纤维特征对纸张结构和性能的影响

目录

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第一章前言 (2)

第二章纸张介绍 (3)

第三章纤维特征 (4)

第一节纤维的长度 (6)

第二节纤维的粗度 (7)

第三节纤维的强度 (7)

第四章与纸张结构的关系 (8)

第一节成形性能 (8)

第二节紧度 (8)

第三节光散射系数 (9)

第五章抗张强度 (10)

参考文献 (12)

致谢 (13)

摘要

纤维特征在造纸过程中影响纸页的结构，并决定纸页的性能。本文主要概述了造纸纤维的几种重要特征，如纤维长度、纤维粗度、纤维的内在强度，并分别从微观和宏观的角度，分析了纤维的特征对纸张结构和性能的影响关系。

第一章前言

纸张是以纤维为主体的多相网状结构材料，并具有各向异性、多孔性、柔软性和再利用性等特点。造纸用纤维主要包括植物纤维，如木材纤维、草类纤维、棉麻纤维等，和非植物纤维，如化学纤维、无机纤维、微生物纤维等。不同的纤维种类和特征，其成纸性能的差异很大。

关于纤维特征和纸张性能之间的关系，通常有两种研究方法[1]：

（1）对浆进行分级或以不同的原料制浆，以获得具有不同特性的纤维，并通过打浆来改变纤维和纸页的性能，研究纸张对纤维性质的依赖关系。但由于纤维各种性质之间的相互关联以及打浆导致纤维性质的改变，很难确定单个因素的影响；

（2）用不同尺寸的人造纤维抄片，研究纤维特征对成纸性能的影响。虽然能获得纤维与纸页性能之间实验关系，但对真实的纸浆是否适用尚存疑虑。

第二章纸张介绍

纸张是一种非匀质材料，结构复杂，其结构特点可归纳为如下几方面：

（1）具有多种元素：纤维、填料、胶料和色料等，其中纤维是纸张结构最基本的元素，纤维原料的种类和加工方法不同，纸张的结构和性质也各不相同。填料、胶料等也因品种不同而有性能差异。

（2）纤维、填料、胶料和色料在纸页X-Y-Z3个方向上的分布具有各向异性，表现在纤维的排列方向不同，不同尺寸的纤维分布不同，以及填料、胶料、色料和空气含量等的分布不同。这种结构的各向异性，主要决定于抄纸的方法和使用的设备。

（3）大多数纸张具有两面性，即纸张两面的性质不同。

（4）纸张具有孔隙结构，纸张的多孔结构（孔隙率）决定了纸张具有透气性、吸湿性、吸收性和可压缩性，这是纸张能吸收水、油墨等液体物质的基础。（5）纤维、填料、胶料和色料之间的结合决定着纸张的机械强度和与其他物质的结合力。

第三章纤维特征

纤维特征的重要性体现在两方面：一是在造纸过程中影响纸页结构的成形，二是决定纸页的性能。造纸用纸浆包括机械浆和化学浆，他们对于纸张性能的影响不同，纸张结构取决于纤维尺寸和湿纤维的机械性能，干纤维和纸张的机械性能则取决于他们干燥时的压力[2]。

纤维素分子结构

纤维素

纤维的性能包括纤维间的结合力、纤维的尺寸和浆料准备及化学品添加阶段的优化性能[3]。纤维长度、粗度和强度是造纸纤维的三个基木性质，与成纸的性能有着密切的关系。前者反映了纤维形态的基本特征，对纸张的物理性能和印刷性能影响较大，对纸页的吸收性和孔隙率影响更大[4]。

图1

不同的浆种和处理方式，所得纤维的特性也有很大差异。由图1（图中纸浆均为商品浆，由松树、云杉、桦树和白杨组成）可以看出，针叶木浆纤维长度分布高于机械浆和阔叶木浆，但宽度分布的区别级别则没有那么显著，即不同浆料纤维的宽度平均值差别不大。另外，不同浆种的壁厚和横截面积分布反映的平均值差异不大，但横截面积大的纤维，其细胞壁厚度也大。

纸浆纤维的尺寸在造纸流程中不断变化。在化学制浆和漂白过程中，木素和半纤维素从纤维细胞壁上溶出，纤维变得更薄而更柔软。机械处理，如混合、打浆、增浓等，使纤维发生变形，导致纤维卷曲，从而影响纤维长度。化学浆的纤维由5%-10%细小纤维、30%中间组分和保留的长纤维组分组成，机械浆中的纤维组分则各占1/3。

纤维素纸卷

纤维的长度、粗度和强度是造纸纤维的三个基本性质，与纸张的性能有着密切的关系。前两者反映了纤维形态的基本特征，纤维长度和强度的变化主要影响纸页的强度，而纤维粗度的影响几乎遍及所有纸页的性质。

