新型造紙技術及其發展趨勢

一、 開發新型造紙技術和包裝材料的背景

 

　　2002年亞洲紙及紙板總產量已達1億噸以上，但因為人口眾多（約24億），故人均耗紙量僅為41.8公斤，其中日本為242公斤，中國33公斤，印度5.6公斤。

　　紙、板紙消費的年增長率達到3.1%，特別是亞洲和南美增長更為迅速，一方面紙漿的需求呈現低迷態勢，另一方面，再生紙在世界范圍內廣泛得以利用。從品種來看，印刷用紙和包裝用紙、板紙在紙類消費中所占的比例較高。
           
　　從全國范圍看，2003年紙及板產量超過100萬噸的省份有山東、浙江、廣東、河南、江蘇、河北、福建、湖南和四川9個省；紙及板產量合計已達3402萬噸，占全國紙及板總產量的83%。

　　2003年，我國東部地區12個省（區）市，紙及紙板產量占全國紙板產量比例的72.5%，比上年提高0.5%,；中部地區9個省（區）比例為21.8%；比上年降低0.2%；西部地區9個省（區）市比例5.7%，比上年降低0.3%，從全國各紙及紙板產量完成情況和造紙區布局變化看，生產集中度已越來越高。作為我國三大造紙產業集群地的東部地區已成為我國造紙工業的生產的主要基地。

　　造紙工業已經成為地處我國三大造紙產業集群——珠江三角洲集群、長江三角洲集群和環渤海集群的廣東、浙江、江蘇、山東等省的支柱產業，造紙產業高速發展，產能急劇膨脹。而有的省并不滿足于此，如廣東計劃建設造紙基地，產能將達到1000萬噸，廣東將控制全國產業的三分之一。對此，一些專家不無擔心：產能不斷增加，必然導致集群內有限的水、原料等資源的強熱競爭。這一點應該引起行業的足夠重視。因為種種跡象表明——資源緊缺為產業集群添堵，資源危機已迫近造紙產業集群。

　　在產業集群對我國造紙工業規模化、現代化發展起到重要作用的同時，一個不容忽視的現象也浮出水面，即形成資源緊缺的不利局面。資源危機緊迫造紙產業集群。近兩年來，由于紙業增長迅猛，而麥草原料資源有限，這使得2003年山東省內的麥草價格幾乎翻了一番，每噸高達600元以上。令企業叫苦的是，麥草質量差、水分高、而且雜質多，山東的許多企業不得不到江蘇、安徽、河南、河北鄰近省份大量購買麥草，甚至到東北購進蘆葦，從而加大了成本，影響了行業經濟效益。

　　我國森林面積僅占世界的3.9%，森林蓄積量不足世界總蓄積量的3%，森林覆蓋率為13.92%，人均森林面積和人均蓄積量都低于世界平均水平，分別排列在世界的120位和121位，森林覆蓋率排在142位。我國每年進口大量的木材及其制品，以滿足市場需要。但靠進口林產品來解決我國需求總量不足不是長久之策，一是國家經濟實力還不強大，難以每年拿出上百億外匯來進口林產品；二是國際木材市場變幻莫測，依賴進口將使我國處于極為被動的局面。

　　其次，由于部分樹種自身容易遭受病蟲害的侵襲，作為包裝材料要受到加工條件和工藝的限制，在進口貿易中成本過高。再次，大量采伐木無疑對環境造成不利的影響，同時植樹造林及其成林速度遠不能滿足市場對木的需求。因此，必須盡早開發利用其它綠色材料來替代造紙原料及木質包裝材料。值得注意的是為中國大陸發展之情況，其林紙一體化政策正落實推動，將增加森林覆蓋率，目前僅為16%（歐洲為36%），并供制漿原料，其非木材（竹、草類）2002年產量為1100萬噸，是世界之冠。該方面之造紙技術也領先全球。

　　二、造紙新技術

　　（一）香蕉樹造紙法

　　日本國家化工實驗室已發明了一種用甘蔗渣和香蕉制紙漿的方法，可取代用木漿造紙的方法。是一種造高強度紙的技術。造紙法是先將樹和其他制紙原料放在硫化鈉和氫氧化納內煮，然后放在漂白劑內漂白，產生一股很強的氣味和大量漂白廢料。新造紙法不必經過漂白這一關，而且又可用循環工序處理廢料，防止污染。這種造紙法生產成本低，最適合小規模造紙廠采用。

