在打浆过程中纤维没有发生化学变化。不论应用何种型式的打浆设备，主要都是使纤维产生切断、压溃、润胀和细纤维化作用，而这些都是纤维细胞壁的变化。
　　在植物纤维化学中已经讲过，植物纤维的构造可分为胞间层（L）、初生壁（P）、次生壁外层（S1）、次生壁中层（S2）、次生壁内层或称三生壁（S3）。根据观察分析，纤维各层细胞壁无论在物理结构和化学组成上都是不同的，因而就具有不同的特性。可以认为，初生壁是一层类似塑料的多孔层薄膜，它的厚度为0.1~1微米，其细纤维成网状的排列。从结构观点来看，它是各向同性的，且木素含量较高，因而它只能透水，而不能润胀，反而还会在打浆时限制次生壁中层的润胀。至于次生壁外层，它是介于初生壁与次生壁中间的一个过渡层，在物理结构或化学成分上都比较接近初生壁的性质。次生壁中层是纤维的主要部分，比其它各层都显得厚得多，它的厚度为1.0~5.0微米，其细纤维的排列是高度各向异性的，且与纤维的轴向呈一定的角度，因而造成纤维的纵向结合强度大，而横向的结合强度弱，所以沿着纤维的横向润胀就较为容易。次生壁中层的木素含量较低，这一情况极其有利于纤维在打浆时的润胀。次生壁内层较薄，其木素含量也较低。
　　
   一、打浆对纤维的作用
　　一般认为，打浆对纤维的作用和纤维的变化除压溃、揉搓、分裂以外，大体可主要分为以下五方面细胞壁的位移和变形，初生壁和次生壁外层的破除、润胀、细纤维化和切断等。当然这几方面的作用不是截然分开的，而是交错进行的。现分述如下：
（一） 细胞壁的位移和变形
     一些研究者认为，在次生壁中层的细纤维能发生位移。用偏光显微镜可以很容易观察到纤维上的亮点,这就是细纤维的位移.根据观察,未打浆的纤维有位移,而开始打浆后又出现了新的位移点,随着打浆过程的进行,位移点逐步扩大,并变得更为清晰。根据用偏光显微镜拍照所得的照相图，位移可分为三种型式，如图2-1-1所示。
    

                                 图2-1-1   次生壁位移示意图
　　在图2-1-1中，型式Ⅰ、Ⅱ是常见的。打浆的机械作用使得次生壁中层一定位置的细纤维弯曲，这样细纤维之间空隙有所增加，以致能够进入较多的水分。当初生壁还没有被破除之前，次生壁中层发生位移和润胀又会使纤维更加柔软，从而促进初生壁的破坏。有些研究结果认为，对针叶树管胞来说，在制浆和打浆之后，位移和变形发生在髓射线的部位。
（二） 初生壁和次生壁外层的破除
　　蒸煮和漂白后的纤维仍存有一定数量的初生壁，影响着纤维润胀。同时，它和次生壁外层都会妨碍次生壁中层细纤维的细纤维化，影响着纤维的结合力。因此需要在打浆过程中借助于机械作用把初生壁和次生壁外层破坏，以利于纤维的润胀和细纤维化作用。
　　对于不同种类的纸浆，初生壁和次生壁外层破除的难易程度和破除的情况亦是不尽相同的。例如，亚硫酸盐纸浆的初生壁和次生壁外层破除，就比硫酸盐纸浆容易一些，其原因可能是由于在蒸煮过程中，亚硫酸盐的蒸煮药液和硫酸盐法的蒸煮药液，无论在其化学性质特别是PH值，或进入纤维的途径都是不相同的。因而造成了亚硫酸盐纸浆纤维的初生壁，甚至是次生壁外层在制浆过程中受到破坏的程度，均比硫酸盐法纸浆的为高，因而在打浆过程中较易于破除。
　　对初生壁破除情况进行的实验研究表明，用PFI磨对漂白亚硫酸盐木浆和未漂白硫酸盐木浆进行打浆，经过不同打浆时间的处理后，在显微镜下观察100根纤维的情况，并将观察结果分为四组。
　　从表2-1-1可以看出，对于漂白亚硫酸盐浆，仅在500转，即稍为打浆至16。SR时，半数以上的纤维失掉了部分的初生壁；在2000转时，即约22。SR，纤维初生壁几乎全部受到破坏。而对于未漂硫酸盐浆，初生壁的破除速度大大减慢。从表2-1-1又可看出，随着打浆时间的增长，纤维的润胀和细纤维化程度都有所提高，因而，纸页的抗张强度亦随之增加。

