水份纸浆(高性能纸材料在高级纸浆、微晶纤维素、纤维素衍生物应用产业情况)

Posted 2023-05-30

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水份纸浆(高性能纸材料在高级纸浆、微晶纤维素、纤维素衍生物应用产业情况)

木材经过化学处理、机械法加工提取得到有机絮状纤维物质，可进行造纸、纤维素及多种纤维素衍生物的制造，是现代工业最为重要的原材料之一。

高级纸浆应用产业情况

纸浆是以植物纤维为原料，经不同加工方法制得的纤维状物质，是造纸工业的主要原材料。根据原材料的来源可划分为木浆、废纸浆和非木浆。

图1 纸浆产业链

1.木浆

根据加工工艺的不同，木浆可分为机械木浆、硫酸盐木浆、亚硫酸盐木浆等。

（1）机械木浆

机械木浆亦称磨木浆，是利用机械方法磨解纤维原料制成的纸浆。它在造纸工业中占有重要的地位。它的生产成本低、生产过程简单、成纸的吸墨性强、不透明度高、纸张软而平滑，适宜印刷上的要求。但由于纤维短，非纤维素组份含量高，所以成纸强度低。另外由于木材中的木素和其他非纤维素绝大部分未被除去，用其生产的纸张易变黄发脆，不能长期保存。

机械木浆通常指白色机械木浆和褐色机械木浆两种。白色机械木浆主要用于生产新闻纸，也可配入其他纸浆中抄制书写纸和印刷纸；褐色机械木浆多用于生产包装纸和纸板，特别是工业用纸板。

（2）硫酸盐木浆

硫酸盐木浆是采用氢氧化钠和硫化钠混合液为蒸煮剂。在蒸煮过程中，因为药液作用比较和缓，纤维未受强烈侵蚀，故强韧有力，所制成的纸，其耐折、耐破和撕裂强度极好。它一般可分为漂白和未漂两种。未漂硫酸盐木浆可供制造牛皮纸、纸袋纸、牛皮箱板纸及一般的包装纸和纸板等。漂白硫酸盐木浆可供制造高级印刷纸、画报纸、胶版纸和书写纸等。

（3）亚硫酸盐木浆

亚硫酸盐木浆是以亚硫酸和酸性亚硫酸盐的混合液为蒸煮剂。该浆的纤维较长、性质柔软、韧性好、强度大、容易漂白，并有极好的交织能力。依其精制程度可分为未漂、半漂和漂白三种。未漂浆因含少量木素和有色杂质，所以呈黄色，纤维也较硬，多用于抄造中等印刷纸、薄包装纸以及半透明纸和防油纸。半漂浆中含有大量的多缩戊糖，因此抄造透明的描图纸和仿羊皮纸等。漂白浆的纤维洁白，质地纯洁而柔软，但由于经过漂白处理，纤维强度低于未漂浆。此种浆多用以抄造各种高级纸。

2.废纸纸浆

废纸纸浆系利用使用过的废纸或印刷厂裁切下的纸边为原料，经过机械力量搅拌并经漂白或脱墨处理而制成的。

废纸纸浆的纤维强度和性能，是废纸所用的纸浆种类决定的。但是由于纤维再次遭受药液侵蚀，或受机械力的损伤，所以较原来纤维性质为差。根据废纸纸浆原废纸的质量高低，分别用于抄造印刷纸、书写纸、纸板及较低档的纸张。

3.非木浆

非木浆主要分三类：禾科纤维原料浆（如稻草、麦草、芦苇、竹、甘蔗渣等）、韧皮纤维原料浆（如大麻、红麻、亚麻、桑皮、棉杆皮等）、种毛纤维原料浆（如棉纤维等）。

根据中国造纸协会发布的《中国造纸工业2019年度报告》，2019年全国纸浆生产总量7207万吨，较上年增长0.08％。其中：木浆1268万吨，较上年增长10.55％；废纸浆5351万吨，较上年增长-1.71％；非木浆588万吨，较上年增长-3.61％。

