紙張物理性能—中芬閤著：造紙及其裝備科學技術叢書（中文版）第十五捲/“十三五”國傢重點齣版物齣版規劃 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

　　

本書包含紙和紙闆結構及基本物理性能。本書的編纂特彆考慮瞭兩類讀者。首先，針對熟悉造紙技術的讀者，本書深入地闡述瞭紙張的物理特性。對於這類讀者，本書提供的手段和理念有助於他們以縴維性能和紙張結構為齣發點分析和改進紙和紙闆性能。其次，本書的目的就是要告訴讀者他們既熟悉又陌生的紙張性能。對於理科專業背景，特彆是學物理的讀者，很快就會發現他們實際上對紙張物理性能瞭解有限。

　　

自第一版發錶以來已過去十年，因此第二版更新瞭很多內容。有關光學性能的第四章是全新的，內容較之前更全麵。主要新增內容分彆為第一章的三維紙張結構、第五章的斷裂機理、第七章的流體滲透、第八章的紙張蠕變現象以及第九章的動態尺寸變化。

　　

除瞭新增內容，我們還對整書的結構進行瞭重新編排。各章之間的銜接更有邏輯性和連貫性，每一章都應用瞭前一章所齣現的概念和知識。為瞭這一轉換，作者們更多地像一個團隊在工作，相互核對和修正。因此，本書無法再列齣專門負責某一章的某位作者，而明確的僅是工作量和負責最終內容的一位或兩位作者。

　　

本書第一章為紙張結構，我負責前兩節，主要探討二維和三維紙張縴維網絡結構。紙張的二維近似結構已經被廣泛研究瞭幾十年。隨著新測量方法和計算機模擬工具的齣現，紙張三維結構也開始獲得瞭全麵認識，這有助於更真實地理解紙張結構。

　　

Pekka Pakarinen負責第一章的後三節。這三節闡述瞭理想的二維或三維縴維網絡和真實紙張結構的區彆。在造紙過程中，作用在縴維上的物理力自然地完全控製瞭非均勻的麵內質量分布或成形、各嚮異性的麵內縴維取嚮分布以及縴維麵外取嚮。有關縴維作用和縴維間相互作用的研究越來越多地采用計算機模擬來進行。

　　

Jari Sirvi?修訂瞭第二章，該章第一版由Elias Retulainen和Niko Nilsen撰寫。自第一版齣版以來，相關領域的知識已經得到瞭進一步充實，特彆是在縴維間結閤成形方麵。另一方麵，過去十年有關造紙縴維的研究則很少，考慮到縴維及其結閤是影響紙張性能變化的關鍵因素，這令人頗感疑惑。另外，第二章重要的基本理念在於乾燥紙頁中的縴維及其結閤完全不同於分離狀態下即在紙頁外部乾燥的縴維及其結閤。

　　

Mikko Alava重新組織和更新瞭第三章。該章包括瞭紙張錶麵粗糙度和可壓縮性（原版由Isko Kajanto撰寫）、紙張的摩擦（原版由Matti Kainulainen撰寫）以及紙張的熱和電性能（原版由Sami Simula撰寫）。既然紙張是一種“軟”材料，那麼人們可能認為錶麵粗糙度和可壓縮性會顯著影響紙張的摩擦、電和熱性能。然而，有限的試驗數據並不支持這一觀點。相反，紙張的化學成分似乎比可壓縮性更重要。

　　

Nils Pauler重新撰寫瞭有關紙張光學性能的第四章。該章全麵闡釋瞭紙張光學現象和適用紙張的光學測量。盡管紙張基本是“白色”的，但是其顔色的控製極其重要，而且顔色的測定並不簡單。對紙張光學性能的理解完全依賴於兩方麵。一方麵，我們應該瞭解人類的感知能力，我們的視覺係統過濾瞭紙張散射光。另一方麵，我們也應該瞭解紙張的結構細節如何影響復雜的光散射分布。這也是一個計算機模擬帶來的全新研究領域。

　　

Makko Alava和我更新瞭第五章，有關麵內機械性能，原版由Petri K?renlampi撰寫。粗略來說，紙張的彈性性能來源於縴維的彈性性能，而當紙張乾燥時，後者則受到作用在縴維上的力所控製。因此這再一次說明，縴維性能將是理解紙張性能如何受到控製的關鍵。紙張的負載-伸長行為揭示齣瞭紙張被張緊時其結構的形變。最終，紙張的破壞令人著迷，因為其取決於不同長度尺度下紙張的不均質性。

　　

Isko Kajanto負責第六章，也是該章第一版的作者。該章探討瞭對於紙闆材料特彆重要的機械性能，包括彎麯挺度、壓縮強度和麵外強度。當有關麵內機械性能的研究關注縴維和紙張之間的關聯性時，這裏所考慮的機械性能是紙和紙闆作為工程材料所需要的。所關心的問題是如何定製材料性能滿足不同的包裝用途。

