奇妙的 纤维

​纸浆用木材是制成纤维素的最重要原材料,纤维素是一种适应性极强的天然聚合物,在构建可持续性未来中将发挥着重要的作用。

文:TIMO NYKÄNEN, 图:JUSSI SÄRKILAHTI

“纤维素是迄今为止地球上最为丰富的有机原材料,具有成为未来世界超级材料的潜力”,Herbert Sixta 教授说道;Herbert Sixta 教授是芬兰埃斯波阿尔托大学森林产品技术系主任与 Biorefineries 研究小组负责人。
Sixta 教授着重指出当前我们以石油为依托的经济和其产品将逐渐被生物经济和可再生性原材料所取代,这一趋势不可逆转,只有这样我们才能继续生存下去。这一事实推动着阿尔托大学 不断进行研究,努力优化并研发相关工艺以便将纤维素、半纤维素、木质素等增值型产品与生物质分开。尽管Sixta教授承认纤维素的某些特性具有挑战性,不过这种材料非常适合用于改良,具备多种用途,为人们带来诸多益处。

“与合成聚合物相比,纤维素存在的一个问题是它非常难加工。纤维素是一种多功能聚合物,具有良好的基本属性,不过可溶性有限。由于这种情况,所以不难理解到目前为止我们仅能较大量地生产出纸浆与纸产品。我们也已采用纺织纤维以及其他一些纤维素衍生品,如醋酸纤维素;不过与纸的总体产量相比,这些产品所占比重很有限,所起作用尚小,”Sixta 说道。

他认为在采用纤维素纤维作为合成品的替代品方面纺织行业是潜力巨大且重要的产业。

“每年纺织品的上市量很大,约为 1000 亿吨,从数量级来衡量这与纸的产量相当。同时,由于棉花种植会占用粮食耕地,因此棉花的使用无法进一步扩大。这些情况对使用木材的纤维素产品等而言尤为有利,”Sixta 解释道。


 


 

纸浆先锋行家

Sixta自2007起一直是阿尔托大学的教授, 他在自己的祖国奥地利还拥有另一头衔——格拉茨技术大学化学制浆领域教授。最初他在奥地利因斯布鲁克大学攻读 化学专业,并在 1982 年荣获博士学位。 不过,在早期职业生涯中,他大部分时间供职于 Lenzing AG 公司,该公司是一家专门生产再生型纤维素纤维的公司。在 Lenzing 公司,他成立了一个研究部门, 主要进行纸浆化学品和技术方面的研究。

“我的学术生涯在九十年代重新焕发新芽,当时我是格拉茨当地的一名副教授。作为一名科学家和研究人员,主要侧重于溶解浆、纤维素化学和再生型纤维素产品领域。不过我将研究领域扩大到木质素化学,同时也对半纤维素增值进行研究,”Sixta 说道。

目前,他的研究小组有 21 名博士生,他们对各种与生物材料研究相关的专业课 题进行研究。

“作为一个部门,我们始终关注于改 进制浆工艺与纸浆属性,这仍是全球的重 要课题。例如,最近我们与 Metsä Group 一起开展了一个传统牛皮纸制浆项目;在 这个项目中,我们设法大幅提高了纸浆的 得率。”

之前制浆领域与再生型纤维素纤维领域并无区分,当时阿尔托大学的许多专家都具有和 Sixta 类似的背景,而现在 Sixta 则是最后这一批为数不多的研究人员之一。

“毫无疑问,芬兰是制浆领域的先锋国家之一,推出许多重要的发明,特别是在工程领域。阿尔托大学曾因牛皮纸制浆领域的化学法回收而广为人知,不过有些遗憾,这些专业知识或多或少遭到遗 忘,”Sixta 说道。

纺织业的巨大潜力

Sixta 认为,增值型应用方面的纤维素加工里程碑之一是发现作为纤维素强力溶剂的离子液体。利用离子液体可以将分子的某些组分与纸浆分离。通过这种方法可将半纤维素单独分离,从而利用纸浆制成溶解浆。之后溶解浆通过自旋工艺可制成粘胶 或莱赛尔等纺织纤维,或用于无纺技术或化学应用领域。


纺织业的市场容量: 每年1000 亿吨


作为深入发展的举措,阿尔托大学还与其他大学和公司(包括芬宝)共同参与了由芬兰生物经济集群 FIBIC Oy 领导的 FuBio Cellulose 研究项目。在研究团队与来自赫尔辛基大学的一个团队共同努力下,发现了一种新型离子液体,推动该项 目在 2013 年夏取得重要的突破性进展。 这种溶剂呈现出高稳定性自旋状态,促成优质纤维的诞生。

