内容简介
纸页结构与性能是轻工技术类专业相关的专业基础课，以制浆原理与工程、造纸原理与工程、包装材料学、印刷材料学为先修课程，是为培养面向新时代高等轻工技术创新人才需要而建立的新课程体系中主干课程。本课程担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用，是轻工技术及其相近专业多门专业课程的重要基础课程，对轻工技术学生的业务素质和工程能力的培养起着至关重要的作用。秉承立德树人的教学理念，在教学过程中将专业知识和课程思政有机统一，潜移默化地融入课程思政要素，激发学生的担当意识和爱国情怀，对树立学生正确的人生观和价值观起到了引领作用。
本课程属于工程科学，用自然科学的原理考察、解释和处理造纸过程中的实际工程问题。本课程通过课堂教学使学生重点掌握纸页的物理特性，特别是纸页的结构、性能，及纸页结构与性能之间的关系。以纸页的物理特性为主线，研究纸页结构及性能对产品质量的影响等内容，使本专业的学生掌握调控纸页各物理性能的具体操作措施以及最终产品性能。
目录
目 录
第一章 纸的结构 12
第一节 纸页结构原理 13
一、纸页的固化作用 13
二、纸页结构的特征表述 20
三、物理性能 25
第二节 纸的二维网状几何结构 28
一、覆盖层 29
二、Corte-Kallmes理论 31
三、二维结构中纤维网状结构的连接性 33
第三节 纸的三维网状几何结构 35
一、统计多孔几何学 35
二、相对结合面积 39
三、层状和交织纸页结构 41
第四节 匀度 43
一、特征 44
二、随机纤维网状结构的匀度 46
三、实际成形机理 48
四、纸的性能与匀度 50
第五节 纤维的定向排列 53
一、网部的层流剪切 54
二、其他流体力学影响 58
三、定向排列角 60
四、纤维在Z向上的定向排列分布 63
五、测量技术 66
第六节 影响纸页结构的因素 68
一、原料材种和制浆方法 68
二、打浆 70
三、浆料流送 73
四、压榨 75
五、牵引力 76
六、干燥 81
思考题 85
参考文献 87
第二章 纤维结合与纸页的机械性能 89
第一节 纤维的结合理论 89
一、分子结合 90
二、纤维间结合的产生与结构 91
三、纤维间结合的强度 95
第二节 纸页的强度性质 97
一、抗张强度 97
二、耐破强度 104
三、撕裂强度 106
四、耐折强度 108
第三节 影响纸页强度的因素 109
一、纤维超微结构对纸页强度的影响 109
二、纤维表面化学组分对纸页强度的影响 109
三、纤维电荷性质对纸页强度的影响 112
四、纤维结构形态参数及形变对纸页强度的影响 115
五、浆料抄造工艺、成纸匀度与纤维排列对纸页强度的影响 117
思考题 119
参考文献 119
第三章 纸张的光学性能 125
第一节 纸张光学理论 125
一、光和色 125
二、光吸收和光散射 127
第二节 纸张的基本特性及光学理论 130
一、光吸收和光散射 130
二、纸页结构与光学常数 132
第三节 纸张的光学性能与影响因素 138
一、纸张的光泽度及影响因素 139
二、 纸张的不透明度及影响因素 142
三、纸张的白度及影响因素 153
思考题 157
参考文献 157
第四章 纸张的吸收和憎液性能 160
第一节 纸页组分的亲液性和憎液性 161
一、木质纤维本身亲液和憎液性特性 161
二、纸浆类型和配比对纸张吸液和憎液性能的影响 164
三、造纸助剂对纸页吸液和憎液性的影响 170
第二节 纸页的吸收性能 176
