造纸原理及生产过程
造纸生产过程，大体可以分为打浆、添料、抄造和整理四个阶段。
（一）打浆
经过洗选、漂白和净化后，未经打浆的浆料中含有很多纤维束。由于纤维太粗太长，表面光滑硬挺而富有弹性，纤维的比表面积小又缺乏结合性能。如将未打浆的纸浆直接用来抄造，在网上难以获得均匀的分布，成纸疏松多孔，表面粗糙容易起毛，结合强度甚低，纸页性能差，故不能满足使用要求。
打浆的主要任务，一是利用物理方法对水中悬浮的纸浆进行机械或流体处理，使纤维受到剪切力的作用，改变纤维的形态，使纸浆获得某些特性，以保证抄成的纸和纸板能取得预期的质量要求；二是通过打浆控制浆料在网上的滤水性，以适应造纸机生产的需要，使纸页能成形良好，以改善纸页的匀度和强度。打浆是物理变化，打浆作用对纸浆所产生的纤维结构和胶体性质的变化，也都属于物理变化，所以并不会引起纤维的化学变化或产生新的物质。
图5-14 纤维细胞壁结构示意图
1—胞间层 2—初生壁 3—次生壁外层 4—次生壁中层 5—次生壁内层
1.打浆理论
（1）纤维细胞壁的结构。打浆使纤维产生变形、润胀、压溃、切断和细纤维化等作用。用电子显微镜观察植物纤维细胞壁，可分为胞间层、初生壁和次生壁。以木材为例，纤维细胞壁的结构如图5-14所示，其详细结构如图5-15所示。
胞间层（M）是细胞间的连接层，厚度为1～2μm，含纤维素极少，主要成分为木素。
初生壁（P）是细胞壁的外层，由微纤维组成，它与胞间层紧密相连，厚度很薄为0.1～0.3μm，含有较多的木素和半纤维素，是一层多孔的薄膜，能透水但不吸水，不容易润胀，微纤维在初生壁上呈无规则的网状，像套筒似的束在次生壁上，有碍次生壁与外界接触，有碍纤维的润胀和细纤维化，故在打浆中需将此层打碎破除。
图5-15 细胞壁详细结构图
A—纤维细胞束 B—纤维细胞的横切面层，示一层初生壁和三层次生壁 C—次生壁的一部分放大，示纤维素的大纤丝（白色）和纤丝间的空间（黑色），这些空间充满了非纤维素的物质 D—大纤丝一部分放大，白色为微纤丝，微纤丝之间的空间（黑色）也充满了非纤维素物质 E—微纤丝的结构：纤维素的链状分子，它们在微纤丝的某些部分作有规则的排列，这些部分就是分子团（微团） F—分子团的一小部分，示链状的纤维素分子部分排列成立体格子 G—由一个氧原子连接起来的两个葡萄糖基
次生壁（S）是细胞壁的内层，又可分为次生壁外层（S1）、中层（S2）和内层（S3）。
S1层：由若干层细纤维的同心层组成，厚度0.1～1μm，是P 层和S2层的过渡层，其化学成分与P 层接近，微纤维的排列方向几乎与纤维的轴向垂直（缠绕角70°～90°），不规则地交错缠绕在纤维壁上，S1层与P 层结合较紧密，S1层的微纤维的结晶度比较高，对化学和机械作用的阻力较大，它和P层都会限制S2层的润胀和细纤维化，故打浆时也需将此层打碎破除。
S2层：由许多细纤维的同心层组成，厚度0.1～1μm，占细胞壁厚度的70%～80%，是纤维细胞壁的主体。纤维素和半纤维素的含量高，木素的含量少，微纤维的排列方向几乎与纤维的轴向平行（缠绕角0～45°），呈单一的螺旋取向，S2层是打浆的主要对象。
S3层：由层数不多的细纤维的同心层组成，厚度大约0.1μm，在细胞壁中所占的比例不到10%。纤维素含量高，木素的含量低，微纤维的排列方向与S1层相似，与纤维的轴向缠绕角为70°～90°，打浆时S3层一般不考虑。
