第四节 纸张的结构与性能
一、纸张的结构
纸张是纤维随机排列的网状结构材料。纸张的结构属性来自于造纸纤维原料的固有结构和生产纸张过程的人为结构。纸张结构在宏观上可看作是由纤维复杂地缠绕交织而成的三维网络状结构。纸张中纤维并不是完全随机排列的，纸的结构具有不均一性。
在机制纸的抄造过程中，沿纸机运行方向为纸或纸板的纵向（MD），垂直于纸机运行方向的为横向（CD），而垂直于纸面方向为竖向（Z向）。通常纤维在纵横向的排列是不同的，通常沿纸机运行方向排列的纤维多于横向排列的纤维，使纸页的强度、尺寸稳定性和流变学特性都存在各向异性。纸张竖向强度较小，这主要是由于纸张中纤维竖向排列极少，实际上纤维竖向上是呈一层层叠积的状态，因而具有层结构的特点，纸张在此方向的强度几乎全来自纤维间结合力，在此方向上纸张的破坏最容易。纸张的网状结构中存在一些孔隙，使纸页具有一定的不透明度、松厚度和挺度，同时孔隙还决定了纸页的透气性、吸收性和液体渗透性等。
由于纸机类型不同，生产出来的纸张中纤维分布状态不同，形成的纵横向差的大小也不同。圆网纸机的纵横向差要大于长网纸机。这种纵横向差别，使得纸张的纵向和横向在物理性能方面产生了差异。一般抗张强度、耐折度、挺度等纵向大于横向，而伸长率、撕裂度横向大于纵向。因此，对纸或纸板进行物理性能测试时，要区别其纵横向。
纸张贴向网的一面为反面（或网面），另一面为正面。反面由于脱水时部分填料和细小纤维随水流失，比较粗糙、疏松，而正面相对比较紧密、表面细腻光滑。纸张的正反面除了对其表面性能有所影响外，还会影响其他性能，如在测定环压强度时正面向里还是向外弯成环，会对测定结果产生不同程度的影响。因此，对纸张的物理性能进行测试时，要区别正反面。
二、纸张的性质
（一）外观质量
纸张的外观质量是指纸张有无用肉眼或感触器官直接辨别，不需用仪器设备测量的、影响使用的缺陷。
①尘埃：是指纸页表面用肉眼可见与纸面颜色有显著区别的黑点、黄点、深黄点、黄棕点或棕色点等杂质。尘埃度是指每平方米面积的纸或纸板上暴露的具有一定面积的尘埃的个数（个/m2），或尘埃的等值面积（mm2），用以表示纸或纸板上具有尘埃的程度。
②斑点：纸面上肉眼可见的色泽明暗和反光不一致的点。包括许多种，如湿斑、汽斑、缸斑、浆斑、白点斑、纸片斑和压光暗斑等。
③鱼鳞斑和气泡斑：前者是一侧厚呈鱼鳞状的斑点，后者是周围较中间微厚的斑点。
④透光点和透帘：透光点和透帘都是指纸页上纤维层较薄但未完全穿透，其透光度较纸页其他部分为大的点子，小者叫透光点，大者叫透帘。
⑤孔眼和破洞：孔眼和破洞是指纸页上存在的完全穿透没有纤维的点子，小者称孔眼，大者叫破洞，针尖样小的孔眼则叫针眼。
⑥网痕、毛毯痕及条痕：网痕、毛毯痕是指纸面上留下的铜网或毛毯经纬线的痕迹；条痕则指纸页表面上光泽或颜色不同的条形痕迹。
⑦折子和皱折：折子是指纸页折叠或重叠的现象；纸页虽起皱但未折叠的叫皱折。
⑧翘曲、起拱：纸页表面较大部位呈现的中间拱起两边凹下，或中间凹下两边拱起的凸凹不平的纸病。出现在纸页中部叫起拱，出现在纸页边缘叫翘曲。
⑨鼓泡和泡泡纱：纸面上由于局部收缩而出现的凸起或凹下的泡，泡的周围或泡内有细曲皱纹。形状较大的称鼓泡，小而密集的叫泡泡纱。
⑩裂口和残缺：裂口是指纸页中部或边沿出现的破裂缝口；残缺是指纸页缺角、破烂等不完整状况。
⑪硬质块和砂子：硬质块是指纸面上存在的质地坚硬而高出纸面的块状或粒状物；砂子则指纸面上存在的河砂、炭渣等硬质颗粒。
⑫色调不一致：是指同一批产品或同一令纸中的白度或颜色不一致。
⑬纸的匀度不好和两面不一：纸张的匀度是指纸张在一定面积上的纤维和填料的分布状况，主要表现为定量、厚度在纸幅上的变化。匀度与纸张的质量关系密切，会影响纸张的其他性能。纸的匀度不好是指纸页内纤维等固体物料分布不均匀；两面不一是指纸页两面平滑程度不一致。
⑭掉毛掉粉：是指纸面上散出细小纤维和填料微粒。
（二）物理性能
