玻璃纖維非織造布的濕法成網(wǎng)技術(shù)

L.Bos

Andritz Küsters公司(德國)

濕法成網(wǎng)的用于建筑領(lǐng)域的非織造布產(chǎn)品產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)。在非織造布產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，人們對(duì)高品質(zhì)材料的需求也隨之增長(zhǎng)。

全球范圍內(nèi)正在建造和重建的建筑物越來越多，這導(dǎo)致對(duì)建筑材料的需求增長(zhǎng)。制造商正在開發(fā)比石膏或油漆應(yīng)用更快捷且所需的后處理少的產(chǎn)品。開發(fā)這種產(chǎn)品的重要一環(huán)是基于濕法成網(wǎng)的玻璃纖維非織造材料。例如，用作石膏板墻和聚異丁烯屋頂貼面和背襯的紙及紙板材料，現(xiàn)已被玻璃纖維薄氈取代。

玻璃纖維氈在對(duì)外觀要求較高的產(chǎn)品(如天花板和墻紙)中也有諸多應(yīng)用。對(duì)于對(duì)外觀要求較低的傳統(tǒng)應(yīng)用，如乙烯基地板﹑地毯及瀝青屋頂?shù)脑鰪?qiáng)材料，則對(duì)其拉伸強(qiáng)度有著較高的要求。玻璃纖維氈還可用作過濾材料和電池隔板。在這些應(yīng)用中，玻璃纖維在薄氈中的良好分布至關(guān)重要。玻璃纖維氈生產(chǎn)商需不斷改善其產(chǎn)品性能，制備纖維分布均勻的玻璃纖維氈，以滿足用戶需求和市場(chǎng)期望。

“成型良好”用于描述具有均勻結(jié)構(gòu)的濕法成網(wǎng)非織造產(chǎn)品。本質(zhì)而言，懸浮液中易結(jié)塊纖維的聚集，容易形成較大的絮狀物，從而造成非織造布的不良成型(圖1)。因此，非織造布加工過程中需有效預(yù)防纖維的聚集。

圖1 玻璃纖維非織造氈的成型效果與纖維聚集狀態(tài)的關(guān)系

成型良好的玻璃纖維非織造氈除了可提高產(chǎn)品的外觀效果外，其相比成型較差的同類產(chǎn)品也更薄﹑更堅(jiān)固。為使玻璃纖維非織造氈成型良好，需控制從纖維分散至最終成網(wǎng)的全過程。

提高成網(wǎng)質(zhì)量的方式有很多。在懸浮液中添加化學(xué)品，可減少纖維絮團(tuán)的產(chǎn)生。如，添加黏度調(diào)節(jié)劑可增強(qiáng)纖維對(duì)流體的抗沖擊力，添加表面活性劑等可降低絮狀纖維物質(zhì)的凝結(jié)。

使用化學(xué)品除增加生產(chǎn)成本外，還存在一些弊端：必須精確控制清水系統(tǒng)中添加的化學(xué)品的濃度，并且這些化學(xué)品的使用效果取決于難以控制的工藝條件，如溫度和工藝用水質(zhì)。此外，這些化學(xué)品必須能與黏合劑體系相容?；瘜W(xué)品的使用還會(huì)帶來不良反應(yīng)，如起泡和細(xì)菌滋生，而這些不良反應(yīng)需通過使用其他化學(xué)品來解決。

對(duì)玻璃纖維非織造氈的成型工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是一種更有效且節(jié)約生產(chǎn)成本的提高纖網(wǎng)質(zhì)量的方式。為實(shí)現(xiàn)均勻的玻纖氈結(jié)構(gòu)，下述3方面的設(shè)計(jì)至關(guān)重要：

——纖維在水-纖維懸浮液中應(yīng)有足夠的自由移動(dòng)空間；

——對(duì)水/纖維懸浮液施加足夠的湍流，以保持纖維的運(yùn)動(dòng)；

——按良好的纖維取向鋪設(shè)纖維，確保其均勻分布在纖網(wǎng)上。

濕法成網(wǎng)工藝對(duì)玻璃纖維氈的成型有重大影響。良好的工藝設(shè)計(jì)可降低纖網(wǎng)制備過程中對(duì)清水黏度和化學(xué)表面活性劑等物質(zhì)的依賴。

1 纖維移動(dòng)空間

非織造布濕法成網(wǎng)采用的斜線成型機(jī)專為處理長(zhǎng)纖維而開發(fā)。纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，懸浮液的質(zhì)量濃度應(yīng)越低(圖2)，從而使纖維在懸浮液中具有足夠的自由移動(dòng)空間。

圖2 纖維長(zhǎng)度與纖網(wǎng)成型性的關(guān)系

為了給纖維提供必要的移動(dòng)空間，運(yùn)轉(zhuǎn)速度快(>500 m/min)且寬度大(>5.5 m)的機(jī)器需通過成型機(jī)泵送足夠的清水(>350 m3/min)，這對(duì)成型機(jī)的設(shè)計(jì)，包括葉片泵(圖3)的性能設(shè)計(jì)提出了更高要求。

