106 學年度台中市公私立中小學科學展覽會
作品說明書封面
科 別：生活與應用科學科(二)環保與民生 組 別：國中組
作品名稱：「紙」力更生–紙張吸收不同溶液後的最大承受 張力之探討
關 鍵 詞： 紙、張力、分子間作用力
編號：
摘要
本研究主要在測試紙張吸收各種溶液後的最大受力變化，分別以清水、酸性 水溶液、鹼性水溶液、中性有機溶劑及具氧化力的水溶液浸泡紙張，比較紙張的 最大承受張力。在研究中發現中性溶液可以提高紙張的承受張力，其次則是中性 有機溶劑，而酸性、鹼性和有氧化力的水溶液則會降低紙張的承受張力。
壹、研究動機
一、紙的發展背景
古代蔡倫還沒改進東漢時的造紙技術之前，讀書人都用笨重的竹簡。後來出 現了質地輕柔的縑帛，但是用縑帛製紙的費用昂貴。於是蔡倫改用樹皮、破布、
麻頭和魚網等廉價之物造紙，大大降低了造紙的成本。而現代使用的白紙，是將 蒐集而來的木漿原料反覆烹煮，使植物纖維分離。接著漂洗原料成漿狀，再利用 隙縫較小的竹篩放入紙漿中輕微搖晃，讓紙漿均勻分布並放置一夜。再將含水量 較高的紙張放到壓乾機，把水分壓乾。如此得到的半乾紙張經過烘乾即得紙張。
二、研究紙張的動機
大家或許都有不小心將水打翻到書本上，或是多雨的台灣，總有不小心大雨 淋到書的經驗。浸濕後的紙張，經曬乾後，紙張會顯得捲曲，書寫的質感也變得 較原本硬。因此我們想研究紙張在吸收不同性質的溶液後，紙張承受的最大張力 是否有明顯改變。也可藉此研究結果知道，紙張中纖維素間的作用力，會受那些 因素而改變，導致紙張容易被拉斷或更加緊固。
貳、研究目的
一、測試各種溶液對紙張承受最大張力的影響。
二、了解紙張中的纖維素分子間作用力受溶液環境的影響。
三、找出能提升紙張承受張力的化學品。
參、研究設備及器材
一、實驗器材
器材 數量 器材 數量
1 實驗鐵架 一個 12 鑷子 一個
2 漏斗 一個 13 鐵環 一個
3 寶特瓶 一個 14 電子秤 一台
4 1000 毫升量筒 二個 15 測量紙 一張
5 膠帶 一卷 16 燒杯 一個
6 紙 數張 17 丙酮(CH3COCH3) 7 塑膠盤 一個 18 碳酸銨(NH4)2CO3
8 刮杓 一個 19 水(H2O)
9 棉繩 一條 20 雙氧水(H2O2) 10 吹風機 一個 21 40%醋酸
(CH3COOH) 11 計時器 一個 22 95%酒精(C2H5OH)
二、研究裝置
圖1. 測試紙張承受 最大張力之裝置。
圖2. 寶特瓶中的水重超 過紙張能承受的最大張力 後斷裂。
圖3. 藉由量測加入的水 和寶特瓶總重即為紙張的 承受張力。
肆、研究過程或方法
一、實驗步驟
第1 步:割一條寬 0.5cm 長 30cm 的紙條(紙張採用同磅數的影印紙)。
第2 步:將配製好的溶液加在塑膠盤上。
第3 步:將紙條泡在溶液裡五分鐘。
第4 步:五分鐘後，使用鑷子夾起泡過某溶液的紙條，放在乾淨的塑膠盤上。
第5 步:用吹風機將紙條吹乾。
第6 步:用膠帶把吹乾的紙條的一端，黏在鐵環上。
第7 步:用棉繩將寶特瓶垂掛在紙條下端。
第8 步:用膠帶繞過棉繩黏在紙條的另一端，以固定紙條和寶特瓶的連結處。
第9 步：慢慢往寶特瓶內倒水，直到紙條斷掉為止。
第10 步：記錄寶特瓶和瓶中水的總重，此重量便為紙張所能承受的最大張力。
伍、研究結果
表一. 紙張在浸泡各種溶液後所能承受的最大張力之五次測試(單位:克重)
