纤维性质对成纸性能的影响

纤维性质对成纸性能的影响
有关纤维性质和产品性能之问的关系已有不少研究，通常采用两种方法：一种是对浆进行分级或以不同的本材制浆，以获得具有不同特性的纤维，并通过打浆改变纤维和纸页的性能，研究纸性对纤维性质的依赖关系，但由于各种纤维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；第二种方法是用不同尺寸的人造纤维抄片，研究纤维性质对成纸性能的影响，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。

近年来Seth采用新的方法，研究了纤维性质对工艺过程和产品性能的影响，为了确定每种纤维性质的独立影响，实验时每次只改变一种纤维性质，尽可能保持其它纤维性质不变，同时，为避兔打浆引起纤维性质的改变，纤维之间的结合程度主要通过湿压来控制。

本文主要根据Seth，Page和Claxk等人的研究结果，就纤维的三个基本性质对纸性的影响进行阐述。

1纤维长度的影响
纤维长度对各种强度性质都有影响，但影响程度不同，如下列公式（适用于一般写字纸或印刷纸）所示：
式中：z－－－－零距抗张强度读S－－－粘合强度
L----------重均纤维长度G－－－－纤维诅度
V——标准比容
括号中的指数为估算值，有待于进一步实验证实。

系数K和各项指数随浆料、纸种不同而变化。

此外，纤维长度对纸页成形也有影响，分别讨论如下：
1对抗张强度的影响
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。

公式（1）表明，裂断长与重均纤维长度的0．5次方成正比；通过对不同长度的未干燥过的针叶木未漂即浆构成纸页的抗张性能的研究，也得出如下关系式：
公式表明，在一定的纸页紧度时，抗张强度随纤维长度的增加而提高，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。

1．2对撕裂度的影响
纤维长度对撕裂度的影响很大，从公式（3）可看出，撕裂度与重均纤维长度的1．5次方成正比。

后来的研究进一步表明，撕裂度对纤维长度的依赖程度随纤维结合情况而变化，结合程度较低时，依赖性较大；结合程度较高时，依赖性减少，如图1所示。

因为结合差的纸页撕裂时，较多的纤维被拉出来，而不是被拉断，撕裂度受破裂的结合点数量的控制，这与纤维长度密切相关丽对结合好的纸页，撕裂时更多的纤维被拉断，而不是被拉出来，因而撕裂度主要受纤维断裂的控制，纤维长度的影响较小。

1．3对耐破度和耐折度的影响
纤维长度对耐破度和耐折度都有很大的影响，尤其是耐折度对纤维长度有极高的依赖性（公式）。

从图2、3可看出，耐破度和耐折度随着纤维长度和纸页紧度的增加而提高，而且纤维愈长，结合愈好，增
加愈多。

1．4对纸页结构的影响
纤维长度影响纸页的成形，纸页的成形指数FI定义为局部定量的变化系数，即
FI二。

（W）／W（6）
式中：W——平均定量／（W）——定量的标准伯差
显然，成形指数愈低，纸页愈均匀。

通过切断纤维研究纤维长度对成形指数的影响，发现较长的纤维构成的纸页成形指数较高，表明长纤维纸页成形差，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。

由于切断纤维并不会改变纸页网络结构中纤维相交的总数和孔隙的平均尺寸，因此，当粗度、定量和紧度不变对，减少纤维长度不会导致诸如透气度、光滑度或光散射系数等结构性质的改变。

2纤维强度的影响
纤维强度即单根纤维的内在强度，通常以试样的零距裂断长表示。

单根纤维强度与细胞壁的厚度以及细胞壁中微细纤维的角度密切相关，尤其是微细纤维的角度影响很大，纤维强度随微细纤维角度的增大而下降。

由纤维素构成的微细纤维是纤维承受负荷的基体，因而纤维素的含量及其结晶度的大小对纤维强度有直接的影响。

在制浆过程中遭受的工艺损伤也会影响纤维强度。

纤维强度是影响纸页强度的重要因素之一，理论上是给定的纸浆可能获得的最高强度，但实际不可能达到，因为纸的强度不仅取决于原始纤维的强度，还取决于纤维之间的结合程度。

究竟哪一方面更为重耍，要看具体情况下哪一个固素在起主导作用。

2．1对抗张强度的影响
纸页的抗张强度与纤维强度和结合强度的关系，通常以下式表示：
l／T= l／F＋l／B （7）
式中T一一抗张强度F一一纤维的强度指数
B一一纤维之间的结合指救
公式表明，抗张强度主要受纤维强度和纤维结合两方面的影响，当纤维结合较弱时1／B为主要决定因素，而抗张强度主要受纤维结合的控制；如果纤维结合程度大，l／B占比例小，l／T取决于1／F，此时，纤维强度的影响显得更为重要。

为了确定纤维强度对纸页抗张性能的影响，采用浓盐酸蒸汽处理纸页的方法，使纤
维强度下降，但不影响其它纤维性质。

由于结合指数B取决于纤维形态、纤维间的剪切强度和纤维的相对结合面积，而酸处理方法不会改变这些因责，因而结合指数不变，只是改变了纤维的强度指数入试验结果表明，l/T与1/F成直线关系（图4），与公式（7）相符。

