纸页结构的研究进展

龙爱云

（齐鲁工业大学 轻化与环境工程学院；山东省重点实验室, 山东 济南 250353）

0 前 言

纸是一种特殊的材料，由纤维(主要是植物纤维)和其他固体颗粒物质(如填料、助剂等非纤维添加物)交织结合而成的、具有多孔性网状物性质的特殊薄张材料通过纤维原料和非纤维添加物质的选择和调配，施以相应的加工制造过程和方法，得到满足多种用途需要的、具有相应性能(如物理、化学、强度、光学、印刷和电气等)指标特点的种类繁多的纸制品。

纸张主要是由许许多多的植物纤维组成。据研究，一般单根纤维的重约为0.2μg，由此推算，对于一张普通的A4打印纸，如果忽略非纤维添加物质的存在，将会有2500万根左右的纤维。鉴于植物纤维和非纤维添加物质的非均一性，由这些物质所组成的纸页，必然存在着宏观和微观上的不均匀性，即具有随机不均匀性的特点。纸页具有复杂的结构性质，是因为纸页是由多种原料成分构成的，不同的纤维原料(如植物纤维、合成纤维和矿物纤维等)，以及不同的非纤维添加物(填料、胶料和染料等)，构成了纸页复杂的结构特征。纸页结构具有三维空间上的非均一性和各向异性。非均一性主要表现在纤维排列方向，纤维各组分的分布以及非纤维添加物等构成了纸页的特殊性质[1]。

纸张具有多相三维网状物结构，并呈各向异性。随着高档文化用纸产品的增多、产量增大、高速纸机的大量投产和各种类型造纸化学品的使用，纸页的结构特性产生许多复杂的变化。

纸页的结构特性指的是与纸页的物理结构相关的性能，如质量密度及其分布、纸页的组分及其分布、纸页的表面特性等。纸的结构特性对纸的质量、功能、加工性能和使用性能有很大的影响，是评价纸张质量的最基本指标。

1 纸页的结构特点

纸张是一种非匀质材料，结构复杂。其结构特点可归纳为如下几方面：

1.1 多相结构特点

纸张是以纤维作为主体的多相结构物质。由固相（纤维、填料等）、液相（水分）、气相（空气）组成。

1.2 三维结构性质

严格地讲，凡是流动抄纸都有方向性，包括机械抄纸和手工抄纸。手工抄纸只是在方向性上弱一些。纤维在纸张的纵向、横向及厚度方向上的排列存在着不均匀性，而使得纸张的物理性能三维各向异性。一般纵向的纤维排列较多， 纸张的纵向强度最大。

1.3 复杂的多孔结构

纸张的多孔结构由纤维交织成网状而形成。多孔性与纤维的排列方向和纤维本身的结构等有关，如纤维排列的方向性强，则孔隙少；长纤维比短纤维所形成的纸张的孔隙多。纸张结构的多孔决定纸张的吸收性能、透气度和平滑度等[2]。

1.4 纤维间有结合力

纤维素纤维上的羟基能相互形成氢键结合，使纸张具有一定的物理强度。这也是纸张形成的重要基础。据研究，一般纤维内部的羟基由0.5%～2.0%能够游离出形成纤维间的氢键结合，而98%以上的羟基是在纤维内部形成氢键而体现了纤维本身的强度。

1.5 两面性

纸张在生产过程中，一般存在纸页的正反面脱水、压榨等的不均匀性，使网（底）面有网痕， 粗大纤维较多， 结构较疏松，表面粗糙；表面细小纤维较多， 结构较紧密， 纸张较平滑。从而使纸张的两面性质不同，导致纸张存在两面性能差别[3]。

