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1、造纸原理与工程实验指导书适用专业： 轻化工程专业学 时： 15福建农林大学材料工程轻化工程实验室2009年2月19日内容：实验一：打浆、抄纸及纸张物理性能测试1. 目的要求：造纸原理与工程综合性实验，是在课堂理论教学后进行。实验注重理论与实践相结合，以理论指导实践；实验不采用固定的教学模式，在教师的指导下学生根据采集的纸浆原料，按照实验的标准方法，采用不同的打浆比压及打浆时间进行打浆实验，并对打后浆料进行抄纸，然后按照国家标准方法进行纸张物理性能的测试，在实验中实施验证打浆理论、打浆对纸张强度性能的影响。使课堂上学的理论知识与实践相结合，充分发挥学习的主动性，提高实验实用性，为在专业上独立工作
2、打好基础。要求学生通过实验了解纸浆与打浆比压、打浆时间与打浆比压之间的关系，制定适宜的打浆工艺，根据纸浆的特点做出合理的打浆曲线图；同时了解纸浆打浆度与纸张物理性能之间的关系，掌握打浆对纸张物理强度影响的基本原理；学习使用瓦利打浆机、叩解度测定仪及各种在各种纸张物理性能测试仪器，将课堂上学习的理论知识进行实际应用。2. 实验原理（1） 打浆原理：一定浓度的浆料在打浆机内进行机械处理，使纤维在飞刀和底刀间经受不同的作用而被疏解、切断、润胀、压溃和细纤维化等作用，从而使浆料具有一些特定的性能。（2） 打浆度仪工作原理：根据打浆度程度不同浆料的滤水速度不同的道理设计的打浆度仪，在将含有2g绝干浆的悬
3、浮液1000mL倒入滤水筒内，纤维即在滤网上形成滤层，水通过滤层进入分离室，随之从两个排水管流出。打浆时间短，浆料滤水快，从侧流管流出的水量就多；反之，从侧流管流出的水量就少。用特制的量筒收集从侧流管流出的滤液，即可直接读出纸浆的打浆度值。（3） 纸页成形原理：用常规成形器在真空条件下于铜网上，从纸浆悬浮液制备纸页，在400kPa的压力下经两次压榨，然后把紧贴在干燥板的纸页在一定温度下进行干燥。（4） 纸张物理性能测试原理：抗张强度仪工作原理：摆的平衡。下夹头的运动通过试样、上夹头和链条使摆沿刻度尺转动一定角度，并在试样断裂时停止转动，指示出抗张力值。撕裂度仪工作原理：当扇形摆在初始位置时，由
4、于摆的重心被提高，使它具备了一定的位能。当摆被松开自由落下时，位能转变为动能，动能所产生的力在克服撕裂试样重损失了一部分，而剩余的动能又转变为位能。此时由指针在刻度盘上所指出的撕裂度值就是摆所损失的动能。一般采用多层纸叠起来测定（4，8或16层），由换算系数计算得到撕裂度值，单位是mN。耐破度仪工作原理：是通过一定面积的单性胶膜向纸或纸板逐步施加压力，在这个过程中胶膜将试样顶起，当试样被顶破时，测量出试样所能承受的最大压力，即为试样的耐破度。耐折度仪工作原理：在试样两端施加规定的初始张力，然后曲臂机构带动，折叠片作往复运动，使试样在辊轴间做近似180°的反复折叠，试样张力作周期形变化
5、。由于折叠作用，使试样折叠区域纤维结构松懈，强度逐渐降低，当降至不能承受9.807N或12.749N的张力时，试样开始断裂，断裂时试样所能承受的最大折叠次数即为试样的耐折度。3. 实验仪器和材料：（1） 打浆：瓦利打浆机、肖伯氏打浆度仪、浆料、天平（2） 抄纸：纸页成形器（3） 纸张物理性能测试：实验专用裁样器、天平、厚度计、白度仪、摆锤式拉力机、爱利门道夫撕裂度仪、耐破度仪等。4. 实验方法和歩骤：1）打浆操作步骤a) 浆料的准备：根据浆料的水分和打浆浓度，计算出相当于（360±5）g绝干浆的浆样和水量。（如系干浆，需用5L水浸泡4小时以上，然后撕成25mm×25mm小浆
