生活用纸张有效非饱和性吸水分析

汤远志 邓敏

摘 要：定义了纸张有效非饱和性吸水渗透;从水分在纸张中渗透和纸张吸收水分后的测试两方面，规定了有效（非饱和吸水渗透）的条件;阐述了纸张有效非饱和性吸水的影响因素，影响依次为：给水方式<位置<环境<纸张<水分;纸张有效非饱和收水分后的有效强度是水分、纸张、环境、给水方式与位置等因素的函数。

关键词：有效;非饱和性吸水渗透;影响因素

中图分类号：TS77   文献标识码：A

1引言

生活用纸张主要指纸巾纸、卫生纸、擦手纸、厨房用纸，用于日常生活一次性使用的纸张（以下简称纸张）。纸张对水分的吸收渗透，是其重要的使用性能指标。纸张用于吸收水分，可用于直接吸收饱和量的水而至崩塌破坏;也可用于吸收一定量（非饱和）的水分后仍然有一定的强度。

纸张在吸收了一定量水分情况下，仍保留一定的形狀、形态、强度且能被用于拉伸以及擦拭，这种吸水定义为纸张有效非饱和性吸水渗透（以下简称吸水）。可以分成两种形式：

一是定量长度（宽度）的纸张在足量的水分中于规定时间内所吸收水分的距离，这是观测一定时间内水分在纸张上的渗扩速度，称为速度法，常用纸张吸液高度（吸收速度mm/100s）来表示[1][2];二是一定量的水分在不限量的纸张（面积、厚度）上，在一定时间内向各个方向渗扩，观测扩散的面积，称为面积法。

纸张非饱和性吸水是水分在纸张里渗透、渗扩，一定面积内形成潮湿、纤维起皱、伸长量变大、纸张强度减弱;而纸张非饱和性吸水与我们日常生活紧密相关：分析纸张吸收非饱和量水分，对纸张吸水后有效强度测试、比较、以及使用具有重要意义。

2纸张有效非饱和吸水分析

2.1吸水渗透形成

水分在纸张上非饱和吸收、渗透，是水分的一种有效水力毛管传导，是水分在非饱和水流运动条件下于纸张多孔介质的渗透，是非饱和纸张容积含水量的函数，是一个变量。

纸张是一种多孔纤维结构，内部间隙充满了平衡空气，水分运动渗入（流入）纸张纤维中时，（并非是纸张纤维吸收了大量水分），是水分大量地在纸张纤维间搭接起的间隙、孔隙间顺势运动（渗入、流入）;水分一方面在孔隙中挤压充满其间的空气，寻找建立新的气压平衡，而使得水分运动的走势、速度逐渐降低且减弱;当空气压缩至一定条件时，水分不在纸张中渗透;当非饱和的水量一定时，在纸张孔隙中的水分运动至一定程度（距离、面积）时，水分已不能再继续压缩空气，水分不再在纸张上形成渗透。

水分运动时将孔隙中的空气压缩而向外溢出、排出，形成、产生了水分在纸张（孔隙中）的渗透现象。从水分方面理解，这过程称为渗透，从纸张方面理解，这过程也可称为吸水。

另一方面，由于水分自身的重量与分子间引力，减弱了水分的渗扩速度，以至造成水分的堆积，堆积的水分会快速向纸张厚度方向渗透，一部分水分直接通过孔隙的运动至纸张另一面的表面上，一部分水分继续纵向堆积，当堆积的水分的重量超过纸张纤维间的连接力（抗张力）时，纤维结构（氢键）发生破坏，纸张就表现出伸长率增加、破裂、断裂。

2.2有效非饱和收水渗透的条件规定

吸湿纸张仍保持一定使用强度称为有效，有效也是仍有使用价值。在考查纸张湿强度时，湿的程度是多少而纸张仍保留一定的强度，按纸巾纸纵向湿抗张强度不低于10.0N/m[1]、擦手纸、厨房用纸不低于1.5N·m/g[3][4]测试计算：在纸张固定点滴两滴（约0.1ml），水在纸里运动35s内，同时吸去多余的水分，使用一定的速度拉伸的强度测试值k1（N/m），该样品在未吸收水分时的强度可测k0（N/m），可用抗张强度保留率k（%）=100*k1/k0表示。

