纤维特征对纸张结构和性能的影响.docx

杨婷婷( 泉州经贸学院轻工系, 福建 泉州 362000)【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 。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 。【关键词】 纤 维 长 度 ; 粗 度 ; 强 度 ; 纸 张 结 构 ; 性 能【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】 1003- 2673(2007)10- 0015- 04ts714a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。形, 导致纤维卷曲, 从而影响纤维长度。化学浆的纤维由 5%- 1 0%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。1.1 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5, 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。1.2 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=d105/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/100m6。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一1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。不同的浆种和处理方式, 所得纤维的特性也有很大差异。 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【作 者 简 介】杨婷婷( 1983- ) , 女, 江西南昌人, 泉州经贸职业技术学院轻工系教师。15图 1 若干常见工程材料的裂断长比较图 2kp 浆长纤维组分中添加 t m p 浆和 kp 浆的细小纤维后, 纸 页光散射系数和密度变化关系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。其湿柔韧性相对越小, 因 而 在 纸 页 成 形 时 , 纤 维 间 的 交 织 面积及结合力相对也越小, 从而使纸张的紧度也越小。粗度较 大的纤维细胞壁较厚, 单 位 质 量 浆 中 纤 维 数 目 少 , 因 而 造 出 的纸松厚、多孔和粗糙。同时由于其比表面积较小, 可供光射 散的面积较少, 因而构成的纸页不透明度较低。2.3 光散射系数低粗度的纤维意味着较为细小并具有较多的结合面积, 使未结合面积(非光学接触面积)减少 , 而 光 的 反 射 和 散 射 只 能发生在未结合面积上, 因此浆张的散射系数和不透明度, 随着纤维粗度的下降而降低10。未键 合 纤 维 的 光 散 射 系 数 来 自 于 比 表 面 积 或 单 位 质 量 面积。纤维细胞壁厚越小, 化学浆纤维的光散射系数 sf 越高, 例如早材纤维。机械浆纤维由于比表面积较低, 比化学浆纤 维散射的光少。 机 械 浆 纤 维 成 纸 具 有 更 加 多 孔 和 松 厚 的 结 构, 也与这种差异有一定联系11。细小纤维大的比表面积使其具有高的键合能力, 从而有 利于纸页巩固。化学和机械浆的细小纤维的恶影响由于不同 的表面化学和比表面积而不同。机械浆的细小纤维比化学浆 的粗糙、硬挺。全化学浆成纸的表观紧度可达 1200kg/m3 以 上, 而机械浆成纸则大约 500kg/m3。机械浆的细小纤维组分对成纸光散射系数有很大影响,这是因为细小纤维即使在纸页中也保留一些外露区域。机械 浆 未 键 合 细 小 纤 维 的 光 散 射 系 数 sf 可 以 达 到 100m2/kg 以 上, 相比之下, 化学浆的细小纤维几乎都成键, sf 可低达 5 m2/kg。1.3纤维的强度如图 1 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 定 纸 页 的 强 度, 另一方面也表明纸页的强度 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 , 真 正 决 定 纸 张强度的是纤维纤维的结合强度。