　　該技術的關鍵在于，將香蕉纖維處理成像棉維那樣光滑。具體方法為：剝下的香蕉皮，用制蔗糖用的壓榨機使其脫水，然后將其發酵。將一般生產棉、麻等纖維生產用的開松機進行一定的改造，就可用于香蕉纖維的紡織。這樣制成的香蕉布手感如麻，可以用于制作食品的包裝袋。

　　（二）醋菌纖維造紙法

　　用醋菌纖維作造紙原料，因其極高的纖維素純度免去了一般植物纖維質素的制漿過程。日本在造紙業中將醋菌纖維素加入紙漿，可提高紙張強度和耐用性，并解決了廢紙回收再利用后紙纖維強度下降的問題，加菌纖維于普通紙漿中可造出高品質特殊用紙，例如Ajjnomoto公司與三菱公司合作開發用于制造貨幣的特級紙，印刷質量好、抗水、強度高。加有菌纖維的高級書寫紙吸墨均勻性、附著力好。菌膠纖維機械勻漿后與各種相互不親和的有機、無機粉末和纖維材料混合制造不同形狀及用途的膜片、無紡布和紙張，十分牢固，充分利用了納米級超細纖維對物體極強的纏繞結合能力和拉伸強度。在制造過濾吸附有毒氣體的碳纖維板時，加入醋菌纖維素，可提高碳纖維的吸附容量，減少紙中填料泄漏。

　　（三）取代木材的新型材料

　　1．以秸桿為主要材料，結合高分子化工原料如PP、PVC等其他輔助材料，用現代工業設備加工成各類產品。產品與傳統原材料相比，具有高防水、防火、防蛀、防酸、表面耐擦、無化學反應、無放射性、易清洗、抗老化、不易碎、重量輕、強度高、環保適應性極佳等特點。工藝采用結皮低發泡、交聯或納米等技術。除了產品圖案色彩可用本身特有的特點從成品中一次成型外，還可采用后加工的表面式、內置式涂裝。因原材料本身的物理性能不易氧化，故涂裝的色彩不褪色、耐老化、色澤均一、不脫落、色彩豐富、麗質清新、可滿足不同品位消費層的心理需求。

　　2．草+塑膠=木

　　美國肯薩斯州一家工廠，用小麥桿、塑膠碎粒、舊報紙和少許木材，制成一種新木料，目前已代替木材，開始用來制造電線桿，將來還會用來制造鐵路枕木、甲板、欄桿和門窗。有了這種生物合成木料，便可減少砍伐樹木的數量，也可降低成本。這種木材還有一個好處，不會像普遍木材般彎曲或裂開，而且由于加入了不同顏色的塑膠，因此不同油漆。這種木材也可像普通木材般切開，做成不同形狀。

　　植物纖維與塑膠的不同比例，可制成不同種類的木材。若使用多些纖維少些塑膠，便可制成較輕的品種，而且柔軟度也較大，承受力比某些木材還要大50%至90%，使用壽命也長些，而且不會由于紫外光照射而變質；若要制造防水或室外用途的強力木材，則要多用些塑膠少用些纖維。

　　（四）納米結構表面紙

　　華中師范大學納米科技研究院（武漢）開發一種新型超疏水、自潔凈的納米結構表面紙，采用納米分散技術將有機母液分割成微米尺度的“小島”，無機納米顆粒均勻分散在“小島”中，形成了超疏水的類荷葉結構。分據有關方面介紹，這種納米紙是在普通紙的表面制備了一層納米結構的薄膜，除了具有普通紙的功能外，還具有超疏水、自潔凈、防潮、耐老化、光纖柔和、吸水性低、低伸縮率、高印刷表面強度等優異性能，而且工藝簡單，成本低廉，易于產業化。該產品屬國內首創，且其增加成本僅為普通紙成本的10%左右，因此，具有廣闊的市場前景。

