造紙原理與工程(第4版)（簡體書）

在本教材的修訂過程中，我們將秉承保持第三版教材清晰闡述“三基”（基本概念、基本理論和基本過程）的原則下，精煉地闡述造紙原理與工程基礎知識，包括打漿、造紙化學品及其應用、供漿系統與白水系統、紙漿流送與紙頁成形、紙頁的壓榨與乾燥、紙頁的表面處理與捲曲完成、紙板的製造、紙和紙板的結構與性質。同時也盡可能地將造紙工程領域新近的重要成果和創新技術等重點內容充實到新版教材之中，特別是要突出造紙工業可持續發展和節能減排關鍵創新技術在相關工藝環節中的重點地位。

何北海，1955年生。1982年1月華南工學院造紙機械專業77級畢業，1988年和1993年分獲華南理工大學造紙工程碩士和博士學位。現為華南理工大學輕工科學與工程學院教授、博士生導師。兼任中國造紙學會副理事長、廣東省科協委員、廣東省造紙學會常務副理事長。

緒 論 1

一、造紙術的發明是中國對世界文明的偉大貢獻 1

二、現代造紙是中國古法造紙的傳承和發展 2

三、造紙工業在國民經濟建設中的地位和作用 3

四、關於紙和紙板的基本認識 6

五、造紙原理與工程問題的內涵和解析 11

思考題 14

主要參考文獻 15

第一章 打 漿 16

第一節 打漿理論 17

一、纖維細胞壁的結構 17

二、打漿的作用 20

三、纖維結合力 24

四、打漿與紙張性質的關係 29

第二節 打漿工藝 34

一、打漿方式 34

二、影響打漿的因素 37

三、各種漿料的打漿特性 51

四、打漿工藝流程 61

五、打漿質量檢查 62

第三節 打漿設備 65

一、間歇式打漿機 66

二、連續式打漿設備 67

三、打漿設備的性能指標及其計算 73

四、打漿輔助設備 77

第四節 打漿系統的控制 80

一、打漿控制系統的基本類型 80

二、打漿控制系統的基本內容 83

三、打漿控制系統的方案 84

第五節 打漿技術的發展 85

思考題 90

主要參考文獻 92

第二章 造紙化學品及其應用 95

第一節 概述 95

一、造紙過程和造紙化學品 95

二、造紙化學品的種類和作用 95

第二節 內部施膠 96

一、施膠的目的、方法及發展情況 96

二、液體在紙頁表面的擴散和滲透機理 98

三、松香膠施膠 101

四、中性施膠與合成施膠劑 112

第三節 加填 118

一、加填的目的和作用 118

二、填料質量評價及選擇 119

三、填料的種類和特性 120

四、填料液的製備及使用 125

五、填料的留著率及填料留著機理 128

第四節 染色和調色 130

一、染色和調色的目的與作用 131

二、色料的種類和性質 131

三、色相的調配和校正 139

四、染色方法及影響染色的因素 139

五、染料濕部染色的物化過程 142

第五節 紙張濕強度與濕強劑 143

一、濕紙強度、濕強度的概念 143

二、紙的濕強度表示方法 144

三、影響濕強度的因素 145

四、濕強劑種類和特性 145

五、濕強劑增濕強作用機理 150

六、濕強損（廢）紙的碎解與回收 150

第六節 紙張幹強度與幹強劑 151

一、紙張幹強度及影響幹強度的因素 151

二、使用幹強劑的目的和作用 151

三、幹強劑的種類、特性和應用 152

四、幹強劑增強作用機理 156

第七節 助留、助濾劑的應用 157

一、助留、助濾作用與紙頁成形 157

二、助留、助濾劑 158

第八節 造紙濕部化學 163

一、造紙濕部化學的研究範圍 163

二、造紙濕部化學基本原理 164

三、造紙濕部化學品 165

四、造紙濕部化學程序控制 165

五、濕部化學對紙張性能和紙機運行的影響 169

六、濕部化學的發展趨勢 171

思考題 172

主要參考文獻 173

第三章 紙機的漿水系統 174

第一節 紙料的組成及特性 174