纸张具有各种不同的物理性能指标，其中定量、厚度、紧度和松厚度等是纸张的基本性能指标，对纸张的性能影响较大。除了基本性能指标外，纸张还有一些其他的物理性能：机械强度性能（抗张强度、伸长率、耐破度、耐折度、撕裂度、环压强度、挺度和柔软度等）、尺寸稳定性、表面性能（平滑度和表面印刷强度等）、结构性能（透气度、透湿度和透油度等）、光学性能（白度、不透明度和光泽度等）、憎液性能（施胶度和表面吸水性等）和吸收性能（毛细吸液高度和表面吸收速度等）。
1. 一般性能
（1）定量
纸或纸板每平方米的质量，以g/m2表示。定量是纸张最基本的性能指标，与纸或纸板的许多性能密切相关，如抗张强度、耐破度、不透明度等。
（2）厚度
在一定单位面积压力下，纸或纸板两个表面间的垂直距离，以毫米（mm）或微米（μm）表示。它是纸和纸板最基本的特性之一，也是影响纸和纸板物理性能的一项重要指标。
（3）紧度
单位体积纸或纸板的质量，以g/cm3或kg/m3表示，又称表观密度，是纸和纸板的一项重要性能指标。它对纸或纸板的各种光学性能和物理性能产生较大的影响，所以是比较各种纸或纸板强度和其他物理性能指标的基础。紧度可由纸或纸板的定量和厚度计算而得出。几种纸张紧度如表1-4所示。
表1-4 几种纸的紧度
（4）松厚度
一定质量纸或纸板的体积，即为紧度的倒数，以cm3/g或m3/kg表示。
2. 机械强度特性
（1）抗张强度
在规定的条件下，纸或纸板所能承受的最大张力，即测定试样承受纵向负荷而断裂时的最大负荷，单位是kN/m。抗张强度有三种表示方法：
①拉力——将一定宽度的试样拉断所用的力，N；
②单位张力——试样单位横截面积所能承受的最大张力，N/m2；
③裂断长——将试样所能经受的最大拉力换算成本身重量时的长度，m。
影响抗张强度最重要的因素是纤维间的结合力及纤维自身强度。由于大多数纸或纸板在使用过程中都难免受拉，所以抗张强度是一项很重要的物理性能指标，多数纸和纸板产品都对其有要求。在纸机上抄造的普通纸，其抗张强度纵向要比横向大。一般纸的横向伸长率比纵向的高，如表1-5所示。
表1-5 几种纸张的裂断长
（2）伸长率
纸或纸板试样因承受拉力而变形伸长，当试样裂断时即伸长达到极限时，其伸长的长度与试样原长度的百分比值。
（3）耐破度
纸或纸板在单位面积上所能承受的均匀增大的最大压力，以kPa表示。纤维的平均长度和纤维间的结合力是影响耐破度高低的主要因素。几种纸张的耐破度如表1-6所示。
表1-6 几种纸张的耐破度
（4）耐折度
纸或纸板在一定张力条件下，经一定角度反复折叠而使其断裂的折叠次数。单位是（双折）次。耐折度主要取决于纤维本身的强度。几种纸张的耐折度如表1-7所示。
表1-7 几种纸张的耐折度
（5）撕裂度
撕裂纸或纸板时所做的功。通常分为两种：一种是指在规定的条件下，已被切口的纸或纸板试样沿切口撕开一定距离所需的力，称为内撕度，单位为mN；另一种是指撕裂预先没有切口的试样，从纸的边沿开始撕裂一定长度所需要的力，称为边撕裂度，单位为N。几种纸张的内撕裂度如表1-8所示。纤维长度是影响撕裂度的重要因素，撕裂度随纤维长度的增加而增加。
表1-8 几种纸张的内撕裂度
（6）环压强度
纸板压缩强度的一种评价方法。压缩强度是指纸板等材料受压后至压溃时所能承受的最大压力，是箱纸板、瓦楞纸板、瓦楞原纸等包装纸板的重要物理指标。纸板的环压强度是指一定尺寸的环形试样在一定的加压速度下平行受压，当压力增大至样品压溃时所能承受的最大压力，单位是kN/m。
（7）挺度
挺度是纸板的一项重要强度指标。纸板挺度是指其抗弯曲的强度性能。一般来说，纸板常被加工成包装用的纸盒及各种以卡片形式使用的卡纸、月票纸板等产品，需要有较好的挺度来保证在使用过程中不至于变形或被破坏。厚度是影响挺度的最重要的因素，纸和纸板的挺度与厚度的立方成正比。
（8）柔软度
在一定作用力下，把一定宽度和长度的试样压入一定宽度的缝隙中一定深度时，试样本身抗弯曲力和试样与仪器之间摩擦阻力的矢量和。该值越小，说时试样越柔软。柔软度是各种皱纹卫生纸的重要性能。柔软度的大小不仅与纸浆种类有关，还与纸张的定量、厚度、挺度等有关。