该公式已获普遍的认可，很多研究以此为基础。

2．2对撕裂度和耐折度的影响
纤维强度对撕裂度的影响程度与纤维之间的结合程度有关。

有研究表明，当纤维较长，有足够的结合时，撕裂度与纤维强度的平方成正比，如果纤维较短，结合较差，撕裂度对纤维强度的依赖性减弱，因为此时在撕裂部位，纤维通常是被拨出，而不是拉断。

纤维强度对耐折度有极大的影响，有研究结果显示，耐折度与纤维强度的6～8次方成
正比。

3纤维粗度的影响
纤维粗度定义为单位长度纤维的质量，对一根横截面积为A的纤维，其粗度C与A的关系用下式表示：
由于粗度与纤维的横截面积成正比，对于一定宽度的纤维，粗度大的必然细胞壁厚，团而纤维柔韧性差，不易压溃，纤维相互之间接触较少。

粗度还关系到单位质量纤维的根数Ng：
当纤维长度一定时，Ng与纤维粗度成反比，即粗度大的纤维，每克浆中纤维数较少，对于一定定量的纸页，单位面积上的纤维数目较少，因而纤维与纤维之间的接触也少。

粗度与纤维的比表面积（SSA）也有关系，如果忽略纤维两端的面积，则
公式表明，对于一定的纤维周长，粗度较大的纤维，比表面积较小，也不利于纤维之间的结合。

由此可见，纤维粗度的影响，实质上可归结为纤维结合的影响，从而导致纸页所有性能的变化。

分别讨论如下：
3．1对纸页强度性质的影响
纤维粗度对各种强度性质都有不同程度的影响，尤其是对那些与纤维结合密切相关的强度性质影响更大。

根据Page提出的表达抗张强度的公式：
重新整理后为：
由式（13）可看出，抗张强度正比于结合程度，而结合程度又与纸页的紧度成正比；在一定的纸页紧度，抗张强度正比于P／C，即纤维的比表面积。

Seth的实验结果与公式一致，随着纤维粗度的增加，比表面积减少，抗张强度下降。

纤维粗度对撕裂度的影响同样是基于纤维结合的变化。

但撕裂度对纤维结合的依赖关系较为复杂，开始，随着结合程度的增加，愈来愈大的力消耗在拨出纤维，因而撕裂度增加；当达到一最大值后，随着结合程度的进一步增加，愈来愈多的纤维断裂，由于裂断纤维所需的力小于出纤维所需的力，所以撕裂度反
而下降b正是由于这个原因，粗度较大的纤维，赋予纸页较高撕裂度，但随着纤维之间结合程度的增加，撕裂度对纤维粗度的依赖性减小。

32对纸页结构及其相关性质的影响
根据Corte和Dodson的研究，在一个随机纸页中，点与点之间的定量变化可通过下式求得：
由公式可见，在乎均定量、纤维长度、宽度不变时，纸页的成形指数（。

栅卿）与纤维粗度的平方根成正比。

Seth采用长度、宽度类似，而粗度不同的纤维抄片，研究粗度对成形指数的变化，得到的结果与上述理论推导相符成形指数随纤维粗度的变化接近于平方根的关系，当粗度加倍时，成形指数增加约40％。

由于粗度较大的纤维细胞壁较厚，单位质量浆中纤维数日少，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照度较低。

四结论
纤维长度、强度和粗度是造纸纤维的三个基本性质。

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。

降低纤维长度，除改善成形以外，对纸页的结构性质没有多少直接影响，但导致机械强度下降，尤其是对耐折度和撕裂度的影响更大，相对而言，对主要受纤维结合控制的抗张度的影响较小。

一般说来，较长的纤维赋予纸页较高的强度，尤其是对结合较差的纸页。

当纸页结合良好时，纤维长度的影响就显得没有那么重要了。

纤维强度对纸页强度的影响也与纤维结合程度有关。

对结合较差的纸页，其影响程度很小，因为纸页断裂主要发生在结合部位，并不是纤维断裂；而对结合良好的纸页，纤维强度大大地影响受纤维裂断控制的那些强度性质，纤维强度的降低会导致抗张强度、耐破度、耐折度和撕裂度的明显下降，尤其是耐折度下降更多。

由于绝大多数纸页都是结合很好的，纤维强度直桂影响副纸的强度。

因此在工艺过程中，应将纤维强度的损失降低到最小限度。

纤维粗度的影响，归根到底是由于纤维结合的影响。

租度较大的纤维纫胞壁较厚，单位质量中纤维数少，比表面积较小，因而构成的纸页松厚、多孔、粗糙，不透明度较小，纸页的抗张强度较差，但撕裂强度较大，因而遁合生产要求松厚度和孔隙度大的纸种；而粗度较小的纤维宜于生产强度、挺度、平滑度以及不透明度高的纸种。