呂曉慧　陽　路　劉文波

(東北林業(yè)大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱，150040)

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·孔隙結構·

紙張的孔隙及其結構性能

呂曉慧陽路劉文波*

(東北林業(yè)大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱，150040)

摘要：闡述了紙張孔隙的形成及存在形式,總結了影響紙張孔隙結構的相關因素,指出了孔隙賦予紙張的結構性能與可加工性。為有孔隙結構要求的紙張生產和工藝設計及以紙張作為孔隙性結構材料的開發(fā)和應用提供參考。

關鍵詞：紙張；孔隙；材料；功能

紙張是由纖維相互交織形成的層狀、多孔性的薄型材料。由于具有一定的強度、韌性、吸收性能及適當?shù)暮穸鹊忍匦?且其原料是可再生植物纖維,因此紙張廉價、易得,是可持續(xù)發(fā)展的材料。紙張廣泛用于生活消耗品和包裝、書寫、印刷等材料,但就其一些結構特性方面來講,紙張還具有某些特殊的功能和作用,如紙張具有天然、可控的孔隙結構,其結構性能包括吸收性能、過濾性能、透氣性能、模板(可填充)性能等,紙張作為功能材料也正在不斷的被開發(fā)和應用。

抄造紙張的纖維種類很多,多數(shù)纖維長度范圍為0.8～5.0 mm、寬度為8～55 μm,長寬比為30～200,粗度為6～20 mg/100 m[1],紙張由分散并懸浮在水中的纖維在逐步脫水的過程中沉積交織形成,一般紙張的厚度在數(shù)十微米到數(shù)百微米之間,纖維層疊大致5～20層,以一張A4(21.0 cm×29.7 cm)定量60 g/m2的濾紙為例,原料按硫酸鹽針葉木漿和硫酸鹽闊葉木漿各50%計,采取游離狀打漿方式,打漿度24°SR,取纖維平均長度1.5 mm、纖維平均粗度12 mg/100 m,則一張A4紙張的纖維數(shù)量是2079萬根,假設2000萬根左右的纖維分布成15層,而纖維又是均勻分散在A4尺寸范圍內,可以想象和觀察出纖維間的交織情況,也可以觀察出纖維交織形成的孔隙及其形態(tài)和分布。紙張表面和橫截面的電子顯微鏡圖分別如圖1和圖2所示。

一般紙張的緊度大約為0.15～1.2 g/cm3,比纖維素(1.5 g/cm3)的密度低很多,由此可知,紙張中30%～90%都是孔隙,且紙張中的孔隙形態(tài)不盡相同,有真正的孔隙、凹陷和空腔3種形式,其中真正細孔所占的比例微乎其微[2]。表征紙張孔隙時可以采用紙張的孔隙率、松厚度(或緊度)、透氣度和孔徑(包括最大孔徑和平均孔徑)等指標。

以上描述可以看出孔隙結構是紙張的一種顯著特性,它賦予紙張一些透氣、過濾、吸收、松厚等特殊性能,使其具有不同的應用,也明顯影響紙張脆性、耐折、伸縮等性能,而紙張的孔隙又可以在一定范圍內設計和調節(jié)。本文主要從紙張孔隙形成過程和影響因素及其孔隙的結構性能兩方面加以論述,以便對紙張作為孔隙性結構材料的開發(fā)和應用提供借鑒。

圖1　紙張表面電子顯微鏡圖

圖2　紙張橫截面電子顯微鏡圖

1影響紙張孔隙形成的因素

紙張是由纖維以及一些添加物在紙機上通過濕法抄造形成的網狀物,由于抄造過程中纖維與纖維之間的交織和層疊,使抄造形成的紙張具有無數(shù)的孔隙,盡管在紙張抄造前,纖維要經過打漿,同時還要進行處理(施膠、加填、調色、染色、添加化學助劑、配漿和調濃過程),抄造過程中進行強制脫水、壓榨、干燥及表面施膠,抄造后經過壓光、加工等一系列處理過程,但成紙后的紙張纖維之間依然存在大量、復雜的孔隙,相當于許許多多的毛細孔(植物纖維本身也具有一定的微孔結構),從而形成紙張的孔隙結構[3]。因此影響紙張孔隙結構的因素包括原料要素、工藝要素、過程要素等。