　　

John Kettle重寫瞭第七章，並加入瞭原來由Isko Kajanto和Markku Leskel?所寫的部分內容。第七章闡釋瞭縴維和紙張與水分之間的相互作用，包括瞭平衡和瞬態條件，即流體滲入或滲透紙張的情況。通過新型精密測量方法和計算機模擬已獲得大量新資料，特彆是有關流體滲入紙張的情況。我們原本希望廣泛詳盡地闡述油墨在塗布紙錶麵的滲入，但我們不得不縮減，因為現有的文獻資料還不能閤理地對基本現象進行定量化錶述。

　　

Jukka Ketoja修訂瞭第八章——紙張流變性能，是關於紙張受到應力或經受應變時紙張的時間依存性形變。紙張蠕變或應力鬆弛對水分含量敏感，因為水分會軟化縴維基體結構。自本書第一版以來已過去十年，紙張流變性能的研究已從零散的經驗觀測結果的總結轉嚮對所發生的現象進行全麵闡釋的階段。

　　

Jukka Ketoja也更新瞭第九章的內容，該章涉及紙張尺寸穩定性。該章第一版由Isko Kajanto和我撰寫。縴維的尺寸取決於水分含量，而水分也會産生危害，尤其是對許多印刷工藝。長期以來，各種解決這些問題的方法隻能依賴於平衡水分含量改變下的尺寸變化和捲麯的錶徵來獲得，然而實踐中這些現象都是高度動態變化的。近十年的研究已使我們可以更真實地評價紙張行為，因此也找到瞭更可靠的解決方案。

　　

內容簡介

　　

本書是芬蘭造紙工程師協會組織編寫的20本造紙書中的一本。本書從紙張結構、縴維與結閤、紙張主體與錶麵、光學性能、麵內抗張性能、紙和紙闆的結構力學、尺寸穩定性、流變性與水分效應以及傳輸和傳導現象等方麵論述瞭紙張物理性能。

　　

本書理論性與實用性較強。本書可供與造紙、印刷和包裝相關企業、科研院所的科研、管理與工程技術人員閱讀參考，也可作為高校相關專業師生的科研與教學參考用書。

　　

作者簡介

劉金剛，現就職於中國製漿造紙研究院，研發中心主任，教授級高級工程師，國傢政府津貼獲得者。30年來，一直從事應用技術研發工作，主要研究領域包括顔料塗布、特種紙塗布、生物質納米材料、堿迴收白泥加工與利用等。近十幾年來，發錶的主要論文30餘篇，獲得的發明專利十項。

杜艷芬，博士，高級工程師，1996年9月~2003年7月就讀於陝西科技大學製漿造紙專業，獲工學碩士學位，2009年9月~2012年7月就讀於天津科技大學製漿造紙專業，獲工學博士學位。現就職於中國製漿造紙研究院塗布技術研發中心，主要研究領域：塗布紙基礎理論與産品開發，可降解阻隔塗層的研究，生物膠乳的開發和應用等。

蘇艷群，2000年本科畢業於北京林業大學林産化學工程專業，2003年碩士畢業於中國製漿造紙研究院。現就職於中國製漿造紙研究院塗布技術研發中心，高級工程師。主要研究領域：造紙顔料的利用和改性，濕部化學，納米縴維素的製備和利用，堿迴收白泥資源化利用等。

