(完整版)纸张结构及性能
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第七章 纸和纸板的 结构及结构
纸页结构的特征表述 纸张是由随机散乱的纤维排列而成，纤维一般平
置于纸张平面内，很少有厚度方向的排列，同时 在顺纸机的方向排列的纤维多于垂直纸机方向的 纤维。纤维的长度较短，纤维之间的交织力较低， 纤维之间必须有足够的结合力以提供纸张所必需 的强度。纤维的规格和性能都具一定的分散性。 因此，纸张是一种多相、非均质、非均匀分布且 具有三维结构的网状物材料。表征网状物参数主 要有：纤维的规格（长度、长径比等）、纤维物 理性能、纤维的几何学定向、纤维结合力（结合 面积、结合强度）、多孔性等。 即使是采用的纤维原料完全一样，纸和无纺布以 及织物结构、性能都有明显的差异。
部分溶出理论
在溶液中纤维表面高分子链段部分溶解，在接触区域相 互扩散，在溶剂脱除后粘结在一起。
植物纤维表面在水中部分溶解，但不溶于丙酮或非极性 溶剂，所以在水中能形成强度好的纸页，在丙酮和非极 性溶剂中不能形成强度良好的纸张。
醋酸纤维正好相反。
纸页的固化机理
纤维在纸机上沉积成纸页后，随着水分的脱除， 在表面张力的作用下，纤维之间的距离越来越 小，表面张力在纤维之间产生的压强越来越大， 当纤维表面的羟基距离小到2.5-3.5A0以内时， 纤维表面羟基中的氧原子与相邻纤维中的氢原 子形成氢键结合，使纤维之间相互结合，从而 使纸张具有一定的强度。
若干常见工程材料的裂断长比较
纤维之间的结合理论
氢键结合理论
高分子材料界面的粘结力：化学主价键力 （30kcal/mole）、氢键结合力(5 kcal/mole)、 范德华力(2 kcal/mole)、色散力。
纸页干燥、吸水后强度发生巨大变化，并且 可以逆转。
Brougton和Wang的实验：用一系列不同极性 的液体浸渍纸页，纸页的强度与液体的极性 成反比，而与液体的表面张力无关。
氢键结合理论
Brougton和Wang的实验：纸页在水中成型后， 分别采用三种方法干燥：正常干燥，冷冻后升 华，用有机溶剂取代水后蒸发。发现后两种处 理后纸页强度都比较低。
Campbell的实验：纸分别用水，甲醇，丙醇三 种液体浸渍，强度降低依次减小。
Nissan的实验：将纤维表面乙酰化，随着乙酰 化程度的增加，纸页强度降低。
主要是由于浆速和网速的差异造成。 园网纸机的纵横差大于长网纸机 长网纸机纸张网面纵横差大于毯面 判断纵横向的几种方法： ◆肉眼判断 ◆改变纸的水分，纸张的变形 ◆抗张强度差异 ◆耐破破坏裂缝方向 ◆挺度差异
3、纸的竖向（Z向） 纸张竖向结构特点 影响纸张竖向强度的因素 竖向性质对纸张性能的影响
木素对纤维结合的影响
木素分子阻碍水进入纤维细胞壁，限制了纤维的润涨和 塑化。
木素分子阻碍纤维素之间氢键的形成。 木素分子使纤维更加挺硬，纤维之间的交织结合减弱。
水是植物纤维结合的关键
水使纤维润涨和塑化。 水的表面张力可以使纸张在干燥过程中纤维结合得更为紧
密。 水是氢键形成的介质，并且可以破坏纤维之间的氢键。
4、匀度：纤维在纸张中分布的均匀性 影响的主要因素包括：流送介质的流体力学状态、流送介
质的物化特性、纤维的物化特性
纤维的分散因子：相当于纤维长度的球体所含纤维的根数。
5、定量：单位面积纸张的重量
吸湿性对纸张定量的影响。 定量波动主要受匀度和浆料流送设备稳定性影
响。 定量波动对纸张性能的重要影响： 价格 强度 厚度 电学性能 光学性能 平滑度、摩擦因数、表面强度、表面导电率、
纤维有效结合面积、结合键密度、纤维交织次 数、纸页单位体积结合键数量对纸张的各种性 能有直接的影响。
纤维尺寸、几何形状对纤维 结合的影响。
纤维可塑性及润涨性对纤维 结合的影响。
半纤维素对纤维结合的影响
半纤维素使纤维细胞壁的可塑性更好，纤维表面的结合 更为良好。
