生活用紙張有效非飽和性吸水分析

湯遠志 鄧敏

摘 要：定義了紙張有效非飽和性吸水滲透;從水分在紙張中滲透和紙張吸收水分后的測試兩方面，規定了有效（非飽和吸水滲透）的條件;闡述了紙張有效非飽和性吸水的影響因素，影響依次為：給水方式<位置<環境<紙張<水分;紙張有效非飽和收水分后的有效強度是水分、紙張、環境、給水方式與位置等因素的函數。

關鍵詞：有效;非飽和性吸水滲透;影響因素

中圖分類號：TS77 ? 文獻標識碼：A

1引言

生活用紙張主要指紙巾紙、衛生紙、擦手紙、廚房用紙，用于日常生活一次性使用的紙張（以下簡稱紙張）。紙張對水分的吸收滲透，是其重要的使用性能指標。紙張用于吸收水分，可用于直接吸收飽和量的水而至崩塌破壞;也可用于吸收一定量（非飽和）的水分后仍然有一定的強度。

紙張在吸收了一定量水分情況下，仍保留一定的形狀、形態、強度且能被用于拉伸以及擦拭，這種吸水定義為紙張有效非飽和性吸水滲透（以下簡稱吸水）?？梢苑殖蓛煞N形式：

一是定量長度（寬度）的紙張在足量的水分中于規定時間內所吸收水分的距離，這是觀測一定時間內水分在紙張上的滲擴速度，稱為速度法，常用紙張吸液高度（吸收速度mm/100s）來表示[1][2];二是一定量的水分在不限量的紙張（面積、厚度）上，在一定時間內向各個方向滲擴，觀測擴散的面積，稱為面積法。

紙張非飽和性吸水是水分在紙張里滲透、滲擴，一定面積內形成潮濕、纖維起皺、伸長量變大、紙張強度減弱;而紙張非飽和性吸水與我們日常生活緊密相關：分析紙張吸收非飽和量水分，對紙張吸水后有效強度測試、比較、以及使用具有重要意義。

2紙張有效非飽和吸水分析

2.1吸水滲透形成

水分在紙張上非飽和吸收、滲透，是水分的一種有效水力毛管傳導，是水分在非飽和水流運動條件下于紙張多孔介質的滲透，是非飽和紙張容積含水量的函數，是一個變量。

紙張是一種多孔纖維結構，內部間隙充滿了平衡空氣，水分運動滲入（流入）紙張纖維中時，（并非是紙張纖維吸收了大量水分），是水分大量地在紙張纖維間搭接起的間隙、孔隙間順勢運動（滲入、流入）;水分一方面在孔隙中擠壓充滿其間的空氣，尋找建立新的氣壓平衡，而使得水分運動的走勢、速度逐漸降低且減弱;當空氣壓縮至一定條件時，水分不在紙張中滲透;當非飽和的水量一定時，在紙張孔隙中的水分運動至一定程度（距離、面積）時，水分已不能再繼續壓縮空氣，水分不再在紙張上形成滲透。

水分運動時將孔隙中的空氣壓縮而向外溢出、排出，形成、產生了水分在紙張（孔隙中）的滲透現象。從水分方面理解，這過程稱為滲透，從紙張方面理解，這過程也可稱為吸水。

另一方面，由于水分自身的重量與分子間引力，減弱了水分的滲擴速度，以至造成水分的堆積，堆積的水分會快速向紙張厚度方向滲透，一部分水分直接通過孔隙的運動至紙張另一面的表面上，一部分水分繼續縱向堆積，當堆積的水分的重量超過紙張纖維間的連接力（抗張力）時，纖維結構（氫鍵）發生破壞，紙張就表現出伸長率增加、破裂、斷裂。

2.2有效非飽和收水滲透的條件規定

吸濕紙張仍保持一定使用強度稱為有效，有效也是仍有使用價值。在考查紙張濕強度時，濕的程度是多少而紙張仍保留一定的強度，按紙巾紙縱向濕抗張強度不低于10.0N/m[1]、擦手紙、廚房用紙不低于1.5N·m/g[3][4]測試計算：在紙張固定點滴兩滴（約0.1ml），水在紙里運動35s內，同時吸去多余的水分，使用一定的速度拉伸的強度測試值k1（N/m），該樣品在未吸收水分時的強度可測k0（N/m），可用抗張強度保留率k（%）=100*k1/k0表示。