一、紙料各組分的性質 175

二、紙料的濕部特性 177

第二節 紙料懸浮液的流體力學特性 177

一、紙料懸浮液的流動狀態和流動特性曲線 177

二、影響紙料懸浮液流動狀態和流動曲線的主要因素 180

三、紙料懸浮液的流動特性 181

第三節 供漿系統 183

一、短迴圈和長迴圈 183

二、紙料的調量和稀釋 187

三、紙料的淨化和篩選 190

四、紙料的除氣 193

五、供漿系統的穩定性 195

第四節 損紙系統 199

一、損紙系統的要求 200

二、損紙的處理及利用 200

第五節 白水系統和造紙用水封閉迴圈 202

一、造紙車間用水 202

二、造紙過程的新鮮水 204

三、白水系統及其封閉迴圈 205

第六節 纖維回收及水淨化 209

一、機械篩濾法 210

二、氣浮法 216

三、沉澱法 219

四、高級廢水淨化技術 220

五、節水新技術展望 222

思考題 222

主要參考文獻 223

第四章 紙漿流送與紙頁成形 226

第一節 概述 226

一、紙頁成形方法的歷史沿革 226

二、紙頁的成形方法和過程 227

三、造紙機的分類和型式 228

四、造紙機的基本術語和概念 230

第二節 紙漿流送原理 234

一、紙料懸浮液流送上網 234

二、流漿箱發展的主要歷程和代表類型 236

三、流漿箱的主要裝置和元（部）件 241

四、流漿箱的流化作用及其控制 251

第三節 紙頁成形基礎 253

一、紙頁成形的基本概念 253

二、紙頁成形器及其發展概況 256

三、成形器及其分類 258

四、紙頁成形過程的流體動力學 260

五、紙料脫水形式與紙頁成形結構 261

六、紙頁成形對紙頁結構和性質的影響 263

第四節 長網成形器的紙頁成形 264

一、長網成形器的主要部件及其作用組成 264

二、長網成形器的成形和脫水 266

三、紙料噴射上網與紙頁脫水成形 267

四、成形脫水段的脫水元件和作用機理 269

五、高壓差脫水段的脫水元件和作用機理 276

六、造紙及網部參數的測量與控制 279

第五節 圓網成形器的紙頁成形 281

一、概述 281

二、傳統式圓網造紙機的網部 282

三、傳統圓網機網槽的典型結構 283

四、傳統圓網機的濕紙頁轉移 284

五、改進型圓網造紙機 285

六、圓網籠的臨界速度和圓網紙機的極限車速 286

第六節 上網和夾網成形器的紙頁成形 287

一、概述 287

二、上網成形器 288

三、典型上網成形器的成形特性 290

四、夾網成形器 292

五、夾網成形器的脫水原理 293

六、夾網成形器的脫水和成形特性 295

七、上網和夾網成形器的抄造車速選擇 299

第七節 高濃成形及其成形器 301

一、高濃成形的意義 301

二、高濃成形技術的發展概況 303

三、高濃成形器 303

四、高濃成形技術的應用 304

第八節 斜網成形器的紙頁成形 305

一、長纖維和特種纖維的濕法成形 305

二、斜網成形器的發展及其紙頁成形特點 308

三、斜網成形器的主要型式及其應用 310

思考題 313

主要參考文獻 314

第五章 紙頁的壓榨和乾燥 317

第一節 壓榨部的作用、歷史及發展 317

一、壓榨部的作用 317

二、壓榨部的歷史及發展 320

第二節 壓榨脫水基本原理 321

一、壓榨脫水機理 322

二、壓榨過程的水分流動轉移 325

第三節 壓榨（輥）的種類與壓榨部的配置 326

一、取決於壓榨輥的型式的壓榨種類 326

二、取決於壓榨功用的壓榨方式 335

三、其它壓榨方式 337

四、壓榨部的配置與組合 338

五、壓榨輥的中高及可控中高輥 342

六、濕紙幅的傳遞 344

第四節 影響壓榨脫水的主要因素及強化途徑 348