一、纸页结构对吸收性能的影响 176
二、纸页的吸液机理 184
第三节 纸页的憎液性能 187
一、纸页的憎液性机理 187
二、纸页憎液性能的影响因素 192
思考题 197
参考文献 198
第五章 纸和纸板的印刷性能 203
第一节 概述 203
一、纸张印刷适性的概述 203
二、纸张印刷性能的评价 204
第二节 纸页的平滑度和粗糙度 205
一、纸张平滑度的定义 205
二、表面可压缩性能与纸页平滑度的关系 205
三、纸张印刷平滑度的测量 207
四、印刷平滑度对印刷品质量的影响 211
五、影响纸张平滑度的主要因素 212
第三节 纸张的油墨吸收性能 216
一、油墨接受性能与油墨吸收性能 216
二、纸张的油墨吸收性能的检测方法 217
三、不同印刷方法对纸张的油墨吸收性能的要求 218
四、印刷过程中纸张对油墨的吸收及对印刷的影响 219
第四节 纸张的表面强度 221
一、纸张的表面强度与拉毛 221
二、拉毛对印刷的影响 222
三、纸张的干拉毛与湿拉毛 223
四、掉粉掉毛 223
五、纸张表面强度的测量 223
六、纸张表面强度分布及其影响因素 224
思考题 226
参考文献 227
第六章 纸板的结构与性能 229
第一节 纸板的结构 230
一、纸板的多层结构 231
二、多层纸板的种类 233
三、纸板包装材料的特点 236
第二节 纸板的挺度 238
一、抗张挺度和抗弯挺度 238
二、多层结构纸张 239
三、影响挺度的因素 241
第三节 纸板的环压强度 245
一、环压强度的定义 245
二、压缩强度的重要性 246
三、制浆造纸工艺对纸板环压强度的影响 248
四、增强剂对纸板环压强度的影响 250
第四节 纸板的层间结合强度 252
一、层间结合的重要性 253
二、粘合剂对纸板层间结合强度的影响 254
三、造纸工艺对纸板层间结合强度的影响 256
思考题 258
参考文献 259
第七章 生活用纸的性能与结构 264
第一节 生活用纸的性能 264
一、生活用纸的定义和分类 264
二、生活用纸的性质 265
三、生活用纸的结构表征 269
第二节 生活用纸的柔软度 273
一、柔软度的定义和表征 273
二、影响柔软度的因素 275
第三节 生活用纸的吸收性 292
一、生活用纸吸收性的定义 292
二、影响生活用纸吸收性能的因素 292
思考题 298
参考文献 298
试读
问题进行讨论。主要内容包括：纸页结构原理、纸的二维几何结构、纸的三维几何结构、纸张匀度、纤维定向排列和影响纸页结构的因素等。
纸是纤维随机网状结构材料，如图1-1所示。由于纤维的长度比纸页的厚度大得多，所以纸页网状结构是平面的，几乎是二维的。这种二维结构决定了纸的许多性能，但是对具有三维多孔结构的纸张来说也是十分重要的。在二维结构中忽视了纸张的孔隙，但其使纸页具有一定的不透明度、松厚度和挺度。孔隙的通道决定了液体如何通过纸页。
图 1-1 1mm2纸张表面的显微镜图像
本章没有涉及太多的数学细节，只是阐述了平面随机的纤维网状结构的主要几何特征。在最简单的二维网状结构中，假设纤维是定长的线段，纤维的其它特性和它们的分布对几何学不太重要。相反，三维多孔结构主要取决于纸页的厚度和纤维形态（一致性）。同时，也描述了实际的纸页之所以不同于随机的网状结构是由于匀度不同。匀度是关于纸的三维定量分布是相关的还是随机的术语。另外，还描述了影响纸页结构的一些因素。