第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 平均 未浸泡 1200 1192 1380 1000 1000 1154 純水 1380 1160 1483 800 1283 1221
丙酮 1720 890 1000 900 1190 1140 雙氧水 1500 670 1000 954 1434 1112 酒精 11700 1000 1150 943 1065 1066 醋酸 800 967 1000 801 1000 914 碳酸銨 980 870 850 1000 1200 980
圖4 各種溶液對紙張承受最大張力的影響
700 800 900 1000 1100 1200 1300
未浸泡 純水 丙酮 雙氧水 酒精 醋酸 碳酸銨
平 均 最 大 承 受 張 力(
克 重)
浸泡溶液
陸、討論
問題一：有泡過水吹乾和沒有泡過水的紙，其最大承受張力有何不同？
泡過水再吹乾後的紙會變得比較緊固，承受的張力比原本紙張高出6%。
問題二：紙條的承受張力在浸泡弱酸性溶液後與只浸清水的比較如何？
浸泡酸性的醋酸溶液後，會造成紙張承受張力明顯降低，較泡過清水的承受張力 低了25%。因此酸性溶液對纖維素間的作用力有很明顯地破壞現象。推測原因是 弱酸環境下，可破壞纖維素間的氫鍵作用力，微觀上導致纖維素間的吸引力下降，
巨觀上則導致紙張的承受張力下降。
問題三：紙條的承受張力在浸泡弱鹼性溶液後與只浸清水的比較如何？
浸泡弱鹼性的溶液後，紙張的承受張力亦明顯降低，較泡過清水的承受張力低了 20%。因此鹼性溶液對纖維素間的作用力亦有明顯地破壞現象。其推測原因同弱 酸的影響，亦是因為弱鹼環境可破壞纖維間的氫鍵作用力。
問題四：紙條的承受張力在浸過中性有機溶液(酮類和醇類)與只浸清水的影響比 較如何？
浸泡中性的丙酮和酒精溶液後，都會造成紙張最大承受張力的降低，泡丙酮較泡 清水後的韌性降低了7%。泡酒精後則較泡清水後的韌性降低了 13%。丙酮和酒 精的差異，推測原因為酒精是具有-OH 羥基的官能基，可對纖維素產生氫鍵作用 力，因而更降低了纖維素分子間的作用力。而丙酮無法對纖維素形成氫鍵，但有 機溶劑可溶解掉紙張中原有用來強固紙張的藥劑，因此也導致承受張力下降。
問題五：紙條的承受張力在浸過雙氧水後與浸泡清水的影響比較如何？
雙氧水導致紙張承受最大張力下降，較清水對照組低9%。因此具有氧化力的溶 液亦可以降低紙張的承受張力。
柒、結論
我們發現紙張在浸泡過清水並吹乾後，紙張的最大承受張力反而提升，此結 果令我們出乎預期。而在浸泡過弱酸或弱鹼性溶液後，紙的最大承受張力會明顯 的下降20~25%。而浸泡過丙酮和酒精兩種中性有機溶劑後，亦會導致承受張力 的下降，但較弱酸或弱鹼的影響少。另外，在有氧化力的環境下，紙張的承受張 力也會略為下降。綜觀此次研究，微觀上，我們利用溶液環境改變纖維素分子間 的作用力，可反映到巨觀上，紙張所能承受最大張力之表現。
捌、參考資料及其他
一、國中自然與生活科技第四冊單元3：酸、鹼與鹽和單元 5：有機化合物。翰 林出版社。
二、造紙術。維基百科。取自https://zh.wikipedia.org/wiki/造纸术。
三、馬克．科蘭斯基（2018）•紙的世界史：承載人類文明的一頁蟬翼，橫跨五 千年的不敗科技成就•臺北市：馬可孛羅文化。
四、王子製紙（2016）•紙的百知識：發明、製造、應用、再生，
