纸的性能主要包括机械强度及其他相关指标。机械强度通常用纸的整体性遭到破坏和结构发生不可逆改变时的那些应力数值来表示。机械强度是大多数纸种的基本和重要的性质之一,如对纸袋纸、包装纸等,都提出了很高的机械强度的要求。根据作用于纸上的力的性质不同,用抗张强度、耐折度、耐破度、撕裂度、抗冲击强度等不同指标来表示纸的强度。
一般来说,成纸中纤维相互间的结合力和这些力作用的表面积;纤维本身的强度,它们的柔韧性大小;纸中纤维的分布,即它们排列的方向、堆积的密度等,都是影响纸强度的主要因素。具体测定纸的机械强度及其他性能的指标主要有以下几方面。
1.抗张强度与伸长率
抗张强度是纸和纸板的一项基本物理量指标,是指纸样单位横截面上所受的抗张力。其表达式为:
P=T/F式中:P——单位横截面上的抗张强度,单位为N/㎡;
T——试样的绝对抗张力,单位为N;
F——试样的横截面积,单位为㎡。
纸张的抗张强度通常更普遍地以裂断长度(即在一定宽度纸幅的本身的重力作用下将纸拉断时的长度)来表示,因为裂断长度可以消除定量不同的影响,使抗张强度便于比较。裂断长度的表达式为:
L=(T/BW)×100式中:T——表示纸幅断裂时的力,单位为kg;
B——试样纸幅,单位为cm;
W——试样定量,单位为g/㎡;
L——裂断长度,单位为cm。
伸长率是纸样受到张力至断裂时所增加的长度对原试样长度的百分比。
一般纸纵向和横向的强度指标是不一样的,纸的纵向(即在纸机上纸的运行方向)抗张强度高一些。这是因为成纸的纤维主要是朝这个方向排列的缘故,因此纸的纵向断裂长一般比横向大很多。
2.耐折度
纸的耐折度是纸的机械强度的物理指标之一。它表示纸张受一定外力拉伸之后,将其来回折叠使其断裂,以其折叠的次数来表示纸张耐折的性能。耐折度测的也是纸张的抗张强度,进行耐折度测定,主要在于许多种类的纸张在使用过程中要承受多次加工和折叠,如白板纸、书皮纸、箱板纸等。因为白板纸、箱板纸是用来制作纸盒的,在制作时,纸板要经受折叠而不能断裂。这些都对纸张的耐折度提出了特殊要求。
耐折度值是往复的次数,即单位是双折次。分纵向耐折度和横向耐折度两种,一般纵向耐折度比横向耐折度高些,是因为纤维的排列使其在纵向的结合力较大。当然也有例外,因为纸张的耐折度受纸张的挠曲性能影响很大,另外耐折度还与纸张的制造工艺及含水量有关。
常用的耐折度测试仪器有两种:①肖泊尔式耐折度测试仪;②MIT式耐折度测试仪。
3.耐破度
耐破度是纸在单位面积上所能承受的均匀增大的最大压力,单位为kPa。耐破度这个机械强度指标仅限于包装用纸和纸板。耐破度有绝对耐破度和相对耐破度。直接从试样仪器上得到的测定结果是绝对耐破度;相对耐破度则是测出的耐破度换算成相当于定量为100g/㎡的纸的耐破度。其表达式为:
C=S/W×100式中:c-相对耐破度,单位为kPa;
S——直接测出的耐破度,单位为kPa;
W——纸样的定量,单位为g/㎡。
纸的耐破度既取决于纸的抗张力,也取决于它的伸长率。当其他条件相同时,随着纸的抗张力和伸长率绝对值的提高,且在纵、横向伸长率的比值接近于1时,纸的耐破度升高。另外,纸的耐破度的大小还取决于纸的纤维长度、纤维间的结合力及纸张含水量的大小及施胶情况。
测定纸的耐破度多用缪伦式耐破度仪,该仪器有油压(一般以甘油和乙二醇为传递介质)和气压两种,也分为电动和手动两类。
4.撕裂度
在表示纸的机械强度的指标中,撕裂度具有特殊意义。因为在各种纸的实际应用中,纸幅的断头在很大程度上是由于撕裂度数值不高的结果。撕裂度用将边缘有切口的纸继续撕裂到一定长度所需的力来表示。纸的这个指标的增加与抗张强度和耐破度的提高不呈正相关关系,并且比较松软的纸,比紧密的纸抗张强度高,表面结构致密的纸具有更高的撕裂度。例如,滤纸比描图纸具有更高的撕裂度指标。
撕裂度一般用绝对撕裂度、相对撕裂度、撕裂面积来表示。
•绝对撕裂度。在爱利门道夫仪器上测定的纸张绝对撕裂度Ra,相当于在仪器上同时放16张纸的条件下,此仪器的读数,以R(N)表示。如果采用的试样张数为n,那么为了确定纸的绝对撕裂度数值(N),得到的结果需要乘以校正系数16/n。具体表达式为:Ra=R*16/n,
•相对撕裂度。纸张的相对撕裂度是R。,即被检验的试样定量等于100g/㎡纸页所表现的撕裂阻力。因此,撕裂度与纸的定量成正比。用绝对撕裂度的值乘以系数100,即可以得到相对撕裂度的数值,其中G为纸样的定量,单位为g/㎡,此表达式为:Ra=(R*16/n)*100/G
•撕裂面积。撕裂面积(㎡),是表示纸张的绝对撕裂度(N)与其定量(g/㎡)之比的术语。从上面列出的关系可以看出,将表示撕裂度面积数值乘以100,即可以得到相对撕裂度的值。
影响纸撕裂度的因素有:干燥条件、紧度、纸浆的类型及周围空气的相对湿度等。
