§111造纸原料及其性能

1第一篇纸包装材料第一章包装用纸与纸板第一章包装用纸与纸板2纸包装的发展•1852年，美国人弗朗西斯·沃勒发明纸袋机。•1871年美国人艾伯特·琼斯制成单面瓦楞纸板，在此基础上不久便出现了瓦楞纸板箱。•1879年美国人罗伯特·盖尔发明制造折叠纸盒的模切压痕机，•1888年，法国人路易斯·埃伯朗又完成了折叠纸盒的联机生产，使纸盒生产达到了高度的机械化和规范化，大大提高了生产效率和质量。第一章包装用纸与纸板3纸包装材料的发展•进入20世纪，随着包装工业、印刷工业和加工纸技术的不断发展，如今以纸和纸板作为基材，进行各种涂布、浸渍、复合加工，制造出具有各种性能的包装用纸和纸容器。•目前，纸和纸板在各种包装材料中已成为使用最为广泛，品种最多，用量最大的包装材料，在很多国家中纸包装材料在包装材料中所占比重已近50%。第一章包装用纸与纸板4未来纸和纸板的品种•高产值的涂布加工纸（铜版纸、涂布白板纸等）、•特种功能纸（如耐水、耐湿、耐高温、耐低压、耐低温的特殊包装纸，•高强度低定量的纸及纸板，•各种纸包装容器（如多层的重型瓦楞纸，各种纸杯、纸罐、纸袋等）也将有较大的发展。第一章包装用纸与纸板5纸包装废弃物不会污染环境，易于回收利用。纸容器的原始材料——植物纤维，在自然界可以循环再生，取之不尽，用之不竭。因此，纸包装可以称为绿色包装和可持续发展的包装。纸和纸板包装材料无毒、无味、无污染。•1．价格低廉。纸包装材料的特点纸和纸板的原料丰富而广泛，易进行大批量、机械化生产，成品价格低廉。用木材制成纸板箱，每制1吨包装纸板用3-4m3木材，可以代替10一12m3木材制成的木材包装箱，降低二倍的板材消耗。•2．优良的机械性能纸箱与其他材料的包装容器相比，抗冲击性强，又隔热、遮光、防尘、防潮，能很好地保护内容物。•3．表面适印性能好•4．运输费用低•6.再加工性能好纸和纸板易于裁剪、折叠、粘合、钉接，既适于机械化加工和自动化生产，又利于手工生产。通过浸渍、涂布、层合、真空镀膜等方法对原纸进行加工，可以得到的加工纸具有比原纸更好的防潮、隔气、遮光、耐油、保香等保护性能，并可以进行热封合。•5．符合包装卫生要求•7.纸包装容器可以回收再生利用纸箱的重量轻，只有木箱包装毛重的15%左右，但是纸箱可折叠，占用空间小，装载和捆扎简便易行，既利于搬运和保管，又可以降低运输费用。第一章包装用纸与纸板6§1.1造纸原料及其对纸性能的影响第一章包装用纸与纸板7一、造纸植物纤维原料的种类•造纸原料的要求：作为造纸原料必须具有抄纸的经济价值，就是说纤维的含量高，提取加工要容易。•目前造纸工业所应用的植物纤维原料是根据原料的形态特征、来源和行业习惯来分类的。•1.木材纤维原料•2.非木材纤维原料第一章包装用纸与纸板81.木材纤维原料其树叶多呈针状。•以杉、松类树木为主。•造纸业最常用的是云杉、冷杉、铁杉、落叶松、马尾松、湿地松、火炬松等。其树叶宽阔。•造纸工业使用最多的是阔叶木中材质相对较软的一些材种，如杨木、桦木、枫木、桉木、榉木、槭木、楹木等。（1）针叶材原料(2)阔叶材原料第一章包装用纸与纸板92.非木材纤维原料•非木材纤维原料品种繁多，主要是一年生的农业废料、自然生长或人工栽培的禾本科植物。•（1）禾本科纤维原料主要有竹类、芦苇、荻、芦竹、甘蔗渣、稻草、麦草等。我国主要以竹、芦苇、获、甘蔗渣及麦草等。•（2）韧皮纤维原料包括麻类纤维原料（如红麻、大麻、黄麻、青麻、芒麻、亚麻、罗布麻等）和树皮类（如桑皮、檀皮、雁皮、构皮、棉秆皮等）两类。•（3）种毛纤维原料主要是指棉花、棉短绒以及棉质破布等。•（4）叶部纤维原料植物的叶子含有大量的纤维，具有造纸价值，如龙须草、香蕉叶、龙舌兰麻（如剑麻、灰叶剑麻、香麻等）以及甘蔗叶等。第一章包装用纸与纸板10二、植物纤维原料的性能•原材料纤维对纸和纸板性能的影响从纸和纸板的成形机理及性能分析来看，纤维细胞越单一，细胞壁越薄(即壁腔比越小)，纤维越长，越有利于生产出强度较大的纸和纸板，因此针叶木适合于生产纸袋纸、牛皮纸、牛皮箱板纸等强度要求较大的纸或纸板。