在PEI磨中的转数	每组中纤维的根数				纤维的暴露表面 (%)	抗 张 强 度 (米)
	1	2	3	4
漂白亚硫酸盐木浆 0 500 1000 2000 4000 6000 未漂白硫酸盐木浆 0 1000 5000 16000 32000 64000	84 35 5 4 0 0   100 92 43 15 7 2	12 42 72 24 4 2   0 8 36 31 25 7	4 21 19 28 33 25   0 0 20 50 45 29	6 1 3 44 63 73   0 0 0 6 23 62	8 38 50 79 94 96   0 0 32 61 74 90	1200 2850 3900 5800 7200 7800   1500 3650 6250 8400 10000 11350

   （三）润胀
    所谓润胀是指高分子化合物在吸收液体的过程中，伴随体积膨胀的一种物理现象。纸浆纤维之所以有润胀能力，主要是由于其带有羟基的关系，因而能在极性性液体中发生润胀。打浆时，纤维首先吸水而发生润胀，比容有时增加，纤维细胞壁结构变得更为松弛，内聚力则有所下降，从而提高了纤维的柔软性和可塑性。与此同时，由于润胀引起内聚力的降低，就更有利于打浆机械作用对细纤维纸的进一步细纤维化，其结果大大增加了纤维的表面积和游离的羟基数目，这无疑将会在纸页干燥时增加纤维之间的接触面积。
　　润胀程度同纸料的组成有关。半纤维素含量高的亚硫酸盐浆较容易润胀，而硫酸盐浆就比亚硫酸盐浆润胀程度小些。木素含量高的纸料不易润胀，因此漂白能改进这种纸料的润胀能力。
　　测定纸料润胀程度是比较困难的，若干种润胀测定方法均尚未被公认。现举亚米（Jayme）所介绍的离心机法，作为示例。亚米是采用未漂亚硫酸盐浆作为原料，在离心磨（Jokromill）中进行不同时间的打浆，取出后测定打浆度，再用离心机甩掉水分，测其保水值，并以此作为润胀程度的比较，其结果如表2-1-2所示。

   （四）细纤维化
　  细纤维化作用是指在打浆过程中，打浆设备的机械物理作用使纤维获得纵向分裂，并分离出细纤维，而且使纤维产生起毛现象。一般认为，细纤维化可分为外部细纤维化和内部细纤维化，上述情况必属于前者，而后者用一般光学显微镜是观察不到的。有的资料认为，在打浆过程中，纤维的细纤维化是在纤维吸水润胀以后，才开始的。由于吸水润胀，致使内聚力减少，细胞壁相邻的同心层之间的侧链有所破坏，从而给水分的进入，创造了条件，使层与层之间彼此滑动而使纤维变得柔软可塑。
　　许多研究者把打浆过程细胞壁的变化称为内部细纤维化。爱曼顿(Emerton）形象地提出打浆过程中纤维变形的两种型式，如图2-1-2所示，一种是细胞壁的弹性变形（1），一种是塑性变形（2）。爱曼顿指出，纤维细胞壁的变形可以是弹性或塑性的。纤维的塑性变形达到某一平衡状态；而弹性变形是，当其变形应力消失以后，纤维将恢复到其原始形状。委显然，通过打浆处理，希望能使纤维获得塑性变形。纤维细胞塑性变形的能力，是随着内部细纤维化过程的进展而提高的。内部细纤维化实质上是指破坏纤维细胞壁同心层间的连接的过程，从而使次生壁中层中发生层间的滑动。为此，当纤维处于高度润胀和细纤维化状态时，纤维将会保持良好的柔韧和可塑性，而纤维与纤维之间即可能保持优异的接触，有利于纤维的结合，和在随后纸张干燥时，得到较高的强度和紧度。
   
 

  
     
