包装材料学 纸材料第一章

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1、 第一章第一章 造纸工艺造纸工艺 第二章第二章 纸和纸板的结构与性能纸和纸板的结构与性能 第三章第三章 常用的纸包装材料常用的纸包装材料 主主 要要 内内 容容 第一章第一章 造纸工艺造纸工艺 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 纸的制造工艺纸的制造工艺 一、造纸原料一、造纸原料 二、制浆二、制浆 三、抄纸三、抄纸 1.1 1.1 1.1 1.1 概述概述 一纸的定义一纸的定义 从从纤维悬浮液纤维悬浮液中将纤维中将纤维沉积沉积到适当的到适当的成型设备成型设备上，上， 经经干燥干燥制成的平整均匀的制成的平整均匀的薄页薄页。 二二. . . . 纸的分类纸的分类 （一）按定量或厚度分类（一）按定

2、量或厚度分类 纸：定量纸：定量700n700n700 n700 ，强强度与聚合度关系不明显度与聚合度关系不明显 水水解反应解反应：在酸或纤维素酶的作用下发生水解，：在酸或纤维素酶的作用下发生水解， 得到葡萄糖；得到葡萄糖； 酯酯化反应化反应：当纤维素分子上羟基中的氢为酸根所：当纤维素分子上羟基中的氢为酸根所 取代即生成酯。所以纤维素可与各种无机酸、有取代即生成酯。所以纤维素可与各种无机酸、有 机酸或羧酸衍生物作用，生成各种酯类；机酸或羧酸衍生物作用，生成各种酯类； 乙酰化乙酰化反应反应( (提提高尺寸稳定性的一种处理高尺寸稳定性的一种处理方法方法) )： 用用乙乙酰剂酰剂( (冰冰醋酸和乙酐按

3、一定比例醋酸和乙酐按一定比例配制配制) )作作用，用， 羟基全部或部分被封闭，结果纤维素的吸水性和羟基全部或部分被封闭，结果纤维素的吸水性和 膨胀率降低，耐侯性、耐热、耐腐、耐磨等性能膨胀率降低，耐侯性、耐热、耐腐、耐磨等性能 也有不同程度的提高。也有不同程度的提高。 2.2.纤维素纤维素的主要化学性质的主要化学性质 热热解反应解反应：热裂解温度：热裂解温度170170170 170 180180180 180 ，在热裂，在热裂 解温度以下，纤维素分子的热稳定性尚好。解温度以下，纤维素分子的热稳定性尚好。 （140140140 140 以下一般不发生降解）。以下一般不发生降解）。1401401

4、40 140 以上受以上受 热降解变为黄色，高于热降解变为黄色，高于180180180 180 时，热解程度逐渐时，热解程度逐渐 增大，在加热过程中，纤维素的吸湿性随温度增大，在加热过程中，纤维素的吸湿性随温度 的升高而降低，这说明纤维素分子中非结晶区的升高而降低，这说明纤维素分子中非结晶区 发生了变化。发生了变化。250250250 250 时剧烈时剧烈降解。降解。 光光降解降解：受光的作用发生降解，波长愈短，光强：受光的作用发生降解，波长愈短，光强 度愈大，对纤维素的降解作用也愈大；度愈大，对纤维素的降解作用也愈大； 机机械降解械降解：纤维素纤维原料在研磨或压碎时受到：纤维素纤维原料在研磨

5、或压碎时受到 机械作用往往降解，使反应能力提高，其原因在机械作用往往降解，使反应能力提高，其原因在 于大分子的价键及分子链之间的氢键有所破于大分子的价键及分子链之间的氢键有所破坏。坏。 电化学性质电化学性质：纤维素本身含有极性羟基、糖醛：纤维素本身含有极性羟基、糖醛 酸基等基团，使纤维素纤维在水中表面带负电。酸基等基团，使纤维素纤维在水中表面带负电。 纤维素大分子链之间的连接是由分子间力和氢纤维素大分子链之间的连接是由分子间力和氢 键力二者的存在而形成的。键力二者的存在而形成的。 当氢原子以主价健与电负性很强的原子结合后当氢原子以主价健与电负性很强的原子结合后 再以付价键与另一电负性很强的原子

6、结合所形再以付价键与另一电负性很强的原子结合所形 成的键称为氢键。成的键称为氢键。 3 3. .氢氢键键 氢键氢键 OH - C-纤维素分子纤维素分子 -C- O H 纤维素分子纤维素分子 纤维形成氢键结合的条件：纤维形成氢键结合的条件： 有有游离游离羟羟基；基； 两两羟基间的距离在羟基间的距离在 2.82.82.8 2.8 之内。否则只有范德之内。否则只有范德 华力，没有氢华力，没有氢键。键。 由于纤维素含有大量的游离羟基，使纤维素大由于纤维素含有大量的游离羟基，使纤维素大 分子之间和内部存在大量的氢键。分子之间和内部存在大量的氢键。 纤维素超分子结构理论认为：纤维素是由结晶纤维素超分子结构

