纤维配比和木浆
出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《涂布加工纸技术手册》第178页（9547字）
造纸工业发达的国家，当今的优质涂布原纸仍以木浆纤维作为主要料源，用在原纸内的木浆有三种主要种类，即化学软木浆、化学硬木浆和机械木浆。挑选原纸纤维配比是建在原纸性能和经济两大基础上的。
1．化学木浆
一般而言，硫酸盐硬木浆较硫酸盐软木浆成本上要便宜，所以往往在配比中优选多用硬木纤维伸展至产品允许的最高配比量。软木浆纤维一般有较高的抗张强度和撕裂度，配入后是用以增加强度的，所以它的配入百分比也是起决定性的。硬木硫酸盐浆的使用，一般还对原纸成品的组织均匀性的改善是有决定意义的，但抗张和撕裂强度较低。表3-7(普通美国木浆纤维特性)说明它们测出的规格和尺寸。表3-8列出的最高撕裂强度来自参考资料。其中表示出来的抗张指数测自硬木浆在游离度300ml．CSF(40．3°SR)时，软木浆在游离度500ml．CSF(25．3°SR)时的数据。在这些资料中最高撕裂值似乎不接近最高抗张值的。在表3-9中可以看出机械木浆的强度大大低于软木浆和硬木浆，但它能提供成品的好的不透明度和松厚度。
表3-7 普通美国木浆纤维形态
表3-8 典型软木浆、硬木浆抄纸的物理性能
注：硬木浆在300ml．CSF(加拿大游离度)时，软木浆在500ml．CSF时的强度。
表3-9 软木热磨浆(TMP)的性质和精浆机能耗
2．机械木浆
硫酸盐浆的工艺，很大程度上是适用于各种材种的，然而它们的各自纤维却对纸张质量的变化和运用是有很大程度的支配和控制作用的。云杉、西方铁杉、南方松和陶格拉斯冷杉的机械木浆的典型质量参数，示如表3-9，这4种不同木种的机械木浆中，以薄壁细胞的云杉浆显出最高强度，同时一般来说，云杉也是被选为高得率浆的优选树种。陶格拉斯冷杉浆的低白度和低强度很少被采用为生产机械浆。在商业生产中，树种的密度，与各种不同树种高得率浆的质量最为协同，但木材的密度不能直接控制机械木浆的质量。若干种木种纤维的外观与木种和密度能很好地适应，那么也可以作为一种控制因素。近年来，Karnis氏着重以纤维的粗度(Coarseness)去探明机械木浆的强度发展和所需能耗，纤维粗度以μg／m为测量单位，是计量纤维单位长度内纤维壁质量(Mass)的，它相当于合成纤维的“”(Denier)，合成纤维单位长度内的固相而且名义上圆的横断面的“质量”是很有用的衡量，纤维的直径、柔曲性与表面积是相互关联的。木纤维的单位长度内的“质量”并非简单为一种有用的衡量，这可以用夸张的例子加以说明，一根25μm直径和4μm壁厚的木纤维，其粗度相当于直径为45μm、壁厚为2μm木纤维的粗度，但是这两者的功能特性完全不同，其中直径较大的那种纤维，有两倍的表面积而且更柔软，同时在干燥过程中纤维将倒塌(Collapse)。因为机械木浆的纸强度的有意义贡献来自纤维的表面积，这是与树种纤维外观功能以及与“质量”相关的纤维表面的测量紧密相关的。
3．涂料印刷纸原纸的选料和表面强度
1)选料
涂料印刷纸的关键性能要具有高的撕裂度，平滑度，低多孔性，高的纸面强度和高的不透明度。故在某些低定量涂布纸(LWC)原纸中含有磨木浆或热磨机械浆(TMP)，其松厚度及撕裂度是靠加入硫酸盐软木浆而达到的，它的不透明度来自机械木浆和涂布层。另外硬木浆的加入对填补原纸表面孔隙和调整原纸均匀度起至关重要的作用，要得到高光泽和均匀密度的涂布纸，其最终的表面必须极平滑和均一。按涂布层在原纸上的厚度大约是5μm，约为云杉纤维壁厚的2倍，又为火炬松纤维壁厚的一半，在涂布过程中用涂布浆液填满了原纸粗糙的表面，但在干燥过程中的收缩又重新出现原纸面上缩小比例的高低“地势”，从而引起涂布纸表面对油墨有不同的吸收率，而且降低了纸的强度和不透明度，因在印刷中一旦纸面被潮润，原纸纤维层又恢复到它们原来预压光(Pre-calendered)前的状态，纸张在胶版印刷时会使纸张原在压光机时取得的平滑度有所降低。
要想得到表面平滑而低气孔率的原纸，造纸工作者倾向于使用低粗度(Coarseness)而且是薄壁的纤维，这些纤维在干燥时是可塑的(易被压塌的)，而且还要有足够含量的硬木浆或机械木浆去填补原纸表面的孔隙。在干燥时被压塌的针叶木纤维去适应其它纤维成为原纸平面，这样就增加了原纸的密度，降低了孔隙率。保证纸表面平滑的关键是将面层缺陷限制在纤维壁厚双倍的范围之内。厚壁纤维具有反倒塌的倾向，它难以去适应纸中的其它纤维成为均整的平面，这种对纸张结构的平面开启增加了纸的孔隙率，因此这种原纸构成将使很大的一部分涂布料去填补纸张结构的孔隙，并且降低涂料的遮盖率。涂布的最终产品将是较粗糙的而且有的纤维突出于涂布纸面之上的产品。