图2-1-2  
纤维细胞壁的弹性变形(1)                  和塑性变形（2）

  
　　有人曾用超声波处理纤维浆料，结果的浆度上长很少，而润胀值却剧烈增加，初生壁和次生壁外层都充分保留着。用这种纸料抄出的纸页强度也很高，这足以说明超声波处理使纤维产生了强烈的内部细纤维化。
　　可以在普通显微镜下观察到，纤维的纵向分裂，以及由此而分丝出细纤维，这是外部细纤维化。前已述及，次生壁中层是细胞壁的主要部分，由于细纤维在其上是平行排列的，因而易于向两侧润胀，这样，如果次生壁外层未被破除，次生壁中层势必只能朝细胞腔方向作有限的向内润胀，而难于实现外部细纤维化。导致发生外部细纤维化的过程，首先有赖于细纤维之间的主要物质（半纤维素）的润胀。当有足够的润胀压力，就能使细纤维之间的氢键破裂，从而使纤维进一步朝两侧膨胀。如果没有次生壁外层的限制，次生壁中导就易于发生纵向分裂产生细纤维。但事实上，除非在一般高度粘状打浆的情况下，次生壁外层并没有全部除去。可是也有的资料指出，次生壁外层中半纤维素含量高，例如，在针叶木亚硫酸盐纸浆中，其次生壁外层有相当数量的木糖，它对氢键联结是特别有效的。因此，是否需要在打浆过程中除去全部次生壁外层，还是一个有待进一步研究的问题。
　　过去，曾认为外部细纤维化与由于纤维润胀而导致的氢键联结是发展纸张强度的最主要因素，可是这种论点不能解释为什么在打浆过程中，在大幅度外部细纤维化以前，强度已有显著增加这一事实。
　　纤维的外部细纤维化可提高交织能力，并能增加纤维的外表面积，有利于提高纸张强度，这是已确认的事实。
　　有些研究者曾测定了在木浆打浆过程中纤维外表面积的增长速度，这也大体说明了纤维外部细纤维化的增长速度。测定的结果是，对于针叶亚硫酸盐浆，当打浆度从14。SR增至约28。SR时，其外表面积大约增长一倍，而打至42。SR大约增长四倍。
　　要对于一根完整的纤维进行纵向分裂、分丝是比较困难的。但当纤维被切断后，在其切口处则极易发生纵向分裂和分丝。切断越多，细纤维化程度越剧。但是这对于纤维长度较低的草浆，若再受到严重切断，会更加降低纤维平均长度，对提高纸张强度是不利的。
　　综上所述可见，纤维的细纤维化和纤维的润胀是互相促进的。吸水润胀是为纤维的细纤维化创造有利条件；反之，纤维的细纤维化又能促进纤维进一步吸水润胀。这样反复相互影响着，在整个打浆过程中，这两个作用是互相促进的。
　　纤维的吸水润胀和细纤维化作用对纸张的性质有着很大的影响。内部细纤维化使纤维内聚力下降，次生壁中层的层间产生滑动，增加纤维的柔韧性和可塑性。外部细纤维化则使纤维露出细纤维，提高纤维间的交织能力。增大纤维的外比表面，在抄纸的干燥过程中，就能产生更多的氢键结合而使纸张具有较高的强度和紧度，目的有助于提高填料的留着。
(五) 切断
     横向切断是指纤维受到足够大的剪切力的作用，而发生断裂的现象。纤维受到横向切断，主要是由于打浆设备的辊刀和底刀的剪切作用；其次，则是由于在打浆比压相当大的情况下，纤维彼此之间产生磨断的结果。
　　纤维的横向切断跟其吸水润胀，有着一定的关系。在同一打浆条件下，如果纤维吸水润胀情况比较好，纤维变得较柔软和可塑，这样就不再容易受到横向切断，而是较易于起细纤维化作用。反之，纤维吸水润胀不良时，纤维挺硬发脆，则易于受到横向切断。
　　一般情况下，在打浆过程中不希望过度地切断纤维，因为过度切断纤维，就会使纸张的强度大大降低，因此，要严格控制纤维受到适当的切断。对于棉麻浆则由于其纤维过长，因此必须加强纤维的切断，降低纤维的平均长度，以利于造纸过程中能够抄出组织均匀的纸张。所以，在处理用于吸墨纸、滤纸、绘图纸的破布浆时，通常惯于在打浆初期先用轻刀梳解，当纤维已经初步分开以后，再用重刀迅速切断。一般说来，减少纤维的长度，可以提高纸张均匀和平滑度，但降低了纸张的强度，特别是撕裂度，这也是矛盾的对立统一。不过对不同品种的纸张，要求切断纤维的长短也是不同的，具体情况要作具体分析。
　　上述五个方面的作用是指单根纤维而言的，在实际生产中，打浆处理的纤维数量是无法估量的，因而这许许多多的纤维在打浆过程中，由于种种关系，纤维受到的作用是不同的。有的纤维在打浆时可能吸水润胀和坳纤维化较好，也有的纤维则受到较强烈的切断作用，这主要是由于各根纤维所受外力不同。受到摩擦、挤压等力较大的纤维，其初生壁和次生壁外层的除去较易些，因而纤维吸水润胀和细纤维化就较好；反之，有的纤维在破除初生壁和次生壁外层之前，就受到较强的剪切刀作用，纤维受到横间切断的可能性就较大。因此，在打浆过程中往往出现这样的现象：在打浆初期即有一小部分纤维吸水润胀并产生细纤维化，而在打浆后期还有的纤维的初生壁和次生壁外层尚未被破除。如果后一现象较多时，即说明打浆很不均匀。因而，在打浆过程中，应尽量采取措施，保证打浆的均匀性。