7、理论认为：纤维素是由结晶 区和无定形区交错联结而成的二相体系。区和无定形区交错联结而成的二相体系。 4.4.纤维素纤维素的物理结构的物理结构 在结晶区，纤维素大分子的排列定向有序，具有在结晶区，纤维素大分子的排列定向有序，具有 完全的规则性，结合的比较紧完全的规则性，结合的比较紧密；密； 在无定形区，纤维素分子链的排列不呈定向有在无定形区，纤维素分子链的排列不呈定向有 序，不具有规则性，结合的比较松散；序，不具有规则性，结合的比较松散； 结晶区与无定形区无明显的绝对界限，而是逐步结晶区与无定形区无明显的绝对界限，而是逐步 过渡的。一根纤维素分子可以贯穿几个结晶区和过渡的。一根纤维素分子可以贯穿

8、几个结晶区和 无定型区，既可以终止在结晶区内，也可以终止无定型区，既可以终止在结晶区内，也可以终止 在无定型区内。在无定型区内。 结晶度：结晶区占纤维整体的百分率。结晶度：结晶区占纤维整体的百分率。 吸湿与放湿只能发生在非结晶区，在结晶吸湿与放湿只能发生在非结晶区，在结晶 区，由于分子上的羟基形成了氢键，水分子区，由于分子上的羟基形成了氢键，水分子 不能进入。所以，结晶区对吸湿润胀有限制不能进入。所以，结晶区对吸湿润胀有限制 作用。作用。 纤维素的吸湿能力取决于亲水性羟基的多纤维素的吸湿能力取决于亲水性羟基的多 少，纤维素的非结晶区的多少，以及非结晶少，纤维素的非结晶区的多少，以及非结晶 区内

9、大分子排列的疏密程度。区内大分子排列的疏密程度。 如果结晶度如果结晶度纤维的强度纤维的强度硬度硬度密密 度度尺尺寸稳定性寸稳定性，而伸长率而伸长率、干、干缩湿缩湿 胀率胀率、吸湿性、吸湿性、柔顺、柔顺性性、润胀度、润胀度、 化学反应性化学反应性 (1(1) )色色泽：纤维素本身为白色；泽：纤维素本身为白色； (2(2) )比比重：重：1.51.51.561.56； 5.5.纤维素纤维素的物理性质的物理性质 (3(3) )各各向异性：纤维素的各个方向的物理力学性向异性：纤维素的各个方向的物理力学性 质质不同。不同。 Z向 横向 纵向 (4) (4) 吸湿现象吸湿现象 纤维素含水率与环境条件的关系

10、纤维素含水率与环境条件的关系：当温度：当温度 一定而相对湿度不同时，纤维素的平衡含一定而相对湿度不同时，纤维素的平衡含 水率随着空气湿度的升高而增大；当相对水率随着空气湿度的升高而增大；当相对 湿度一定而温度不同时，纤维素的平衡含湿度一定而温度不同时，纤维素的平衡含 水率则随着温度的升高而减水率则随着温度的升高而减小。小。 吸湿吸湿: :当空气中的水蒸气压力大于纤维素当空气中的水蒸气压力大于纤维素 表面水蒸气压力时，纤维素从空气中吸收表面水蒸气压力时，纤维素从空气中吸收 水分的现象。水分的现象。 解吸解吸: :空气中的水蒸气压力小于纤维素表面的空气中的水蒸气压力小于纤维素表面的 水蒸气压力时，

11、纤维素中水分向空气蒸发的现水蒸气压力时，纤维素中水分向空气蒸发的现 象。象。 平衡含水率：平衡含水率：在一定的空气状态下纤维素达到在一定的空气状态下纤维素达到 的吸湿或解吸稳定含水率叫做平衡含水率。的吸湿或解吸稳定含水率叫做平衡含水率。 平衡含水率测定方法：平衡含水率测定方法：将纤维素置于室内通风将纤维素置于室内通风 良好之处，直至与空气湿度平衡，含水率不再良好之处，直至与空气湿度平衡，含水率不再 变化，测定此时的纤维素含水率。变化，测定此时的纤维素含水率。 平衡含水率是一个动态值：平衡含水率是一个动态值：与环境的温、湿度与环境的温、湿度 条件有关，地区间存在差异。条件有关，地区间存在差异。

