纸张的孔隙及其结构性能

吕晓慧　阳　路　刘文波

(东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨，150040)



·孔隙结构·

纸张的孔隙及其结构性能

吕晓慧阳路刘文波*

(东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨，150040)

摘要：阐述了纸张孔隙的形成及存在形式,总结了影响纸张孔隙结构的相关因素,指出了孔隙赋予纸张的结构性能与可加工性。为有孔隙结构要求的纸张生产和工艺设计及以纸张作为孔隙性结构材料的开发和应用提供参考。

关键词：纸张；孔隙；材料；功能

纸张是由纤维相互交织形成的层状、多孔性的薄型材料。由于具有一定的强度、韧性、吸收性能及适当的厚度等特性,且其原料是可再生植物纤维,因此纸张廉价、易得,是可持续发展的材料。纸张广泛用于生活消耗品和包装、书写、印刷等材料,但就其一些结构特性方面来讲,纸张还具有某些特殊的功能和作用,如纸张具有天然、可控的孔隙结构,其结构性能包括吸收性能、过滤性能、透气性能、模板(可填充)性能等,纸张作为功能材料也正在不断的被开发和应用。

抄造纸张的纤维种类很多,多数纤维长度范围为0.8～5.0 mm、宽度为8～55 μm,长宽比为30～200,粗度为6～20 mg/100 m[1],纸张由分散并悬浮在水中的纤维在逐步脱水的过程中沉积交织形成,一般纸张的厚度在数十微米到数百微米之间,纤维层叠大致5～20层,以一张A4(21.0 cm×29.7 cm)定量60 g/m2的滤纸为例,原料按硫酸盐针叶木浆和硫酸盐阔叶木浆各50%计,采取游离状打浆方式,打浆度24°SR,取纤维平均长度1.5 mm、纤维平均粗度12 mg/100 m,则一张A4纸张的纤维数量是2079万根,假设2000万根左右的纤维分布成15层,而纤维又是均匀分散在A4尺寸范围内,可以想象和观察出纤维间的交织情况,也可以观察出纤维交织形成的孔隙及其形态和分布。纸张表面和横截面的电子显微镜图分别如图1和图2所示。

一般纸张的紧度大约为0.15～1.2 g/cm3,比纤维素(1.5 g/cm3)的密度低很多,由此可知,纸张中30%～90%都是孔隙,且纸张中的孔隙形态不尽相同,有真正的孔隙、凹陷和空腔3种形式,其中真正细孔所占的比例微乎其微[2]。表征纸张孔隙时可以采用纸张的孔隙率、松厚度(或紧度)、透气度和孔径(包括最大孔径和平均孔径)等指标。

以上描述可以看出孔隙结构是纸张的一种显著特性,它赋予纸张一些透气、过滤、吸收、松厚等特殊性能,使其具有不同的应用,也明显影响纸张脆性、耐折、伸缩等性能,而纸张的孔隙又可以在一定范围内设计和调节。本文主要从纸张孔隙形成过程和影响因素及其孔隙的结构性能两方面加以论述,以便对纸张作为孔隙性结构材料的开发和应用提供借鉴。

图1　纸张表面电子显微镜图

图2　纸张横截面电子显微镜图

1影响纸张孔隙形成的因素

纸张是由纤维以及一些添加物在纸机上通过湿法抄造形成的网状物,由于抄造过程中纤维与纤维之间的交织和层叠,使抄造形成的纸张具有无数的孔隙,尽管在纸张抄造前,纤维要经过打浆,同时还要进行处理(施胶、加填、调色、染色、添加化学助剂、配浆和调浓过程),抄造过程中进行强制脱水、压榨、干燥及表面施胶,抄造后经过压光、加工等一系列处理过程,但成纸后的纸张纤维之间依然存在大量、复杂的孔隙,相当于许许多多的毛细孔(植物纤维本身也具有一定的微孔结构),从而形成纸张的孔隙结构[3]。因此影响纸张孔隙结构的因素包括原料要素、工艺要素、过程要素等。

