現代紙張的製作方法：探索複雜的造紙工藝

內容顯示

造紙工藝融合了古老的工藝和現代技術，堪稱獨一無二。木纖維等天然原料用於各種工業、教育和通訊領域，在造紙之前要經過複雜的工程加工過程，以確保所需的品質、紋理和耐用性。本文透過闡明木纖維如何製成紙張來解釋造紙的複雜過程。本指南重點關注產業內的機械化、創新和變革，以了解生產紙張所涉及的技術及其生態後果。當我們踏上這段旅程時，我們將欣賞人類生存最基本的工具之一的創造中隱藏的藝術和工程。

什麼是紙漿？

木纖維或更寬的植物表皮組織是生產紙漿的基礎，紙漿是造紙的主要原料。生產紙漿的兩種主要製程是機械製漿方法和化學製漿方法。

機械製漿：將木材纖維磨成易於加工的顆粒。木材的天然成分得以保存，而且大量木材被利用，導致生產出的紙張強度變弱。雖然效率很高，但最終產品並不堅固。
化學製漿：經化學處理，氯木質素溶解，導致木纖維斷裂。一種化學方法，即牛皮紙工藝，選擇性地分離和溶解木纖維，由於木纖維之間形成的強鍵，可以生產出堅固的高品質紙漿。

紙漿經過加工後，會得到清潔和精煉，然後就可以用於造紙了。然而，這兩種方法都可以生產出種類繁多的紙製品，從新聞紙到更高品質的書寫紙。

了解製漿工藝

在機械製漿過程中，木材利用磨石或磨漿板的機械能轉化為纖維。該技術保留了大部分木材結構，與化學製漿相比，強度和耐久性較低。因此產量較高。使用機械紙漿的最佳產品包括報紙和目錄，因為它們顏色鮮豔，不適合長期使用。

纖維素纖維在造紙中的作用

植物纖維素纖維來自植物的細胞壁，是紙張的主要結構元素。這些纖維具有優異的抗拉強度，同時又具有柔韌性，更容易形成具有良好機械性能的紙張。研究表明，紙張形成過程中的黏合表面積由於纖維素原纖維的存在而增加，纖維素原纖維具有高表面積，長度為幾微米，直徑約為 10-30 奈米。

木材中纖維素的濃度因樹種不同而有很大差異，但通常在 40% 到 50% 之間。這些纖維組織對所生產紙張的光滑度和密度有很大影響。楓樹和樺樹等硬木，以及冷杉和雲杉等軟木提供更長的纖維組織，可以生產出粗糙而堅固的紙張，最適合用於包裝。這些軟木因其所產木材較軟而得名，但實際上，它們通常比硬木更緻密。

隨著工程奈米纖維素纖維的加入，造紙業的用途也得到了進步。這些纖維由於具有較高的強度重量比以及良好的阻隔性而被添加到特種紙中，這對於需要改善光學透明度、機械強度和孔隙率的應用十分有益。此外，奈米纖維素和其他有效形式的使用可以實現永續性，因為它們具有可生物降解、可再生和有助於回收而不會失去其結構完整性的特性。

機械紙漿和化學紙漿的區別

化學和機械是造紙所採用的兩個主要製程。每個過程都有自己的特點、方法和用途。

機械製漿

機械製漿工藝因使用機械力從木材中去除纖維素纖維等必要成分而得名。它涉及使用研磨機和精煉機等機器將木材磨成紙漿形式。機械紙漿被證明是經濟的，因為由於產量高，可以保留高達90-95％的原始木材品質。然而，由於缺乏化學處理，它含有木質素，這會導致紙張日後變黃。透過機械紙漿生產的紙張（例如新聞紙或目錄）的強度相對較弱，因為它們的耐用性較差且抗撕裂性較低。然而，這種工藝對於生產低品質、短壽命的紙製品來說非常有效且經濟。

化學製漿

對於化學紙漿製造，準備階段採用化學處理，特別是牛皮紙或亞硫酸鹽選項，其中含有溶解木質素和分離纖維素纖維的溶液。此過程產生的化學紙漿產量在 40% - 55% 之間，因為在洗滌階段會產生木質素（和其他非纖維素成分）。去除的木質素可提高紙漿的整體品質；總體而言，Jane 能夠生產出更堅固、更耐用且不易褪色的紙張。在生產特殊紙或高強度材料（包括影印紙、包裝紙和薄紙）時額外使用化學紙漿是非常常見的。這個過程也更加環保，因為化學製漿的副產品，如牛皮紙製漿系統產生的黑液，可以被捕獲並重新用作能源。

一般來說，機械製漿更適合要求高生產率和低成本的應用，而化學製漿更適合生產高品質、耐用的紙張。這兩種方法在造紙工業中都非常重要，每種方法都有各自的根據最終應用量身定制的優勢.