一、壓榨工藝參數及設備類型對壓榨脫水的影響 348

二、抄造工藝對壓榨脫水的影響因素 357

三、壓榨過程中濕紙頁的“壓花” 358

四、幾種強化壓榨的途徑和新技術 359

第五節 乾燥部的作用和組成 367

一、乾燥部的作用 367

二、乾燥部組成 367

三、乾燥部的供熱形式 370

第六節 乾燥過程原理 376

一、乾燥過程的傳熱原理 376

二、乾燥過程的傳質原理 379

三、乾燥部傳熱傳質的基本計算 381

第七節 乾燥過程對紙頁性能的影響 386

一、概述 386

二、乾燥過程的紙頁收縮及其影響 387

三、乾燥過程紙頁的應力/應變行為 388

四、乾燥過程與紙頁的增韌 389

第八節 乾燥部的運行控制 391

一、烘缸乾燥曲線 391

二、冷凝水的排除 392

三、冷缸 396

四、濕紙幅向乾燥部的傳遞 397

第九節 乾燥過程的主要影響因素和強化措施 398

一、從傳熱原理分析 398

二、從傳質原理分析 400

三、幾種強化乾燥工藝 402

第十節 乾燥部節能與能源管理 406

一、能源利用效率和單位產品能耗 406

二、乾燥部自動控制及能源管理系統 408

思考題 410

主要參考文獻 411

第六章 紙頁的表面處理與卷取及完成 413

第一節 紙頁的表面施膠 413

一、概述 413

二、常用表面施膠劑 414

三、表面施膠的工藝方法 417

四、影響表面施膠的主要因素 420

第二節 紙頁的顏料塗布 421

一、概述 421

二、塗料主要組成及作用 421

四、塗布系統與塗布方式 424

五、塗料的乾燥 428

六、影響塗布紙性能的因素 429

第三節 紙頁的壓光 430

一、壓光工藝及基本原理 431

二、壓光對紙頁性能的影響 433

三、壓光機的類型 433

四、壓光機的應用 445

第四節 卷取、複卷和完成 445

一、卷取和複卷 445

二、紙頁的完成 449

思考題 452

主要參考文獻 452

第七章 紙板的製造 455

第一節 概述 455

一、紙板的種類和定義 455

二、紙板包裝材料的特點 457

三、紙板材料的發展趨勢 458

第二節 紙板結構特點及其質量控制 459

一、紙板的結構特點 459

二、紙板的質量控制 461

第三節 紙板生產的工藝過程 469

一、間歇式和半連續式的紙板生產工藝 470

二、連續式的紙板生產工藝 471

三、紙板生產的廢紙處理工藝 493

第四節 複合紙板的生產 499

一、蜂窩紙板的生產 499

二、瓦楞紙板的生產 502

三、液體包裝紙板的複合加工 506

思考題 509

主要參考文 510

第八章 紙頁的結構與性能 513

第一節 紙頁的結構 513

一、紙頁結構的概念 513

二、紙頁結構的形成及特徵 513

三、紙頁結構的特徵參數 516

第二節 紙頁的性能 518

一、紙頁的結構性能 519

二、紙頁的機械性能 522

三、紙頁的光學性能 530

四、紙頁的吸收和憎液性能 537

五、紙頁的印刷適性 540

六、紙頁的化學性能 542

七、紙頁的電氣性能 543

八、環境對紙頁性能的影響 544

第三節 紙頁強度理論和紙頁結構的研究方法 545

一、紙頁強度理論 545

二、紙頁結構的研究方法 547

思考題 550

主要參考文獻 551

緒 論

一、造紙術的發明是中國對世界文明的偉大貢獻
在人類文明的發展史中，文字的創造是一個重要的里程碑，而人類文明的發展又有賴於記錄文字的載體。中國古代經歷了甲骨刻文、青銅鑄字、簡牘成冊和絹帛書卷等漫長的過程，最終由東漢蔡倫發明了最為實用的書寫載體----紙。與其他古代所有的書寫材料相比，紙具有無可比擬的優越性。可以說，紙的出現是人類文字載體發展史中劃時代的革命。