在造纸过程中，纤维形成了某些特征尺度的絮聚物。网部成形过程中的流体动力学滤波和纤维絮聚趋势导致了纸的局部定量的相关性。如果考虑定量高或者低，就是指在短距离内有很大可能发现相似的定量值。所以定量并不是完全随机分布的。
即使纤维不是完全地随机排列，为了不同的用途，纸的结构具有不均一性，是无序和随机的。二维纤维网状结构在短距离内，即小于纤维长度范围内是纸的结构的很好代表。而匀度代表了在较大长度范围内结构的不一致性。
纤维的定向排列是纸的另一特征。手抄片没有纤维定向排列。它是均向排列的。造纸机生产的纸通常具有各向异性的结构。其中沿造纸机方向排列的纤维多于垂直与纸机方向排列的纤维。纸的强度、尺寸稳定性和流变学等性质反映了纸的各向异性。
纸的结构受纤维原料种类、制浆方法、打浆、浆料流送、湿压榨、干燥及抄造过程的牵引力等因素的影响。下面对上述内容作进一步的论述。
第一节 纸页结构原理
由流体悬浮液在网上交织成交织的一切纤维结构，不论原料、流体悬浮液或网络的性质是什么，都被认为是属于纸或纸板的范畴。虽然这个定义规定的是任何类型的悬浮流体，包括空气，以及任何类型（有机或无机的）纤维状材料，但大多数的纸是由纤维素纤维悬浮在水中制成的，因此这里也主要讨论这种类型的纸。但是，应当注意到，所谓纸，它的原料必须是纤维状的，而且它必须是以交织成交织的方法形成的。纸通常是一种三维结构，而且连续生产时，它的性质在长度、宽度、厚度三个方向上呈现出明显的不同。
在纤维交织成纸的过程中，纤维相互交织程度，取决于纤维的长短，纤维的形态和它们的柔软性。为使纸张具有强度，操作过程必须不只是交织成毡，而必须包含有纤维在纸胎中的结合。这种结合可借助机械方法在水中处理纤维素纤维而得到，水能增加纤维的柔软性，而当纸页干燥时纤维间产生结合力。
本节主要论述纸张在抄造过程中，纸页的形成过程。
一、纸页的固化作用
纸张是一种非常独特的材料，由于植物纤维存在许多羟基，在干燥过程中能显著地形成氢键结合，使纸张中的纤维在没有粘合剂的情况下，也能互相结合而使纸具有一定的强度。所谓氢键是指在羟基中的氢原子的电子被“分配”在带两个负电荷的氧原子之间。氢键的形成要求两根纤维的表面能紧密靠在一起以便于结合。表面张力将湿纤维聚集在一起，从而可能形成结合键。根据Lyne和Gallay的研究，表面张力在固形物含量为10%～25%时，愈益显示出重要性，此时可开始形成氢键。根据试验，湿纸页强度与固形物含量的关系曲线，在固形物含量在25%左右时，可见到一个转折点，图1-2是亚硫酸盐浆和磨木浆纸页的情况。但在纸的干度小于40%时，纤维结合并不明显，一旦干度达到某一临界值，纸中纤维收缩开始迅速产生氢键结合。当纸的干度达到55%左右时，随着水分含量的减少，或者说随着干度的增加，纸的强度迅速增长。随着空气开始进入低固形物纸页，形成了一个不连续的液体（水）膜。这使表面张力增加，其增加程度与空气-纤维-水的接触面有关。在约25%固形物含量时，表面张力逐渐改变且与水膜厚度呈负相关性。在两个表面（被厚度为x的水膜所隔开）之间的压差为p＝2s/x，式中s为水的表面张力。纤维间水膜厚度的逐渐减小，使纤维表面越来越靠近，从而形成氢键。
图1-3显示出湿纸页强度是如何随固形物含量的增加而发生变化。最初的纸页强度可能是纤维机械地缠绕在一起并随着空气的进入而引发表面张力的结果。当表面张力随着水膜厚度的减小而逐渐增加时，湿纸页的强度也增加了，并可能开始形成氢键。随着愈来愈多的水分被脱去，湿纸页强度迅速增加，有更多的氢键形成。
形成氢键的程度显然取决于两个表面彼此的适应能力。例如，互相交叉的刚性圆柱形纤维，只有很小的接触面积可结合，而“柔软的”或“可塑的”纤维则可借表面张力大面积地接触，从而在很大范围内形成了氢键。