現代紙張是如何由木漿製成的？

木片到紙製品的歷程

現代紙張的生產過程始於從管理森林以及鋸木廠廢料中採購木材。隨後，將採伐下來的木材的外皮剝去，然後切成更小、更易於處理的均勻大小的木塊。這些碎片被稱為碎片並被運送到製漿加工步驟。在此步驟中，透過機械或化學方法將單一纖維素纖維從碎片中分離出來。

一種稱為研磨的機械製漿方法需要對木片施加很大的壓力，從而分解木纖維。這種方法通常最適合較軟的木材，並且紙漿產量較高，可用於製作目錄和新聞紙。另一種方法是化學製漿，需要將木屑與氫氧化鈉和硫化鈉一起煮沸。對於含有較多木質素且質地較硬的木材來說，這種方法是必要的。對於高檔白紙來說，含有大量木質素的木材需要經過化學溶解性等級更高的強度的紙漿。

紙漿漂白後，可以進行其他製程來增加其不透明度和亮度。無論如何實現漂白，漂白過程中使用的其餘環保化學品對環境的影響要小得多。每年，大約有 92 公噸的白色化學紙漿被生產用於造紙，由此可見這些方法有多麼普遍。

突出最後一步“形成紙張的最後階段”，目標是創建紙張。在這種情況下，紙漿與水混合形成泥漿，該泥漿沿著網狀傳送帶蔓延，多餘的水可以排出。先製成纖維墊，然後將其乾燥，再透過乾燥、加熱的滾筒壓制，使纖維排列並黏合，使其固定到所需的厚度和紋理。其中一些機器極其先進和複雜，這就是為什麼造紙廠的效率和準確性如此之高。有些機器每分鐘可以輸出多達2,000公尺的紙張。然後將紙切成捲並準備分發到各個工業用途。

造紙工藝的關鍵階段

製漿：利用機械和化學技術將木材和再生紙等原料轉化為紙漿。
清潔和篩選：從紙漿中去除污染物和大顆粒，以確保紙漿具有足夠的清潔度，以便進行進一步的加工步驟。
片材形成：將纖維漿沉積在連續移動的金屬絲網片材上，然後除去水分以形成纖維墊。
壓制和乾燥：將纖維墊在加熱的滾筒下滾動以去除水分並達到所需的厚度。
整理：後一階段包括處理和裁切，或將乾燥的紙張進行塗層和捲繞，以供最終使用。

壓榨部在造紙中的重要性

和造紙過程中的其他部分一樣，壓榨部在提高紙張品質和產量方面起著關鍵作用。其主要作用是在紙張成型後，從濕纖維墊中提取水分，以降低進一步乾燥所需的能量。壓榨部也透過機械壓制已經成型的紙張，使纖維更好地粘合，從而提高紙張密度。這無疑賦予了紙張強度和統一性。合理的壓榨部不僅可以降低紙張的含水量，還可以保持紙張的物理強度，從而達到理想的品質標準。

造紙廠發生了什麼事？

造紙機的功能和設計

造紙機有許多相互連接的半機器，用於將原材料轉化為成品紙張的工序。這些機器採用了新技術，以提高其效率、減少浪費並生產出品質更好的產品。主要部件包括流漿箱、網部、壓榨部、乾燥部、捲紙部等。

流漿箱

此部分負責將紙漿盡可能均勻地鋪展在網部上。現代流漿箱透過流速、一致性和分配系統來解決材料的均勻性問題。最重要的部分是材料在線材上的放置，因為它決定了將要生產的板材及其特性。

新聞部

壓榨部對新形成的紙張施加機械力，並透過壓縮紙張纖維去除水分。大量使用高性能壓榨機（例如靴式壓榨機）來優化脫水效果且不會損害紙頁。現代技術能夠在紙張乾燥階段開始之前實現 50-55% 的含水量。

乾燥段

該部分由多個加熱圓筒組成，其設計目的是透過蒸發從板材中提取剩餘的水分。採用節能乾燥技術的先進系統可提高滾筒的溫度以及使用的蒸氣量。此外，現代乾燥部分由閉環濕度控制系統組成，可確保產品均勻乾燥，同時最大限度地減少能源使用。此階段結束時，材料的含水量通常在5%以下。

