纖維特征對(duì)紙張結(jié)構(gòu)和性能的影響

1、目錄纖維特征對(duì)紙張結(jié)構(gòu)和性能的影響 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。摘要 2第一章 前言 2第二章 紙張介紹 3第三章 纖維特征 4第一節(jié) 纖維的長(zhǎng)度 6第二節(jié) 纖維的粗度 7第三節(jié) 纖維的強(qiáng)度 7第四章 與紙張結(jié)構(gòu)的關(guān)系 8第一節(jié) 成形性能 8第二節(jié) 緊度 8第三節(jié) 光散射系數(shù) 9第五章 抗張強(qiáng)度 10參考文獻(xiàn) 12致謝 13摘要纖維特征在造紙過(guò)程中影響紙頁(yè)的結(jié)構(gòu)， 并決定紙頁(yè)的性能。本文主要概述了造 紙纖維的幾種重要特征，如纖維長(zhǎng)度、纖維粗度、纖維的內(nèi)在強(qiáng)度，并分別從微 觀和宏觀的角度，分析了纖維的特征對(duì)紙張結(jié)構(gòu)和性能的影響關(guān)系。第一章前言紙張是以纖維為主體的多相網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料， 并具有各向異性、多孔性、

2、柔軟性和 再利用性等特點(diǎn)。造紙用纖維主要包括植物纖維，如木材纖維、草類纖維、棉麻 纖維等，和非植物纖維，如化學(xué)纖維、無(wú)機(jī)纖維、微生物纖維等。不同的纖維種 類和特征，其成紙性能的差異很大。關(guān)于纖維特征和紙張性能之間的關(guān)系，通常有兩種研究方法 ：（1）對(duì)漿進(jìn)行分級(jí)或以不同的原料制漿，以獲得具有不同特性的纖維，并通過(guò) 打漿來(lái)改變纖維和紙頁(yè)的性能，研究紙張對(duì)纖維性質(zhì)的依賴關(guān)系。 但由于纖維各 種性質(zhì)之間的相互關(guān)聯(lián)以及打漿導(dǎo)致纖維性質(zhì)的改變，很難確定單個(gè)因素的影響；（2）用不同尺寸的人造纖維抄片，研究纖維特征對(duì)成紙性能的影響。雖然能獲 得纖維與紙頁(yè)性能之間實(shí)驗(yàn)關(guān)系，但對(duì)真實(shí)的紙漿是否適用尚存疑慮。第二章

3、紙張介紹紙張是一種非勻質(zhì)材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可歸納為如下幾方面：（1）具有多種元素：纖維、填料、膠料和色料等，其中纖維是紙張結(jié)構(gòu)最基本的元素，纖維原料的種類和加工方法不同，紙張的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也各不相同。填料、 膠料等也因品種不同而有性能差異。（2）纖維、填料、膠料和色料在紙頁(yè)X-Y-Z3個(gè)方向上的分布具有各向異性，表 現(xiàn)在纖維的排列方向不同，不同尺寸的纖維分布不同，以及填料、膠料、色料和 空氣含量等的分布不同。這種結(jié)構(gòu)的各向異性，主要決定于抄紙的方法和使用的 設(shè)備。（3）大多數(shù)紙張具有兩面性，即紙張兩面的性質(zhì)不同。（4）紙張具有孔隙結(jié)構(gòu)，紙張的多孔結(jié)構(gòu)（孔隙率）決定了紙張具有透氣性、 吸濕

4、性、吸收性和可壓縮性，這是紙張能吸收水、油墨等液體物質(zhì)的基礎(chǔ)。（5）纖維、填料、膠料和色料之間的結(jié)合決定著紙張的機(jī)械強(qiáng)度和與其他物質(zhì) 的結(jié)合力。第三章纖維特征纖維特征的重要性體現(xiàn)在兩方面：一是在造紙過(guò)程中影響紙頁(yè)結(jié)構(gòu)的成形，二是 決定紙頁(yè)的性能。造紙用紙漿包括機(jī)械漿和化學(xué)漿，他們對(duì)于紙張性能的影響不同，紙張結(jié)構(gòu)取決于纖維尺寸和濕纖維的機(jī)械性能，干纖維和紙張的機(jī)械性能則取決于他們干燥時(shí)的壓力20纖維素分子結(jié)構(gòu)纖維素纖維的性能包括纖維間的結(jié)合力、纖維的尺寸和漿料準(zhǔn)備及化學(xué)品添加階段的優(yōu) 化性能3。纖維長(zhǎng)度、粗度和強(qiáng)度是造紙纖維的三個(gè)基木性質(zhì)，與成紙的性能有 著密切的關(guān)系。前者反映了纖維形態(tài)的基本特