要提高纸张强度, 必须 从提高纤维纤维的结合强度着手。纤维的强度一般用零距离抗张强度值表示。随着纸页紧度的增加 , 纤维的强度 对 纸 张 抗 张 强 度 和 耐 破 度 的 影 响 更 大。最近的研究认为, 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。纤维的强度愈大, 其借助于纤维间的 结合力对纸张强度所作的贡献也就愈大。2与纸张结构的关系纸张是由纤维、辅料、空气、水分组成的多相网络式孔状材料。网状结构与纤维和键合微观特性之间的联系来自于纸张干燥过程 ( 纤维网络产生内应力) , 这种内应力是局部性 的, 作用于纤维内部和纤维之间。宏观上, 这种内应力为零, 它取决于纤维收缩的各向异性, 干燥时作用于纸页。2.1 成形性能在造纸湿部影响纸张匀度的两个主要参数是: 纤维间结 合点的数量及其结合强度, 他们同时也影响纤维悬浮液的强 度。纤维之间接触点增加, 可提高纤维悬浮液的强度, 却破坏 了纸页的匀度。受纤维悬浮液浓度和纤维尺寸影响的絮聚因 子, 可用来表示纤维间的结合点数量。纸张的匀度与纤维的长度和粗度有着密切的关系。对于 未漂的硫酸盐浆, 随着纤维长度的降低, 其纸页的匀度提高。 长纤维纸页成形差, 主要是由于在抄片过程中长纤维的絮聚 程度较大, 而短纤维易流动、滤水好, 形成的纸页较均匀。对 于纤维的粗度, 有着类似的结论, 即纤维 越 细 , 其 匀 度 越 好 , 越有利于成形。2.2 紧度当纤维的长度和粗度都较低时, 纤维的网络系统有更加 紧凑的趋势。随着纤维长度的降低, 所形成纸页的紧度提高。 类似的, 纸张紧度随纤维粗度的增大而下降。纸张紧度的主 要影响因素是纤维的粗度、细纤 维 化 、干 燥 时 的 起 皱 性 及 浆 中细小纤维含量。而纤维粗度对纸张紧度的影响可能是由纤 维粗度对纤维的湿柔韧性的影响所致, 因为粗度越大的纤维由图 2 可知, 当添加化学浆细小纤维时, 纸页紧度增加,但光散射系数维持恒定或略微降低; 当添加少量机械浆细小 纤维时, 有类似的变化趋势, 但添 加 量 较 大 , 纸 页 紧 度 恒 定 , 光散射系数急剧增加。3与纸张性能的关系抗张强度page 建立了纸页抗张强度的经典的理论模型:3.1式中: t康张强度;z零距抗张强度;a纤维的横截面积; 纤维密度;b剪切力;l重均纤维长度;p单 根 纤 维 的 周 长 ;rba相 对 键 合 面积16从上面的公式中可以看到, 纸张的抗张强度取决于纤维的长度和纤维的内在强度。当纤维结合较弱时, 纤维间的结合指数12ag/blp(rba)为主要决定因素, 抗张强度主要受纤维结合 的控制; 如果纤维结合程度大, 结合指数 12ag/blp(rba)占 的比例小, 1/t 取决于 9/8z, 纤维的内在强度的影响更为明显。每单位试样宽度的力 f 为:撕裂度对纤维长度的依赖程度随纤维结合情况而变化, 结合程度较低时, 依赖性较大; 结合程度较高时, 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, 撕裂度受破裂的结合点数量的控制, 这与纤维长度密切相关而 对结合好的纸页, 撕裂时更多的纤维被拉断, 而不是被拉出来, 因而撕裂度主要受纤维断裂的控制, 纤维长度的影响较小。纤维粗度对撕裂度的影响同样是基于纤维结合的变化。但 撕裂度对纤维结合的依赖关系较为复杂。开始, 随着结合程度 的增加, 愈来愈大的力消耗在拨出纤维, 因而撕裂度增加; 当达 到某一最大值后, 随着结合程度的进一步增加, 愈来愈多的纤 维断裂, 由于裂断纤维所需的力小于出纤维所需的力, 所以撕 裂度反而下降。正是由于这个原因, 粗度较大的纤维, 赋予纸页 较高的撕裂度, 但随着纤维之间结合程度的增加, 撕裂度对纤 维粗度的依赖性减小。纤维的强度对纸张撕裂度的影响程度与纤维间的结合程 度密切相关。有研究表明, 当纤维较长, 有足够的结合时, 撕裂 度与纤维强度的平方成正比; 如果纤维较短, 结合较差, 撕裂度 对纤维强度的依赖性减弱, 因为此时在撕裂部位, 纤维通常是 被拔出, 而不是拉断。纤维的强度、粗度以及纸页紧度保持恒定时, 断裂韧性随 着纤维平均长度增加而增大, 近似成直线关系。