1.1原料要素

纖維種類、形態(tài)是影響孔隙結構的主要要素之一。植物纖維是構成紙張的主要原料,隨著纖維種類不同,其自身形態(tài)也不一樣,最終紙張孔隙結構也有所不同。目前用于抄造紙張的原料多以植物纖維為主,包括棉漿、木漿、草漿等,隨著對紙張性能要求的提高,一些特種紙還需加入非植物纖維,以滿足其加工及使用性能要求。棉漿纖維長度及粗度較大,細胞壁較厚,柔韌性較差,成紙時纖維之間并列排布的幾率減少,纖維之間的結合更加疏松,紙張孔隙率大。化學木漿的長度介于棉漿和草漿之間,針葉漿纖維粗而長,紙張抄造過程中,纖維之間易相互搭橋,使紙張孔隙結構相對較大；而闊葉木漿細而短,抄造一定量的紙,纖維根數(shù)多,相互交叉點多,紙張孔隙結構較小[4-5]。草類纖維短小,纖維之間交織緊密,同時在紙張Z向層與層之間的孔隙可以適當相互填充,導致紙張緊度較大,孔隙率低。合成纖維本身挺直、表面光滑、密度小、富于彈性,表面沒有活性基團,抄紙過程中纖維之間不形成結合力,使紙張緊度降低,孔隙率提高[6]。一般植物纖維呈扁平狀,纖維之間接觸面積大,其抄造紙張結構緊密,而經過改性和堿處理的絲光化纖維,由于在堿性環(huán)境中被充分潤脹,纖維變的光滑、圓潤、扭曲,其抄造紙張結構相對疏松[7]。因此,原料的選擇及其處理工藝是調控紙張孔隙性能的第一步。

1.2工藝要素

影響紙張結構性能的工藝要素主要有打漿工藝、紙料上網濃度以及纖維外的添加情況。打漿是改善漿料性能的最重要措施之一,通過打漿可以提高紙張的諸多性能,但也會對紙張的孔隙結構產生很大影響。

打漿是利用機械作用處理懸浮于水中的紙漿纖維,使其具有在紙機上適應生產所要求的特性,并使所生產的紙張達到預期質量的操作過程。在打漿的過程中,纖維發(fā)生不同程度的吸水潤脹、細纖維化,使其表面暴露出更多的羥基,在紙張的成形過程中,有利于氫鍵的結合,以此提高纖維之間的結合力,使紙張結構更緊密[2,8]；打漿本身是一個復雜而細致的過程,隨著打漿方式、打漿工藝和操作過程的不同,抄造的紙張性能不一樣,因此紙張的孔隙結構也會隨之有所差異。根據(jù)纖維在打漿中受到不同程度的切斷、潤脹及細纖維化作用情況,打漿方式分為黏狀打漿、半黏狀半游離狀打漿和游離狀打漿。經黏狀打漿處理后,纖維潤脹和細纖維化增加,纖維的比表面積增大,游離出更多的羥基,促進纖維間的氫鍵結合,使纖維間的結合力增大,紙張緊度和強度性能增大,紙張纖維的孔隙變小、結構微細。而游離狀打漿是以降低纖維長度為主的一種打漿方式,在打漿過程中,長纖維被較大的打漿比壓瞬間切短,纖維被潤脹和細纖維化的程度很低,因此,纖維之間結合的不夠緊密,紙張結構疏松、孔徑較大,孔隙率高。半黏狀半游離狀打漿一方面使?jié){料具有一定的細纖維化,以提高纖維之間結合力；另一方面又要控制纖維的分絲和帚化,以保證紙張的松厚度(透氣性和孔隙結構)和勻度,并使之具有一定的吸收性能[9]。所以,在打漿過程中,為了打出滿足紙張性能的紙漿,可以通過控制打漿比壓、打漿時間、漿料濃度、刀的特性、打漿溫度、漿料pH值及添加物等條件進行適當調控,有些特殊紙種對漿料只是疏解即可。

紙料的上網濃度是保證纖維良好分散的必要條件,直接影響紙料的絮聚程度和紙張勻度,對紙料在網部脫水也有不同程度的影響,適當降低紙料上網濃度,有利于紙漿纖維的分散,紙料的濾水性能和紙張勻度都能得到一定程度改善,因此紙張的孔隙更加均勻及便于調控[10]。

