成形網(wǎng)動(dòng)態(tài)濾水特性及紙張抄造性能分析

胡志軍 胡桂林 劉寶鑒 汪丹妤

(浙江科技學(xué)院，浙江杭州，310023)

在造紙工業(yè)高速發(fā)展的今天，質(zhì)量和成本成為取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。如何持續(xù)降低成本、提高產(chǎn)量是造紙企業(yè)一直以來關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。工廠實(shí)踐證明，造紙企業(yè)使用合適的成形網(wǎng)，可延長(zhǎng)造紙機(jī)運(yùn)行時(shí)間、提高留著率、減少濕部斷紙次數(shù)、提高紙幅出壓榨部干度、改善紙張表面性能等，最終大大提高造紙機(jī)車速和生產(chǎn)效率，并減少能源消耗［2-3］。

造紙成形網(wǎng)是一種由聚酯單絲或尼龍單絲構(gòu)成、經(jīng)緯線編織而成的織物，在紙和紙板的濕法成形過程中起著至關(guān)重要的作用。其織造方法、脫水性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命與造紙機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本密切相關(guān)［4-6］。優(yōu)良設(shè)計(jì)的成形網(wǎng)有利于造紙機(jī)節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)成形網(wǎng)的研究應(yīng)用仍處在引進(jìn)、消化和吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自主設(shè)計(jì)階段［7］。因而，高效成形網(wǎng)的設(shè)計(jì)、制備及選型是造紙及織物工作者共同面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

為更好地滿足紙和紙板高速抄造的需要，成形網(wǎng)的制造技術(shù)日益更新和發(fā)展。為了滿足抄造過程對(duì)成形網(wǎng)的要求，即脫水能力、成形質(zhì)量、纖維及填料留著率、使用壽命等，其制造工藝更是不斷深入發(fā)展和優(yōu)化。造紙成形網(wǎng)的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一系列的改進(jìn)，從單層網(wǎng)向兩層 (2C)、兩層半 (2B)、三層成形網(wǎng)演變，再進(jìn)一步改良得到最新的自綁式三層網(wǎng) (Sheet Support Binder，SSB)，如圖1所示。

圖1 成形網(wǎng)的發(fā)展過程

國(guó)外專業(yè)成形網(wǎng)制造商根據(jù)各紙種的生產(chǎn)要素，將其產(chǎn)品分成多個(gè)系列，每一系列產(chǎn)品都有一套完善的設(shè)計(jì)和織造工藝體系。同時(shí)，各個(gè)系列又根據(jù)綜數(shù)及編織工藝特點(diǎn)，再細(xì)分成多種規(guī)格的產(chǎn)品。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)成形網(wǎng)的制備技術(shù)存在較大差距。由于成形網(wǎng)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，與其制造相關(guān)的造紙產(chǎn)業(yè)和紡織工作者較少涉及這一方面的研究。國(guó)內(nèi)成形網(wǎng)制造公司及工作者因其自身?xiàng)l件的局限，成形網(wǎng)制備技術(shù)的發(fā)展通常依賴生產(chǎn)試用和改進(jìn)以及工程實(shí)踐的積累，理論研究不夠深入。

本實(shí)驗(yàn)選用不同類型和規(guī)格的成形網(wǎng)考察典型漿料的動(dòng)態(tài)濾水特性及對(duì)紙張性能的影響，為優(yōu)化成形網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率和紙張性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

成形網(wǎng)由安徽某網(wǎng)業(yè)公司提供。漿料由富陽(yáng)某造紙企業(yè)提供，1#漿料以漂白針葉木長(zhǎng)纖維和少量填料(10%)構(gòu)成，2#漿料由漂白闊葉木短纖維和填料(35%)構(gòu)成。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

標(biāo)準(zhǔn)漿料高剪切分散機(jī)，德國(guó)DFA動(dòng)態(tài)濾水分析儀，ZQJ1-200紙樣抄取器，WZL-300臥式電腦測(cè)控拉力機(jī)，DCP-SLY1000電腦測(cè)控紙張撕裂度儀和DN-B白度儀。

1.3 動(dòng)態(tài)濾水分析

選用DFA動(dòng)態(tài)濾水分析儀對(duì)特定漿料和成形網(wǎng)進(jìn)行濾水分析，濾網(wǎng)替換為不同規(guī)格的聚酯成形網(wǎng)。該設(shè)備極好地模擬了造紙機(jī)的留著條件，攪拌器可編程設(shè)定，可獲取不同的作用時(shí)間及不同的剪切條件，記錄濾液量隨時(shí)間的變化。

1.4 抄片及物理性能檢測(cè)

以成形網(wǎng)替換紙樣抄取器原有的銅網(wǎng)，抄制定量80 g/m2手抄片。制得的手抄片經(jīng)恒溫恒濕條件平衡24 h，再進(jìn)行相關(guān)物理性能的檢測(cè)。紙張物理性能的檢測(cè)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，主要包括定量、厚度、抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)等，紙張灰分含量按照GB/T 463—1989測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 成形網(wǎng)顯微結(jié)構(gòu)分析