（9）戳穿强度
戳穿强度是纸板或瓦楞纸板的一个重要特性指标。是指用一定形状的角锥穿过纸板所需的功。这个功包括开始穿刺及使纸板撕裂弯折成孔所需的功，单位为J。戳穿强度与耐破度不同之处在于前者是突然施加一个撞击力于纸板，并把纸板戳穿，属于动态强度，后者是均匀地施加力而把试样顶破，属于静态强度。打浆度对戳穿强度的影响很大。
3. 伸缩率（尺寸稳定性）
在浸水和干燥后纸张尺寸的相对变化，单位为%。纸张是一种纤维材料，它在一定的湿度和温度下会产生尺寸上的变化。印刷用纸要求有一定的尺寸稳定性，使纸张在印刷过程中不致产生很大变形，造成套印不准的质量问题。尺寸稳定性是印刷用纸的一项非常重要的性能指标。一般以伸缩率来衡量纸张的尺寸稳定性。几种纸张伸缩率如表1-9所示。
表1-9 几种纸张伸缩率
4. 表面性能
（1）平滑度
评价纸或纸板表面凹凸程度的一个指标，通过测试在一定的真空度下，一定体积的空气，通过受一定压力、一定面积的试样表面与玻璃面之间的间隙所需的时间来获得，以秒表示。所有的印刷制品都要求纸张有一定的平滑度。纸张的平滑度与纸张的匀度、纤维的组织情况及纸浆的品种等因素有关。
（2）摩擦因数
纸张在印刷和制袋加工过程中，纸与纸之间或与某种材料接触时常会产生摩擦力，摩擦力的大小与两接触物体表面间的正压力成正比，比例因数称为摩擦因数，分静摩擦因数和动摩擦因数。无论是静摩擦因数还是动摩擦因数，都与两接触物体的构成材料及表面情况有关，对于固定的两种物体，其摩擦因数是固定的。因此通过测量纸张的摩擦因数，可预知生产实际当中所产生的摩擦力。
5. 印刷性能
纸张的印刷性能是各种性能的综合反映。涉及机械强度、白度、外观质量，特别是表面吸油墨性、平滑度、松软性、不透明度、挺度、表面结合强度、抗水性和尺寸稳定性等。这里主要讨论表面强度和表面吸收速度。
（1）印刷表面强度
又称拉毛速度，是指以连续增加的速度印刷纸面，直到纸面开始拉毛时的印刷速度，以m/s表示。拉毛是指在印刷过程中，当油墨作用于纸或纸板表面的外向拉力大于纸或纸板的内聚力时，引起表面的剥裂。对未涂布的纸或纸板，一般是表面起毛或撕破，对于涂布纸或纸板，主要是表面掉粉或起泡分层甚至纸层破裂。
（2）表面吸收速度
试样吸收一滴液体或水所需要的时间，适用于评价印刷纸吸收油墨的速度，单位为s。
6. 结构性能
（1）透气度
在单位压差作用下，在单位时间内，通过单位面积试样的平均空气流量，单位为μm/（Pa·s）或（mL/min）。几种纸张的透气度如表1-10所示。透气度反映了纸张结构中空隙的多少，是许多纸种重要的物理性能指标之一。如水泥袋纸、卷烟纸、拷贝纸、工业滤纸等。一般来说，紧度的增加会使透气度降低。
表1-10 几种纸张透气度
（2）透湿度
纸或纸板的两个面在一定的蒸汽压力条件下，水蒸气从一面透到另一面，以单位表面积在一定的时间内透过的水蒸气量表示。材料的两面在规定的温度和湿度条件下，以每平方米每24h透过的克数表示，单位为g/（m2·d）。
（3）透油度
在一定温度和压力条件下，标准变压器油在一定时间内以一定面积的纸页上渗透过来的质量，以mg表示。纸张的透气度越小，孔隙越小，防油性就越好。纸张的透油度与透气度有良好的相关性。
7. 光学性能
（1）白度
纸或纸板表面对光线的反射和散射程度。测定纸或纸板的白度，通常把氧化镁的白度规定为100%，以纸或纸板表面对蓝光的反射率相当于氧化镁反射率的百分数表示其白度，以%表示。几种纸张的白度如表1-11所示。
表1-11 几种纸张白度 单位：%
（2）不透明度
纸张的透明度和不透明度是指光束照射在纸面上透射的程度。不透明度是指带黑色衬垫时，对蓝光的反射因数R0与厚度达到完全不透明的多层纸样的相应反射因数R∞之比。它是印刷用纸的主要指标。
（3）光泽度
纸或纸板表面在镜面反射的方向反射到规定孔径内的光通量与相同条件下标准镜面的反射光通量之比，单位为%。造纸上所讨论的光泽度就是镜面光泽度。当光照射到试样上，如没有镜面反射，则物体光泽度为零，如果对入射光全反射，则物体的光泽度为100%。