6、片。）b) 浆料疏解：在打浆机内加18L水启动打浆机将浆料慢慢加入（35min）补充水至浆料和水的总体积为（23±0.2）L(打浆浓度1.57%)调节浆温（20±5）进行疏解至无小浆块（30min）取出浆样测打浆浓度、打浆度。c) 打浆：打浆条件：杠杆臂负荷（54±1）N对木浆）或（29.4±1.0）N(对草浆)；飞刀辊转数：（498±12）r/min；取样：从打浆开始，每隔一定时间取样测定打浆度，同时抄纸以测定浆张强度；每次取1200mL，加水冲稀至4750mL，此时浆浓为0.4。测定打浆度取浆量：2/0.4%=500mL；抄纸取浆量：60&
7、#215;0.0314÷0.4%=471mL取样时间：未漂碱法针叶木浆：5、15、30、60、90min；漂白碱法针叶木浆：5、15、30、45、60min；未漂和漂白亚硫酸盐浆、碱法阔叶木浆、草浆：5、10、15、20、30min；打浆结束，取下重铊，用水彻底清洗打浆机。2) 肖伯氏打浆度的测定（GB/T3332-1982）打浆度是衡量水中浆料悬浮液性能的指标，以肖伯尔瑞格勒（ºSR）表示。打浆度仪的调试及校准调整仪器放置位置，使铜网保持水平。仪器清洁程度的检查：用（20±0.5）的蒸馏水1000mL进行空白试验，测定结果>4ºSR，说明有纤维或
8、杂质附于仪器内壁，应用丙酮盒软毛刷清洗。侧流管位置的校正：让仪器保持水平，用手指堵住直流管下口，注入（20±0.5）的蒸馏水100mL于滤水筒内，待侧流管水流完后，放开手指，收集从直管流出的量，应为7.5-8.0mL之间。否则，应校正侧流管的位置。直流管尺寸的校准：取出分离室内的伞形盖，用塞子堵住侧流管，同时用手指堵住直流管口。将（20±0.5）的蒸馏水500mL倒入分离室，片刻后，放开直流管口，记录排水时间，水流完应为（149±1）s。若大于此值，可用适当的工具扩大直流管口；若小于此值，则应更换直流管孔。检查锥形盖的提升速率，应保持在（100±10）m
9、m/s。测定步骤：取相当于2g绝干浆倒入测定量筒内加清水约300mL用分散器打散浆料稀释至1000mL，用玻棒搅匀调节温度在（20±1）置锥形盖于关闭位置将浆样倒于滤水筒内静止5s钟后启动手轮提起锥形盖读取打浆度值3）纸页的抄造试验（1） 纸页的抄造：关闭排水阀夹好贮浆器打开进水阀使水位升高至高于网面50mm倒入浆料（定量为60g/m2）加水至标记水平线插入搅拌器上下轻轻搅动静止10s迅速打开排水阀门（形成负压）关闭排水阀门移开贮浆器在湿纸页上放两张吸水纸放上伏压板将伏压辊放在伏压板上，前后轻轻移动取下伏压辊、伏压板盖上不锈钢片取下湿的吸水纸换上干的吸水纸重复上述操作至所要求的张数（
10、不锈钢片湿纸页吸水纸）重叠并对齐。（2） 压榨：将上述一叠纸页置于油压机上，进行压榨。第一次的压榨压力为400±10kPa，保持5min±15s；松开压力，取出纸叠，换上干的吸水纸后进行第二次压榨，第二次的压榨压力为400±10kPa，保持2min±15s；然后松开压力，取出纸叠。（3） 干燥和温湿处理：将吸水纸从手抄纸上揭下来，在纸页上作上记号，放置在特制的干燥架上，在空气正常流通下，纸页温湿处理。4）纸和纸板物理性能的检测（1）纸和纸板定量、厚度、紧度和松厚度的测定纸和纸板定量的测定将经过在标准温湿度条件下处理的试样，在天平上称取试样的质量。纸和纸板
11、厚度的测定把测试仪器放在无振动的水平面上，调好零点，把试样平整地放在已张开的测量面间，慢慢以低于3mm/s的速度将另一测量面轻轻地移到试样上，在指针稳定后读数。对每个试样进行一次测量，在试样的中间。纸和纸板紧度和松厚度的测定紧度指单位体积纸或纸板的质量，以g/cm3或kg/cm3表示，又称表观密度。松厚度是指一定质量纸或纸板的体积，即为紧度的倒数，以cm3/ g或cm3/kg表示。（2）纸张抗张强度的测定（GB/T453-1989）抗张强度是指在规定的条件下，纸或纸板所能承受的最大张力，即测定试样承受纵向负荷而断裂时的最大负荷。取样恒温恒湿处理切取长100mm、宽15mm(+0.2mm、0.1