2 影响纸页结构和性能的主要因素

2.1 匀度

表示结构的均一性。也可定义为纸张各微细局部定量差别的稳定情况。通常指纸张在一定面积上的纤维和其他固体物质（如填料）的分布情况。一张匀度好的纸， 要求纤维和其他固体物质的分布有高度的均一性， 使纸的各个部分都具有相同的结构、组成和性质。匀度不好的纸张在深加工和最终使用时会碰到很多问题， 如平均强度低、印刷质量差和涂料量增加等。匀度是评价纸张结构和性质的一个重要指标， 也是纸张各项性能的重要基础。

影响纸张匀度的主要因素:

（1）上网浓度；

（2）纤维特性；

（3）化学添加物；

（4）湍流作用。

2.2 抗张强度

表示纸张所能承受的最大张力。影响纸张抗张强度的主要因素：

（1）纤维间结合强度；

（2）纤维长度；

（3）纤维交错情况；

（4）纤维本身强度。

2.3 耐折度

表示纸张在一定张力下， 抗往复折叠的能力。影响纸张耐折度的主要因素：

（1）纤维平均长度与纤维本身强度；

（2）纤维间的结合强度；

（3）伸长率；

（4）纤维柔韧性；

（5）水分。

2.4 耐破度

表示纸张在单位面积上所能承受的均匀地增加的最大压力。影响纸张耐破度的主要因素：耐破度是抗张强度和伸长率的复合函数， 与纸张可伸长能力最低的那个方向的伸长率和平均抗张强度的乘积成正比。

2.5 撕裂度

表示纸张抗撕裂的能力。撕裂纸张所做的功包括把纤维拉开和把纤维拉断两部分。一般拉开纤维所做的功比拉断纤维所做的功要大。影响纸张撕裂度的主要因素：撕裂度的大小主要决定于纤维的平均长度， 其次是纤维的结合力。

2.6 形稳性

表示纸张在水分变化时， 其尺寸的稳定性，是胶版印刷纸等纸种的一项重要指标。当纸张水分发生变化时能够使单根纤维发生润胀或收缩，使单根纤维形状发生变化。单根纤维形状的变化， 就引起纤维互相拉紧或推开， 导致纸张的形状发生变化。润湿时， 纤维直径的增加远远大于长度的增加，以及由于纤维主要是纵向排列， 所以纸的横向变形比纵向大。

影响纸张形稳性的主要因素：

（1）纸浆性质；

（2）紧度；

（3）化学品；

（4）干燥收缩。

2.7 不透明度

表示单张纸样在“全吸收”的黑色衬垫上的反射能力， 是印刷纸、书写纸、证券纸及一些工业用纸的一项重要质量指标。影响纸张不透明度的主要因素：

（1）纸张紧度；

（2）纸张组分。

2.8 表面强度

纸页结构内各层之间的强度称为“内结合强度”，而表面或靠近表面的强度则称为“表面强度”。印刷纸面浆与主体浆之间的结合不良所造成的困难是众所周知的，印刷时由于表面有一小部分被粘起而造成纸张的掉粉掉毛，就直接影响印刷质量和印刷操作。

影响纸张表面强度的主要因素：

（1）纸张紧度；

（2）浆料组分；

（3）干燥和压光；

（4）表面施胶。

3 图像分析技术在纸页结构分析中应用的研究进展

传统的纸页结构分析技术， 只是对纸张X、Y向和Z向进行表面的观察、测量和判断，但对纸页的内部结构与组成及其对成纸性能的影响却无能为力。在微观结构中， 纸张是一种三维立体的纤维网状结构， 许多成纸或纸板的性质直接受到微观结构的影响， 因此了解各种组分在水平和Z向上的形态和分布是非常重要的[4]。在纸页中， 纤维、填料和孔隙的结构形态是不同的， 这种差异会直接影响到纸张的最终性质如表面粗糙度、抗压能力以及不透明度和油墨吸收性能等[5]。

近年来， 随着技术的进步和方法的改进，研究纸页中纤维的结合状态、填料在纸张中的分布、涂料渗透深度以及油墨渗透深度等问题时往往对纸页的Z向进行扫描电镜（SEM）观察。目前扫描电镜技术已经成为研究纸页结构、分析成纸特性的重要手段[6]。