5.耐磨强度
包装用纸和纸板的表面耐磨强度指标是确定其使用性质的一项标准,有各种用于定量测定纸的耐磨强度的仪器。在多数情况下,所有这些仪器都是基于在给定的条件下,用磨料或橡皮摩擦纸样表面,并在摩擦试验前后称量试样,得出磨下的物料量。磨下的物料越小,则试验的纸或纸板的耐磨强度越高。纸浆的类型、原始纤维打浆度、周围空气的相对温度等因素都会影响纸的耐磨强度。
6.抗冲击强度
为了评价在装卸搬运等流通作业中,抵抗集中冲击载荷的包装强度,需要测定包装用材料的抗冲击强度,例如,硫酸盐浆水泥袋,在装满水泥时,纸袋不是在静负荷作用下,而是在动负荷——纸袋落下时的冲击作用下破裂,或者在转运时,装满的纸袋在长时间的振动负荷作用下破裂。纸袋是包装纸中应用最广泛的品种之一,世界上每年用包装纸制造约150亿个纸袋,动力负荷的稳定性,是对纸袋质量提出的基本要求。因此,抗冲击强度是包装用纸及纸板的重要性质之一。
纸抗冲击强度的测定在专门的冲击试验机上进行。仪器的作用原理是用冲头从高25.4
mm处冲击试样,在此情况下,将损耗一部分与试样破坏抗力等价的能量,而且随着能量损耗的多少,冲击后的摆角较之冲击前的摆角幅度相应减小。这样,可以用表明能量损失的摆角减小值来确定试样的抗冲击强度,其值可按下式计算:
A=C*L*cosα式中:G——附加载荷的摆锤总质量(N);
L——从横幅中心到摆锤重心的距离(m);
α——冲击后的摆锤幅角;
A-抗冲击强度(N/㎡)。
影响纸及纸板抗冲击强度的主要因素有纤维间的结合力、伸长率及纸张含有的水分。为了达到最高抗冲击强度,纸张应有最适宜的水分,在这样的水分之下,使得纤维间具有较高的结合力,同时又有相当大的伸长率。纸张这时的水分含量约等于9%。
7.纸的湿强度
湿强度或纸湿态下的强度,对产品包装有很大的意义。在纸和纸板变湿时,材料的强度和耐破度将急剧降低。因此,要求这些纸及纸板在包装使用或加工时必须经过润湿而不破裂。
纸的湿强度是根据纸在湿态下保留最初强度(即在润湿以前,纸张在风干状态下所具有的强度)的程度来判断的。这样,湿强度的量度通常是以湿纸张的抗张力对同一纸张在风干状态下的抗张力之比值的百分数表示的。有时抗张力的比值也可用相应的耐破度的比值来代替。
测定湿强度的方法是把纸完全浸在室温的水中,对于未施胶的纸不少于2h,对于施过胶的纸不少于24h,直到完全为水所饱和,然后从槽中取出湿纸,轻轻地用滤纸把表面的水吸去,并测定湿试样的抗张强度和耐破度。用同样的方法检验同一种预先经过一昼夜恒湿处理的纸试样,根据所得数据计算出纸的湿强度。一般品种的纸,湿强度大多数在3%~10%的范围,极少达到14%。在生产特种纸和纸板时,可以用人工方法使湿强度达到60%。
增加纸张组分中的化学浆含量,湿强度升高。随着新闻纸组分中化学浆含量由9.1%增加到23.1%,纸在干度为20%时的强度(最初湿强度)增长18%。若在磨木浆中添加10%的化学浆,纸张的最初强度可提高25%。
8.纸的塑化
为了改善使用性能对某些纸进行塑化处理。塑化就是使纸变为塑性的,并失去刚性,翻页时甚至没有声响,而且这样的纸在平面上没有卷曲的倾向。同时,塑化使纸的耐折和伸长率指标提高,而抗张强度却明显降低。
羊皮纸、仿羊皮纸、防油纸、毛巾纸、手帕纸等都要进行塑化处理。一般用添加增塑剂来相应地润湿使纸塑化,是提高其伸长能力的有效办法。纸的增塑剂通常使用甘油、山梨糖醇、甘露醇或乙二醇的水溶液,有时还添加糖浆。在某些情况下,使用增塑剂的混合液。对于羊皮纸增塑常使用食盐水溶液。这是因为大多数增塑剂加到纸浆中会有流失,所以通常运用增塑剂对成纸进行表面加工、增塑处理。
9.透气度
由于纸张是由多种纤维交织而成的,纤维之间留有很多空隙,使气体可以在压差作用下透过纸张,衡量透气性强弱的指标称为透气度。纸张透气度以一定面积、一定真空度下,每秒透过纸张的空气量(单位为m³/s)或透过100mL空气所需的时间(单位为s)表示。纸袋纸、防锈包装纸、卷烟纸、电缆纸等都对透气度有一定要求。
测定透气度的常用仪器是:肖伯尔式透气度仪及格尔莱式透气度仪。
10.施胶度
施胶度是表示纸与纸板对墨水书写不渗透的程度,及抗湿润等的性能。可以用物理、化学、电气方法测定施胶度,不同方法各有千秋,可根据纸和纸板本身的使用性能分别选择不同方法。目前国内使用较多的是墨水画线法。该法是用充有标准墨水的画线器(或鸭嘴笔)在试样上画线,观察风干后的墨水线条既不渗透又不扩散时,所画线条的最大宽度,该值即为施胶度。线条宽度越大,表明施胶度越高,施胶度以mm表示。
11.环压强度
在一定的加压速度下,使环形的试样平行受压力,压力逐渐增加,最后使试样压毁,此时该试样所承受的压力即为环压强度。