中國造紙術源遠流長，迄今已有1900多年的歷史。據《後漢書》記載，西元105年（東漢和帝元興元年）蔡倫發明了造紙術，奠定了植物纖維紙及其製造工藝技術的基礎。中國古代造紙術的發明，也奠定了世界造紙工程技術史的基礎。自西元4世紀起，中國的造紙術東經朝鮮傳入日本，西經中東阿拉伯國家傳入非洲和歐洲。在18世紀，歐洲把中國的造紙術又傳到了美洲和大洋洲。中國的造紙術經各種途徑向傳播海外，並與全世界共享這一成果（見表0-1）。近二千年來，紙作為世界通用的書寫印刷材料，在推動人類文明發展中起了不可估量的作用，而且在今後還會繼續發揮其不可替代的重要作用和積極影響。造紙術是中國古代的四大發明之一，也是中國對人類文化傳播和世界文明發展的偉大貢獻。
表 0-1 造紙歷史發展大事記*
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年代(西元) 記　事
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105 年 我國東漢蔡倫發明造紙術
618 - 907 年 我國手工紙施膠與染色問世
610 - 625 年 造紙術東傳高麗及日本
715 年 造紙術西傳小亞細亞
793 年 阿拉伯第一座手工紙作坊在巴格達建成。繼而傳遍歐洲各國: 西班牙、西西里、義大利、法國、德國
1495 年 英國Hertfordshire 建成手工紙作坊
1637 年 《天工開物》載入造紙術工藝
1680 年 荷蘭式打漿機發明問世
1690 年 美國在賓西法尼亞州建成手工紙作坊
1774 年 含氯化合物用於紙漿漂白
1798 年 長網造紙機雛形問世
1807 年 長網造紙機在法國問世
1809 年 圓網造紙機在英國問世
1840 年 德國首創用機械方法處理木材制漿造紙，並在1870 年投入商業運行, 生產首批磨木漿
1854 年 英國首創用NaOH 處理木材及制漿(蘇達法制漿)
1874 年 瑞典及德國開始採用亞硫酸鹽法制漿
1875 年 塗布技術問世
1884 年 硫酸鹽法制漿在德國問世
1896 年 長網造紙機最高車速達160 m/ min
1920 年 長網造紙機最高車速達320 m/ min
1920 年以後 制漿造紙技術飛速發展,此間主要技術成就有:化學品回收技術,連續蒸煮,連續漂白,連續打漿,夾網造紙機等。近代造紙機最高車速已達到1500～2000m/ min ;衛生紙機車速已高達2500 m/ min 以上
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* 引自參考文獻[1]。
二、現代造紙是中國古法造紙的傳承和發展
與中國古法造紙相比，現代造紙無論從工藝過程和裝備水準都發生了巨大的發展和進步，但是究其主要工藝的核心內涵，還是傳承和發展了中國古代造紙工藝的精髓。
明代科學家宋應星（1587-1655）所作的《天工開物.殺青篇》是世界上最著名的早期造紙專著，書中圖文並茂，將蔡倫開創的古法造紙術歸納為“斬竹漂塘”、“煮楻足火”、“舂臼水碓”、“蕩料入簾”（圖0-2）、“覆簾壓紙”（圖0-3）以及“透火焙乾”等（圖0-4）。其中前兩句描述了古法制漿的備料和蒸煮，而後四句則概括了古法造紙的主要過程，即現代造紙中的打漿、抄紙、壓榨和乾燥等主要工藝。

在古法造紙的基礎上，現代造紙工藝以大機器造紙生產為主導，從強化質量源頭控制、抄造程序控制以及提高產品性能等目的出發，完善了紙料的淨化與篩選、非纖維物質的添加以及紙料的稀釋與配料等工序；並為適應現代化大機器的造紙生產，集成了供漿系統、造紙機系統、複卷和完成系統以及表面處理等系統而構成整套生產線，使造紙生產步入了現代化工業的行列。