2010~2019年纸浆生产情况（单位：万吨）

品种\\年度		2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019
纸浆合计		7318	7723	7867	7651	7906	7984	7925	7949	7201	7207
1.木浆		716	823	810	882	962	966	1005	1050	1147	1268
2.废纸浆		5305	5660	5983	5940	6189	6338	6329	6302	5444	5351
3.非木浆		1297	1240	1074	829	755	680	591	597	610	588
	苇浆	156	158	143	126	113	100	68	69	49	51
	蔗渣浆	117	121	90	97	111	96	90	86	90	70
	竹浆	194	192	175	137	154	143	157	165	191	209
	稻麦草浆	719	660	592	401	336	303	244	246	250	222
	其他浆	111	109	74	68	41	38	32	31	30	36

*中国造纸协会《中国造纸工业2019年度报告》

2019年全国纸浆消耗总量9609万吨，较上年增长2.36％。木浆3581万吨，占纸浆消耗总量37％，其中进口木浆占24％、国产木浆占13％；废纸浆5443万吨，占纸浆消耗总量57％，其中用进口废纸制浆占10％、用国内废纸制浆占46％；非木浆585万吨，占纸浆消耗总量6％。

2010~2019年纸浆消耗情况（单位：万吨）

品种		2018年	占比例（%）	2019年	占比例（%）	同比（%）
总量		9387	100	9609	100	2.36
1.木浆		3303	35	3581	37	8.42
进口木浆		2166	23	2317	24	6.97
国产木浆		1137	12	1264	13	11.17
2.废纸浆		5474	58	5443	57	-0.57
进口废纸浆		30	-	92	1	206.67
国产废纸浆		5444	58	5351	56	-1.71
其中	进口废纸制浆	1457	16	930	10	-36.17
其中	国内废纸制浆	3987	42	4421	46	10.89
3.非木浆		610	7	585	6	-4.10

*中国造纸协会《中国造纸工业2019年度报告》

目前国际上交易的商品纸浆，基本以针、阔叶木漂白硫酸盐浆为主。我国纸浆市场常见针叶木漂白硫酸盐浆进口品牌主要来自于加拿大、美国、智利、俄罗斯和芬兰，2017年从上述5个国家进口量合计占漂针浆进口总量约93%，其中，加拿大进口量占进口总量约31.3%。我国纸浆市场上漂白硫酸盐阔叶木浆主要进口国家为印度尼西亚、巴西、智利和俄罗斯等国。

国内进口漂针浆、漂阔浆主要产品及产地

浆种	品牌	产地
漂针浆	北木、虹鱼、凯利普、月亮、好声、马牌、狮牌	加拿大
	乌针、布针	俄罗斯
	银星、太平洋	智利
	芬欧、千湖、芬宝	芬兰
	IP、阿拉巴马	美国
漂阔浆	鹰牌、小叶相思	印度尼西亚
	漂针浆	巴西
	明星	智利
	布阔、乌阔	俄罗斯

微晶纤维素

微晶纤维素（Microcrystalline cellulose，简称MCC），又称结晶纤维素，是由β-1，4葡萄糖苷键联接的直链式多糖，是天然纤维素经稀酸水解至极限聚合度（15~175）的极细微（20~80μm）的粉末状多孔颗粒、短棒状或胶体。该物质具有无臭、无味，不溶于水、稀酸、有机溶剂以及油脂等，流动性强，可在水中分散，并在弱碱溶液中部分溶涨等独特性质，用途广泛。

在食品工业中，MCC作为一种食用纤维和理想的保健食品添加剂，在乳制品、冷冻食品、肉制品等中得到广泛的应用。在医药行业中，MCC主要用作三个方面：利用其在水中强力搅拌下易于形成凝胶的特性，制备膏状或悬浮状类药物；利用其成型作用，用于医药压片的赋型剂；利用多孔结构包裹活性物质进，用作药品的缓释剂。在日用化工领域中，MCC可作为拼料，用于多种化妆品、皮肤治疗与护理用品及清洁洗涤剂的制造，还可添加到陶土用来增加湿坯强度，添加在涂料中能使涂料具有触变性，添加到合成革、橡胶、塑料以及各种过滤助剂中作为增粘剂和微孔剂，添加到电焊条作为黏合剂和助燃剂等广泛用途。此外，MCC羧甲基化、乙酰化、酯化反应性能相对较高，因此作为纤维素改性产品中的重要成分，也有广阔的应用领域。

