施胶机理及其影响因素

从液滴在纸面上构成三相状态三相交界处的受力情况（如图3-1所示）可以看出，当液滴在纸面上达到平衡时，附着力与内聚力的关系可以表示为：

图3-1 液滴在纸面上三相交界面的受力情况

其中γ_SV为固气界面的表面张力，即纸面对液滴的附着力；γ_SL为固液界面的表面张力，γ_LV为液气界面的表面张力，θ为三相交界处液滴切线与纸面的夹角，即液固两相间的接触角。当θ小于90°时，液体即可润湿固体表面；当角度更大时，润湿现象不会或不易发生。在某些重施胶的状态下，接触角可达130°～140°。

式（3-1）为扬氏方程式（Young's equation），只适用于绝对平面的情况下，而此情况显然在自然界是不存在的，因此也不适用于纸张。实际情况中，接触角不易准确并且取决于测量方法。施胶过程就是用表面自由能较低的胶料定着在纤维表面以降低纸面与液滴间的表面张力，增加纸页与液滴间的界面接触角，以达到降低纸面附着力，而取得抗液性能的。

由于纸张表面的不平整，纸张的粗糙度对液体和纸张间的接触度有着重要影响。通过引入一个粗糙度的影响系数r，即所述对象的真实表面积对表观表面之比，可将实际接触角（θ）与表观接触角（θ_表观）建立以下数学关系：

从式（3-2）可以看出，当实际接触角大于90°时，随着纸张粗糙度的增加，表观接触角也会相应增大，然而当实际接触角小于90°时，情况相反，如图3-2所示。

图3-2 表观接触角随纸张粗糙度影响系数变化的规律图(www.xing528.com)

液滴能否在纸面产生扩散使纸面润湿主要取决于纸面对液滴的附着力和液滴本身的内聚力之间的平衡关系，当附着力大于内聚力则产生扩散，反之内聚力大于附着力则液滴不扩散而呈珠状。在液体渗透的过程中，纤维网状结构在开始会因为纤维键的断裂及纤维的润胀而扩张，接着纤维会吸附液体从而发生一系列的变化。促使毛细管传输的动力就是毛细管压力（p_c），根据Young-Laplace方程：

可知，当液体与纸张间的接触角大于90°时，毛细管压力为负值，此时会阻碍液体进入孔隙中，然而气相中的水传质是不受纸张与液体间表面张力影响的。对于抗水性纸张而言，气相中的水传质是其涉及的重要机制，同时也涵盖了纤维间的扩散及渗透。当纸张被施胶后，液体的传输会受到很大影响。当抗水性的施胶剂用量很高时，任何液态渗透过程都很难发生。添加0.7%的松香型施胶剂时，毛细管压力已经为负值，液体在纸页中的运输机制仅涉及扩散。

从以上讨论的结果可知，液体渗透至纸张内部主要有两个途径：通过纸张内部的纤维间的孔洞渗透至内部，此种方式的渗透是由毛细管压力促进的；另外是纤维内部的渗透过程，是由纤维内部的水分扩散造成的。因此，在未施胶或部分施胶的纸张中，液体传输是由多种因素决定的，如液体黏度、液体压力、纸张孔径以及纸张与液体的接触时间。通过可减小孔径的物理改性方式，如减少纸张孔隙率或增加纸张的表面密度，可降低纸浆润湿的速率并增大渗透阻力，而在未施胶的纸张中，纤维间和纤维内部的液体渗透速率都非常快。

在高施胶度的纸张中，液体的渗透过程仅取决于纤维内的液体传输，与液体的黏度无关，因此影响黏度的液态主体不能渗透至纤维细胞壁内，而水体的运输是由纤维与纤维之间的连接键所决定的。因此理论上，打浆程度高的纸浆应该可促进表面上的水溶解扩散至内部，然而实际上，由于纤维润胀打开了纤维间的空隙，从而可通过毛细管作用力促进液体传输。因此，孔径较小的纸张结构更为有利。

大多数施胶剂均可作为乳化剂和分散剂，从字面上来看，它在含有连接键的纤维间不可以扩散和迁移，而这些连接键是未被施胶的。当这些连接键断开时及当纤维开始润胀时，水会通过毛细管扩散至以上区域。比如在机械浆纸张中，其自身固有的纤维结构会造成难施胶，原因在于纤维与纤维间的连接键断开时，纤维结构释放出的残余压力会造成具有较高表面能的表面从而阻止了水的传输。在高施胶度的纸张中，加强湿强会有助于防止纤维润胀。