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1、第 二章 磨（打） 浆,概 述,打浆浆料中的纤维受到剪切力的作用。包括机械打浆、超声波打浆和水力打浆等。,打浆的主要任务：,（一）改变纤维的形态，使纸浆获得某些特性（如机械强度、物理性能和胶体性质），以保证纸页的抄造质量。 （二）通过打浆调节和控制纸料在网上的滤水性能，以适应造纸机生产的需要，使纸页获得良好的成形，改善纸页的匀度和强度指标。,打浆作用的性质,打浆是物理变化，打浆作用对纸浆产生的纤维结构和胶体性质的变化，都属于物理变化，并不引起纤维的化学变化或产生新的物质。注意：打浆作用会使纤维表面暴露一些新的基团，但这是纤维本身原有的，与化学变化无关。,关于打浆 “纸是在打浆机中打出来的”,生
2、产不同品种的纸和纸板，需要不同的打浆设备、打浆方式和打浆工艺。 针对不同的纤维原料，也要采取不同的打浆设备、打浆方式和打浆工艺。,打浆理论,一、纤维细胞 壁的结构 胞间层 M 初生壁 P 次生壁外层 S1 次生壁中层 S2 次生壁内层 S3,各层的组成,胞间层（M，middle lamella）是细胞间的连接层，厚度为1-2 m，含纤维素极少，主要成分是木素。初生壁（P, primary wall）是细胞壁的外层，由微纤维组成，与胞间层紧密相连，厚度为0.10.3 m，含有较多的木素和半纤维素。,各层的组成,初生壁是一层多孔的薄膜，不吸水、不容易润胀，微纤维在初生壁上作不规则的网状排列，有碍次
3、生壁与外界接触及纤维的润胀和细纤维化，故在打浆时需将此层打碎破除。,各层的组成,次生壁外层（S1, secondary wall 1）由若干层细纤维的同心层组成，厚度为0.1-1 m，是P层与S2层的过渡层，其化学成分与P层接近。微纤维排列的方向与纤维轴向呈7090度角，不规则交错地缠绕在纤维壁上。S1层微纤维的结晶度较高，对化学和机械作用的阻力较大，会限制S2层的润胀和细纤维化，故打浆时也需将此层打碎破除。,各层的组成,次生壁中层（S2, secondary wall 2）由许多细纤维的同心层组成，是纤维细胞壁的主体。厚度为3-10 m，约占细胞壁厚度的7080%。该层纤维素和半纤维素的含量
4、高，木素的含量少，微纤维的排列呈螺旋单一取向，与纤维轴向呈045度角。S2层是打浆的主要对象。,各层的组成,次生壁内层（S3, secondary wall 3）由层数不多的细纤维同心层组成，厚度约0.1 m，在纤维壁中所占比例不到10%，木素含量低，纤维素含量高。该层的化学性能稳定，微纤维的排列与S1层相似，与纤维轴向呈7090度角。 在打浆中一般不考虑S3层。,纤维 (fiber) 的组成,细纤维 (fibril) 直径 300-500 微纤维 (micro fibril) 直径 250 微细纤维 (finer micro fibril) 直径 120 原细纤维 (elemental fi
5、bril) 直径 30 纤维素微晶体 (crystallile)用分辨率达1.5的电子显微镜还不能看到。,二、打浆的作用,五种主要作用（排列次序与作用先后无关） （一）细胞壁的位移和变形 （二）初生壁和次生壁外层的破除 （三）横向切断或变形 （四）吸水润胀 （五）细纤维化,（一）细胞壁的位移和变形,打浆的机械作用使S2层中的细纤维同心层产生弯曲，发生位移和变形；使细纤维之间的间隙增大，水分子更容易渗入，为纤维润胀创造了有利条件；对P层和S1层的破除起了重要的促进作用。,纤维次生壁的位移,（二）初生壁和次生壁外层的破除,通过打浆的机械作用和纤维之间的相互摩擦作用将P层和S1层破除，以便使S2层充