产业方面，微晶纤维素行业集中度较高，主要集中在美国、欧洲、中国、日本。其中，高端产品主要来自美国和西欧，市场份额分别为24.18％和22.86％，主要参与者包括FMC、JRS、Rayonier Advanced Material、旭化成、三菱化学、Sigachi Industrial、Accent Microcell等。近年来，随着国内市场需求不断提高，工业化生产规模虽有扩大，但是产品研开发大都处于初级阶段，且生产力低下，生产的大型厂家很少，多以中小型企业零散生产为主，制造商主要集中在安徽、山东和浙江。

市场方面，2019年全球微晶纤维素市场规模10.17亿美元，2020年受COVID-19影响，全球市场预计在9.19亿美元。据GII预测，2027年全球MCC市场将达到14亿美元，复合年增长率为5.9％，细分领域中，食品和饮料、医药部门、个人护理复合年增长率分别为7.9%、4.6%、6.5%；而从地域分布上看，欧洲得益与药物开发和食品工业的带动，始终是全球最大的MCC市场，复合年增长率3.7%，美国是另一重要市场参与者，2020年MCC市场预计在2.487亿美元左右，复合年增长率2.6%；中国市场进入高速发展期年增长率预计为9.1%。

纤维素衍生物应用及产业情况

纤维素衍生物（Cellulose derivatives），是以纤维素分子中的羟基与化学试剂发生酯化或醚化反应后的生成物。按照反应生成物的结构特点可以将纤维素衍生物分为纤维素醚、纤维素酯、纤维素醚酯三大类。商业化品种及应用详情见表。

纤维素衍生物分类

纤维素衍生物	衍生物种类			用途
	纤维素醚	非离子型	甲基纤维素（MC）	建筑材料、高分子聚合反应、制药、陶瓷、涂料、日用化学品、食品、造纸、纺织印染等
			羟乙基纤维素（HEC）
			羟丙基纤维素（HPC）
			羟丙基甲基纤维素（HPMC）
			乙基纤维素（EC）
		离子型	羧甲基纤维素（CMC）	石油钻井、纺织、造纸、日用化学品、橡胶、皮革等
		混合型	羟乙基羧甲基纤维素（HECMC）	油田压裂
	纤维素酯	硝酸类（CNs）	羧甲基纤维素硝酸酯（CMCN）	涂料、炸药
		醋酸类（CAs）	二醋酸纤维素（CDA）	纤维、纺织、医用、烟用、塑料
			三醋酸纤维素（CTA）	纤维、胶片、偏光片、绝缘隔膜
			乙酸丁酸纤维素（CAB）	包装薄膜、感光基片、汽车零部件、输液管道、电线缆包覆层等
			乙酸丙酸纤维素（CAP）
	纤维素混合醚酯		羟丙基甲基纤维素酞酸酯（HPMCP）	药物的肠溶制剂、缓释或控释制剂、微囊、微球及高分子载体
			羟丙基甲基纤维素醋酸琥珀酸酯（HPMCAS）
			醋酸羟丙基甲基纤维素酞酸酯（HPMCAP）

在纤维素衍生物细分市场中，纤维素醚市场规模较大，产业集中度高。2019年纤维素醚的全球市场为128.25万吨，价值约45亿美元，由于食品、个人护理和制药等新兴领域的发展，未来纤维素醚市场将保持稳定增长，复合年增长率在5％左右。从市场分布来看，主要集中于中国（51.4%）、欧洲（26.93%）、北美（8.82%）和日本（7.77%），主要国际供应商包括：Akzo Nobel、Ashland、CP Kelco、DKS、Dow、Shin-Etsu等。中国是全球最大的纤维素醚生产和消费国，但国内生产集中度不高，分散于山东、江苏和浙江等地，领先企业包括：山东赫达、北方天普、扬子化学、力宏精细化工、山东瑞泰等，这些企业的产品主要集中在中高端型号建材级纤维素醚、医药级、食品级纤维素醚，或者市场需求量较大的普通型号建材级纤维素醚，产品的质量稳定性较好、性价比高，在国内外市场有一定的竞争力，但与需求量相比，产量仍有较大缺口。

