普通的纸都有一定的强度,需要施加一定力度才可以撕裂,但是一旦沾上水就会泡软,强度降低,甚至只需轻轻一扯就会裂开。而且还发现,泡过水的纸张即使小心烘干后,也难以恢复平整光洁的原貌,或多或少都会出现类似皱褶样变形,皱皱巴巴,且强度也不复当初。而我们洗衣服时不小心忘在衣服口袋里的纸质钞票,随衣服一起经过洗衣机强力搅动翻转揉搓,然后与衣服一起晾干后从衣服口袋中取出来,展开后看上出貌似仍如洗之前一样平整,纸张强度也减弱甚少。同样都是纸质品,钞票纸咋就那么神奇?
这其中的缘由需要从纸张的结构说起,不管是普通纸还是钞票纸的基本成分是纤维素,纤维构成了纸的基本骨架,纸的强度和耐水性能等特性就跟纤维素的特性紧密相关。纤维素是什么?纤维素是一种天然聚合物,是由葡萄糖聚合形成的聚合物,而自然界的葡萄糖则由绿色植物以水和二氧化碳为原料通过光合作用生成。看到这里,读者是不是想起了另外一种与人类生活密切相关的,且也是由葡萄糖脱水缩合形成的聚合物——淀粉。没错,纤维素和淀粉都是以葡萄糖为单体聚合而成,在化学上称为多糖,都可用通式(C6H10O5)n表示,俗称碳水化合物的一类物质。纤维素和淀粉居然是都是由葡萄糖聚合而成,似乎与我们的直观感受相差甚大。一般观念中由葡萄糖聚合而成的物质如淀粉、麦芽糖等都似乎与食物有关,而纤维素在我们的观念中与食物不沾边,倒是与穿衣保暖扯上关系。不过如果想到自然界庞大数量的食草动物,你就不会把纤维素看成与食物毫无瓜葛了。在实验室中,淀粉和纤维素都可通过酸性水解最终都生成葡萄糖。人类肠胃中的消化酶可将淀粉分解成葡萄糖而被身体吸收。牛肠胃中的微生物可以分解草料中的纤维素,最终成为牛体内可吸收的物质。如果我们脑洞一下,人的肠胃也可消化纤维素的话,在古代灾荒之年是不是可以食草啃树皮来续命了,不至于饿殍遍野。当然这只是一时脑洞而已,如果人类肠胃真要适应食草的话,绝对是一个糟糕的选择。因为以纤维素为食物的代价是食草动物不得不以一天中的大部分时间用来进食消化,肯定不会有多少余暇来进行思考。所以还得感谢我们的先祖在进化的路上十分聪明地选择了以淀粉和肉类等作为主食的选项,不仅口感更好,而且更主要的优点是能量密度更高且更容易消化,让人类可以腾出更多的时间思考人生,探索世界,从而成就了人类今天在这蓝色星球上的地位。
闲话少说,现在我们再回过头来谈纤维素的分子结构,一般教科书上对纤维素的分子结构是这样描述的:纤维素分子呈长链状,分子量25万~100万或更高,每个纤维素长链分子含有上千甚至上万个葡萄糖单元。通过X射线衍射和电子显微镜下观察,发现纤维素呈一束一束的形状,每一束由100~200条彼此平行的纤维素分子通过氢键结合起来,看起来像一根根的绳索。从以上对于纤维素分子结构的描述可以看出,纤维素分子是由许多葡萄糖单元通过糖苷键连接成长链形状的大分子,每个分子长链上含有许多羟基(每一个葡萄糖单元有三个羟基)。在化学上我们知道两个羟基如果靠得够近且角度合适的话可能会形成氢键,平行靠近的纤维素分子可以通过大量氢键结合成纤维束。而纸张基本骨架就是由纤维相互交织叠压而成。纸张强度取决于纤维本身的强度和纤维间联结的强度以及纸中纤维的排列和分布,即纸中纤维间的结合力和纤维本身,其中最主要的是纤维间结合力。
这种结合力主要由于纤维之间存在的氢键,纤维形成氢键的能力在于纤维素羟基的存在,纤维之间氢键的结合使纸张中的纤维在没有粘合剂的情况下相互结合。
现在再说说纸张遇到水会发生什么情况。纤维素分子长链上有许多羟基,具备良好的亲水性。纸张主体骨架是纤维在三维空间排列搭建成的结构,中间的空隙相对于水分子来说是很大的,水分子沿着亲水性很好的孔隙迅速渗透到纸张内部的每一个角落。纸吸附大量水以后,内部结构就会发生变化。首先,纤维上的游离羟基会与周围的水分子形成氢键,而另外一些纤维素之间已形成氢键也会逐次在水的作用下解离,因为水分子小而灵活,更容易与纤维上的羟基形成氢键。注意这里强调了水分子小儿灵活,是因为在上面提及两个羟基如果要形成氢键需要距离接近且角度合适。纤维素分子是长链大分子,两个纤维素分子的羟基要接近且调整到合适的角度不太容易。而水分子接近纤维素的羟基后可以灵活调整角度与之形成氢键。在水作用下,纤维之间的氢键不断解离,纸张的强度快速下降。这就是纸张泡水后强度迅速减弱的原因。即使纸张干燥后,纸张内部纤维空间排列结构发生了改变,比原有结构更加松散,强度也就减弱。
如果要想纸张浸泡在水中仍可保持原有形状和强度,需要在纸张中加入一种叫湿强剂的东西。湿强剂通过两种机理来阻止水侵蚀纸内部的纤维空间结构。一种是在纤维周围形成一种保护性的网状结构,阻止水浸润到纤维与纤维之间的缝隙,保护纤维间的氢键不会被水解离。另外一种是在纤维间形成一种比氢键更强的结合力,比如是一种共价键,这样纤维结构就不会被水轻易破坏。
正是通过添加湿强剂大大增强了纸张的耐水性能,纸质钞票泡在水里一两个小时后再晾干甚至也能基本保持原有形貌和强度。但是要记住,这种保护也是有限度的,不要指望钞票纸能达到像塑料那样的耐水性,毕竟钞票纸本质仍然是纸。所以在一些热带潮湿的国家和地区,会发行塑料钞票,就是为了一劳永逸地解决钞票的耐水性问题。比如我国的香港,就发行有塑料质地的港币。