1.1原料要素

纤维种类、形态是影响孔隙结构的主要要素之一。植物纤维是构成纸张的主要原料,随着纤维种类不同,其自身形态也不一样,最终纸张孔隙结构也有所不同。目前用于抄造纸张的原料多以植物纤维为主,包括棉浆、木浆、草浆等,随着对纸张性能要求的提高,一些特种纸还需加入非植物纤维,以满足其加工及使用性能要求。棉浆纤维长度及粗度较大,细胞壁较厚,柔韧性较差,成纸时纤维之间并列排布的几率减少,纤维之间的结合更加疏松,纸张孔隙率大。化学木浆的长度介于棉浆和草浆之间,针叶浆纤维粗而长,纸张抄造过程中,纤维之间易相互搭桥,使纸张孔隙结构相对较大；而阔叶木浆细而短,抄造一定量的纸,纤维根数多,相互交叉点多,纸张孔隙结构较小[4-5]。草类纤维短小,纤维之间交织紧密,同时在纸张Z向层与层之间的孔隙可以适当相互填充,导致纸张紧度较大,孔隙率低。合成纤维本身挺直、表面光滑、密度小、富于弹性,表面没有活性基团,抄纸过程中纤维之间不形成结合力,使纸张紧度降低,孔隙率提高[6]。一般植物纤维呈扁平状,纤维之间接触面积大,其抄造纸张结构紧密,而经过改性和碱处理的丝光化纤维,由于在碱性环境中被充分润胀,纤维变的光滑、圆润、扭曲,其抄造纸张结构相对疏松[7]。因此,原料的选择及其处理工艺是调控纸张孔隙性能的第一步。

1.2工艺要素

影响纸张结构性能的工艺要素主要有打浆工艺、纸料上网浓度以及纤维外的添加情况。打浆是改善浆料性能的最重要措施之一,通过打浆可以提高纸张的诸多性能,但也会对纸张的孔隙结构产生很大影响。

打浆是利用机械作用处理悬浮于水中的纸浆纤维,使其具有在纸机上适应生产所要求的特性,并使所生产的纸张达到预期质量的操作过程。在打浆的过程中,纤维发生不同程度的吸水润胀、细纤维化,使其表面暴露出更多的羟基,在纸张的成形过程中,有利于氢键的结合,以此提高纤维之间的结合力,使纸张结构更紧密[2,8]；打浆本身是一个复杂而细致的过程,随着打浆方式、打浆工艺和操作过程的不同,抄造的纸张性能不一样,因此纸张的孔隙结构也会随之有所差异。根据纤维在打浆中受到不同程度的切断、润胀及细纤维化作用情况,打浆方式分为黏状打浆、半黏状半游离状打浆和游离状打浆。经黏状打浆处理后,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,使纤维间的结合力增大,纸张紧度和强度性能增大,纸张纤维的孔隙变小、结构微细。而游离状打浆是以降低纤维长度为主的一种打浆方式,在打浆过程中,长纤维被较大的打浆比压瞬间切短,纤维被润胀和细纤维化的程度很低,因此,纤维之间结合的不够紧密,纸张结构疏松、孔径较大,孔隙率高。半黏状半游离状打浆一方面使浆料具有一定的细纤维化,以提高纤维之间结合力；另一方面又要控制纤维的分丝和帚化,以保证纸张的松厚度(透气性和孔隙结构)和匀度,并使之具有一定的吸收性能[9]。所以,在打浆过程中,为了打出满足纸张性能的纸浆,可以通过控制打浆比压、打浆时间、浆料浓度、刀的特性、打浆温度、浆料pH值及添加物等条件进行适当调控,有些特殊纸种对浆料只是疏解即可。

纸料的上网浓度是保证纤维良好分散的必要条件,直接影响纸料的絮聚程度和纸张匀度,对纸料在网部脱水也有不同程度的影响,适当降低纸料上网浓度,有利于纸浆纤维的分散,纸料的滤水性能和纸张匀度都能得到一定程度改善,因此纸张的孔隙更加均匀及便于调控[10]。

纤维外的添加主要包括施胶和加填。施胶是用某些疏水性物质,使其附着在纤维(或纸张)的表面,从而减少纸张的毛细管作用和纸张对水的亲和力,防止水在纸张上渗透和扩散的工艺过程。对于纸张的孔隙结构而言,无论是浆内施胶还是表面施胶,施胶剂会阻碍纤维之间的交织与结合,或者填充纤维之间的孔隙或覆盖纤维(或纸张)的表面,因此,施胶使纸张的孔隙结构和透气性能大大降低。加填是为了提高纸料的助留助滤效果或改善纸张的某些特性,在纸料的纤维悬浮液中加入不溶于水的矿物质。经过加填的纸张,由于填料分散于纤维之间,减少了纤维之间的氢键结合,并填充了纸张的孔隙,使纸张孔隙结构和孔隙率大大降低。在纸张生产过程中,对孔隙结构有特殊要求的纸张很少加填,如滤纸。

