纸张物理性能—中芬合著：造纸及其装备科学技术丛书（中文版）第十五卷

本书包含纸和纸板结构及基本物理性能。本书的编纂特别考虑了两类读者。首先，针对熟悉造纸技术的读者，本书深入地阐述了纸张的物理特性。对于这类读者，本书提供的手段和理念有助于他们以纤维性能和纸张结构为出发点分析和改进纸和纸板性能。其次，本书的目的就是要告诉读者他们既熟悉又陌生的纸张性能。对于理科专业背景，特别是学物理的读者，很快就会发现他们实际上对纸张物理性能了解有限。

自第一版发表以来已过去十年，因此第二版更新了很多内容。有关光学性能的第四章是全新的，内容较之前更全面。主要新增内容分别为第一章的三维纸张结构、第五章的断裂机理、第七章的流体渗透、第八章的纸张蠕变现象以及第九章的动态尺寸变化。

除了新增内容，我们还对整书的结构进行了重新编排。各章之间的衔接更有逻辑性和连贯性，每一章都应用了前一章所出现的概念和知识。为了这一转换，作者们更多地像一个团队在工作，相互核对和修正。因此，本书无法再列出专门负责某一章的某位作者，而明确的仅是工作量zui大和负责zui终内容的一位或两位作者。

本书第一章为纸张结构，我负责前两节，主要探讨二维和三维纸张纤维网络结构。纸张的二维近似结构已经被广泛研究了几十年。随着新测量方法和计算机模拟工具的出现，纸张三维结构也开始获得了全面认识，这有助于更真实地理解纸张结构。

Pekka Pakarinen负责第一章的后三节。这三节阐述了理想的二维或三维纤维网络和真实纸张结构的区别。在造纸过程中，作用在纤维上的物理力自然地完全控制了非均匀的面内质量分布或成形、各向异性的面内纤维取向分布以及纤维面外取向。有关纤维作用和纤维间相互作用的研究越来越多地采用计算机模拟来进行。

Jari Sirvi?修订了第二章，该章第一版由Elias Retulainen和Niko Nilsen撰写。自第一版出版以来，相关领域的知识已经得到了进一步充实，特别是在纤维间结合成形方面。另一方面，过去十年有关造纸纤维的研究则很少，考虑到纤维及其结合是影响纸张性能变化的zui关键因素，这令人颇感疑惑。另外，第二章zui重要的基本理念在于干燥纸页中的纤维及其结合完全不同于分离状态下即在纸页外部干燥的纤维及其结合。

Mikko Alava重新组织和更新了第三章。该章包括了纸张表面粗糙度和可压缩性（原版由Isko Kajanto撰写）、纸张的摩擦（原版由Matti Kainulainen撰写）以及纸张的热和电性能（原版由Sami Simula撰写）。既然纸张是一种“软”材料，那么人们可能认为表面粗糙度和可压缩性会显著影响纸张的摩擦、电和热性能。然而，有限的试验数据并不支持这一观点。相反，纸张的化学成分似乎比可压缩性更重要。

Nils Pauler重新撰写了有关纸张光学性能的第四章。该章全面阐释了纸张光学现象和适用纸张的光学测量。尽管纸张基本是“白色”的，但是其颜色的控制极其重要，而且颜色的测定并不简单。对纸张光学性能的理解完全依赖于两方面。一方面，我们应该了解人类的感知能力，我们的视觉系统过滤了纸张散射光。另一方面，我们也应该了解纸张的结构细节如何影响复杂的光散射分布。这也是一个计算机模拟带来的全新研究领域。

Makko Alava和我更新了第五章，有关面内机械性能，原版由Petri K?renlampi撰写。粗略来说，纸张的弹性性能来源于纤维的弹性性能，而当纸张干燥时，后者则受到作用在纤维上的力所控制。因此这再一次说明，纤维性能将是理解纸张性能如何受到控制的关键。纸张的负载-伸长行为揭示出了纸张被张紧时其结构的形变。zui终，纸张的破坏令人着迷，因为其取决于不同长度尺度下纸张的不均质性。

Isko Kajanto负责第六章，也是该章第一版的作者。该章探讨了对于纸板材料特别重要的机械性能，包括弯曲挺度、压缩强度和面外强度。当有关面内机械性能的研究关注纤维和纸张之间的关联性时，这里所考虑的机械性能是纸和纸板作为工程材料所需要的。所关心的问题是如何定制材料性能满足不同的包装用途。

