纤维长度和粗度对纸张 结构性能的影响

李荣一 金东柱

摘要：：研究了各种未打浆纸浆的纤维直径、长度与粗度的关系，并探讨了纤维长度与粗度对成纸性能的影响。结果表明，纤维的直径、长度与粗度成线性关系；且纤维长度与粗度均对成纸的吸水性、气孔率与气孔有效直径有增强作用。

关键词：纤维长度；纤维粗度；纸张结构性能

中图分类号：TS721文献标识码：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

东方书画纸的主要特点是水溶性颜料可渗透到纸张的结构中，呈现出相应的图像[1]。东方书画纸有中国的宣纸和皮纸，还有朝鲜的高丽楮纸和高丽宣纸。相比于西方书画纸，东方书画纸的特有性和优秀性归因于其结构性能[2]。栩栩如生的人物、意境深远的山水以及赏心悦目的花卉……正是宣纸和高丽纸独特的结构性能所致[3]。欧洲的水彩画、油画与纸张的结构性能无关，只与纸张的表面性能有关[4]。

中国书画纸一般采用青檀、稻草等作为原料，朝鲜书画纸则用楮皮、稻草等作为原料。纸张的结构性是纸张抄造过程中通过纤维的三维网状结构形成的，主要与纤维种类、制浆方法、纸张的成形等有关。水溶性颜料在纸张中浸透、扩散与其结构性能有关。本课题分析了各种植物纤维的长度和粗度之间的关系及其对成纸结构性能的影响。

1实验

11原料

原料为未打浆的针叶木浆（松木、落叶松）、阔叶木浆（白杨、桦木）、竹浆、楮韧皮浆、稻草浆和芦苇浆。

12纤维长度和粗度的测定

纤维长度和纤维粗度采用Kajaani FS200纤维分析仪测定[5]。每个样品大约检测5000根纤维，求其平均值。

13纸张的制备以及各项性能的测定

本实验中每个样品均未打浆，并使用标准纸页成型器进行抄纸，纸张定量控制在60 g/m2左右，纸张抄造完成后，按照ISO标准测定纸张的各项物理性能。

2结果与讨论

21纤维直径、均质长度与粗度的关系

当原料纤维壁的厚度不同时， 同一直径的纤维对纸张结构性能的影响不一样，纤维粗度是纤维的主要特征[67]。圖1显示了多种样品的纤维直径与粗度之间的关系。由图1可知，随着不同纤维直径的增加，纤维粗度也逐渐增加，两者之间近似成线性关系。这表明纤维直径越大，纤维的粗度也就越大，这与Dinwoodle等人[8]的研究结果一致。各种原料的纤维质均长度与粗度的关系如图2所示。由图2可见， 纤维粗度与纤维质均长度呈正相关的线性关系。这表明原料的纤维质均长度越大，其纤维粗度就越大。

22纤维粗度对纸张结构性能的影响

稻草浆用24目筛、100目筛去除粗纤维、薄壁细胞；楮韧皮纤维抄造成纸张后，再分散，用标准筛筛选，分析纤维粗度对纸张结构性能的影响[910]。将各种筛后的纸浆按照标准方法抄得纸样， 并按ISO标准测定纸张各项物理性能。不同种类纸浆纤维筛后的特性结果如表1所示。纤维粗度对纸张结构性能的影响如表2所示。由表2可知，纸张的气孔率、气孔有效直径、吸水性随纤维粗度的增加而上升。各项性能指标与纤维粗度之间的线性回归方程如下：

气孔率：y=212x+6176R2=096

气孔有效直径：y=148x+210R2=094

吸水性：y=4064x+5663R2=092

式中，x为纤维粗度，mg/m。

线性回归分析表明，纤维粗度是影响纸张气孔率、气孔有效直径、吸水性的一项重要指标。且上述3个线性指数R2均大于090，说明具有极强的线性关系，且都是正相关关系。

23纤维长度对纸张结构性能的影响

当纤维粗度一致时，分析纤维长度对纸张结构性能的影响[11]。为使纤维粗度保持一致，本课题选取楮韧皮从下部10～50 cm位置的秆进行分析研究，纤维长度随楮韧皮切断长度分布如表3所示，纤维长度对纸张结构性能的影响如表4所示。表5为稻草浆纤维长度对纸张结构性能的影响。

24混合浆的纤维长度与粗度的关系

纸张的性能与纤维长度和粗度之间呈函数关系，且与纸浆的打浆度、抄纸方式、压榨方式和干燥方式有关。当纤维未打浆、但抄纸、 压榨、干燥方式都相同时，纸张的结构性能与纤维长度、粗度之间呈函数关系。

如果将不同纤维长度和纤维粗度的浆料混合，那么混合浆的纤维长度和粗度的分配规律及用混合浆抄成纸张后的结构性能的影响都有待研究。

对于一般的纸浆来说，已知每种浆的纤维长度（l1，l2，…，li）、质量（w1，w2，…，wi），纤维的总数量N、总长度L、总质量W。则混合浆纤维的数均长度LN、质均长度LW和粗度C分别按公式（1）、公式（2）、公式（3）计算。