这也可认为10.0N/m、1.5N·m/g是纸巾纸、擦手纸、厨房用纸类产品，有效非饱和吸水后的一个能否继续使用的界值。水分在纸张上的渗透情形，可用渗透系数K（w）表征。

在以上测试中，为了使吸收水分后的纸张仍有一定的强度，特对“有效非饱和吸水”作如下规定：

2.2.1对吸水后，强度测试的规定

（1）有限的水分;（2）有限且规定的时间内;（3）在紙张受水面的另一面除去多余的水分;（4）吸去多余水分的位置;（5）测试速度;（6）环境湿度、温度。此六条，对于研究、分析纸张吸收一定（非饱和）量的水分缺一不可。

2.2.2对水分在纸张孔隙中运动，作以下规定

（1）纸张全悬空;（2）纸张各个面、方向的大气压相等;（3）向纸张施加的水分不会给纸张额外施加力的作用;（4）在孔隙中运动的动力就是所加水分自身的重量。（5）纸张孔隙始终保持负势能状态，满足达西定律与能量守恒定律。

纸张吸水后仍能有效使用，关键点就是：吸收的水分不能破坏固有的纤维结构。这需要分析多大的给水量、有效吸收水分的量、什么样的加水方式、加水位置、环境条件等影响因素？

3有效非饱和吸水的影响因素

3.1给水方式

对纸张给水，可分为喷雾状洒、集中位置加力滴、慢流自吸三种形式为主。在考查纸张渗扩速度、形成湿面积、湿纸强度以及吸水后外观主要性能时：喷雾状洒的湿纸强度高，且外观变形不大，有利于后续使用;集中位置加力滴、慢流自吸两种方式则吸水后的纸张严重变形，不利于使用。

3.2给水位置

固定（中心、边缘）位置、整个面积均匀给水，水分渗扩速度快慢的变化：固定位置吸水，湿纸强度一般，纸张变形严重;整个面积均匀给水时，则湿纸强度高，有利于使用。

3.3水分

水分是纸张吸收水分最重要的因素，其中，水分对有效非饱和吸水的影响是：pH<温度<水量[5]。

3.4纸张

纸张浆料成分对纸张吸水性有重大影响。成分中的碳酸钙（富含氢氧化钙）、活性氢离子与吸水量正相关，胶种类（湿强剂）与施胶量、添加剂（如钙）颗粒大小均造成纸张吸水的影响[6]。

3.5环境

环境湿度过大，纸张在吸水前已吸收了部分环境中的水分，会造成吸水时的吸水量、渗透速度、距离、面积减弱减小;反之，则造成快速吸水渗透，纸张上的水分会形成集中、堆积，使纸张快速的向破裂、溃裂发展。由于薄纸张的特性，较高的环境温度，会造成纸张中固有的水分蒸发，使得纸张在吸水时，变得过于快速吸水渗透。

通过分析，在有效的非饱和吸水的情况下，因素影响为：稳定性<给水位置<给水方式<环境<水分<纸张。

4结束语

我们日常使用的纸张，不仅关切是否能吸收水分，更多也考虑到吸收一定量量水分后的纸张是否还具有一定的使用价值（强度），这也是分析有效非饱和吸水的意义所在。大多数是用于擦拭少量的水分，或者不连续分布的水点，这类吸收水分后的强度评价，目前未见报道，有待进一步分析研究。

另一方面，纸张有效非饱和吸水是一种在有限条件下，才有比较、评价意义;同时，因可变因素而导致的不确定性也增大。

纸张有效非饱和收（一定量的）水分后的有效强度是水量、纸样面积、环境、给水方式与位置等因素的函数。

参考文献

[1]GB/T20808-2011纸巾纸[s]

[2]GBT 461.1-2002纸和纸板毛细吸液高度的测定（克列姆法）[s]

[3]GB/T24455-2009擦手纸[s]

[4]GB/T26174-2010厨房纸巾[s]

[5]汤远志，汤博喆.水对纸巾纸纵向湿抗张强度的影响{工程技术（全文版）}2019年8月.

[6]张永良.薄页纸吸水性主要影响因素的研究[D].南京林业大学，2005.