捲軸部分

達到所需的乾燥程度後，連續的紙幅被捲繞到巨大的捲軸上。控制此部分的張力至關重要，因為這可能會對紙張造成損壞或起皺。自動換卷系統的引入有助於實現無縫生產，從而進一步提高營運效率。

現今的工業造紙機可以以每分鐘2,000公尺的速度生產紙張，並且根據市場需求，紙張寬度可達10公尺。現代自動化、感測器、人工智慧監控和技術整合保證了整個生產過程的品質和安全。人們也開始轉向實施廢水處理和能源回收系統等環境友善系統。所有這些進步都顯示人們的環保意識不斷提高，並且越來越關注這類機器的設計目的在於盡量減少其負面影響。

工廠如何有效利用再生紙

將再生紙融入現代造紙系統使得工廠既能夠減少原生材料的使用，又能夠實現永續發展的目標。第一階段是累積消費後和工業後紙張，然後進行分類和清潔以重新製成紙漿。然後，清潔後的材料透過化學和機械方式轉化為紙漿，從而可以加工成紙製品。

新技術的採用大大提高了再生紙的利用效率。例如，工廠現在使用具有光學掃描儀的自動分類系統來消除塑膠、膠水和其他非紙質物品等污染物。這種精確度可以減少污染，從而獲得品質更好的再生紙漿。

現代工廠也試圖減少回收過程中的水和能源消耗。多份報告估計，利用再生纖維生產紙張所需的能源比利用原生木纖維生產紙張所需的能源低 30-40%。此外，與未漂白和原紙的加工過程相比，用水量要低得多，因為加工和漂白紙張所需的水較少。

隨著循環生產實踐的實施，紙張回收變得更有效率。例如，許多工廠採用閉環水系統來減少浪費，並使用脫墨製程去除油墨和塗層，同時最大程度地減少化學損害。這保證了從新聞紙到高級辦公用紙的再生材料的最大利用率。

工廠利用這種資源不僅是為了滿足環境目標，也是為了節省成本。據估計，全球有近68%的紙張在北美和歐洲被回收再利用，這些努力證明了將再生材料納入紙張供應鏈是可持續的、經濟上有利的，也說明了將其融入行業利大於弊。

生產數噸紙張：長網造紙機正在運作

長網造紙機對於現代造紙業至關重要，因為它為連續生產奠定了基礎。這種機器發明於 1800 世紀初，透過一系列工序將紙漿製成紙張，簡化了紙張生產過程。首先將水和纖維的漿料混合物注入到由金屬絲網製成的皮帶上。皮帶將纖維墊或紙幅運送通過一系列滾筒，這些滾筒擠出水分並幫助黏合纖維。隨後，加熱的滾筒將捲筒紙烘乾，並將其製成捲筒以便進行進一步加工。

隨著技術的進步，福特尼爾機器的速度越來越快，生產效率也越來越高。現代化設備中運作的高速機器能夠以每分鐘超過 1000 公尺的速度造紙，有些系統甚至達到每分鐘 2000 公尺的速度。根據所生產紙張的質量，單台機器每年的產量可達300,000萬噸以上。此外，即時監控系統等技術的引入提高了纖維分配和厚度控制的準確性，從而提高了產品品質。

長網造紙機仍是大型造紙業的核心。這說明了機械的不斷創新如何滿足產業隨著時間的推移而不斷增加的數量和品質。它在減少生產浪費和優化能源消耗方面的重要性對於永續發展至關重要，使其成為當代造紙業的重要設備。

不同種類的紙製品是如何產生的？

光面紙和新聞紙背後的工藝

光澤紙的製作過程包括：首先在紙張上塗上一層由黏土或其他礦物質組成的混合物，使紙張表面具有光澤，然後透過壓光（將紙張通過滾筒）對該塗層進行拋光。這種紙張非常適合高品質的印刷，包括雜誌和小冊子。

相較之下，新聞紙是由機械加工的木漿生產的，保留了更多的木纖維。雖然這會使它更便宜，但也使其耐用性大大降低。新聞紙的特殊設計使其重量輕且價格低廉，適合用於報紙和其他一次性印刷材料。

創造紙巾及其獨特屬性

紙巾的生產採用了木漿和其他再生纖維的混合物，以確保兼具強度和吸水性能。生產過程首先要製作一種能夠容納大量水的脆弱而輕的顆粒。這是透過在乾燥階段使紙張起皺來實現的，這會形成小的脊線和紋理，從而使材料具有更好的效率。由於這一獨特的特性，紙巾在需要吸收液體時最為方便，因此快速清潔任務變得更加容易和簡單。