纖維外的添加主要包括施膠和加填。施膠是用某些疏水性物質,使其附著在纖維(或紙張)的表面,從而減少紙張的毛細管作用和紙張對水的親和力,防止水在紙張上滲透和擴散的工藝過程。對于紙張的孔隙結構而言,無論是漿內施膠還是表面施膠,施膠劑會阻礙纖維之間的交織與結合,或者填充纖維之間的孔隙或覆蓋纖維(或紙張)的表面,因此,施膠使紙張的孔隙結構和透氣性能大大降低。加填是為了提高紙料的助留助濾效果或改善紙張的某些特性,在紙料的纖維懸浮液中加入不溶于水的礦物質。經過加填的紙張,由于填料分散于纖維之間,減少了纖維之間的氫鍵結合,并填充了紙張的孔隙,使紙張孔隙結構和孔隙率大大降低。在紙張生產過程中,對孔隙結構有特殊要求的紙張很少加填,如濾紙。

1.3過程要素

紙料上網后經過脫水、壓榨、干燥、壓光等過程才能完成紙張的抄造,有些紙張還要進行后續(xù)加工(如浸漬等),這些過程對紙張的結構都有制約和影響,可通過合理控制來滿足紙張的孔隙結構要求。

紙料在網部的成形脫水是漿料進入造紙濕部的第一個環(huán)節(jié),紙料在脫水過程中逐步形成濕紙幅。網部脫水過程包括成形脫水和高壓差脫水,成形脫水強度要緩慢一些,保證紙料在分散均勻的狀態(tài)下脫水、沉積、交織成形；而高壓脫水則是通過高真空強制脫水,使紙張的緊度、濕強度迅速增加,以降低抄紙成本和保證后續(xù)工序順利完成[2]。在紙幅脫水過程中,如果一開始脫水壓力過大,纖維從流漿箱噴出后在網上迅速成形,使細小纖維流失嚴重,同時在紙張Z向上纖維易豎起,使紙張結構疏松,并造成嚴重的兩面差。因此,為保證紙張的勻度及適當?shù)目紫督Y構,在紙幅在脫水過程中,脫水壓力應是逐漸增加的。

隨后,濕紙幅進入壓榨部,紙幅通過機械壓力盡可能多地脫除水分,實現(xiàn)其自身結構的“固化”,進一步提高物理強度、改變其結構性能[2]。通過壓輥的壓榨,增加紙張纖維間的接觸,促進纖維間更多氫鍵的結合,同時增加纖維間的結合面積,從而提高紙張中纖維的結合緊度,大大降低了紙張孔徑和孔隙率,對孔隙結構有特殊要求的紙張,控制其壓榨工藝是非常重要的環(huán)節(jié)。

濕紙幅經壓榨脫水后,一般紙幅干度只有40%左右,尚未達到纖維間氫鍵的充分結合獲得穩(wěn)定的結構和最終強度,要實現(xiàn)這一目標,并使紙張干度達到92%～95%,需借助干燥過程來完成。干燥部的主要任務是用烘缸加熱濕紙幅,使水分汽化以除去濕紙幅壓榨后剩余的水分,這一過程不僅影響紙幅的機械強度,還影響紙幅的緊度、吸收性、透氣度、平滑度和施膠度等指標。干燥主要操控干燥曲線、模式及毛布張力以及干毯松緊程度?？焖偕郎氐母邷貜娀稍?能夠使紙張結構疏松,增加紙張的松軟性、氣孔率、吸收性和透氣度,但同時降低了紙張的緊度和機械強度；而緩慢升溫的低溫干燥,結果恰恰相反。經真空干燥的紙張,其結構疏松,緊度小,機械強度比較低[2]。生產結構疏松、孔隙發(fā)達的紙種應采取微小的毛布張力和干毯的松弛狀態(tài)。生產上可以根據(jù)紙張的結構要求，合理控制干燥工藝或配合前后工序的生產過程。