12、mm)的试样8条检查仪器及零点调整好上下夹具间的距离（100mm）锁紧上夹头将试样垂直夹入上夹头中松开螺丝取一条纸样放入下夹头内用手切取拉直，夹紧下夹头选择合适的重砣安装在摆上打开摆固定器压下操作把手试样断裂后立即停机使摆回到原位测量上下夹具间的距离下夹具实际运行距离（测量距离原夹距）加荷速度运行距离×3调好加荷速度（保证试样在（20±5）s时间内断裂夹好试样进行正式测试（如果要测伸长率，则待试样受力后，将伸长垫板打开，当试样断裂时，立即停机，读取力度盘上的读数。（3）纸张撕裂强度的测定撕裂强度是撕裂纸或纸板时所做的功。内撕裂度：在规定的条件下，已被切口的纸或纸板试样沿切口
13、撕开一定距离所需的力，单位为mN。边撕裂度：撕裂预先没有切口的试样，从纸的边沿开始撕裂一定长度所需的力，单位为N。1）仪器的检查及校准a) 仪器的检查：l 校对摆轴是否弯曲；l 摆在初始位置时，两夹子成一条直线，夹子间距是否为（2.8±0.3）mm；l 检查刀子是否固定紧，刀刃是否锋利无伤，刀片应在两夹子中间，与夹子顶部成一直线。b) 仪器水平的校准：用仪器底座上的水平泡调节仪器的前后水平，然后压下摆的停止器，使摆切取地自由摆动，待摆停止后，观察摆上和底板上的标记是否重合。c) 零点调节：不夹试样，让摆空摆几次，观察指针是否指零，若不指零，用指针停止器调节。d) 摆的摩擦校对：把摆抬
14、起到待测位置，以摆与摆动停止器的边为准，向右量25mm划一线，然后将扇形摆释放让其自由摆动，最轻摆20次，轻摆25次，标准摆35次，中摆80次，加重摆110次。摆减幅<25.4mm。e) 指针的摩擦校对：将摆抬起到待测位置，把指针对在零点上，然后放下空摆，指针不得推出零点外小于最轻摆10个标尺单位，轻摆6个标尺单位，标准摆3个标尺单位。f) 切口尺寸及撕裂长度校对：切口长度为（20±0.25）mm，被撕裂长度为（43±0.5）mm。用定量为80160 g/m2的纸样切成63mm×75mm的试样来测定。g) 仪器标尺的校对：采用专用重砣对仪器标尺进行校对。2）
15、测定步骤a) 切取试样：切成长度为（75±2）mm、宽度为（63±0.5）mm的长方形，每个方向至少切5片。b) 试样的恒温恒湿处理c) 选择摆和重锤：测定的数值应在刻度值的2080范围内。d) 检测：将试样的一半正面对着刀，另一半反面对着刀，试样侧面边缘要整齐，底边完全与夹子底部接触，对正夹紧。用刀将试样切一整齐的刀口，使指针与指针停止器接触，用手敏捷地压下摆的停止器，待摆摆至最远返回接近起始位置时，轻轻地停止摆，使指针与操作者的眼睛水平，读取指针指示的读数，准确至1。松开夹子，弃掉已撕的试样，使摆和指针回到起始位置，准备进行下一次试验。（4）纸和纸板耐破强度的测定耐破度
16、是指纸或纸板在单位面积上所能承受的均匀增大的最大压力，以kPa表示。测定步骤：切取试样10张以上恒温恒湿处理夹紧试样测试（5）纸和纸板耐折强度的测定纸或纸板耐折度是指在一定张力条件下，再经一定角度反复折叠而使其断裂的折叠次数。测试仪器：肖伯尔耐折度仪和MIT耐折度仪。测试步骤：试样恒温恒湿处理按纵横向切取宽（15±0.1）N、长100mm的试样各10条将试样平行地夹紧于测定仪的两夹子之间拉开弹簧筒使试样受到初始张力按计数器回零器开动仪器往复折叠直至断裂仪器自动停止读数取下已折断的试样，仪器复原进行下一实验。（6）纸张白度、不透明度和透明度的测定A白度的测定白度是指在可见光范围内（40
17、0700nm）纸浆等产品显白的反应，通常采用目测对比来测定；亮度是在单一波长（457nm）下纸浆等产品显白的反应，即特定条件下的白度值。测定仪器：SBD 1型数字白度仪操作步骤l 将仪器电源打开，预热30min；l 调节功能手轮6置“R457”；l 将滤光片按要求插入入射光孔道和反射光孔道。l 用已标定好的6参比白板和黑筒校正仪器。测定试样：试样重叠至不透光B 不透明度的测定（GB/T15431988）纸张的透明度和不透明度是指光束照射在纸面上透射的程度。不透明度是指带黑色衬垫时，对绿光的反射因数R0与厚度达到完全不透明的多层纸样的相应反射因数R之比。透明度是指单层试样反映被覆盖物影相的明显程
