紙頁結構的研究進展

龍愛云

（齊魯工業大學 輕化與環境工程學院；山東省重點實驗室, 山東 濟南 250353）

0 前 言

紙是一種特殊的材料，由纖維(主要是植物纖維)和其他固體顆粒物質(如填料、助劑等非纖維添加物)交織結合而成的、具有多孔性網狀物性質的特殊薄張材料通過纖維原料和非纖維添加物質的選擇和調配，施以相應的加工制造過程和方法，得到滿足多種用途需要的、具有相應性能(如物理、化學、強度、光學、印刷和電氣等)指標特點的種類繁多的紙制品。

紙張主要是由許許多多的植物纖維組成。據研究，一般單根纖維的重約為0.2μg，由此推算，對于一張普通的A4打印紙，如果忽略非纖維添加物質的存在，將會有2500萬根左右的纖維。鑒于植物纖維和非纖維添加物質的非均一性，由這些物質所組成的紙頁，必然存在著宏觀和微觀上的不均勻性，即具有隨機不均勻性的特點。紙頁具有復雜的結構性質，是因為紙頁是由多種原料成分構成的，不同的纖維原料(如植物纖維、合成纖維和礦物纖維等)，以及不同的非纖維添加物(填料、膠料和染料等)，構成了紙頁復雜的結構特征。紙頁結構具有三維空間上的非均一性和各向異性。非均一性主要表現在纖維排列方向，纖維各組分的分布以及非纖維添加物等構成了紙頁的特殊性質[1]。

紙張具有多相三維網狀物結構，并呈各向異性。隨著高檔文化用紙產品的增多、產量增大、高速紙機的大量投產和各種類型造紙化學品的使用，紙頁的結構特性產生許多復雜的變化。

紙頁的結構特性指的是與紙頁的物理結構相關的性能，如質量密度及其分布、紙頁的組分及其分布、紙頁的表面特性等。紙的結構特性對紙的質量、功能、加工性能和使用性能有很大的影響，是評價紙張質量的最基本指標。

1 紙頁的結構特點

紙張是一種非勻質材料，結構復雜。其結構特點可歸納為如下幾方面：

1.1 多相結構特點

紙張是以纖維作為主體的多相結構物質。由固相（纖維、填料等）、液相（水分）、氣相（空氣）組成。

1.2 三維結構性質

嚴格地講，凡是流動抄紙都有方向性，包括機械抄紙和手工抄紙。手工抄紙只是在方向性上弱一些。纖維在紙張的縱向、橫向及厚度方向上的排列存在著不均勻性，而使得紙張的物理性能三維各向異性。一般縱向的纖維排列較多， 紙張的縱向強度最大。

1.3 復雜的多孔結構

紙張的多孔結構由纖維交織成網狀而形成。多孔性與纖維的排列方向和纖維本身的結構等有關，如纖維排列的方向性強，則孔隙少；長纖維比短纖維所形成的紙張的孔隙多。紙張結構的多孔決定紙張的吸收性能、透氣度和平滑度等[2]。

1.4 纖維間有結合力

纖維素纖維上的羥基能相互形成氫鍵結合，使紙張具有一定的物理強度。這也是紙張形成的重要基礎。據研究，一般纖維內部的羥基由0.5%～2.0%能夠游離出形成纖維間的氫鍵結合，而98%以上的羥基是在纖維內部形成氫鍵而體現了纖維本身的強度。

1.5 兩面性

紙張在生產過程中，一般存在紙頁的正反面脫水、壓榨等的不均勻性，使網（底）面有網痕， 粗大纖維較多， 結構較疏松，表面粗糙；表面細小纖維較多， 結構較緊密， 紙張較平滑。從而使紙張的兩面性質不同，導致紙張存在兩面性能差別[3]。