细胞壁各层微纤维的排列和走向，与细胞轴向的缠绕角大小，均对打浆影响很大。缠绕角小的纤维容易分丝帚化，反之缠绕角大的分丝帚化难。单根纤维的强度也主要取决于S2层微细纤维与细胞轴向的缠绕角，角度越小，纤维越长，单根纤维的强度则越大，但伸长率则越小。
植物纤维细胞壁的各层，并不是单一的结构，而是由很多的微细层次所组成，各层又是由细纤维以不同的排列所构成，细纤维由微细纤维组成，微细纤维又是由次微细纤维组成，次微细纤维可进一步水解为原细纤维，原细纤维又由纤维素微晶体组成，纤维素微晶体由葡萄糖基经氧桥联结所构成。
（2）打浆作用。打浆使纤维受到剪切力，除了揉搓、梳解浆料之外，在打浆过程中纤维的变化可以认为是：纤维受打浆作用细胞壁产生位移和变形，然后是P层和S1层的破除和纤维被切断，接着是纤维的吸水润胀和细纤维化。另外，还会产生纤维碎片，纤维扭曲、卷曲、压缩和伸长等变形。在实际打浆过程中，这些作用和纤维的变化阶段不能截然分开，是交错进行的。随着打浆条件的不同，各种作用和纤维的变化也大不相同。
（3）纤维结合力。纸的强度由多种因素决定：首先取决于成纸中纤维相互间的结合力和纤维本身的强度以及纸中纤维的分布和排列方向等，而最主要的因素是纤维结合力。
①纤维结合力。纤维的结合力有四种：一是氢键结合力；二是化学主价键力，即纤维素分子链葡萄糖基之间的键力；三是极性键吸引力，即分子之间的范德华吸引力；四是表面交织力。其中氢键结合力与打浆的关系最为密切，主价键力是固定的，表面交织力和极性键吸引力不甚重要。
②影响纤维结合力的因素。影响纤维结合力的因素很多，除了打浆这一主要因素外，与原料的种类、纤维素的含量、半纤维素的含量、木素、纤维的长度和添加剂等因素都有密切的关系。
a.原料的种类。原料种类不同，其化学组成和物理结构均有很大的不同，一般化学木浆的结合力最大，棉浆次之，草浆较差，机械木浆最差。棉浆纤维长，强度好，表面交织力强，故成纸强度高，撕裂强度特别好。
b.纤维素的含量。纤维素的含量高、聚合度大的纤维强度好，成纸的结合力较大。反之亦然。
c.半纤维素的含量。半纤维素的含量对纤维的结合力的影响甚大，因半纤维素的分子链短而且又有支链，无结晶结构。半纤维素的亲水性甚强，打浆时容易吸水润胀和细纤维化，增加了纤维的比表面积，游离出更多的羟基，有利于提高纸张的强度，尤其是在打浆初期对耐破度和抗张强度的提高更为明显。
但半纤维素的含量要适当，量太多则造成细小纤维比率过大，润胀太快，使纸浆还没有达到应有的强度，其打浆度已经很高了，则造成抄纸脱水难，成纸透明发脆，纸页的强度低。故一般纸浆半纤维素的含量应不少于2.5%～3%，但不宜超过20%，并应根据纸种的质量要求来定。
d.木素含量。木素含量多的纸浆的亲水性很差，不宜打浆，纤维之间的结合力也低，成纸紧度小，强度差。因木素多分布在P 层和S1层，影响了纤维的润胀和细纤维化，当浆中的木素含量大于20%，则难抄出质量好的纸。机械木浆的木素含量高，结合力低，成纸强度差。
e.纤维的长度。纤维长度有原纤维长度和打浆后纸浆纤维的长度之分。打浆后纸浆纤维的长度是根据纸种的需求确定的，纤维过长，纸页的匀度差。纤维的长度对纸张的强度尤其是撕裂强度影响很大。
