現代紙機壓榨毛毯及毛毯-紙幅體系的技術研究進展

朱　文　張　輝

(南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇南京，210037)

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現代紙機壓榨毛毯及毛毯-紙幅體系的技術研究進展

朱文張輝*

(南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇南京，210037)

摘要：壓榨毛毯及壓區毛毯-紙幅體系較為復雜，直接影響紙機脫水效率和成紙質量。文章在簡要討論壓榨的基本作用、特征和國內外壓榨毛毯生產技術現狀的基礎上，重點介紹了研究壓榨毛毯結構特性、壓區毛毯-紙幅體系特性的方法、手段和取得的成果，以及壓榨毛毯及其應用的發展趨勢。

關鍵詞：壓榨毛毯；毛毯-紙幅體系；結構性能；脫水效率

紙機的主要功能有3個方面，即將紙漿成形、脫水以及改善紙張的內在性能和表面性能。從脫水經濟性和改善紙張性能兩方面看，壓榨部的作用十分重要，在現代高速紙機中尤其如此。若要高效、低成本地實現壓榨部的功能及作用，除壓榨(輥)設備外，主要取決于壓榨毛毯的結構特性及毛毯-紙幅體系在壓區中表現的特性。為了適應高速紙機的發展，國外學者對這兩方面特性進行了許多研究，取得了較大進展，并將其用于與高速紙機配套的壓榨毛毯的開發中。我國對于壓榨毛毯及毛毯-紙幅體系的研究非常薄弱，無法適應國內造紙工業高速紙機的需要。故本文就國內外壓榨毛毯生產技術現狀、壓榨毛毯結構特性及毛毯-紙幅體系在壓區中表現的特性、壓榨毛毯發展及其應用的發展趨勢和研究方向等進行詳細介紹，為我國高速紙機用壓榨毛毯及其應用的研發提供借鑒。

1紙機壓榨部配置及研究要點

1.1紙機壓榨部配置及功能

紙機壓榨部一般有一道或多道壓榨，有傳統窄區壓榨和現代寬區壓榨。壓榨部壓區主要由壓榨輥、毛毯和紙幅三部分構成。

壓榨毛毯主要作用是協助脫水、傳遞、支撐紙幅、保障紙幅在壓區內的壓力均勻分布以及紙幅表面平整。毛毯的組織結構、脫水性、承壓強度和使用壽命與紙機生產效率、產品質量和生產成本密切相關。理想的毛毯應具有較好的力學性能、耐沖擊、耐磨損、耐化學腐蝕，尺寸穩定性和熱穩定性好，具有高孔隙率和透氣性，液流阻力也小。

1.2國內外紙機壓榨部研究重點

近年來，人們對壓榨部進行了大量的研究和改進，主要集中在改進壓榨狀態，如開發新型壓榨輥、采用強化壓榨途徑、尋求新型壓榨技術等。相對而言，對壓榨毛毯的研究較少，將毛毯和紙幅作為一個體系來研究的就更少。

國內關于毛毯的研究局限于毛毯的織法、化學處理、清洗、防止脫毛、提高毛毯自身性能等方面，而對于將毛毯置于壓榨環境中進行模擬實驗、在實驗室條件下構建毛毯壓榨模型以及對毛毯進行微觀分析的研究幾乎沒有。因此，對壓榨部毛毯結構和脫水性能的研究很有必要。

國內外針對壓榨毛毯研究的側重點有所不同。國內對于毛毯的研究比較直觀，集中于新型毛毯的設計開發(毛毯表面植絨纖維原料、毛毯織法、毛毯表面化學處理)、毛毯清洗技術、企業自身管理等方面，傾向于工廠實際應用。而國外對于毛毯的研究更詳細、更透徹，基礎理論性強，包括新型毛毯設計開發、毛毯清潔以及毛毯脫水實驗室模型、毛毯表面粗糙度對脫水效率的影響等。

國內關于壓榨毛毯的研究多局限于新型毛毯開發等實用性方面，對于毛毯-紙幅體系壓榨脫水動力學分析、數學模型、微觀結構等方面的研究卻非常有限，進而極大地限制了新技術的產生。

