（制浆造纸工程专业论文）纤维特性与纸页撕裂性能关系的研究.pdf

摘要 撕裂强度是纸页物理性能的一个很重要的指标，纤维特性对纸页的撕裂 强度有很大的影响，在很大程度上决定了纸页的撕裂强度。 本实验从纤维特性纤维长度、粗度和纤维本身强度方面研究了对纸 页撕裂性能的影响，也研究了打浆、压榨对纸页撕裂强度的影响。在实验中 所选用的浆料为马尾松、荻和麦草浆，先抄成1 2 0 9 m 2 的浆张，为改变纤维 的长度，将抄成的浆张分成四份，把其中三份分别切成宽度为1 m m 、2 m m 、 2 5 m m 的小窄条，另一份不切，再将四份试样分别抄成6 0 9 m 2 的浆张，测定 纸页的物理性能；纤维长度的测定使用k a j a a n if s 一1 0 0 纤维长度分析仪；通 过调整湿压榨压力改变纤维间的结合强度；用浓盐酸蒸汽处理纸样，改变纤 维本身的强度而保持其他纤维性质不变；比较了荻和麦草浆的粗度对纸页撕 裂强度的影响：建立了撕裂强度的数学模型。 实验发现纤维的重均长度对纸页的撕裂强度影响明显，马尾松浆纤维重 均长度对纸页撕裂指数的影响r 2 为o 9 7 8 ，而纤维数均长度对纸页撕裂指数 的影响r 7 为0 9 5 5 。在任意结合强度下，长纤维所抄成的纸页撕裂强度更高， 对于较短的纤维所抄造的纸页要达到较高的撕裂强度则需要较高的结合强 度。纸页的撕裂指数随压榨压力的增加而提高，但纸页的撕裂指数仍受纤维 长度的影响。对于长纤维在较高的结合强度下，纸页的撕裂强度对纤维长度 的依赖程度减小；对于较短的纤维，即使在较高的结合强度下纸页的撕裂强 度仍依赖于纤维的长度。对于马尾松浆，在纤维间结合较差的纸页中，纤维 长度对纸页撕裂强度的影响非常明显：对于麦草浆，在纤维间结合较差的纸 页中，纤维长度对纸页撕裂指数的影响其r 2 为0 8 5 3 ，但是在纤维间结合较 好的纸页中其r 2 为0 8 1 6 。在纤维间结合较差的纸页中，纸页撕裂时是较多 的纤维被拉出而不是拉断，这样撕裂强度受沿纤维长度的结合数量的影响， 所以纸页的撕裂强度受纤维长度的强烈影响。在纤维间结合较好的纸页中， 纸页撕裂时是有较多的纤维被拉断而不是拉出，此时纤维长度对纸页撕裂强 度的影响减小。对于未经打浆的荻浆和麦草浆，纸页的撕裂强度随纤维粗度 的增加而提高，纸页的抗张强度随纤维粗度的增加而减小。对于马尾松浆， 在纤维间结合较差的纸页中，零距抗张强度对纸页撕裂强度有一定的影响， 纸页的撕裂强度和零距抗张强度基本成正比；在纤维间结合较好的纸页中， 纸页的撕裂强度对零距抗张强度的依赖增加，纸页的撕裂强度与零距抗张强 度的1 5 次方成正比。对于马尾松浆，在纤维间结合较差的纸页中，纸页的撕 裂强度取决于：t = kt 。d w r c l p ：纤维问的结合力增加，纸页的撕裂强度取 决于：t = k 。t 。d w r c “l “8 + k 。t 。1 d w r c lo ，15 ；在纤维高度结合的纸页中，纸页的 撕裂强度取决于：t k 0f n ，n 1 5 。 关键词：纤维长度粗度纤维强度 压榨结合撕裂强度 a b s t r a c t t h et e a r i n gs t r e n g t hi sav e r yi m p o r t a n tf a c t o ro f t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f p a p e r , t h es t r e n g t ha n dm o r p h o l o g y o ff i b e r sh a v ea s t r o n gi n f l u e n c e o nt h et e a r i n g s t r e n g t ha n d d e t e r m i n et h et e a r i n gs t r e n g t ho f p a p e r t h ee f f e c t so ft h r e ep r i n c i p a l f i b e rp r o p e r t i e s - - l e n g t h ，c o a r s e n e s sa n d s t r e n g t h - - o nt h et e a r i n gs t r e n g t h o fp a p e rh a v eb e e ns t u d i e d t h ee f f e c t so f b e n i n ga n dp r e s s i n go n t h et e a r i n gs t r e n g t ho f p a p e ra l s oh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ep u l pm a t e r i a l so ft h ee x p e r i m e n ta r em a s s o np i n e ，r e e da n ds t r a w a tf i r s t ， s h e e t so fa p p r o x i m a t e l y1 2 0 9 m 2b a s i sw e i g h tp r e