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回用纤维在生活用纸中应用存在问题及解决措施

  • 王焱 1
  • 程正柏 2
  • 刘莹莹 1
  • 曹海兵 2
  • 吕晓峰 2
  • 贾旺强 2
  • 梁美霞 1
  • 孙贤昊 1
  • 张亚雄 3
  • 孙韬 4
  • 刘洪斌 1
1. 天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,生物源纤维制造技术国家重点实验室, 中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室,天津,300457; 2. 浙江景兴纸业股份 有限公司,浙江平湖,314214; 3. 中国轻工建设工程有限公司,北京,100077; 4. 和或科技(天津)有限公司,天津,300450

中图分类号: TS761.6

最近更新:2024-04-22

DOI:10.11980/j.issn.0254-508X.2024.04.008

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摘要

再生资源高效利用是生态文明建设的重要方式。回用纤维以其低消耗、低污染的优点,近年来在制浆造纸行业中受到广泛关注。本文简述了回用纤维在生活用纸中应用存在的问题及解决措施,展望了回用纤维在生产生活用纸中的发展前景。

生活用纸是日常生活中用于卫生或清洁的纸制品,包括但不限于卫生纸、餐巾纸、面巾纸、厨房用纸等。这些产品以其方便、卫生的特性成为不可或缺的一部分。生活用纸的质量、实用性和生产方式对环境、资源的可持续发展和利用,以及人类生活的舒适度和健康有着直接的影[

1]

近年来,我国生活用纸市场保持持续增长,产能、产量、消费量、人均消费量等均实现了较高的年均复合增长。据文献报[

2],2022年我国生活用纸生产量为1 135万t,较上年增长2.71%。消费量为1 059万t,较上年增长1.24%。在国内消费的生活用纸产品结构中,卫生纸以51%的市场份额占据主导地位。我国生活用纸人均消费量比世界人均水平略高;特别是2020年后,生活用纸用量和种类均大幅增长,如电梯扶手旁的擦手纸等。随着公众健康意识和卫生意识的增强,生活用纸行业整体发展有了较大进步。生活用纸的生产主要依赖于植物纤维(如商品木浆、竹浆等)和回用纤维。植物纤维作为生活用纸的传统原料,能够满足生活用纸对柔软度、吸水性等方面的需求,全球约40%商品浆用于制备生活用纸。但在当前碳达峰、碳中和的大背景下,回用纤维的再利用已成为节约自然资源、实现环境友好型发展的有效途[3]。2021年11月,英国生活用纸企业Northwood使用100%回用纤维生产的卫生纸具有高度吸水性、柔软性和舒适[4]。美国33.4%的生活用纸由回用纤维生产。麦当劳集团要求其餐巾纸供应商提供的餐巾纸必须由60%回用纤维制造;而星巴克的餐巾纸则使用100%回用纤维制[5]。可见国外已将回用纤维用于生活用纸(卫生纸、餐巾纸)的生[6]。但国内对于使用回用纤维抄造生活用纸的报道较少,因此需要强化回用纤维在国内生活用纸的应用。

1 生活用纸原料的发展

生活用纸是造纸行业中的三大纸制品之一。生活用纸原料的发展反映了人类对环境保护、资源可持续利用,以及产量质量提升的不断追求。最初,生活用纸主要采用原生木浆为原料。然而,随着环境保护意识的增强和对森林资源的保护,人们开始寻求更多的替代纤维,以减少对自然森林的破坏;之后非木材纤维被发掘和应用,包括竹浆、稻草、甘蔗[

7];其中,由于竹子快速生长周期的优势,竹浆成为了一种更加可持续的选择,其产品特有的天然抗菌性能,深受消费者喜爱。但木浆和非木材纤维的生产过程仍面临许多问题,如自然资源的消耗、能源的使用[8]。随着环保意识的提高和资源节约需求的增加,回用纤维作为一个潜在的候选者,有希望替代植物纤维,并在造纸工业原材料需求方面发挥重要作用。同时,回用纤维的利用不仅减少了对植物纤维的依赖,减轻了对森林资源的压力,还有效降低了废弃物的填埋[9]。此外,回用纤维在全生命周期中对材料和能源需求较低,使其用于生产生活用纸比植物纤维的生产过程更加环保。生活用纸原料的发展经历的不断变革不仅促进了生活用纸产业的技术进步,也体现了社会对环境和可持续发展的关[10]

2 回用纤维在生活用纸中的应用与挑战

2.1 回用纤维的回用问题

回用纤维的回用,即利用回收的废纸生产新的纸张,是当前纸制品行业节约资源的重要策略。尽管回用纤维的使用带来了显著的环境和经济效益,但其回用过程面临着一系列问题和挑[

11]。回用纤维的主要来源是旧瓦楞纸(OCC)和混合办公废[12]。在回用过程中主要关注效率、成本及环境影响等多方面因素。首先,在一些地区和国家,由于缺乏有效的回收系统,并且公众的参与度不高,使得回用纤维的回收率相对较低。其次,废纸种类多样,不同的废纸未能有效分类,会增加处理的难度和成本,并且导致回收的废纸质量参差不[13]。最后,回用纤维的回收和处理过程可能会产生废水、废气等污染物排放量增加,需要更多有效的环境保护措施来减少影响。