1.3过程要素

纸料上网后经过脱水、压榨、干燥、压光等过程才能完成纸张的抄造,有些纸张还要进行后续加工(如浸渍等),这些过程对纸张的结构都有制约和影响,可通过合理控制来满足纸张的孔隙结构要求。

纸料在网部的成形脱水是浆料进入造纸湿部的第一个环节,纸料在脱水过程中逐步形成湿纸幅。网部脱水过程包括成形脱水和高压差脱水,成形脱水强度要缓慢一些,保证纸料在分散均匀的状态下脱水、沉积、交织成形；而高压脱水则是通过高真空强制脱水,使纸张的紧度、湿强度迅速增加,以降低抄纸成本和保证后续工序顺利完成[2]。在纸幅脱水过程中,如果一开始脱水压力过大,纤维从流浆箱喷出后在网上迅速成形,使细小纤维流失严重,同时在纸张Z向上纤维易竖起,使纸张结构疏松,并造成严重的两面差。因此,为保证纸张的匀度及适当的孔隙结构,在纸幅在脱水过程中,脱水压力应是逐渐增加的。

随后,湿纸幅进入压榨部,纸幅通过机械压力尽可能多地脱除水分,实现其自身结构的“固化”,进一步提高物理强度、改变其结构性能[2]。通过压辊的压榨,增加纸张纤维间的接触,促进纤维间更多氢键的结合,同时增加纤维间的结合面积,从而提高纸张中纤维的结合紧度,大大降低了纸张孔径和孔隙率,对孔隙结构有特殊要求的纸张,控制其压榨工艺是非常重要的环节。

湿纸幅经压榨脱水后,一般纸幅干度只有40%左右,尚未达到纤维间氢键的充分结合获得稳定的结构和最终强度,要实现这一目标,并使纸张干度达到92%～95%,需借助干燥过程来完成。干燥部的主要任务是用烘缸加热湿纸幅,使水分汽化以除去湿纸幅压榨后剩余的水分,这一过程不仅影响纸幅的机械强度,还影响纸幅的紧度、吸收性、透气度、平滑度和施胶度等指标。干燥主要操控干燥曲线、模式及毛布张力以及干毯松紧程度。快速升温的高温强化干燥,能够使纸张结构疏松,增加纸张的松软性、气孔率、吸收性和透气度,但同时降低了纸张的紧度和机械强度；而缓慢升温的低温干燥,结果恰恰相反。经真空干燥的纸张,其结构疏松,紧度小,机械强度比较低[2]。生产结构疏松、孔隙发达的纸种应采取微小的毛布张力和干毯的松弛状态。生产上可以根据纸张的结构要求，合理控制干燥工艺或配合前后工序的生产过程。

纸张的压光是提高纸张平滑度、光泽度、厚度均匀性及紧度的必要一步,因此,纸张经过压榨、干燥、压光,使纸张的孔隙率降低是毋庸置疑的。

一些特种纸,还需要适当的后加工处理来赋予其特殊性能,如发动机滤纸、防锈纸等都要通过树脂或防锈剂的浸渍才能使其具有良好的使用性能。在这一过程中,树脂或防锈剂等浸渍液进入纸张孔隙中或包覆在纤维表面,会使纸张的孔隙结构产生明显变化[11],根据浸渍液的性质和浸渍量不同,纸张结构性能(孔径和透气度)变化程度也有所不同,滤纸浸渍后其孔径降低8%～16%、透气度损失6.5%～21%[12-13],类似这种情况,必须根据纸张的使用要求、考虑加工过程中孔隙结构的损失或变化来设计或控制原纸的生产。

2纸张孔隙结构性能

由于纸张表面和内部分布着大大小小的凹陷和孔隙,纸张作为多孔性材料的应用逐渐得到重视,衡量纸张孔隙结构的主要技术指标有孔隙率、平均孔径、最大孔径和孔径分布,它们从不同角度表征纸张孔隙结构[14]。同时,纸张的孔隙结构也赋予纸张在不同领域发挥的特殊作用,如在卷烟纸、滤纸、吸墨纸等纸种的生产和应用中,都体现了纸张孔隙结构的作用(如松厚性、透气性能、吸收性能、过滤性能、模板性能等),也因此纸张可作为一些功能性材料和加工材料。