單層聚酯網(wǎng)在織造方法上與傳統(tǒng)銅網(wǎng)十分類似，區(qū)別僅限于所用材料。與銅網(wǎng)相比，聚酯網(wǎng)的突出優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)子質(zhì)量輕、網(wǎng)身柔軟、易于操作、易于清洗、壽命長(zhǎng)，可顯著提高生產(chǎn)效率。單層網(wǎng)由單根經(jīng)/緯線系統(tǒng)相互交織而成［3］，如圖2(a)所示。高密度經(jīng)緯線細(xì)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是表面性能好，填料和細(xì)小纖維等留著率高;缺點(diǎn)是網(wǎng)子不耐磨，使用壽命較短。低密度粗網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)與前者正好相反。單層網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足成紙性能和使用壽命兩者之間顯示出一對(duì)矛盾關(guān)系。

圖2 成形網(wǎng)顯微照片

兩層網(wǎng)擁有兩層經(jīng)線，緯線先后穿過上下層經(jīng)線，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊密，尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于單層網(wǎng)。兩層半網(wǎng)在兩層網(wǎng)的基礎(chǔ)上，面層增加1根緯線，該緯線依次穿過上下層經(jīng)線，實(shí)現(xiàn)了面緯和底緯的分離，見圖2(b)。緯線可采用不同密度和線徑的紗線，面緯線徑比較細(xì)，有利于提高纖維留著率和降低成紙兩面差;底緯線徑比較粗，使網(wǎng)子更加耐磨，延長(zhǎng)使用壽命。三層網(wǎng)的特點(diǎn)是具有多個(gè)橫向緯線系統(tǒng)和縱向經(jīng)線系統(tǒng)，完全可分離的面層和底層，見圖2(c)。通常面緯和底緯的比例采用2∶1或3∶2，同時(shí)底緯部分采用耐磨的尼龍單絲來替代聚酯單絲。

2.2 成形網(wǎng)動(dòng)態(tài)濾水特性分析

選用富陽(yáng)某造紙公司提供的兩種代表性的漿料和三類典型的成形網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾水檢測(cè)分析。其中，2C代表兩層網(wǎng)，2B代表兩層半網(wǎng)，SSB代表三層網(wǎng)，序號(hào)1～3表示線密度增加的趨勢(shì)。

2.2.1 不同規(guī)格成形網(wǎng)對(duì)1#漿料動(dòng)態(tài)濾水特性的影響圖3和表1為1#漿料動(dòng)態(tài)濾水特性曲線和特性參數(shù)。結(jié)合圖3和表1分析得到，拐點(diǎn)x值出現(xiàn)越早表明成形網(wǎng)越快形成初始纖維截留層，助留效果好。一般情況下，成形網(wǎng)只能直接影響紙張的初始成形，而進(jìn)一步的成形、留著和濾水都由初始纖維截留層控制［8］。終點(diǎn)y值越大，表明單位時(shí)間內(nèi)濾水越多;斜率越大，表明濾水速率越快。成形網(wǎng)2B-3并未形成明顯的濾水拐點(diǎn)，表明該成形網(wǎng)快速形成初始纖維截留層，留著效果最好;其次成形網(wǎng)SSB-3的拐點(diǎn)x最小，同時(shí)終點(diǎn)y值都相對(duì)較低，濾水最慢。成形網(wǎng)2B-1拐點(diǎn)x值最大，表明該成形網(wǎng)最晚形成初始纖維截留層。成形網(wǎng)2C-1和2C-2終點(diǎn)y值最大，表明該類型成形網(wǎng)的濾水最快;但2C-2同時(shí)具有小的拐點(diǎn)x值，表明它還同時(shí)具有較好的留著。綜上，同類型的成形網(wǎng)，織造方法對(duì)濾水和留著的影響顯著。

圖3 1#漿料動(dòng)態(tài)濾水特性曲線

2.2.2 不同規(guī)格成形網(wǎng)對(duì)2#漿料動(dòng)態(tài)濾水特性的影響

圖4和表2為2#漿料動(dòng)態(tài)濾水特性曲線和特性參數(shù)。結(jié)合圖4和表2分析得到，2#漿料的動(dòng)態(tài)濾水性能與1#漿料比較，成形網(wǎng)拐點(diǎn)x值多數(shù)均較1#漿料要大，表明2#漿料形成穩(wěn)定的截留層相對(duì)滯后，原因在于2#漿料纖維較短，細(xì)小組分較多;終點(diǎn)y值普遍較1#漿料要高，表明2#漿料的濾水性能較1#漿料好;不同成形網(wǎng)拐點(diǎn)x值相差不大，表明不同類型成形網(wǎng)對(duì)2#漿料的濾水成形影響較弱。由表2還可知，2C-1的濾水性最好，成形網(wǎng)2B-1次之;SSB-2最早出現(xiàn)拐點(diǎn)，形成有效截留層，留著效果好，終點(diǎn)y值也相對(duì)較低;2B-3的濾水最慢，拐點(diǎn)x值較低，留著效果最好。

