纤维平均长度为0.6~0.8 mm，纤维平均宽度为20~30 μm，纤维细胞壁薄，壁腔比小，纤维柔软。纯净的棉秆皮可以生产浸渍绝缘纸和食品卡纸等产品^[47]。主要韧皮纤维原料的纤维形态及适宜生产的特种纸纸种总结见表2。

表2  主要韧皮纤维原料纤维形态及适宜生产的特种纸纸种

Table 2  Fiber morphology and suitable production type of specialty paper of main bast fiber raw materials

韧皮纤维原料	纤维平均长度/mm	纤维平均宽度/μm	适宜生产的特种纸纸种
大麻	20	22	薄页纸、档案纸、证券纸、绝缘纸、防油纸、咖啡滤纸、茶包、手工纸、圣经纸和各种专业艺术纸
亚麻	20		卷烟用纸、钞票纸、圣经纸和证券纸
红麻	2.6~2.9	17~19	薄页纸、卷烟用纸和其他低定量特种纸
黄麻	2.5	20	烟卷用纸、标签纸和茶叶滤纸
剑麻	3.3	20	电解电容器纸、证券纸、复写纸、钞票纸及卷烟用纸
蕉麻			电解电容器纸、茶叶滤纸、钞票纸、证券纸和肠衣纸
胡麻			壁纸
构树皮	10.89		书画纸、圣经纸和高档茶叶包装纸
棉秆	0.6~0.8	20~30	浸渍绝缘纸和食品卡纸

2.3　种毛纤维原料

种毛纤维类如棉花等，强度好、韧性高、亲水性好、耐磨性好，其纤维平均长度为25 mm、纤维素含量高达95%，是自然界中纤维素含量最高的纤维，具有较好的交织性能^[2, 38]。皮棉纤维及棉短绒生产的纸浆主要用来生产证券纸、钞票纸、银行用纸、航空信纸、制图纸、电解电容器纸和其他具有耐久性和高强度的特种纸^[29, 41, 50]。

3 结语与展望

特种纸产业发展是推动我国造纸行业高质量发展的重要支撑。植物纤维作为特种纸重要的原料来源，根据其纤维特性，采取合适的制浆方法，或与其他纤维原料配抄，可生产出满足质量要求的特种纸。然而我国特种纸原材料短缺，严重影响了产业稳定、健康发展。解决原料的主要出路是探索适合我国国情的新模式。基于“林浆纸一体化”的理念，发展造纸原料林种植的规模化经营，大力生产原生浆，实现原料的自主可控，可有效提高特种纸产品质量，降低生产成本。另一方面，因地制宜、合理利用我国丰富的芦苇、麦草、稻草、毛竹、蔗渣等非木材资源和农林废弃物，可满足部分特种纸生产的原料需求，对解决特种纸原料短缺的问题具有重要意义。此外，深入研究分析我国丰富植物纤维原料特性，建立特种纸植物纤维原料数据库，将有利于我国特种纸产业发展。