纤维间的水分子结合和氢键结合机制分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图1-5 纤维间通过水分子的松散结合图1-6 水桥结合的结构示意纸页经加热干燥进一步脱除水分，水分蒸发时，纤维受水的表面张力的作用，使纸页收缩，纤维间进一步靠拢，从而使纤维素分子之间的羟基距离缩小到0.28μm以内时，纤维分子中羟基的氢原子与相邻纤维羟基中的氧原子产生了O—H…O形式的氢键结合，从而将两纤维牢固的结合在一起。

一般纸张最大的抗张强度只达到单根纤维强度的10%～15%，这说明单根纤维的强度对纸张强度的影响较小。玻璃纤维、人造纤维、石棉纤维本身强度也较高，但并不能生产出强度高的纸张，其主要原因在于它们的纤维并不互相结合。而经过良好打浆的植物纤维，能够生产出强度高的纸张，主要原因就在于植物纤维之间具有互相结合的能力。

早期说明纤维结合力的机理主要有两种学说：一种是化学学说，认为打浆过程中发生化学作用，纤维表面生成了一种黏胶状物质，干燥时将纤维结合在一起，因而显示出纸张强度的增加；另一种是物理学说，认为纤维间的结合力是由于纤维表面上的细纤维而产生的机械交织力及分子间的极性吸引力，或者是由于部分纤维溶解而来的胶黏状物质的黏结力。但这些学说都不能全面、正确地解释打浆的实质。

近代，能较准确说明纤维结合力机理的理论是氢键理论。它能较准确地说明和解释为什么纤维强度高的纸浆，成纸的强度不一定高，而只有经过打浆的纸浆才能抄出强度高的纸；同时也可说明为什么湿纸页的强度低，而干纸的强度高等实际问题。

纸浆里纤维之间有大量的水存在，纤维间的距离远远大于0.28μm，所以纤维之间是不能直接形成氢键结合的。氢键结合只能在纤维间的水分子与纤维上的极性羟基形成，如图1-5所示。这种通过水分子形成的水桥联结，是一种无规则的，松散的氢键结合。所联结的水是自由水，可以通过真空抽吸或重力过滤而脱除。

纸料在纸机上形成纸页后，经过压榨进一步脱出水分，使两纤维之间的距离靠拢，在纤维之间形成了比较有规则的单层水分子形式的氢键结合，如图1-6所示。这种水桥所联结的水分子是结合水，它与纤维的结合比较牢固，仅仅靠抽吸和过滤作用已不能将其脱出，只有通过加热干燥方可去除。

图1-5 纤维间通过水分子的松散结合

图1-6 水桥结合的结构示意

纸页经加热干燥进一步脱除水分，水分蒸发时，纤维受水的表面张力的作用，使纸页收缩，纤维间进一步靠拢，从而使纤维素分子之间的羟基距离缩小到0.28μm以内时，纤维分子中羟基的氢原子与相邻纤维羟基中的氧原子产生了O—H…O形式的氢键结合，如图1-7所示，使纤维之间相互结合，从而使纸页具有强度。

综上所述，在纸抄造的过程中，氢键结合的形式有三种：即纸料中纤维—水—水—纤维的联结，是通过多层水分子松散联结的氢键结合；未经干燥的湿纸幅，是纤维—水—纤维的联结，这是通过水桥（单层水分子）联结的氢键结合；而干燥后的纸张是纤维—纤维之间直接联结的氢键结合。

氢键理论认为，打浆的机械作用增大了纤维的比表面积，纤维表面游离出大量羟基，从而促进纤维表面的吸水性能。当水分蒸发时，纤维中羟基的氢原子与相邻纤维羟基上的氧原子产生了O—H…O形式的氢键结合，从而将两纤维牢固的结合在一起。

图1-7 氢键结合的结构示意

相邻两纤维的氢键结合，首先通过水的作用形成水桥，使羟基适当排列。随后在干燥脱水时，水桥联结转化为纤维间氢键。纸张在干燥时，由于水的表面张力将纤维拉拢靠近在一起，最终形成氢键结合，而氢键结合只有在相邻羟基的距离小于0.28μm范围内才可形成，因此水的表面张力对氢键形成显得特别重要。表面张力的大小又与纤维直径有着直接关系。纤维的直径越小，其表面张力越大，纤维之间的拉拢靠近就越容易进行。

湿纸强度低于干纸强度的原因，就在于纸张的水分大时，由于纤维表面的羟基受水饱和的作用，致使氢键破裂，纤维间的氢键结合转化为水桥结合，水桥的结合力远远低于干纸的氢键结合力，所以纸张强度降低。

纤维间的水分子结合和氢键结合机制分析

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