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）

如果已知两种浆料各自的LN、LW和C，即已知LN1、LW1、C1，LN2、LW2、C2，将两种浆料以50∶50的比例混合，则混合浆的LN、LW、C的计算分别如公式（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）虽然具有局限性，但可以在混合比50∶50下成立， 但纤维粗度C的实验值和计算值的误差很大。当两组浆以任意配比混合时，推导出混合浆的纤维长度和纤维粗度公式如公式（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为混合浆第1种浆质量分数，%；y为混合浆第2种浆的质量分数，%。

为了验证上述公式的正确性， 采用稻草浆和楮韧皮浆进行实验，两种浆的特性见表6。

将稻草浆与楮韧皮浆以不同比例混合，其混合浆料的纤维长度和粗度的测定值和计算值列于表7。由表7可知，混合浆的纤维长度和粗度的测定值十分接近于计算值。这表明如果已知单组分纤维的长度和粗度， 就可以预测混合浆的纤维长度和粗度。通过改变混合浆的配比，可以制备出不同结构性能的纸张。不同配比混合浆的纤维特性和纸张结构性能见表8。

3结论

31研究表明， 楮韧皮浆和稻草浆单独使用或二者混抄均可达到较好的纸张结构性能。

32纤维粗度对纸张的结构性能即吸水性、气孔率、气孔有效直径有增强作用。纤维长度不仅对纸张的结构性能即吸水高度、气孔率、气孔有效直径有增强作用，还对纸张的抗张指数有影响。

33在已知單种浆纤维长度和粗度的前提下， 就可以预测两种浆混合后的纤维长度和粗度。

参考文献

[1]Liu Renqing. Drawing paper[J]. Tianjin Paper Making， 2008（1）： 43.

刘仁庆. 绘画用纸杂谈[J]. 天津造纸， 2008（1）： 43.

[2]CHENG Yuan. Water Color[M]. Shanghai： Peoples Fine Arts Press， 2012.

程远. 水彩[M]. 上海： 人民美术出版社， 2012.

[3]Liu Ren qing. Xuan Paper with Chinese Painting and Calligraphy[M]. Beijing： China Light Industry Press， 1989.

刘仁庆. 宣纸与書画[M]. 北京： 轻工业出版社， 1989.

[4]LI Zheng， LIU Wen， LIU Qunhua. The Properties and Development Situation at Home and Abroad of Water Color Paper[J].China Pulp & Paper， 2014， 33（2） 63.

李政， 刘文， 刘群华. 水彩画纸的特性及国内外发展现状[J].中国造纸， 2014， 33（2）， 63.

[5]Barlmet. Fiber analyzer Kayani FS200[J]. Pulp & Paper Tecnology Times， 1998（6）： 17

バルメッ卜センイ分析器力ヤ二FS200[J].紙パルプ技術夕イムス， 1998（6）： 17.

[6]Peng Yuxiu， Seth R S. Relationships Between Length of Fiber and Tea factor of paper[J].China Pulp & Paper， 1994，13（4）： 10.

彭毓秀， Seth R S. 纸的断裂韧性及其与纤维长度的关系[J]. 中国造纸， 1994，13 （4）： 10.

[7]HE Beihai. Paper Making Principle and Engineering[M]. Third Edition. Beijing： China Light Industry Press， 2012.

何北海. 造纸原理与工程[M]. 第3版. 北京： 中国轻工业出版社， 2012.

[8] Dinwoodie J M. Relationship Between Fiber Morphology and Paper Properties[J]. Tappi Jornal， 1965， 48（8）： 440.

[9]LONG Aiyun. Research Progress of Paper Structure[J]. East China Pulp & Paper Industry， 2014（3）： 24.

龙爱云. 纸页结构的研究进展[J]. 华东纸业， 2014（3）： 24.

[10]LV Xiaohui， YANG Lu， LIU Wenbo. Pore in Paper and its Structural functions[J]. China Pulp & Paper， 2016， 35（3）： 64.

吕晓慧， 阳路， 刘文波. 纸张的孔隙及其结构性能[J]. 中国造纸， 2016， 35（3）： 64.

[11]Song Junfu， Pan Dingru， William E Scott. Effect of Fiber Length and Coarseness on paper properties[J]. China Pulp & Paper， 1992， 11（4）： 35.

宋俊富， 潘定如， William E Scott. 纤维长度和粗度及其对成纸性能的影响[J]. 中国造纸， 1992， 11（4）： 35.

[12]QIN Lijuan， CHEN Fushan， WANG Gaosheng. Effects of FiberProperties on the Strength Properties of Paper[J]. Hei long jiang paper Making， 2004（1）： 11.

秦丽娟， 陈夫山， 王高升. 纤维的性质对纸张性能的影响[J]. 黑龙江造纸， 2004（1）： 11.CPP（责任编辑：吴博士）

欢迎投稿歡迎订阅欢迎刊登广告欢迎访问中国造纸杂志社网站http：//wwwcppmpcom技术报告技术报告·厌氧反应器·