紙張的壓光是提高紙張平滑度、光澤度、厚度均勻性及緊度的必要一步,因此,紙張經過壓榨、干燥、壓光,使紙張的孔隙率降低是毋庸置疑的。

一些特種紙,還需要適當?shù)暮蠹庸ぬ幚韥碣x予其特殊性能,如發(fā)動機濾紙、防銹紙等都要通過樹脂或防銹劑的浸漬才能使其具有良好的使用性能。在這一過程中,樹脂或防銹劑等浸漬液進入紙張孔隙中或包覆在纖維表面,會使紙張的孔隙結構產生明顯變化[11],根據(jù)浸漬液的性質和浸漬量不同,紙張結構性能(孔徑和透氣度)變化程度也有所不同,濾紙浸漬后其孔徑降低8%～16%、透氣度損失6.5%～21%[12-13],類似這種情況,必須根據(jù)紙張的使用要求、考慮加工過程中孔隙結構的損失或變化來設計或控制原紙的生產。

2紙張孔隙結構性能

由于紙張表面和內部分布著大大小小的凹陷和孔隙,紙張作為多孔性材料的應用逐漸得到重視,衡量紙張孔隙結構的主要技術指標有孔隙率、平均孔徑、最大孔徑和孔徑分布,它們從不同角度表征紙張孔隙結構[14]。同時,紙張的孔隙結構也賦予紙張在不同領域發(fā)揮的特殊作用,如在卷煙紙、濾紙、吸墨紙等紙種的生產和應用中,都體現(xiàn)了紙張孔隙結構的作用(如松厚性、透氣性能、吸收性能、過濾性能、模板性能等),也因此紙張可作為一些功能性材料和加工材料。

2.1功能性材料

2.1.1過濾材料

隨著紙張應用范圍的推廣,由于紙張纖維原料來源豐富、廉價、可再生、易處理、可循環(huán)利用等特點,紙張作為過濾材料或作為過濾材料的載體正在被重視。紙張之所以能作為過濾材料,是因為紙張具有的孔隙結構以及纖維交織成形后,使紙張具有一定緊度和厚度,不僅將氣體、液體中懸浮的粒子阻留下來,還可以賦予油水分離等特殊性能,達到過濾與分離的目的[15]。目前以紙張作為基材的過濾材料主要包括化學分析濾紙、汽車所用3種濾紙(空氣濾紙、機油濾紙、燃油濾紙)、活性炭濾紙、食用油濾紙、啤酒濾紙、耐高溫過濾紙、黏稠液體過濾紙、吸塵袋紙、口罩紙等,同時在空調、咖啡、茶葉等方面也有廣泛應用。

對于工業(yè)濾紙而言,除一般工業(yè)用紙要求的強度等物理指標外,還特別強調透氣度、最大孔徑、平均孔徑、過濾效率、過濾精度等指標,其中透氣度和孔徑的大小直接影響濾紙的過濾效率、過濾精度及容塵能力,但是濾紙的過濾效率與過濾精度又是兩個矛盾體,因此常常通過調整紙張的孔徑及透氣度、得到效率高、精度高的濾紙。根據(jù)標準QC/T 794—2007可知,J350型機油濾紙的技術指標是定量(155.0±7.0)g/m2,最大孔徑≤105 μm,平均孔徑≤85 μm,透氣度≥350 L/(m2·s),在生產中,常常通過原料要素、工藝要素、過程要素3個環(huán)節(jié)對濾紙原紙的性能參數(shù)加以控制。最初的濾紙抄造主要以棉短絨漿為原料,同時添加一定量的木漿或草漿以得到較均勻的孔隙及良好的成形,現(xiàn)在一些機油濾紙也以絲光化木漿為主,以降低成本、提高強度[16]；同時經過高游離狀打漿,將打漿度控制在10～18°SR,纖維濕重在6～20 g范圍比較適宜,即打成長纖維游離狀漿[11]；其次原紙不施膠,不加填,同時為保證良好的成形,可適當加入分散劑(如聚氧化乙烯等)；在壓榨部不壓榨,即兩個壓榨輥分開,壓榨輥只起到傳遞紙幅的作用,在干燥部需保證毛布張力盡可能小,同時毛布與烘缸接觸松弛。另外一些特殊濾紙還需加入一定比例的合成纖維或玻璃纖維,使之兼具高透氣度和較小的孔徑,如吸塵袋濾紙、機械濾油紙。除此之外,紙張作為過濾材料還可以通過不同孔隙結構,形成梯度過濾,通過對濾紙的疏水化處理既可以完成截留過濾的任務,也可以實現(xiàn)油水分離的作用[17-18]。