18、度。仪器：反射光度计或白度计；工作标准板；标准黑筒：反射因数不大于0.5%。仪器校对：l 将仪器接通电源，预热至仪器光电池稳定。调节仪器内滤光片在Y值滤光片位置，使仪器有效波长在550nm。l 用黑筒调好零点，用工作标准板和黑筒校对仪器。测试步骤：切取试样（100mm×100mm）使正面向上叠成一叠（不透光）将试样的对角线方向与仪器前后方向平行测量上面一层试样的内反射因数R读数精确到0.1%取下试样放在纸叠底部重复上面操作至少5次翻转纸叠测试试样反面的内反射因数R将上述纸叠各单层试样背衬黑筒分别测定其正反面的反射因数R0C 透明度的测定（GB/T2679.11993）仪器及仪器校对：
19、同不透明度测定测定步骤：切取试样（100mm×100mm）使正面向上叠成一叠取下一张试片正面向上平整地背衬以白色标准板夹在测试孔上试片的对角线与仪器的前后方向平行测定其反射率Rw然后以同样方法使该试片反面向上测其Rw将已测Rw的试片背衬以标准黑筒夹在测试孔上测定其反射率R0重复上述测试，正反面至少测定3张有效试片5. 实验结果与分析(数据如何处理)：（1）打浆度按下式计算打浆度=1000侧管流出的水量（mL）（ºSR）10以两次测定的算术平均值作为结果，准确到小数点后一位，两次测定值间误差4%。（2）试样定量按下式计算：g=m=mAa×n式中 g定量，g/m2m试
20、样叠的质量， gA试样叠的面积，m2a每张试样的面积，m2n每一叠试样的层数计算结果取三位有效数字。（3）试样厚度的计算：单张纸页的平均厚度由计算读数的平均值得到，结果以mm或m表示，取三位有效数字。（4）紧度、松厚度可由纸或纸板的定量和厚度计算而得出。=g ×1000v=×1000g式中 纸或纸板的紧度，g/cm3v纸或纸板的松厚度，cm3/ gg定量，g/m2纸的厚度，mm结果准确到两位小数。（5）抗张强度、裂断长、抗张指数计算a) 抗张强度 S=FLW式中 S抗张强度，kN/mF平均抗张力，NLW试验纸张的宽度，mm取三位有效数字b) 裂断长LB =1×S&
21、#215;1039.8gLB =1×F×1039.8LW· g式中 LB裂断长，km g定量，g/m2取三位有效数字c) 抗张指数Y =S×103 或Y =F×103gLW· g（6）撕裂度、撕裂指数计算a) 内撕裂度a=SPn式中 a撕裂度， mNS在试验方向上的平均刻度读数P换算系数，即刻度的设计层数n同时撕裂的试样层数取三位有效数字b) 撕裂指数X=a g式中 X撕裂指数， mNm2/gg试样定量，g/m2取三位有效数字（7）耐破度、耐破指数计算a) 平均耐破度p=PBn式中 p平均耐破度， kPaPB测定的耐破度值，kPan测
22、定试样层数取三位有效数字b) 耐破指数X=p g式中 X耐破指数， kPa m2/gg试样定量，g/m2取三位有效数字（8）耐折度计算以往复折叠的双次数表示，修约至整数位。（9）白度计算计算正面和反面的R457的平均值，计算结果准确至0.1%。（10）不透明度计算计算正面和反面的R和R0的平均值，并按下式计算试样正面和反面的不透明度：不透明度=R0×100%R式中 R试样正或反面各自的内反射因数平均值， R0试样正或反面各自的反射因数平均值， 计算结果准确至0.5%。（11）透明度计算计算试片Rw和R0的平均值。用下式计算试片透明度T(%)：T=RwR0×100%Rw式中 Rw单层试片背衬白标准板时的绿光反射因数平均值， R0单层试片背衬准板黑筒时的绿光反射因数平均值， 计算结果准确至0.1%。6. 思考题（1） 实验室小型打浆对生产实践和科学研究有何意义？（2） 打浆与纸张物理性能指标有何关系？随着打浆的进行，各种物理性能指标，如耐破度、裂断长、撕裂度、紧度等将是怎样发展的？（3） 随着打浆的进行，浆料的打浆度将起怎样的变化？（4） 各种指标的测定为什么要进行多次，并取平均值报告结果？在测定时，什么情况下产生的结果废弃不要？