漿網速變化對紙張物理性能的影響

張方東 裴繼誠 李 靜 劉 葦 周程熙

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

動態紙張成形技術是模擬高速長網造紙機的生產條件、抄造與紙機生產的紙張物理性能非常相似紙張的過程。動態紙張成形器作為傳統的手抄片抄造系統和中試紙機生產的一個中間階段，可以利用較少量的漿料抄造出足夠的紙張，方便用于后續的涂布、壓光以及評價印刷性能等。相關研究利用動態紙張成形器考察添加高得率漿對低定量涂布紙性能的影響［1-2］;加填和白水循環對含高得率漿成紙性能的影響［3］，并通過改變噴嘴噴射次數考察加填后定量的變化，抄造的紙張具有明顯的縱橫向性能。

在動態紙張成形器抄造紙張過程中，成形器攪拌桶內分散均勻的漿料經過漿泵加壓，由成形筒內的一個上下往復直線運動的噴嘴噴射到網上，經過離心脫水形成紙幅。其中成形桶的轉速 (即網速)及噴漿的速度和噴嘴的角度可以自由調整，即可調整漿網速比和著網點。漿料高速噴在旋轉的成形網上時會產生較大的擾動和剪切力，如同紙機上的生產，不同的抄造條件會使纖維在紙張中的分布方向不同［4］。TR Hess等人［5］利用動態紙張成形器研究得出網部形變、干燥過程以及纖維偏移會對抗張挺度取向 (TSO)和纖維分布產生不同的作用效果。

超聲波測量作為一種非破壞性、快速、用于測量物體彈性性質的測量方法，目前已廣泛用于制漿造紙上來評估設備和產品的性能，解決工廠實際生產問題［6-8］。紙張抗張挺度取向測試儀 (Tensile Stiffness Orientation Tester，TSO測試儀)是利用超聲波測量紙張在圓周各方向的抗張挺度，快速回歸纖維在紙張中的定向分布。采用TSO測試儀不僅能得到紙張縱、橫向的抗張挺度指數 (Tensile Stiffness Index，TSI)，還能直接地測試到紙張的抗張挺度取向角 (Tensile Stiffness Orientation Angle，TSOAngle)(測試結果見圖1)，通過TSI和TSO數據可以獲取生產過程中的動態信息，來調整紙機以優化紙張強度、成本以及其他質量參數［6，9］。

圖1 TSO測試儀測量所給出的極坐標圖

國內對TSO測試儀的測試原理、測試方法及影響因素進行了一定的介紹［10-12］，并利用TSO測試儀對新聞紙［13］、涂布灰底白紙板［11］的TSO性能參數進行測定，對紙機的運行性能進行調整優化。國外研究［14］得出涂布原紙生產過程中，漿網速差在－3 m/min，TSOAngle為+1.7°時獲得最低的卷曲 (2 m－1)和最佳勻度 (7.8%)效果。

本實驗通過改變動態紙張成形器在抄造過程中漿網速比，考察對成紙物理性能的影響;同時利用TSO測試儀對紙張的TSO性能參數進行測定，分析不同漿網速下TSI和TSOAngle的變化規律。

1 實驗

1.1 實驗原料

漂白硫酸鹽針葉木漿:智利銀星牌商品漿。

1.2 實驗儀器

No.2505瓦利打漿機，日本KRK公司制造;動態紙張成形器，FDA法國TECHPAP公司制造;150 TSO測試儀，瑞典L＆W公司制造;066抗張強度測定儀，瑞典L＆W公司制造;166透氣度測試儀，瑞典L＆W公司制造;LAD07勻度儀，加拿大OPTEST公司制造。

1.3 實驗方法

1.3.1 漿料準備

取360 g絕干漂白硫酸鹽針葉木漿板浸泡4 h后，根據GB/T 24325—2009采用瓦利打漿機打漿，目標打漿度 45°SR。

1.3.2 紙張抄造

采用動態紙張成形器在不同漿網速條件下 (如表1、表2)抄造紙張，漿濃0.3%，紙張定量為60 g/m2。

表1 網速條件設定

表2 噴漿速度計算

1.3.3 紙張物理性能測試

紙張在溫度為 (23±1)℃，相對濕度為 (50±2)%(即標準恒溫恒濕條件)的條件下平衡處理一定時間，根據相應標準方法分別測定紙張的定量(GB/T 451.2—2002)，厚度 (GB/T 451.3—2002)，抗張強度 (GB/T 12914—2008)，透氣度 (GB/T 458—2008)等性能。

采用加拿大OPTEST公司的LAD07勻度儀測試紙張的勻度，測試面積980 mm2。LAD07勻度儀是根據不同定量的紙張對可視光吸收程度的不同，測量紙張定量的微區分布，進而計算求出紙張的勻度指數。儀器采用鹵素光源輸出可視光 (380～740 nm)的全部波長，調整光強使透過紙樣后形成的總灰度值在(128±3)GL(Grea level)，通過一個高分辨率的CCT攝像機采集圖像，經軟件分析得出紙張的勻度性能，主要測試指標包括勻度指數、對比強度、比周長以及斑點尺寸等。其中勻度指數是基于比周長和對比強度的比值關系計算得出;比周長與斑點在紙張中的尺寸分布有關，通常情況下絮體或顆粒越小，比周長越大，紙張形貌越好;對比強度根據光密度的變異系數計算得出，數值越小勻度越好。

