制浆造纸原理与工程
第七章 纸和纸板的
结构及结构
制浆造纸原理与工程
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。
制浆造纸原理与工程
制浆造纸原理与工程
若干常见工程材料的裂断长比较
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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。
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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。
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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。
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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。
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。
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– 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。
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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,分子链段更为柔顺,使
得半纤维素和纤维素通过羟基形成氢键结合更为容易。
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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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
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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
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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。
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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、
表面液体吸收性、水分含量、尘埃度、耐久性、
吸湿润涨性。
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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
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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。
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
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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。
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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。
影响纸张尺寸稳定性的主要因素:纤维的吸水
性、纤维之间的结合、纤维吸水变形、纸张内
部应力等。
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1、抗张强度、零距抗张强度
抗张强度指纸张抵抗张力的强度。
零距抗张强度夹试样的两夹具之间的距离为零时测得的
抗张强度。
影响纤维抗张强度的主要因素有:纤维强度、纤维之间
结合强度、纤维的长度。
1/抗张强度 =1/纤维强度 +1/结合强度
交织因子:单根纤维交织的几率
零距抗张强度主要与纤维本身的强度有关,纸张的实际
抗张强度很少超过零距抗张强度的 75%。
未漂硫酸盐浆,14000m
未漂亚硫酸浆,7700m
未漂碱法浆,4600m
湿纸页抗张强度
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2、撕裂强度
撕裂强度指用反向平行的撕力施加在与其
垂直的纸面上,持续地撕开一个裂口,所
需的最低作用力。
影响撕裂强度的主要因素:
– 参与撕裂过程纤维的数量:与材料的柔韧性
和纤维的长度有关
– 纤维的交织次数:与纤维的长径比有关
– 纤维之间的结合力
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3、耐破度
耐破度通过一个橡胶鼓膜作用在纸张上,
用夹盘将纸张圆形面积的周边紧压住,
逐渐增加液压,当扩张力超过纸张的最
大伸长度时纸张被顶破时压力表的读数。
可以将耐破度测试看作是纸张所有方向
同步测试抗张强度。
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4、环压强度
影响环压强度的主要因素:纤维的模量,
纤维之间的结合力。
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5、耐折度
耐折度指在一定张力作用下,纸张可折
叠次数。
折叠过程使纤维的结合逐渐松弛,从而
降低其抗张强度,当降低到固定张力时,
纸张被拉断。
因此影响耐折度的主要因素有:纤维的
长度,纸张的模量,纤维的结合力。
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6、柔软度、挺度、可压缩性
挺度指抵抗沿厚度方向受力变形的能
力。柔软度与挺度成反比。
影响柔软度的主要因素包括纤维的模量、
纤维的几何特征、纤维的结合力、纸张
的密度等。
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7、表面强度
最常用的表面强度是印刷纸张的抗拉毛
强度,是指防止纤维、小纤维束、涂料
粒子从纸张表面脱离的性能。
未加工的纸张的表面强度主要决定与纤
维之间的结合力。
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液体吸收性能和水汽穿透性
几乎所有的纸产品都在一定程度与液体相接触,因此
纸张抗液体渗透或者吸收液体的能力是纸张的重要性
能。
液体吸收性能主要影响因素:液体对纤维表面的润湿
特性、多孔性
液体吸收性能测定:测定纸张吸收一定容积液体的时
间、一定时间周期内吸收液体的容积、测定液体渗入
纸张表面的速率。
水汽穿透性主要指空气中的水汽穿过纸张的速率。
水汽穿透性主要影响因素:多孔性、纤维表面对水的
润湿性。
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纸张的耐久性
纸张的耐久性主要表现在三个方面:返
黄、强度下降、纤维素降解
影响的主要因素:木素、半纤维素、纤
维素、光线、热、湿度,PH值等
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光学性能
纸张的光学性能包括:色泽、白度(亮度)、
不透明度、光泽度等
光线照在纸张上,一部分反射,一部分透过,
还有一部分被纸张吸收。
纸张光泽度指纸张表面镜面反射和慢反射之比。
漫反射的光线决定纸张的颜色和白度(亮度)。
白度是指一个不透明的测试纸叠的漫反射因数
比率,除以纯氧化镁表面的反射因数。(颜料、
填料、浆料对纸张的白度都有影响。)
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白色度是指白色光总的反射率和反射波段
的分布均匀性。
透明度:除散射透过的光线之外,纸张透
过光线的能力。
T=(Rw-R0)/Rw× 100%
不透明度:纸张阻止光线透过的能力。
不透明度 =R0/R∞× 100%
纸张内部散射面积和组分之间折射率之差
决定漫反射强度。
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漫反射、木素含量、染料显著影响纸张的
吸收光线能力。
漫反射强度和吸收光线能力决定材料的不
透明度。具体影响因素有:厚度、密度、
结合、成型、打浆、压榨、压光、填料数
量种类、填料折光率、填料尺寸、填料分
布、填料和纤维的光学接触、纤维种类、
纤维直径、以及其它添加物如燃料、颜料、
淀粉、蜡、增强剂等。
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电气性能
电气性能包括介电常数、介电强度(绝
缘强度)、介电损耗角正切、电阻。
纸张电气性能受纤维原料(以及其它辅
料)电气性能和纸张结构特别是多孔性
影响。
常见电气用纸包括:电容器纸、线圈纸、
电缆纸、导电纸、静电屏蔽纸、透波材
料等。