圖3 葉片泵

葉片泵必須與成型系統(tǒng)的其他組件匹配。系統(tǒng)工程師需了解成型機(jī)與泵的特性及其相關(guān)細(xì)節(jié)，防止系統(tǒng)相互間失配。運(yùn)行系統(tǒng)間的不匹配可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果，如，可能造成系統(tǒng)在泵的氣蝕窗口中運(yùn)行，從而引起脈沖和纖維結(jié)塊，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞泵。

在對(duì)現(xiàn)有的成型機(jī)提速后，葉片泵的運(yùn)行速度遠(yuǎn)超其最佳運(yùn)行范圍，因此建議安裝新的成型機(jī)或請(qǐng)專家改裝現(xiàn)有的斜線成型機(jī)。

2 保持纖維運(yùn)動(dòng)

確保纖網(wǎng)良好成型的基礎(chǔ)是纖維分散并懸浮于清水中，玻璃纖維的分散通常在由造紙工業(yè)中常用的制漿機(jī)衍生而來的混合罐中進(jìn)行。實(shí)踐證明，混合罐的攪拌器參數(shù)設(shè)計(jì)和功率設(shè)置取決于加工的玻璃纖維的長(zhǎng)度、直徑，尤其是纖維上所用的漿料。

分散的纖維必須持續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)以防結(jié)塊，直至其被鋪放在成型網(wǎng)上。因此，中間緩沖罐和稀釋罐也必須配備特定的攪拌器。

建議對(duì)各種類型的攪拌器與纖維間的適配性進(jìn)行測(cè)試，以確保纖維與攪拌器的配合恰當(dāng)，從而保持纖維的分散狀態(tài)。

成型機(jī)中保持纖維的運(yùn)動(dòng)非常重要，大多數(shù)成型機(jī)通過擴(kuò)散器實(shí)現(xiàn)纖維的持續(xù)運(yùn)動(dòng)。在由各種管道組成的擴(kuò)散器中，能量由壓力轉(zhuǎn)換為速度，但這一過程無法始終受控。若流體速度高于臨界速度，則流體運(yùn)動(dòng)將由層流變?yōu)橥牧?。而擴(kuò)散器中應(yīng)盡量避免懸浮漿的湍流運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致纖維結(jié)塊。

通過使用雙擴(kuò)散器(圖4)，可對(duì)含纖維的懸浮漿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行兩次加速而不會(huì)超過臨界速度。試驗(yàn)表明，在實(shí)際形成氈狀物前，采用雙擴(kuò)散器纖維獲得的分散能量更多(圖5)，從而可避免過大的絮團(tuán)形成。

圖4 雙擴(kuò)散器

圖5 單/雙擴(kuò)散器的分散能量對(duì)比

3 良好分布與取向的纖維鋪設(shè)

良好的玻璃纖維非織造氈需在其長(zhǎng)度方向(縱向)和寬度方向(橫向)上具有恒定的質(zhì)量。纖維分布不均勻易導(dǎo)致產(chǎn)品外觀上的差異，甚至還會(huì)影響其主要物理性能，如厚度、面密度和拉伸強(qiáng)度。

為實(shí)現(xiàn)完美的纖維分布，懸浮漿必須無脈沖且在整個(gè)成型機(jī)的寬度方向上均勻分散。將精心設(shè)計(jì)的葉片泵與雙擴(kuò)散器方式結(jié)合，可獲得無脈沖物料流。任何殘留的脈沖都將在兩個(gè)擴(kuò)散器的間隔中被吸收。

機(jī)器寬度方向上物料的良好分布需物料流呈現(xiàn)出完美的流體形態(tài)，這可通過雙擴(kuò)散器實(shí)現(xiàn)。預(yù)擴(kuò)散器能完美匹配懸浮漿的流動(dòng)方向。懸浮漿由橫向供應(yīng)給機(jī)器，然后呈90°轉(zhuǎn)入機(jī)器方向。若懸浮漿在寬度方向上存在細(xì)微差異，可在兩個(gè)擴(kuò)散器組成的空間中進(jìn)行調(diào)節(jié)。

除了將纖維均勻分布在產(chǎn)品的寬度和長(zhǎng)度方向上外，按所需的方向鋪設(shè)纖維也非常重要。若注重產(chǎn)品的外觀，則應(yīng)使產(chǎn)品縱向和橫向上的纖維隨機(jī)均勻地鋪設(shè)在成型網(wǎng)上。另有一些產(chǎn)品則無需具有各向同性。若所得非織造產(chǎn)品需進(jìn)行后續(xù)加工，則其縱向強(qiáng)度應(yīng)高于橫向，此時(shí)，需在機(jī)器方向上鋪設(shè)更多的纖維。若懸浮漿與成型生產(chǎn)線以相同的速度流動(dòng)，則纖維的取向在橫向和縱向上通常具有隨機(jī)性。若兩者存在速度差，則纖維將在縱向上具有更好的取向性。Andritz公司的neX成型機(jī)可通過脫水和打開前壁的方式，調(diào)節(jié)懸浮漿輸送至成型網(wǎng)的速度。

具有雙擴(kuò)散器的Andritz neX成型機(jī)，可將玻璃纖維非織造布良好的纖網(wǎng)成型性與纖維取向可調(diào)性完美結(jié)合。