纖維長度和粗度對紙張 結(jié)構(gòu)性能的影響

李榮一 金東柱

摘要：：研究了各種未打漿紙漿的纖維直徑、長度與粗度的關(guān)系，并探討了纖維長度與粗度對成紙性能的影響。結(jié)果表明，纖維的直徑、長度與粗度成線性關(guān)系；且纖維長度與粗度均對成紙的吸水性、氣孔率與氣孔有效直徑有增強作用。

關(guān)鍵詞：纖維長度；纖維粗度；紙張結(jié)構(gòu)性能

中圖分類號：TS721文獻標(biāo)識碼：ADOI：1011980/jissn0254508X201807009

收稿日期：20170926（修改稿）Fiber Length， Coarseness and Their Effects on Paper Structural PropertiesLI YongI1*KIM Dongzhu

（Institute of Paper Engineering， Academy of Science， Unjong District， Pyongyang， DPR Korea）

（*Email： arirangip@starco.net.kp）

Abstract：This study dealt with the effects of fiber length， coarseness and length distribution on the stereo structural properties of paper produced from unbeaten pulp.At the same time， the relationship between weight average fiber length and stereo structural properties of paper was investigated.In this investigation， it was found that a positive relationship was observed between weight average length and stereo structural properties of paper.The correlations between length and stereo structural properties of paper were very good.Regression analysis indicated that stereo structural properties of paper was more clearly a function of fiber length and coarseness.

Key words：fiber length； fiber coarseness； paper structural properties

東方書畫紙的主要特點是水溶性顏料可滲透到紙張的結(jié)構(gòu)中，呈現(xiàn)出相應(yīng)的圖像[1]。東方書畫紙有中國的宣紙和皮紙，還有朝鮮的高麗楮紙和高麗宣紙。相比于西方書畫紙，東方書畫紙的特有性和優(yōu)秀性歸因于其結(jié)構(gòu)性能[2]。栩栩如生的人物、意境深遠的山水以及賞心悅目的花卉……正是宣紙和高麗紙獨特的結(jié)構(gòu)性能所致[3]。歐洲的水彩畫、油畫與紙張的結(jié)構(gòu)性能無關(guān)，只與紙張的表面性能有關(guān)[4]。

中國書畫紙一般采用青檀、稻草等作為原料，朝鮮書畫紙則用楮皮、稻草等作為原料。紙張的結(jié)構(gòu)性是紙張抄造過程中通過纖維的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成的，主要與纖維種類、制漿方法、紙張的成形等有關(guān)。水溶性顏料在紙張中浸透、擴散與其結(jié)構(gòu)性能有關(guān)。本課題分析了各種植物纖維的長度和粗度之間的關(guān)系及其對成紙結(jié)構(gòu)性能的影響。

1實驗

11原料

原料為未打漿的針葉木漿（松木、落葉松）、闊葉木漿（白楊、樺木）、竹漿、楮韌皮漿、稻草漿和蘆葦漿。

12纖維長度和粗度的測定

纖維長度和纖維粗度采用Kajaani FS200纖維分析儀測定[5]。每個樣品大約檢測5000根纖維，求其平均值。

13紙張的制備以及各項性能的測定

本實驗中每個樣品均未打漿，并使用標(biāo)準(zhǔn)紙頁成型器進行抄紙，紙張定量控制在60 g/m2左右，紙張抄造完成后，按照ISO標(biāo)準(zhǔn)測定紙張的各項物理性能。

2結(jié)果與討論

21纖維直徑、均質(zhì)長度與粗度的關(guān)系

當(dāng)原料纖維壁的厚度不同時， 同一直徑的纖維對紙張結(jié)構(gòu)性能的影響不一樣，纖維粗度是纖維的主要特征[67]。圖1顯示了多種樣品的纖維直徑與粗度之間的關(guān)系。由圖1可知，隨著不同纖維直徑的增加，纖維粗度也逐漸增加，兩者之間近似成線性關(guān)系。這表明纖維直徑越大，纖維的粗度也就越大，這與Dinwoodle等人[8]的研究結(jié)果一致。各種原料的纖維質(zhì)均長度與粗度的關(guān)系如圖2所示。由圖2可見， 纖維粗度與纖維質(zhì)均長度呈正相關(guān)的線性關(guān)系。這表明原料的纖維質(zhì)均長度越大，其纖維粗度就越大。

22纖維粗度對紙張結(jié)構(gòu)性能的影響

稻草漿用24目篩、100目篩去除粗纖維、薄壁細胞；楮韌皮纖維抄造成紙張后，再分散，用標(biāo)準(zhǔn)篩篩選，分析纖維粗度對紙張結(jié)構(gòu)性能的影響[910]。將各種篩后的紙漿按照標(biāo)準(zhǔn)方法抄得紙樣， 并按ISO標(biāo)準(zhǔn)測定紙張各項物理性能。不同種類紙漿纖維篩后的特性結(jié)果如表1所示。纖維粗度對紙張結(jié)構(gòu)性能的影響如表2所示。由表2可知，紙張的氣孔率、氣孔有效直徑、吸水性隨纖維粗度的增加而上升。各項性能指標(biāo)與纖維粗度之間的線性回歸方程如下：