纤维素酯常见硝酸纤维和醋酸纤维两大类，技术均已相对成熟，用途广泛。其中，硝酸纤维有军用和民用两大应用领域，军用部分主要集中在兵器火炸药行业生产，民用部分用于涂料、赛璐珞、人造纤维、油墨、电影胶片、化妆品等多种领域，目前全球硝酸纤维的生产能力已经大于市场需求，市场竞争激烈。而醋酸纤维常见塑料制品、纺织品、烟用滤嘴与过滤膜、偏光片等薄膜产品，目前醋酸纤维技术由国外几家大公司垄断，主要有美国Eastman、Celanese、S.Amereic，意大利Novaceta，日本的三菱醋酸纤维、帝人，英国的考尔兹等，约占世界总产量的90%。我国醋酸纤维产业发展尚不完备，烟用材料仍有部分缺口；纺织用醋酸长丝进口依赖程度也较高，2019年我国醋酸长丝产量40.15万吨，进口数量为1.28万吨；而显示模组中TAC膜的关键技术都由日本企业所掌握，日本富士写真和柯尼卡两家合计占据全球TAC膜产能的约75%左右。

纸材料的未来发展趋势

从历史发展和公众认知来看，造纸业是传统行业。尽管通过技术与装备在不断提升产品品质和满足市场多样化和个性化的需求，但大众日常熟知的印刷用纸、包装用纸、生活用纸等主要大宗产品的产品形态和功能没有发生本质上的变化。然而，随着创新意识的不断增加，纸和纸板产品将不仅仅以传统形态直接出现在生活中，可以以功能性材料存在，如目前已经应用的飞机高铁使用的芳纶蜂窝纸、汽车和空气净化器用的过滤纸等。未来，造纸业的产品的应用领域将更加广泛，产品类型将更加丰富。

（一）国际纸材料领域发展趋势

对纸材料发展先进的国家来说，多数先进造纸技术已成熟应用；节能减排、清洁生产，已成为常态，单位产能的水耗、电耗、污染物排放量都处于该国家和社会允许的范围内，已走上绿色发展的道路；装备制造业的设计产能、运行速度及智能化控制已满足行业的需求。

为了推动造纸产业的发展，探索纸材料领域未来发展的工程科技，技术先进的欧洲和北美均制定了工程科技未来的研发重点，即中长期发展战略。纸材料领域面向未来工程科技发展趋势主要重点如下：

1.欧洲纸材料未来发展方向

欧洲造纸工业联合会（CEPI）2011年11月推出了“森林纤维工业2050路线图”，为实现路线图寻求如何能够使CO2的排放量降低80%，与此同时产生50%以上附加值的主要目标，提出如下未来突破性技术，并要求这些突破性技术在2030年之前实现商用。

（1）制浆生产新技术——低共熔溶剂法生产纸浆

开辟以低温和常压的方式生产纸浆的新途径。通过使用低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents），任何类型的生物质都能以最少能耗、碳排放量和残留物量溶解成木质素、纤维素和半纤维素，目标是实现制浆能耗减少50%。

如果能减少现在制浆能耗的50%，这将是制浆造纸工业节能的重大突破，因为制浆能耗是制浆造纸过程的最大耗能单元之一。

（2）无水造纸技术

目前造纸技术消耗了大量的能源和水资源，纸浆上网纤维浓度才1%左右，造纸过程需要复杂装备单元来脱水，使造纸成为最大能耗单元。国际造纸科技界对极低纤维浓度的耗能造纸方法已看出极大的弊病，试图通过努力解决这一难题。