当采用新型莱赛尔工艺制成的纤维织出一条围巾样品时,芬兰设计公司 Marimekko 注意到了这种材料;这促成了 后续进展:2014 年 3 月用桦树纤维制成的一件女装在 Marimekko 的时装秀中闪亮登场。

现在事实已证明溶解工艺与再生工艺 稳定且简易,下一步则要找出一种能回收 这种溶剂的方法。

“后来我们开始对工艺中的这一部分进行研究,虽然目前还存在一些障碍,不过我相信我们能克服。基本上这种溶剂的回收率可接近 100%。只有实现了这一点,我们才可认真考虑将这种工艺升级。 这需要一些时间,不过我们通过努力正在向成为纸浆行业优选合作伙伴的目标一步步迈进。”Sixta 表示。


 

不断潜心研究,旨在达成更高水准

在许多方面纸浆行业都具有独特优势,可以对生物经济做出重要贡献。尽管现有的纸浆技术起源于十九世纪,不过纸浆行业仍具有巨大潜力,可对其可再生型原材料进行创新应用。


在许多方面纸浆行业都具有独特的优势,可以对生物经济做出重要贡献。

Sixta 教授认为,要将纤维素纤维推动至纺织生产的新水准, 取决于各种可用资源。精炼生物型材料是一种资源高度密集型业务。

“我们当然可以进行学术研究,不过缺乏将其升级的资源。 我们需要生产出一定数量的成品,这些成品将由选定的客户进行测试,以了解他们的反馈意见。同时也需要进行推广宣传。”

如果是由 Sixta 的团队来负责这一事宜,他认为他们可以提交 所需的数据库进行预研究,管理层董事会可根据预研究结果来 确定是否进行下一步投资。这将是一座中试工厂,每天需要生 产 1 至 5 吨左右的纤维,在价值上相当于 2-3 千万欧元。

尽管生物经济得到积极支持且作为芬兰政府重点项目之一的地位得到提升,但关于该项目的融资方面目前情况尚不确定。

“毫无疑问,我们非常感谢各个森林公司和公共融资机构的支持,不过要把事情推到到新层次还有些距离。造成这种情况的一部分原因是在这一领域芬兰的公司不像以前拥有强大的自主研发部门,如果有强大的研发部门我们可以从中获得并不断扩展相关知识。”

与棉或粘胶纤维相比,采用新型 IONCELL 工艺制成的纤维具有更高的强度。

多功能纤维

不论在哪种情况下纺织品始终是 Sixta 首选的纤维素纤维未来应用领域,原因如下。

“纺织行业规模庞大,且市场需求可预测。此外,由于纸浆是现成的,生产纺织纤维只是在现有工艺理念上进行进一步扩展,因此这将是原产品的增值方式。”

Sixta 提到纤维素纤维也可能进入其他产业,例如新型玻璃纸的生产(由于与原材料粘胶纤维相关的环境问题,这种玻璃纸正在被逐渐淘汰。)。

如果纺织纤维的新应用获得成功,它也将为深入研究提供更多机遇。

“雄厚的经济支持可助力我们自由探索半纤维素与木质素增值过程,并为这种多功能材料研发出更多用途,”Sixta充满热情地说道。

有效利用副产品


提倡生物经济的宗旨在于通过使用可再生型自然资源与可回收的材料来实现低碳、高能效的社会。芬宝在芬兰中部的艾内科斯基(Äänekoski)新建的生物制品工厂计划将于 2017 年第三季度竣工,是上述目标的实际落实。

这家生物制品工厂是充分利用有价值木材原料的极佳范例。除了生产优质纸浆,它还生产各种生物制品,例如妥尔油、松节油、沼气、生物电与木材燃料。利用生产支流工艺可能生成的新型副产品包括木质素衍生型产品、硫酸、新型纺织纤维、生物复合材料、化肥和沼气。

该工厂的建立目的在于让各个公司独特的生物经济生态系统可以生产各种不同的产品。到目前为止,在研发新型生物制品方面有三家公司已被指定为芬宝的潜在合作伙伴。

 


成立于艾内科斯基(Äänekoski)的这家生物制品工厂是充分利用有价值木材原料的极佳范例


芬宝公司将和其合资伙伴伊藤忠一起继续研发利用木浆生产纺织纤维的新工艺。芬宝还将和 FA Forest 一道合作研究将纸浆生产中产生的灰作为化肥和土建材料的潜在应用。此外,芬宝还与 Elastopoli 一起携手共同研究利用纸浆生产各种复合材料的研发途径。

这家生物制品工厂将生成自身需求量的 2.4 倍电量,助力芬兰实现其可再生能源目标。投入运营后,该工厂将把芬兰可再生能源的市场份额提高两个百分点以上。



 


 

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