半纤维素分子由于分子量低，分子链段更Βιβλιοθήκη Baidu柔顺，使得 半纤维素和纤维素通过羟基形成氢键结合更为容易。
多孔性表示纸张的孔隙率和孔径分布。
孔隙有三种形式：ture pores, recess,voids 孔隙率=1-纸张的相对密度/纤维的相对密度 孔径分布通过汞法、氮法测定。
透气度是指纸张在一定压力作用下，单位面积单 位时间透气的多少。
影响透气性的主要因素包括纸张的紧度，纤维的 几何形状，纸张的三维结构
表面液体吸收性、水分含量、尘埃度、耐久性、 吸湿润涨性。
6、紧度（松厚度）、多孔性和透气性
紧度是指单位体积的纸张重量。 影响紧度的主要因素： 纤维的物化特性 流送介质的物化特性 纤维的打浆处理 网部脱水成型工艺 压榨 压光 纸张的其它组分
紧度对纸张的抗张强度、耐破度、撕裂度、透气 性、多孔性、吸油墨性、不透明度、电性能、形 稳性、模量、脆性等有显著影响。
7、平滑度
平滑度表示纸张表面轮廓的粗燥程度。
平滑度影响纸张的手感、书写的流利性、印刷 质量。
影响平滑度的主要因素有纤维的种类、打浆、 网案摇振、网目、压榨、压光、填料、表面施胶、 涂布等。
8、尺寸稳定性
尺寸稳定性是指纸张水分变化引起纸张尺寸的 变化。
纸张结构性能
1、两面差
（1）纤维几何特征差异造成的两面差 ◆大纤维未沉积或少量沉积之前，细小纤维
从成型网穿过。 ◆大、小纤维沉积速度的差异。 ◆在成型后由于真空箱或案棍的作用。 （2）染色后两面差 （3）填料引起的两面差
2、纵横差
纤维在成纸过程中，纤维的排列呈一定的方向 性，造成纸张强度、吸水膨胀、断裂伸长率也 呈一定的方向性。
Aiken实验：在破布浆中添加木糖可显著增加纸张强度， 而添加乙酰化的木糖显著降低纸张强度。
针叶木的半纤维素对于纤维结合的贡献比阔叶木大。 Klinstedt发现纸张强度与碱溶半纤维素含量更相关，而
与戊糖含量关系不大。 半纤维素含量太高也会降低纸张强度。
纤维素对纤维结合的影响
纤维素分子量越大，纤维可以在机械力的作用下充分润涨， 细纤维化，增加纤维之间的结合面积和结合强度，从而制造 出强度更高的纸张。
纸页结构的特征表述 纸张是由随机散乱的纤维排列而成，纤维一般平
置于纸张平面内，很少有厚度方向的排列，同时 在顺纸机的方向排列的纤维多于垂直纸机方向的 纤维。纤维的长度较短，纤维之间的交织力较低， 纤维之间必须有足够的结合力以提供纸张所必需 的强度。纤维的规格和性能都具一定的分散性。 因此，纸张是一种多相、非均质、非均匀分布且 具有三维结构的网状物材料。表征网状物参数主 要有：纤维的规格（长度、长径比等）、纤维物 理性能、纤维的几何学定向、纤维结合力（结合 面积、结合强度）、多孔性等。 即使是采用的纤维原料完全一样，纸和无纺布以 及织物结构、性能都有明显的差异。
部分溶出理论
在溶液中纤维表面高分子链段部分溶解，在接触区域相 互扩散，在溶剂脱除后粘结在一起。
植物纤维表面在水中部分溶解，但不溶于丙酮或非极性 溶剂，所以在水中能形成强度好的纸页，在丙酮和非极 性溶剂中不能形成强度良好的纸张。
醋酸纤维正好相反。
纸页的固化机理
纤维在纸机上沉积成纸页后，随着水分的脱除， 在表面张力的作用下，纤维之间的距离越来越 小，表面张力在纤维之间产生的压强越来越大， 当纤维表面的羟基距离小到2.5-3.5A0以内时， 纤维表面羟基中的氧原子与相邻纤维中的氢原 子形成氢键结合，使纤维之间相互结合，从而 使纸张具有一定的强度。
若干常见工程材料的裂断长比较
纤维之间的结合理论
氢键结合理论
高分子材料界面的粘结力：化学主价键力 （30kcal/mole）、氢键结合力(5 kcal/mole)、 范德华力(2 kcal/mole)、色散力。
纸页干燥、吸水后强度发生巨大变化，并且 可以逆转。
Brougton和Wang的实验：用一系列不同极性 的液体浸渍纸页，纸页的强度与液体的极性 成反比，而与液体的表面张力无关。
氢键结合理论