p a r e dw e r ed i v i d e di n t o f o u r b a t c h e s s h e e t sf r o mt h r e eb a t c h e sw e r eg u i l l o t i n e di n t os t r i p sa p p r o x i m a t e l yl m m ， 2 m m 2 5 m mw i d er e s p e c t i v e l y , a n o t h e rb a t c hi su n c u t t h ef i b e rl e n g t ha n d c o a r s e n e s so fe a c hp u l ps a m p l ea r ed e t e r m i n e db yk a j a a n if s 一1 0 0f i b e rl e n g t h a n a l y z e r , h a n d s h e e t so f6 0g m 2a r et h e nm a d e f r o me a c hp u l po v e rar a n g eo f b o n d i n gl e v e lo b t a i n e db yv a r y m g t h ew e t - p r e s s i n gp r e s s u r ed u r i n gs h e e t m a k i n g a m e t h o d ，w h i c ha l l o w sc h a n g i n gt h es t r e n g t ho f t h ef i b e r si nt h es h e e tw i t h o u t a f f e c t i n go t h e rf i b e rp r o p e r t i e so rs h e e ts t r u c t u r e ，i su s e d t od e t e r m i n et h ee f f e c to f f i b e rs t r e n g t ho nt e a r i n gs t r e n g t h i tc o n s i s t se x p o s i n gs h e e t sf o rv a r y i n gt i m e st o v a p o ro f c o n c e n t r a t e dh y d r o c h l o r i ca c i d w ec o m p a r e dt h ec o a r s e n e s so fr e e da n d s t r a wt od e t e r m i n et h ee f f e c to ff i b e rc o a r s e n e s so nt e a r i n gs t r e n g t h f i n a l l ya s i m p l ym o d e l i sc o n s t r u c t e d i tw a sf o u n dt h a te f f e c to ft h ew e i g h t - a v e r a g ef i b e rl e n g t ho nt h et e a r i n g s t r e n g t hw a so b v i o u s t h ec o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n ti s 0 9 7 8w h e nw es t u d i e dt h e e f f e c to ft h ew e i g h t - a v e r a g ef i b e rl e n g t ho nt h et e a ri n d e x ，b u tt h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n ti s0 9 5 5i nt h ee f f e c to ft h en u m e r i c a l a v e r a g ef i b e rl e n g t ho nt h et e a r i n d e x a ta n yd e g r e eo fb o n d i n g ，t e a r i n gs t r e n g t hi sh i g h e rf o rt h el o n g e rf i b e r s t h ed e g r e eo fb o n d i n gr e q u i r e dt or e a c ham a x i m u mi nt e a r i n gs t r e n g t hi sh i g h e r f o rt h es h o r t e rf i b e r s t h et e a ri n d e xi si n c r e a s i n g 、v i t l lt h ew e t - p r e s s i n gp r e s s u r e t h et e a ri n d e xi sa f f e