作为一种强大的图像处理技术，IPP(Image-Pro-Plus)可视分析技术广泛应用于生命科学、医学、材料学、地质学、生物学等科研及现场检验中。在造纸工业中的应用却不多，IPP可视分析技术是图像处理技术中的一种，具有可视化、结果准确等优点[7]。

总的来说，图像分析技术在造纸行业上的应用是通过三种方式来体现的：一是对纸页表面图像的分析，如匀度的测定、废纸脱墨效果的评价、涂布纸涂层结构分析等；二是对纸页Z向截面结构的分析，如填料颗粒大小及均匀程度，纤维与孔隙的分布等；三是对纸页的三维立体结构进行分析，如对纸页孔隙的三维结构进行分析、对纤维三维结构进行分析等。

3.1 图像分析技术在纸页表面分析中的应用

（1） 图像分析用于匀度分析：纸的匀度反映纸页中纤维及填料交织分布的均程度，是纸页一个重要的物理指标。它不但影响纸的外观，也影响纸页的几乎所有的物理和光学性质的平均值和数值的均一性。

自1995年起，东京大学生物材料科学系的T·Enomae和S·Kuga等人即开始这一课题的研究。他们将图像扫描仪与一个透射单元结合作为光透射图像的输入设备，来代替传统的CCD摄像机分析纸页匀度。扫描仪以发射RGB三色光的氙荧光灯作为光源，透射(或反射)光被一个在线的CCD探测器镜头所收集。试验以Kubelka-Munk方程为根据，测得的结果为纸样的光学密度，从而得到评价纸页表面匀度的匀度指数。

天津科技大学的傅其荣、胡开堂、谭国民[8]等人对蓝桉APMP印刷纸纸页结构与印刷适性进行了探讨，分析了配抄纸页的强度与光学性质。利用光透射技术通过图像分析仪测定纸页的匀度，并通过研究纸页的油墨吸收性以及表面强度来评价纸页的印刷适性。

（2）图像分析用于涂布纸涂层结构的分析：近几年，许多学者将显微镜和图像分析仪相结合，以便得到纸样的细微结构数据，据此表征纸页厚度、粗糙度和多孔性等参数。挪威科技大学的Garry Chinga[9]和Tjorbjorn Helle等人尝试将此方法用于评价和量化涂布纸和LWC纸的涂层细微结构。将由扫描电镜(SEM)得到的二次电子图像和背散射电子图将通过阈值化和除杂点处理后，得到涂布纸页表面细微结构电子图像。对这种表面细微结构的描述和量化还有利于预测印刷过程中印刷油墨在纸页表面的行为。

（3）图像分析用于评价废纸脱墨效果：扫描仪图像分析系统有足够的精度进行脱墨系统的浆样分析，且由于其操作简便，分析结果显示直观，所以受到使用者的广泛欢迎。

美国某高校和某研究机构联合开发了一种“脱墨纸样分析仪”。该系统以桌面式扫描仪作为图像输入部件。扫描仪将测量区域上纸面不同的明暗程度转变成不同量值的电信号送入微机。通过微机软件的对比和处理后，确定出墨点的大小和分布情况，从而分析生产系统的脱墨效率。

3.2 图像分析在涂布纸纸页Z向结构分析中的应用

在微观结构中， 纸张是一种三维立体的纤维网状结构， 许多成纸或纸板的性质直接受到微观结构的影响， 因此了解各种组分在水平和向上的形态和分布是非常重要的。在纸页中， 纤维、填料和孔隙的结构形态是不同的， 这种差异会直接影响到纸张的最终性质，如表面粗糙度、抗压能力以及不透明度和油墨吸收性能。

传统的测量Z向上纤维和填料分布的方法有BILOIT纸页喷射法[10-11]， 将纸页快速喷射到有胶粘物质的狭缝中， 然后对形成的层状物进行图像分析和测量， 但这种喷射层的数量限制以及各层中测量试样差异等原因， 精确度受到很大的限制。