属于这一概念的有二项技术：一是汽流造纸，这是一种非常接近无水造纸的生产方法。使用蒸汽搅拌将基本干燥的纤维吹到成形区，随后沉降成纸幅。要求水用量只相当于目前的l／1000。二是纸浆固化成形造纸技术，该技术也是很少用水的造纸工艺技术。把经处理后纤维送进黏稠溶液中制成浓度在40％以上的悬浮液，最后将溶液压出，并通过助剂将纤维层固化成纸页。根据不同纸种选用不同助剂。

（3）轻量化技术

以较少的纤维生产更多产品，获取更大附加值，生产低定量产品是关键之一。纸页成形技术和原材料混合技术的进步将使未来的纸产品更加轻量化。

纸页轻量化，但性能特别是强度保持不变，还有赖于化学品的作用，化学品的应用是关键。这里除了要解决纸页成形及与化学品的混合方面的问题外，还需解决绿色化学品的制备。

（4）纳米纤维素

纳米纤维素在水中形成稳定的胶体悬浮液，可与增稠剂和乳化剂混合在一起应用。植物纤维可用于开发生产纳米纤维素产品。与其他纤维相比，植物纤维由于具有高长宽比和较高比表面积以及加强的氢键键合能力，使得这些基元纤维具有固有形成薄膜的倾向。

纳米纤维素溶液的优点已经得到了广泛的体现。可以预见，这种特殊材料系列纳米纤维素产品可以用于造纸、食品、化妆品、涂料，还可以预期在电子、医疗和药物方面的应用，将产生新的巨大商机。对在商业化进程中这种纳米材料的研究，已取得重大成果。

（5）生物质精炼技术

制浆造纸转型升级理念，并将继续重视木质生物质组分的可持续开发。如已在研究离子液体与酶一起在木质纤维素处理过程的作用，各种纤维素、半纤维素、木质素衍生物和组合物已被开发用于诸如薄膜、阻隔剂、吸附剂、黏合剂和复合材料中。

（6）“造纸机医生”理念

目前装备制造业能设计并能生产的造纸机产能、车速、幅宽已完全满足行业的需要，而运行中的现代造纸机的诊断、维护及维修已提到重要位置，因此科技领域提出“造纸机医生”的理念，保证现有造纸机能正常运行以及适应新的要求。

2.北美纸材料未来发展方向

北美地区把节能、降耗、减少碳排放，通过生物质精炼技术使制浆造纸企业转型升级作为未来工程科技的重点。

（1）节能

美国造纸工业能耗占工业总能耗的10.5%，是四大耗能工业之一，节能是重点研发技术的目标。如：①在保证纸页质量条件下，通过脱水压榨技术的改进使进入干燥部纸页干度达到65%，提高10%～15%。②开发新一代磨浆机以提高化机浆得率，降低单位能耗20%，如采用生物酶预处理、热回收技术。③通过提高黑液洗涤浓度、蒸发浓度及进入回收炉浓度，降低50%黑液碱回收能耗。

（2）降低水耗

通过研发和实施废水100%回收利用新技术，使水耗减少50%。重点研发废水中污染物的洁净分离技术。

（3）植物资源高效高值化利用

①提高化机浆、溶解浆的得率，其中化机浆得率要达到90%及以上。②木材废料及生产过程废弃物的高效利用，提出“生物质全组分利用”理念。③生物质精炼技术，其具体技术范畴与欧洲造纸工业联盟提出的木质生物质精炼技术类同。④纤维素高值化利用的研究。近年来兴起维素纳米晶（Cellulose Nanocrystal，CNC）或纤维素纳米纤（Cellulose Nanofibrils，CNF）等纤维素类衍生产品的高值化应用的研发。

总体来看，国际造纸的发展方向主要集中在：①节省能耗、水耗及减少污染物排放。②节约植物资源，实现植物资源的全利用。③利用生物质精炼技术，实现造纸业转型升级。④清洁分离植物组分，高效高值化利用植物中的纤维素、木质素及半纤维素及其附属产品，提高造纸产业的整体价值。⑤造纸装备智能化。

