第二章 磨(打)浆

制浆造纸原理与工程
（五）细纤维化
纤维的细纤维化从细胞壁P层和S1层 破除时开始，并在纤维吸水润胀后大量产 生。 细纤维化包括： 纤维外部的细纤维化 纤维内部的细纤维化 上述两种细纤维化作用，是打浆的重 要作用之一，对纸页性质影响极大。
制浆造纸原理与工程
纤维外部的细纤维化
纤维分丝帚化，表面分丝起绒毛。 分离出大量的细纤维、微纤维、微细 纤维。从而大大增加了纤维的外比表面积， 促进了氢键的结合。
纸的强度取决于 成纸中纤维间的结合力 纤维本身的强度。 而实验研究表明，最终决定纸页强度 的，是成纸中纤维间的结合力。
制浆造纸原理与工程
纤维的结合力有四种：
氢键结合力（19 kJ/mol，纤维素间） 化学主价键力 (140--950 kJ/mol) 极性键吸引力 (Van der Waals Force) 表面交织力 其中，氢键的结合力最重要，与打浆 的关系最密切。
制浆造纸原理与工程
制浆造纸原理与工程
二、打浆的作用
五种主要作用（排列次序与作用先后无关） （一）细胞壁的位移和变形 （二）初生壁和次生壁外层的破除 （三）横向切断或变形 （四）吸水润胀 （五）细纤维化
制浆造纸原理与工程
（一）细胞壁的位移和变形
打浆的机械作用 使S2层中的细纤维同心层产生弯曲， 发生位移和变形； 使细纤维之间的间隙增大，水分子更 容易渗入，为纤维润胀创造了有利条件； 对P层和S1层的破除起了重要的促进 作用。
制浆造纸原理与工程
纤维外部的细纤维化
制浆造纸原理与工程
对照：打浆前的情况
制浆造纸原理与工程
纤维的内部细纤维化
指纤维发生润胀后，在次生壁同 心层之间彼此产生滑动，使纤维的刚 性下降，弹性削弱，塑性增加，纤维 变得柔软而有可塑性。
制浆造纸原理与工程
细纤维化主要产生于S2层
这是由于： S2层纤维素含量高 细纤维的排列与轴向几乎平行 打浆作用使S1层破除 使该层易于产生细纤维化。
制浆造纸原理与工程
氢键形成的条件
有游离羟基的存在； 两羟基之间的距离在2.8 Å以内。 纤维的吸水润胀和细纤维化，都会使纤 维的游离羟基增加，促进纤维间的氢键结 合，从而提高纸页的物理强度。
制浆造纸原理与工程
四、打浆与纸张性质的关系
思考题（学习要点） 1、打浆引起了纤维结合力的哪些变化， 引起了纤维形态的那些变化？ 2、纸张强度性质的不同指标分别是由那 些因素决定的？
纤维润胀是打浆过程中的一个重要问 题。纤维润胀后，其内聚力下降，纤维内 部组织结构变得更为松弛。纤维比容和比 表面积增加， 纤维直径可以膨胀增大2—3 倍。 有利于纤维的细纤维化，增加纤维间 的接触面积，提高成纸强度，降低透气度。
制浆造纸原理与工程
纤维的润胀
制浆造纸原理与工程
纤维润胀的影响因素
原料的组成----木素是疏水性物质，因此 木素含量高的原料纸浆，不易润胀。 半纤维素含量----草类纤维的半纤维素含 量高，含有较多的游离羟基，比纤维素有 更大的亲水性，容易吸水润胀。 制浆方法----不同的制浆方法使纸浆的木 素、纤维素和半纤维素的含量不同，因此 也影响到纤维的润胀程度。
制浆造纸原理与工程
（四）耐折度 (Folding Strength)
----纸页在一定的张力下承受180度往复折 叠的次数。主要受纤维平均长度、纤维间 结合力、纤维在纸页中的排列，纤维本身 的强度和弹性等。
曲线特征： 初期上升很快，中期缓慢并达到最高点， 后期下降。（与耐破度曲线相似）
制浆造纸原理与工程
制浆造纸原理与工程
打浆与纸页性质
1、纤维结合力随打 浆上升； 2、与结合力成正比 的强度指标，都是 先升后降； 3、与纸页致密程度 有关的指标，均随 打浆程度而下降。
制浆造纸原理与工程
打浆与纸页性质
对于草浆， 打浆与纸页性质 的关系也与木浆 相似。 （本图为稻草浆 的打浆曲线）
制浆造纸原理与工程
曲线特征： 随打浆程度的增加，曲线不断上升。
制浆造纸原理与工程
（七）不透明度 (Opacity)
不透明度是指纸页不透光的程度，该 指标对印刷纸尤为重要。该指标主要受纤 维结合力的影响。
曲线特征： 随打浆程度增加，曲线不断下降。
制浆造纸原理与工程
（八）伸长率和伸缩性
(Stretch Ratio)
伸长率是指纸页受到张力至断裂时， 伸长的百分率。而纸的伸缩性是指纸张浸 入水中或在不同湿度下尺寸的变化。 纸浆的上述指标均随打浆度的提高而上升。 曲线特征： 随打浆程度增加而上升。
制浆造纸原理与工程
细纤维化与润胀的关系
互相促进： 纤维吸水润胀后组织结构松弛，为进 一步细纤维化创造了有利条件； 纤维的细纤维化，使水分更容易渗入， 又能促进纤维的进一步润胀。
制浆造纸原理与工程
（六）打浆的其他作用
产生碎片 使纤维扭曲 卷曲 压缩（微压缩） 伸长等
制浆造纸原理与工程