　　（五）紙質罐（瓶）為包裝業注入活力

　　1．紙質罐

　　日本凸版印刷公司研制發明了一種能保持高度密封性和殺菌性的新型紙罐包裝，其食品保存能力不低于金屬罐。實踐證明，在常溫下，罐中食品至少一年內不會變質。

　　這種紙罐的主要特點是：比鐵罐、玻璃瓶輕；能進行高溫充填，由于采用了鋁箔包裝邊緣保護，降低了氧的穿透力，因而在常溫下流通保質期可達一年以上；罐身材料由紙、鋁、聚乙烯、聚酯（PET）等復合而成，確保了罐身強度，能直接以罐狀原形流通，故與傳統的圓罐一樣，可供自動銷售機使用，回收處理方便，可燒毀，無公害。目前這種包裝紙罐被用于啤酒、果汁等其他飲料的包裝，并獲得好評。該紙罐在罐側面設計成下凹狀，增加罐的強度，不會產生癟罐現象。

　　目前中國鋁易拉罐的年消耗量為60～70億只，原材料需大量進口，且價格昂貴，加上污染環境等因素，國家已不再批準新建鋁易拉罐生產線。能否找到代替鋁易拉罐的新包裝容器成為業界一直關心的問題。紙質易拉罐的誕生，克服了鋁易拉罐的種種弊端，有著廣闊的發展前景。據專家介紹，建一條鋁易拉罐生產線至少需1700萬元，而紙質罐生產線僅需200萬元；鋁易拉罐最小批量為2000萬只，紙罐的經濟批量為2萬只以上。

　　2．利用廢紙制造紙瓶

　　日本花王公司日前研究出新的紙瓶，可以用金屬瓶蓋封口，這日目前的紙盒做不到的。該公司稱，利用這種新技術，可制出各式各樣形狀的紙瓶。這種全新的紙瓶由三層物料制成，中間一層是紙漿，底和面則由另一種質地的紙履蓋。

　　“廢紙瓶的硬度與塑料瓶沒有分別，分別只在于材料不同。紙瓶在日后有可能完全取代塑料瓶。”廢紙瓶的成本不會比塑料瓶高，不過廢紙瓶還要經過一段時間，才會正式推向市場。

　　（六）紙鋼

　　紙鋼是當代高科技的最新成果，它是用極細的金屬絲和纖維混在紙漿中，用造紙法制成的特殊材料，所以又叫金屬纖維紙。和紙一樣薄，可是強度卻與鋼材相當。紙鋼可制成板材，亦可沖壓軋制成槽型、波型和各種異形材。

　　紙鋼一經問世，就顯示出強大的生命力和廣闊的前景。國外已用它制造汽車、火車的車廂，以及飛機機身的內壁材料。用紙鋼造的輕便房屋，可以裝拼運輸，適宜作臨時性的工場、課堂和野營房用。更妙的是，美國已用紙鋼架成一座紙橋，跨度達15m，橋面寬約3m，連小型拖拉機和2.5t重的吉普車都能通過，而且可以隨拆隨裝。造一座橋的紙鋼材料，用一輛解放牌汽車就可以全部運走。還可以做臺布、窗簾、被單等，或者沖壓成碗、盆、盒子，以及代替木材做斗櫥、衣櫥、箱子、家具。凡塑料制品，都可以用紙鋼來替代，其強度比塑料高，并且不會老化。

　　三、紙包裝新秀

　　（一）新奇發熱紙

　　日本的科學家研制出一種新奇的紙，通上電就熱。原來這種紙兩頭兒有電極，只要把12伏直流電源跟紙兩頭兒的電極接通，紙的表面溫度馬上就可達80攝氏度左右。

　　這種紙是不會燃燒的，因它是用玻璃纖維和碳纖任維制成的。發熱紙的寬度大約150厘米，長度任意，厚度在一毫米以下，它可像普通紙那樣折疊、卷起來或者裁剪。

　　在這種新奇的紙貼在墻上，就可當暖氣使用。貼在屋頂上，可把雪溶化掉，它也可當暖爐使用。用這種紙包裝食物，通上直流電，一會兒食物就熱了。

　　（二）磁性防偽紙
　
　　首先用印刷凸版制版法在桶形鋼板上制備所需要之圖案，并將非圖案部分刻蝕穿透，太大的空隙應加上非磁材料的柵欄。桶內加上許多磁極，磁化成磁極圖案，在桶外覆蓋造紙抄造絲網。磁極可用永久磁極或用穩壓直流電磁極。然后在紙漿中混入適量的磁性材料粉末，當紙漿和磁性粉末沉積在抄絲網上的時候，磁性材料粉末就按磁極圖案的形狀，植入磁性防偽紙中。