图1-2 随着亚硫酸盐浆和磨木浆纸幅固形物含量的增加其强度增长的情况
图1-3 类似于图1-2所示的从表面张力过渡到化学键的简况
“可塑的”这个词是指纤维沿其轴向及垂直于轴向均是柔软的。显然，纤维的柔软性或适应能力取决于的材种，如阔叶木，针叶木，厚壁与薄壁细胞（纤维压溃的容易程度），生长地区和条件（北方与南方、早材与晚材、压缩木与受拉木、成熟材与幼龄材、心材与边材等），制浆方法（化学法与机械法等）以及打浆方法和打浆程度。如前所述，所有这些变数都是互为依存的。例如，形成特定“湿纤维柔软性”所需的打浆程度是因制浆方法、生长条件而异的。
（一）纤维细胞壁
这种相互依存性部分地取决于纤维细胞壁的结构特征，如图1-4所示。自然状态的木材纤维是多层结构卷绕而成的中空细丝，由四周包着木质素和半纤维素填充层的纤维素细纤维（cellulosic fibrils）所组成。半纤维素被认为是纤维素细纤维和木质素之间的“桥梁”。木质素-半纤维素填充层分布于细纤维整个长度上，并使纤维具有抗水性。在次生壁内细纤维的排列分布提供纤维所需要的必需的结构属性。简要地说，最里面的S3层提供对内部压力的阻抗，S2层（即其方向与纤维轴心成一定小角度的固着的纤维素细纤维）使纤维具有高的轴向挺度，而最外面的S1层则提供对内部应力的辅助阻抗，并保持完整的总体组合。
图1-4 显示在S1、S2和S3层中纤丝排列分布的细胞壁简况
上述描述是加固纤维复合体（诸如玻璃纤维-环氧树脂或玻璃纤维-聚酯复合体）的典型描述。在纤维中，细纤维就是以特殊的定向围绕着纤维的轴心，使纤维具有径向和轴向强度。在玻璃钢压力容器中，人们出于同样理由以同样方法排列分布玻璃纤维的。
制浆过程改变了细胞壁的结构。机械浆的纤维虽然分离了，但多数木质素并没有从细胞壁中除去，即木质素仍包围着构成细胞壁主体的细纤维。因此，这类纤维就显得较硬，而且在抄造过程中不易被压溃，因其细纤维被填充物坚硬地支撑在原位。而在化学制浆过程中，化学品脱除了纤维之间夹层区域的木质素，还脱除了细胞壁内的木质素。实际上还很可能是细胞壁内木质素首先被脱除，因为制浆化学品可以很迅速地穿过纤维的胞腔。从细胞壁脱除木质素，意味着细纤维（在湿纤维中）此时可以容易地彼此作相对位移了，特别是当细纤维之间的区域内存在大量水分作为润滑剂时。所以化学浆纤维在湿润状态就显得十分柔软或具有可塑性，而且如果细胞壁不是太厚，很可能会容易地被压溃，这一切都源于细纤维能自由地彼此作相对位移所致。
制浆“打开”了细胞壁，产生出了更大的表面积。打浆对纸浆纤维的机械作用也有类似效应。打浆把细纤维彼此分开，让水进入所形成的空间中。这使表面积逐渐增加，细纤维更为柔软。在压榨或干燥过程中，从这些区域将水脱除，就会产生很高的表面张力，使纤维、纤维与细纤维、以及细胞壁内细纤维之间彼此互相作用，于是就形成了具有许多氢键和结合良好的网状结构。因此，在制浆或漂白和打浆以后细胞壁的结构，在很大程度上决定了纤维的柔软性和干燥时的结合特性。
总的来说，在纸张抄造过程中纤维的固化，与纤维和/或细纤维因表面张力而彼此靠得很近（一般不超过1 nm）而产生的氢键有关。制浆?打浆的方法以及它们之间的相互关系，决定了所形成的表面积和可利用的结合键的多少。对可塑性好的化学浆纤维，形成较多的纤维-纤维氢键，氢键的平均横截面大于较硬的机械浆纤维。化学浆纤维中的胞腔会比机械浆纤维中的胞腔更易被表面张力所挤扁。而且，在干燥过程中，化学浆纤维细胞壁中的纤维素细纤维和半纤维素也可能键接起来。由于经过打浆的化学浆纤维润胀程度更高，它们在干燥时也就收缩得更大。与第二根纤维相结合的某根纤维的横向收缩，将造成第二根纤维的“微量压缩”，反之亦然。