c t e db yt h ew e i g h t - a v e r a g ef i b e rl e n g t h t h ed e p e n d e n c eo f t h ew e i g h t a v e r a g ef i b e rl e n g t hi sr e d u c e da tf lh i g hd e g r e eb o n d i n gf o rt h el o n g e r f i b e r s ，h o w e v e r ，e v e na t ah i g hd e g r e eo fb o n d i n g ，t h et e a r i n gs t r e n g t hr e m a i n s d e p e n d e n to nt h ef i b e rl e n g t hf o rt h es h o r t e df i b e r s i nap o o r l yb o n d e ds h e e to f m a s s o np i n ep u l p ，t e a r i n gs t r e n g t hd e p e n d so nf i b e rl e n g t h t h ep o o r l yb o n d e d s h e e t sw h i c hi sm a d eb ys t r a w , t h ec o r r e l a t e dc o e f f i c i e n ti so 8 5 3b yi n v e s t i g a t i n g t h ef i b e rl e n g t ht ot h et e a ri n d e x h o w e v e r , i ti so n l yo 8 1 6i nt h ew e l l - b o n d e d s h e e t s i naw e a k l yb o n d e ds h e e t s i n c em o r ef i b e r sp u l lo u tt 1 1 a l lb r e a ki nt h et e a r z o n e ，t h et e a r i n gs t r e n g t hi sc o n t r o l l e dm o r eb yt h en u m b e ro fb o n d st h eb r e a k a l o n gt h el e n g t ho ft h e f i b e r s t h u st e a r i n g s t r e n g t hd e p e n d ss t r o n g l y o nf i b e r l e n g t h o nt h eo t h e rh a n d ，i na w e l l - b o n d e ds h e e t ，m o r ef i b e r sb r e a kt h a np u l lo u t i nt h et e a rz o n e ，t h ee f f e c to ft h ef i b e rl e n g t hi sr e d u c e d t h et e a r i n gs t r e n g t hi s i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e df i b e rc o a r s e n e s sf o rt h eu n b e a t e np u l po fr e e da n d s t r a w , b u tt h et e n s i l es t r e n g t hi sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e df i b e rc o a r s e n e s s i na w e a k l y b o n d e ds h e e to ft h en l a s s o np i n ep u l p ，t h et e a ri n d e xi sa p p r o x i m a t e l y p r o p o r t i o n a lt of i b e rl e n g t h i naw e l l - b o n d e ds h e e to f t h em a s s o np i n ep u l p ，t h e t e a ri n d e xi s a p p r o x i m a t e l yp r o p o r t i o n a lt o ( f i b e rl e n g t h ) 1 。f o rw e a k l y b o n d e d s h e e t so fm a s s o n p i n ep u l p ，t h et e a r i n gs t r e n g t hd e p e n d so n ：t = k t b d w r c 。