5、征，對(duì)紙張的物理性能和印刷性能 影響較大，對(duì)紙頁(yè)的吸收性和孔隙率影響更大 圖1不同的漿種和處理方式，所得纖維的特性也有很大差異。由圖1 （圖中紙漿均為商品漿，由松樹(shù)、云杉、樺樹(shù)和白楊組成）可以看出，針葉木漿纖維長(zhǎng)度分布高 于機(jī)械漿和闊葉木漿，但寬度分布的區(qū)別級(jí)別則沒(méi)有那么顯著，即不同漿料纖維的寬度平均值差別不大。另外，不同漿種的壁厚和橫截面積分布反映的平均值差 異不大，但橫截面積大的纖維，其細(xì)胞壁厚度也大。紙漿纖維的尺寸在造紙流程中不斷變化。在化學(xué)制漿和漂白過(guò)程中，木素和半纖 維素從纖維細(xì)胞壁上溶出，纖維變得更薄而更柔軟。機(jī)械處理，如混合、打漿、 增濃等，使纖維發(fā)生變形，導(dǎo)致纖維卷曲，從而影響

6、纖維長(zhǎng)度。化學(xué)漿的纖維由 5%-108細(xì)小纖維、30%間組分和保留的長(zhǎng)纖維組分組成，機(jī)械漿中的纖維組分纖維素紙卷纖維的長(zhǎng)度、粗度和強(qiáng)度是造紙纖維的三個(gè)基本性質(zhì)， 與紙張的性能有著密切的 關(guān)系。前兩者反映了纖維形態(tài)的基本特征，纖維長(zhǎng)度和強(qiáng)度的變化主要影響紙頁(yè) 的強(qiáng)度，而纖維粗度的影響幾乎遍及所有紙頁(yè)的性質(zhì)。疋 AIXJanIKi:fHanfwooc*MwhanmlSoftwwdo0Fltwr Wan Thtcfcn»w 伽io曲ao«osoHardwoodSoftwoodMechaniHlFg Length (mm)fiGSQQ10H)150&Cross Sedion

7、al Area (jim2)204000 M LOQ 120FberWidlh(um)20002500ADUenbcdLL.ffi>£ll 曙 H圖1不同漿種的纖維長(zhǎng)度、寬度、纖維壁厚、橫截面積分布特性曲線5第一節(jié)纖維的長(zhǎng)度長(zhǎng)度是造紙纖維的一個(gè)最重要特征。紙漿纖維的平均長(zhǎng)度與紙張綜合強(qiáng)度存在著 密切的相關(guān)性，長(zhǎng)纖維可以提供更大的結(jié)合面積與更好的作用應(yīng)力分布，在纖 維之間產(chǎn)生更多的鍵結(jié)合，使得纖維網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度更大。濕紙頁(yè)的強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的 增加而迅速增加。抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐破度業(yè)雖纖維長(zhǎng)度提高而改善。 但長(zhǎng)度 增加到一定程度時(shí)，在紙漿懸浮液中極易絮聚成團(tuán)，對(duì)紙頁(yè)勻度有負(fù)面作用，甚

8、至降低紙頁(yè)強(qiáng)度。纖維長(zhǎng)度以及柔韌度、細(xì)度和紙頁(yè)密度控制各單根纖維所產(chǎn)生的纖維接觸面積， 因此，纖維的長(zhǎng)度對(duì)紙張結(jié)構(gòu)有很大的影響。 較寬的、較厚的長(zhǎng)纖維使挺度增加， 粗長(zhǎng)的纖維不易壓潰，所以可獲得較高的松厚度、接觸面積少而更疏松的結(jié)構(gòu)， 以及較低的耐破度和抗張強(qiáng)度。纖維長(zhǎng)度本身作為主要的紙漿質(zhì)量參數(shù)，并不具有現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)槔w維的規(guī)格， 如長(zhǎng)度、寬度、細(xì)胞壁厚度和粗度等，都是相互聯(lián)系的，只有綜合考量，才能科 學(xué)評(píng)價(jià)其對(duì)制漿造紙的影響，進(jìn)而確定纖維特征與紙張性能的關(guān)系。第二節(jié)纖維的粗度纖維粗度是指單位纖維長(zhǎng)度的質(zhì)量，以 100m長(zhǎng)纖維的絕干質(zhì)量（mg）表示。粗度 的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：C=dx io5/n