　　
   二、草 浆 打 浆 机 理
     在植物纤维化学的纤维形态一章已经讲过，草类纤维组织中除含有细长、两端呈锤状的纤维外，还有表皮细胞、导管、薄壁细胞等，后者统称为非纤维细胞。这些非纤维细胞在麦草中约占40%（面积法）。另外，一般说来，草类纤维的长度又较短。
　　用普通显微镜和电子显微镜观察，发现麦草纤维细胞壁也是分为初生壁（P），次生壁外层（S）、次生壁中层（S2）、次生壁内层（S3），其中以次生壁中层最厚。麦草的薄壁细胞的细胞壁也分三层，内、外层较薄，而中层较厚。此外，导管亦分为初生壁、次生壁外层、次生壁中层、次生壁内层等几层。
　　多年来，一直认为草浆不易打浆，即草浆不易实现外部细纤维化。我国一些研究者近年来对麦草化学浆进行了研究，在实验室用球磨对用NaOH+Na2S蒸煮的草浆进行磨浆，在磨浆过程中取样，用光学显微镜和电子显微镜进行观察，并在不同磨浆条件下抄成纸页测定其物理强度，以探讨在打浆过程中纤维形态的变化，试图找到使草浆较易取得细纤维化的方法，确定草浆的较合理的打浆途径。
　　用普通显微镜观察，磨浆过程纤维形态主要经历以下的变化：磨浆一开始纤维就起毛，薄壁细胞则因其壁薄而开始破碎；随后纤维就掉下了一些碎片，有如剥皮一样，随着磨浆作用加剧而逐渐剥下，这些易于剥下的部分是纤维的初生壁。麦草纤维的初生壁亦是网状结构，不会像次生壁中层那样在打浆时出现纵裂状细纤维化。初生壁像一层易破裂而发脆的皮肤，或像一个套筒裹在次生壁的外面，在打浆刚开始的阶段就被剥落下来。当初生壁被剥落干净以后，纤维就显得光滑。磨浆继续进行，纤维形态变化不大，而切断逐渐增多。在磨浆过程中，纤维不断吸水润胀，渐渐变得柔软。一直到80~90。SR时，纤维才有较明显的纵裂分丝。在此以后，纤维继续发展外部细纤维化，但此时纤维已被切得相当短，在显微镜视野内很难找到完整长度的纤维。原浆纤维长度0.79毫米，磨了18万转之后，打浆度为93。SR，而纤维长度被打短到0.44毫米，长度下降近于一半。
　　麦草的薄壁细胞多，在打浆过程中很易破碎，这是使麦草浆打浆度迅速升高的一个重要原因。这种由于薄壁细胞破裂而引起的打浆度升高，势必使麦草浆在抄纸过程中发生滤水困难。研究者用筛分器先把麦草浆部分非纤维细胞筛除，然后进行磨浆试验。试验结果表明，除去部分非纤维细胞后，浆张强度明显地得到改善。但是，筛除非纤维细胞后的麦草浆在磨浆过程中的纤维形态变化，其规律与未筛除非纤维细胞前相同，也就是说，麦草纤维依然很难取得细纤维化。这就说明麦草纤维这所以难于纤维化，并不是因为有薄壁细胞等杂细胞的存在，而仅仅是纤维本身的一种特性。
　　通过观察磨浆过程纤维形态的变化，可以看出，麦草纤维是可以实现外部细纤维化的，不过要相当长的打浆时间。为了对比起见，曾以相同条件进行鱼鳞松硫酸盐浆磨浆试验，观察其纤维形态变化。很显然，木浆易于细纤维化。麦草纤维为什么难于细纤维化？过去一般认为，这是由于麦草纤维的初生壁不易剥落，难于润胀，从而妨碍了细纤维化。最近的研究结果表明，麦草纤维的初生壁在磨浆开始阶段就很易剥落下来。根据观察认为，与木浆相比，麦草纤维在打浆过程中之所以难于细纤维化，主要原因是它的次生壁外层和次生壁中层之间的粘结较紧密，次生壁外层不易除掉。此外，麦草纤维次生壁外层较厚也是导致难于细纤维化的一个原因。
　　另外，也有人认为，草浆的整个细胞壁较厚，即纤维呈较小空腔的管状，这也可能是草类纤维难于细纤维化的另一原因。
　　综上所述，根据草浆的特点和生产需要，可以设想，在打浆过程中，考虑到草浆纤维较短，不宜再受到过多的切断作用，又要防止过度吸水润胀，但希望取得一定的细纤维化；草浆的非纤维细胞含量高，在打浆过程中，由于其易破碎而使打浆度上升很快，大大增加草浆的滤水困难；加之，由于草浆纤维次生壁外层和次生壁中层之间的粘结较紧密，不易细纤维化，因此，为了追求草类纤维化而加重打浆处理，看来是没有必要的。这样只会徒然增加动力消耗和降低生产能力，更严重的是，又会导致草浆在抄纸过程中滤水不良、粘压榨辊、粘烘缸，使纸页发生断头，直接影响到车速等不良后果。
   有的研究者认为，稻麦草浆打浆的主要作用是使纤维润胀，并产生塑性变形，与此同时，应辅以轻度表面活化，也就是说，使纤维表面悄悄起毛，这样就能保证在纸页干燥成形后，纤维之间依然保持有良好的联结，以保证提高纸页强度。另外，试验结果认为，麦草浆若根本不进行打浆处理，其浆纸强度是较低的；但是，只要稍微打浆，使纤维表面稍为活化，打浆度只要达到30~40。SR，浆张强度就能达到较高水平，可以满足制造文化用纸的要求。若继续打浆，强度虽然尚能继续增加，但提高的幅度不大，而动力消耗和打浆上升引起滤水性能的下降，显然再继续打浆，其意义既不大，且又会带来许多不良影响，为此认为，草浆打浆应以轻度打浆较为合理。