1 p 1 ：w i t hi n c r e a s e d b o n d i n g t h et e a r i n gs t r e n g t hd e p e n d so n ：t = k t t b d w r c 一1l l8 + k 2 1b 2 d w r c 1of 1 5 ：f o rh i g h l y b o n d e ds h e e t s ，t h et e a r i n g s t r e n g t h d e p e n d so n ：t ko ，n 1 5 。 k e y w o r d s ：f i b e r l e n g t h ，c o a r s e n e s s ，f i b e rs t r e n g t h ，w e t - p r e s s i n g ，b o n d i n g ， t e a r i n gs t r e n g t h 天津科技大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 引言 纤维原料的特性如何影响纸浆和纸张的性能，到目前为止仍然是造纸界需 要深入研究的一个课题。纸浆性能与纤维组分的化学和物理性质有关，纤维结 构决定纤维帚化和断裂的难易及方式，从备料到抄纸的所有工序几乎都会对成 品的性能产生影响。现在多数纸张产品都是采用多种纤维原料进行配抄，以充 分利用各种纤维原料的特点来制造符合客户所需要的产品。这样每种纤维都以 其自身的特点影响纸张产品的最终性能。也就是说纤维本身的品质影响或决定 着特定的纸张性能。为了更好的了解纤维与纸产品之间的相互关系，需要研究 诸多纤维结构的因素，即纤维的长度和宽度、粗度、细胞壁的厚度、纤维的横 截面积、纤维的内在强度、以及木材纤维的春材和秋材比例等。 从工业纸浆所测得的纤维性能差别很大，有些研究者基于一个较小的试样 得出了“统计学有效”的结论。统计学的方法协助我们解释了许多各类原料制 得的纸浆性能多变的原因，并且证实了纤维形态对纸浆和纸页性能的影响。通 过各种研究观察，确定了几种被认为是对制浆造纸有重要影响的性能1 1 ： 木材的密度与纸浆的得率、强度和纸浆性质的关系 纤维长度与纸页性能的密切关系 纤维强度与纸页性能的关系 不同种类的纤维原料，经不同的制浆方法以及打浆的处理，其纤维的物理 性质、结构形态和化学组成均不相同，对成纸的性质的影响也各异。在纤维形 态方面主要有纤维的长度、宽度、粗度、长宽比、壁腔比和筛分等，对纸页的 性能影响较大。一般认为：纤维细而长，长宽比值大，成纸的强度高。如果纤 维较短，粗度较大，则成纸的强度较差。适当的细小纤维含量，能增加纤维的 结合力和纸的匀度及抗张强度，但纸的脆性会增加；如果短小纤维过多，杂细 胞和灰分含量过多，会使纸的强度下降。纤维细胞壁内部的化学成分和分布很 重要，比如纤维的半纤维索含量过高、细小纤维的比率过大、润胀太快，纸料 还没有达到应有的强度，打浆度已经很高了，抄纸脱水困难，成纸透明、发脆， 纸页强度下降；浆中木索含量多，纤维硬而脆，成纸的强度低【2 j ，但是纤维解 剖学上的特征则可用做判断某种木材纤维或非木材纤维有多大造纸价值的标 准。 在纸张的强度性能中，纸张的撕裂强度是一个很重要的指标，用e l m e n d o r f 撕裂度仪进行测量，它测得的是能量，测试结果以力的单位表示，通常为m n 。 造纸工业上有两类纸张的撕裂强度特别重要，一是纸袋纸、包装纸等，在使用 过程中需要承受较大的冲击载荷，必须具有较高的撕裂强度；二是含有磨木浆 印刷纸( 主要是新闻纸) ，随着印刷速度不断提高，对新闻纸的撕裂强度要求也 第一章文献综述 越来越高，这是因为在印刷时纸的牵引除了有纵向的张力外，还有横向摆动、 纸边的拉伸张力和由此产生的应力集中，容易在纸的边上产生裂口，因此纸页 要经受印刷机的纸幅拉伸冲击而不发生断裂，纸张承受这些冲击的能力称之为 韧性，一般认为纸张的撕裂强度与韧性有关。对其他的纸张来说，撕裂强度往 往也是一项重要的强度性能指标。 纤维的特性决定纸页的性能，对浆料的机械处理、化学助剂的添加和细小 组分的引入，都会不间程度的影响纤维间的结合程度，从而影响纸张的强度性 能。纤维问的结合力提高后，纸张性能中的一些指标提高，一些指标下降，但 是纤维本身的性能会限制纤维内部结合的改变或者纸页结构的改变。前人的工 作分析了单根纤维间的作用力对纸页撕裂强度的影响，他们假设撕裂功是克服 纤维从纸页网络中拉出时摩擦力所做的功，尽管单根纤维的拉断也要考虑，但 是相对于克服摩擦所做的功可以忽略。因为拉断一根纤维的力小于从纸页中拉 出一根纤维的力，这种方法解决了早期b r e c h t 和i m s e t 工作的不足之处。k a n e 【2 1 提出了嵌入纸页网络纤维长度的概念。s h a l l h o m 和k a r n i s 2 1 在这个概念的基础 上进行了深入的研究，他们考虑了纤维的长度分布和纤维本身特性。p a g e 4 1 ：g e 近考察了纤维被拉断时的能量耗散，b r e c h t 和i m s e t l 2 】发现纸页的弯曲挺度会 影响撕裂端e l 的撕裂应力，进而影响所需要的撕裂功。s h a l l h o m 和k a m i s 【5 】建 立了纸页抗张强度和撕裂强度的数学模型，实验也验证了他们的模型。