f.添加剂。纸浆中加入亲水性物质，可增加纤维的结合力，因这些物质的分子结构中含有极性的羟基，能增加纤维的氢键结合，如蛋白质、淀粉、羧甲基纤维素、植物胶等。但疏水性物质的加入，影响纤维间的结合，降低纸张的强度，因这些物质在纤维间的隔离，减少了纤维间的接触表面，因而使纤维间的结合力降低，如松香、石蜡和填料等。
2.打浆方式
根据纤维在打浆中受到不同的切断、润胀及细纤维化的作用，可将打浆方式分为四种类型：“长纤维游离打浆” “短纤维游离打浆”“长纤维黏状打浆”“短纤维黏状打浆”。
“游离打浆”是以降低纤维长度为主的打浆方式，“黏状打浆”是以纤维吸水润胀、细纤维化为主的打浆方式，“长纤维打浆”是指尽可能地保留纸浆中纤维的长度，“短纤维打浆”是指尽量对纤维进行切断的打浆方式。
实际生产中，四种打浆方式不可能截然划分，只是以某种作用为主而已。另外，不同的打浆方式只表明打浆的方向和打浆的主要作用，并不表示打浆的程度。打浆程度主要用打浆度来衡量，我国通常将打浆度低于30SR以下的浆料称为游离浆，将打浆度高于70SR以上的浆料称为黏状浆，介于30～70SR之间的浆料成为半游离半黏状浆。
所以，游离浆和游离打浆是两个不同的概念，前者表示打浆的程度，后者表示打浆作用的方向。
3.影响打浆的因素
影响打浆的因素很多，各因素间互相影响，主要有打浆浓度，打浆温度，打浆时间，打浆比压和刀间距刀片的厚度和材质，pH，纸浆种类和组成等。
（1）打浆浓度。纸料的浓度对打浆的质量影响甚大，一般将纸料浓度在10%以下的称为低浓打浆，纸料浓度在10%～20%的称为中浓打浆，纸料浓度在20%以上的称为高浓打浆。
低浓打浆：适当提高打浆浓度，进入飞刀和底刀间的浆料多，每根纤维所承受的压力减少，减少纤维的切断作用，可促进纤维之间的挤压与揉搓作用，有利于纤维的分散、润胀和细纤维化。
高浓打浆：低浓打浆时刀片直接对纤维进行冲击、剪切、压溃和摩擦作用，而高浓打浆靠纤维之间的相互摩擦、挤压、揉搓和扭曲等作用进行打浆。因此，低浓打浆的均匀性差，并产生较多的切断；而高浓打浆纤维长度下降不大，短纤维和细小纤维碎片减少，纤维的滤水性能好。另外，低浓打浆的纤维呈宽带状，而高浓打浆的纤维纵向压溃多呈扭曲状。
（2）打浆温度。在打浆过程中，由于纤维与刀片、刀辊与底刀之间的摩擦作用产生摩擦热，引起浆料的温度升高。浆温过高，会引起浆料脱水、纤维润胀作用下降，影响纤维之间的结合，使纸张的强度降低等。一般打浆温度不超过45℃。
（3）打浆时间。打浆时间是各种影响因素的综合结果。一般游离打浆时，下刀重，打浆时间短，采用一次下刀；黏状打浆时，下刀轻，打浆时间长，采用多次下刀。
（4）打浆比压和刀间距。打浆比压是单位打浆面积上所受到的压力。打浆的比压应根据原料的性质和纸种的质量要求确定，打游离浆应迅速缩小刀距，提高比压，在纤维束充分润胀以前，用比较大的压力，快速切断纤维。反之，打黏状浆，应逐步缩小刀距，逐步提高比压，以较长的时间，较低的压力，使纤维获得充分的润胀和细纤维化。
（5）刀片的厚度和材质。刀片的厚薄和刀质的特性，直接影响打浆的比压和成浆的性质。刀片薄，比压大，有利于纤维的切断，适合于打游离浆。反之，刀片厚，适宜生产黏状浆，因厚刀片研磨面大，所以有利于纤维的分丝、疏解和细纤维化。
高黏状浆，以刀片厚15～30mm的石刀为宜；用钢刀生产游离浆，以刀片厚4～6mm的刀，中等黏状浆用8mm的刀，黏状浆用10mm的刀。
（6）pH。打浆的pH主要取决于用水的质量和浆料的洗涤，实际生产中一般不调节pH。