四、纸张强度、纤维的结合及其影响因素
　　打浆良好的纸料能够抄出强度较高的纸张。纸张强度不足，不能归因于单独纤维的强度不足，而应归因于纤维结合力的不足。一般所指的纸张强度并不是指单根纤维的强度，单根纤维的强度对纸张强度的影响是不大的。要用单一的因素来表达纸张的强度是不可能的。因为纸张的强度是复杂地取决于纤维相互结合能力、纤维长度、纤维本身强度、纤维表面状况和纤维的排列等。
　　如前所述，纤维在打浆过程中受到切断、分丝、润胀、细纤维化、压溃、磨解等种种作用，分离出细纤维和一部分无定形的粘状物，因为纤维吸水润胀和细纤维化，使得纤维本身变得柔软可塑。经过打浆处理的纸料不易脱水，在抄纸干燥时又会发生收缩，但成纸强度则大大增加。纸张强度是怎么获得的？如果说是来自纤维结合力，那么又是如何产生这些结合力的？
　　关于纤维结合力的理论研究，曾有过四种学说：第一，化学学说，即认为是化学键初价力联结。这种学说认为，纤维在打浆过程中，发生化学作用，生成一种胶状化合物，这种具有粘胶性质的水化物质包在纤维表面，干燥时将纤维结合在一起，因而显示纸张强度的增加。这种理论是不能成立的，原因是研究工作已证明，在打浆过程中纤维吸收水分，不是化学性的化合而是物理性的结合。第二，物理学说，即认为是范德华力联结。这种学说认为，纤维结合力是来源于相邻纤维表面上细纤维的机械交织作用，或来源于水的表面张力，也可能是当纤维素分子间的距离约在3~4?时，由于分子的极性，产生了范德华力，而将纤维结合在一起。但无论如何，这种学说不能解释打浆过程的全部现象，特别是为什么湿纸强度不如干纸高的原因。第三，二度胶体体系学说。这主要企图运用双电层来说明纤维的吸水润胀和细纤维化，但始终没有真正接触到打浆作用的实质，为此也是不能说明问题的。以上三种学说都是不全面或不够正确的。到目前为止，仅有第四种学说，即氢键学说能比较准确地说明打浆的实质。
　　在讲氢键学说之前，首先讲述表面张力问题。在干燥纸页时，表面张力是纤维结合在一起的重要因素。由于在干燥时水被蒸发掉，表面张力产生一种很大的力量，使纤维相互靠拢，并紧密地连接起来。未经打浆处理的纸料，其纤维较为粗糙挺硬，表面张力不足以产生很大收缩使纤维相互靠拢。经过良好打浆，纤维得到充分润胀、细纤维化后，其柔软性和可塑性大大增加，纤维的细度也有所增加，并露出细纤维，从而增大比表面积。这样在干燥时，表面张力就足以使纤维与纤维彼此紧密地靠拢，为氢键结合创造了必要的条件。
　　氢键理论认为，打浆过程的机械作用增大了纤维的外表面，游离出大量羟基，促进纤维表面的吸水性能。当水分蒸发时，相邻纤维间的羟基通过氢键互相结合，从而将纤维结合在一起，这就是纸张强度增加的主要原因。
　　纤维的这种氢键结合首先是通过水的作用形成水桥，将羟基组成适当的排列，以后在干燥脱水时氢基结合更为容易。
　　
　　
　　
图2-1-20
 