结合剪 切力分布对于这两个强度性能的影响是不同的，因为在抗张试验中结合力的释 放是逐步的，抗张强度对纤维强度的影响不像对撕裂功那么敏感。在对纸页的 抗张强度和撕裂强度进行理论研究时，一般假设纤维是均一的，纤维拉断的力 可以忽略。p a g e 怕】指出，一个新的能量耗散机理是纤维拉断时所做的功要大于 克服摩擦所做的功。 2 纤维的基本特征 纤维的基本特征包括纤维的形态特征和纤维的内在特征。纤维的形态特征 是植物纤维原料的基本特征之一。纤维形态特征包括纤维的长度、宽度、细胞 壁厚、腔径等基本形态指标，还包括由这些指标组合而成的其他形态指标，最 常见的有长宽比、壁腔比以及纤维的粗度等。纤维的内在特征包括纤维内在强 度、湿态可压缩性和粘聚性。 2 , 1 纤维长度 单是纤维长度本身作为主要的纸浆质量参数，意义不是很大，这是因为长 度要与细胞壁厚度和纤维直径联系起来才有其重要性。由于纤维规格如长度、 宽度、细胞壁厚度和粗度都是相互联系的，其综合性能对我们造纸作业影响很 大。 c l a r k ”j 彳艮强调质量加权纤维长度这点，因为有些报告对纤维长度的意义 阐述往往不是十分清楚。在长于o 1 m m 纤维的质量加权长度与每克纤维的数量 无津科技大学硕士学位论文 ( 与纸浆单位质量的表面积有关) 之间存在着明显的相互关系。用显微镜测定 纤维加权平均长度是一项很繁琐的工作，通常的做法是对4 0 4 0 0 根完整的单 根纤维进行计数。目前，k a j a a n i 纤维分析仪可以实现电动连续计数，几千根纤 维长度的测量在几分钟内即可完成，然后它自动打印出数量平均长度、重量平 均长度和二重重量平均长度，纤维的粗度可以用公式计算得到。纤维长度与许 多强度性能有关，但达到某个长度后再增加长度，就会破坏纸页的匀度和使强 度下降。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，以及较低的耐破和抗张强度。 纤维细度和长度这两个属性具有可互换性，硬木的细短纤维对许多纸张也许更 为理想。它提示我们，纤维可长些，但不应太粗。 纤维长度的重要性，在于它对纸页结构有很大的影响力。即使只从评价切 断情况和单独认识细小纤维的效应，纤维长度的分布也是值得重视的。纤维长 度以及柔韧性、细小纤维含量和纸页密度控制各单根纤维所产生的纤维接触面 积。因此，纤维长度对纸浆的造纸性能有一定影响。均一而较长的纤维可提供 较高的强度，提高某些纤维的平均纤维长度，强度测试表明可增加所抄造纸页 的强度，虽然此强度需要通过打浆才能达到。e i n s p a l l r 7 佣杨木做试验发现纤维 长度与生长期有关，快速的生长期有利于改进纤维长度和强度。 长纤维对纸页匀度有负面的影响，但是长纤维能给予更大的结合面积与更 好的作用应力分布。因此，纤维长度被认为是提供纸浆和纸页强度方面最有用 的一种纤维特性。软木纤维比硬木纤维的长度和宽度要大2 4 倍，且平均有较 厚的细胞壁。这些天然差别，对提高强度是一个优点，但也可能对其他性能有 不利的影响。任何纤维的实际作用往往是以综合结构特征表现出来的。 2 2 纤维宽度 各种木材和非木材纤维的宽度变化幅度很大，阔叶木纤维宽度约为针叶木 纤维的二分之一，但有若干交叠。非木材纤维一般窄于可比长度的木材纤维， 这种细长性可部分的解释若干特殊性能。纤维宽度影响匀度、结合力和挺度， 所以小直径薄壁纤维与类似大直径纤维比较，可间接对所需纸张性能提供更好 的平衡作用。总的来说，纤维宽度与其他性能比较，对纸张性能没有很好的对 应关系，所以用纤维宽度作为对原料质量评价的价值很小。 2 3 细胞壁厚度 厚壁细胞的纤维较刚硬，它限制了其在抄纸中的结合性能，厚壁细胞纤维 所抄造的纸页有较高的光散射系数、松厚度和透气度。在打浆过程中变化也有 类似的倾向，这表明这些性能与纤维形态学有密切的关系。细胞壁厚度一般与 纤维长度相对应，是决定纤维质量的很重要的性能之一。 制浆过程的基本概念有助于解释某些所观察到的纤维性能与纸张强度之问 的关系，通常小直径的纤维壁较厚，在制浆时没有压溃，并在纸页成形时保持 第一章文献综述 其原形。它们通常较难于打浆，且纤维间结合力不大，但有可能改进成纸的撕 裂强度。这类松厚的低密度纸页，不透明度较好，具有粗糙的表面，其耐破度 和抗张强度较低。反之，低密度木材宽阔的薄壁纤维所制得的纸页，其撕裂强 度比等长厚壁纤维制得的纸页要低些。这些纤维易在加工过程中遭到压溃，而 形成压缩的致密纸页。这类纸页的不透明度低，匀度均一而且表面光滑。而且， 这类纤维能提供有效的纤维一纤维间接触面，从而形成牢固的结合力，表现为 抗张与耐破强度均较高。 细胞壁厚度反映出许多有用的纤维质量的信息，细胞腔大小不是始终与手 抄纸或纤维强度性能有关，只是部分地用于材种纤维质量的评价。 2 4 壁腔比 生产实践表明【8 ) ，仅用纤维的长度、宽度来表达原料的纤维形态特征是不 够全面的。因为长宽比相似而柔软性不同的纤维，可以抄造出强度性能差别很 大的纸页来。纤维的壁腔比( 即细胞壁厚度细胞腔的比值) 不同，则它们的柔 软程度不同。壁腔比小( 即纤维的柔软性好) 的纤维，成纸时纤维间的接触面 积较大，故结合力强，成纸的强度高；反之，壁腔比大的纤维则较僵硬，成纸 时纤维间的接触面积较小，结合力小，成纸的强度差。壁腔比大小对成纸的耐 破度指标的影响尤为明显。 