纸浆中木质素含量对纸张耐久性的影响

在电子数据载体飞速发展的时代，纸张依然是实用性极强的重要信息载体。在适宜保存环境下，高质量纸张的降解速度非常缓慢，其强度和光学性质可保持百年不变。然而近现代普遍采用的磨木浆(机械纸浆)原料中除纤维素外还包含半纤维素与木质素，其中的木质素被普遍认为是导致19和20世纪纸张强度降低的主要原因。通常而言，纸张降解包括氧化与水解两种过程。木质素发生氧化反应后将生成有色基团导致纸张泛黄，同时也有一部分研究者认为木质素的存在将使纸张pH值呈现酸性，继而加剧纤维素链中糖苷键的水解断裂并引起纸张机械强度的大幅下降。

在近代时期，磨木浆中使用硫酸铝作为凝结剂沉淀细小碎木颗粒，但纤维素中的糖苷键在弱碱性及中性环境下才能够确保稳定，该酸性物质的存在将导致纸张加速老化。由此，人们在20世纪90年代开始使用中性条件下即能有效发挥作用的合成凝结剂(聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚酰胺等)来规避该种问题。为明确木质素含量对纸张(中性环境下生产)老化行为的影响，该研究以中性条件下松木纸浆及相应漂白纸浆(脱木素)制备的纸张为样本，以卡伯值(Kappa number)代表纸浆木质素含量，利用色谱及光谱等现代科技分析手段进行了一系列探究实验，主要结论如下：

1) 纸浆木质素含量对纸张强度几乎不产生影响。相同老化条件下，漂白纸样与不同卡伯值的未漂白纸样在纸张断裂长度、撕裂度与耐破度三项强度参数中的下降幅度基本一致。

2) 纸浆木质素含量与自然老化条件下的纸纤维聚合度变化并无显著关联，甚至木质素中的多酚能够捕获自由基从而减少纤维素中糖苷键的断裂数量。排阻色谱技术能够以测定纸张平均聚合度的方式跟踪与糖苷键水解断裂相关的化学反应，通过纸张纤维素分子量分布可以确定所有纸样(无关于木质素浓度)在湿度增加条件下放置最长时限后的聚合度下降趋势均基本相似。

3) 傅里叶变换红外光谱(FTIR)及紫外可见吸收光谱(UV-Vis)等表征技术均可在无损前提下为处于不同卡伯值区间的纸张在氧化过程中的复杂结构变化提供互补信息。但红外光谱中与木质素氧化产物相关的吸收峰将与纤维素氧化产物的吸收峰出现在相同谱带范围内，因而不容易分辨。同时紫外光谱也容易受到木质素、半纤维素、有色物质及填料等物质的影响，导致系统误差的产生。

4) 加速老化过程中相对湿度的增加是导致纤维素加快解聚的重要诱因，高温也是纸张强度下降的重要原因之一。

从经济角度而言，探究木质素对纸张降解的具体影响是极其重要的科学问题，目前图纸生产的市场趋势便是增加使用各种类型的高木质素含量纸浆。该研究利用科技手段证明了纸浆中木质素含量对中性条件下生产纸张的老化速度没有显著影响，是纸张老化研究领域极具参考价值的研究成果。