第1篇第1章纸包装材料1-2节

第一篇纸包装材料第一章包装用纸与纸板纸质包装材料包括纸、纸板及其制品，它们在包装材料中占据着主导地位。使用总量占包装材料的40%以上。复印纸拷贝纸1.纸和纸板原料丰富、价格低廉，容易形成大批量生产。2.纸容器具有一定的刚度和强度、较好的弹性、韧性、重量轻。既可大规模地机械化生产，也可较小规模的非机械化以至手工生产，纸容器的折叠性能优异，便于运输。用纸板做成的包装容器，瓦楞纸箱的弹性明显优于塑料制品及其他包装材料制成的容器。3.纸是优良的复合材料基材，同时也可以通过加工得到特殊的功能。4.纸制品有卫生、无毒、无味、无污染的特点。能根据不同的商品设计出各式各样的包装。5.纸与纸板具有良好的吸收油墨与涂料性能，印刷性能良好，字迹、图案清晰、牢固。6.纸容器可以回收利用，废弃物易处理，不产生污染。§1.1造纸原料及其对纸性能的影响

一、原料种类1、木材纤维

针叶木：杉、松、柏等阔叶木：杨木、桦木、桉木等2、非木材纤维

种毛纤维：主要是棉花、木棉等韧皮纤维：麻纤维，如亚麻、大麻、黄麻等树皮纤维：如檀皮、桑皮、楮皮等禾本科纤维：竹子、芦苇、龙须草等

二、植物纤维原料的性能（一）造纸植物纤维原料的质量

纤维形态：长度（mm）、宽度（µm）、长宽比（必须大于30的纤维细胞原料才能造纸）、长宽比越大、均一性越好、壁腔比小于1，是造纸好原料。化学成分的含量：纤维素含量越高（必须大于40%的纤维细胞原料才能造纸），半纤维素适量（11%），木质素越少，是造纸好原料。杂细胞的含量

造纸原料中非纤维细胞称杂细胞，含量越少越好。

电子显微镜视野下针叶木纤维针叶木管胞

（二）造纸植物纤维原料质量比较：棉纤维（含破布纤维）>麻纤维

>树皮纤维

>针叶木纤维>阔叶木纤维>禾本科多年生竹纤维＞一年生草类纤维

造纸植物纤维原料质量比较表

种类长度（mm）长宽比纤维素（%）木素（%）杂细胞（%）种毛纤维12~231250>90--麻12~35>100060~831~15极少树皮3.5~15300~80038~64木材纤维0.9~460~10040~6017~3215~30禾本科纤维0.9~270~20024~6012~3440~60(竹:20~30)三、造纸植物纤维化学成分与组成

1、纤维素(cellulose)

（1）纤维素的化学结构C2C3C4位仲醇羟基C1位甙羟基1，4-β-甙键14C6位伯醇羟基纤维素是由若干个β-葡萄糖(β-glucose)脱水聚合形成的直链高分子化合物，前一个β-葡萄糖上C1的（－OH）和后一个β-葡萄糖C4上的（—OH）脱去一个H2O，以氧桥即甙键（—O—）相连。纤维素分子式（C6H10O5）n,其中C6H10O5为葡萄糖基，n为聚合度，n表示纤维素长度。n越大，链越长，甙键越多，纸张纤维强度越好。

C2C3C4位仲醇羟基,可以发生氧化、酯化、醚化反应，分子间形成氢键，易吸水、润胀、接枝共聚。C1位甙羟基，具有潜在还原性。易断裂而使纤维大分子降解。（2）纤维素的物理结构

结晶区（稳定区）非结晶区（不稳定区）空隙(1~10nm,最大100nm)氢键的形成氢键的形成，纤维素分子间成千上万个氢氧基靠近到2.6nm的距离内时，一个纤维素分子链上（－OH）中的H原子与另一个纤维素分子链上（－OH）的O原子互相吸引形成氢键。靠静电引力相结合（OH······O）。氢键以虚线表示。分子链越长，氢键结合越多，键能总和越大对纸张强度贡献越大。晶区的形成：由于氢键的作用，若干个纤维素分子排列整齐有序，相互靠的很近，形成的结晶状态称为结晶区。结晶区内有害物质和水分难以侵入，纤维素分子不易产生有害反应，提高纸张稳定性。