三、纤维结合力
初生壁（P, primary wall） 是细胞壁的外层，由微纤维组成，与胞 间层紧密相连，厚度为0.1—0.3 m，含有 较多的木素和半纤维素。
制浆造纸原理与工程
各层的组成
初生壁是一层多孔的薄膜，不吸 水、不容易润胀，微纤维在初生壁上 作不规则的网状排列，有碍次生壁与 外界接触及纤维的润胀和细纤维化， 故在打浆时需将此层打碎破除。
制浆造纸原理与工程
氢键的方向性：
当一个水分子的氢原子与另一个水分子 的氧原子形成O—H---O氢键而缔合在一起 时，尽量使O—H---O氢键保持直线形，以 求吸引最牢。
制浆造纸原理与工程
共价键中氢氧原子的间距 0.99Å 氢键中的氢氧原子的间距 1.77Å
制浆造纸原理与工程
纤维间氢键的形成过程（I） ----通过水分子形成的水桥连接
(五)撕裂度 (Tearing Strength)
----纸页抗撕裂的能力。主要受纤维平均长 度的影响，其次是纤维结合力、纤维排列 方向、纤维强度和纤维交织情况等。
曲线特征： 初期上升很快，中期缓慢并达到最高点， 后期下降。（比耐折度下降要早）
制浆造纸原理与工程
（六）紧度 (Density)
紧度指纸页紧密的程度，用（g/cm3）表 示。该指标也可用紧度的倒数--松厚度 （Bulk）表示, 单位为(cm3/g)。该指标主要 受纤维结合力的影响。
(一)纤维结合力
（Fiber-fiber Bonding）
随着打浆度的增加，纤维润胀和细纤 维化增加，纤维的比表面积增大，游离出 更多的羟基，促进纤维间的氢键结合，使 纤维结合力不断上升。 曲线特征： 初期上升很快，逐渐缓慢达到最高点。
制浆造纸原理与工程
(二)裂断长 （Breaking Length）
第 二章 磨（打） 浆
制浆造纸原理与工程
概 述
打浆—— 浆料中的纤维受到剪切力的作用。 包括机械打浆、超声波打浆和水力打 浆等。
制浆造纸原理与工程
打浆的主要任务：
（一）改变纤维的形态，使纸浆获得某些 特性（如机械强度、物理性能和胶体性 质），以保证纸页的抄造质量。 （二）通过打浆调节和控制纸料在网上的 滤水性能，以适应造纸机生产的需要，使 纸页获得良好的成形，改善纸页的匀度和 强度指标。
制浆造纸原理与工程
各层的组成
次生壁内层（S3, secondary wall 3） 由层数不多的细纤维同心层组成，厚 度约0.1 m，在纤维壁中所占比例不到 10%，木素含量低，纤维素含量高。该层 的化学性能稳定，微纤维的排列与S1层相 似，与纤维轴向呈70—90度角。 在打浆中一般不考虑S3层。
制浆造纸原理与工程
各层的组成
次生壁外层（S1, secondary wall 1） 由若干层细纤维的同心层组成，厚度 为0.1--1 m，是P层与S2层的过渡层， 其化学成分与P层接近。微纤维排列的方 向与纤维轴向呈70—90度角，不规则交 错地缠绕在纤维壁上。 S1层微纤维的结晶度较高，对化学 和机械作用的阻力较大，会限制S2层的 润胀和细纤维化，故打浆时也需将此层 打碎破除。
制浆造纸原理与工程
（三）横向切断或变形
切断是指纤维横向发生裂断的现象。主 要是纤维受到打浆设备的剪切力作用和纤 维间的相互摩擦作用所致。 纤维的切断与其润胀有一定的关系。 润胀良好的纤维不容易被切断。 纤维切断后在断口处留下锯齿状的末 端，利于纤维的分丝帚化和细纤维化。
制浆造纸原理与工程
（四）吸水润胀
制浆造纸原理与工程
各层的组成
次生壁中层（S2, secondary wall 2） 由许多细纤维的同心层组成，是纤维细 胞壁的主体。厚度为3--10 m，约占细胞 壁厚度的70—80%。该层纤维素和半纤维 素的含量高，木素的含量少，微纤维的排 列呈螺旋单一取向，与纤维轴向呈0—45度 角。 S2层是打浆的主要对象。
制浆造纸原理与工程
纤维 (fiber) 的组成
细纤维 (fibril) 直径 300--500Å 微纤维 (micro fibril) 直径 250Å 微细纤维 (finer micro fibril) 直径 120Å 原细纤维 (elemental fibril) 直径 30Å 纤维素微晶体 (crystallile) 用分辨率达1.5Å的电子显微镜还不能 看到。
“润胀”是指高分子化合物在吸收液体 的过程中，伴随着体积膨胀的一种物理现 象。纤维在打浆过程中也能吸水润胀。 纤维润胀的原因是由于纤维素和半纤 维素分子结构中所含极性羟基与水分子产 生极性吸引，使水分子进入纤维素的无定 形区，使纤维素分子链之间距离增大，引 起纤维变形。
制浆造纸原理与工程
纤维润胀的意义
生产不同品种的纸和纸板，需要不同的
打浆设备、打浆方式和打浆工艺。
针对不同的纤维原料，也要采取不同的
打浆设备、打浆方式和打浆工艺。