6、分地润胀和细纤维化。不同制浆方法和纤维原料，其P层和S1层破除的难易程度也不同。对某些化学浆，在制浆过程中已经破除了P层，所以打浆时主要是破除S1层。,（三）横向切断或变形,切断是指纤维横向发生裂断的现象。主要是纤维受到打浆设备的剪切力作用和纤维间的相互摩擦作用所致。纤维的切断与其润胀有一定的关系。润胀良好的纤维不容易被切断。纤维切断后在断口处留下锯齿状的末端，利于纤维的分丝帚化和细纤维化。,（四）吸水润胀,“润胀”是指高分子化合物在吸收液体的过程中，伴随着体积膨胀的一种物理现象。纤维在打浆过程中也能吸水润胀。纤维润胀的原因是由于纤维素和半纤维素分子结构中所含极性羟基与水分子产生极性吸引，使水
7、分子进入纤维素的无定形区，使纤维素分子链之间距离增大，引起纤维变形。,纤维润胀的意义,纤维润胀是打浆过程中的一个重要问题。纤维润胀后，其内聚力下降，纤维内部组织结构变得更为松弛。纤维比容和比表面积增加， 纤维直径可以膨胀增大23倍。有利于纤维的细纤维化，增加纤维间的接触面积，提高成纸强度，降低透气度。,纤维的润胀,纤维润胀的影响因素,原料的组成-木素是疏水性物质，因此木素含量高的原料纸浆，不易润胀。半纤维素含量-草类纤维的半纤维素含量高，含有较多的游离羟基，比纤维素有更大的亲水性，容易吸水润胀。制浆方法-不同的制浆方法使纸浆的木素、纤维素和半纤维素的含量不同，因此也影响到纤维的润胀程度。,（五
8、）细纤维化,纤维的细纤维化从细胞壁P层和S1层破除时开始，并在纤维吸水润胀后大量产生。细纤维化包括：纤维外部的细纤维化纤维内部的细纤维化上述两种细纤维化作用，是打浆的重要作用之一，对纸页性质影响极大。,纤维外部的细纤维化,纤维分丝帚化，表面分丝起绒毛。分离出大量的细纤维、微纤维、微细纤维。从而大大增加了纤维的外比表面积，促进了氢键的结合。,纤维外部的细纤维化,对照：打浆前的情况,纤维的内部细纤维化,指纤维发生润胀后，在次生壁同心层之间彼此产生滑动，使纤维的刚性下降，弹性削弱，塑性增加，纤维变得柔软而有可塑性。,细纤维化主要产生于S2层,这是由于：S2层纤维素含量高细纤维的排列与轴向几乎平行打浆
9、作用使S1层破除使该层易于产生细纤维化。,细纤维化与润胀的关系,互相促进：纤维吸水润胀后组织结构松弛，为进一步细纤维化创造了有利条件；纤维的细纤维化，使水分更容易渗入，又能促进纤维的进一步润胀。,（六）打浆的其他作用,产生碎片使纤维扭曲卷曲压缩（微压缩）伸长等,三、纤维结合力,纸的强度取决于成纸中纤维间的结合力纤维本身的强度。 而实验研究表明，最终决定纸页强度的，是成纸中纤维间的结合力。,纤维的结合力有四种：,氢键结合力（19 kJ/mol，纤维素间）化学主价键力 (140-950 kJ/mol)极性键吸引力 (Van der Waals Force)表面交织力其中，氢键的结合力最重要，与打浆
10、的关系最密切。,一些物质的强度比较,（一）氢键结合-水分子的结构,水分子结构是一个四面体。氧原子位于四面体的中心，两个氢原子和两个孤电子队占据四面体的角顶。OH键之间的键角被压缩到104. 5度。,氢键的饱和性：水分子之间的氢键只能和一个氧原子结合；当第二个氧原子在靠近氢原子之前，会被已经结合的氧原子排斥开。,氢键的方向性：当一个水分子的氢原子与另一个水分子的氧原子形成OH-O氢键而缔合在一起时，尽量使OH-O氢键保持直线形，以求吸引最牢。,共价键中氢氧原子的间距 0.99 氢键中的氢氧原子的间距 1.77,纤维间氢键的形成过程（I） -通过水分子形成的水桥连接,纤维间氢键的形成过程（II）
11、-单层水分子形成的氢键结合,当纸料在网上滤水后，经过压榨进一步脱出水分，使两纤维间的距离靠拢，在纤维间形成了比较有规则的单层水分子连接的氢键结合。,纤维间氢键的形成过程（III） -过程完成，形成氢键结合,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作用，使纸页收缩，纤维进一步靠拢，从而使纤维素分子间的羟基距离小于2.8 ，最终形成了氢键结合。,氢键形成的条件,有游离羟基的存在；两羟基之间的距离在2.8 以内。纤维的吸水润胀和细纤维化，都会使纤维的游离羟基增加，促进纤维间的氢键结合，从而提高纸页的物理强度。,四、打浆与纸张性质的关系,思考题（学习要点）1、打浆引起了纤维结合力的
