紙漿中木質素含量對紙張耐久性的影響

在電子數(shù)據(jù)載體飛速發(fā)展的時代，紙張依然是實用性極強的重要信息載體。在適宜保存環(huán)境下，高質量紙張的降解速度非常緩慢，其強度和光學性質可保持百年不變。然而近現(xiàn)代普遍采用的磨木漿(機械紙漿)原料中除纖維素外還包含半纖維素與木質素，其中的木質素被普遍認為是導致19和20世紀紙張強度降低的主要原因。通常而言，紙張降解包括氧化與水解兩種過程。木質素發(fā)生氧化反應后將生成有色基團導致紙張泛黃，同時也有一部分研究者認為木質素的存在將使紙張pH值呈現(xiàn)酸性，繼而加劇纖維素鏈中糖苷鍵的水解斷裂并引起紙張機械強度的大幅下降。

在近代時期，磨木漿中使用硫酸鋁作為凝結劑沉淀細小碎木顆粒，但纖維素中的糖苷鍵在弱堿性及中性環(huán)境下才能夠確保穩(wěn)定，該酸性物質的存在將導致紙張加速老化。由此，人們在20世紀90年代開始使用中性條件下即能有效發(fā)揮作用的合成凝結劑(聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺、聚酰胺等)來規(guī)避該種問題。為明確木質素含量對紙張(中性環(huán)境下生產(chǎn))老化行為的影響，該研究以中性條件下松木紙漿及相應漂白紙漿(脫木素)制備的紙張為樣本，以卡伯值(Kappa number)代表紙漿木質素含量，利用色譜及光譜等現(xiàn)代科技分析手段進行了一系列探究實驗，主要結論如下：

1) 紙漿木質素含量對紙張強度幾乎不產(chǎn)生影響。相同老化條件下，漂白紙樣與不同卡伯值的未漂白紙樣在紙張斷裂長度、撕裂度與耐破度三項強度參數(shù)中的下降幅度基本一致。

2) 紙漿木質素含量與自然老化條件下的紙纖維聚合度變化并無顯著關聯(lián)，甚至木質素中的多酚能夠捕獲自由基從而減少纖維素中糖苷鍵的斷裂數(shù)量。排阻色譜技術能夠以測定紙張平均聚合度的方式跟蹤與糖苷鍵水解斷裂相關的化學反應，通過紙張纖維素分子量分布可以確定所有紙樣(無關于木質素濃度)在濕度增加條件下放置最長時限后的聚合度下降趨勢均基本相似。

3) 傅里葉變換紅外光譜(FTIR)及紫外可見吸收光譜(UV-Vis)等表征技術均可在無損前提下為處于不同卡伯值區(qū)間的紙張在氧化過程中的復雜結構變化提供互補信息。但紅外光譜中與木質素氧化產(chǎn)物相關的吸收峰將與纖維素氧化產(chǎn)物的吸收峰出現(xiàn)在相同譜帶范圍內，因而不容易分辨。同時紫外光譜也容易受到木質素、半纖維素、有色物質及填料等物質的影響，導致系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生。

4) 加速老化過程中相對濕度的增加是導致纖維素加快解聚的重要誘因，高溫也是紙張強度下降的重要原因之一。

從經(jīng)濟角度而言，探究木質素對紙張降解的具體影響是極其重要的科學問題，目前圖紙生產(chǎn)的市場趨勢便是增加使用各種類型的高木質素含量紙漿。該研究利用科技手段證明了紙漿中木質素含量對中性條件下生產(chǎn)紙張的老化速度沒有顯著影響，是紙張老化研究領域極具參考價值的研究成果。