第一节 打浆原理

一、纤维细胞壁的结构

打浆过程是一个复杂的机械和物理过程。打浆设备对纤维主要产生变形、润胀、细纤维化和切断的作用，而这些变化都是发生在纤维细胞壁的。

植物纤维细胞壁的构造可分为胞间层（L）、初生壁（P）、次生壁外层（S₁）、次生壁中层（S₂）和次生壁内层（S₃）等。以木材纤维为例，纤维细胞壁的结构见图1-1。化学浆纤维的胞间层基本上已在蒸煮过程中去掉了。初生壁是细胞壁的外层，厚度为0.1～0.3μm，含有较多的木素，是一层多孔的薄膜，其细纤维成网状的排列，它不吸水而能透水，不容易润胀，并且会限制次生壁中层的润胀和细纤维化，故在打浆中需将此层打碎破除。次生壁外层是介于初生壁与次生壁中层的一个过渡层，厚度约0.1～1μm，在物理结构和化学成分上都比较接近初生壁的性质，也会影响S₂层的润胀和细纤维化，故在打浆时也需将此层打碎破除。次生壁中层是纤维的主要部分，它的厚度为3～10μm，纤维素和半纤维素的含量高，其微细纤维的排列呈螺旋单一取向，与纤维轴向呈一定的角度（缠绕角0°～45°），因而造成纤维的纵向结合强度大，而横向的结合强度弱，所以沿着纤维的横向润胀就较为容易，S₂层是打浆的主要对象。次生壁内层较薄，其木素含量也较低，在打浆中一般不考虑S₃层。

二、纤维在打浆过程中的变化

打浆过程中纤维的变化，主要可分为5个方面：细胞壁的位移和变形，初生壁和次生壁外层的破除，润胀，细纤维化和切断等。实际上这几个变化不是截然分开的，而是交错进行的。现分述如下。

1.细胞壁的位移和变形

位移一般是在次生壁中层（S₂）的微纤维上发生。用偏光显微镜很容易观察到的纤维上的亮点，就是微纤维的位移点。根据观察，未打浆的纤维已有位移亮点，打浆后亮点增多，随着打浆的进行，亮点逐步扩大并变得更为清晰，纤维的位移可分为3种形式，其情况如图1-2所示。打浆的机械作用使得次生壁中层（S₂）一定位置的微纤维弯曲，这样微纤维之间的空隙有所增加，以致能够容纳更多的水分。随着打浆的进行，位移点逐步扩大。当初生壁还没有被破除之前，S₂层发生的位移和润胀是有限的。但S₂层的这种位移和润胀会使纤维更加柔软，并促使初生壁破除。

2.初生壁和次生壁外层的破除

蒸煮和漂白后的纤维仍有一定量的初生壁影响润胀，同时它和次生壁外层都会妨碍着S₂层微纤维的细纤维化，影响纤维的结合力。因此，在打浆过程过程中，除了要将初生壁除去之外，还要把部分或全部次生壁外层除去，以利于纤维的润胀和细纤维化。对于不同的纸浆，初生壁和次生壁外层除去的难易程度和除去的情况是不尽相同的。例如亚硫酸盐纸浆初生壁和次生壁外层的除去就较硫酸盐纸浆容易。这可能是因为亚硫酸盐药液使初生壁变得发脆而在打浆过程中容易被除去。

3.润胀

润胀是指纤维在吸收水分过程中，伴随直径增大的一种物理现象。纤维在极性液体中极易发生润胀。而在初生壁及次生壁外层除去之前，除位移点外，很少润胀。当把妨碍纤维润胀的初生壁和次生壁外层部分或全部除去之后，可加速纤维的润胀作用。据有关资料介绍，在没有破坏初生壁和次生壁外层的情况下，纤维直径由于润胀可能增加20%～30%；而当纤维原始结构松弛以后，纤维迅速润胀至其原直径的两倍。