12、讨论讨论: :吸湿吸湿与与吸水吸水的含义是否相同？的含义是否相同？ 吸水吸水: :纤维素浸于水中吸收水分的能力。纤维素浸于水中吸收水分的能力。纤维纤维 素素可以吸收本身质量可以吸收本身质量2 23 3倍的水分倍的水分，发生润胀。，发生润胀。 吸湿性的内在原因吸湿性的内在原因: :在纤维素的无定形区中，在纤维素的无定形区中， 分子链中的羟基只是部分形成氢键，还有部分分子链中的羟基只是部分形成氢键，还有部分 的羟基仍是游离羟基。由于羟基是极性基团，的羟基仍是游离羟基。由于羟基是极性基团， 易于吸附空气中的极性水分子，与其形成氢键易于吸附空气中的极性水分子，与其形成氢键 结合。结合。 纸张的强度在某

13、一水分含量而达最大值，低于纸张的强度在某一水分含量而达最大值，低于 此值则纸张发脆强度下降，高于此值则由于润此值则纸张发脆强度下降，高于此值则由于润 胀作用又破坏了纤维之间的氢键结合，强度也胀作用又破坏了纤维之间的氢键结合，强度也 会下降。会下降。 纤维素物质在绝干时是良好的绝缘体，吸湿时纤维素物质在绝干时是良好的绝缘体，吸湿时 则电阻迅速下降。则电阻迅速下降。 纤维素的吸湿对纸张性能的影响纤维素的吸湿对纸张性能的影响 (5(5) )干干缩湿胀缩湿胀 根据纤维素的物理结构，被吸附的水分子根据纤维素的物理结构，被吸附的水分子 只能进入非结晶区的纤维素分子链之间，只能进入非结晶区的纤维素分子链之间

14、， 纤维素水分的减少或增多必然会改变纤维纤维素水分的减少或增多必然会改变纤维 素分子链之间的距离，靠拢或拉开，从而素分子链之间的距离，靠拢或拉开，从而 导致有限收缩或膨导致有限收缩或膨胀。胀。 纤维素的横向干缩湿胀率大于轴向。纤维素的横向干缩湿胀率大于轴向。 吸吸水性的羟基存在于纤维素大分子链之水性的羟基存在于纤维素大分子链之 间，所以，收缩与膨胀只限于非结晶区的间，所以，收缩与膨胀只限于非结晶区的 分子链之间。分子链之间。 纤纤维素大分子链主轴是维素大分子链主轴是由由C-CC-C、C-O-CC-O-C键键连连 结，水分子无法进入到纤维素分子链内的结，水分子无法进入到纤维素分子链内的 长度方向

15、。纤维素分子上的碳、氧原子只长度方向。纤维素分子上的碳、氧原子只 能在原子核范围内活动，其本身轴向不发能在原子核范围内活动，其本身轴向不发 生收缩。生收缩。 干缩湿胀率的各向异性的原因干缩湿胀率的各向异性的原因 (6) (6) 吸湿滞后吸湿滞后 相对湿度相对湿度 含 水 率 含 水 率放湿放湿 吸湿吸湿 在相同的温湿在相同的温湿 度条件下，吸度条件下，吸 湿时水分的吸湿时水分的吸 着量低于放湿着量低于放湿 时水分的蒸发时水分的蒸发 量，即吸湿时量，即吸湿时 的平衡含水率的平衡含水率 低于放湿时的低于放湿时的 平衡含水率。平衡含水率。 这种现象称为这种现象称为 吸吸湿湿滞后滞后。 吸湿滞后吸湿滞

16、后=W=W=W =W 放湿放湿-W -W-W -W 吸湿，吸湿，范围为 范围为1%5%1%5%1%5% 1%5% ，平均为：，平均为：2.5%2.5%2.5% 2.5% 经经解吸干燥后的纤维素，其微毛细管系统内的解吸干燥后的纤维素，其微毛细管系统内的 空隙部分被透进来的空气所占据，从而妨碍了空隙部分被透进来的空气所占据，从而妨碍了 纤维素对水分的吸收。纤维素对水分的吸收。 在在解吸干燥后，由于干缩，使相邻的纤维素分解吸干燥后，由于干缩，使相邻的纤维素分 子链上用以吸取水分的羟基间形成氢键，从而子链上用以吸取水分的羟基间形成氢键，从而 使使一部分一部分羟基相互饱和而减少了对水分的吸着。羟基相互饱和而减少了对水分的吸着。 吸湿滞后的内在原因吸湿滞后的内在原因 （二）半纤维素（二）半