造纸湿部化学 - 纸张强度影响与优化策略

在造纸工业中，纸张强度是衡量纸张质量的关键指标之一，而造纸湿部化学在其中起着至关重要的作用。通过深入了解木材和纸张的结构特性、纤维精炼、化学添加剂以及表面处理策略，可以显著提高纸张的强度和稳定性。本文将深入探讨这些因素对纸张强度的影响以及相应的优化策略，并介绍相关设备在纸张强度优化中的应用。

一、木材和纸张结构对纸张强度的影响

木材的结构复杂，其中纤维在水分传输和物质循环中起着重要作用。树木内部各层纤维的排列方式，如 S1、S2、S3 层，对树木和木材的强度及稳定性有关键影响。木材纤维之间的粘合物质 —— 中间层胶质对木材强度有贡献。不同种类的木材纤维在造纸过程中有不同的利用价值。

纸张是由纤维素纤维组成的，纤维素的结构特性对纸张强度至关重要。纤维素是由糖分子组成的聚合物，其中的羟基（OH）团不仅与水分子结合使纤维素具有亲水性，还促进了纤维的膨胀和灵活性。纤维素具有结晶性，但并非所有羟基团都能参与水合作用。纤维之间的氢键连接在纸张制作中起着重要作用，通过循环再利用纤维可以制作纸张，展示了纤维素在纸张生产和回收过程中的关键作用。

二、纤维精炼对纸张强度的影响

纤维精炼通常在纤维浓度为 4% 到 5% 时进行。在精炼过程中，通过压缩和剪切作用，纤维间的空隙被消除，纤维变得更加柔软，从而增加了纤维间的接触面积。这种重复的压缩和剪切导致纤维的微观结构发生变化，形成类似弹簧的结构，使得纤维壁变薄，液流通道加大。为制作高强度、高密度的纸张，纤维需要被精炼至形成类似河流的结构，这样在水分干燥后，纤维间的结合面积增大。然而，纤维的微纤维化虽然在精炼过程中明显，但对纸张强度的贡献被高估，因为即使去除这些微纤维，纤维间的结合强度几乎不变。这是因为干燥后，微纤维会塌陷，对强度贡献不大。

在纤维精炼过程中，实验室PFI 磨浆机是一种重要的设备。PFI 磨浆机采用先进的 PLC 编程智能控制系统，实现精准打浆控制。其高效打浆性能和封闭工作室设计，满足造纸及材料科学研究需求。PFI 磨浆机通过飞刀转子与磨盘的相对运动，对纸浆进行高效的解离、分丝帚化和匀整处理，以满足造纸及材料科学研究的需求。打浆度测定仪 用于测定纸浆的打浆度，确保打浆过程的精确控制。

三、氢键与纸张强度的关系及能量对比

氢键在纸张强度中起着重要作用，虽然其能量远小于共价键（氢键约为 5 千卡每摩尔，共价键为 111 千卡每摩尔），但在水分子与纸张纤维的相互作用中扮演关键角色。即使在纸张含水量约 5%-6% 的相对湿润条件下，氢键也能有效增强材料的结构稳定性。

四、淀粉衍生物在纸张生产中的应用及优化策略

淀粉衍生物，特别是阳离子淀粉，在纸张生产中具有重要应用。淀粉链与纤维素链具有相似性及差异，阳离子淀粉因其在纸张制造过程中的强化和表面处理作用而受到特别关注。通过调整其添加点，例如在流浆箱中，可以最大限度地提高长纤维上的附着量，从而增强纸张的强度。此外，淀粉衍生物在不同纸张制造阶段都有应用，包括在表面施胶中的作用。通过调整淀粉的电荷密度可以适应不同纸张机器的需求。同时，使用临时和永久性湿强剂可以进一步增强纸张的机械性能和耐久性。

在造纸过程中，PCD 颗粒电荷测定仪 和 Zeta 电位仪 是两种重要的设备，用于检测纤维和填料表面的电荷特性。PCD 颗粒电荷测定仪通过流动电势法和标准滴定液滴定方法来检测颗粒表面电荷密度，广泛应用于造纸、水处理等领域。Zeta 电位仪则通过测量 Zeta 电位来表征胶体分散系的稳定性，这对于优化化学品助剂的添加和控制纸机湿部系统具有重要意义。

五、纸浆和纸张制造中的纤维混合与优化

在纸浆和纸张制造过程中，混合软木和硬木纤维可以优化产品的强度和特性。软木纤维提供强度和耐破性，硬木纤维则增加柔软度和细腻度。原料中的木质素和半纤维素是关键成分，它们影响纤维的结构和性能。纤维结构中的糖分子链通过氢键连接，有助于纤维的吸水性、灵活性和在干燥过程中的粘合性，使得纸张可以多次循环利用，实现纸张的可持续制造。

六、纸张制造中的纤维压缩与纤维结构变化

在纸张制造过程中，纤维通过压缩和剪切作用产生内部分层（delamination）。细胞壁内的空腔坍塌以及纤维内部的微结构变化可以提高纸张的密度和强度。水分子在纤维间氢键形成中起着重要作用，强调了水分子在纸张结构和强度中的重要性。即使在干燥条件下，纸张中残留的水分子依然对纸张的结构和强度有显著影响。

七、淀粉和纤维素在造纸中的应用及改性策略

淀粉链与纤维素链在结构上有相似性和差异性，淀粉链在造纸过程中作为增强剂具有重要作用。通过改变淀粉的化学性质，如使用不同类型的淀粉（玉米、土豆、木薯等）和调整其电荷密度，可以优化其在纸张生产中的性能。添加共聚物和临时或永久性交联剂可以进一步增强纸张强度，适应不同造纸机的具体需求。

八、优化纸张强度的策略

为增加纸张强度，最有效的策略是在长纤维上添加强度增强剂，例如在 G 点或 F 点添加，避免在薄浆中添加，因为细小纤维会过多吸收增强剂而不能有效增加纸张整体强度。通过使用 实验室压光机，可以在纸张表面形成一层保护膜，增强纸张的抗水性、表面硬度和稳定性，减少表面灰尘并提升纸张的使用性能。实验室压光机主要由钢辊 / 聚脂辊和控制器组成。

此外，通过使用 实验室涂布机，可以对纸张进行精确的涂布处理，进一步优化纸张的表面特性。实验室涂布机集高精度涂布和数字化智能控制技术于一体，对机械结构、运行方式、测控手段和程序运算等关键要素进行全方位优化，满足不同纸张生产的需求。

九、纸张性能检测设备的应用

在纸张强度优化过程中，多种检测设备发挥着重要作用。纸张粗糙度测定仪 用于评估纸张表面的粗糙度，广泛应用于纸张制造和印刷行业。透气度测定仪 用于测试纸张的透气度，确保纸张在不同应用场景中的性能。撕裂强度测定仪 和 抗张强度测定仪 用于检测纸张的撕裂强度和抗张强度，确保纸张在使用过程中的耐用性。涂料保水值测定仪 用于检测涂料的保水值，优化纸张的涂布性能。

结论

通过了解木材和纸张的结构特性、优化纤维精炼过程、合理应用淀粉衍生物等化学添加剂以及采用有效的表面处理策略，可以显著提高纸张的强度和稳定性。这些优化策略不仅能够提升纸张的质量，还能满足不同应用场景对纸张性能的需求，为造纸行业的可持续发展提供有力支持。