纤维之所以有润胀能力，主要是由于其带有羟基的缘故，使其能在极性液体中发生润胀。随着打浆过程的进行，增加了游离羟基的数量，从而使纤维表面活化。这时由于羟基的作用，吸收水分子到纤维的外表面，形成极性分子的胶体膜，产生了纤维的润胀和水化，从而导致纤维的比体积增加，纤维结构松弛，内聚力下降，提高了纤维的柔软性和可塑性。同时由于内聚力的降低，就更有利于打浆机械作用对纤维的进一步细纤维化。

润胀程度与纤维的组成有关。半纤维素含量高的亚硫酸盐浆容易润胀，硫酸盐浆较亚硫酸盐浆的润胀程度小。木素含量高的纸浆不易润胀，因此漂白能改进纸浆的润胀能力。

4.细纤维化

纤维的细纤维化是在初生壁和次生壁外层被破除时开始的，并在纤维润胀以后大量产生。细纤维化可分为外部细纤维化和内部细纤维化。外部细纤维化是指在打浆过程中纤维受到打浆设备的机械作用而产生纵向分裂，并分离出细纤维，而且使纤维产生起毛和两端帚化的现象。由于打浆一开始就除去大部分的初生壁，所以可以认为外部细纤维化是指次生壁外层或中层的细纤维化。它使纤维露出细纤维，在纸页成形时提高了纤维间的交织能力。内部细纤维化是指在纤维吸水润胀之后，聚合力减弱，使次生壁中层产生层间滑动，从而使纤维变得柔软可塑。

纤维的细纤维化和纤维的润胀是互相促进的。吸水润胀可为纤维的细纤维化创造有利条件；反之，纤维的细纤维化又能促进纤维进一步吸水润胀。这样反复相互影响着，在整个打浆过程中，这两个作用是互相促进的。

5.横向切断

横向切断是指纤维受到打浆设备的剪切和摩擦作用而横向断裂的现象。横向切断与纤维的吸水润胀有关，如果纤维吸水润胀较好，纤维变得柔软可塑，就不容易被横向切断，而较容易纵向分丝。反之，纤维吸水润胀不良时，纤维就比较硬而脆，也就容易被横向切断。纤维切断后，有利于水分的渗入，又能促进纤维的润胀作用。在断口处留下许多锯齿形的末端，有利于纤维的分丝帚化和细纤维化。

通常在打浆过程中要适当地切断纤维。但应避免对纤维的过度切短，否则就会使纸的强度显著降低。在某些情况下，切断纤维还是必要的，例如对于棉麻浆，由于其纤维过长，因此必须加强切断，降低纤维平均长度，以利于在造纸过程中能够获得组织均匀的纸张。针叶木浆纤维较长，应根据纸种的要求适当切断。而对于阔叶木浆和草类浆纤维较短，则不希望对其进行切断。

三、纤维在打浆中受力情况

打浆是纤维受到剪切力作用的结果，纤维受到的剪切力可以来自打浆设备的刀（或磨齿）的机械作用，也可以来自纤维与流体之间的速度梯度和加速度所产生的剪切力。打浆过程如图1-3所示。从图中可以看到，在打浆过程中，机械和流体的剪切力同时作用于纤维以改变纤维的特性。剪切应力通过发生于转动飞刀（磨齿）和固定定刀（磨齿）之间的间隙和沟槽的滚动、扭转和拉紧作用施加给纤维。通过弯曲、破碎和拉/推等作用将法向应力（不论是张力或压缩力）强加于刀（磨齿）与刀（磨齿）表面间捕获的纤维束团。

图1-4所示的是磨浆机转动飞刀与静止底刀间纤维束受力状况。刀口将捕获的纤维或纤维束团送到转动的飞刀和固定的定刀之间，纤维或纤维束团受到压缩和剪切作用，从而使纤维发生变化。

四、纤维的结合力

一般纸张最大的抗张强度只达到单根纤维强度的10%～15%，这说明单根纤维的强度对纸张强度的影响较小。玻璃纤维、人造纤维、石棉纤维本身强度也较高，但并不能生产出强度高的纸张，其主要原因在于它们的纤维并不互相结合。而经过良好打浆的植物纤维，能够生产出强度高的纸张，主要原因就在于植物纤维之间具有互相结合的能力。