9、, d是單位容積重量，n是每平方毫米的纖維數(shù)量。 粗度在抄紙中與纖維長(zhǎng)度一樣重要， 但由于其測(cè)量較難而很少應(yīng)用。造紙用的最 粗纖維，其粗度可超過(guò) 30mg/100m而極細(xì)小纖維則小于IOmg/1OOm。粗度對(duì)紙張的多數(shù)強(qiáng)度性能、空氣和液體滲透性以及表面平滑度均有重要的影 響。粗度與每克重的纖維數(shù)之間有一個(gè)相反的關(guān)系，它可影響紙張的許多強(qiáng)度性 能。Sastry發(fā)現(xiàn)在纖維質(zhì)量和長(zhǎng)度之間有接近線性的關(guān)系，并指出較長(zhǎng)的木材 纖維一般比短纖維要粗一些。粗度對(duì)確定紙漿質(zhì)量很重要，對(duì)紙張的性能有很大 的影響，它通常不受打漿的影響。第三節(jié)纖維的強(qiáng)度圖2如圖2所示，植物纖維的強(qiáng)度比許多工程材料還要大， 但紙頁(yè)強(qiáng)

10、度并不高，纖維 本身的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于由其組成的紙張強(qiáng)度。 這一方面說(shuō)明單根纖維的強(qiáng)度并不能決 定紙頁(yè)的強(qiáng)度， 另一方面也表明紙頁(yè)的強(qiáng)度取決于多種因素， 包括纖維間的結(jié)合 強(qiáng)度、纖維長(zhǎng)度和纖維本身固有強(qiáng)度， 真正決定紙張強(qiáng)度的是纖維纖維的結(jié)合 強(qiáng)度。要提高紙張強(qiáng)度，必須從提高纖維纖維的結(jié)合強(qiáng)度著手。纖維的強(qiáng)度一般用零距離抗張強(qiáng)度值表示。 隨著紙頁(yè)緊度的增加， 纖維的強(qiáng)度對(duì) 紙張抗張強(qiáng)度和耐破度的影響更大。 最近的研究認(rèn)為， 在一定抗張強(qiáng)度時(shí)的撕裂 度與纖維強(qiáng)度的立方幾乎成正比。 纖維的強(qiáng)度愈大， 其借助于纖維間的結(jié)合力對(duì) 紙張強(qiáng)度所作的貢獻(xiàn)也就愈大。第四章 與紙張結(jié)構(gòu)的關(guān)系紙張是由纖維、 輔料、空氣

11、、 水分組成的多相網(wǎng)絡(luò)式孔狀材料。 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與纖維 和鍵合微觀特性之間的聯(lián)系來(lái)自于紙張干燥過(guò)程 （纖維網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力） ，這種 內(nèi)應(yīng)力是局部性的， 作用于纖維內(nèi)部和纖維之間。 宏觀上， 這種內(nèi)應(yīng)力為零， 它 取決于纖維收縮的各向異性，干燥時(shí)作用于紙頁(yè)。第一節(jié) 成形性能在造紙濕部影響紙張勻度的兩個(gè)主要參數(shù)是：纖維間結(jié)合點(diǎn)的數(shù)量及其結(jié)合強(qiáng) 度，他們同時(shí)也影響纖維懸浮液的強(qiáng)度。 纖維之間接觸點(diǎn)增加， 可提高纖維懸浮 液的強(qiáng)度，卻破壞了紙頁(yè)的勻度。 受纖維懸浮液濃度和纖維尺寸影響的絮聚因子， 可用來(lái)表示纖維間的結(jié)合點(diǎn)數(shù)量 9 。紙張的勻度與纖維的長(zhǎng)度和粗度有著密切的關(guān)系。 對(duì)于未漂的硫酸鹽漿， 隨著纖