2.1.2吸收材料

纖維作為紙張的主要原料,由于其本身具有吸水性及交織后形成的孔隙結構(毛細管作用),奠定了紙張作為吸收材料的理論基礎。根據(jù)紙張用途不同,一些紙張要求具有良好的吸收性能(如吸墨紙、宣紙、浸漬類原紙、電池隔膜紙等)及孔隙結構。由于紙張的吸收過程是液體在纖維間和纖維內共同滲透的結果,同時纖維間的滲透速度服從毛細物理定律,與孔徑的大小密切相關,所以紙張吸收性能的強弱與其孔隙結構的大小及分布有密切關系[19]。

宣紙的特殊原料和工藝使其具有質地純白細密,紋理清晰,綿軟堅韌,吸水潤墨等性能,其中吸水潤墨又是宣紙的關鍵性能,根據(jù)GB18739—2002可知,宣紙緊度為(0.35±0.04)g/cm3,吸水性為縱橫平均12～20 mm,縱橫差≤3.0 mm,由此也表明宣紙是具有孔隙(松厚)結構較疏松、纖維分散均勻的傳承國寶材料。

宣紙的原料以青檀皮為主,配入一定量的沙田稻草漿。青檀韌皮纖維細長、圓渾均勻、胞壁細薄、胞腔較大,有利于纖維交織,形成勻整柔軟、墨潤分明的藝術效果。而沙田稻草纖維比較易分散并易形成微小的云彩花狀,使紙面具有利于著墨和潤墨的孔隙結構[20]。

2.1.3卷煙材料

卷煙紙作為一個特殊紙種,是煙草行業(yè)必需的基本原料之一,隨著降焦減害技術的發(fā)展,煙草業(yè)對卷煙紙性能的要求也越來越高。目前一般通過測定卷煙紙透氣度的高低來表征紙張的孔隙結構,以此說明卷煙紙的透氣性能,進一步劃分卷煙紙的等級。一般卷煙紙的定量為25～40 g/m2,紙張厚度小,透氣性高,為保證強度和燃燒性能,應該進行較大程度的打漿和加填。透氣度在30～110 CU之間。卷煙紙孔隙越大,透氣度越高,抽吸時通過卷煙紙吸收的空氣量也就越多,通過燃燒端吸入的空氣量就越少,燒掉的煙草就越少,因此吸入的焦油含量越少[21]。因此,在生產中,常常通過選擇纖維原料、填料、造紙助劑,控制打漿度、纖維配比等將卷煙紙的透氣度控制在一定范圍內。國內用的纖維原料主要有針葉木漿、闊葉木漿、麻漿和龍須草漿,對于闊葉木漿應優(yōu)先選擇桉木漿；針葉木漿的打漿度控制在70～85°SR,闊葉木漿打漿度控制在46～65°SR；對于中高透氣度的卷煙紙,闊葉木漿的用量為60%～85%；填料主要是沉淀碳酸鈣,用量為30%～60%(對纖維原料),助劑有改性淀粉(1%～1.5%)、瓜爾膠(0.3%～0.85%)、助燃劑檸檬酸鈉、蘋果酸鈉(1.0%～1.5%)等[22]；另外卷煙紙應采用低濃上網,以保證較好的勻度及成形。

圖3　紙張表面形態(tài)

圖4　生物碳模板表面形態(tài)

圖5　SiC陶瓷表面形態(tài)

2.2加工材料

2.2.1模板材料

模板材料是指利用材料的立體結構作為空間載體,按照一定的要求制作,使目標樣品按規(guī)定的位置、幾何尺寸成形,以保持其標準的形狀和正確的位置。由于紙張具有材料來源廣泛、天然結構優(yōu)良、成本低、對環(huán)境友好等優(yōu)點,紙張作為模板材料逐漸得到重視,充分利用紙張的孔隙結構,以紙作為模板材料,是目前制備多孔陶瓷和新型納米材料的新方向。