对于纸张撕裂 度来说, 其主要的影响因素为纸张抵抗局部应力的能力及分散 局部应力的能力大小, 纤维粗度越大的浆料, 纤维间结合力越 小, 这一方面造成纸张分散局部应力能力增加; 但另一方面又 造成纸张抵抗局部应力能力的降低, 至于哪一方面占优势, 还 有待于进一步研究。纤维粗度越大的浆料其纤维长度相对也越 大, 而纤维长度对撕裂度的影响较大, 可见, 纤维长度越大, 其 纸张撕裂度相对也越大。由于上述三方面因素的综合影响, 造 成浆料的撕裂度随纤维粗度的增加而增加。3.4 粗糙度随机分布的纤维网络的几何统计提供了评价纤维特征对 纸张平滑度的影响。微观粗糙度的 profilometric 测量显示, 纸 张表面的局部高度分布接近正态分布, 或高平均的泊松分布。 即使在普通压光后, 也符合这种规律。表面高度的泊松分布表明, 在第一个近似值时, 所有的纤 维对于纸张厚度的贡献是相同的, 而纸张表面高度与局部定量 则称比例。由此推出 rms 粗糙度估计值:w2g c2g bnl +2b( nl- 1) f2其中 为纤维长度, 为纤维粗度。公式显示对任意 nl层的纸页, 每单位克重 w, 每单位宽度所需的力正比于纤维的长 度, 反比于纤维粗度的平方; f 是纤维纤维间的摩擦力, c 是每 单位纤维长度的平均质量。这些假设和试验的结果基本是吻合 的, 公式为我们展示了纤维本身的特型对纸页性能的影响。在一定的纸页紧度时, 抗张强度随纤维长度的增加而提 高, 由于长纤维能提供更多的结合点, 同时长纤维本身具有较 高 的 强 度 , 有 利 于 应 力 均 匀 分 布 。 但 当 长 度 达 到 某 个 值 (2.95mm)时, 继续增加纤维长度并不能导致抗张强度的进一步提 高。这是因为当纤维达到一定长度, 有相当多的结合点时, 拨出 纤维比拉断纤维困难, 此时抗张强度主要受纤维强度控制, 不 再随纤维长度的增加而变化。在不同的打浆转数下, 由不同纤维粗度的纤维抄得的纸 张, 其抗张强度随纤维粗度的增加逐渐降低, 这是因为纸张抗 张强度主要取决于纤维间的结合力。随着纤维粗度的增加, 比 表面积减少, 抗张强度下降。由纤维粗度较大的纤维抄得的纸 张, 其纤维间结合力相对要小一些, 因而, 其纸张的抗张强度也 相对要小。另外, 随着打浆的进行, 提高了纤维结合力, 纸页的 抗张强度也不断增加。细小纤维组分可以通过三种方式改善纤维结合:比结合强度( 类似胶水的作用) ; 纤维交叉部分的键合面积(结合边界的累加) ; 纤维之间的结合数量(拉近纤维) 。因此, 在纤维中加入细小组分(也含有细小纤维 组 分)可 以提升抗张指数就很正常。3.2 耐破度耐破度可以通过抗张指数、破坏应变、纤维长度和纤维粗 度来计算。其中纤维的长度对纸张耐破度的影响很大, 纤维越 长, 结合越好, 耐破度越大。研究证明纤维粗度越大, 松厚度增 大, 耐破度降低。由于耐破度是受抗张强度和伸长率影响的综合参数, 而且 所有这些强度指标都受纤维长度的影响。增加纤维长度提高耐 破强度的原因是纤维间的相互接触增加。当然, 耐破度测试中, 破裂将发生在当纸张的应变在某个方 向(一般为纵向)超过可伸长的最低极限时。在顶破的瞬间, 作用 在其他方向的力就取决于各个方向的负载伸长率关系。已经 发现, 纵向和横向抗张强度的平均值提供了一个较好的作用于 所有方向的近似作用力总值。从而发现耐破度是纸张可伸长能 力最低的那个方向的伸长长度与平均抗张强度的乘积成正比, 研究中认为耐破试验中加载的力是双轴向作用的, 认为比例系 数和耐破度仪的形状有关, 是独立于纸页性能以外的。最近的研 究认为这个比例系数要受纤维特性的影响, 不是恒定不变的。3.3 撕裂度deffmf! abrrms=deffcov( deff) =deff!n其中: n测量区域 a 内的纤维数量平均值; b纸张定量; deff纸张有效厚度; mf纤维的分子量。由此可以看出, 一定的定量下, 纸张的粗糙度随着纤维的 分子量和纸张厚度的增加而增加。长纤维由于其高分子量, 能提高纸页粗糙度, 长纤维比短 纤维更加粗糙。由于纤维降低了其柔软度, 使得纸页粗糙度随 纤维粗糙度的增加而增加。粗糙的纤维使其成纸更粗糙。由于 这个原因, 化学浆中阔叶木纤维成纸平滑度比针叶木纤维成纸 的高, 而且磨木浆成纸平滑度比 tmp 的高。化学浆的打浆增加 了纤维的柔软性和压溃性, 并通过降低纸张厚度降低纸张的粗 糙度 deff 。对于机械浆, 精选可增加短纤维的相对比例, 并因其17较低的平均分子量, 而降低了纸张的粗糙度。