12、 維長(zhǎng)度的降低， 其紙頁(yè)的勻度提高。 長(zhǎng)纖維紙頁(yè)成形差， 主要是由于在抄片過(guò)程 中長(zhǎng)纖維的絮聚程度較大， 而短纖維易流動(dòng)、 濾水好， 形成的紙頁(yè)較均勻。 對(duì)于 纖維的粗度，有著類似的結(jié)論，即纖維越細(xì)，其勻度越好，越有利于成形。第二節(jié) 緊度當(dāng)纖維的長(zhǎng)度和粗度都較低時(shí)， 纖維的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有更加緊湊的趨勢(shì)。 隨著纖維長(zhǎng) 度的降低，所形成紙頁(yè)的緊度提高。 類似的，紙張緊度隨纖維粗度的增大而下降。 紙張緊度的主要影響因素是纖維的粗度、 細(xì)纖維化、 干燥時(shí)的起皺性及漿中細(xì)小 纖維含量。而纖維粗度對(duì)紙張緊度的影響可能是由纖維粗度對(duì)纖維的濕柔韌性的 影響所致， 因?yàn)榇侄仍酱蟮睦w維其濕柔韌性相對(duì)越小， 因而在紙頁(yè)

13、成形時(shí)， 纖維 間的交織面積及結(jié)合力相對(duì)也越小， 從而使紙張的緊度也越小。 粗度較大的纖維 細(xì)胞壁較厚， 單位質(zhì)量漿中纖維數(shù)目少， 因而造出的紙松厚、 多孔和粗糙。 同時(shí) 由于其比表面積較小，可供光射散的面積較少，因而構(gòu)成的紙頁(yè)不透明度較低 。第三節(jié) 光散射系數(shù)低粗度的纖維意味著較為細(xì)小并具有較多的結(jié)合面積，使未結(jié)合面積 （ 非光學(xué)接 觸面積 ）減少，而光的反射和散射只能發(fā)生在未結(jié)合面積上，因此漿張的散射系 數(shù)和不透明度，隨著纖維粗度的下降而降低 10 。未鍵合纖維的光散射系數(shù)來(lái)自于比表面積或單位質(zhì)量面積。 如圖 3 所示，纖維細(xì) 胞壁厚越小，化學(xué)漿纖維的光散射系數(shù) Sf 越高，例如早材纖維。

14、機(jī)械漿纖維由 于比表面積較低， 比化學(xué)漿纖維散射的光少。 機(jī)械漿纖維成紙具有更加多孔和松 厚的結(jié)構(gòu)，也與這種差異有一定聯(lián)系 11 。細(xì)小纖維大的比表面積使其具有高的鍵合能力， 從而有利于紙頁(yè)鞏固。 化學(xué)和機(jī) 械漿的細(xì)小纖維的惡影響由于不同的表面化學(xué)和比表面積而不同。 機(jī)械漿的細(xì)小 纖維比化學(xué)漿的粗糙、硬挺。全化學(xué)漿成紙的表觀緊度可達(dá)1200kg/m3 以上，而3機(jī)械漿成紙則大約 500kg/m 。機(jī)械漿的細(xì)小纖維組分對(duì)成紙光散射系數(shù)有很大影響， 這是因?yàn)榧?xì)小纖維即使在 紙頁(yè)中也保留一些外露區(qū)域。機(jī)械漿未鍵合細(xì)小纖維的光散射系數(shù)Sf 可以達(dá)到100m2/kg 以上，相比之下，化學(xué)漿的細(xì)小纖維幾乎

15、都成鍵， Sf 可低達(dá) 5 m2/kg. 。 由圖4可知，當(dāng)添加化學(xué)漿細(xì)小纖維時(shí)， 紙頁(yè)緊度增加， 但光散射系數(shù)維持恒定 或略微降低；當(dāng)添加少量機(jī)械漿細(xì)小纖維時(shí)， 有類似的變化趨勢(shì)， 但添加量較大， 紙頁(yè)緊度恒定，光散射系數(shù)急劇增加。80和4020.co'ojEoou ®=<hi>s-25- Cod 刖 Spruce./Douglas fir3$0.51.0152.0Cell t hickneES. u im圖3化學(xué)漿齊鍵合纖維和未壓潰纖維成縱光敎射系數(shù)2纖維細(xì)胞壁厚的關(guān)系阿204SO 470490510530550Density, Kgm3KP漿長(zhǎng)纖維組分中祈加