8. 吸收性能
（1）施胶度
施胶是指对纸或纸板进行施胶处理，使其获得抗拒流体渗透、扩散的性能。纸或纸板的施胶度是评价这种憎液性能的重要指标。施胶度的测定方法很多，主要有墨水画线法、液体渗透法、Cobb表面吸水质量法等。墨水画线法是采用标准墨水在纸上画线以风干后不渗透、不扩散时线条的最大宽度来表示纸或纸板抗水性能的方法，适用于大多数纸或纸板，尤其适用于一般书写、文化用纸。其单位为mm。
（2）表面吸水性
又称Cobb表面吸水质量。是指一定时间内，单位面积的纸或纸板一面在98Pa·s（10mmH2O）压力下与水接触时所吸收水的质量，以g/m2表示。
（3）毛细吸液高度
又称克列姆法，是测定液体沿着与其垂直的纸面上升的速度，结果以一定时间内液体上升的高度（mm）或液体上升一定高度所用的时间（s）来表示，适用于滤纸、浸渍用纸等。
9. 电气性能
只有用于电器设备的纸张才要求具有规定的电气性能。纸和纸板的电气性能包括介电常数、介电强度、介电损失和介电质点等。
（1）介电常数
又称电容率或相对电容率。表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据。是指在同一电容器中用某一物质为电介质和真空时的电容的比值。表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。介电常数越小，绝缘性能越好。
（2）介电损失
表示绝缘材料质量的指标之一。绝缘材料在电压作用下所引起的能量损耗。介电损失越小，绝缘材料的质量越高，绝缘性能也越好。
（3）介电强度
通常所说的电击穿强度。电介质或绝缘材料在两电极之间，增加电压，直至被击穿为止，此时的电压即为击穿电压，其值即为该材料的介电强度。
（4）介电质点
介电材料或绝缘材料中含有的电解质会影响它们的绝缘性能。介质点是指介电材料或绝缘材料受到比其本身介电强度数值低的电压而发生电火花击穿的次数。
10. 化学性能
一般纸张不强调化学性能，但对于某些特殊用途的纸张，则要注意其化学性能，如电气绝缘用纸和中性包装纸等。
通常所说的化学性能，一般指水分、灰分、酸碱度、金属离子含量和水溶性氯化物等。
（1）水分
纸中纤维与纤维之间的空隙部分含有的游离水。一般纸张中含有的水分是6%～8%。纸的水分随环境中相对湿度变化而变化。
（2）灰分
纸中所含有的无机物的多少。
（3）酸碱度
纸的酸碱度通常用pH，即氢离子的浓度来表示。是通过测定纸的水抽提液来进行测定的。机制纸的酸性主要来自造纸过程中加入的硫酸铝。酸性高的纸，其稳定性和耐久性变差，颜色变暗、强度变低。在印刷时还可能引起印版的腐蚀和沾污。现在纸张生产过程中，逐渐采用中性施胶剂取代松香胶，使造纸过程可在中性或偏碱性条件下进行，从而使生产的纸张呈中性或碱性。
（4）金属离子含量
大多数纸张中都含有少量的金属化合物，这些化合物来源于造纸原料、化学药剂、添加剂、生产用水、设备和管道磨损等。尽管这些金属化合物的含量很低，但对某些纸张，如照相纸、定量滤纸、食品包装纸、电绝缘纸等都会产生不良的影响。金属离子含量一般以其水抽出物导电率概括加以表示。
（5）水溶性氯化物
针对某些纸张，如防锈纸、中性纸、食品用纸和电绝缘纸等而确定的一个指标。用水抽提纸中的氯化物，采用电导滴定法分析氯化物的含量。氯化物将对这些纸的应用产生危害。
思考题
1. 纸和纸板的区别是什么？
2. 怎样区别手工纸和机制纸？
3. 怎样辨别纸张的正面、反面？
4. 怎样快速鉴别纸张的纵向和横向？
5. 为什么测定纸张物理强度时必须在恒温恒湿条件下进行？
6. 什么是干法造纸？
7. 什么是特种纸？
8. 针叶材纤维与阔叶材纤维的主要区别是什么？
9. 定量与纸或纸板强度之间有什么关系？
10. 为什么有的纸很薄却不透明？
11. 为什么有的纸会洇水？
12. 纸张的酸碱性是怎么产生的？
13. 纸张中的灰分来自哪里？对纸张有何影响？