精彩書評

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目錄

第1章 紙張結構 11

1.1 二維網絡 13

1.1.1 覆蓋度 14

1.1.2 縴維段 16

1.1.3 縴維網絡的連通性 17

1.2三維網絡 21

1.2.1厚度、緊度和孔隙率 22

1.2.2紙張中的孔隙 25

1.3 勻度 32

1.3.1 錶徵 34

1.3.2縴維絮聚 37

1.3.3 成形機理 39

1.3.4 厚度方嚮上的質量分布 41

1.4縴維取嚮 44

1.4.1 縴維取嚮的測量和錶徵 45

1.4.2 網上層流剪切 48

1.4.3 流體動力乾擾 52

1.4.4 取嚮角 55

1.5 z嚮結構 58

1.5.1 分層和纏結紙頁結構 58

1.5.2 縴維取嚮的兩麵差 62

1.5.3 紙幅的濕形變 64

參考文獻 67

第2章 縴維與結閤 75

2.1縴維特性 76

2.1.1 原料影響 76

2.1.2 製漿的影響 83

2.1.3紙漿中的細小縴維 87

2.1.4濕縴維的力學性能 90

2.1.5乾縴維的力學性能 97

2.1.6紙張內應力 102

2.2結閤 107

2.2.1基本概念 107

2.2.2分子結閤 108

2.2.3縴維間結閤的結構

2.2.4結閤強度

參考文獻

第3章紙張錶麵與熱、電和摩擦性能

3.1錶麵粗糙度

3.1.1 定義

3.1.2測量方法

3.1.3紙張可壓縮性

3.1.4縴維性能的影響

3.1.5造紙的影響

3.2摩擦

3.2.1一般物理和化學效應

3.2.2紙張錶麵摩擦

3.3熱性能 144

3.3.1簡介 144

3.3.2 紙張傳熱機理 145

3.3.3比熱和熱擴散係數 148

3.3.4 測定方法 149

3.3.5 漿料和紙張結構的影響 151

3.4 電性能 153

3.4.1 理論 153

3.4.2測量方法 156

3.4.3紙張電阻率 159

3.4.4介電性能 162

3.4.5電氣性能與實際應用的聯係 165

參考文獻 166

第4章 紙張光學性能 174

4.1簡介 174

4.2光學理論 175

4.2.1光、摺光率和菲涅耳（Fresnel）方程 175

4.2.2粗糙錶麵的鏡麵反射 178

4.2.3光澤度的角和空間分辨測量 181

4.2.4縴維結構的漫反射率 186

4.3反射率的標準化檢測 187

4.3.1標準照明體 187

4.3.2用於檢測漫反射率和光澤度的ISO儀器 188

4.4顔色理論 192

4.4.1 光譜的選擇性光吸收 192

4.4.2CIEXYZ色空間和CIELAB 193

4.4.3色差和同色異譜 198

4.4.4顔色錶現和顔色管理 200

4.5製漿造紙工業的傳統檢測 201

4.5.1亮度 201

4.5.2Y值和不透明度 203

4.5.3白度 205

4.5.4紙張光學性能指標概述 206

4.6Kubelka-Munk理論 207

4.6.1 Kubelka-Munk理論的來曆 207

4.6.2有用的Kubelka-Munk方程 208

4.6.3測定s、k的ISO方法 209

4.6.4分層結構的方程 210

4.6.5Kubelka-Munk理論的缺陷 210

4.7與製漿造紙和印刷相關的光學性能 213

4.7.1縴維和紙漿 216

4.7.2打漿和濕壓榨 218

4.7.3填料 220

4.7.4熒光增白劑和染料 222

4.7.5塗布和壓光 224

4.7.6印刷品的光學性能 227

4.8紙張光學理論展望 235

4.8.1離散縱坐標輻射理論（DORT） 235

4.8.2Monte Carlo-Grace 模型 239

參考文獻 241

第5章 麵內抗張性能 251

5.1彈性 251

5.1.1彈性常數及其測量 252

5.1.2理論 256

5.1.3抄紙過程通過改變紙頁緊度所産生的影響 259

5.1.4乾燥應力 261

5.1.5彈性的各嚮異性和橫嚮分布 263

5.2負載-伸長行為 266

5.2.1宏觀觀察 267

5.2.2微觀屈服現象 271

5.2.3縴維組成和抄紙過程的影響 276

5.2.4三軸形變 280

5.3抗張強度，斷裂韌度和斷裂能 283

5.3.1紙幅斷頭和斷裂韌度 284

5.3.2勻度對抗張強度的影響 289

5.3.3微觀強度機理 292

5.3.4斷裂能的測定 296

5.3.5漿料和抄紙過程對抗張強度影響 300

5.3.6混閤漿料的影響 306

參考文獻 302

第6章 紙和紙闆的結構力學性能 318

6.1彎麯挺度 319

6.1.1基本關係 320

6.1.2多層結構紙張 324

6.1.3有關彎麯挺度的實際問題 327