　　（三）會發光的紙

　　蘇格蘭內皮爾大學的雅諾計·豪伊托教授發明了一種由特殊顏料制成的能發光的紙，這種顏料由塑料纖維合成，可以在黑暗中發出亮光。雅諾申末教授花了5年時間做這一發明，他正考慮將該項技術慶用到無需電源的電視圖像的生產上。現在需要等待的是某個出版商用這種紙印刷一本書刊，那將是一本漂亮、光彩照人而且安全的書。

　　（四）在紙上看電影
　
　　最近一期《自然》雜志披露，荷蘭的菲利普斯科研小組的海伊斯和芬斯特拉研制出了一種特殊的紙張。其新穎之處在于它利用了水電解的化學變化過程。在這種電子紙張上，像素的轉換速度在10毫秒以下——在這種速度下，圖像和文字兼容。另外，它的重量僅是目前最輕薄的液晶顯示屏的1/4。這樣，在紙上看電影的夢想就能實現了。

　　（五）千年不變質的紙張新品

　　日本王子制紙公司開發出一種高級紙，能夠保存1000年之久而不老化變質。含有殘留木質素的普通紙極易受到酸性氣體的腐蝕而老化，優質紙在數十年之后也會老化變質。王子制紙公司使用一種特殊的藥品，對紙漿進行兩次漂白，大大減少了木質素的殘留量，從而防止了紙張的老化，并且提高了紙的潔白程度。用它書寫與印刷學術論文、年鑒、辭典等，基本上能夠保存上千年而不老化褪色或泛黃。

　　五、造紙技術的發展趨勢

　　（一）解決造紙原料的途徑

　　對紙漿生產行業而言，資源是最為關鍵的問題。在日本生長的木材，砍伐樹齡一般為50～60年（如杉樹、檜樹和落葉松等），最快也得30年。針對木材短缺的現狀，日本業界多采取在氣象條件較好的外國生產木材（植樹）的方式，成功地將上述時間縮短至5～12年。我國北方地區實施“大規模發展速生楊，實行林漿紙一體化”的中長期發展規劃，已建設了一批速生楊造紙林基地，南方地區則以馬尾林，桉樹等速生樹種為主。

　　（二）淘汰機制緩解原料緊缺壓力

　　專家認為，要使產業集群健康發展，必須用好兩大淘汰機制，一是市場自然淘汰機制，二是政府政策干預形成的淘汰機制。2003年，我國的造紙工業遇到了纖維原料、煤、油供求關系緊張和原料大幅度漲價的打擊，生產成本急劇上升，產品銷售價提升艱難，利潤空間減少，市場自然而然地啟動了優勝劣汰的機制，在強手如林的紙業集群內，小型造紙廠自然成了犧牲者。

　　除了市場行為，政府有關部門出臺環保等政策也在加大對小型造紙廠的淘汰力度。近幾年，為解決原料結構性污染問題，山東省先后關閉了40余家麥草制漿的生產線。

　　（三）產業布局要納入生態循環經濟

　　為解決造紙產業集群帶來的資源緊缺問題，專家認為，有關部門在審批大型造紙項目時，必須結合當地實際，對原料和水做充分的考慮；另一方面，行業要做好原料的“生態”循環使用。

　　紙業專家郭水新說，近年來，國外紙業發達國家走的是“生態循環”使用原料之路。所謂的循環使用，是指林紙結合的大循環和廢紙回收利用的小循環兩種，這兩種循環使用的完整鏈條，保證了紙業可持續發展。

　　過去，我們沒有原料循環使用的概念，現在我們有了這種意識。從《2003年中國造紙年度報告》中不難看出中國紙業無論是國產廢紙，還是進口廢紙的用量，都在提高。但這僅僅停留在小循環上，客觀地講，目前，中國紙業在原料使用上，大循環只停留在理念上。因為中國的第一撥紙林還沒砍，況且育林面積還很小，不能滿足造紙工業的需要。

