造纸：全球视角下的制浆与纸页成形

纸张，作为现代社会中无处不在的材料，在通讯、包装和无数其他应用中扮演着至关重要的角色。本篇博文将深入探讨复杂的造纸过程，探索原材料转变为成品的历程，并重点关注全球的多样化实践和可持续性发展。

一、纸张的本质：理解纤维素

从本质上讲，纸张是由纤维素纤维交织而成的网状物。纤维素是一种存在于植物细胞壁中的天然聚合物。这些纤维的来源显著影响最终纸张产品的特性。常见的来源包括：

• 木材：最主要的来源，取自针叶树（如松树、冷杉）和阔叶树（如橡树、桦树）。针叶树纤维通常较长，能提供强度，而阔叶树纤维则能提供平滑度和更好的印刷适性。
• 再生纸：可持续造纸的关键要素。再生纤维可以被用于各种等级的纸张中，从而减少对原生木浆的需求。
• 非木材纤维：日益重要，尤其是在木材资源有限或需要特定纸张性能的地区。例如：
• 竹子：一种快速生长的可持续替代品，在亚洲尤其受欢迎。
• 棉花：用于制造高品质纸张，如档案纸和钞票，以其强度和耐久性而闻名。
• 大麻：一种强韧且环保的选择，在特种纸市场中逐渐受到关注。
• 蔗渣：甘蔗加工后留下的纤维状残渣，在巴西和印度等国家普遍用于造纸。
• 秸秆：小麦、水稻和其他作物的秸秆也可以使用，但通常需要更复杂的处理。

二、制浆过程：从原料到纤维悬浮液

制浆过程涉及将纤维素纤维从原料中分离出来，并为纸页成形做准备。该过程通常包括几个关键步骤：

A. 预处理：准备原材料

初始步骤涉及为制浆准备原材料。这可能包括：

• 去皮（针对木材）：去除原木的外部树皮，防止杂质进入纸浆。大型去皮滚筒在全球许多造纸厂中很常见。
• 削片（针对木材）：将原木切成小而均匀的木片，以便高效制浆。
• 清洁（针对再生纸）：去除订书钉、塑料和粘合剂等污染物。
• 切碎和清洁（针对非木材纤维）：通过将非木材纤维切成小块并去除泥土和树叶等杂质来准备它们。

B. 制浆：纤维的分离

制浆是将纤维素纤维从木质素（一种将纤维粘合在一起的复杂聚合物）和原料的其他成分中分离出来的过程。主要有两种制浆方法：

1. 机械制浆

机械制浆依靠物理力量来分离纤维。它的纸浆得率很高（接近95%），意味着大部分原材料最终都变成了纸浆。然而，所得纸浆含有大量木质素，这可能导致纸张随着时间的推移而变黄和降解。常见的机械制浆方法包括：

• 磨木浆法（GWP）：将原木压在旋转的磨石上以分离纤维。此方法常用于新闻纸的生产。
• 盘磨机械浆法（RMP）：将木片送入旋转的磨盘（磨浆机）之间分离纤维。
• 热磨机械浆法（TMP）：与RMP类似，但在磨浆前对木片进行预热，这能软化木质素并减少纤维损伤。TMP生产的纸浆比GWP或RMP更强韧。
• 化学热磨机械浆法（CTMP）：在热磨机械精炼前，用化学品（如亚硫酸钠）对木片进行预处理。这能进一步软化木质素并改善纸浆质量。