以紙作為模板材料,制備多孔性的陶瓷有SiC、Si3N4、TiC、TiO2、AlN/C復合材料等,其制備過程主要包括：紙纖維的碳化,化學氣相沉積,熱處理條件下的氣-固/固-固反應。Daniela Almeida Streitwieser選擇的模板材料多為厚度0.8 mm、緊度0.22 g/cm3、孔隙率82%、平均孔徑25 μm的植物纖維紙[23-24],如在SiC多孔陶瓷的制備研究中得出,纖維在碳化過程中,在直徑方向均勻地收縮了25%～33%,質量損失達80%,孔隙率由82%增加至90%,緊度由0.22 g/cm3減小至0.125 g/cm3,這種紙張孔隙結構的變化為后續(xù)氣體擴散及沉積物的延伸提供了更廣泛的空間(纖維原紙及生物碳模板形態(tài)分別見圖3和圖4)。隨著化學氣相沉積反應的進行,生物碳模逐漸被沉積物包覆,重量急劇增加,如沉積5 h后,沉積物厚度增加,將生物碳模板之間的部分孔隙填充,使纖維粘在一起,并形成涂層纖維的集群,層的厚度達到6 μm,質量增加達到600%(圖5為添加0.05 mol 甲基三氯硅烷在850℃下沉積5 h形成的SiC陶瓷形貌圖),隨著反應條件的不同,得到的陶瓷孔隙率在55%～80%之間不等。并得出,紙張纖維的孔隙越大,同時復合陶瓷的孔隙率大小與碳膜表面沉積物質量的增加成反比[24]。

以定量濾紙為模板,制備的新型材料包括SnO2納米管狀材料、微(納)米Fe2O3及CeO2纖維等,其充分利用濾紙的天然孔隙結構,通過浸漬、燒結過程制得形貌較好的多孔性納米材料。由于紙張本身具有孔隙結構,在納米材料制備過程中,起到了吸附、分散、生長導向和造孔的作用,并且隨著濾紙的孔隙結構越大,得到的納米材料孔隙更多,粒徑也相應越大[25-26]。選擇定量濾紙作為模板材料的原因是,濾紙結構疏松,吸收性強,以及在燒結過程中不產生任何雜質,但是以濾紙為模板制備新型材料還存在強度和韌性不足等問題。

2.2.2紙基芯片材料

紙基芯片技術是近幾年新興發(fā)展的微流控技術,是用紙作為基底代替玻璃、硅、石英、高聚物等薄片材料,通過各種加工技術,在紙上加工出具有一定結構的微細通道及相關分析部件,建立紙上“微型實驗室”,也稱微流控紙分析器件[27]。目前紙基作為芯片的微流控技術已被廣泛應用于不同的領域,如健康監(jiān)測(如尿液、唾液及血液中多種分析物等)、食品安全監(jiān)測(如飲料和食品中的農藥殘留等)、環(huán)境污染監(jiān)測(如重金屬離子等)等。紙張之所以能作為芯片平臺基材,其優(yōu)點是：成本更低；紙本身具有毛細作用,無需施加外力作用即可完成檢測；可以根據(jù)不同應用進行不同規(guī)格的加工和改性；紙可燃,使用后可直接燃燒或可生物降解,對環(huán)境友好；紙柔韌性好,在后續(xù)過程中,可使用不同方法制備紙芯片等,因此紙張是一種可用于分析、檢測的極佳材料。

目前紙芯片的制備方法有光刻法、蠟印法、等離子體處理技術、噴墨打印法、繪圖法等多種方式。紙芯片能否得到最佳的實驗效果以及更廣泛的應用很大程度上取決于芯片所用材料的好壞,大多文獻都報道了選用Whatman No.1濾紙作為紙芯片基材,其指標為厚度0.18 mm,滯留粒徑11 μm,因為這種濾紙具有孔隙均勻,流速適中以及顆粒的保留效果高等優(yōu)點,因此被廣泛應用。同時,應根據(jù)具體應用選用不同結構特性的紙張,如用于全血分析過濾血細胞時,因血細胞易變形,可以非常容易穿過比其半徑小的紙張孔隙,因此,要求選用的紙張孔隙結構更小、更均勻[28]。另外也要考慮多重因素,如足夠的機械承受力；水相中浸泡無顯著變形和解體；合適的親疏水性便于吸附和固定,形成明確的檢測區(qū),又要避免過度散溢等[29]。在紙張生產過程中,以上這些要求均可以通過原料選擇、適當加填、生產過程控制、紙張表面處理等環(huán)節(jié)進行不斷完善。除此之外濾紙性能對紙芯片材料應用的具體影響有待進一步研究。