　　目前，中國紙業必須走原料循環使用的路子，這是紙業可持續發展的保障。這需要行業做更多的努力，把大循環理念落到實處。

　　（四）制漿、漂白、抄紙技術

　　20世紀80年代，日本的紙漿產業獲得了長足的進步，與此同時，在環保方面引進了中濃度脫氧木質處理系統，處理廢水排放問題。

　　90年代初，北歐的纖維生產全部轉向不加氯的ECF漂白，和不用氯系列藥劑的TCF漂白。再后來又出現臭氧漂白，并為此開發了高性能的臭氧專用AMZ攪拌器。臭氧漂白與ECF漂白相比，無論在降低成本，還是在紙漿品質的提高，以及環境的改善上，效果都更理想。現在，有許多的TCF漂白裝置都已經被用作“臭氧ECF裝置”。

　　到目前為止，印刷用紙、包裝用紙和紙巾等的消費雖保持增長趨勢；但印刷用紙伴隨電子媒體，包裝材料伴隨聚合材料制品的出現，市場空間正面臨一些變化，為確保市場份額，造紙行業必須在降低成本和提高品質方面多做文章，還必須引進新的技術，以減少各種原材料，比如纖維，微細纖維、填充材料、化學藥品等的使用量。

　　（五）未來電子紙將引領消費潮流

　　與節約紙張相比，電子紙的最大特點是可以輕松攜帶和瀏覽大量內容。

　　所謂電子紙，是對“像紙一樣薄、可擦寫的顯示器”的統稱。電子紙具有很多優點，比如對比度較高、文字清晰、耗電量極小（液晶顯示器的1/10～1/100左右），制造成本也較低等，在能夠輕輕彎曲這一點上也具有與紙張極其相似的特點。

　　另外，電子紙還具有另一大特點——“即使切斷電源，文字也不會消失”，也就是說，一旦寫上內容后，其顯示內容即使在斷電后也可以照樣顯示。

　　盡管至今實用化的電子紙張還沒有投產，但是目前在積極推進研究開發，其中也有開始進行批量生產零部件的公司。

　　據目前發表的資料，首款電子紙具有單色、2色階，160~200像素/英寸左右的表現力，預計起步階段將主要用來存儲顯示袖珍本及單行本等的文字內容。今后，作為數字化信息的表現手段，數字化紙張的開發將日益進步，而如何給人以適度刺激、幫助其形成記憶是設計開發中必須重視的內容。

　　（六）造紙基因樹

　　1．轉基因樹

　　森林是世界上最大的自然資源之一，但它的培育期長。用生物技術可以加速育種。科學家已育成一種轉基因樹，這種樹比普通樹木長得快。

　　用木材造紙的難度在于從木漿里剔除木質素——一種使木質堅硬的強聚合物。這個過程需要使用一些劇毒化學藥品和消耗大量能源。但是，由密歇根理工大學林學院的文森特·章教授領導的一個研究小組已育成一種轉基因樹，它含有的木質素比普通的樹木減少45%。

　　最近，美國威斯康星大學的園藝學家戴維·D·埃里斯成功地把外來基因注入到白云杉的胚胎里。許多經過基因改造的胚胎現在長成了籽生植物，并迅速生長到三四英寸。

　　看起來我們正接近對樹木和叢林進行基因改造以加快它們生長速度的邊緣。研究人員早已開始推進針葉樹和松樹的生長。一旦這些舉措得到完善，那么，我們的工廠將獲得無窮無盡的為生產程序所必需的給料供應。

　　2．超級樹

　　為了適應不斷增長的木材和紙張需求，聯合園區公司（Union CampCorporation）和韋斯威寇（Wesvaco）等一些企業的科學家們開始研究開發“超級樹”。這種樹的實驗室培養樣本10年可長100英尺寸（合30.48米），且能抵抗疾病，產材也更多。通過選擇育種，這種超級樹會被培植得像棍子一樣，沒有多余的枝葉。遺傳學是解開樹木生長速度奧秘的鑰匙，樹木科學家們正在搶著去發現這一潛在生財之道的正確“秘方”。這種短周期的樹木生產將會降低所有木制品的成本。