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打浆对纤维的五个作用
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磨浆机, 压光机, 分丝机, 挤浆机, 洗浆机, ...
在打浆过程中纤维没有发生化学变化。不论应用何种型式的打浆设备,主要都是使纤维产生切断、压溃、润胀和细纤维化作用,而这些都是纤维细胞壁的变化。

在植物纤维化学中已经讲过,植物纤维的构造可分为胞间层(L)、初生壁(P)、次生壁外层(S1)、次生壁中层(S2)、次生壁内层或称三生壁(S3)。根据观察分析,纤维各层细胞壁无论在物理结构和化学组成上都是不同的,因而就具有不同的特性。可以认为,初生壁是一层类似塑料的多孔层薄膜,它的厚度为0.1~1微米,其细纤维成网状的排列。从结构观点来看,它是各向同性的,且木素含量较高,因而它只能透水,而不能润胀,反而还会在打浆时限制次生壁中层的润胀。至于次生壁外层,它是介于初生壁与次生壁中间的一个过渡层,在物理结构或化学成分上都比较接近初生壁的性质。次生壁中层是纤维的主要部分,比其它各层都显得厚得多,它的厚度为1.0~5.0微米,其细纤维的排列是高度各向异性的,且与纤维的轴向呈一定的角度,因而造成纤维的纵向结合强度大,而横向的结合强度弱,所以沿着纤维的横向润胀就较为容易。次生壁中层的木素含量较低,这一情况极其有利于纤维在打浆时的润胀。次生壁内层较薄,其木素含量也较低。

一般认为,打浆对纤维的作用和纤维的变化除压溃、揉搓、分裂以外,大体可主要分为以下五方面细胞壁的位移和变形,初生壁和次生壁外层的破除、润胀、细纤维化和切断等。当然这几方面的作用不是截然分开的,而是交错进行的。现分述如下:

(一) 细胞壁的位移和变形

一些研究者认为,在次生壁中层的细纤维能发生位移。用偏光显微镜可以很容易观察到纤维上的亮点,这就是细纤维的位移.根据观察,未打浆的纤维有位移,而开始打浆后又出现了新的位移点,随着打浆过程的进行,位移点逐步扩大,并变得更为清晰。根据用偏光显微镜拍照所得的照相图,位移可分为三种型式。

打浆的机械作用使得次生壁中层一定位置的细纤维弯曲,这样细纤维之间空隙有所增加,以致能够进入较多的水分。当初生壁还没有被破除之前,次生壁中层发生位移和润胀又会使纤维更加柔软,从而促进初生壁的破坏。有些研究结果认为,对针叶树管胞来说,在制浆和打浆之后,位移和变形发生在髓射线的部位。

(二)初生壁和次生壁外层的破除

蒸煮和漂白后的纤维仍存有一定数量的初生壁,影响着纤维润胀。同时,它和次生壁外层都会妨碍次生壁中层细纤维的细纤维化,影响着纤维的结合力。因此需要在打浆过程中借助于机械作用把初生壁和次生壁外层破坏,以利于纤维的润胀和细纤维化作用。

对于不同种类的纸浆,初生壁和次生壁外层破除的难易程度和破除的情况亦是不尽相同的。例如,亚硫酸盐纸浆的初生壁和次生壁外层破除,就比硫酸盐纸浆容易一些,其原因可能是由于在蒸煮过程中,亚硫酸盐的蒸煮药液和硫酸盐法的蒸煮药液,无论在其化学性质特别是PH值,或进入纤维的途径都是不相同的。因而造成了亚硫酸盐纸浆纤维的初生壁,甚至是次生壁外层在制浆过程中受到破坏的程度,均比硫酸盐法纸浆的为高,因而在打浆过程中较易于破除。

对初生壁破除情况进行的实验研究表明,用PFI磨对漂白亚硫酸盐木浆和未漂白硫酸盐木浆进行打浆,经过不同打浆时间的处理后,在显微镜下观察100根纤维的情况,并将观察结果分为四组。 对于漂白亚硫酸盐浆,仅在500转,即稍为打浆至16。SR时,半数以上的纤维失掉了部分的初生壁;在2000转时,即约22。SR,纤维初生壁几乎全部受到破坏。而对于未漂硫酸盐浆,初生壁的破除速度大大减慢。随着打浆时间的增长,纤维的润胀和细纤维化程度都有所提高,因而,纸页的抗张强度亦随之增加。