纤维的柔软性可用壁腔比来表示，公式如下： 壁i l 奉比：! ! 塑堕望壁壁鏖 2 “ 细胞腔直径 由于测定纤维细胞直径、细胞腔直径较方便，故可设纤维的直径( 即宽度) 为d ，细胞腔直径为d ，则d 与d 之差即为细胞壁厚度w ，则上式可以写为： 壁腔比= 詈 r u n k e l 在研究纤维的壁腔比对纸页的强度性质影响时曾经提出： 壁腔比 1 者劣等原料 这些研究结果，可一定程度上反映柔软性不同的各种原料纤维在成纸时的 结合能力及纸页的强度性质，以及各种纤维在打浆时的行为等方面的差别。实 际生产时，对壁腔比大的纸浆纤维，可以通过适当的打浆使纤维分丝帚化，从 而提高纸浆纤维成纸时的结合能力，改善纸页的紧度和强度。但是应该指出， 纤维的壁腔比并非越小越好。因为壁腔比太小的纤维，其本身的强度太差，尽 管其柔软性好，成纸的紧度高，但成纸的强度仍不高。 2 5 粗度 纤维的粗度，又称纤维的粗细度，是由纺织工业的使用方法引申而来的。 天津科技人学硕士学位论文 纤维的粗度是指单位纤维长度的质量，以1 0 0 m 长纤维的绝干质量( m g ) 表示。 粗度的数学表达式为：c = 二兰1 0 ，式中m 是纤维质量，是纤维的算术平均 门， 长度，n 是质量m 的纤维总根数。纤维粗度是评价纸浆质量、预测纸浆在纸机 上的适应性以及成纸印刷适应性的很好方法。一般来说，纤维粗度大于 3 0 m g l o o m 的纸浆，成纸较粗糙，平滑度低；少于1 0 m g 1 0 0 m 者，成纸细腻， 平滑度好。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3 0 m g l o o m ，而极细纤维则小于 1 0 m g 1 0 0 m 【1 0 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 影响。粗度与每克重的纤维数之间有一个相反的关系，它可影响产品的许多强 度性能。s a s t r y 。7 】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。 2 6 纤维内在强度 单根纤维的强度可基本决定纸页的强度，但它影响纸页强度的确切状况尚 不甚清楚。因为纸页的强度取决于多种因素，包括纤维间的结合强度、纤维长 度和纤维本身固有强度。 v a n d e n a k k e r l 9 指出，在撕裂或抗张强度测试中，即使结合力很弱的纸张， 也有许多纤维被拉断，这就使单个纤维强度的问题引起了注意，根据零距离抗 张理论所测算出的纤维强度与单个纤维强度有很一致的关系。 应用零距抗张仪测出的数据，可作为纤维强度的间接测量值。c a 法捷耶 夫【1 0 】教授列举了多种植物纤维抗张强度的绝对值数据。棉纤维能承受的力为 4 1 2 1 0 千帕，亚麻为7 4 5 1 0 5 千帕，大麻为8 1 4 x 1 0 5 千帕，针叶木亚硫酸盐 浆为5 2 0 x 1 0 千帕。有趣的是生铁的抗张绝对强度只有3 1 4 x 1 0 5 千帕，焊接铁 为3 9 2 x 1 0 5 千帕，钢为4 9 0 一1 9 6 1 1 0 5 千帕。由此可见，植物纤维具有非常 高的机械强度，大多数情况下不亚于金属的强度。纤维强度对抗张和耐破强度 的影响，随着纸页密度的增加而显得愈为重要。对抗撕裂强度的影响，可一直 增加到纸页密度达o 6 0 9 c m 3 左右，但超过此限度，纤维强度对撕裂度就没有多 大影响了。最近的研究认为【l 】，撕裂强度与纤维内在强度的关系比以前所认为 的要大的多。在一定抗张强度时的撕裂度与纤维强度的立方几乎成正比。纸张 强度取决于结构组分之间的结合强度、组分本身强度和薄弱点的分布。纤维强 度愈大，借纤维之间的结合力对纸张强度所作的贡献愈大。 2 7 湿态可压缩性 湿态可压缩性或湿态适应性与纤维适应湿压榨的容易程度有关。该性能描 述两个纤维表面在网络结构中如何相适应以提供一个彼此紧密接触的表面积。 第一章文献综述 湿态可压缩性取决于纤维壁厚，并影响很多的浆料性能( 包括打浆性能和脱水 性能) 。 湿态柔曲性决定纸页的密度，而纤维的折弯情况可能是纤维可压缩性的标 志。折弯是任何单根纤维控制其相邻纤维间相关结合面积的一个全有或全无的 现象。当一根纤维迎着另一根纤维被压溃时，纤维间的接触面积增加。如果湿 态适应性增加或有更多纤维迅速折弯时，浆层就更容易被脱水作用力和湿压榨 所压缩，从而使纸页密度和相对结合面积增加，而有效毛细管面积贝j j * h 应减少。 纤维间的结合力使纸张具有抗张和其他大多数的机械强度性能，所以折弯或柔 曲的纤维增加了相互接触的面积，从而增加了叠交点的潜在强度。 2 8 粘聚性 纤维粘聚性是纤维之间结合力的标志，如果我们清楚了附着力与粘聚力的 区别，很容易理解粘聚性和纤维问结合力的关系。附着力是不同物质表面之间 的分子吸引力，而粘聚力则是通过分子吸引力将同一物质的粒子粘结在结构中。 表面张力迫使微丝组分定向排列，而干燥时的收缩作用则使细小纤维被纳入与 纸面平行的方向。通过纤维表面微丝组分的液体水的定向作用以及随后氢 键的进入粘聚结构，使粘聚性得以提高。一般以纸页的抗张强度与零距抗张强 度之比来表示粘聚强度。 