2.2 回用纤维在生活用纸中应用存在的问题

在生活用纸的制造过程中,部分厂家为了降低生产成本,大量使用回用纤维。如美国Cascades使用纸板生产出浅色系生活用[

14]、法国WEPA集团新推出使用回收箱纸板生产的生活用纸产[15]。与原生纤维相比,回用纤维经历了多次循环回用,纤维的性质发生较大变化,可能会给回用纤维抄造高质量生活用纸带来一定的限制。

2.2.1 纤维角质化

回用纤维回收再利用的主要问题是纤维角质化。角质化是指在经历反复润胀-干燥过程后,纤维发生不可逆变化的过[

16]。回用纤维在循环回用时通常要经历反复打浆、脱水、干燥等过程,水分子蒸发使纤维塌陷,细胞壁互相交联,孔隙发生不可逆闭合,降低了纤维润胀能力,从而使纤维的强度和韧性下降,该过程对于生活用纸产品的生产是不利[17]。目前,国外在使用回用纤维生产生活用纸方面已经有了部分研究,如Zambrano[18]将OCC用于生活用纸原纸的制备。研究发现,OCC的高木质素含量使得回用纤维非常坚硬,纤维黏合性差,对纸张的松厚度和柔软度不利。

2.2.2 脱墨不彻底

在回用纤维中,混合办公废纸因其数量大、质量好、价格低而备受欢[

19]。对于混合办公废纸来说,脱墨是其回收利用的重要环节,目的是使黏附在纸张纤维上的油墨粒子脱落。脱墨效果会直接影响生活用纸的白度和洁净度,还会影响纸张的光学和机械性[20]。这是因为脱墨可以去除细粉并改善纸张的纤维间黏合(图1)。混合办公废纸原料中含有较高比例的非冲击式印刷纸,存在脱墨较困难的难[21]。另外,回用纤维经过多次循环回用后受到损伤,纤维表面产生凹陷,这会导致油墨粒子沉积在凹陷处,较小的墨水颗粒也会沉积在纤维腔[22]。此外,废纸在脱墨过程中,浆料体系中含有部分胶黏物和其他细小颗粒,会对生活用纸的柔软度产生不利影响。与其他纸种不同,各类生活用纸在人们的日常生活中广泛使用,与消费者的生活质量、卫生与健康密切相关,其安全质量对人体健康有直接的影响。因此,对废纸脱墨浆的洁净度和柔软度具有较高要[23]

图 1  SEM图:未脱墨(a)(b)和经过脱墨处理(c)(d)的纸浆

Fig. 1  SEM images of pulps: (a) (b) undeinking; (c) (d) deinking

3 解决措施

随着人们生活水平的提高,生活用纸的需求不断增加,对生活用纸产品的质量和性能要求也越来越高。因此,无论是用植物纤维还是回用纤维生产的生活用纸,保证产品质量是制造商面临的重要挑战。本文主要从柔软度、吸水性、强度[

24]指标入手进行讨论。

3.1 柔软度

柔软度通常被视为衡量生活用纸质量的关键指标,也是生活用纸产品的关键消费属性。目前,提高柔软度的方法主要包括起皱、调整纤维配比、添加柔软剂、生物酶处理[

25]方式。

起皱技[

26]主要通过提高松厚度来改善生活用纸的柔软度。起皱过程中,起皱刀片在机械力的作用下,在生活用纸表面压出压痕,纤维间氢键的减弱和断裂,以及纤维网结构的分层,使纤维变得松散和柔软。调整纤维配比也可以提高卫生纸的柔软度。长纤维可以提供纸张的强度,短纤维可以提供更好的柔软[27]。因此,合理的纤维配比能够在保证纸张强度的同时,兼顾纸张的柔软度。生物酶处理也是一种提高柔软度的方式,主要是通过酶促进纤维分丝帚化和增加纤维的亲水能力。张方东[28]研究了纤维素酶对生活用纸柔软度的影响。结果表明,纤维素酶处理提高了单根纤维柔软度指数,从而对纸张柔软度的提升有一定的促进作用。刘晶[29]通过超声波辅助纤维素酶处理纤维。结果表明,超声波可以破坏纤维的晶体结构,并通过暴露纤维表面来打开纤维结构,极大地促进纤维素酶处理的效率,进而改善纤维的柔韧性,纸张的柔软度和物理性能也有所提高(图2)。An[30]提出利用臭氧-纤维素酶结合的方法提高纤维柔软度。臭氧被用做纤维素酶处理的绿色促进剂,通过去除木质素和碳水化合物来增加酶的可及性并改善纤维的柔韧性。

图 2  超声波辅助纤维素酶处理对竹浆纤维的作用原[

29]

Fig. 2  Principle analysis of bamboo pulp fiber treated with ultrasonic action assisted cellulase[

29]