2壓榨毛毯生產技術研究進展

影響脫水效率的重要因素之一就是壓榨毛毯?，F階段，對于如何延長毛毯使用壽命、提高壓榨脫水效率、降低壓榨脫水能耗的研究受到越來越多的關注。

2.1壓榨毛毯材料

壓榨毛毯從全羊毛毯、半化纖毯發展到全化纖毛毯[1]，到1960年出現了針刺植絨基布毛毯(BOB)，1968年出現了針刺植絨底網毛毯(BOM)[2]。目前壓榨毛毯的典型原料[3-5]主要是滌綸和錦綸(聚酰胺纖維)，如PA6、PA66和PA610，這些材料具有很高的耐磨性和親水性。

植絨材料的研究包括纖維種類、纖維幾何形狀和纖維長度等方面。植絨纖維[6]選用PA46，具有較強的耐酸性和良好的熱穩定性，最高軟化溫度比PA66高20℃左右；抗沖擊強度比PA6、PA66和聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)高2倍；耐磨強度是PA6的3倍，且具有良好的抗腐蝕性能。植絨纖維還可以選用以聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)為主的低熔點熱黏合纖維或選用較細的小徑高強度紗線，另外，用聚氨酯發泡材料替代絮絨材料也能優化壓榨毛毯的性能[7]。從纖維幾何形狀來看，采用異型纖維、雙組分纖維可改善毛毯的表面性能、耐磨性能和彈性[8]。采用不同長度的纖維混合有利于提高毛網梳理的質量和纖維間的黏合力[2]。

底網材料一般為圓形的聚酰胺合成纖維，底網的紡絲有短纖紗、合股復絲、單絲以及合股單絲?，F代壓榨毛毯使用的主要是單絲和合股單絲，單絲直徑為0.15~0.60 mm，有很強的抗壓能力和透氣度。傳統單絲的圓形結構雖提供了良好的抗壓性能，但其彈性及壓縮回彈性則更多依靠底網的結構及單絲加捻結構來提供。在保證合理的機械性能和熱性能的條件下，采用中空單絲能為毛毯提供更優良的壓縮回彈性[9]。

2.2壓榨毛毯的先進織造工藝

壓榨毛毯的織造工藝主要包括底網編織方法、針刺植絨工藝、熱定型工藝，每項工藝都會影響最終成毯的品質和性能。

(1)經復絲、緯單絲、底經二重平組織法[10]。經紗采用復絲、緯紗采用單絲、底網組織采用經二重平組織，這種工藝結構穩定，在基布中經紗基本無屈曲，毛毯伸長變形小，尺寸穩定。底網組織采用雙層組織，經紗屈曲少、表面平整，使壓榨力分布更均勻；底層為二上二下方平組織，能有效托持上層底網，方平組織中的孔洞可增大毛毯空隙體積，同時增強毛毯的脫水能力，降低三方向的流阻，提高毛毯的耐壓縮性和壓縮回彈性。

(2)底網壓榨毛毯織造[11]。底網壓榨毛毯是集單絲底網的疏水性、穩定性、不可壓縮性及毛毯的表面性和彈性等優點為一體的網毯組合式壓榨毛毯。底網壓榨毛毯織造過程中，必須做到同一經軸上每根經線張力一致，底網結構應根據紙機類型、抄紙品種及使用場合進行選擇。在針刺復合工藝中，對底網壓榨毛毯性能影響最大的是針刺深度，其次是針刺密度。底網壓榨毛毯宜采用熱風對流式或導熱油加熱金屬面接觸式熱定型。定型溫度與定型時間是互相關聯的。

(3)VectorTM非編織技術[12]。運用此項技術可編織多軸向基層毛毯，它可將VectorTM層內的紗線在多方向上全部調直，并合為一體。既可提供優良的抗壓實性，又可使基層更均勻，貼紙幅表面更平坦。

(4)熱定型賦予壓榨毛毯新性能技術[13]。為保證壓榨毛毯的良好透氣/透水性能、高強力、低伸長的尺寸穩定性，壓榨毛毯熱定型應在較大的縱橫張力作用下，以定型溫度165~185℃、定型時間1 min為最佳。對表面細膩度要求高的毛毯在定型時必須使溫度低于原料熔點2~3℃，定型速度緩慢降至4 m/min，多圈定型反復熨平。