2 影響紙頁結構和性能的主要因素

2.1 勻度

表示結構的均一性。也可定義為紙張各微細局部定量差別的穩定情況。通常指紙張在一定面積上的纖維和其他固體物質（如填料）的分布情況。一張勻度好的紙， 要求纖維和其他固體物質的分布有高度的均一性， 使紙的各個部分都具有相同的結構、組成和性質。勻度不好的紙張在深加工和最終使用時會碰到很多問題， 如平均強度低、印刷質量差和涂料量增加等。勻度是評價紙張結構和性質的一個重要指標， 也是紙張各項性能的重要基礎。

影響紙張勻度的主要因素:

（1）上網濃度；

（2）纖維特性；

（3）化學添加物；

（4）湍流作用。

2.2 抗張強度

表示紙張所能承受的最大張力。影響紙張抗張強度的主要因素：

（1）纖維間結合強度；

（2）纖維長度；

（3）纖維交錯情況；

（4）纖維本身強度。

2.3 耐折度

表示紙張在一定張力下， 抗往復折疊的能力。影響紙張耐折度的主要因素：

（1）纖維平均長度與纖維本身強度；

（2）纖維間的結合強度；

（3）伸長率；

（4）纖維柔韌性；

（5）水分。

2.4 耐破度

表示紙張在單位面積上所能承受的均勻地增加的最大壓力。影響紙張耐破度的主要因素：耐破度是抗張強度和伸長率的復合函數， 與紙張可伸長能力最低的那個方向的伸長率和平均抗張強度的乘積成正比。

2.5 撕裂度

表示紙張抗撕裂的能力。撕裂紙張所做的功包括把纖維拉開和把纖維拉斷兩部分。一般拉開纖維所做的功比拉斷纖維所做的功要大。影響紙張撕裂度的主要因素：撕裂度的大小主要決定于纖維的平均長度， 其次是纖維的結合力。

2.6 形穩性

表示紙張在水分變化時， 其尺寸的穩定性，是膠版印刷紙等紙種的一項重要指標。當紙張水分發生變化時能夠使單根纖維發生潤脹或收縮，使單根纖維形狀發生變化。單根纖維形狀的變化， 就引起纖維互相拉緊或推開， 導致紙張的形狀發生變化。潤濕時， 纖維直徑的增加遠遠大于長度的增加，以及由于纖維主要是縱向排列， 所以紙的橫向變形比縱向大。

影響紙張形穩性的主要因素：

（1）紙漿性質；

（2）緊度；

（3）化學品；

（4）干燥收縮。

2.7 不透明度

表示單張紙樣在“全吸收”的黑色襯墊上的反射能力， 是印刷紙、書寫紙、證券紙及一些工業用紙的一項重要質量指標。影響紙張不透明度的主要因素：

（1）紙張緊度；

（2）紙張組分。

2.8 表面強度

紙頁結構內各層之間的強度稱為“內結合強度”，而表面或靠近表面的強度則稱為“表面強度”。印刷紙面漿與主體漿之間的結合不良所造成的困難是眾所周知的，印刷時由于表面有一小部分被粘起而造成紙張的掉粉掉毛，就直接影響印刷質量和印刷操作。

影響紙張表面強度的主要因素：

（1）紙張緊度；

（2）漿料組分；

（3）干燥和壓光；

（4）表面施膠。

3 圖像分析技術在紙頁結構分析中應用的研究進展

傳統的紙頁結構分析技術， 只是對紙張X、Y向和Z向進行表面的觀察、測量和判斷，但對紙頁的內部結構與組成及其對成紙性能的影響卻無能為力。在微觀結構中， 紙張是一種三維立體的纖維網狀結構， 許多成紙或紙板的性質直接受到微觀結構的影響， 因此了解各種組分在水平和Z向上的形態和分布是非常重要的[4]。在紙頁中， 纖維、填料和孔隙的結構形態是不同的， 這種差異會直接影響到紙張的最終性質如表面粗糙度、抗壓能力以及不透明度和油墨吸收性能等[5]。

近年來， 隨著技術的進步和方法的改進，研究紙頁中纖維的結合狀態、填料在紙張中的分布、涂料滲透深度以及油墨滲透深度等問題時往往對紙頁的Z向進行掃描電鏡（SEM）觀察。目前掃描電鏡技術已經成為研究紙頁結構、分析成紙特性的重要手段[6]。