（3）纤维素的化学性质

纤维素水解纤维素分子在一定条件下与水发生加水分解反应，ß-葡萄糖1.4甙键(C1—O)断裂，水分子加入，生成比原来纤维素分子链短的一群物质，即水解纤维素的过程。影响纤维素水解的因素有：

水分（空气湿度或纸张含水量）、酸的催化能力与种类、微生物分泌的胞外酶、温度、纤维的种类。纤维素水解反应的危害：分子聚合度下降，分子间范得华力和氢键作用力减小，纸张机械强度下降，耐久性受损。

纤维素水解

纤维素氧化纤维素氧化反应概念：纤维素分子在一定条件下分子上的—OH被氧化剂氧化生成含—CHO、—CO、—COOH等，生成与原来纤维素结构不同的氧化纤维素的过程。影响纤维素氧化的因素有：氧化剂的种类与数量、光、水分（空气湿度或纸张含水量）、温度。纤维素氧化反应的危害：氧化纤维素是一群泛黄、易脆物质的总称，随着—OH氧化ß-葡萄糖1.4甙键(C1—O)容易断裂，引起氧化降解，聚合度下降。葡萄糖基进一步氧化生成乙醛酸、甘油酸、草酸等小分子物质。

纤维素的光解光降解(photolysis)光氧化降解(photo-oxilysis)光敏降解(photo-sensilysis)半纤维素(hemicellulose)

（1）半纤维素的结构半纤维素是由木糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖等非均一单糖脱水聚合形成的高分子化合物。聚合度较纤维素小，有支链。分子间除了有C1

和C4的—OH脱水外，还有C1和C6的—OH脱水形成的甙键相连。（2）半纤维素的性质与纤维素相比，容易发生水解、氧化和光解反应。难以产生氢键和结晶区，从而容易溶于碱溶液。容易吸水膨胀，呈现粘滑性。半纤维素的稳定性要比纤维素差。（3）半纤维素的作用吸水润胀性便于打浆，易使纤维解离；适量的半纤维素可以提高纸张强度。

木素(lignin)（1）

木素的结构木素是由十多个或二十多个苯基丙烷为结构单元相互连接而成的三维空间立体网状高分子化合物，上面有许多活泼基团，如—OH、—CH3O、—CHO、—COOH、—C=C—等。

（2）

木素的性质溶解性：不溶于水，常温下不溶于稀碱、稀酸溶液，高温下能与一定浓度的酸和碱作用而溶解，如碱木素、磺化木素均溶于水，化学纸浆去除木素以此为原理。氧化性：功能团化学性质不稳定，反应能力强，容易形成氧化木素，氧化后苯环结构受到破坏，生成大量低分子化合物，纸张发黄、发脆、易碎。

四、植物纤维细胞的结构

细胞腔和细胞壁。细胞壁有一定厚度，又分为初生壁、次生壁(外、中、内三层)两个相邻纤维细胞之间的细胞间隙质，称为胞间层。胞间层把各个相邻细胞连接起来，使植物有一定机械强度，胞间层与初生壁在一起合称复合胞间层。

木材纤维原料

§1.2纸和纸板的生产过程

机械造纸生产的一般流程：原料→备料→机械磨浆或化学蒸煮→洗选→漂白→打浆→加填和调料→抄纸→整理→产品

蔡伦改进造纸技术

一、制浆(pulpifying)

制浆就是从造纸植物纤维原料中初步解离出纸浆纤维的过程。（一）机械法制浆机械法制浆是利用机械力使木材和草料与刻有纹道的转动磨石摩擦生热，把纤维剥离出来的过程，所得的浆称为磨浆或机械浆(mechanicalpulp)。按原料不同，又可分为机械木浆和机械草浆。1．机械法制浆优点：（1）纸浆得降率高，因为原料中所有成分几乎都保留下来了；（2）成本低，因为制浆的设备和工艺都比较简单；（3）生产出的纸张吸墨性好，不透明度高，平滑柔软，适宜印刷；（4）不用化学药品，不污染环境。2．机械法制浆的缺点：（1）法制成的纸张容易发黄，因为纸质中几乎保留了原料中全部的木素，而木素容易发生氧化和光解，造成纸张发黄和强度下降；（2）由于机械浆的纤维粗而短，不利于相互交织，生产的纸张强度低。