(三)润胀

所谓润胀是指高分子化合物在吸收液体的过程中,伴随体积膨胀的一种物理现象。纸浆纤维之所以有润胀能力,主要是由于其带有羟基的关系,因而能在极性性液体中发生润胀。打浆时,纤维首先吸水而发生润胀,比容有时增加,纤维细胞壁结构变得更为松弛,内聚力则有所下降,从而提高了纤维的柔软性和可塑性。与此同时,由于润胀引起内聚力的降低,就更有利于打浆机械作用对细纤维纸的进一步细纤维化,其结果大大增加了纤维的表面积和游离的羟基数目,这无疑将会在纸页干燥时增加纤维之间的接触面积。 润胀程度同纸料的组成有关。半纤维素含量高的亚硫酸盐浆较容易润胀,而硫酸盐浆就比亚硫酸盐浆润胀程度小些。木素含量高的纸料不易润胀,因此漂白能改进这种纸料的润胀能力。

测定纸料润胀程度是比较困难的,若干种润胀测定方法均尚未被公认。现举亚米(Jayme)所介绍的离心机法,作为示例。亚米是采用未漂亚硫酸盐浆作为原料,在离心磨(Jokromill)中进行不同时间的打浆,取出后测定打浆度,再用离心机甩掉水分,测其保水值,并以此作为润胀程度的比较。

(四)细纤维化

细纤维化作用是指在打浆过程中,打浆设备的机械物理作用使纤维获得纵向分裂,并分离出细纤维,而且使纤维产生起毛现象。一般认为,细纤维化可分为外部细纤维化和内部细纤维化,上述情况必属于前者,而后者用一般光学显微镜是观察不到的。有的资料认为,在打浆过程中,纤维的细纤维化是在纤维吸水润胀以后,才开始的。由于吸水润胀,致使内聚力减少,细胞壁相邻的同心层之间的侧链有所破坏,从而给水分的进入,创造了条件,使层与层之间彼此滑动而使纤维变得柔软可塑。

许多研究者把打浆过程细胞壁的变化称为内部细纤维化。爱曼顿(Emerton)形象地提出打浆过程中纤维变形的两种型式,一种是细胞壁的弹性变形(1),一种是塑性变形(2)。爱曼顿指出,纤维细胞壁的变形可以是弹性或塑性的。纤维的塑性变形达到某一平衡状态;而弹性变形是,当其变形应力消失以后,纤维将恢复到其原始形状。显然,通过打浆处理,希望能使纤维获得塑性变形。纤维细胞塑性变形的能力,是随着内部细纤维化过程的进展而提高的。内部细纤维化实质上是指破坏纤维细胞壁同心层间的连接的过程,从而使次生壁中层中发生层间的滑动。为此,当纤维处于高度润胀和细纤维化状态时,纤维将会保持良好的柔韧和可塑性,而纤维与纤维之间即可能保持优异的接触,有利于纤维的结合,和在随后纸张干燥时,得到较高的强度和紧度。

有人曾用超声波处理纤维浆料,结果的浆度上长很少,而润胀值却剧烈增加,初生壁和次生壁外层都充分保留着。用这种纸料抄出的纸页强度也很高,这足以说明超声波处理使纤维产生了强烈的内部细纤维化。

可以在普通显微镜下观察到,纤维的纵向分裂,以及由此而分丝出细纤维,这是外部细纤维化。前已述及,次生壁中层是细胞壁的主要部分,由于细纤维在其上是平行排列的,因而易于向两侧润胀,这样,如果次生壁外层未被破除,次生壁中层势必只能朝细胞腔方向作有限的向内润胀,而难于实现外部细纤维化。导致发生外部细纤维化的过程,首先有赖于细纤维之间的主要物质(半纤维素)的润胀。当有足够的润胀压力,就能使细纤维之间的氢键破裂,从而使纤维进一步朝两侧膨胀。如果没有次生壁外层的限制,次生壁中导就易于发生纵向分裂产生细纤维。但事实上,除非在一般高度粘状打浆的情况下,次生壁外层并没有全部除去。可是也有的资料指出,次生壁外层中半纤维素含量高,例如,在针叶木亚硫酸盐纸浆中,其次生壁外层有相当数量的木糖,它对氢键联结是特别有效的。因此,是否需要在打浆过程中除去全部次生壁外层,还是一个有待进一步研究的问题。