2. 化学制浆

化学制浆使用化学溶液来溶解木质素并分离纤维。与机械制浆相比，此方法的纸浆得率较低（约40-50%），但所得纸浆更强韧、更洁白、更耐久。常见的化学制浆方法包括：

• 牛皮法制浆（硫酸盐法制浆）：应用最广泛的化学制浆工艺。将木片在氢氧化钠和硫化钠（白液）的溶液中蒸煮。废蒸煮液（黑液）被回收并处理以再生化学品。牛皮浆以其强度著称，广泛用于各种纸制品，包括包装纸、印刷纸和书写纸。
• 亚硫酸盐法制浆：将木片在亚硫酸和一种碱（如钙、镁、钠或铵）的溶液中蒸煮。亚硫酸盐法制浆生产的纸浆比牛皮法更白，但所得纸张通常较弱。由于与二氧化硫排放相关的环境问题，此方法不如牛皮法普遍。
• 烧碱法制浆：将木片在氢氧化钠溶液中蒸煮。此方法主要用于制备秸秆和蔗渣等非木材纤维的纸浆。

C. 洗涤与筛选：去除杂质和不良颗粒

制浆后，纸浆需要经过洗涤以去除残留的化学品、木质素和其他杂质。筛选则用于去除可能对最终纸页质量产生负面影响的过大颗粒或纤维束。通常使用旋转筛和压力筛。

D. 漂白：提高白度

漂白用于通过去除或改性残留的木质素来增加纸浆的白度。有多种漂白工艺可供选择，从含氯方法（由于环境问题正日益被淘汰）到无氯方法（如使用氧气、臭氧、过氧化氢或过氧乙酸）。

E. 打浆：纤维改性以增强性能

打浆是关键的一步，它通过改性纤维素纤维来改善其结合特性，并增强纸张的强度、平滑度和印刷适性。打浆机利用机械作用使纤维外层原纤化，增加其表面积和柔韧性。这使得纤维在纸页成形过程中能够更有效地交织在一起。

三、纸页成形：从纸浆悬浮液到纸张

纸页成形是将纸浆悬浮液转变为连续纸幅的过程。这通常通过造纸机来完成，造纸机是一种复杂的设备，执行多项关键功能：

A. 流浆箱：均匀分布纸浆悬浮液

流浆箱是纸浆悬浮液进入造纸机成形部的入口。其主要功能是在机器的整个宽度上均匀分布纸浆，并控制悬浮液流向成形网。流浆箱有多种设计，但目标都是产生均匀稳定的纸浆射流。

B. 成形部：脱水与纤维交织

成形部是纸浆悬浮液初步脱水以及纤维开始交织形成纸页的地方。有几种类型的成形部，各有其优缺点：

• 长网成形器：最常见的成形部类型。纸浆悬浮液被喷射到移动的金属丝网（成形网）上。水通过网孔排出，留下一层纤维网。使用各种元件（如案板和真空箱）来增强脱水效果。
• 双网成形器：将纸浆悬浮液注入到两个移动的金属丝网之间。水通过两个网孔排出，从而形成更对称、性能更优的纸页。双网成形器通常用于高速造纸。
• 夹网成形器：与双网成形器类似，但纸浆悬浮液被注入到两个成形网之间的狭窄间隙中。这使得超高速造纸成为可能。

C. 压榨部：进一步脱水和纸页压实

离开成形部后，纸页进入压榨部，在那里通过一系列辊筒（压榨辊）以去除更多水分并压实纤维。压榨辊对纸页施加压力，挤出水分，使纤维接触更紧密。这提高了纸页的强度、平滑度和密度。

D. 干燥部：最终脱水与纸页稳定

干燥部是造纸机中最大的部分。它由一系列加热的圆筒（烘缸）组成，纸页从中穿过。烘缸的热量蒸发掉纸页中剩余的水分，将其含水率降低到所需水平。干燥部通常被封闭在气罩内，以回收热量并控制湿度。