John Kettle重写了第七章，并加入了原来由Isko Kajanto和Markku Leskel?所写的部分内容。第七章阐释了纤维和纸张与水分之间的相互作用，包括了平衡和瞬态条件，即流体渗入或渗透纸张的情况。通过新型精密测量方法和计算机模拟已获得大量新资料，特别是有关流体渗入纸张的情况。我们原本希望广泛详尽地阐述油墨在涂布纸表面的渗入，但我们不得不缩减，因为现有的文献资料还不能合理地对基本现象进行定量化表述。

Jukka Ketoja修订了第八章——纸张流变性能，是关于纸张受到应力或经受应变时纸张的时间依存性形变。纸张蠕变或应力松弛对水分含量敏感，因为水分会软化纤维基体结构。自本书第一版以来已过去十年，纸张流变性能的研究已从零散的经验观测结果的总结转向对所发生的现象进行全面阐释的阶段。

Jukka Ketoja也更新了第九章的内容，该章涉及纸张尺寸稳定性。该章第一版由Isko Kajanto和我撰写。纤维的尺寸取决于水分含量，而水分也会产生危害，尤其是对许多印刷工艺。长期以来，各种解决这些问题的方法只能依赖于平衡水分含量改变下的尺寸变化和卷曲的表征来获得，然而实践中这些现象都是高度动态变化的。近十年的研究已使我们可以更真实地评价纸张行为，因此也找到了更可靠的解决方案。

本书是芬兰造纸工程师协会组织编写的20本造纸书中的一本。本书从纸张结构、纤维与结合、纸张主体与表面、光学性能、面内抗张性能、纸和纸板的结构力学、尺寸稳定性、流变性与水分效应以及传输和传导现象等方面论述了纸张物理性能。

本书理论性与实用性较强。本书可供与造纸、印刷和包装相关企业、科研院所的科研、管理与工程技术人员阅读参考，也可作为高校相关专业师生的科研与教学参考用书。

刘金刚，现就职于中国制浆造纸研究院，研发中心主任，教授级高级工程师，国家政府津贴获得者。30年来，一直从事应用技术研发工作，主要研究领域包括颜料涂布、特种纸涂布、生物质纳米材料、碱回收白泥加工与利用等。近十几年来，发表的主要论文30余篇，获得的发明专利十项。 

杜艳芬，博士，高级工程师，1996年9月~2003年7月就读于陕西科技大学制浆造纸专业，获工学硕士学位，2009年9月~2012年7月就读于天津科技大学制浆造纸专业，获工学博士学位。现就职于中国制浆造纸研究院涂布技术研发中心，主要研究领域：涂布纸基础理论与产品开发，可降解阻隔涂层的研究，生物胶乳的开发和应用等。

苏艳群，2000年本科毕业于北京林业大学林产化学工程专业，2003年硕士毕业于中国制浆造纸研究院。现就职于中国制浆造纸研究院涂布技术研发中心，高级工程师。主要研究领域：造纸颜料的利用和改性，湿部化学，纳米纤维素的制备和利用，碱回收白泥资源化利用等。