3 撕裂度 3 1 撕裂度的概念 撕裂度有三种形式：内撕裂度、边撕裂度和平面撕裂度。内撕裂度是指撕 裂预先切口的试样至一定距离所需要的力。我们通常所说的撕裂度，如果没有 特别指出，就是指“内撕裂度”。边撕裂度指撕裂没有切口的试样( 撕裂从试样 的边缘开始) 至一定距离所需要的力。目前，边缘撕裂度和平面内撕裂度尚未 纳入i s o 标准，我国亦未采用【l “。 3 2 影响撕裂度的因素 撕裂度与三种参数有关： ( 1 ) 参与纸页破裂的纤维总数。 ( 2 ) 纤维本身的性质( 即纤维的长度和纤维本身强度) 。 ( 3 ) 纤维与纤维结合的数目与结合强度。 参与纸页破裂的纤维数目是由纸的克重和纸页的挠性决定的。一张刚硬的 纸页会把力量集中到小面积的少数纤维上：而有挠性的纸页会把力量分布到更 大的面积上，也就是更多数量的纤维上。 不仅是纸页的撕裂强度，所有纸张的机械强度性能实际上都在一定程度上 取决于纤维问的结合力。除了结合力外，机械强度性能还受其他因素( 如纤维 长度、强度、伸长率等) 的影响。纤维结合力大小与纤维之间的接触面积有关， 6 天津科技大学硕士学位论文 还与纤维接触面之间的单位面积结合强度有关。因为纤维之间的接触面积与压 溃纤维的数量和纸页密度有关，因此结合强度的变化将导致纸页强度的变化。 随着纤维间结合力的增加，纤维强度在纸页强度性能方面的影响就更为明显。 在结合良好的纸页中，纸页的破坏往往是以纤维本身破坏的形式出现，而不是 纤维间结合面的破裂。因此，对受到损害的纤维破坏机会就大的多。此时如果 纤维结合力是唯一的控制因素，在结合良好的纸页中，所反映出的撕裂强度要 低。一定的纸页密度，当结合强度较好时，抗张强度较高，随着纤维间结合力 的增加，纤维的内在强度对纸张强度的影响更大。n o r d m a n 【1 j 观察到在一定的 打浆和湿压条件下，很多纸浆的抗张力与相应的结合面积成正比。v a nd e n a k k o ”j 证实，当纸页破损时，纤维与纤维的结合力以及纤维本身均遭到破裂。 理论分析表明，纸页结构、纤维内在强度和纤维间结合强度均对纸张强度起重 要作用。 在结合疏松的纸页结构中，撕裂作用力分布在撕裂方向周围较大的面积中， 特别是在长度较大且本身强度较好的纤维中更是如此。而在纤维间结合紧密的 纸页中，在破裂点施加同样的撕裂作用力，其应力集中于撕裂的端口将纤维拉 断，这样的应力分配就大大影响了纸张的撕裂强度。 3 ：2 1 打浆对撕裂度的影响 用未经打浆的纸浆所抄造的纸的撕裂度，几乎完全是克服把纤维从纸中拉 出来的摩擦力所需要的功，实际上基本没有纤维的拉断，而且因为纤维接触的 总面积是小的，所以摩擦阻力是低的。稍微经过打浆以后，纤维间的结合增加 了，撕裂度也就较大些，因为把纤维从纸中拉出来的摩擦阻力增大了。当打浆 度进一步提高后，纤维不能很容易地互相滑移，结果在受到张力时，被拉断的 纤维数目就要增加。这种作用就变成更像剪力的作用，而不是拉开的作用，而 且因为撕裂一根纤维所作的功比从纸页中拉出一根纤维所需要的能量小得多， 所以撕裂纸页所需要的能量就减小了。换句话说，打浆的结果是使纤维细纤维 化，使纸的内聚力和挺度增加，撕裂时的应力集中到较小面积上，纸页的撅裂 强度降低。因此，打浆程度决定了在撕裂过程中纸页纤维的破裂情况，打浆使 得纸的撕裂度先有砦上升，然后持续下降。 为达到最大撕裂度所需要的打浆程度，其变化范围很大。有些纸浆可以很 快达到最高值，以致在常用的打浆曲线上不能表现出来。大多数纸浆经过少量 打浆就达到最高抗撕力，小部分需经长时间打浆才能达到，极少数( 如：破布 浆) 在整个打浆周期中，保持大致相同的撕裂度。如亚硫酸盐木浆撕裂度的转 折点在1 8 2 5 。s r 时就开始下降，而耐折度的下降点在5 0 。s r 左右，裂断长 一般在6 0 8 0 。s r 口j 。如果撕裂度低而耐破强度很高，说明打浆已经过度。如 果撕裂度对耐破强度来说低得不成比例，说明在纤维处理中纤维切断太多。对 于一种给定的纤维浆料，撕裂度是纤维长度因打浆而降低程度大小的衡量尺度。 第一章文献综述 3 22 压榨对撕裂度的影响 前人的研究证实，压榨可以增加纤维间的接触，增加纤维间的结合面积， 因而能够提高受纤维结合力为主的各项强度性能。在打浆时由于增加了纤维的 细纤维化，不但增进了纤维之间的结合，而且在打浆时生成的细纤维在湿纸页 压榨脱水的时候，因为表面张力的关系，更容易接触产生氢键结合。确实，正 如c l 伊万诺夫和列申柯【1 0 1 指出的，纤维间的结合力有最适宜的数值，这个数 值保证了最大的撕裂度。在长纤维针叶木浆的情况下，这个数值总共只有4 9 0 5 8 8 千帕，即它比纤维在相应的打浆之后达到的最高值小2 3 3 4 ，如果结合 力比这个数值小，那么纸页内的纤维结合得便不牢固，于是检验纸的撕裂度时， 也就比较容易地被拉出来，而不会拉断。纸压实后，纤维结合力大大地超过上 述的数值，就会导致在纸的破坏区内使大量纤维被拉萨，只有少量的纤维随着 结合的破坏而被拉出来，在纸幅压实的情况下，撕裂力作用的面积减少，随之 也就减少了纸页的撕裂度。而纸页结构松散( 紧度减小时) ，纤维间的结合力便 减强，如果在这种情况下，结合力不低于最佳值，那么随着裂断长的增加，纸 页的撕裂度也同时增加。 