2.1功能性材料

2.1.1过滤材料

随着纸张应用范围的推广,由于纸张纤维原料来源丰富、廉价、可再生、易处理、可循环利用等特点,纸张作为过滤材料或作为过滤材料的载体正在被重视。纸张之所以能作为过滤材料,是因为纸张具有的孔隙结构以及纤维交织成形后,使纸张具有一定紧度和厚度,不仅将气体、液体中悬浮的粒子阻留下来,还可以赋予油水分离等特殊性能,达到过滤与分离的目的[15]。目前以纸张作为基材的过滤材料主要包括化学分析滤纸、汽车所用3种滤纸(空气滤纸、机油滤纸、燃油滤纸)、活性炭滤纸、食用油滤纸、啤酒滤纸、耐高温过滤纸、黏稠液体过滤纸、吸尘袋纸、口罩纸等,同时在空调、咖啡、茶叶等方面也有广泛应用。

对于工业滤纸而言,除一般工业用纸要求的强度等物理指标外,还特别强调透气度、最大孔径、平均孔径、过滤效率、过滤精度等指标,其中透气度和孔径的大小直接影响滤纸的过滤效率、过滤精度及容尘能力,但是滤纸的过滤效率与过滤精度又是两个矛盾体,因此常常通过调整纸张的孔径及透气度、得到效率高、精度高的滤纸。根据标准QC/T 794—2007可知,J350型机油滤纸的技术指标是定量(155.0±7.0)g/m2,最大孔径≤105 μm,平均孔径≤85 μm,透气度≥350 L/(m2·s),在生产中,常常通过原料要素、工艺要素、过程要素3个环节对滤纸原纸的性能参数加以控制。最初的滤纸抄造主要以棉短绒浆为原料,同时添加一定量的木浆或草浆以得到较均匀的孔隙及良好的成形,现在一些机油滤纸也以丝光化木浆为主,以降低成本、提高强度[16]；同时经过高游离状打浆,将打浆度控制在10～18°SR,纤维湿重在6～20 g范围比较适宜,即打成长纤维游离状浆[11]；其次原纸不施胶,不加填,同时为保证良好的成形,可适当加入分散剂(如聚氧化乙烯等)；在压榨部不压榨,即两个压榨辊分开,压榨辊只起到传递纸幅的作用,在干燥部需保证毛布张力尽可能小,同时毛布与烘缸接触松弛。另外一些特殊滤纸还需加入一定比例的合成纤维或玻璃纤维,使之兼具高透气度和较小的孔径,如吸尘袋滤纸、机械滤油纸。除此之外,纸张作为过滤材料还可以通过不同孔隙结构,形成梯度过滤,通过对滤纸的疏水化处理既可以完成截留过滤的任务,也可以实现油水分离的作用[17-18]。

2.1.2吸收材料

纤维作为纸张的主要原料,由于其本身具有吸水性及交织后形成的孔隙结构(毛细管作用),奠定了纸张作为吸收材料的理论基础。根据纸张用途不同,一些纸张要求具有良好的吸收性能(如吸墨纸、宣纸、浸渍类原纸、电池隔膜纸等)及孔隙结构。由于纸张的吸收过程是液体在纤维间和纤维内共同渗透的结果,同时纤维间的渗透速度服从毛细物理定律,与孔径的大小密切相关,所以纸张吸收性能的强弱与其孔隙结构的大小及分布有密切关系[19]。

宣纸的特殊原料和工艺使其具有质地纯白细密,纹理清晰,绵软坚韧,吸水润墨等性能,其中吸水润墨又是宣纸的关键性能,根据GB18739—2002可知,宣纸紧度为(0.35±0.04)g/cm3,吸水性为纵横平均12～20 mm,纵横差≤3.0 mm,由此也表明宣纸是具有孔隙(松厚)结构较疏松、纤维分散均匀的传承国宝材料。

宣纸的原料以青檀皮为主,配入一定量的沙田稻草浆。青檀韧皮纤维细长、圆浑均匀、胞壁细薄、胞腔较大,有利于纤维交织,形成匀整柔软、墨润分明的艺术效果。而沙田稻草纤维比较易分散并易形成微小的云彩花状,使纸面具有利于着墨和润墨的孔隙结构[20]。