最近， 由于技术的进步和方法的改进， 人们开始运用光学显微镜以及SEM电镜和相关的图像分析软件来分析纸张的平面结构[12-15]， 取得了良好的效果。但是这种方法不适合直接运用到纸页Z向各种组分形态分析与分布情况[16-17]。这主要是因为对一个非常薄的纸页进行纸张结构的测量是非常困难的， 不能描述沿着向横截面上纸页的结构特征。其他的许多研究者利用光学显微镜对纸张切片进行研究， 也取得了不错效果， 但是其精确度受到切片厚度的影响[18]。

Rafik和Allem等人[19-20]在前述方法的基础上，利用SEM电镜和图像分析技术对纸页横截面进行分析。通过SEM电镜进行图像采集，然后利用分析软件对采集的图像进行分析处理，从而获得纸页Z向结构的信息，也可用于分析涂料的匀度、涂料在基纸中的渗透与迁移情况、基纸中填料与空隙的分布以及基纸中纤维的组成与特性等[21]。

王伦和韩卿[22]利用Image-Prop lus图像分析技术量化分析纸页Z向上纤维、孔隙以及纸张所含的填料的分布情况，准确测量出分布在纸张Z向不同深度上纤维以及细小纤维的长度、宽度和周长，检测出在纸张Z向各层的孔隙尺寸、孔隙数量和所占面积比率，同时，还分析了填料在纸张Z向上的分布特性，如填料颗粒的面积、Z向各层中填料的含量和密度等。

利用该种图像分析技术可通过量化的方式准确、客观地反映出纸张Z向的结构及各种组分含量在Z向的分布，为研究纸页的Z向结构与构成对成纸性能的影响提供了一种有效的方法。这种纸页结构图像分析技术客观地反映了纸张内部结构及其各种组分含量的分布。该方法不仅可以用于纸张结构Z向分析，也可以用于评价纸张涂层的截面结构，对涂布纸涂层、各种组分的分布、粒子形态以及含量等进行定量分析。

3.3 图像分析技术在纸页3D结构分析中的应用

纸页是由纤维、细小纤维和填料组成的复杂的网状结构。结合显微仪器、图像分析方法和纸页结构模型理论，可以研究微观范围的三维纸页结构，以及它对纸页宏观物理性能的影响。挪威科技大学和挪威制浆造纸研究学会的几位学者用相衬微观X线断层摄影仪来获取纸页三维结构的扫描图像。

3.4 小结

由上面的介绍可知，纸页结构图像分析技术比较客观地反映了纸张内部结构以及各种组分含量的分布， 逐渐成为人们分析纸张Z向结构的有力工具。 该方法不仅可以用于纸张结构Z向分析，也可以用于对涂布纸涂层、各种组分分布、粒子形态以及含量等进行定量的分析和测量， 从本质上揭示了不同配方的涂料与成纸性能的关系， 为人们改进配方、改善纸页特性、降低成本提供了理论支持。随着科学技术的发展，相信通过不断的发展和完善， 这种新的技术一定可以有更加广泛的应用，会有越来越多的新的计算机图像分析技术应用于纸页结构的分析与检测，为我们的科学研究提供便利和帮助。它的发展前景十分广阔。

4 结束语

纸页结构的研究一直是制浆造纸学科中研究的基本学科。从纸页的宏观结构到微观结构，从二维的微观平面到三维结构对Z向结构的研究将传统造纸行业的发展推到了一个新的高度。近年来，在纸页结构的研究过程中引入了高科技的计算机技术推动了对这一领域的深入研究与发展，相信不久的将来对纸页的研究将会越来越透彻，进而对整个造纸行业产生重大影响。

[1]陈有庆等译,纸的性能[M]. 北京: 中国轻工业出版社,1985.