2)表面强度
涂布纸在热定型的胶版印刷中是经受一种考验。始于低孔隙率的原纸，涂布后降低了纸的孔隙率等，在胶版印刷过程中，水被用做去保护无像的印刷空白部分，如此纸就从印刷辊中汲取水分，等到印刷之后，纸在烘箱内迅速烘干使油墨固着，水在纸内转化成蒸汽，蒸汽要从低孔隙纸层及涂布层中扩散及逸出，结果纸内部的这股力量有使纸页分层的倾向。
低定量涂布纸内含机械木浆，这种蒸汽产生使纤维从先前倒塌成平面纤维腔中竖升而起，在涂布的平张纸中，弱的连结力形成的连结面，常介于原纸层与涂布层间，往往导致涂层“起泡”。改进原纸与涂布纸的表面强度可以降低纸张纤维竖起及印刷热定型中涂层起泡的局面，纸张好的面层强度是由纤维之间的高键力相助而成。这种加强表面，可以用机械的提高纤维表面帚化分丝的办法，或配比浆中用对“质量”而言有大的表面积薄壁纤维浆来解决的。反之对控制纤维“质量”而言，属低表面积的厚壁晚木(latewood)机械木浆如含在原纸中，在研究纸表面时，可以观察到迅速被拉起。当分析孔隙及平滑度较好的原纸时，看到它的配比木浆的树种往往是薄纤维壁的如云杉与正宗的冷杉之类的。制造低定量涂布印刷纸更喜欢用低密度的原木，初生的云杉和正宗的冷杉，超过70%的涂布纸在美国东北及北方中部的诸州生产，利用的是白云杉、黑云杉以及香脂冷杉(Abies balsamea)；在南方州的生产者得以用少龄木(树梢和细秆)改进原木来源，并精浆至低游离度；有家南方的LWC厂，起用三角叶杨木(Cotton wood)与松木一起磨成浆抄造原纸，不幸的是这些办法都是牺牲运转涂布机所需的撕裂强度的。在抄造平张涂布纸时可能采取的改进是用低粗度像三角叶杨木一类的少龄原木源代替如橡木、胶皮糖香树(Sweet gum)的高粗度硬木。
4．漂白纸板和纸页的挺度、压缩性
1)漂白纸板
常被用做折叠薄纸板(Folding Carton)与应用于液体包装，纸板常配有大量的硬木浆，其含量随着纸板等级与用途而变。纸板扮着装盛储藏材料的角色，常常需要涂布来改善其印刷性，对折叠纸板(卡纸)的印刷性能要求是与低定量涂布纸和涂布平滑度要求不高的张纸要求是类似的。胶版印刷中由于纸板、卡纸的不均匀涂布而起的“鼓泡”或“印刷花斑”往往是这类涂布纸用户的主诉，木浆纤维导管的表面掉毛又往往是涂布纸板的胶版印刷用户的主诉。一般而言，高定量及厚涂布的纸板，往往要求纸板有些柔韧性，但又为了使纸张具有松厚性而持有挺度，无论在打浆、湿压及压光方面，比起欲获得纸板平滑性能上要做略逊一筹的处理。硬木浆能改善均匀度和平滑度，以此使制造厂在得到适合的印刷表面性上，可以减轻些压光机压力。表3-10为松木与桉树纤维形态，表3-11是木种性质对纸板功能决定性的影响。
表3-10 松木与桉树纤维形态
表3-11 木种性质对纸板功能决定性的影响
2)挺度
包装原纸另一主要的性质需要就是挺度，原纸板需要高挺度的目的是保护产品例如卡纸要求的是堆积压叠强度。
同质漂白纸板的弯曲挺度S，能从杨氏弹性模数E与纸板厚度C估计出来，即S=KEC3。
八种木种的典型结构成纸的性质如表3-11。比较云杉的弹性模数，比南方松增加了5%，而纸厚度(松厚度)却降低24%，因为挺度随着厚度立方而变。南方松纤维较粗，所以，给予纸板较好的挺度是正常的，南方硬木同样给予纸张松厚度。美国的漂白纸板(涂布和不涂布的)90%是南方制造的，有效地使用着南方松和硬木。
单一浆料的漂白纸板处在要求挺度与印刷性之间的折衷，但纸机常用几个成形区是能立刻改善上述性质的。在多层纸板中较外层配以高模数纤维，同时较内层使用松厚的配比，这样比有效地利用单成形区生产的纸板挺度要高出50%。在这种情况下，需要以外层的密度改善纸板的弹性模数和印刷性。又因纸板的较外层用云杉和冷杉易于打浆成高模数纸层，同时机械浆和回收纸纸浆用于松厚度较高的内层是一种好的选择。
3)压缩性
在实用中如涂布牛皮原纸板大部分要求它具有压缩强度。举例可以用南方松为纤维配比，改善湿压和提高打浆叩解度来提高压缩强度，用薄壁细胞的北方针叶木，当然也可以改善本性能，但制造成本要高。图3-11A、B是典型纸机条件下的木种原料、纤维壁厚，纸紧度和纸压缩性之间的关系图。
图3-11A 纤维壁厚对压缩强度的影响
注：上顶线为5°帚化角度，下底为25°帚化角度。
图3-11B 纸张紧度与纸压缩强度的关系
注：纸的常规紧度范围在0．5与0．7g／cm3之间。
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