（二）纸页干燥
上面，我们已经讨论了纤维如何聚拢形成网状结构，以及又如何形成氢键。下面再考察在固形物含量增加时，润胀化学浆纤维的情形，以及它们之间结合键形成的情况。与此同时，还发生了其它情况。当水从细胞壁脱除时，一般在15%～20%水分含量时，纤维截面开始收缩。但由于构成细胞壁松厚性的S2层细纤维不同程度地沿纤维轴向的排列，所以沿纤维轴向也有少许收缩。于是，细纤维之间的脱水就主要使纤维在垂直于其轴向的横向受到挤压。当然，横向收缩的程度取决于纤维的润胀程度，润胀程度又与制浆方法及打浆程度有关。
Page及其同事发现，纤维间结合键是在横向收缩以前形成的。这就在纤维与纤维的界面产生十分复杂的情况。图1-5中，显示出两个润胀纤维结合在一起的情况。当上面纤维的截面收缩时，应力被传递到下面的水平纤维，使它也沿着其轴向收缩。如果我们现在想象有许多交叉的纤维结合到水平纤维上，我们可推断出，水平纤维的轴向收缩将是所有结合到它上面的各单根纤维贡献的总和。如果平均横向收缩率是15%，以及所有沿其长度均发生纤维-纤维的结合，我们就可预计水平纤维将有15%的收缩率。沿水平纤维的压缩区域称之为“微量压缩”。
纸页的收缩应力可以非常大。但其收缩的程度取决于纸机操作条件。纸页的收缩率在以后纸张深加工或最终用途中有重要意义。例如，纸页断裂时的伸长率直接与干燥时的收缩率有关。由于网状结构本身的伸长率，前者一般比后者大1%~2%。
图1-5不是全面状况，它只描述了一个方向发生的情况。事实上这两根纤维同时在两个方向受到纸页横向收缩的共同作用。当然，还有一个Z-向收缩，这是脱水时纤维细胞壁收缩的直接结果。
收缩应力假设纤维间的接触或结合区不在同一平面，而是具有三维特性。如果是这样，几何学结合面积将不是纤维-纤维结合面积的一个合适度量标准。我们也可认为，纤维-纤维结合的强度还将取决于纸页干燥时收缩的状况。例如，S1层结合到S1层的情况很可能不同于S1层与S2层或S2层与S2层的结合情况。在第一种情况下，一根纤维的横向收缩在压缩第二根纤维的S1层时可造成第二根纤维的S1-S2界面的层间细胞壁的破裂，因为S2层对轴向压缩负荷的承受能力远远大于S1层。图1-6试图表示出这种情况。S1-S2界面的这类分离情况，在文献上也有报道。
图1-5 两根被水润胀的（上）以及干燥后的（下）键接纤维简况（上面纤维的横向收缩造成下面纤维的微量压缩）
图1-6 表示键接纤维的轴向压缩如何能引起S1-S2界面的削弱（沿纤维轴向，S1层要远比S2层更容易被压缩）
当网状结构脱水时，使纤维产生聚拢，在纸中形成结合键，这是毫无疑问的。如果又将水加入到纸页中，纸张就会润胀，结合键被破坏。当从润胀状态到干燥状态的过程逆向进行时，将发生连续的尺寸改变，虽然并不能完全恢复到最初的状态。在许多纸种中，尺寸稳定性是非常重要的。如果水分只从一面进入网状结构，该侧将开始润胀，而另一面则不变，造成了一种我们不希望的所谓“翘曲”现象。纸页显现这类行为的程度不仅取决于制浆和打浆条件，而且还与造纸机抄造条件，特别是与决定纤维定向排列情况的浆-网速差、牵引比和干燥参数有关。
图1-7 湿纸幅固化和干燥时纤维发生收缩而造成的现象