圖2 漿網速變化對紙張縱向TSI的影響

圖3 漿網速變化對紙張橫向TSI的影響

圖4 漿網速變化對紙張TSIMD/CD的影響

1.3.4 TSO測試

采用 TSO測試儀測定紙張的 TSOAngle、TSIMD、TSICD和 TSIMD/CD。

2 結果與討論

2.1 TSO測試分析

對于大多數紙種，TSIMD曲線分布是接近水平的，TSICD曲線形狀應為上凸的“弓形”;造紙機正常運行時，最大和最小TSIMD值偏差應在5% ～10%范圍內，TSICD最大值與最小值之間的偏差通常在10% ～20%內［6］。采用動態紙張成形器抄造的紙張TSIMD和TSICD沿紙幅分布相對均勻，測試多點取平均值作為相應漿網速下紙幅的 TSI值，不同漿網速條件下 TSIMD和TSICD的檢測結果如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，當漿速一定，網速由900 m/min增大為1400 m/min過程中，TSIMD逐漸增大，TSICD逐漸減小;當漿速為300 m/min時，TSIMD值由13.24 kNm/g增加為15.8 kNm/g，而 TSICD由6.28 kNm/g減小為5.73 kNm/g。當網速一定，隨著漿速的增大，TSIMD逐漸減小，TSICD逐漸增大;漿速由300 m/min增加到700 m/min的過程中，TSI變化幅度相比網速變化條件下要小。

圖4為不同漿網速下紙張TSIMD/CD的結果。紙種不同，需要控制的 TSIMD/CD比值也不同，通常TSIMD/CD比值控制在1.1～5.0之間，比值1.1適合紙袋紙，比值5.0適合新聞紙。由圖4可以看出，在實驗條件下，TSIMD/CD值介于2～3之間;漿速一定時，TSIMD/CD隨著網速的提高成增加趨勢;當網速一定時，TSIMD/CD隨著漿速的增加成降低趨勢。

在生產過程中，TSI與漿料的性質、漿網速差、壓榨和干燥等條件有關。在實驗過程中，所選漿料種類及壓榨、干燥等條件相同，漿網速的變化是影響TSI的主要因素。漿網速差是形成剪切力的最初動力，無論漿速超前或滯后于網速，漿網速差越大，形成的剪切力越大，沿造紙機縱向排列的纖維就越多，紙張 TSIMD和 TSIMD/CD值越大。實驗設定漿速由300 m/min增加到700 m/min，噴漿速度低于網速，為拖漿狀態下運行，纖維更多取向于造紙機縱向排列。在漿速為300 m/min，網速為1400 m/min時，TSIMD和TSIMD/CD值最大，分別為15.8 kNm/g和2.74。

TSOAngle不僅與紙張在抄造過程中產生的應力和應變有關，還與纖維定向有關，纖維的定向可以在很大程度上影響紙張質量和造紙機的運行性能［15］。在實驗過程中，僅改變網速和噴漿速度，控制壓榨、干燥條件和切紙方式一致，沿成形網運行方向測試(紙機縱向)，結果如表3所示。

表3 不同漿網速下紙張TSOAngle

由表3可知，TSOAngle基本都在－1°以內，說明TSIMax幾乎位于造紙機縱向，在實驗條件內通過改變動態紙張成形器的漿網速對TSOAngle影響不大;TSOAngle為負值，說明TSIMax略微偏離縱向。原因是在紙張成形過程中，由成形筒內的噴嘴上下往復直線運動將漿料噴射到成形網上，由于網的牽引力和漿料的本身的重力作用使纖維取向向下偏移，紙張抗張挺度的最大值不在紙機縱向，而是具有一定的角度 (見圖5)。

圖5 重力作用對纖維取向的影響

2.2 漿網速變化對緊度和透氣度的影響

表4和圖6分別為不同漿網速對紙張緊度和透氣度的影響。從表4、圖6可知，隨著網速的增大，紙張的緊度增大，透氣度減小。漿速為300 m/min時，網速由900 m/min增大為1400 m/min過程中，緊度由0.57 g/cm3增大為0.61 g/cm3，透氣度由5.28 μm/(Pa·s)減小為2.33 μm/(Pa·s);當網速一定，改變漿速時紙張的緊度和透氣度變化不明顯。紙張的緊度與纖維的物化特性、打漿程度、加填和施膠、網部脫水成形工藝、壓榨、干燥、壓光等因素有關。在紙張成形過程中，隨著網速的提高，紙料上網時受到剪切作用增強，能促使纖維更好地分散，纖維更易沿著紙機的方向排列;紙張在強制干燥時，橫向收縮增大，緊度增加。透氣度主要受緊度的影響，緊度越大，透氣度越小。