E. 压光部：表面整理与厚度控制

压光部由一系列辊筒组成，用于平滑纸页表面并控制其厚度。辊筒对纸页施加压力，压平纤维，改善其光泽度和印刷适性。压光也可用于赋予特定的表面光洁度，如哑光或高光。

F. 卷纸部：卷取成品纸

造纸机的最后部分是卷纸部，成品纸页在这里被卷绕在一个大卷筒上。然后，这卷纸被运送到加工部，在那里被切割成所需尺寸的卷筒或平张。

四、造纸业的可持续性：全球性的当务之急

造纸行业面临着越来越大的压力，需要采取可持续的实践来最大限度地减少其环境影响。重点关注领域包括：

• 可持续森林管理：确保以负责任的方式管理森林，采取促进生物多样性、保护水资源和防止毁林的实践。森林认证体系，如森林管理委员会（FSC）和森林认证认可计划（PEFC），为木材产品来自可持续管理的森林提供了保证。
• 再生纤维利用：增加造纸中再生纤维的使用，可以减少对原生木浆的需求并最大限度地减少浪费。许多国家已经为纸制品的再生成分设定了目标。
• 水资源保护：通过高效的水管理实践和闭路循环系统，减少造纸过程中的水消耗。水处理技术用于清洁和再利用工艺用水。
• 能源效率：通过节能设备和工艺，减少造纸过程中的能源消耗。热电联产系统可以同时产生电和热，提高能源效率。
• 减少化学品使用：最大限度地减少制浆和漂白过程中有害化学品的使用。无元素氯（ECF）和全无氯（TCF）漂白方法正变得越来越普遍。
• 废物管理：减少和回收造纸过程中产生的废物。固体废物可用作能源回收系统的燃料。
• 减少碳足迹：实施减少造纸生产中温室气体排放的战略。这包括使用可再生能源、提高能源效率和优化运输物流。

不同国家和地区已采取各种法规和倡议来促进可持续造纸。例如，欧盟的生态标签计划识别在其整个生命周期中都符合高环境标准的产品。在北美，可持续林业倡议（SFI）推广负责任的森林管理实践。

五、造纸技术的创新

造纸行业在不断发展，持续的研发工作致力于提高效率、减少环境影响和增强纸张性能。一些关键创新包括：

• 纳米纤维素：使用从木浆中提取的材料——纳米纤维素，来增强纸张的强度和其他性能。纳米纤维素还可用于其他应用，如包装和生物医学材料。
• 数字化与自动化：实施先进的自动化和控制系统，以优化造纸机操作并提高效率。这包括使用传感器、数据分析和人工智能来监控和控制造纸过程。
• 特种纸：为特定应用开发具有独特性质的新型特种纸，如用于电子产品的导电纸、用于包装的阻隔纸以及用于家具和室内设计的装饰纸。
• 用纸进行3D打印：探索将纸作为3D打印材料的可能性，为创造复杂和定制化的物体开辟了新的途径。
• 生物基涂层：为纸包装开发生物基涂层，以改善阻隔性能并减少对化石基材料的依赖。

六、全球纸张市场：趋势与展望

全球纸张市场是一个巨大且多样化的市场，不同地区的生产和消费模式存在显著差异。在像中国和印度这样的经济体增长的推动下，亚洲是最大的纸张生产和消费地区。北美和欧洲也是主要的纸张市场，但由于电子媒体使用的增加，它们在某些细分市场的消费正在下降。

全球纸张市场的主要趋势包括：

• 包装纸需求增长：受电子商务扩张和包装商品使用增加的推动。
• 印刷和书写纸需求下降：由于电子媒体和数字通信使用的增加。
• 对可持续纸制品的需求增加：受消费者环保意识增强以及企业和政府日益采纳可持续采购政策的推动。
• 需求的区域差异：新兴市场的增长速度快于发达国家。

七、结论：纸张的持久重要性

尽管数字技术兴起，纸张在现代社会中仍然是一种不可或缺的材料。从通讯和包装到卫生和特种应用，纸张在我们的日常生活中扮演着至关重要的角色。造纸过程虽然复杂，但它在不断发展，变得更高效、更可持续、更具创新性。通过理解制浆和纸页成形的复杂性，并通过拥抱可持续的实践，我们可以确保纸张在未来几代人中继续作为一种有价值且对环境负责的资源。随着技术的发展和全球市场的变化，造纸行业必须继续适应、创新并优先考虑可持续性，以在未来几年保持其相关性和竞争力。