Giertz归纳了纤维网状结构的固化和干燥，如图1-7所示。图的最上部代表表面张力刚开始作用时的湿润状况。其次是当水从网状结构中脱除时的结合形式和纤维被压溃的状况。在干燥时的横向收缩造成“微量压缩”，引起“网状结构”的总体收缩。最后，如果在网络结构端部施加单一轴向负荷时，“微量压缩”状就首先被“拉平”，然后，纤维材料在应力作用下发生开裂。
图1-8所示概述了从木材纤维制成纤维网络结构时，我们必须考虑的组织状况。最右面的圆圈表示纤维素链组成细纤维的情况。这些细纤维可排列成一个很紧凑的组合体（结晶状）或无定形组合体（非结晶）。当我们顺着圆圈向左面看去时，我们可看到细胞壁内细纤维、细胞壁次生层以及最后组成纸张的网状结构自身的简图。至此，我们已简要地考察了与制浆和打浆有关的图右面的各个部分，并且简单地讨论了细胞壁结构（上面部分）对纸页的影响。现在考察一下网状结构，以及如何来表述其特征。
图1-8 表示多相纸张中“组织状况”的简况
二、纸页结构的特征表述
纸张主要是由分散状的纤维制成，纤维有各种不同的规格和性能，而且以一定程度呈随机的排列。对后面这一点的明显例外是，纤维一般平置于纸张的平面内，很少或没有厚度或Z-方向（ZD）的排列，在纸机上的条件使?沿纸机方向（纵向）排列的纤维更多于垂直纸机方向或横向（CD）排列的纤维。许多纸张含有阔叶木浆、针叶木浆、无机填料或配料或其它非木材纤维组分。总的来说，纸张可以说是一种多相的、非均质的组合材料。各种不同的成分以及不均一性使得纸页的结构特性很难表述。虽然如此，我们将试图根据网状结构参数或宏观物理性能来加以表述。
纤维网状结构参数试图根据纤维的规格、物理性能和几何学定向以及纤维间结合键的性质来表示纸页结构的特征。这类特征的表述非常困难，因为纤维性能的范围很广，而且抄造条件又会显著地影响纸的性能。这又依次影响到纤维间的结合以及纤维对抄造条件（如打浆、压榨等）的响应。
除用以描述纤维自身的术语之外，一些属于网状结构参数的例子有：纤维定向、结合面积、单位纤维长度的结合键数量、键间距离和单位面积的结合强度。这些参数不一定独立存在。例如，一个简单的两根纤维间的几何学结合面积，可从最小（当两根纤维成直角时）一直到最大（当某根纤维正好排列在另一根纤维上面时）。因此，结合面积和纤维定向是有密切关系的。一个似乎有用的网状结构参数，它综合了若干个上面提到的概念，这就是相对结合面积（relative bonded area，简称RBA），其定义为总结合面积对可用于结合的总（表面）面积之比。以百分率表示的相对结合面积（RBA）随键或结合面积的数量的增加而增加（如，由于打浆或压榨的作用），但与键的质量或强度无关。RBA决不可能是100%，因为最外层的纤维是不能形成结合的。
虽然纤维-纤维结合强度是一个明确的概念，但这个性能很难测量。主要困难是因为植物纤维太细，而且也由于它很难在实验室中重新产生出那种在纸张中纤维所受到的应力。在实验室中所做的简单的纤维-纤维结合试验，很可能无法代表纸张中纤维所受到的应力状况。而且常常还有单根纤维在单独状况时或在纸张中干燥时性质不同的问题，因为如果允许的话，化学浆纤维可以在垂直于轴的方向收缩15%～20%。而在纸张中某根纤维，因以许多键与其他纤维相联结着，在干燥时的性能将明显地不同于独立于网状结构之外的干燥。因此我们不能保证实验室的测量结果能代表实际纸页结构的情况。
当以质量为基准进行比较时，木材纤维的强度比许多常见的工程材料要大，如图1-9所示。植物纤维的裂断长[抗张强度／（定量×重力加速度）]要大于钢或铝，虽然，140 km裂断长是作者在文献中所能找到的最大强度值，但即使平均值是报告值的1/3或1/2，这个强度也是很可观。但从这样的纤维制得的纸张的强度却通常要弱得多，见图1-9。