早期说明纤维结合力的机理主要有两种学说：一种是化学学说，认为打浆过程中发生化学作用，纤维表面生成了一种黏胶状物质，干燥时将纤维结合在一起，因而显示出纸张强度的增加；另一种是物理学说，认为纤维间的结合力是由于纤维表面上的细纤维而产生的机械交织力及分子间的极性吸引力，或者是由于部分纤维溶解而来的胶黏状物质的黏结力。但这些学说都不能全面、正确地解释打浆的实质。

近代，能较准确说明纤维结合力机理的理论是氢键理论。它能较准确地说明和解释为什么纤维强度高的纸浆，成纸的强度不一定高，而只有经过打浆的纸浆才能抄出强度高的纸；同时也可说明为什么湿纸页的强度低，而干纸的强度高等实际问题。

纸浆里纤维之间有大量的水存在，纤维间的距离远远大于0.28μm，所以纤维之间是不能直接形成氢键结合的。氢键结合只能在纤维间的水分子与纤维上的极性羟基形成，如图1-5所示。这种通过水分子形成的水桥联结，是一种无规则的，松散的氢键结合。所联结的水是自由水，可以通过真空抽吸或重力过滤而脱除。

纸料在纸机上形成纸页后，经过压榨进一步脱出水分，使两纤维之间的距离靠拢，在纤维之间形成了比较有规则的单层水分子形式的氢键结合，如图1-6所示。这种水桥所联结的水分子是结合水，它与纤维的结合比较牢固，仅仅靠抽吸和过滤作用已不能将其脱出，只有通过加热干燥方可去除。

纸页经加热干燥进一步脱除水分，水分蒸发时，纤维受水的表面张力的作用，使纸页收缩，纤维间进一步靠拢，从而使纤维素分子之间的羟基距离缩小到0.28μm以内时，纤维分子中羟基的氢原子与相邻纤维羟基中的氧原子产生了O—H…O形式的氢键结合，如图1-7所示，使纤维之间相互结合，从而使纸页具有强度。

综上所述，在纸抄造的过程中，氢键结合的形式有三种：即纸料中纤维—水—水—纤维的联结，是通过多层水分子松散联结的氢键结合；未经干燥的湿纸幅，是纤维—水—纤维的联结，这是通过水桥（单层水分子）联结的氢键结合；而干燥后的纸张是纤维—纤维之间直接联结的氢键结合。

氢键理论认为，打浆的机械作用增大了纤维的比表面积，纤维表面游离出大量羟基，从而促进纤维表面的吸水性能。当水分蒸发时，纤维中羟基的氢原子与相邻纤维羟基上的氧原子产生了O—H…O形式的氢键结合，从而将两纤维牢固的结合在一起。

相邻两纤维的氢键结合，首先通过水的作用形成水桥，使羟基适当排列。随后在干燥脱水时，水桥联结转化为纤维间氢键。纸张在干燥时，由于水的表面张力将纤维拉拢靠近在一起，最终形成氢键结合，而氢键结合只有在相邻羟基的距离小于0.28μm范围内才可形成，因此水的表面张力对氢键形成显得特别重要。表面张力的大小又与纤维直径有着直接关系。纤维的直径越小，其表面张力越大，纤维之间的拉拢靠近就越容易进行。

湿纸强度低于干纸强度的原因，就在于纸张的水分大时，由于纤维表面的羟基受水饱和的作用，致使氢键破裂，纤维间的氢键结合转化为水桥结合，水桥的结合力远远低于干纸的氢键结合力，所以纸张强度降低。

五、影响纤维结合力的因素

影响纸中纤维结合力的主要因素，是纤维的比表面积和氢键数量。除此之外，纸浆中木素、半纤维素、纤维素的含量，纤维的长度和杂细胞含量等，也在一定程度上影响纤维的结合力。