（二）化学法制浆把植物纤维原料与一定浓度的碱(NaOH)或酸(NaOH、Na2S)一起蒸煮而分离纤维，尽可能去除木素和大部分半纤维素，所得的浆称为化学浆,分碱法和酸法两类。1．化学制浆法的优点：在分离纤维的同时能去除原料中的木素和非纤维素杂质，所以化学纸浆中的纤维素量高，成纸强度大，不宜发黄，耐久性好。2．化学制浆法的缺点：在制浆过程中使用酸、碱化学物质，纤维素受到破坏，聚合度下降；同时，这些酸碱化学物质残留在纸张中，尤其是残留的酸催化纤维素水解反应会严重影响纸张的耐久性（酸降解）。

二、漂白(bleaching)漂白是用各种漂白剂去除有色物质，获得洁白的、具有良好物理和化学性能的纸浆。还原漂白和氧化漂白两大类1.氧化漂白：用氯、次氯酸盐和二氧化氯等氧化剂处理纸浆，能脱去木素和其他有色物质、化学基团而使纸浆变白。氧化漂白对纸张的影响：（1）在氧化漂白过程中，纸张中的纤维素和半纤维素也会发生氧化，导致纸张强度下降；（2）氧化漂白剂残留在纸张中，对纸张中的纤维素、半纤维素起氧化作用，存在一个内在有害因素。2.还原漂白利用还原性漂白剂（H2O2,Na2O2）使发色物质分子上的发色基团变为无色基团。优点在于不使纤维受损，保持其特性。缺点无色基团稳定性有限。三、打浆(beating)打浆就是用机械方法来处理悬浮在水中的纤维及纤维束，使纤维的形状及物理性质发生改变，如直径变小、表面积增大、具有柔软性和可塑性等。打浆是植物纤维润胀、疏解和分丝的过程。

打浆的优点：

1）经过打浆后，纤维束疏解成单个纤维细胞，单个纤维细胞又进一步分化成细纤维和微纤维，得到的纤维不但细软，而且增加了纤维的表面积，增加了纤维和纤维之间的交织面积，表面交织力大大增加，所以能够提高纸张的耐折度、耐破度和抗张强度，同时增加了平滑度、挺度。

2）纤维疏解和分丝后，纤维表面暴露出更多的氢氧基，同时柔软性提高后氢氧基更易接近，这样纤维间可以形成更多的氢键，从而提高纸张的强度和紧度。

打浆的缺点：降低纸的撕裂度、不透明性，增加了纸的收缩性。四、施胶(sizing)（一）施胶的概念施胶是指在浆料中加入抗水性的胶体物质和沉淀剂，经过沉淀和干燥成膜的生产过程。施胶能提高纸张抗水能力，从而保证书写时墨迹不扩散。内部施胶：胶料加在浆料中再上网成纸，一般用松香胶和明矾。表面施胶：胶料涂布在纸张表面刮成一层薄膜。（二）胶对纸张性能的影响：1.沉淀剂明矾的主要化学成分是硫酸铝，硫酸铝遇水会发生水解产生硫酸，从而增加纸张的酸度，Al2(SO4)3+6H2O→2Al(OH)3+3H2SO4;2.松香本身是一种弱酸物质，会给纸张带来酸；3.加入松香后会使纸张发黄；4.明矾中的金属离子（如铁离子等），是光敏剂，在光化学反应中起光敏作用，会促使纤维素的氧化，纸张发黄。5.胶料会影响纤维之间的结合，降低纸张强度。五、加填(loading)加填就是在浆料中加进一些基本不溶于水的白色细小矿物粒子，填补纤维之间孔隙，从而改善纸张的适印性、平滑性