 
圖0-2 蕩料入簾 圖0-3 覆簾壓紙 圖0-4 透火焙乾 
（以上各圖均源自 明. 宋應星《天工開物.殺青篇》）
三、造紙工業在國民經濟建設中的地位和作用
我國老一輩的制漿造紙專家王宗和教授曾將造紙產品譽為“軟鋼鐵”，即造紙工業體現了一個國家的國力水準。從世界範圍來看，造紙工業有著非常重要的地位，國際上發達國家或工業強國都建設有一個強大的造紙工業，造紙工業已經成為其經濟中的支柱產業之一。

建國以來、特別是改革開放以來，我國的造紙工業在國民經濟中發揮了積極的作用並贏得了重要的地位。2019年1月發佈的《中國造紙工業可持續發展白皮書》指出：造紙業作為重要的基礎原材料產業，在國民經濟中佔據重要地位。造紙產業關係到國家的經濟、文化、生產、國防各個方面，其產品用於文化、教育、科技和國民經濟的眾多領域。歷史的經驗表明，紙張的生產和消費水準代表了一個國家的科技與經濟發展水準，因此造紙業被稱為“社會和經濟晴雨錶”。

據中國造紙協會資料（2017），目前我國紙及紙板生產企業約2800家，紙及紙板生產量11130萬噸，紙和紙板的產量居世界第一位。消費量10897萬噸，人均年消費量為78千克（13.90億人）。2008～2017年，紙及紙板生產量年均增長率3.77％，消費量年均增長率3.59％。

造紙工業作為一個現代工業體系，與國民經濟相關產業鏈有密切的關係。根據筆者的研究，可以將其歸結為“6P”的相關產業鏈：即植物纖維資源（plant fiber resource）、制漿(pulping)、造紙(papermaking)、印刷(printing)、包裝(packaging)以及環境保護（pollution control）等6個產業鏈環節。其中制漿和造紙屬於造紙產業，是6P產業鏈的核心。

植物纖維資源是造紙工業的重要源頭。植物生長依靠二氧化碳和水通過光合作用產生纖維素、半纖維素和木質素等，制漿過程主要提取纖維形成紙漿，造紙過程進一步生產紙張。從植物纖維到紙漿、紙張再到廢紙回用過程，固碳作用和效果顯著，體現出其天然的綠色屬性。因而整個造紙產業鏈從源頭到末端均是綠色和可持續發展的。

造紙工業是植物纖維資源產業發展的重要驅動力。國外一些造紙發達國家，早已將植物纖維資源產業（主要為木材）與造紙產業密切地聯繫在一起，建立了森工造紙產業。值得指出的是，我國的植物纖維資源產業尚未形成，在很大程度上影響了我國造紙工業的發展。基於這些情況，我國近年來已經啟動了林紙一體化的建設，並正在實施專項規劃，植物纖維資源產業的建設有了一個良好的開端。我們希望植物纖維資源這一產業鏈環節能夠得到更多的關注，並與造紙工業形成更好的良性互動，進一步促進我國造紙工業健康穩固地發展。

制漿造紙工業與印刷和包裝產業有著密切的關係，是後兩個P產業的重要源頭。從造紙產品的結構和消費比重上來看，印刷用紙和包裝用紙在整體紙和紙板產品中均有著重要的地位。據有關資料，我國用於印刷和包裝的紙和紙板生產量分別占生產總量的25.0%和61.5%；前兩者之和占我國紙和紙板總產量的86.5%。我國印刷和包裝用紙和紙板的消費量分別占消費總量的24.3%和63.4%；前兩者之和占我國紙和紙板消費總量的87.7%（見表0-2）。從我國造紙工業的發展來看，印刷用紙及包裝用紙和紙板?產量不斷增長，對我國印刷產業和包裝產業?發展起到了有力的支撐和積極的推動作用。