纤维特征对纸张结构和性能的影响

目录

纤维特征对纸张结构和性能的影响....................................................... 错误!未定义书签。摘要 .. (2)

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