第1章 纸张结构 11

1.1 二维网络 13

1.1.1 覆盖度 14

1.1.2 纤维段 16

1.1.3 纤维网络的连通性 17

1.2三维网络 21

1.2.1厚度、紧度和孔隙率 22

1.2.2纸张中的孔隙 25

1.3 匀度 32

1.3.1 表征 34

1.3.2纤维絮聚 37

1.3.3 成形机理 39

1.3.4 厚度方向上的质量分布 41

1.4纤维取向 44

1.4.1 纤维取向的测量和表征 45

1.4.2 网上层流剪切 48

1.4.3 流体动力干扰 52

1.4.4 取向角 55

1.5  z向结构 58

1.5.1 分层和缠结纸页结构 58

1.5.2 纤维取向的两面差 62

1.5.3 纸幅的湿形变 64

参考文献 67

第2章 纤维与结合 75

2.1纤维特性 76

2.1.1 原料影响 76

2.1.2 制浆的影响 83

2.1.3纸浆中的细小纤维 87

2.1.4湿纤维的力学性能 90

2.1.5干纤维的力学性能 97

2.1.6纸张内应力 102

2.2结合 107

2.2.1基本概念 107

2.2.2分子结合 108

2.2.3纤维间结合的结构

2.2.4结合强度

参考文献

第3章纸张表面与热、电和摩擦性能

3.1表面粗糙度

3.1.1 定义

3.1.2测量方法

3.1.3纸张可压缩性

3.1.4纤维性能的影响

3.1.5造纸的影响

3.2摩擦

3.2.1一般物理和化学效应

3.2.2纸张表面摩擦

3.3热性能 144

3.3.1简介 144

3.3.2 纸张传热机理 145

3.3.3比热和热扩散系数 148

3.3.4 测定方法 149

3.3.5 浆料和纸张结构的影响 151

3.4 电性能 153

3.4.1 理论 153

3.4.2测量方法 156

3.4.3纸张电阻率 159

3.4.4介电性能 162

3.4.5电气性能与实际应用的联系 165

参考文献                                                                  166

第4章 纸张光学性能 174

4.1简介 174

4.2光学理论 175

4.2.1光、折光率和菲涅耳（Fresnel）方程 175

4.2.2粗糙表面的镜面反射 178

4.2.3光泽度的角和空间分辨测量 181

4.2.4纤维结构的漫反射率 186

4.3反射率的标准化检测 187

4.3.1标准照明体 187

4.3.2用于检测漫反射率和光泽度的ISO仪器 188

4.4颜色理论 192

4.4.1 光谱的选择性光吸收 192

4.4.2CIEXYZ色空间和CIELAB 193

4.4.3色差和同色异谱 198

4.4.4颜色表现和颜色管理 200

4.5制浆造纸工业的传统检测 201

4.5.1亮度 201

4.5.2Y值和不透明度 203

4.5.3白度 205

4.5.4纸张光学性能指标概述 206

4.6Kubelka-Munk理论 207

4.6.1 Kubelka-Munk理论的来历 207

4.6.2有用的Kubelka-Munk方程 208

4.6.3测定s、k的ISO方法 209

4.6.4分层结构的方程 210

4.6.5Kubelka-Munk理论的缺陷 210

4.7与制浆造纸和印刷相关的光学性能 213

4.7.1纤维和纸浆 216

4.7.2打浆和湿压榨 218

4.7.3填料 220

4.7.4荧光增白剂和染料 222

4.7.5涂布和压光 224

4.7.6印刷品的光学性能 227

4.8纸张光学理论展望 235

4.8.1离散纵坐标辐射理论（DORT） 235

4.8.2Monte Carlo-Grace 模型 239

参考文献                                                                   241

第5章 面内抗张性能 251

5.1弹性 251

5.1.1弹性常数及其测量 252

5.1.2理论 256

5.1.3抄纸过程通过改变纸页紧度所产生的影响 259

5.1.4干燥应力 261

5.1.5弹性的各向异性和横向分布 263

5.2负载-伸长行为 266

5.2.1宏观观察 267

5.2.2微观屈服现象 271

5.2.3纤维组成和抄纸过程的影响 276

5.2.4三轴形变 280

5.3抗张强度，断裂韧度和断裂能 283

5.3.1纸幅断头和断裂韧度 284

5.3.2匀度对抗张强度的影响 289

5.3.3微观强度机理 292

5.3.4断裂能的测定 296

5.3.5浆料和抄纸过程对抗张强度影响 300

5.3.6混合浆料的影响 306

参考文献                                                                  302

第6章  纸和纸板的结构力学性能 318

6.1弯曲挺度 319

6.1.1基本关系 320

6.1.2多层结构纸张 324

6.1.3有关弯曲挺度的实际问题 327

6.1.4浆料与抄纸过程的影响 329

6.2  压缩强度 334

6.2.1压缩强度的定义和测试方法 334

6.2.2  压缩强度的重要性 338

6.2.3 压缩过程中的应力-应变曲线 341

6.2.4 压缩过程中纤维网状结构变化 342