12、哪些变化，引起了纤维形态的那些变化？2、纸张强度性质的不同指标分别是由那些因素决定的？,打浆与纸页性质,1、纤维结合力随打浆上升； 2、与结合力成正比的强度指标，都是先升后降； 3、与纸页致密程度有关的指标，均随打浆程度而下降。,打浆与纸页性质,对于草浆，打浆与纸页性质的关系也与木浆相似。 （本图为稻草浆的打浆曲线）,(一)纤维结合力 （Fiber-fiber Bonding）,随着打浆度的增加，纤维润胀和细纤维化增加，纤维的比表面积增大，游离出更多的羟基，促进纤维间的氢键结合，使纤维结合力不断上升。曲线特征：初期上升很快，逐渐缓慢达到最高点。,(二)裂断长 （Breaking Length）
13、,-纸页的抗张强度。主要受纤维间结合力和纤维平均长度的影响。同时与纤维的交织排列和纤维自身的强度等也有关。曲线特征：初期上升很快，中期缓慢并达到最高点，后期下降。,（三）耐破度 (Bursting Strength),-纸页所能承受的最大压力。主要受纤维间结合力和纤维平均长度的影响。同时与纤维的交织排列和纤维自身的强度等也有关。曲线特征：初期上升很快，中期缓慢并达到最高点，后期下降。（比裂断长的曲线下降早一些）,（四）耐折度 (Folding Strength),-纸页在一定的张力下承受180度往复折叠的次数。主要受纤维平均长度、纤维间结合力、纤维在纸页中的排列，纤维本身的强度和弹性等。曲线特
14、征：初期上升很快，中期缓慢并达到最高点，后期下降。（与耐破度曲线相似）,(五)撕裂度 (Tearing Strength),-纸页抗撕裂的能力。主要受纤维平均长度的影响，其次是纤维结合力、纤维排列方向、纤维强度和纤维交织情况等。曲线特征：初期上升很快，中期缓慢并达到最高点，后期下降。（比耐折度下降要早）,（六）紧度 (Density),紧度指纸页紧密的程度，用（g/cm3）表示。该指标也可用紧度的倒数-松厚度（Bulk）表示, 单位为(cm3/g)。该指标主要受纤维结合力的影响。曲线特征：随打浆程度的增加，曲线不断上升。,（七）不透明度 (Opacity),不透明度是指纸页不透光的程度，该指标
15、对印刷纸尤为重要。该指标主要受纤维结合力的影响。曲线特征：随打浆程度增加，曲线不断下降。,（八）伸长率和伸缩性 (Stretch Ratio),伸长率是指纸页受到张力至断裂时，伸长的百分率。而纸的伸缩性是指纸张浸入水中或在不同湿度下尺寸的变化。 纸浆的上述指标均随打浆度的提高而上升。 曲线特征：随打浆程度增加而上升。,(九)吸收性和透气度 (Absorption),吸收性是表示纸张吸收水分或其他液体的能力；透气度是指纸张透过气体的能力。上述指标均随打浆度的提高而降低。曲线特征：随着打浆程度的提高而下降。,（十）脆性 (Brittleness),脆性是纸页的物理性质之一，特别是对以草类浆抄造的纸
16、和纸板更为重要。 已经引起国内造纸工作者的重视，但是目前对脆性还没有一个明确的定义和统一的测试方法。,打浆工艺,一、打浆方式 （一）长纤维游离打浆（牛皮纸、电缆纸和工业滤纸等） （二）长纤维粘状打浆（仿羊皮纸、纸袋纸、字典纸、描图纸等） （三）短纤维游离打浆（滤纸、吸墨纸、钢纸原纸、浸渍绝缘纸等） （四）短纤维粘状打浆（卷烟纸、电容器纸、证券纸等）,四种打浆方式,游离度、游离浆与游离打浆,游离度- 一种测量打浆程度的参数，其值恰与打浆度相反，打浆程度低的纸浆游离度较高。 游离浆-游离度较高的纸浆。 游离打浆-是一种以降低纤维长度为主的打浆方式，其与游离度（或打浆度）的高低无直接关系。即： 游离打浆打游离浆,二、打浆工艺参数,（一）打浆比压QP = -F式中：P-打浆比压（N/m2, Pa）Q-飞刀辊作用在底刀上的压力(N)F-飞刀与底刀的接触面积（m2）,