另外,造纸生产过程中还可以通过添加柔软剂来提高柔软度。柔软剂的使用方式主要有浆内添加和表面喷涂2[

31]。浆内添加主要是通过修饰纤维表面、减小纤维之间的结合面积,降低纤维之间的结合力来提高卫生纸的柔软。表面喷涂主要是通过降低纤维表面摩擦力来提高卫生纸柔软度。杨勤[32]使用不同阳离子柔软剂处理生活用纸;研究发现,表面喷涂优于浆内添加的效果。

3.2 吸水性

使用生活用纸时有时面临潮湿环境,所以吸水性也是其重要的指标之一,也会成为消费者选择的差异化因素。生活用纸的吸水性主要取决于所用纤维的吸水性能和纤维之间的孔隙[

33]。起皱技术不仅能改善生活用纸的柔软度,而且对生活用纸的吸水性也有积极的作用。研究发现,起皱过程可以通过改变纸张组织孔隙率和结构来增大纸的体积和毛细管力,从而提高纸产品的吸水性。Assis[34]用漂白硫酸盐桉木浆生产生活用纸,发现随着起皱率的提高,生活用纸吸水性也逐渐提高。

压花是通过施加局部压力对原纸表面进行变形,增加生活用纸的厚度和体积,来提升吸水性的方法。孙海[

35]采用高性能S型压花模板对生活用纸进行压花,研究发现,压花后吸水性较之前增加了81.6%。Vieira[36]研究了压花对生活用纸吸水性的影响,发现随着纸体积的增大,吸水量也随之增大,当生活用纸体积增加150%以上时,吸水能力增加60%以上。

合理控制打浆度也可以改善生活用纸的吸水性能。打浆使纤维中的羟基暴露,增大细纤维化程度和纤维分丝帚化程度,使纤维更易横向切断,产生更多新的纤维壁腔端口,对胞腔通过毛细管力吸水产生一定的积极作用,从而提升纤维的吸水[

37]。但打浆度过高使纸张的孔隙率下降,对吸水性产生不利影响。因此需要把打浆度控制在合理范围[38]

3.3 荧光物质

在造纸生产中,荧光增白剂被广泛用作添加剂以改善纸产品的白度。荧光增白剂是一种有毒致癌物质,用含有荧光增白剂的废纸生产生活用纸,会危害人体健[

39]。脱除纸浆中荧光物质的手段主要有物理方法和化学方[40]。物理方法包括热处理和荧光抑制剂的使用,但此方法只能使荧光数量下降,不能使荧光增白剂得到较好的脱除。荧光抑制剂价格较贵,且不具有漂白作用,操作过程较复杂。化学方法包括使用二氧化氯、臭氧、过醋酸等氧化性漂白剂。万金泉[41]使用二氧化氯处理废纸脱墨浆。结果表明,二氧化氯可以使纸浆中的荧光增白剂被氧化,破坏其传送电子的能力,从而能够彻底破坏和消除荧光增白剂等荧光基团。惠岚峰[42]研究发现,当过醋酸用量为3%时,荧光脱除率能够达到90%以上,达到了脱除荧光的目的。

4 回用纤维在生活用纸应用中的前景

为应对气候变化,世界各国纷纷制定“碳中和”时间表,这意味着世界各国将加大对森林的保护,减少树木的砍伐。低碳循环绿色生产将是生活用纸制造业发展的必由之[

43]。回用纤维在生活用纸生产中的应用前景十分乐观。一是技术进步将解决回用纤维在质量上和性能上的挑战,使回用纤维质量越来越接近原生木浆,能够满足高质量生活用纸的生产需求。二是消费者对环保产品的需求日益增长,使用再生纸浆生产的生活用纸更受市场欢迎,有助于提升企业的品牌形象和市场竞争力。三是政府对环保的重视和相关政策的支持,为废纸脱墨浆的应用提供了良好的政策环[44]。习近平主席提出了“绿水青山就是金山银山”的方针政策,可持续发展是国家环保发展的永恒主题,绿色环保可再生产品将是未来发展的方向。回用纤维是一种很好的环保可再生资源,是顺应国家绿色可持续发展政策的选[45]。利用回用纤维造纸更是绿色产业,可以促进纸业循环经济的发展,符合国家的战略规划。

5 结 语

生活用纸作为日常生活中的必需品,在激烈的市场竞争中,不断改善生产方式和提高商品质量是企业需要充分考虑的。回用纤维在生活用纸中的应用具有重要的时代意义和实际价值。但随着国家双碳目标发展战略的推进,传统植物纤维的利用也面临着从生态和技术上的双重挑战,使用回用纤维在生活用纸生产中的应用虽然具有充分的可行性,但仍需要对改善回用纤维品质方面进行更深刻的研究,来保证回用纤维的性能、产品的质量和经济效益。同时,随着可持续发展理念的深入人心,未来生活用纸企业需要更加坚定不移地追求技术进步和科技创新,不断改进和优化生活用纸生产工艺的新技术新方法,将回用纤维升级为适用于生活用纸制造的高质量纸浆,不仅满足市场对生活用纸的需求,并且实现生活用纸的绿色转型和高质量发展。

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