2.3新型壓榨毛毯

壓榨毛毯通?？煞譃閇14]單層底網毯、雙層底網毯、多層底網毯、無交織點基布毛毯、接縫毛毯、多軸向底網毛毯等。近幾年，又開發了具有特殊性能的壓榨毛毯，如抗污底網壓榨毛毯、抗靜電底網壓榨毛毯、耐酸/耐堿底網壓榨毛毯等。相應產品有上海某造紙網毯有限公司生產的高線壓壓榨毛毯、抗污底網壓榨毛毯及徐州某廠生產的無網痕壓榨毛毯等。

(1)靜電紡絲技術[15]毛毯。將靜電紡絲技術和壓榨毛毯編織技術結合到一起，可獲得性能強化的技術型紡織物。納米纖維素層能提高壓榨毛毯表面平滑度，但會降低透氣性。研究表明，納米纖維素涂層的涂布量為1 g/m2時，雖然會降低毛毯透氣性，但卻能提高涂層均勻性，促進紙幅脫水。此外，紙側毛毯不再采用針刺模式可在很大程度上減少紙幅表面的斑紋，防止紙幅纖維穿刺到毛毯表面。

(2)無接縫壓榨毛毯[12]。接縫壓榨毛毯因其實心單線結構而使設計靈活性較低。無接縫壓榨毛毯設計靈活，用于單壓區靴式壓榨時，紙幅出壓榨部的干度甚至超過52%。

(3)多軸向壓榨毛毯[14]。這種毛毯在單層底網結構的面層基布與反面植絨之間增加一層無緯的底層基布，且該底層基布的經線與面層基布的經線必須處于非完全重疊狀態。這種毛毯彈性大、開孔性高、濾水性強、不易堵塞，且使用壽命較長。

(4)Spectra毛毯[16]。Voith Paper Fabrics生產的Spectra毛毯的聯合隔層具有很高的回彈性，可以有效地減少和消除壓榨振動。

(5)接縫毛毯[16]。這種毛毯具有各種空隙容積指標，可以應用到任何紙機的壓榨部，適應生產各種紙張。Voith Paper Fabrics提供的接縫毛毯是用全單絲基層加工制造的，有更好的抗沾污性能。

(6)PrintFlexTM壓榨毛毯[16]。這種毛毯采用精細的紡織纖維和樹脂組編而成，外表面精細無痕。

(7)Evolution壓榨毛毯[17]。這種毛毯中添加了特殊的高分子顆粒，可調節毛毯密度并使其保持在理想狀態，此毛毯的脫水效果非常出色，同時開機無需磨合期，還可減少干燥紙幅所需熱能。

3壓榨毛毯主要結構、性能及其研究進展

壓榨毛毯性能主要包括耐用性、濾水性、表面性能、初期適應性、耐高線壓力性能、壓縮回彈性、耐磨耐腐蝕性、自潔性、質地均一性等[2]。對這些性能進行改進研究可促進壓榨部的結構優化，幫助毛毯制造商優化毛毯設計，使毛毯選材、織造更科學，壽命更長；還可幫助造紙廠選擇最適合的毛毯。

3.1毛毯表面性能

研究表明，毛毯的壓縮性能、表面性能以及壓榨過程中毛毯中的流阻都會影響紙幅脫水性能[18]；毛毯壓力作用不均影響紙幅平滑度[19]；在壓力控制脫水時，細密的植絨纖維層能提高壓榨毛毯的壓榨脫水性能[20]；在恒定的毛毯定量下，采用植絨纖維細密的毛毯，壓榨后紙幅干度高；毛毯表面植絨結構相同時，采用較薄的毛毯壓榨后紙幅干度更高[21]。

Oliver等[22-25]研究了壓榨毛毯表面結構及應力作用不均勻性對壓榨脫水的影響，并提出了2種作用機理：回濕與應力作用不均勻。為了表征壓榨毛毯的表面粗糙度以及應力作用的不均勻性，開發了素像紙、壓力測試薄膜、樹脂鑄模和薄油層壓印等方法。研究表明，毛毯的不均勻性會導致作用在紙幅上應力的分布不均勻，最終導致脫水效率降低。Bernard設計的一種實驗方法可以量化毛毯表面的不均勻性。