氣孔率：y=212x+6176R2=096

氣孔有效直徑：y=148x+210R2=094

吸水性：y=4064x+5663R2=092

式中，x為纖維粗度，mg/m。

線性回歸分析表明，纖維粗度是影響紙張氣孔率、氣孔有效直徑、吸水性的一項重要指標(biāo)。且上述3個線性指數(shù)R2均大于090，說明具有極強的線性關(guān)系，且都是正相關(guān)關(guān)系。

23纖維長度對紙張結(jié)構(gòu)性能的影響

當(dāng)纖維粗度一致時，分析纖維長度對紙張結(jié)構(gòu)性能的影響[11]。為使纖維粗度保持一致，本課題選取楮韌皮從下部10～50 cm位置的稈進行分析研究，纖維長度隨楮韌皮切斷長度分布如表3所示，纖維長度對紙張結(jié)構(gòu)性能的影響如表4所示。表5為稻草漿纖維長度對紙張結(jié)構(gòu)性能的影響。

24混合漿的纖維長度與粗度的關(guān)系

紙張的性能與纖維長度和粗度之間呈函數(shù)關(guān)系，且與紙漿的打漿度、抄紙方式、壓榨方式和干燥方式有關(guān)。當(dāng)纖維未打漿、但抄紙、 壓榨、干燥方式都相同時，紙張的結(jié)構(gòu)性能與纖維長度、粗度之間呈函數(shù)關(guān)系。

如果將不同纖維長度和纖維粗度的漿料混合，那么混合漿的纖維長度和粗度的分配規(guī)律及用混合漿抄成紙張后的結(jié)構(gòu)性能的影響都有待研究。

對于一般的紙漿來說，已知每種漿的纖維長度（l1，l2，…，li）、質(zhì)量（w1，w2，…，wi），纖維的總數(shù)量N、總長度L、總質(zhì)量W。則混合漿纖維的數(shù)均長度LN、質(zhì)均長度LW和粗度C分別按公式（1）、公式（2）、公式（3）計算。

LN=l1+l2+…+liN=∑liN=LN（1）

LW=l1w1+l2w2+…+liwiw1+w2+…+wi=∑wili∑wi=∑wiliW（2）

C=w1+w2+…+wil1+l2+…+li=∑wi∑li=WL（3）

如果已知兩種漿料各自的LN、LW和C，即已知LN1、LW1、C1，LN2、LW2、C2，將兩種漿料以50∶50的比例混合，則混合漿的LN、LW、C的計算分別如公式（4）、公式（5）和公式（6）所示[11]。

LN=LN1LN2（C1+C2）LN1C1+LN2C2（4）

LW=LW1C1+LW2C1C1+C2（5）

C=LN1C1C205（LN2C1+LN2C2）（6）

公式（4）、公式（5）和公式（6）雖然具有局限性，但可以在混合比50∶50下成立， 但纖維粗度C的實驗值和計算值的誤差很大。當(dāng)兩組漿以任意配比混合時，推導(dǎo)出混合漿的纖維長度和纖維粗度公式如公式（7）、公式（8）和公式（9）所示。

LN=LN1LN2（xC2+yC2）LN2xC2+LN1yC1（7）

LW=LW1x+LW2yx+y（8）

C=C1C2（x+y）xC2+yC1（9）

式中，x為混合漿第1種漿質(zhì)量分數(shù)，%；y為混合漿第2種漿的質(zhì)量分數(shù)，%。

為了驗證上述公式的正確性， 采用稻草漿和楮韌皮漿進行實驗，兩種漿的特性見表6。

將稻草漿與楮韌皮漿以不同比例混合，其混合漿料的纖維長度和粗度的測定值和計算值列于表7。由表7可知，混合漿的纖維長度和粗度的測定值十分接近于計算值。這表明如果已知單組分纖維的長度和粗度， 就可以預(yù)測混合漿的纖維長度和粗度。通過改變混合漿的配比，可以制備出不同結(jié)構(gòu)性能的紙張。不同配比混合漿的纖維特性和紙張結(jié)構(gòu)性能見表8。

3結(jié)論

31研究表明， 楮韌皮漿和稻草漿單獨使用或二者混抄均可達到較好的紙張結(jié)構(gòu)性能。

32纖維粗度對紙張的結(jié)構(gòu)性能即吸水性、氣孔率、氣孔有效直徑有增強作用。纖維長度不僅對紙張的結(jié)構(gòu)性能即吸水高度、氣孔率、氣孔有效直徑有增強作用，還對紙張的抗張指數(shù)有影響。

33在已知單種漿纖維長度和粗度的前提下， 就可以預(yù)測兩種漿混合后的纖維長度和粗度。

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