图1 不同浆种的纤维长度、宽度、纤维壁厚、横截面积分布特性曲线[5]

第一节纤维的长度

长度是造纸纤维的一个最重要特征。纸浆纤维的平均长度与纸张综合强度存在着密切的相关性[6]，长纤维可以提供更大的结合面积与更好的作用应力分布，在纤维之间产生更多的键结合，使得纤维网络强度更大。湿纸页的强度随纤维长度的增加而迅速增加。抗张强度、撕裂度、耐破度业虽纤维长度提高而改善。但长度增加到一定程度时，在纸浆悬浮液中极易絮聚成团，对纸页匀度有负面作用，甚至降低纸页强度。

纤维长度以及柔韧度、细度和纸页密度控制各单根纤维所产生的纤维接触面积，因此，纤维的长度对纸张结构有很大的影响。较宽的、较厚的长纤维使挺度增加，粗长的纤维不易压溃，所以可获得较高的松厚度、接触面积少而更疏松的结构，以及较低的耐破度和抗张强度。

纤维长度本身作为主要的纸浆质量参数，并不具有现实意义。因为纤维的规格，如长度、宽度、细胞壁厚度和粗度等，都是相互联系的，只有综合考量，才能科学评价其对制浆造纸的影响，进而确定纤维特征与纸张性能的关系。

第二节纤维的粗度

纤维粗度是指单位纤维长度的质量，以100m长纤维的绝干质量( mg)表示。粗度的数学表达式为：C=d×105/n, d是单位容积重量，n是每平方毫米的纤维数量。粗度在抄纸中与纤维长度一样重要，但由于其测量较难而很少应用。造纸用的最粗纤维，其粗度可超过30mg/100m，而极细小纤维则小于l0mg/100m[7]。

粗度对纸张的多数强度性能、空气和液体渗透性以及表面平滑度均有重要的影响。粗度与每克重的纤维数之间有一个相反的关系，它可影响纸张的许多强度性能。Sastry发现在纤维质量和长度之间有接近线性的关系，并指出较长的木材纤维一般比短纤维要粗一些。粗度对确定纸浆质量很重要，对纸张的性能有很大的影响，它通常不受打浆的影响。

第三节纤维的强度

图2

如图2所示，植物纤维的强度比许多工程材料还要大，但纸页强度并不高，纤维本身的强度远大于由其组成的纸张强度。这一方面说明单根纤维的强度并不能决

定纸页的强度，另一方面也表明纸页的强度取决于多种因素，包括纤维间的结合强度、纤维长度和纤维本身固有强度，真正决定纸张强度的是纤维—纤维的结合强度。要提高纸张强度，必须从提高纤维—纤维的结合强度着手。

纤维的强度一般用零距离抗张强度值表示。随着纸页紧度的增加，纤维的强度对纸张抗张强度和耐破度的影响更大。最近的研究认为，在一定抗张强度时的撕裂度与纤维强度的立方几乎成正比。纤维的强度愈大，其借助于纤维间的结合力对纸张强度所作的贡献也就愈大。

第四章与纸张结构的关系

纸张是由纤维、辅料、空气、水分组成的多相网络式孔状材料。网状结构与纤维和键合微观特性之间的联系来自于纸张干燥过程（纤维网络产生内应力），这种内应力是局部性的，作用于纤维内部和纤维之间。宏观上，这种内应力为零，它取决于纤维收缩的各向异性，干燥时作用于纸页。

第一节成形性能

在造纸湿部影响纸张匀度的两个主要参数是：纤维间结合点的数量及其结合强度，他们同时也影响纤维悬浮液的强度。纤维之间接触点增加，可提高纤维悬浮液的强度，却破坏了纸页的匀度。受纤维悬浮液浓度和纤维尺寸影响的絮聚因子，可用来表示纤维间的结合点数量[9]。

纸张的匀度与纤维的长度和粗度有着密切的关系。对于未漂的硫酸盐浆，随着纤维长度的降低，其纸页的匀度提高。长纤维纸页成形差，主要是由于在抄片过程中长纤维的絮聚程度较大，而短纤维易流动、滤水好，形成的纸页较均匀。对于纤维的粗度，有着类似的结论，即纤维越细，其匀度越好，越有利于成形。

第二节紧度

当纤维的长度和粗度都较低时，纤维的网络系统有更加紧凑的趋势。随着纤维长度的降低，所形成纸页的紧度提高。类似的，纸张紧度随纤维粗度的增大而下降。纸张紧度的主要影响因素是纤维的粗度、细纤维化、干燥时的起皱性及浆中细小纤维含量。而纤维粗度对纸张紧度的影响可能是由纤维粗度对纤维的湿柔韧性的