6.2.5 浆料和抄纸的影响 346

6.3 面外强度 351

6.3.1 面外应力-应变曲线和弹性模量 352

6.3.2 测量方法 355

6.3.3 结构影响 358

6.3.4 层间结合强度 362

参考文献 363

第7章 水分和液体传输 370

7.1纸页中的水分 370

7.1.1相对湿度和水分含量 370

7.1.2 滞后和动态现象 373

7.1.3 水和纤维的相互作用 376

7.2流体输送现象 380

7.2.1孔隙中的流体输送 381

7.2.2惰性气体输送 385

7.2.3水蒸气的扩散 387

7.2.4卢卡斯-沃什伯恩公式（Lucas-Washburn equation） 389

7.2.5 X-射线显微层析 395

7.2.6液体渗透时的润湿和润胀 396

7.2.7超疏水 401

7.2.8润胀 402

7.2.9涂布和印刷中的应用 403

参考文献 404

第8章 流变性能 414

8.1粘弹性基本原理 415

8.1.1动态机械测试 415

8.1.2负载-伸长行为中的应变速率影响 418

8.1.3水分对应力-应变行为的影响 421

8.2蠕变和应力松弛 425

8.2.1蠕变的主曲线 427

8.2.2加速蠕变 430

8.2.3应力松弛 432

8.2.4内应力和干燥应力 435

8.2.5延迟恢复 438

8.2.6微观机理 442

参考文献 444

第9章  尺寸稳定性 449

9.1湿膨胀性 450

9.1.1普遍现象 450

9.1.2纤维网络的湿膨胀性 452

9.1.3干燥应力 455

9.1.4 浆料及抄纸的影响 457

9.2 卷曲 462

9.2.1表征及测试方法 463

9.2.2 卷曲的机理 465

9.2.3 屈曲性卷曲 470

9.2.4 斜向卷曲 472

9.3起皱和起楞 476

9.3.1 起皱的特性

9.3.2起皱和起楞的机理

9.3.3影响起皱的因素

9.4 动态的尺寸变化

9.4.1润湿和干燥时的卷曲

参考文献                                                                  

第1章 纸张结构

结构一词可以解释为“架构或排列”和“组成或构成”。纸张结构由纤维、纤维碎片和细小纤维、填料颗粒、聚合物以及组成纸张的其他化合物构成。纸张结构会影响纸张的大部分物理性能，因此非常重要。例如，纸张强度取决于纤维彼此交织的程度、纤维本身强度以及交织结合的强度。表面粗糙度和松厚度则依赖于纸页的孔隙率以及纤维和其他颗粒的大小。光学性能取决于纸页中自由表面的数量。第二章至第九章将讨论结构和物理性能之间的这些关系以及其他类似的相关性。当代学者的观点详见参考文献[1]。

本章论述纸张几何结构，该结构主要为纤维所控制，如图1-1所示。纸页中纤维的空间分布是随机的且时常是不均匀的。其他颗粒和化合物再以某种随机方式附着于纤维上。对于由纤维构成的均匀纸张结构这一特例，统计学法则决定了不同几何性能间的精确关系。本章前两节阐述这些关联性。

图1-1纸张表面微观图，约1mm2

由于纤维长度（通常1~3毫米）远远大于纸页厚度，故纤维形成的网络是平面的，基本为二维。二维结构决定纸张的大部分性能，但三维多孔性结构也很重要。厚度方向上的开放空间，在近似二维结构中被忽略，它可以赋予纸张不透明、松厚和挺硬性的结构，并决定了流体渗透纸页的方式。

前两节重点论述了纸张纤维网络的统计几何结构，没有过多地涉及数学细节，直接说明了平面随机纤维网络的主要几何结构特征。在最简单的二维网络中，纤维为恒定长度的直线段。就几何结构而言，其他纤维性能及其分布并不重要。与此相反，三维多孔结构极大地受制于厚度和纤维的一致性。

纸张制造工艺导致了纸页结构的不规则或不均匀，也影响到非纤维颗粒和化合物的分布。第1.3和1.4节所论述的匀度和纤维取向是其中最重要的两个方面。第1.3节说明了匀度如何造成实际纸张与随机纤维网络的不同。匀度是反映纸张定量空间分布的术语，并不考虑结构是否关联还是随机。

在造纸工艺中，纤维构成具有某种特征尺寸的絮聚团。纸幅成形工艺的流体动力学性能和纤维絮聚趋势导致了纸张局部定量上的相关性。如果给定纸张定量，无论高低，短距离上的定量值很可能是相似的。因此，定量并不是完全随机分布的。

即使不是完全随机，就纸张的多数用途而言，纸张结构还是不均匀的、无序的和不规则的。二维随机纤维网络较好地表征了小长度尺度下（小于纤维长度）的纸张结构。匀度则代表了大长度尺度上的结构不均匀性。

纤维取向是纸张的另一项特征。手抄片不存在纤维取向，是各向同性的。机制纸在结构上总是各向异性的，纤维更多地沿纵向取向，而不是横向取向。平面内纸张性能如强度、尺寸稳定性和流变性反映了纸张这种几何各向异性。

纸张几何网络结构形成于纸机湿部。丛书第八部，造纸第一部分，浆料准备和湿部，详细阐述了纤维浆料的流动性能以及不同纸机的流体动力学过程。本文所讨论的纸幅成形过程仅用于说明可能产生的结构特征。

1.1 二维网络

纸页结构最简单的近似是二维、完全随机的网络，如图1-2所示。它由具有固定长度、零宽度的直线段构成。Kallmes等人[2]指出常规手抄片具有相同的平面内力学性能，如同通过层叠许多薄纸页制成同样定量的纸页一样。因此二维网络结构可以说明纸张面内力学性能。这种简化处理有助于理解纤维网络结构的统计几何基本原理。

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