第一章包装用纸与纸板11二、植物纤维原料的性能名称纤维细胞非纤维细胞特点包装应用管胞/细胞木质部（横截面积）管胞长度管胞直径木材纤维针叶木93%以上3~4mm0.03mm木射线管胞、木射线薄壁细胞纤维细胞粗而长；细胞比较单一，杂细胞非常少；纸和纸板强度大。纸袋纸、牛皮纸、牛皮箱板纸阔叶木60%左右1.0mm针叶木的1/2~1/3同上10%易破碎导管约30%纤维细胞细而短；杂细胞非常多；纸和纸板强度较低。表面平滑透明度低强度较低非木材纤维禾本科尖削状1.0~1.5mm10~20μm较多纤维细胞细而短；杂细胞非常多；纸和纸板强度很低。强度要求不高的普通文化纸低档包装纸二次纤维废纸混合纤维，成分复杂强度降低，且处理较复杂。第一章包装用纸与纸板12三、植物纤维原料的化学成分•植物是由纤维素、半纤维素和木素三种主要组分构成，此外还含有单宁、果胶质、有机溶剂抽提物(包括树脂、脂肪、蜡等)及色素等少量组分。第一章包装用纸与纸板131.纤维素•纤维素是植物纤维原料最主要的化学成分，也是纸浆、纸张的主要化学成分。纤维素含量的多少是评价原料制浆造纸价值的基本依据，也是决定纤维特征的主要因素。第一章包装用纸与纸板14•纤维素：（C6H10O5）n，链状结构。天然纤维素是由许多D-吡喃式葡萄糖基相互以1，4-β甙键联接而成的多糖。•聚合度n越大，纤维素分子链越长，纤维素物质的强度就越高。•纤维素大分子中的每个基环上有三个烃基（C2、C3为仲醇羟基，C4为伯醇羟基）为亲水基，可以发生氧化、酯化、醚化反应，分子间形成氢键、吸水、润胀以及接枝共聚等。（1）纤维素分子结构•甙烃基上的氢原子容易转位，与氧环的氧结合，使环式结构变为开链式结构，因此第一碳原子便变成醛基，故甙烃基具有潜在的还原性。•由于甙烃基的存在，纤维素大分子对水解作用的稳定性降低，在酸性介质中与水作用，可使甙键断裂，纤维素大分子降解。第一章包装用纸与纸板15（2）纤维素的物理结构•在结晶区，纤维素大分子的排列具有完全的规则性，由纤维素分子结合成长链段，不易为溶液或反应剂渗透。•非结晶区又称无定形区，纤维素分子链排列的规则性比较差，一般取向大致与纤维轴平行，结合的较为松弛。易于被溶液渗透，对水解反应敏感。•结晶区与非结晶区之间没有明显的界限。•纤维素分子链很长，一个纤维素分子链可穿过几个结晶区和无定形区。第一章包装用纸与纸板16（3）氢键•纤维素大分子之间以及分子内存在大量的氢键，氢键的能量为21-33J/mol，随形成氢键的原子间的距离而变化。•纤维素分子链的聚合度很大,假如所含的烃基都能形成氢键，则分子间的作用力将非常大。•氢键的破裂与重新生成对纤维素物料的性质有重大的影响，尤其对纤维素的吸湿性、溶解度有很大影响。第一章包装用纸与纸板17(4)纤维素的化学性质•纤维素最主要的化学性质是降解与氧化，降解主要是酸性水解和碱性降解。•纤维素大分子的甙键对酸的稳定性很低，在适当的氢离子浓度、温度下，它将发生部分水解降解或发生完全水解，形成D-葡萄糖。•纤维素醇羟基的存在使其可能发生酯化和醚化反应。•通过酯化和醚化反应，可以改善纤维素的性质，制造出工业上很有价值的纤维素衍生物，例如:硝酸纤维素、醋酸纤维素、甲基纤维素等。第一章包装用纸与纸板182·半纤维素•半纤维素是由不同量的几种糖组成的共聚物。•常见的几种糖有D-木糖、D-甘露糖、D-葡萄糖等。•其结构比较复杂，通常是以一种或两种糖基构成主链，其它糖基或基团形成支链。•如在阔叶木中存在的两种主要半纤维素:聚木糖类和聚甘露糖类，它们分别是由木糖基和甘露糖基构成主链，侧链上连有其它糖基或基团。如聚氧-乙酰基-4-氧-甲基葡萄糖尾酸木糖：•A为氧乙酰基，GA为葡葡糖尾酸基，Me为甲基，Xβ代表β-D-吡喃式木糖基。第一章包装用纸与纸板19纤维素与半纤维素的区别•与纤维素比较，半纤维素分子最小，有支链，因此稳定性较差，易吸水润张。