影响所致，因为粗度越大的纤维其湿柔韧性相对越小，因而在纸页成形时，纤维间的交织面积及结合力相对也越小，从而使纸张的紧度也越小。粗度较大的纤维细胞壁较厚，单位质量浆中纤维数目少，因而造出的纸松厚、多孔和粗糙。同时由于其比表面积较小，可供光射散的面积较少，因而构成的纸页不透明度较低。

第三节光散射系数

低粗度的纤维意味着较为细小并具有较多的结合面积，使未结合面积(非光学接触面积)减少，而光的反射和散射只能发生在未结合面积上，因此浆张的散射系数和不透明度，随着纤维粗度的下降而降低[10]。

未键合纤维的光散射系数来自于比表面积或单位质量面积。如图3所示，纤维细

越高，例如早材纤维。机械浆纤维由胞壁厚越小，化学浆纤维的光散射系数S

f

于比表面积较低，比化学浆纤维散射的光少。机械浆纤维成纸具有更加多孔和松厚的结构，也与这种差异有一定联系[11]。

细小纤维大的比表面积使其具有高的键合能力，从而有利于纸页巩固。化学和机械浆的细小纤维的恶影响由于不同的表面化学和比表面积而不同。机械浆的细小纤维比化学浆的粗糙、硬挺。全化学浆成纸的表观紧度可达1200kg/m3以上，而机械浆成纸则大约500kg/m3。

机械浆的细小纤维组分对成纸光散射系数有很大影响，这是因为细小纤维即使在

可以达到纸页中也保留一些外露区域。机械浆未键合细小纤维的光散射系数S

f

100m2/kg以上，相比之下，化学浆的细小纤维几乎都成键，S

可低达5 m2/kg.。

f

由图4可知，当添加化学浆细小纤维时，纸页紧度增加，但光散射系数维持恒定或略微降低；当添加少量机械浆细小纤维时，有类似的变化趋势，但添加量较大，纸页紧度恒定，光散射系数急剧增加。

第五章抗张强度

层的纸页，每单位克重W，其中λ为纤维长度，π为纤维粗度。公式显示对任意N

L

每单位宽度所需的力正比于纤维的长度，反比于纤维粗度的平方；f是纤维—纤维间的摩擦力，C是每单位纤维长度的平均质量。这些假设和试验的结果基本是吻合的，公式为我们展示了纤维本身的特型对纸页性能的影响。

在一定的纸页紧度时，抗张强度随纤维长度的增加而提高，由于长纤维能提供更多的结合点，同时长纤维本身具有较高的强度，有利于应力均匀分布。但当长度达到某个值(2. 95mm)时，继续增加纤维长度并不能导致抗张强度的进一步提高。

这是因为当纤维达到一定长度，有相当多的结合点时，拨出纤维比拉断纤维困难，此时抗张强度主要受纤维强度控制，不再随纤维长度的增加而变化。

在不同的打浆转数下，由不同纤维粗度的纤维抄得的纸张，其抗张强度随纤维粗度的增加逐渐降低，这是因为纸张抗张强度主要取决于纤维间的结合力。随着纤维粗度的增加，比表面积减少，抗张强度下降。由纤维粗度较大的纤维抄得的纸张，其纤维间结合力相对要小一些，因而，其纸张的抗张强度也相对要小。另外，随着打浆的进行，提高了纤维结合力，纸页的抗张强度也不断增加。

细小纤维组分可以通过三种方式改善纤维结合：

①比结合强度（类似胶水的作用）；

②纤维交叉部分的键合面积（结合边界的累加）；

③纤维之间的结合数量（拉近纤维）。

因此,在纤维中加入细小组分(也含有细小纤维组分)可以提升抗张指数就很正常。

参考文献

1.华同文等著《普通化学原理》（第二版），北京大学出版社，1993年

2.天津大学无机化学教研室编，《无机化学》（第二版），高等教育出版社，1992年

3. 武汉大学等校编，《无机化学》（第二版），高等教育出版社，1988年

4. 武汉大学等校编，《分析化学》（第二版），高等教育出版社，1982年

5.华东理工大学分析化学教研组等编，《分析化学》（第四版），高等教育出版社，1982年

6.彭崇慧等编著，《定量化学分析简明教程》，北京大学出版社，1985年

7.南京化工学院等校编，《无机化学分析》，高等教育出版社，1984年

8.杭州大学化学系粪臭化学教研编，《分析化学手册》，化学工艺出版社，1979年

9.李赋宁，化学史，北京：商务印书馆，2004年

11.林天送，纤维素的结构与制造，建宏出版社，1999年

12.刘榕，纸张的基本制造理论，人们教育出版社，2003年

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