3 2 3 纤维长度对纸页撕裂度的影响 大部分学者认为纤维长度对撕裂度的影响很大，后来的研究进一步表明撕 裂度对纤维长度的依赖程度随纤维结合情况而变化，结合程度低，依赖性较大； 结合程度提高，依赖性减少。因为结合差的纸页撕裂时，较多的纤维被拉出来， 而不是被拉断，纸页的撕裂度受破裂结合点数量的控制，而结合点数量与纤维 长度密切相关。对纤维间结合良好的纸页，撕裂时更多的纤维被拉断，而不是 被拉出来，因此撕裂度主要受纤维拉断的控制，这与纤维本身强度密切相关， 而纤维长度的影响减小。 3 2 4 纤维强度对纸页撕裂度的影响 纤维强度即单根纤维的内在强度，通常以试样的零距抗张强度表示。在普 通的抗张强度测试中，测试的长度大于纤维长度，所测得的强度的大小，取决 于纤维强度以及纤维间的结合范围与结合强度。在零距抗张测试中，利用一对 专用夹具将测试距离缩短到零，这样所有的测试纤维均被夹在夹具中，因此从 理论上所测试的强度只取决于纤维强度。单根纤维强度与细胞壁的厚度以及细 胞壁中微细纤维的角度密切相关，尤其是微细纤维的角度影响很大。纤维强度 随微细纤维角度的增大而下降。由纤维素构成的微细纤维是纤维承受负荷的基 体，因而纤维素的含量及其结晶度的大小对纤维强度有直接的影响。在制浆过 程中遭受的工艺损伤也会影响纤维强度。纤维强度是影响纸页强度的重要因素 之一，理论上是给定的纸浆可能获得的最高强度，但实际不可能达到，因为纸 的强度不仅取决于原始纤维的强度，还取决于纤维之间的结合程度。究竟哪一 方面更为重要，要看具体情况下哪一个因素在起主导作用。 天津科技大学硕士学位论文 纤维问的结合越强，处于应力状态的纤维数量越多，在纸页的断裂面上被 拉断的纤维数量越多。在纸样作拉力实验时，随着浆料打浆度的升高，由这种 纸料抄造的纸中拉断的纤维数量也会增加。值得提出的是由于植物纤维打浆的 结果，成纸中纤维之间结合力增加，而根据零距抗张强度测定的纤维自身的强 度却下降，结果令人深思。在作拉力实验时，随着纤维间结合的增加，纤维本 身的强度对成纸的影响作用增加。纤维上的裂痕越多，由于这些裂痕处产生应 力集中，其值可能超过纸中的平均应力，使纤维拉断的可能性增大。因此纤维 本身强度的削弱也会给纸页带来损伤，导致强度下降。 3 2 5 纤维粗度对纸页撕裂度的影响 纤维粗度增加，则撕裂度增加。因为当粗度下降，纤维变细，应力更易集 中于撕裂区。在纤维较细或者纸页挺硬的情况下，应力不易分散；与此相反， 纤维粗，则抄出的纸页较松厚，应力易分散。通过在短纤维浆中加入长纤维浆 来提高撕裂度，并不如想象中的那么明显，因为长纤维加入后，平均纤维长度 增加。但与此同时，纸页的松厚度下降，撕裂度的增加不是那么快。 3 2 6 细小纤维 化学浆的细小纤维包括未经打浆时的原始细小纤维( 射线细胞、软组织细 胞、极短的纤维碎片) 和打浆过程中形成的次级细小纤维( 细纤维、细胞壁碎 片和被切断的纤维) 。对于造纸原料细小纤维通常定义为能通过7 5 1 x m 直径的圆 形孔或者通过2 0 0 目筛分仪的组分。随着浆种的不同细小纤维的概念也有所不 同。草类化学浆在1 0 0 目以下的短纤维、杂细胞等的混合物组分叫细小纤维； 通常将机械浆与化学机械浆通过2 0 0 目的纤维碎片、丝状细小纤维、纤维束等 组分称作细小纤维，也有少数研究者将通过1 0 0 目的纤维组分称为细小纤维； 化学木浆在2 0 0 目之下的短纤维和纤维束组分是细小纤皇隹【”】。 化学浆中的纤维和细小组分有相同的化学组成，但是细小纤维在半纤维素 和木素的含量上比纤维要高，纤维和细小纤维在物理性能上有很大的差别，细 小纤维有更大的比表面积或者单位质量的表面积，它们也更容易润胀。实际上 对于细小组分，每单位绝干质量携带水的量是纤维的两倍。因为它们的体积较 小、比表面积较大、较高的润胀性能，细小组分在很大方面会影响纸页的结构 和性能。在脱水过程中细小纤维能填入纤维之间，对给定的脱水条件它们增加 了纸页的润湿性能。细小纤维通过在纸页干燥期间增加纤维水空气的表面张 力从而增加了纤维间的结合。细小纤维增加了纸页干燥时的卷曲阻力，如果细 小纤维中含有的半纤维素较多，细小纤维能够提高纤维- 纤维间的结合强度。 有关细小纤维对纸页性能的影响有两种不同的机理i l 列：第一种机理认为， 在一定的浓度下，细小纤维增加了c a m p b e l l 力形成了更多的纤维一纤维的结 合。在干燥时通过微压榨时会使这些纤维产生很好的活性，细小纤维对表面张 力的贡献取决于它们的数量、大小和润胀能力；第二种机理认为，在纸页的干 第一章文献综述 燥过程中，如果细小纤维存在于长纤维表面，它们会通过在整个结合表面来分 布应力，以此来降低局部的应力集中，在纤维网络张紧时就增加了纸页的强度。 细小纤维的移除也能增加撕裂强度，同时也会增加需要达到撕裂度的最大 值时的打浆能耗。细小纤维能增加纤维间的结合能力，而细小纤维的移除必须 通过打浆使纤维网络保持一定的结合力，以达到最大的撕裂度值。但是细小纤 维对撕裂度的影响不像纤维长度那么重要。 3 2 ，7 其它影响因素 已经证明纸的干燥条件对纸的撕裂度指标有影响。在不限制纸幅收缩的条 件下进行干燥，这个指标增加。如果希望得到撕裂度高的纸，在纸的干度为6 0 8 5 范围时，不应强烈地张紧干毯，因为纸的撕裂度指标可以在某种程度上判 断纸的伸长率。 另外，由于纸幅边缘收缩比中间大，故