1.打浆的影响

打浆过程中纤维受到机械处理的作用，可将纤维的初生壁和次生壁外层除去，使纤维产生润胀和细纤维化，增加了纤维的柔软性和可塑性，极大地增加了纤维的比表面积，结果，增强了纤维的结合力，从而提高了纸的强度。

2.纸浆种类的影响

不同的纸浆，无论物理结构和化学组成都是不同的，这对纤维结合力也会产生影响。一般说来，化学木浆的纤维结合力最大，棉浆次之，机械木浆最差。棉浆纤维结合力虽低于化学木浆，但由于棉浆纤维较长，本身强度又较高，经打浆后仍然保持相当的长度，纤维之间具有较大的表面交织力，因而抄出的纸张强度也较高。

3.半纤维素的影响

半纤维素含量高的纸浆，打浆时容易吸水润胀，增加了纤维的比表面积，因而提高了纸张的强度。对纸张强度来说，并非纸浆的半纤维素含量越高越好。这是因为半纤维素太多的纸浆，打浆时吸水润胀过快，纸料还未达到应有的强度时，打浆度已经升得很高了，用这种纸料抄成的纸透明发脆，强度反而较低。

4.纤维素聚合度的影响

纤维素聚合度高的纤维抗张强度大，极不易被切断，因而当纤维被切断到适当长度时，纤维能得到充分的帚化，所制出的纸张强度较高。因此，高聚合度的纸浆适合生产高强度和高紧度的纸，如复合原纸、电容器纸、钞票纸等；低聚合度的纸浆适合生产一般要求的松软的纸张，如印刷纸等。

5.木素的影响

纤维间的结合力随着木素含量的下降而增加。木素妨碍纤维吸水润胀和细纤维化。用木素含量大的纸浆制成的纸组织疏松而强度低，但有较大的刚度。

6.纤维长度的影响

纤维长度也是影响结合力的因素之一，尤其对撕裂度的影响最大。通常撕裂度是随纤维长度的增加而增加的。这是因为长纤维抄成的纸，受力作用时，纤维彼此之间不易滑动。

7.胶料和填料的影响

在纸料中加入胶料、硫酸铝、填料等物质，会妨碍纤维彼此间的接触，减少接触表面积，使结合力降低。但在纸料中加入带有极性羟基的亲水性物质，如淀粉、蛋白质、植物胶等，会增加纤维的结合力。

六、打浆质量的检测

1.打浆度

打浆度又称叩解度，是表示纸浆滤水（速度）性能的指标。它综合反映了纤维被切断、润胀和细纤维化的程度。纸料的滤水速度低，其打浆度数值则高。根据打浆度就可以掌握纸料将来在纸机网部的滤水速度，同时也可以概括预知成纸的性质。所以打浆度是生产过程中的一项重要的技术控制指标。

打浆度通常是用肖伯尔氏打浆度测定仪测定的，如图1-8所示。测定仪由三部分组成，即具有80目滤网的圆筒、锥形盖和具有排出管的锥形分离室。锥形盖是可以升降的，操作时将锥形盖放下，取含有2g绝干纤维的1000mL浆料（温度保持20℃）倒入圆筒内，再利用手轮提起锥形盖。此时，浆料在铜网上发生滤水作用，过滤出的水进入分离室，再分别通过底排出管和侧排出管流出。由侧排出管流出的水量计算打浆度，以符号°SR表示。

打浆度=[1000—侧管流出的水量（mL）]/10（°SR）

2.纤维长度

测定纤维平均长度的方法主要有显微镜法和湿重法两种。工厂中多用湿重法。它不直接测定纤维的长度，而是将一特制的框架（图1-9）放在肖氏打浆度测定仪的锥形盖上，然后按正常操作方法测定打浆度。由于框架是放在锥形盖上，因此提起锥形盖时，一部分纤维即悬挂在框架上，框架上挂住纤维后增加的质量即为湿重。浆料中纤维平均长度越长，则框架上挂住的纤维越重，也就是湿重越大。