对纸浆的性质、加工性能有一定的影响。•为了提高木材利用率，半纤维素在一般的制浆方法中是尽量保留的物质。第一章包装用纸与纸板203.木素•木素是由苯丙烷结构单元构成的具有三维网状结构的天然高分子化合物，广泛存在于木化植物中。•各种植物原料的木素的化学结构是不同的，因此，木素这一名词是代表植物中具有共同性质的一类物质。第一章包装用纸与纸板21（1）木素的结构•木素结构单元通过醚键和碳碳键连接，形成空间网状结构的木素大分子。第一章包装用纸与纸板22(2)木素的化学性质。•木素在植物中主要存在于纤维和纤维之间的胞间层与细胞壁的微细纤维间，作为“胶粘剂”和“填充剂”。•木素是原料颜色的主要来源，其含量多少是制定蒸煮及漂白工艺条件的重要根据。•对一般白度要求不高或无要求的纸种如水泥袋、瓦楞纸袋等，在符合产品质量的前提下，可以尽可能的多保留木素，以提高纸浆得率，降低成本。•在化学制浆时，木素是要求除掉的物质。•从结构来看，木素中有些键比较稳定，有些键较易参与化学反应，与不同种类的化学试剂作用，可以发生亲核反应，亲电取代反应和氧化反应。第一章包装用纸与纸板234.抽提物•包括一部分无机盐、糖类、植物碱、单宁，色素、淀粉、果胶质、脂肪和脂肪酸、树脂和树脂酸、萜烯化合物、酚类以及醇类等物质。•这些物质大多溶于水或有机溶剂，在制浆过程中绝大部分已被去除，或作为副产品回收，它们对造纸影响不大。•这类物质可被有机溶剂如苯、乙醇、乙醚，或水、氢氧化钠抽提出来，故总称为抽提物。第一章包装用纸与纸板24纤维素、半纤维素、木素的区别•纤维素（C6H10O5）n由D-吡喃式葡萄糖基组成的多糖，分子量很大，直链。分为结晶区和非结晶区。在结晶区，纤维素大分子的排列具有完全的规则性，由纤维素分子结合成长链段，不易为溶液或反应剂渗透。非结晶区纤维素分子链排列的规则性比较差，一般取向大致与纤维轴平行，结合的较为松弛。易于被溶液渗透，对水解反应敏感。结晶区与非结晶区之间没有明显的界限。纤维素分子链很长，一个纤维素分子链可穿过几个结晶区和无定形区。稳定性较好，不易吸水润张，是影响纸浆的性质、加工性能的主要成分，制浆过程中要保留的物质。•半纤维素是由不同量的几种糖组成的共聚物，分子量小，有支链，因此稳定性较差，易吸水润张。半纤维素在一般的制浆方法中是尽量保留的物质。•木素广泛存在于木化植物中，它是由苯丙烷结构单元构成的具有三维网状结构的天然高分子化合物。在化学制浆时，木素是要求除掉的物质。第一章包装用纸与纸板25四、纤维结构•木材纤维细胞沿树木轴向紧密排列着，两相邻细胞之间有一层细胞间隙物质称为胞间层。•胞间层把各个相邻细胞粘接起来，胞间层的主要化学成分是木素及果胶质等，不含纤维素。•将植物原料制成纸浆的过程就是克服细胞间的粘接作用，使纤维细胞解离的过程。•纤维细胞分为初生壁、次生壁和细胞腔，初生壁紧贴着胞间层，是细胞生长期间细胞壁不断增长加厚的结果，初生壁很薄。•在细胞停止生长后细胞壁继续增厚，这时加厚在初生壁的内侧，称为次生壁，次生壁很厚，是纤维细胞的主体。•在细胞壁内，纤维素大分子有规则地排列聚集成原细纤维，若干原细纤维组成微细纤维，由微细纤维组成细纤维，再组成纤维。•细纤维、微细纤维在细胞壁申的排列构成了纤维细胞壁的各层。第一章包装用纸与纸板26TheEnd第一章包装用纸与纸板27二、植物纤维原料的性能1．木材纤维的性能2·非木材纤维的性能3.二次纤维•针叶木的纤维有较大的细胞腔（管胞）而且纤维较长。管胞占针叶木细胞木质部横截面积的93%以上。因此针叶木纤维细胞比较单一，杂细胞非常少。•从纸和纸板的成形机理及性能分析来看，纤维细胞越单一，细胞壁越薄(即壁腔比越小)，纤维越长，越有利于生产出强度较大的纸和纸板，因此针叶木适合于生产纸袋纸、牛皮纸、牛皮箱板纸等强度要求较大的纸或纸板。•阔叶木纤维类型较复杂，纤维细胞仅占树木细胞总面积的60%左右。•阔叶木纤维平均长度仅为1.0mm左右，宽度只有针叶木的1/2-1/3。因此阔