2.1.3卷烟材料

卷烟纸作为一个特殊纸种,是烟草行业必需的基本原料之一,随着降焦减害技术的发展,烟草业对卷烟纸性能的要求也越来越高。目前一般通过测定卷烟纸透气度的高低来表征纸张的孔隙结构,以此说明卷烟纸的透气性能,进一步划分卷烟纸的等级。一般卷烟纸的定量为25～40 g/m2,纸张厚度小,透气性高,为保证强度和燃烧性能,应该进行较大程度的打浆和加填。透气度在30～110 CU之间。卷烟纸孔隙越大,透气度越高,抽吸时通过卷烟纸吸收的空气量也就越多,通过燃烧端吸入的空气量就越少,烧掉的烟草就越少,因此吸入的焦油含量越少[21]。因此,在生产中,常常通过选择纤维原料、填料、造纸助剂,控制打浆度、纤维配比等将卷烟纸的透气度控制在一定范围内。国内用的纤维原料主要有针叶木浆、阔叶木浆、麻浆和龙须草浆,对于阔叶木浆应优先选择桉木浆；针叶木浆的打浆度控制在70～85°SR,阔叶木浆打浆度控制在46～65°SR；对于中高透气度的卷烟纸,阔叶木浆的用量为60%～85%；填料主要是沉淀碳酸钙,用量为30%～60%(对纤维原料),助剂有改性淀粉(1%～1.5%)、瓜尔胶(0.3%～0.85%)、助燃剂柠檬酸钠、苹果酸钠(1.0%～1.5%)等[22]；另外卷烟纸应采用低浓上网,以保证较好的匀度及成形。

图3　纸张表面形态

图4　生物碳模板表面形态

图5　SiC陶瓷表面形态

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体结构作为空间载体,按照一定的要求制作,使目标样品按规定的位置、几何尺寸成形,以保持其标准的形状和正确的位置。由于纸张具有材料来源广泛、天然结构优良、成本低、对环境友好等优点,纸张作为模板材料逐渐得到重视,充分利用纸张的孔隙结构,以纸作为模板材料,是目前制备多孔陶瓷和新型纳米材料的新方向。

以纸作为模板材料,制备多孔性的陶瓷有SiC、Si3N4、TiC、TiO2、AlN/C复合材料等,其制备过程主要包括：纸纤维的碳化,化学气相沉积,热处理条件下的气-固/固-固反应。Daniela Almeida Streitwieser选择的模板材料多为厚度0.8 mm、紧度0.22 g/cm3、孔隙率82%、平均孔径25 μm的植物纤维纸[23-24],如在SiC多孔陶瓷的制备研究中得出,纤维在碳化过程中,在直径方向均匀地收缩了25%～33%,质量损失达80%,孔隙率由82%增加至90%,紧度由0.22 g/cm3减小至0.125 g/cm3,这种纸张孔隙结构的变化为后续气体扩散及沉积物的延伸提供了更广泛的空间(纤维原纸及生物碳模板形态分别见图3和图4)。随着化学气相沉积反应的进行,生物碳模逐渐被沉积物包覆,重量急剧增加,如沉积5 h后,沉积物厚度增加,将生物碳模板之间的部分孔隙填充,使纤维粘在一起,并形成涂层纤维的集群,层的厚度达到6 μm,质量增加达到600%(图5为添加0.05 mol 甲基三氯硅烷在850℃下沉积5 h形成的SiC陶瓷形貌图),随着反应条件的不同,得到的陶瓷孔隙率在55%～80%之间不等。并得出,纸张纤维的孔隙越大,同时复合陶瓷的孔隙率大小与碳膜表面沉积物质量的增加成反比[24]。

以定量滤纸为模板,制备的新型材料包括SnO2纳米管状材料、微(纳)米Fe2O3及CeO2纤维等,其充分利用滤纸的天然孔隙结构,通过浸渍、烧结过程制得形貌较好的多孔性纳米材料。由于纸张本身具有孔隙结构,在纳米材料制备过程中,起到了吸附、分散、生长导向和造孔的作用,并且随着滤纸的孔隙结构越大,得到的纳米材料孔隙更多,粒径也相应越大[25-26]。选择定量滤纸作为模板材料的原因是,滤纸结构疏松,吸收性强,以及在烧结过程中不产生任何杂质,但是以滤纸为模板制备新型材料还存在强度和韧性不足等问题。

2.2.2纸基芯片材料

纸基芯片技术是近几年新兴发展的微流控技术,是用纸作为基底代替玻璃、硅、石英、高聚物等薄片材料,通过各种加工技术,在纸上加工出具有一定结构的微细通道及相关分析部件,建立纸上“微型实验室”,也称微流控纸分析器件[27]。目前纸基作为芯片的微流控技术已被广泛应用于不同的领域,如健康监测(如尿液、唾液及血液中多种分析物等)、食品安全监测(如饮料和食品中的农药残留等)、环境污染监测(如重金属离子等)等。纸张之所以能作为芯片平台基材,其优点是：成本更低；纸本身具有毛细作用,无需施加外力作用即可完成检测；可以根据不同应用进行不同规格的加工和改性；纸可燃,使用后可直接燃烧或可生物降解,对环境友好；纸柔韧性好,在后续过程中,可使用不同方法制备纸芯片等,因此纸张是一种可用于分析、检测的极佳材料。