這也可認為10.0N/m、1.5N·m/g是紙巾紙、擦手紙、廚房用紙類產品，有效非飽和吸水后的一個能否繼續使用的界值。水分在紙張上的滲透情形，可用滲透系數K（w）表征。

在以上測試中，為了使吸收水分后的紙張仍有一定的強度，特對“有效非飽和吸水”作如下規定：

2.2.1對吸水后，強度測試的規定

（1）有限的水分;（2）有限且規定的時間內;（3）在紙張受水面的另一面除去多余的水分;（4）吸去多余水分的位置;（5）測試速度;（6）環境濕度、溫度。此六條，對于研究、分析紙張吸收一定（非飽和）量的水分缺一不可。

2.2.2對水分在紙張孔隙中運動，作以下規定

（1）紙張全懸空;（2）紙張各個面、方向的大氣壓相等;（3）向紙張施加的水分不會給紙張額外施加力的作用;（4）在孔隙中運動的動力就是所加水分自身的重量。（5）紙張孔隙始終保持負勢能狀態，滿足達西定律與能量守恒定律。

紙張吸水后仍能有效使用，關鍵點就是：吸收的水分不能破壞固有的纖維結構。這需要分析多大的給水量、有效吸收水分的量、什么樣的加水方式、加水位置、環境條件等影響因素？

3有效非飽和吸水的影響因素

3.1給水方式

對紙張給水，可分為噴霧狀灑、集中位置加力滴、慢流自吸三種形式為主。在考查紙張滲擴速度、形成濕面積、濕紙強度以及吸水后外觀主要性能時：噴霧狀灑的濕紙強度高，且外觀變形不大，有利于后續使用;集中位置加力滴、慢流自吸兩種方式則吸水后的紙張嚴重變形，不利于使用。

3.2給水位置

固定（中心、邊緣）位置、整個面積均勻給水，水分滲擴速度快慢的變化：固定位置吸水，濕紙強度一般，紙張變形嚴重;整個面積均勻給水時，則濕紙強度高，有利于使用。

3.3水分

水分是紙張吸收水分最重要的因素，其中，水分對有效非飽和吸水的影響是：pH<溫度<水量[5]。

3.4紙張

紙張漿料成分對紙張吸水性有重大影響。成分中的碳酸鈣（富含氫氧化鈣）、活性氫離子與吸水量正相關，膠種類（濕強劑）與施膠量、添加劑（如鈣）顆粒大小均造成紙張吸水的影響[6]。

3.5環境

環境濕度過大，紙張在吸水前已吸收了部分環境中的水分，會造成吸水時的吸水量、滲透速度、距離、面積減弱減小;反之，則造成快速吸水滲透，紙張上的水分會形成集中、堆積，使紙張快速的向破裂、潰裂發展。由于薄紙張的特性，較高的環境溫度，會造成紙張中固有的水分蒸發，使得紙張在吸水時，變得過于快速吸水滲透。

通過分析，在有效的非飽和吸水的情況下，因素影響為：穩定性<給水位置<給水方式<環境<水分<紙張。

4結束語

我們日常使用的紙張，不僅關切是否能吸收水分，更多也考慮到吸收一定量量水分后的紙張是否還具有一定的使用價值（強度），這也是分析有效非飽和吸水的意義所在。大多數是用于擦拭少量的水分，或者不連續分布的水點，這類吸收水分后的強度評價，目前未見報道，有待進一步分析研究。

另一方面，紙張有效非飽和吸水是一種在有限條件下，才有比較、評價意義;同時，因可變因素而導致的不確定性也增大。

紙張有效非飽和收（一定量的）水分后的有效強度是水量、紙樣面積、環境、給水方式與位置等因素的函數。

參考文獻

[1]GB/T20808-2011紙巾紙[s]

[2]GBT 461.1-2002紙和紙板毛細吸液高度的測定（克列姆法）[s]

[3]GB/T24455-2009擦手紙[s]

[4]GB/T26174-2010廚房紙巾[s]

[5]湯遠志，湯博喆.水對紙巾紙縱向濕抗張強度的影響{工程技術（全文版）}2019年8月.

[6]張永良.薄頁紙吸水性主要影響因素的研究[D].南京林業大學，2005.