过去,曾认为外部细纤维化与由于纤维润胀而导致的氢键联结是发展纸张强度的最主要因素,可是这种论点不能解释为什么在打浆过程中,在大幅度外部细纤维化以前,强度已有显著增加这一事实。 纤维的外部细纤维化可提高交织能力,并能增加纤维的外表面积,有利于提高纸张强度,这是已确认的事实。 有些研究者曾测定了在木浆打浆过程中纤维外表面积的增长速度,这也大体说明了纤维外部细纤维化的增长速度。测定的结果是,对于针叶亚硫酸盐浆,当打浆度从14。SR增至约28。SR时,其外表面积大约增长一倍,而打至42。SR大约增长四倍。

要对于一根完整的纤维进行纵向分裂、分丝是比较困难的。但当纤维被切断后,在其切口处则极易发生纵向分裂和分丝。切断越多,细纤维化程度越剧。但是这对于纤维长度较低的草浆,若再受到严重切断,会更加降低纤维平均长度,对提高纸张强度是不利的。 综上所述可见,纤维的细纤维化和纤维的润胀是互相促进的。吸水润胀是为纤维的细纤维化创造有利条件;反之,纤维的细纤维化又能促进纤维进一步吸水润胀。这样反复相互影响着,在整个打浆过程中,这两个作用是互相促进的。 纤维的吸水润胀和细纤维化作用对纸张的性质有着很大的影响。内部细纤维化使纤维内聚力下降,次生壁中层的层间产生滑动,增加纤维的柔韧性和可塑性。外部细纤维化则使纤维露出细纤维,提高纤维间的交织能力。增大纤维的外比表面,在抄纸的干燥过程中,就能产生更多的氢键结合而使纸张具有较高的强度和紧度,目的有助于提高填料的留着。

(五) 切断

横向切断是指纤维受到足够大的剪切力的作用,而发生断裂的现象。纤维受到横向切断,主要是由于打浆设备的辊刀和底刀的剪切作用;其次,则是由于在打浆比压相当大的情况下,纤维彼此之间产生磨断的结果。 纤维的横向切断跟其吸水润胀,有着一定的关系。在同一打浆条件下,如果纤维吸水润胀情况比较好,纤维变得较柔软和可塑,这样就不再容易受到横向切断,而是较易于起细纤维化作用。反之,纤维吸水润胀不良时,纤维挺硬发脆,则易于受到横向切断。

一般情况下,在打浆过程中不希望过度地切断纤维,因为过度切断纤维,就会使纸张的强度大大降低,因此,要严格控制纤维受到适当的切断。对于棉麻浆则由于其纤维过长,因此必须加强纤维的切断,降低纤维的平均长度,以利于造纸过程中能够抄出组织均匀的纸张。所以,在处理用于吸墨纸、滤纸、绘图纸的破布浆时,通常惯于在打浆初期先用轻刀梳解,当纤维已经初步分开以后,再用重刀迅速切断。一般说来,减少纤维的长度,可以提高纸张均匀和平滑度,但降低了纸张的强度,特别是撕裂度,这也是矛盾的对立统一。不过对不同品种的纸张,要求切断纤维的长短也是不同的,具体情况要作具体分析。

上述五个方面的作用是指单根纤维而言的,在实际生产中,打浆处理的纤维数量是无法估量的,因而这许许多多的纤维在打浆过程中,由于种种关系,纤维受到的作用是不同的。有的纤维在打浆时可能吸水润胀和坳纤维化较好,也有的纤维则受到较强烈的切断作用,这主要是由于各根纤维所受外力不同。受到摩擦、挤压等力较大的纤维,其初生壁和次生壁外层的除去较易些,因而纤维吸水润胀和细纤维化就较好;反之,有的纤维在破除初生壁和次生壁外层之前,就受到较强的剪切刀作用,纤维受到横间切断的可能性就较大。因此,在打浆过程中往往出现这样的现象:在打浆初期即有一小部分纤维吸水润胀并产生细纤维化,而在打浆后期还有的纤维的初生壁和次生壁外层尚未被破除。如果后一现象较多时,即说明打浆很不均匀。因而,在打浆过程中,应尽量采取措施,保证打浆的均匀性。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2/10/2010)
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