目前纸芯片的制备方法有光刻法、蜡印法、等离子体处理技术、喷墨打印法、绘图法等多种方式。纸芯片能否得到最佳的实验效果以及更广泛的应用很大程度上取决于芯片所用材料的好坏,大多文献都报道了选用Whatman No.1滤纸作为纸芯片基材,其指标为厚度0.18 mm,滞留粒径11 μm,因为这种滤纸具有孔隙均匀,流速适中以及颗粒的保留效果高等优点,因此被广泛应用。同时,应根据具体应用选用不同结构特性的纸张,如用于全血分析过滤血细胞时,因血细胞易变形,可以非常容易穿过比其半径小的纸张孔隙,因此,要求选用的纸张孔隙结构更小、更均匀[28]。另外也要考虑多重因素,如足够的机械承受力；水相中浸泡无显著变形和解体；合适的亲疏水性便于吸附和固定,形成明确的检测区,又要避免过度散溢等[29]。在纸张生产过程中,以上这些要求均可以通过原料选择、适当加填、生产过程控制、纸张表面处理等环节进行不断完善。除此之外滤纸性能对纸芯片材料应用的具体影响有待进一步研究。

2.2.3加工纸原纸

纸张经过再加工有的是为了改善或提高原纸性能,更多的是获得一些特殊的性能和用途。有些加工纸是利用原纸孔隙结构特性进行加工的,如浸渍纸、涂布纸(特别是铸涂纸),从而获得所需要的新性能。

涂布纸是在原纸表面上用涂料、树脂或其他特殊物质按一定量均匀覆盖后制得的纸；铸涂纸与涂布纸的不同之处在于需要在涂层未干时,用铸光面进行铸光,保持其最佳的松厚性及吸收性。而浸渍纸是用某些溶液浸渍原纸,利用原纸的孔隙结构,使纤维吸收浸渍液,赋予纸张某种新性能,不论涂布还是浸渍,原纸的孔隙结构都起到至关重要的作用。浸渍纸和涂布纸在生产过程中,涂料、浸渍液的吸收以及空气的排除只能通过纸张,因此要求原纸具有一定的吸收性和透气性,而吸收性和透气性的大小由原纸的孔隙结构直接决定。例如,涂布原纸的孔隙率约为50%,若原纸纤维孔隙太少,空气排除困难,则在纸与涂层中积存,形成气泡,导致纸面上产生麻点；若原纸纤维孔隙太大,涂料中的胶黏剂会迅速且过多的渗入纸内,既降低纸在加工时的强度,又使涂层中的胶黏剂不足而降低强度,从而影响纸张的生产过程及成纸质量[30]。因此在生产中,多选择20%～50%的长纤维,40%～70%的短纤维或机械浆和10%～15%填料,其中长纤维棉浆应以切断为主,打浆浓度较低,下刀较重,而针叶木浆应适当的细纤维化,打浆度30～45°SR,湿重7～9 g,阔叶木浆保持纤维长度,打浆度30～40°SR,湿重2 g左右；其次浆内施胶也是调节吸收性的重要步骤,目前多选择AKD或ASA浆内施胶剂,施胶度控制在0.50～1.00 mm(划线法)；有时也需要一定程度的表面施胶；最后,原纸的加填、浆内助剂的添加都对涂布纸原纸的吸收性能有一定影响,这需要根据相关要求进行具体调整。

3结语

纸张作为功能性材料或加工材料,主要是发挥其优良的纤维特性或结构特性,纸张的孔隙结构是纸张结构性能的重要方面,具有极其难得的应用性能。充分掌握纸张的孔隙结构的形成过程和主要影响要素,可为有孔隙结构要求的纸张生产进行工艺设计和过程控制。通过了解纸张孔隙结构性能,对其作为功能材料和加工材料的使用提供理论和技术支持,也为利用纸张孔隙特性开发新型功能性材料提供参考。

参考文献

[1]YANG S H. Lignocellulosic Chemistry[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2011.

杨淑蕙. 植物纤维化学[M]. 3版. 北京： 中国轻工业出版社, 2011.

[2]HE B H. Papermaking Principle and Engineering[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2012.

何北海. 造纸原理与工程[M]. 3版. 北京： 中国轻工业出版社, 2012.

[3]LONG Ai-yun. Research Progress of Paper Structure[J]. East China Pulp & Paper Industry, 2014(3)： 24.

龙爱云. 纸页结构的研究进展[J]. 华东纸业, 2014(3)： 24.