（二）国内纸材料领域发展方向

考虑到我国造纸领域工程科技目前与国际先进国家存在的差距，以及我国原料资源、水资源、环境条件与国际先进国家的差距，结合我国造纸领域的实际情况，国内纸材料领域未来的发展方向主要包括如下几方面。

1.环境生态可持续发展

农业秸秆生物质的高效利用与可持续发展研究。

2.节能减排技术

（1）高浓造纸技术研究

目前抄纸的纸浆浓度在1%以下，因此后续过程为了脱除水分而耗费大量的能量，造纸的能耗基本上大都耗费在纸页的脱水和干燥上。如果将抄纸浓度提高1倍，进入干燥部的干度将提高5%~10%，造纸机的能耗将减少20%以上。提高抄纸浓度的关键技术问题是高浓度纸浆的流动及流动均匀性、纤维的分散与絮聚的监控、为适应高浓抄纸的装备优化。

（2）废纸制浆造纸废水的全封闭循环利用技术研究

如果废水能够封闭循环使用，废水回用率达到100%，将既节约了水资源，又解决了环境问题，实现真正意义上的零排放。

其关键技术是废水中污染物的分段清洁分离与处理集成技术。

（3）草浆黑液增浓技术的研究

配合我国农业秸秆的高效利用，草浆黑液的高浓洗涤及高浓浓缩技术必须解决，洗涤浓度要达到15%及以上，蒸发浓缩后黑液固形物燃烧浓度要达到65%及以上，真正解决草浆黑液碱回收问题、工艺技术及装备技术。

3.转型升级技术

（1）植物生物质精炼技术

提出“植物生物质全组分利用”理念，清洁组分分离，高效利用木素、半纤维素，充分利用废弃物。

（2）植物资源的纳米纤维素技术研究

纳米纤维素技术是将纳米技术应用到自然界中取之不尽、用之不竭的纤维素领域，由于其强度高、刚性大、光学性能优良、质量轻、生物降解性、可持续发展等特点而广泛地应用到电子、生物医学、化工、纺织、造纸等方面。

4.智能化先进制造

（1）高速造纸机的智能化控制技术研究

现代造纸机智能化生产主要配备生产全过程智能化控制系统、智能化在线监测与故障诊断。智能化控制系统实现造纸生产全过程的集散控制、纸张质量的全自动控制。智能化监测实现纸幅高速运行在线监测、纸病在线监测和设备运行状态在线监测与故障诊断全自动执行，可随时根据用户的订单智能调整生产，自动切换生产品种控制；智能管理系统实现从制定生产计划到生产、质量管理、成本管理、生产跟踪、入库和发货等全程化智能管理，实现造纸的智能化制造。

（2）实现进入干燥部纸页干度提高5%~10%的技术

通过改造，提高造纸机整体技术水平，使进入干燥部纸页干度提高5%~10%，在未来10~20年内应可以解决。

5.纸基功能材料

随着科技的飞跃发展，纸基功能材料己经成为新材料领域的核心，对国家经济、文明发展和国家建设方面具有极为重要的意义，不仅对高新技术的推进起着重要的作用，还对我国相关传统技术的改善，实现跨时代发展有重大推进作用，因此发展纸基增强材料、纸基抗菌材料、纸基过滤材料、纸基导电材料、纸基发光材料、纸基绝缘材料、纸基疏水材料和纸基传感器材料等纸基功能材料至关重要，需发展可提升纸基功能材料性能的关键技术。

纳米纤维素作为一种新型的生物质纳米材料，逐渐成为纸基功能材料的研究重点。目前纳米纤维素在纸基功能材料的应用主要集中在填充增强、浸渍涂布、接枝改性聚合等，而忽略以其为载体进行多功能组装的研究，基于纳米纤维素组装超分子聚合物，综合氢键理论和超分子化学理论，构筑智能化高值化的纸基功能材料是纳米纤维素功能化应用研究的发展方向。

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