纤维结合机理与纸张物理强度

一般而言，纸张强度主要取决于单根纤维的强度、纤维大分子之间的结合强度以及纤维之间的排列和交织。其中，纤维间的结合力决定着抄造纸张的物理强度性能。目前，常规认为纤维的结合力有4种：氢键结合力；化学主价键力，即纤维素分子链葡萄糖基之间的化学键力；极性键吸引力，即纤维素大分子之间的范德华吸引力；表面交织力，即长纤维分子链的空间交织力。其中，主价键力取决于纤维素大分子的聚合度，因为打浆不易引起纤维素大分子的降解，因此，主价键力基本保持不变；极性键吸引力来源于范德华力，键力较弱，对纤维结合力的影响很小；表面交织力，主要是通过纤维分子链之间的空间交织，增加分子链之间的氢键的数量，提高纤维之间的结合力；氢键结合力是影响纤维间结合力的关键因素，打浆的主要目的之一就是增加氢键结合力，从而提高抄造纸张的物理强度。

氢键理论是目前普遍认同的氢键结合力的机理。氢键理论认为，水分子与纤维大分子中的羟基极易形成氢键。纤维细胞壁在机械剪切和摩擦力作用下，微细纤维、原细纤维的比表面积增加，纤维表面产生大量游离羟基，通过偶极性水分子与纤维形成纤维-水或者纤维-水-纤维的松散连接的氢键结合，促进了纤维表面的吸水性能。当纸料纤维体系的水分子含量较多时，单根纤维悬浮在水中，表面形成纤维羟基-水的强氢键结合；当纸料纤维体系的水分子含量减少到一定量时，纤维大分子间的距离缩短，逐渐形成纤维-水-纤维连接，并将羟基组成适当的排列，形成水桥，如图2-5所示。当纤维体系中的水分子进一步减少时，纤维受水的表面张力作用，使纸幅收缩，纤维之间进一步靠拢，当相邻的两根纤维的羟基距离缩小至0.26～0.28nm时，纤维素分子中羟基的氢原子与相邻纤维羟基中的氧原子开始形成O—H…O连接，形成氢键结合，如图2-5所示。正是这种氢键结合力把纤维与纤维结合起来，使纸页具有了强度。

图2-5 水桥连接的单层水分子形成的氢键结合(www.xing528.com)

纤维素分子每个链接含有3个羟基，漂白浆的聚合度（DP）一般在800以上，即每个纤维素分子至少含有2400个游离羟基。但是，并不是所有的羟基都能形成分子间的氢键结合。实际上，纤维内部的羟基只有0.5%～2%能够形成分子间氢键结合，而98%以上的羟基是以结晶或定形区的形式组成氢键结合，它只能体现单根纤维的强度。而只有形成纤维之间的氢键结合，才能体现纸张或纸板的强度。

因此，一般认为，纤维在打浆过程中吸水润胀和细纤维化，都会使纤维的游离羟基增加，水化作用强，使纸页在干燥过程中，纤维收缩作用大，促进了纤维间的氢键结合，从而提高了纸张物理强度。而当形成纤维分子间氢键结合的干纸页侵入水中时，由于纤维分子间的氢键结合到水分子的水化作用，致使纤维间的氢键转化为单根纤维与水分子之间的水桥结合，所以纸张强度降低或消失。