Brougton和Wang的实验：纸页在水中成型后， 分别采用三种方法干燥：正常干燥，冷冻后升 华，用有机溶剂取代水后蒸发。发现后两种处 理后纸页强度都比较低。
Campbell的实验：纸分别用水，甲醇，丙醇三 种液体浸渍，强度降低依次减小。
Nissan的实验：将纤维表面乙酰化，随着乙酰 化程度的增加，纸页强度降低。
主要是由于浆速和网速的差异造成。 园网纸机的纵横差大于长网纸机 长网纸机纸张网面纵横差大于毯面 判断纵横向的几种方法： ◆肉眼判断 ◆改变纸的水分，纸张的变形 ◆抗张强度差异 ◆耐破破坏裂缝方向 ◆挺度差异
3、纸的竖向（Z向） 纸张竖向结构特点 影响纸张竖向强度的因素 竖向性质对纸张性能的影响
木素对纤维结合的影响
木素分子阻碍水进入纤维细胞壁，限制了纤维的润涨和 塑化。
木素分子阻碍纤维素之间氢键的形成。 木素分子使纤维更加挺硬，纤维之间的交织结合减弱。
水是植物纤维结合的关键
水使纤维润涨和塑化。 水的表面张力可以使纸张在干燥过程中纤维结合得更为紧
密。 水是氢键形成的介质，并且可以破坏纤维之间的氢键。
4、匀度：纤维在纸张中分布的均匀性 影响的主要因素包括：流送介质的流体力学状态、流送介
质的物化特性、纤维的物化特性
纤维的分散因子：相当于纤维长度的球体所含纤维的根数。
5、定量：单位面积纸张的重量
吸湿性对纸张定量的影响。 定量波动主要受匀度和浆料流送设备稳定性影
响。 定量波动对纸张性能的重要影响： 价格 强度 厚度 电学性能 光学性能 平滑度、摩擦因数、表面强度、表面导电率、
纤维有效结合面积、结合键密度、纤维交织次 数、纸页单位体积结合键数量对纸张的各种性 能有直接的影响。
纤维尺寸、几何形状对纤维 结合的影响。
纤维可塑性及润涨性对纤维 结合的影响。
半纤维素对纤维结合的影响
半纤维素使纤维细胞壁的可塑性更好，纤维表面的结合 更为良好。
半纤维素分子由于分子量低，分子链段更Βιβλιοθήκη Baidu柔顺，使得 半纤维素和纤维素通过羟基形成氢键结合更为容易。
多孔性表示纸张的孔隙率和孔径分布。
孔隙有三种形式：ture pores, recess,voids 孔隙率=1-纸张的相对密度/纤维的相对密度 孔径分布通过汞法、氮法测定。
透气度是指纸张在一定压力作用下，单位面积单 位时间透气的多少。
影响透气性的主要因素包括纸张的紧度，纤维的 几何形状，纸张的三维结构
表面液体吸收性、水分含量、尘埃度、耐久性、 吸湿润涨性。
6、紧度（松厚度）、多孔性和透气性
紧度是指单位体积的纸张重量。 影响紧度的主要因素： 纤维的物化特性 流送介质的物化特性 纤维的打浆处理 网部脱水成型工艺 压榨 压光 纸张的其它组分
紧度对纸张的抗张强度、耐破度、撕裂度、透气 性、多孔性、吸油墨性、不透明度、电性能、形 稳性、模量、脆性等有显著影响。
7、平滑度
平滑度表示纸张表面轮廓的粗燥程度。
平滑度影响纸张的手感、书写的流利性、印刷 质量。
影响平滑度的主要因素有纤维的种类、打浆、 网案摇振、网目、压榨、压光、填料、表面施胶、 涂布等。
8、尺寸稳定性
尺寸稳定性是指纸张水分变化引起纸张尺寸的 变化。
纸张结构性能
1、两面差
（1）纤维几何特征差异造成的两面差 ◆大纤维未沉积或少量沉积之前，细小纤维
从成型网穿过。 ◆大、小纤维沉积速度的差异。 ◆在成型后由于真空箱或案棍的作用。 （2）染色后两面差 （3）填料引起的两面差
2、纵横差
纤维在成纸过程中，纤维的排列呈一定的方向 性，造成纸张强度、吸水膨胀、断裂伸长率也 呈一定的方向性。
Aiken实验：在破布浆中添加木糖可显著增加纸张强度， 而添加乙酰化的木糖显著降低纸张强度。
针叶木的半纤维素对于纤维结合的贡献比阔叶木大。 Klinstedt发现纸张强度与碱溶半纤维素含量更相关，而
与戊糖含量关系不大。 半纤维素含量太高也会降低纸张强度。
纤维素对纤维结合的影响
纤维素分子量越大，纤维可以在机械力的作用下充分润涨， 细纤维化，增加纤维之间的结合面积和结合强度，从而制造 出强度更高的纸张。