降低到最小限度。纤维粗度的影响, 归根到底是由于纤维结合的影响。粗度 较大的纤维细胞壁较厚, 单位质量中纤维数少, 比表面积较小, 因而构成的纸页松厚、多孔、粗糙, 不透明度较小, 纸页的抗张 强度较差, 但撕裂强度较大, 因而适合生产要求松厚度和孔隙 度大的纸种; 而粗度较小的纤维宜于生产强度、挺度、平滑度以 及不透明度高的纸种。4结论纤维长度、强度和粗度是造纸纤维的三个基本性质。三者 对纸张成形的影响, 既相互联系又相互影响, 相辅相成。在实际 的生产中, 综合考虑它们的影响是必要的。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。纤维长度对纸张性能的影响范围广泛, 几乎遍及所有的强 度性质以及成形, 但影响程度却有着很大的区别。纤维长度对 于一定的纸种要有一个最小的长度极限, 小于这个 极 限, 就 要 影响纸的质量, 所以要求纤维长度要大于这个最小的长度极 限, 才能有利于提高和改善纸张质量。降低纤维长度, 除改善成 形以外, 对纸页的结构性质没有多少直接影响, 但导致机械强 度下降, 尤其是对耐折度和撕裂度的影响更大, 相对而言, 对主 要受纤维结合控制的抗张强度的影响较小。一般说来, 较长的 纤维赋予纸页较高的强度, 尤其是对结合较差的纸页。当纸页 结合良好时, 纤维长度的影响就显得没有那么重要了。纤维强度对纸页强度的影响也与纤维结合程度有关。对结 合较差的纸页, 其影响程度很小, 因为纸页断裂主要发生在结 合部位, 并不是纤维断裂; 而对结合良好的纸页, 纤维强度大大 地影响受纤维裂断控制的那些强度性质, 纤维强度的降低会导 致抗张强度、耐破度、耐折度和撕裂度的明显下降, 尤其是耐折 度下降更多。由于绝大多数纸页都是结合很好的, 纤维强度直 接影响到纸的强度, 因此在工艺过程中, 应将纤维强度的损失参考文献1 全金英.纤维性质对成纸性能的影响j.林产工业, 1997, 24:6.2 elias r et u lain en, et al. p aper p h ysics. c h apt er 2: fibers an d bo n ds 3 t u rrado s.,j. et al.fiber pro pert ies an d t h eir in flu en ce o n paper st ru ct u re. sp ie 1999 vo l.3227,45- 55.4 秦丽娟等. 纤维的性质对纸张性能的影响 j. 黑龙江造纸,2004,1:11- 12.5 曾广植.对用纸浆纤维筛分组分评价纸张综台强度影响关系的探讨j.纸和造纸,2006,9( 25) : 74- 76.6 b.a. 绍帕, 曹邦威译. 最新纸机抄造工艺m. 北京: 中国轻工出版社,1999.6 何北海. 纸浆流送与纸页成形 m. 广州:2002, 10.华南理工大学出版社,7 byo u n g- u k c h o a,et al. a bridgin g m o del fo r t h e effect s o f a du alco m po n en t flo ccu lat io n syst em o n t h e st ren gt h o f fiber co n t act s in flo cs o f pu lp fibers: im plicat io n s fo r co n t ro l o f paper u n ifo rm it y. c o llo ids an d su rfaces a: p h ysico ch em. en g. 2006,2:117- 125.8 m arkku leskel. p aper p h ysics. c h apt er 4: o pt ical pro pert ies.9 郝妮, 王海毅. 纤维特性与低定量涂布纸原纸质量. 纸和造纸,2005,9( 5) :14- 17.上接第 1 4 0 页)4总结三维 cad 技术的飞速发展和应用的日益普及, 对高职院(“三中心”教学方法, 利用多媒体这种先进的教学手段, 满足学生在学习过程中对空间物体及其图形的感性认识的要求, 以此培 养初步的三维空间想象能力。调整教学内容, 将画法几何内容 可以适当减弱, 把三维设计技术融人机械制图教学, 加强对三 维形体的想象、构形、分析、表达能力、三维形体和二维图形相互 转化能力的培养,机