16、TMP漿和KP漿的細(xì)小纖維后，紙帀光眾射系馥和密度變化關(guān)系卩1第五章抗張強(qiáng)度其中入為纖維長(zhǎng)度，n為纖維粗度。公式顯示對(duì)任意N-層的紙頁(yè)，每單位克重W 每單位寬度所需的力正比于纖維的長(zhǎng)度，反比于纖維粗度的平方；f是纖維一纖維間的摩擦力，C是每單位纖維長(zhǎng)度的平均質(zhì)量。這些假設(shè)和試驗(yàn)的結(jié)果基本是 吻合的，公式為我們展示了纖維本身的特型對(duì)紙頁(yè)性能的影響。在一定的紙頁(yè)緊度時(shí)，抗張強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增加而提高，由于長(zhǎng)纖維能提供更 多的結(jié)合點(diǎn)，同時(shí)長(zhǎng)纖維本身具有較高的強(qiáng)度，有利于應(yīng)力均勻分布。但當(dāng)長(zhǎng)度 達(dá)到某個(gè)值（2. 95mm時(shí)，繼續(xù)增加纖維長(zhǎng)度并不能導(dǎo)致抗張強(qiáng)度的進(jìn)一步提高。這是因?yàn)楫?dāng)纖維達(dá)到一定長(zhǎng)度，

17、有相當(dāng)多的結(jié)合點(diǎn)時(shí)， 撥出纖維比拉斷纖維困難， 此時(shí)抗張強(qiáng)度主要受纖維強(qiáng)度控制，不再隨纖維長(zhǎng)度的增加而變化。在不同的打漿轉(zhuǎn)數(shù)下， 由不同纖維粗度的纖維抄得的紙張， 其抗張強(qiáng)度隨纖維粗 度的增加逐漸降低， 這是因?yàn)榧垙埧箯垙?qiáng)度主要取決于纖維間的結(jié)合力。 隨著纖 維粗度的增加， 比表面積減少， 抗張強(qiáng)度下降。 由纖維粗度較大的纖維抄得的紙 張，其纖維間結(jié)合力相對(duì)要小一些， 因而，其紙張的抗張強(qiáng)度也相對(duì)要小。 另外， 隨著打漿的進(jìn)行，提高了纖維結(jié)合力，紙頁(yè)的抗張強(qiáng)度也不斷增加。細(xì)小纖維組分可以通過(guò)三種方式改善纖維結(jié)合： 比結(jié)合強(qiáng)度（類似膠水的作用）； 纖維交叉部分的鍵合面積（結(jié)合邊界的累加）； 纖維

18、之間的結(jié)合數(shù)量（拉近纖維）。因此 , 在纖維中加入細(xì)小組分 （ 也含有細(xì)小纖維組分 ）可以提升抗張指數(shù)就很正 常。參考文獻(xiàn)1. 華同文等著普通化學(xué)原理（第二版），北京大學(xué)出版社，1993年2. 天津大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室編，無(wú)機(jī)化學(xué)（第二版），高等教育出版社，1992 年3. 武漢大學(xué)等校編，無(wú)機(jī)化學(xué)（第二版），高等教育出版社，1988年4. 武漢大學(xué)等校編，分析化學(xué)（第二版），高等教育出版社，1982年5. 華東理工大學(xué)分析化學(xué)教研組等編，分析化學(xué)（第四版），高等教育出版社， 1982 年6. 彭崇慧等編著，定量化學(xué)分析簡(jiǎn)明教程，北京大學(xué)出版社，1985年7. 南京化工學(xué)院等校編，無(wú)機(jī)化學(xué)分析，高等教育出版社，1984年8. 杭州大學(xué)化學(xué)系糞臭化學(xué)教研編，分析化學(xué)手冊(cè)，化學(xué)工藝出版社，1979 年9. 李賦寧，化學(xué)史，北京：商務(wù)印書(shū)館，2004年10. 崔更國(guó)，纖維素的制備，人民出版社 2004.6年11. 林天送，纖維素的結(jié)構(gòu)