2.3 不同成形網(wǎng)對(duì)紙張性能的影響

取不同漿料，采用不同規(guī)格聚酯網(wǎng)替代抄片器的銅網(wǎng)進(jìn)行抄片，檢測(cè)相應(yīng)指標(biāo)。

2.3.1 不同成形網(wǎng)對(duì)1#漿料抄造紙張性能的影響

表3為1#漿料使用不同成形網(wǎng)抄造紙張的性能。由表3得知，對(duì)于1#漿料，2C系列成形網(wǎng)抄造紙張灰分最少，填料留著率最低，強(qiáng)度指標(biāo)也最低;2B系列成形網(wǎng)的填料留著率最高，表明該類型成形網(wǎng)對(duì)纖維和填料的留著最好，同時(shí)紙樣強(qiáng)度指標(biāo)值也最佳;SSB系列成形網(wǎng)強(qiáng)度指標(biāo)和留著率適中。2B-2的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均表現(xiàn)為最高，成形網(wǎng)SSB-3次之。成形網(wǎng)2B-1的紙樣耐折度最高，抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)也較高。綜合評(píng)價(jià)，2B系列成形網(wǎng)兼顧了留著和紙張性能，其性能最佳，2B-2在紙張物理性能方面表現(xiàn)最佳，2B-3在留著方面表現(xiàn)最好。

表1 1#漿料動(dòng)態(tài)濾水特性參數(shù)

表2 2#漿料動(dòng)態(tài)濾水特性參數(shù)

表3 不同成形網(wǎng)對(duì)1#漿料紙張性能的影響

表4 不同成形網(wǎng)對(duì)2#漿料紙張性能的影響

2.3.2 不同成形網(wǎng)對(duì)2#漿料抄造紙張性能的影響

表4為使用不同成形網(wǎng)抄造2#漿料紙張的性能。由表4比較得到，對(duì)于2#漿料，因填料比例較多，強(qiáng)度指標(biāo)均低于1#漿料，尤其耐折度顯著降低，檢測(cè)中多個(gè)試樣檢測(cè)不出，未給出相應(yīng)數(shù)據(jù);其中抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)變化幅度都較小，與1#漿料類似。三大系列成形網(wǎng)在留著率和強(qiáng)度指標(biāo)方面對(duì)2#漿料的影響與1#漿料大致相同。2C系列成形網(wǎng)在多個(gè)方面的性能與SSB系列成形網(wǎng)相近，表明對(duì)于品質(zhì)相對(duì)較差的漿料使用低價(jià)的2C系列成形網(wǎng)更實(shí)用。成形網(wǎng)2B-2的抗張指數(shù)表現(xiàn)最高，撕裂指數(shù)與留著率相對(duì)較高;成形網(wǎng)SSB-3的撕裂指數(shù)最高，但抗張指數(shù)較低;成形網(wǎng)2B-3填料留著率最高，抗張指數(shù)偏低，撕裂指數(shù)適中。同上，2B系列成形網(wǎng)的綜合性能最佳，兼顧了留著和紙張性能，2B-2在紙張物理性能方面表現(xiàn)最佳，2B-3在留著方面表現(xiàn)最好。

3 結(jié)論

本研究考察了長(zhǎng)纖維和短纖維兩種漿料在三類典型成形網(wǎng) (兩層網(wǎng) (2C)、兩層半網(wǎng) (2B)和三層網(wǎng) (SSB))上的動(dòng)態(tài)濾水特性，以及對(duì)抄造紙張性能的影響，為優(yōu)化成形網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)效率和紙張性能提參考。

3.1 根據(jù)漿料動(dòng)態(tài)濾水特性分析，長(zhǎng)纖維為主的漿料濾水拐點(diǎn)普遍早于短纖維和填料較多的漿料，終點(diǎn)y值低于短纖維和填料較多的漿料，不同規(guī)格成形網(wǎng)對(duì)長(zhǎng)纖維為主的漿料的留著都高于短纖維和填料較多的漿料，但濾水較慢。

3.2 綜合考慮動(dòng)態(tài)濾水特性和紙張性能，2C系列成形網(wǎng)在多個(gè)方面的性能與SSB系列成形網(wǎng)相近，對(duì)于短纖維和填料較多的漿料，使用低價(jià)的2C系列成形網(wǎng)更實(shí)用。

3.3 成形網(wǎng)2C-1和2C-2終點(diǎn)y值最大，表明該類型成形網(wǎng)的濾水性最好;2C-2同時(shí)具有小的拐點(diǎn)x值，表明它還同時(shí)具有較好的留著;數(shù)據(jù)表明同類型的成形網(wǎng)，織造方法對(duì)濾水和留著影響顯著。

3.4 2B系列成形網(wǎng)的性能最佳，兼顧了留著和紙張性能，2B-2在紙張物理性能方面表現(xiàn)最佳，2B-3在留著率方面效果最好，同時(shí)說明更多的細(xì)小組分留著有利于提高紙張的結(jié)合強(qiáng)度。

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