表4 漿網速變化對緊度的影響

圖6 漿網速變化對紙張透氣度的影響

圖7 漿網速變化對紙張縱向抗張強度的影響

圖9 漿網速變化對紙張縱橫向抗張強度比值的影響

圖8 漿網速變化對紙張橫向抗張強度的影響

2.3 漿網速變化對抗張強度的影響

圖7、圖8為漿網速變化對紙張縱、橫向抗張強度的影響。紙張的抗張強度主要取決于纖維間的結合程度，較好的結合有利于紙張抗張強度的提高。隨著漿網速差的增大，縱向纖維分布數量增加，纖維間結合程度提高，在測定紙張縱向抗張強度時，單位斷裂面積上受力的纖維數量增加，紙張的抗張強度增加。而在紙張的橫向，處于應力狀態的纖維數量減少，紙張的抗張強度降低。從圖7和圖8可以看出，當漿速固定，隨著網速的增大，紙張的縱向抗張指數逐漸提高;當網速固定，隨著漿速的增大，紙張的縱向抗張指數逐漸減小;漿網速差越大，縱向抗張指數越高。橫向抗張強度變化規律與縱向的結果相反。

圖9為不同漿網速下紙張縱、橫向抗張指數比值。由圖9可以看出，在實驗條件下，縱橫向抗張指數比值介于3～5之間;當漿速或網速一定時，漿網速差越明顯，縱橫向抗張指數比值越大，當漿速為300 m/min、網速為1400 m/min時，縱橫向抗張指數比值為4.25。

抗張能量吸收 (TEA)是評價紙張強韌性的重要指標，用紙張拉伸到斷裂時應力應變曲線下的面積來表示。纖維的定向性極大地影響了紙張的縱向和橫向斷裂韌性的差別。隨著漿網速差的增大，在紙張縱向，單位斷裂面積上受力的纖維數量增加，單根纖維所受到的應力減小，故紙張的斷裂韌性增加。在紙張的橫向，處于應力狀態的纖維數量減少，單根纖維所受到的應力增加，橫向斷裂韌性降低。漿網速變化對紙張TEA的影響如圖10和圖11所示。從圖10和圖11可以看出，隨著網速的增大，紙張的TEAMD逐漸提高，TEACD逐漸減小，漿速變化對紙張 TEAMD和 TEACD影響不明顯。

2.4 紙張勻度分析

圖10 漿網速變化對紙張TEAMD的影響

圖11 漿網速變化對紙張TEACD的影響

紙張勻度是指紙張中纖維及填料、膠體等固體成分的分布均勻程度，包括纖維的分散程度、纖維的空間定向程度和方式，以及固體組分的靠緊程度。它是評價紙張質量一個重要的物理指標，影響到幾乎所有的物理和光學性質的平均值和數值的均一性。纖維絮聚是導致勻度變差的主要原因之一［16］，在紙張成形過程中，隨著漿網速差的增大，紙料上網時受到的剪切作用增強，能促使纖維更好地分散，纖維絮聚的數目、大小和面積減小，勻度指數提高 (見表5)，當漿速為300 m/min、網速為1400 m/min時，紙張的勻度指數最大為112。

表5 漿網速變化對紙張勻度的影響

3 結論

3.1 利用動態紙張成形器可以模擬高速長網造紙機漿網速條件抄造出不同縱橫向比的紙幅，在實驗設定的漿網速范圍內，通過對紙張的抗張挺度取向(TSO)檢測得出:當漿速一定，隨著網速的增大，縱向抗張挺度指數 (TSIMD)和縱橫向抗張挺度指數的比值 (TSIMD/CD)逐漸增大，橫向抗張挺度指數(TSICD)逐漸減小;當網速一定，隨著漿速的增大，TSIMD和TSIMD/CD逐漸減小，TSICD逐漸增大;漿網速差越大，形成的剪切力越大，沿紙機縱向排列的纖維就越多，紙張 TSIMD和 TSIMD/CD值越大;在漿速為300 m/min，網速為1400 m/min時，TSIMD和TSIMD/CD值最大，分別為15.8 kN·m/g和2.74。

3.2 紙張縱橫向抗張強度變化趨勢與TSI變化趨勢相一致。隨著網速的增大，紙張縱向抗張能量吸收(TEAMD)逐漸提高，TEACD逐漸減小，而漿速變化對紙張縱橫向TEA影響不明顯。

3.3 紙張緊度和透氣度檢測結果表明:當漿速一定，隨著網速的增加，纖維更易沿著紙機的縱向排列，紙幅在強制干燥時，橫向收縮增大，紙張的緊度增加，透氣度降低;改變漿速，紙張緊度和透氣度變化規律不明顯。勻度測試結果表明:漿網速差越大，纖維得到更好地分散，紙張勻度越高。

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