3.保水值

保水值的测定，是在规定的条件下，用离心机把纸料中的游离水甩出，使纤维间保持的只有润胀水（当然也含有少量纤维的表面水和纤维间的水），然后测定纤维所保留的水量，以对绝干纤维的质量分数表示。

保水值能够衡量纸料的润胀程度及由此而产生的纤维可塑性，同时也反映细纤维化程度。所以，保水值能比较确切地反映打浆质量。许多试验结果表明，纸张的紧度、裂断长、耐破度、耐折度等物理指标随保水值的增加而呈直线上升。

七、打浆与纸张性质的关系

一般来说，打浆的结果可以增加纸张的抗张强度、耐破度和耐折度，提高纸的平滑度、挺硬度和紧度，但却降低了撕裂度和不透明度，以及增加了纸的收缩性。

图1-10表示打浆过程与纸张物理性质变化的关系。从图中可以看出，随着打浆的进行，发生着两个基本的变化，即纤维的结合力不断增长，而平均长度却不断下降。在打浆初期，纤维结合力的上升和纤维长度的下降以较快的速度发展，到了后期，两者的速度均逐渐减慢。由于在打浆过程中两者的发展速度不同，因而对纸张性质各自产生不同程度的影响。现就有关指标分别讨论如下。

1.裂断长

裂断长是表示纸张能承受抗张强度的大小。它主要是由纤维结合力、纤维平均长度和纤维本身强度等几个因素决定。裂断长在打浆初期上升很快，以后上升缓慢下来，到了一定数值之后会产生下降的现象。出现转折的原因，主要是受纤维结合力和纤维平均长度两者变化的影响。在打浆初期主要影响它的是纤维结合力。随着打浆度的提高，纤维结合力虽然也继续有所提高，但纤维平均长度也同时在继续下降，当其产生的影响大于纤维结合力的影响时，就会产生转折点，而转折点出现的早晚和打浆方式有密切的关系。

2.撕裂度

影响纸张撕裂度的因素主要是纤维平均长度，其次才是纤维结合力、纤维本身强度等。打浆初期，纤维结合力的增加使撕裂度有显著上升，但很快到达转折点，以后则慢慢下降。从图1-8可以看到，撕裂度曲线的转折点出现最早。

3.耐折度

耐折度除了受纤维结合力和纤维平均长度的影响外，还与纤维的弹性有关。而纤维的弹性又与纸张的含水量有密切的关系。当水分含量较多时，耐折度随着弹性的增加而增加；但当含水量达到一定限度后，则因纤维结合力降低过多，耐折度开始下降。

4.耐破度

纸张耐破度的变化一般与裂断长相似，影响它的主要因素也是纤维的结合力，其次才是纤维的平均长度、纤维本身强度和纤维交织情况等。因为影响因素相同，所以表现在耐破度的曲线上基本上也是与裂断长相似。但是，由于在测定耐破度时，纸张不仅受到拉力，同时也受到撕力作用的关系，所以在打浆度比较高的时候，耐破度下降程度大于纸的裂断长。

5.透气度和吸收性能

纸张的透气度和吸收性能随着打浆度的增加而降低。在打浆过程中，纤维结合力逐渐增大，纤维表面积也逐渐增加，减少了纸页中气孔的大小和数量，使纸页的透气度和吸收性能下降。凡是含半纤维素多的纸浆，打浆容易润胀水化，抄成的纸透气度小。此外吸收性的大小又与纤维的纯度和半纤维素含量有关。

6.伸缩率和紧度

纸的伸缩率在很大程度上是由打浆特性和纸浆种类来决定的。纤维较长、经过良好打浆的纸料，抄成纸后一般伸缩率都比较高。

影响纸张紧度的因素很多，最主要的是纸料的打浆度、纸浆种类、半纤维素含量、网上脱水速度以及抄纸湿压和压光等。纸料打浆度越高，纸料中半纤维素含量越高，则紧度越大。