氢键结合（2）与水桥（1）

　　纸张在干燥时，由于水的表面张力将纤维拉拢靠近在一起，最终形成了氢键结合，如图2-1-20所示，其结果即表现为纤维之间的结合力。氢键结合的条件是，只有在相邻羟基的距离小于2.55~2.75?范围之内才能产生.由此可见,表面张力对氢键结合显得特别重要,而表面张力的大小则又与纤维直径有着直接关系。当纤维直径较小，其表面张力较大，纤维之间的结合力也较大。表2-1-3示出纤维直径与纤维之间吸引力关系。
表2-1-3             纤维直径与纤维之间吸引力的关系

纤  维  直  径 （厘米）	纤维之间吸引力 （公斤/厘米2）
3×10-3 2×10-4 2×10-5	5.9 36.8 158

　　从上表可以看出，在打浆过程中，如细纤维化程度较强，则抄出来的纸在干燥过程中收缩性大，强度亦大，并且由于游离出更多的羟基，有利于更多氢键结合的形成。
　　总的来说，纤维结合力除了氢键作用外，还受到其他作用，如化学键初价力、极性键吸引力、表面交织力等，其中化学键初价力可能性不大；极性键是存在的，但很不牢固；表面交织力除机械木浆、精制浆和纤维较长的棉浆外，也不很重要，为此，最主要的还是氢键结合力。
　　上面谈到的氢键、极性键等都是在纤维之间靠得很近才能存在的，即仅在距离小于几个埃时，才能起作用。由此更可看出，纤维柔软性的重要，只有柔软的纤维才能靠得较近，促进结合力。
　　综合上述情况可以认为，纤维的吸水润胀、细纤维化以及表面面积的增加，都会直接或间接地促进纤维间的氢键结合，从而提高纸张的物理强度。润胀、细纤维化和暴露表面三者，那一方面起着主导作用，研究工作者各持已见，意见上尚有较大分歧。例如，有人曾单独用超声波处理纤维纸料，结果是打浆度上升很少，润胀值却剧烈增加，初生壁和次生壁外层大多获得保留，抄出的纸张强度很高。因此，认为润胀是起着主导作用的主要方面。同样，也有人认为，麦草纤维不易发生细纤维化，因此，麦草浆的强度发展也是主要依靠纤维的润胀。
(未完待续）