作為一種強大的圖像處理技術，IPP(Image-Pro-Plus)可視分析技術廣泛應用于生命科學、醫學、材料學、地質學、生物學等科研及現場檢驗中。在造紙工業中的應用卻不多，IPP可視分析技術是圖像處理技術中的一種，具有可視化、結果準確等優點[7]。

總的來說，圖像分析技術在造紙行業上的應用是通過三種方式來體現的：一是對紙頁表面圖像的分析，如勻度的測定、廢紙脫墨效果的評價、涂布紙涂層結構分析等；二是對紙頁Z向截面結構的分析，如填料顆粒大小及均勻程度，纖維與孔隙的分布等；三是對紙頁的三維立體結構進行分析，如對紙頁孔隙的三維結構進行分析、對纖維三維結構進行分析等。

3.1 圖像分析技術在紙頁表面分析中的應用

（1） 圖像分析用于勻度分析：紙的勻度反映紙頁中纖維及填料交織分布的均程度，是紙頁一個重要的物理指標。它不但影響紙的外觀，也影響紙頁的幾乎所有的物理和光學性質的平均值和數值的均一性。

自1995年起，東京大學生物材料科學系的T·Enomae和S·Kuga等人即開始這一課題的研究。他們將圖像掃描儀與一個透射單元結合作為光透射圖像的輸入設備，來代替傳統的CCD攝像機分析紙頁勻度。掃描儀以發射RGB三色光的氙熒光燈作為光源，透射(或反射)光被一個在線的CCD探測器鏡頭所收集。試驗以Kubelka-Munk方程為根據，測得的結果為紙樣的光學密度，從而得到評價紙頁表面勻度的勻度指數。

天津科技大學的傅其榮、胡開堂、譚國民[8]等人對藍桉APMP印刷紙紙頁結構與印刷適性進行了探討，分析了配抄紙頁的強度與光學性質。利用光透射技術通過圖像分析儀測定紙頁的勻度，并通過研究紙頁的油墨吸收性以及表面強度來評價紙頁的印刷適性。

（2）圖像分析用于涂布紙涂層結構的分析：近幾年，許多學者將顯微鏡和圖像分析儀相結合，以便得到紙樣的細微結構數據，據此表征紙頁厚度、粗糙度和多孔性等參數。挪威科技大學的Garry Chinga[9]和Tjorbjorn Helle等人嘗試將此方法用于評價和量化涂布紙和LWC紙的涂層細微結構。將由掃描電鏡(SEM)得到的二次電子圖像和背散射電子圖將通過閾值化和除雜點處理后，得到涂布紙頁表面細微結構電子圖像。對這種表面細微結構的描述和量化還有利于預測印刷過程中印刷油墨在紙頁表面的行為。

（3）圖像分析用于評價廢紙脫墨效果：掃描儀圖像分析系統有足夠的精度進行脫墨系統的漿樣分析，且由于其操作簡便，分析結果顯示直觀，所以受到使用者的廣泛歡迎。

美國某高校和某研究機構聯合開發了一種“脫墨紙樣分析儀”。該系統以桌面式掃描儀作為圖像輸入部件。掃描儀將測量區域上紙面不同的明暗程度轉變成不同量值的電信號送入微機。通過微機軟件的對比和處理后，確定出墨點的大小和分布情況，從而分析生產系統的脫墨效率。

3.2 圖像分析在涂布紙紙頁Z向結構分析中的應用

在微觀結構中， 紙張是一種三維立體的纖維網狀結構， 許多成紙或紙板的性質直接受到微觀結構的影響， 因此了解各種組分在水平和向上的形態和分布是非常重要的。在紙頁中， 纖維、填料和孔隙的結構形態是不同的， 這種差異會直接影響到紙張的最終性質，如表面粗糙度、抗壓能力以及不透明度和油墨吸收性能。