[4]QIN Li-juan, CHEN Fu-shan, WANG Gao-sheng. Effects of Fiber Properties on the Strength Properties of Paper[J]. Heilongjiang Paper Making, 2004(1)： 11.

秦丽娟, 陈夫山, 王高升. 纤维的性质对纸张性能的影响[J]. 黑龙江造纸, 2004(1)： 11.

[5]LIU Ze-ming, TANG Ai-min. The Effect of Fiber Species on the Performance of Activated Carbon Filter Paper[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(4)： 5.

刘泽明, 唐爱民. 纤维种类对活性炭过滤纸性能的影响[J]. 中国造纸, 2009, 28(4)： 5.

[6]ZHAO Huang, TU Heng-zhong. Application of Synthetic Fiber on Making Wet Filter Paper[J]. Paper and Paper Making, 2004, 7(4)： 21.

赵璜, 屠恒忠. 合成纤维在湿法过滤纸生产中的应用[J]. 纸和造纸, 2004, 7(4)： 21.

[7]XU Bin, ZHENG Chi-song, HU Jian, et al. The Research on the Mercerization of Masson’s Pine Fibers[J]. Guangdong Paper Making, 2000, 19(6)： 4.

徐斌, 郑炽嵩, 胡健, 等. 马尾松纤维丝光化研究[J]. 广东造纸, 2000, 19(6)： 4.

[8]WEI Ya-jing. Study on the Effect of Wood Pulp Mid-consistency Refining Under Different Concentration on the Fiber and Paper Properties[D]. Guangzhou： South China University of Technology, 2011.

魏亚静. 不同浓度下中浓打浆对木浆纤维和纸页性质的影响研究[D]. 广州： 华南理工大学, 2011.

[9]WU Qian-bin. Study on Refining Properties of Kraft Bamboo Pulp[D]. Xi’an: Shanxi University of Science and Technology, 2012.

吴乾斌. 漂白硫酸盐竹浆打浆特性的研究[D]. 西安: 陕西科技大学, 2012.

[10]NIE Biao. Discussion on Progress of Improving Formation Cigarette Paper[J]. Paper and Paper Making, 2005(1)： 20.

聂彪. 浅谈改善卷烟纸匀度的途径[J]. 纸和造纸, 2005, 24(1)： 20.

[11]LIU W B. Modification technology used impregnating emulsion for automotive air filter paper[M]. Harbin： Northeast Forestry University press, 2011.

刘文波. 汽车工业空气滤纸及其浸渍乳液改性技术[M]. 哈尔滨：东北林业大学出版社, 2011.

[12]LV Jian, LIU Wen-bo, YU Gang, et al. Influence of Silane Coupling Agent on the Property of Filter Paper Impregnated with Styrene/Acrylic Emulsion[J]. China Pulp & Paper, 2007: 26(1): 7.

吕健, 刘文波, 于刚, 等. 苯丙乳液中硅烷偶联剂对浸渍滤纸性能的影响[J]. 中国造纸, 2007: 26(1): 7.

[13]LV Xiao-hui, WANG Jin-hui, DING Xuan,et al.Synthesis of Styrene Acrylic Emulsion Modified with Epoxy Resin and Its Influence on Performance of Automobile Filter Paper[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(5)： 29.

吕晓慧, 王金辉, 丁璇, 等. 环氧树脂改性苯丙乳液的合成及其对汽车滤纸性能的影响[J]. 中国造纸, 2014, 33(5)： 29.

[14]ZHOU Xiao-fan, DU Wei. Pore in Paper and Specialty Paper[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(Supplement): 41.

周小凡, 杜炜. 纸张的孔隙结构与特种纸[J]. 中国造纸(特种纸技术增刊), 2010, 29(增刊): 41.

[15]ZHAO Huang. Influence Factors of Structural and Filtration Performance of Filter Paper[J]. Paper and Paper Making, 2006, 25(6)： 1.

赵璜. 影响滤纸结构性能和过滤性能的一些因素[J]. 纸和造纸, 2006, 25(6)： 1.

[16]LONG Ai-yun, ZHAO Chuan-shan, JIANG Yi-fei. Research on the Oil Filter Paper and Its Development Prospects[J]. Paper and Paper Making, 2014, 33(3)： 68.

龙爱云, 赵传山, 姜亦飞. 机油滤纸的生产工艺及其发展前景[J]. 纸和造纸, 2014, 33(3)： 68.

[17]HUANG Cheng. The Research of Preparation and Performance of Three-layer Composite Filter Paper[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012.

黄铖. 三层复合滤纸的制备及性能的研究[D]. 广州： 华南理工大学, 2012.