回收和碎紙生產方面的創新

回收和碎紙製造方面的創新提高了該行業的可持續性和效率。在我看來，進步包括增強再生紙的脫墨效果，從而產生品質更好的紙漿並減少產生的廢物。此外，當代的碎布紙製造流程利用紡織廢料和植物纖維，注重紙張的強度，同時盡量減少木材材料的使用。這些變化體現了保護和關懷環境的態度。

添加劑和處理方法如何影響紙張表面？

澱粉及添加劑的作用

澱粉和其他添加劑材料對於輔助造紙技術至關重要，可顯著提高紙張的強度、表面光滑度和印刷適性。例如，澱粉在造紙過程中被廣泛使用，因為它可以增加紙張的抗拉強度和硬度。憑藉其黏合能力，它可以增加重要的纖維與纖維之間的黏合形成，這對於高品質的紙張生產非常重要。業內人士表示，根據配方和加工條件，表面應用澱粉可使紙張抗拉強度提高15-20%。

在生產紙張時，人們已知可以使用碳酸鈣、黏土和二氧化鈦等一些材料來改善紙張的光學和機械性能。例如，碳酸鈣是一種常用的填料，因為它可以增加成品紙張的亮度和不透明度，而黏土則可以增強光滑度並減少油墨吸收。技術的最新發展還包括生物基添加劑，旨在減少對環境的影響而不損失性能。此外，含有聚乙烯醇 (PVA) 或聚乙烯具有更好的防潮性和耐磨性，從而促進了紙張的使用，特別是用於包裝或標籤用途。

澱粉和其他添加劑的整合凸顯了當今造紙商努力實現的性能和可持續性之間的平衡。天然材料和合成材料的結合滿足了業界對更靈活、更環保的紙製品的需求。

提高紙張強度和耐用性

提高紙張的強度和耐用性對於包裝、工業用途甚至檔案用途等高性能領域至關重要。常見的做法是添加濕強劑，例如與纖維素纖維交聯的聚醯胺環氧氯丙烷 (PAE) 樹脂。這種黏合顯著提高了紙張抵抗因潮濕引起的撕裂和變形的能力。研究表明，與未經處理的紙張相比，加入這些材料可使濕強度提高 15-25%。

機械增強同樣重要，在增加纖維結合面的精煉過程中尤其明顯。纖維混合是另一種增強機械性能的方法，其中較長、優質的原始纖維與較弱的再生纖維混合以提高抗拉強度。這種混合有助於實現成本和耐用性之間的務實平衡。

由於奈米纖維素獨特且優異的機械性能，將其納入紙張結構是一種新興方法。例如，研究表明，添加2-5％的奈米纖維素可以將拉伸強度提高高達70％。由於奈米纖維素是可再生和可生物降解的，這極大地提高了耐用性，同時也朝著滿足環境標準邁出了一步。

塗佈技術的變化也提高了紙張的壽命。加入聚乙烯等合成聚合物或聚乳酸 (PLA) 等生物聚合物可提高紙張的強度和防潮性，使其適合在惡劣條件下使用。這些塗層在食品級包裝和戶外標籤產品中很常見，因為耐用性和安全性至關重要。

這種化學、機械和先進材料技術的複雜融合表明在滿足現代紙製品不斷變化的需求方面取得了令人矚目的進步。

為什麼在造紙過程中要使用漂白劑

漂白劑廣泛用於紙張製造，以達到適合印刷的可接受的白度和亮度水平。漂白過程會去除腐敗的木質素，木質素是木材的天然成分，隨著時間的推移，木質素會使木材以及隨後的紙張變成黃褐色。去除木質素可提高紙張的耐久性，並透過增加抗變色性來增強其美感。

現今的漂白技術採用了環保做法。基於氯的老方法雖然漂白效果好，但由於會產生二噁英，因此已被證明具有潛在的有害影響。為了解決這個問題，該產業已轉向無元素氯 (ECF) 和全無氯 (TCF) 製程。例如，透過 ECF 使用二氧化氯代替純氯。純氯雖然可以消除戴奧辛，但也會排放大量有毒氣體。二氧化氯強度較高，不允許此類氣體排放。據發現，ECF紙漿佔世界漂白化學木漿產量的75%以上，足以說明其受到多麼廣泛的認可。

使用氧氣、臭氧和過氧化氫作為替代漂白化學品的現象正在增加。這些氧化劑不僅為紙漿和造紙行業提供了匹配的亮度，而且還滿足了該行業的可持續性要求。舉例來說，使用過氧化氫漂白可以以較低的環境成本產生亮度大於 85% ISO 的紙漿。這些方法的使用體現了在紙製品生產中對協調品質和環境永續性的持續努力。