2.2.3加工紙原紙

紙張經過再加工有的是為了改善或提高原紙性能,更多的是獲得一些特殊的性能和用途。有些加工紙是利用原紙孔隙結構特性進行加工的,如浸漬紙、涂布紙(特別是鑄涂紙),從而獲得所需要的新性能。

涂布紙是在原紙表面上用涂料、樹脂或其他特殊物質按一定量均勻覆蓋后制得的紙；鑄涂紙與涂布紙的不同之處在于需要在涂層未干時,用鑄光面進行鑄光,保持其最佳的松厚性及吸收性。而浸漬紙是用某些溶液浸漬原紙,利用原紙的孔隙結構,使纖維吸收浸漬液,賦予紙張某種新性能,不論涂布還是浸漬,原紙的孔隙結構都起到至關重要的作用。浸漬紙和涂布紙在生產過程中,涂料、浸漬液的吸收以及空氣的排除只能通過紙張,因此要求原紙具有一定的吸收性和透氣性,而吸收性和透氣性的大小由原紙的孔隙結構直接決定。例如,涂布原紙的孔隙率約為50%,若原紙纖維孔隙太少,空氣排除困難,則在紙與涂層中積存,形成氣泡,導致紙面上產生麻點；若原紙纖維孔隙太大,涂料中的膠黏劑會迅速且過多的滲入紙內,既降低紙在加工時的強度,又使涂層中的膠黏劑不足而降低強度,從而影響紙張的生產過程及成紙質量[30]。因此在生產中,多選擇20%～50%的長纖維,40%～70%的短纖維或機械漿和10%～15%填料,其中長纖維棉漿應以切斷為主,打漿濃度較低,下刀較重,而針葉木漿應適當?shù)募毨w維化,打漿度30～45°SR,濕重7～9 g,闊葉木漿保持纖維長度,打漿度30～40°SR,濕重2 g左右；其次漿內施膠也是調節(jié)吸收性的重要步驟,目前多選擇AKD或ASA漿內施膠劑,施膠度控制在0.50～1.00 mm(劃線法)；有時也需要一定程度的表面施膠；最后,原紙的加填、漿內助劑的添加都對涂布紙原紙的吸收性能有一定影響,這需要根據(jù)相關要求進行具體調整。

3結語

紙張作為功能性材料或加工材料,主要是發(fā)揮其優(yōu)良的纖維特性或結構特性,紙張的孔隙結構是紙張結構性能的重要方面,具有極其難得的應用性能。充分掌握紙張的孔隙結構的形成過程和主要影響要素,可為有孔隙結構要求的紙張生產進行工藝設計和過程控制。通過了解紙張孔隙結構性能,對其作為功能材料和加工材料的使用提供理論和技術支持,也為利用紙張孔隙特性開發(fā)新型功能性材料提供參考。

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(責任編輯：董鳳霞)

Pore in Paper and Its Structural Functions

LV Xiao-huiYANG LuLIU Wen-bo*

(MaterialsScienceandEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin,HeilongjiangProvince, 150040) (*E-mail： hljlwbo@163.com)

Abstract：The formation and existing form of pore in paper were discussed. Moreover, the key factors affecting the structure of the pore in paper were elaborated, simultaneously it was pointed out that the pore endowed the structural function and processability of the paper. The objective of this paper was to lay the foundation for production and process design of porous paper. More importantly, it could provide preliminary guidance and ideas for development and application of paper as porous materials．

Key words：paper; pore; material; function

中圖分類號：TS761

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.03.012

*通信作者：劉文波先生，E-mail：hljlwbo@163.com。

基金項目：黑龍江省留學歸國人員科學基金(LC2013C11)。

收稿日期：2015-11-25(修改稿)

作者簡介：呂曉慧女士，在讀碩士研究生，研究方向為加工紙、特種紙及紙張結構性能。