（7）纸浆种类和组成。不同种类的纤维原料，经不同制浆方法的处理，其纤维的物理性质、结构形态和化学组成均不相同，打浆的难易和成纸的性质也各有不同。
4.打浆设备
打浆设备的种类很多，分为间歇式和连续式两大类。间歇式主要是槽式打浆机，连续式主要有锥形磨浆机、圆柱磨浆机和圆盘磨浆机等。
（二）添料
添料又称调料。凡是在纸浆中加入非纤维性的物质，改变纸浆的性质，更好地满足使用需要的生产过程称为添料。因为植物纤维的性能是有限的，随着生产的发展，纸的用途越来越广，对纸质的要求越来越高，为了使纸页具有各种特殊的或更好的性能，必须加入各种不同的添加剂才能更好地满足使用要求。常用的添料有施胶、加填、染色、助剂等。
1.施胶
纸是由纤维组成，纤维具有亲水性。纤维间的毛细管使纸具有多孔性，所以未施胶的纸有吸水性，不适于书写。另外纸页吸水后强度下降，会影响纸页的使用，所以许多纸种需要在纸浆中或纸页表面上添加抗水性物质，使纸页具有延迟流体的渗透性能，达到抗墨水（如书写纸）、抗油（如食品包装纸）、抗血（肉类包装纸）、抗水和水汽（如袋纸）等流体的侵蚀，这一工艺过程称为施胶。
不施胶的纸主要有卫生纸、吸墨纸、卷烟纸、滤纸等。
施胶的方法有纸内施胶（在纸浆中加入胶料），纸面施胶（在纸的表面施胶）和双重施胶（纸浆内和纸面均进行施胶）。
2.加填
加填是向纸料中加入白色矿物的微细颜料或合成填料，改进纸的性质，更好地满足使用要求，节省纸浆，降低成本。
3.染色
彩色纸的生产需要纸浆染色，生产白纸也常常需要进行调色和增白。因漂白的纸浆含有木素或其他发色基团，所以仍带有黯淡的浅黄色、浅绿色或灰白色。经调色后可以消除杂色，使色相调和，纸张变成纯白色，并使每批产品的色泽保持一致，某些白度要求高的纸种，可用增白剂进行增白处理。
纸张染色主要用合成染料，常用的有碱性染料、酸性染料、直接染料、荧光染料等。
4.助剂
助剂是指在生产中除使用施胶、加填、染色等添加剂之外的其他非纤维的化学添加剂的统称。助剂被人们誉为“工业味精”，即使用量甚小就能很好地满足生产的种种需要，并且使用效果良好，有些功效是使用其他方法难以达到的。从制浆原料的处理直到成纸的整饰，助剂的使用几乎遍及整个制浆、造纸工业的各个工序，已成为增加纸种、提高产量和质量、降低成本、改善生产操作、增加经济效益的重要措施，是造纸工业中不可缺少的一环。
（三）抄造
按纸的抄造方式可以分为手工纸和机制纸。目前除了生产具有传统风格的纸种（例如我国的宣纸、连史纸和少数特殊纸）仍沿用手工抄纸生产外，其他的纸类都用机器抄造。
以往纸的抄造方法分湿法和干法两种，湿法是将纤维分散在水中成为悬浮液，而干法则是用空气作为介质使之成为悬浮体进行抄纸，实际上就是现在的非织造布纸。在大规模工业生产中，绝大部分的纸和纸板都是采用湿法抄造的，至于干法抄纸（非织造布纸），它只适合于生产少数一些纸种（例如绝缘纸等）。
湿法抄纸设备按网部的不同结构，分为长网造纸机、圆网造纸机和夹网造纸机三大类。国外造纸工业发达国家抄纸的主要品种如新闻纸、纸袋纸等大都使用大型、高速的长网造纸机，但我国和其他发展中国家还较多地使用圆网造纸机。
1.抄前处理
纸抄造的基本流程，如图5-16所示。
图5-16 纸抄造的基本流程
