纸张结构及性能.ppt

第七章 纸和纸板的结构及结构纸页结构的特征表述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。若干常见工程材料的裂断长比较氢键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。纤维之间的结合理论 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。氢键结合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。部分溶出理论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。纸页的固化机理纤维尺寸、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。半纤维素对纤维结合的影响 纤维素对纤维结合的影响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。木素对纤维结合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。水是植物纤维结合的关键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）填料引起的两面差纸张结构性能纸张结构性能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、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。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。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。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。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。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。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。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。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。液体吸收性能和水汽穿透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值等纸张的耐久性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。）光学性能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)/Rw100%不透明度：纸张阻止光线透过的能力。不透明度=R0/R100%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。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。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。电气性能