常見問題（FAQ）

Q：什麼是紙漿和紙？

答：「紙漿和紙」是指用於造紙的原料。紙漿是由木材、紙張或其他植物材料形成的纖維物質。然後將其與水混合形成混合物，並倒入造紙機中，將其加工成紙張。紙漿和造紙工業已經開發出多種技術來生產從書寫紙到紙板等多種紙張。

Q：製造紙張所需的紙漿需要經過哪些工序？

答：紙漿可以透過多種工序製成，所有工序都取決於所需的紙張品質等級。最常見的是機械製漿和化學製漿。機械製漿是將木材磨成纖維的過程，而後者使用化學物質（特別是木質素）分解木材，這被稱為牛皮紙工藝。這些工藝可產生不同類型的紙漿，例如磨木漿、熱機械漿和牛皮紙漿，所有這些紙漿都具有不同的紙張生產品質。

Q：紙漿紙纖維的主要來源有哪些？

答：工業用紙的纖維來源主要有針葉木、闊葉木、廢紙以及棉、麻、竹等非木本植物纖維。木紙纖維是當代造紙最重要的原料。紙漿和造紙業的原料採購遵循嚴格的永續林業法規。

Q：紙纖維透過哪些方式增加紙張產品的強度？

答：紙張的強度，特別是來自木材或草本植物的熱量，取決於紙纖維之間的結合程度。一般來說，紙纖維越多，製成的紙張越堅固。這些纖維在加工過程中的融合、排列和相互作用在很大程度上決定了強度。由牛皮紙漿生產的 Hyfoil 增強紙可以保留更長的纖維長度，因此比其他產品更堅固。

問：造紙機在造紙中扮演什麼角色？

答：現代造紙涉及使用造紙機等專用設備。造紙機將紙漿經過幾個連續的階段變成連續的紙幅。機器內部有多個部分，包括成型部分（生產第一張紙幅）、壓榨部分（以機械方式去除部分水分）和乾燥部分（其餘水分在此蒸發）。造紙機配有不同數量的滾筒和系統，可改變紙張的厚度、紋理和其他屬性。

Q：歷年全球紙張產量是多少，最常見的紙張類型有哪些？

答：全球工業每年用數億噸紙漿生產出不同種類的紙張。這些包括但不限於包裝紙、印刷和書寫紙、紙板和新聞紙。雖然紙和紙板的產量每年都有所不同，但據估計，全世界每年生產的紙和紙板約有 400 億噸。這個數字涵蓋了從書籍和雜誌到用於包裝材料的盒子和紙箱以及其他家居用品的所有東西。

Q：解釋一下當代造紙的不同工藝以及它們與古代工藝的區別。

答：如今，造紙術已經更加先進，透過機器進行造紙可以成為最快的製程之一。如今，由於化學工藝和先進的機械設備，木材成為紙張最主要的纖維來源。與現代造紙方法不同，傳統造紙更耗時，因為它主要依賴手工勞動，並且使用棉花或亞麻來製造非木質紙張。儘管特種紙有其獨特的傳統方法，但大多數工業用紙製品採用現代技術生產，以滿足全球供應市場的需求。

參考資料

1. 印度紙漿和造紙生產單位及其供應鏈中組織價值增加與環境永續績效之間的相互關係：縱向案例研究

作者： A. Arivalagan，B. Sudhakar
日誌： 國際環境與永續發展雜誌
發布日期： 3 年 2005 月 XNUMX 日（過去五年內未發生）

概要：

這種增值和環境永續分析已在紙漿和造紙製造部門進行了十年。
作者研究了各種增值措施對環境績效的影響，發現這兩個變數隨著時間的推移呈現反比關係。
此方法屬於縱向研究，著重於造紙業內的營運實務。

2. 利用 CAD 技術設計永續產品：對一家參與製造旋轉開關的印度組織的研究

作者： S·維諾德
日誌： 國際永續工程雜誌
發表於： 10 年 2010 月 5 日（過去 3 年內未發生XNUMX）

概述：

儘管這項研究強調的是旋轉開關，但它詳細闡述了對多個行業有用的可持續設計理念，例如造紙業。
這項研究利用 CAD 技術來評估產品設計的生態效應，這可能與當代造紙實踐有關。

3.旋轉機械預測性維護的振動監測技術綜述

通過： 馬塞洛·羅曼西尼 (Marcelo Romanssini) 等人
發表於： 工程師
出版日期： 26。六月2023