（1）纸料的稀释。一般成浆池中的纸料浓度为2.5%～3.5%，这样高的浓度，在当前技术和设备条件下，既不能使纤维均匀分散，也难以除掉其中的杂质，因此需要用水稀释，使纸料在低浓度下形成良好的分散度，这样有利于净化和筛选。对于长网造纸机，上网纸料的浓度为 0.3%～1.0%，此时可用同样的浓度进行净化筛选和上网成形。而对于圆形纸机，上网浓度为 0.10%～0.35%，如果用这样的浓度进行净化筛选，将使净化筛选系统过于庞大。因此，圆网机纸料的稀释，一般采用两级稀释法。第一级先将纸料稀释到0.5%～0.6%，进行净化筛选，然后在上网前的稳浆箱中，进一步稀释到上网浓度。
纸料稀释一般采用网部白水，这样不仅可以节约用水，而且可以回收白水中的物料及能量（对纸料需要加热的纸机而言），减少污染。
（2）纸料的净化和筛选。净化的目的在于除掉纸料中相对密度大的杂质，如砂粒、金属屑、煤渣等。因此净化设备的原理，都是利用重度差来选分杂质。筛选的目的在于除掉纸料中相对密度小而体积大的杂质，如浆团、纤维束、草屑等。因此筛选设备的原理，都是利用几何尺寸及形状的差异来选分杂质。
2.纸页的成形与脱水
网部是造纸机的主要部分。网部的主要任务是使纸料脱除水分，形成纸页。纸料在纸机网部脱水的同时，纤维逐步沉积到网上，要求纤维（包括填料、胶料等）均匀分散，纵横交错，使全幅纸页的定量、厚度、匀度等均匀一致，为形成一张质量良好的纸张打好基础。湿纸经网部脱水后应具有一定强度，以便将湿纸引入压榨部。网部的脱水量很大，占纸机总脱水量的90%以上。尤其在脱水初期（如长网的前部），其脱水量占网部脱水量的80%～90%。所以网部脱水的特点是脱水量大而集中。
3.压榨部
湿纸页在网部虽然已脱去大量水分，已经具有了一定的强度，但从伏辊处引出来的纸，一般仍有80%左右的水分，湿纸页的强度还不够大。如果把这样湿的纸页直接送到烘缸部去进行干燥，一方面因为湿纸页的强度差，容易断头；另一方面湿纸中的水分，全靠烘缸蒸发干燥，不仅消耗大量蒸汽，而且干燥出来的纸，纸质不够紧密，表面粗糙，强度也低，所以从网部出来的湿纸，需要在压榨部利用机械压榨作用进一步脱水以提高干度，增加纸的紧度及纸的强度，改善纸的表面性质（如平滑度），然后再送到烘缸部去干燥（但生产餐巾纸一类皱纹纸例外）。
4.干燥部
湿纸经过压榨部最后一道压榨后，一般干度只有30%～40%。就是复合压榨的新式纸机中，干度也仅达到40%～50%，因此需要借助烘缸蒸发水分，使成纸的干度提高到92%～95%。同时提高纸的强度，增加纸的平滑度并完成纸的施胶。
5.冷缸
烘缸部干燥以后的纸含水量为4%～6%，温度为70～90℃，首先需要经过冷缸，降低纸的温度（从70～90℃降到50～55℃），同时依靠外界空气冷凝在缸面上的水，提高纸的含水量（通常可增加 1.5%～2.5%含水量），增加纸的塑性，通过压光机可提高纸的紧度和平滑度，而且减少纸的静电。
6.纸的压光、卷取
（1）压光。一般长网纸机在干燥部之后装有一台压光机，用以提高纸的平滑度、光泽度和厚度均匀性。
（2）卷取。卷纸机是抄纸联动机，是造纸系统的最后一个设备。卷纸的质量好坏是影响以后生产过程正常操作的重要因素，生产中卷纸要求卷筒松紧均匀，应当避免两端松紧不一和卷芯起皱等缺点。
（四）整理
纸的完成整理包括超级压光、复卷、切纸、选纸、数纸、打包和储存等过程。但纸有平板和卷筒之分，又有超级压光和机械压光之别，因而完成整理的具体内容有所不同。