[18]LIANG Yun, HU Jian, ZHOU Xue-song. Graded Functional Filter Paper for Automobile[J]. China Pulp & Paper, 2005, 24(8)： 18.

梁云, 胡健, 周雪松. 汽车用梯度结构过滤纸的研制[J]. 中国造纸, 2005, 24(8)： 18.

[19]HUANG Xiu-zhi. How to Improve the Absorb Ability of Water leaf base Paper[J]. Paper Chemicals, 2008, 20(3)： 31.

黄秀芝. 如何提高吸液原纸的吸液性能[J]. 造纸化学品, 2008, 20(3)： 31.

[20]WU Shi-xin, Studies on producing technique and performance of ink embellishment for Chinese Xuan paper[J]. China Pulp & Paper Industry, 2008, 29(7)： 64.

吴世新. 宣纸生产工艺与润墨[J]. 中华纸业, 2008, 29(7)： 64.

[21]YANG Zhan-jun.Influence on combustion performance of cigarette paper[J].Hubei Paper Making, 2005(4)：11.

杨占军. 卷烟纸燃烧性能的影响因素[J]. 湖北造纸, 2005(4)： 11.

[22]LI Yi-fei, YANG Qi-yu, FANG Lu-ping.Influence on Cigarette paper permeability and its control[J]. China Pulp & Paper Industry, 2002, 23(8)： 44.

李毅飞, 杨其玉, 方鲁平. 影响卷烟纸透气度的因素及其控制[J]. 中华纸业, 2002, 23(8)： 44.

[23]Nadia Popovska, Daniela Almeida-Streitwieser, Chen Xu, et al. Paper derived biomorphic porous titanium carbide and titanium oxide ceramics produced by chemical vapor infiltration and reaction(CVI-R)[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2005, 25: 829.

[24]Daniela Almeida-Streitwieser, Nadejda Popovska, Helmut Gerhard, et al. Application of the chemical vapor infiltration and reaction and reaction (CVI-R) technique for the preparation of highly porous biomorphic SiC ceramics derived from paper[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2005, 25: 817.

[25]CHEN Feng, CAO Yu, LIU Cheng-bao, et al. Porous Ceria Fibers Synthesized by Filter Paper as Template and Their Catalytical Property[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2014, 38(8)： 33.

陈丰, 曹煜, 刘成宝, 等. 以滤纸为模板制备多孔CeO2纤维及其催化性能[J]. 机械工程材料, 2014, 38(8)： 33.

[26]MAO Rui, GUO Hong, TIAN Dong-xue, et al. Hollow Nanotubular SnO2Templated by Cellulose Fibers for Lithium Ion Batteries[J]. Journal of Inorganic Materials, 2013, 28(11)： 1214.

毛瑞, 郭洪, 田冬雪, 等. 滤纸为模板制备中空 SnO2纳米管锂离子电池负极材料[J]. 无机材料学报, 2013, 28(11)： 1214.

[27]JIANG Yan, MA Cui-cui, HU Xian-qiao, et al. Fabrication Techniques of Microfluidic Paper-Based Chips and Their Applications[J]. Progress in Chemistry, 2014, 26(1)： 167.

蒋艳, 马翠翠, 胡贤巧, 等. 微流控纸芯片的加工技术及其应用[J]. 化学进展, 2014, 26(1)： 167.

[28]Yang Xiao-xi, Forouzan Omid, Brown Theodore P, et al. Integrated separation of blood plasma from whole blood for microfluidic paper-based analytical devices[J]. 2012, 12(2)： 274.

[29]QI Yun-long, DING Yong-sheng. Illustrated development on the fabrication and applications of paper-based microfl uidics[J]. Modern Instruments and Medical Treatment, 2013, 19(3)： 7.

齐云龙, 丁永胜. 图解纸芯片制作及应用进展[J]. 现代仪器与医疗, 2013, 19(3)： 7.

[30]YU Gang, QIAN X R. Technologic of converted paper[M]. Harbin： Northeast Forestry University press, 1997.

于钢, 钱学仁. 加工纸工艺[M]. 哈尔滨： 东北林业大学出版社, 1997.

(责任编辑：董凤霞)

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

中图分类号：TS761

文献标识码：A

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

*通信作者：刘文波先生，E-mail：hljlwbo@163.com。

基金项目：黑龙江省留学归国人员科学基金(LC2013C11)。

收稿日期：2015-11-25(修改稿)

作者简介：吕晓慧女士，在读硕士研究生，研究方向为加工纸、特种纸及纸张结构性能。