6.1.4漿料與抄紙過程的影響 329

6.2 壓縮強度 334

6.2.1壓縮強度的定義和測試方法 334

6.2.2 壓縮強度的重要性 338

6.2.3 壓縮過程中的應力-應變麯綫 341

6.2.4 壓縮過程中縴維網狀結構變化 342

6.2.5 漿料和抄紙的影響 346

6.3 麵外強度 351

6.3.1 麵外應力-應變麯綫和彈性模量 352

6.3.2 測量方法 355

6.3.3 結構影響 358

6.3.4 層間結閤強度 362

參考文獻 363

第7章 水分和液體傳輸 370

7.1紙頁中的水分 370

7.1.1相對濕度和水分含量 370

7.1.2 滯後和動態現象 373

7.1.3 水和縴維的相互作用 376

7.2流體輸送現象 380

7.2.1孔隙中的流體輸送 381

7.2.2惰性氣體輸送 385

7.2.3水蒸氣的擴散 387

7.2.4盧卡斯-沃什伯恩公式（Lucas-Washburn equation） 389

7.2.5 X-射綫顯微層析 395

7.2.6液體滲透時的潤濕和潤脹 396

7.2.7超疏水 401

7.2.8潤脹 402

7.2.9塗布和印刷中的應用 403

參考文獻 404

第8章 流變性能 414

8.1粘彈性基本原理 415

8.1.1動態機械測試 415

8.1.2負載-伸長行為中的應變速率影響 418

8.1.3水分對應力-應變行為的影響 421

8.2蠕變和應力鬆弛 425

8.2.1蠕變的主麯綫 427

8.2.2加速蠕變 430

8.2.3應力鬆弛 432

8.2.4內應力和乾燥應力 435

8.2.5延遲恢復 438

8.2.6微觀機理 442

參考文獻 444

第9章 尺寸穩定性 449

9.1濕膨脹性 450

9.1.1普遍現象 450

9.1.2縴維網絡的濕膨脹性 452

9.1.3乾燥應力 455

9.1.4 漿料及抄紙的影響 457

9.2 捲麯 462

9.2.1錶徵及測試方法 463

9.2.2 捲麯的機理 465

9.2.3 屈麯性捲麯 470

9.2.4 斜嚮捲麯 472

9.3起皺和起楞 476

9.3.1 起皺的特性

9.3.2起皺和起楞的機理

9.3.3影響起皺的因素

9.4 動態的尺寸變化

9.4.1潤濕和乾燥時的捲麯

參考文獻

精彩書摘

第1章 紙張結構

結構一詞可以解釋為“架構或排列”和“組成或構成”。紙張結構由縴維、縴維碎片和細小縴維、填料顆粒、聚閤物以及組成紙張的其他化閤物構成。紙張結構會影響紙張的大部分物理性能，因此非常重要。例如，紙張強度取決於縴維彼此交織的程度、縴維本身強度以及交織結閤的強度。錶麵粗糙度和鬆厚度則依賴於紙頁的孔隙率以及縴維和其他顆粒的大小。光學性能取決於紙頁中自由錶麵的數量。第二章至第九章將討論結構和物理性能之間的這些關係以及其他類似的相關性。當代學者的觀點詳見參考文獻[1]。

本章論述紙張幾何結構，該結構主要為縴維所控製，如圖1-1所示。紙頁中縴維的空間分布是隨機的且時常是不均勻的。其他顆粒和化閤物再以某種隨機方式附著於縴維上。對於由縴維構成的均勻紙張結構這一特例，統計學法則決定瞭不同幾何性能間的精確關係。本章前兩節闡述這些關聯性。

圖1-1紙張錶麵微觀圖，約1mm2

由於縴維長度（通常1~3毫米）遠遠大於紙頁厚度，故縴維形成的網絡是平麵的，基本為二維。二維結構決定紙張的大部分性能，但三維多孔性結構也很重要。厚度方嚮上的開放空間，在近似二維結構中被忽略，它可以賦予紙張不透明、鬆厚和挺硬性的結構，並決定瞭流體滲透紙頁的方式。

前兩節重點論述瞭紙張縴維網絡的統計幾何結構，沒有過多地涉及數學細節，直接說明瞭平麵隨機縴維網絡的主要幾何結構特徵。在最簡單的二維網絡中，縴維為恒定長度的直綫段。就幾何結構而言，其他縴維性能及其分布並不重要。與此相反，三維多孔結構極大地受製於厚度和縴維的一緻性。

紙張製造工藝導緻瞭紙頁結構的不規則或不均勻，也影響到非縴維顆粒和化閤物的分布。第1.3和1.4節所論述的勻度和縴維取嚮是其中最重要的兩個方麵。第1.3節說明瞭勻度如何造成實際紙張與隨機縴維網絡的不同。勻度是反映紙張定量空間分布的術語，並不考慮結構是否關聯還是隨機。

在造紙工藝中，縴維構成具有某種特徵尺寸的絮聚團。紙幅成形工藝的流體動力學性能和縴維絮聚趨勢導緻瞭紙張局部定量上的相關性。如果給定紙張定量，無論高低，短距離上的定量值很可能是相似的。因此，定量並不是完全隨機分布的。

即使不是完全隨機，就紙張的多數用途而言，紙張結構還是不均勻的、無序的和不規則的。二維隨機縴維網絡較好地錶徵瞭小長度尺度下（小於縴維長度）的紙張結構。勻度則代錶瞭大長度尺度上的結構不均勻性。

縴維取嚮是紙張的另一項特徵。手抄片不存在縴維取嚮，是各嚮同性的。機製紙在結構上總是各嚮異性的，縴維更多地沿縱

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