紙箱為何遇水就破？

　　 公元前3000年，古埃及人就已開始將尼羅河邊的紙草（papyrus）剖成小條，拼排整齊，壓平曬乾後用來寫字，英文中的「紙」（paper）即源於此，只是因為原料限制而無法推廣。中國的東漢時，蔡倫擴大了造紙原料的來源，使樹皮、破布、麻頭和魚網這些廢棄物品都得以充份利用，也因此造紙成為中國古代的四大發明之一。 

　　 構成紙和紙箱的主要原料是植物纖維，包裹纖維的細胞間層、初生細胞壁和次生細胞壁都很容易破除，使纖維可充份接觸，當纖維素、半纖維素上的親水基團（-OH基和-COOH基）相鄰分子的氫氧原子距離小於0.28奈米（1奈米為10-9公尺）時，纖維間即形成了氫鍵，以氫鍵為主的化學鍵及分子間凡得瓦力（van der Waals force）的共同作用，使得纖維緊密的結合在一起，形成紙張。 

　　 包裝用的瓦楞紙是工業用紙中最常見的一種。它是由牛皮挂麵紙板、瓦楞紙板和箱板等幾種不同的紙板，通過黏合劑（如澱粉、聚乙烯醇）黏合而成。根據強度要求不同，可製成三、五和七層等，層數越多，強度越大。在成形過程中，為了防止紙板分層，在層與層之間還會噴淋一定量的澱粉。瓦楞紙的名稱來源，主要是因為其中如瓦狀的內襯。從拱橋設計的力學的角度，會比較容易理解其設計原理：瓦楞紙中的波浪形弧狀結構，類似於拱橋，可以使外力得以分散，並由較大的面積承擔。因此在相同纖維用量的情況下，可使提升瓦楞紙的強度，節約成本。 

　　 那為什麼紙箱浸水之後，強度會發生明顯的變化呢？這是有幾點原因的。 

　　 首先是構成紙板的纖維親水性很強，纖維吸水後，體積會潤脹增大，一方面纖維變軟，另一方面充斥其間的水分子會使纖維間的氫氧原子距離增大，破壞了纖維間的氫鍵結合，使較多的纖維僅僅由凡得瓦力結合，因為一般氫鍵的鍵能為1.3~10.2千卡∕克分子，而凡得瓦力的鍵能為0.2~3千卡∕克分子，所以紙板受潮後纖維會吸水離散，鍵結力的改變使強度明顯下降。 

　　 另外，紙板層與層之間使用的黏合劑（如澱粉），乾燥後會結膜並有一定的硬挺度。但黏合劑因為是一種親水性很強的物質，與水接觸後，會部份溶解並失去其黏合及硬挺的作用，導致強度下降。就好像漿過的衣物非常挺，洗後就變軟了。 

　　 還有的另一點變化，則是當纖維變形和黏合劑分層後，瓦楞狀的力學分散結構被大大削弱了，就好像柔軟的拱形薄膜並不會比其他形狀的更為堅固。 

　　 綜合以上所述，潮濕後的瓦楞紙箱強度改變，是因為纖維強度和對外力的分散能力都遭削弱造成的。如果要使紙板濕潤後也能保持強度，則需要添加大量的抗水化劑，以在纖維表面形成一層很強的防水層。對於要冷藏使用的紙箱，為了防止崩塌，還需要加入濕強劑維持強度。當然，經過這些改良後的紙箱，成本也就不一樣了。 


【本文轉載自《科學人雜誌》2005年7月號】