傳統的測量Z向上纖維和填料分布的方法有BILOIT紙頁噴射法[10-11]， 將紙頁快速噴射到有膠粘物質的狹縫中， 然后對形成的層狀物進行圖像分析和測量， 但這種噴射層的數量限制以及各層中測量試樣差異等原因， 精確度受到很大的限制。

最近， 由于技術的進步和方法的改進， 人們開始運用光學顯微鏡以及SEM電鏡和相關的圖像分析軟件來分析紙張的平面結構[12-15]， 取得了良好的效果。但是這種方法不適合直接運用到紙頁Z向各種組分形態分析與分布情況[16-17]。這主要是因為對一個非常薄的紙頁進行紙張結構的測量是非常困難的， 不能描述沿著向橫截面上紙頁的結構特征。其他的許多研究者利用光學顯微鏡對紙張切片進行研究， 也取得了不錯效果， 但是其精確度受到切片厚度的影響[18]。

Rafik和Allem等人[19-20]在前述方法的基礎上，利用SEM電鏡和圖像分析技術對紙頁橫截面進行分析。通過SEM電鏡進行圖像采集，然后利用分析軟件對采集的圖像進行分析處理，從而獲得紙頁Z向結構的信息，也可用于分析涂料的勻度、涂料在基紙中的滲透與遷移情況、基紙中填料與空隙的分布以及基紙中纖維的組成與特性等[21]。

王倫和韓卿[22]利用Image-Prop lus圖像分析技術量化分析紙頁Z向上纖維、孔隙以及紙張所含的填料的分布情況，準確測量出分布在紙張Z向不同深度上纖維以及細小纖維的長度、寬度和周長，檢測出在紙張Z向各層的孔隙尺寸、孔隙數量和所占面積比率，同時，還分析了填料在紙張Z向上的分布特性，如填料顆粒的面積、Z向各層中填料的含量和密度等。

利用該種圖像分析技術可通過量化的方式準確、客觀地反映出紙張Z向的結構及各種組分含量在Z向的分布，為研究紙頁的Z向結構與構成對成紙性能的影響提供了一種有效的方法。這種紙頁結構圖像分析技術客觀地反映了紙張內部結構及其各種組分含量的分布。該方法不僅可以用于紙張結構Z向分析，也可以用于評價紙張涂層的截面結構，對涂布紙涂層、各種組分的分布、粒子形態以及含量等進行定量分析。

3.3 圖像分析技術在紙頁3D結構分析中的應用

紙頁是由纖維、細小纖維和填料組成的復雜的網狀結構。結合顯微儀器、圖像分析方法和紙頁結構模型理論，可以研究微觀范圍的三維紙頁結構，以及它對紙頁宏觀物理性能的影響。挪威科技大學和挪威制漿造紙研究學會的幾位學者用相襯微觀X線斷層攝影儀來獲取紙頁三維結構的掃描圖像。

3.4 小結

由上面的介紹可知，紙頁結構圖像分析技術比較客觀地反映了紙張內部結構以及各種組分含量的分布， 逐漸成為人們分析紙張Z向結構的有力工具。 該方法不僅可以用于紙張結構Z向分析，也可以用于對涂布紙涂層、各種組分分布、粒子形態以及含量等進行定量的分析和測量， 從本質上揭示了不同配方的涂料與成紙性能的關系， 為人們改進配方、改善紙頁特性、降低成本提供了理論支持。隨著科學技術的發展，相信通過不斷的發展和完善， 這種新的技術一定可以有更加廣泛的應用，會有越來越多的新的計算機圖像分析技術應用于紙頁結構的分析與檢測，為我們的科學研究提供便利和幫助。它的發展前景十分廣闊。

4 結束語

紙頁結構的研究一直是制漿造紙學科中研究的基本學科。從紙頁的宏觀結構到微觀結構，從二維的微觀平面到三維結構對Z向結構的研究將傳統造紙行業的發展推到了一個新的高度。近年來，在紙頁結構的研究過程中引入了高科技的計算機技術推動了對這一領域的深入研究與發展，相信不久的將來對紙頁的研究將會越來越透徹，進而對整個造紙行業產生重大影響。

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