[2][美]绍帕.最新纸机抄造工艺[M]. 曹郑威,译.北京: 中国轻工业出版社,1999.

[3]隆言泉,造纸原理与工程[M]. 北京:中国轻工业出版社,1994.

[4]ZHANG L,SWAMBABU V. Effect of cellulose nanofiber dimensions on sheet forming through filtration[J].Cellulose. 2012,19:561-574.

[5]秦涛,武书彬,谢国辉,等.图像分析技术在研究纸页Z向结构中的应用[J].造纸科学与技术, 2003 , 2 2 :25-28.

[6]SAIKLA Z,PAULAPURO H.Change in Z-direction density distibution on paper in wet pressing[J].JPPS-1989,15(1):11-17.

[7]甘习华. 石蜡切片法在纸页样品制备中的应用[J]. 华南农业大学学报,1992(增刊):92-93.

[8]傅其荣,胡开堂,谭国民. 蓝按APMP印刷纸纸页结构与印刷适性[J].China PulP & Paper,2000,(7):

[9]RUNE H,GARY C. Cross sectional image analysis of paper structure as a step towards threedimensional structural. ANALYSIS,www.ind,tno.nl/en/cost_aetion_e1l/2D&3D%20PaPer%20strueture/JointPublieationRuneGaryEditII.Pdf.

[10]ERKKILA A L, PEKARINEN P, ODELL M. Sheet forming studies Ul-sing layered orientation analysis[J].CPPA. 1996,99( 1 ):91.

[11]PARKER J,MIL W. A new method for sectioning and analying paper in the transverse direction[J].TAPPI,1964,47 (5) :225.

[12]GANE PLA C, HOOPER J J. An evaluation of ineractions between coating colour and base paper by coating profile analysis, in fundamentals of papermaking[J].Transactions of the ninth fundamental research symposium伦敦1989 (2) :871 - 893.

[13]PETERSON R A , Williams C L. Determining papercoating thickness with electron microscopy and image analysis[J].TAPPI Journal,1992,75 (10) : 122 - 126.

[14]ALLEM R, WILLIAMS C L. Characterization of paper microstructure on paper properties[J].TAPPI Advanced coating fundamentals symposium. 多伦多 :1999. 111 -120.

[15]NISKANEN K, LOYTY H, GRONLUND E.Statistical geometry of paper cross sections. KCL paper science center, PSC Communication.1999,125(6) :10.

[16]HOLMSTAD R, GREGERSEN O W. Image analysis of characteristic structure elements in paper cross sections.International paper physics : A seminar EFFG, France : [ s.n. ] , 2000 ( 2 ) : 15 - 28 ,11-15.

[17]LUCISACO M,MARTINEZ D M. Characterizing the changes in transverse permeability and cross-sectional solidity profiles of wet paper webs pressed in an impulse Nip. 2000 International paper physis :A seminar EFPG,France: [s. n.] ,2000(2) :119 - 138 ,11-15.

[18]HASUIKE M, FUJITA M, MURAKAMI K .Evaluation of the geometrical structure of pulp sheets from cross-sections I. Geometrical quantities estimated from sections sliced along the z- directions of the pulp sheet.日本[J]TAPPI Journal, 1985,31 (6) :483 -489.

[19]RAFIK, ALLEM. An improved image analysis technique for mesuring the z-direction distributions of structural elements of paper[C]. Confidential to

[20]Paperican Member Companies, 2001:1569.HOLMSTAD R, G REGERSEN O W. Image analysis of characteristic structure elements in paper cross sections. International paper physics: A seminar EFPG[J],France:[s.n.], 2000(2):11-28.

[21]冀俊杰,陈蕴智.用原子力显微镜观察涂布纸涂层孔 隙结构[J].华东纸业,2007(1):14-17.

[22]王伦,韩卿.计算机图像处理技术在纸页Z向结构分析中的应用研究[J].中华纸业,2010,31(12):46-49.