壓榨毛毯表面粗糙度對紙幅脫水的影響主要表現在：①由于毛毯表面粗糙造成壓縮應力分布不均；②由于毛毯表面粗糙造成紙幅與毛毯接觸面之間的孔隙中會保留一部分水[26]。一般來說，當紙幅所需脫出的水量不多時，相對均勻、細膩的毛毯表面能促進脫水；當紙幅所需脫除的水量較大時，相對不均勻、粗糙的毛毯表面更能促進脫水。

研究表明，壓榨毛毯表面不均勻性體現在3種尺寸范圍上，分別是微觀不均勻性、中觀不均勻性和宏觀不均勻性[27]。微觀不均勻性的尺寸范圍為10~80 μm，是由于毛毯表面植絨纖維直徑不同產生的，實驗室雙輥壓榨實驗表明，紙幅平滑度隨微觀均勻性的提高(減小植絨纖維直徑)而提高。中觀不均勻性的尺寸范圍為0.5~3 mm，與毛毯壓榨表面狀態(針刺軌跡)以及毛毯底網材料有關；上機試運行后，其表面會越來越光滑，表面孔隙也會變得越來越小、越來越淺，從而使紙幅表面也變得更光滑；減小毛毯表面孔隙尺寸可減少紙幅回濕量，并能提高壓榨后紙幅干度。宏觀不均勻性的尺寸范圍為3~15 mm，產生的原因包括植絨纖維分布不均、底網材料上下層之間的阻礙以及植絨纖維的不均勻脫落。實驗室測試表明，壓榨毛毯上的纖維區與孔隙區在壓榨脫水效果上存在著很大差異，纖維區上的局部壓強是孔隙區的2倍。

3.2毛毯濾水和透氣性

壓榨部壓區內毛毯沿壓區寬度上的動壓力可用達西方程[28]描述：

(1)

式中，u為水沿壓區寬度方向的流動速度；x為沿壓區方向的距離；Pw為作用于毛毯的動壓力；η為水黏度。

潘?？萚28]在此公式基礎上推導出了壓榨毛毯壓縮性公式：

(2)

式中，x為沿壓區方向的距離；Pw為作用于毛毯的動壓力；η為水黏度；h為毛毯厚度；hc為毛毯在壓區中央的厚度；U為毛毯運行速度。

設定hc/h=m，稱之為毛毯壓縮比。在壓力不變的條件下，毛毯壓縮比對動壓力分布有重要影響。m越大，Pw越小，即壓力中用于排水的動壓力越?。环粗琍w越大。由此可見，毛毯的可壓縮性對其脫水性影響顯著，可壓縮性越好，越有利于脫水；孔隙率越大，越有利于濕紙幅中的水向毛毯轉移。另外，毛毯從濕紙幅中吸收和排出水的速度也是一個重要影響因素。濕紙幅經過壓區的時間極短，隨紙機車速提高，毛毯在極短時間內擠壓出的水需被毛毯及時吸收并排出，這對毛毯的滲透速度提出了更高的要求。

壓榨毛毯濾水性的橫幅差異大于縱向差異[29]，通過濾水性曲線可協助查找壓榨部的異常問題?？刂坪脡赫ッ簷M幅濾水一致，就可以在一定程度上減少干燥橫幅水分差異，控制噴水量，從而減少干燥蒸汽消耗、降低干燥成本。

壓榨毛毯的透氣量(度)取決于織物中孔隙的大小和多少，而這些又取決于纖維形狀、生產方法、厚度及后整理方法[30]。壓榨毛毯所用纖維越細，空氣透過的阻力越大，透氣量(度)越小。大多數異型纖維制成的毛毯的透氣性比圓形纖維好，壓縮回彈性好的纖維制成的毛毯的透氣性也較好。吸濕性強的纖維，吸濕后纖維直徑增加，孔隙減小，透氣度下降。

3.3壓榨毛毯耐用性

耐用性是指壓榨毛毯經久耐用的狀態，即毛毯使用壽命，是毛毯所有性能的綜合反映。毛毯的制造原料、生產工藝、壓榨方法、日常維護等都會影響壓榨毛毯的使用壽命[2]。壓榨毛毯絨面纖維脫落會影響其壽命，造成纖維脫落的原因包括：①受機械因素影響而降解變弱，包括受到較高壓力、高壓噴水的沖洗、較大外部或內部摩擦；②受化學因素影響而降解變弱，如過氧化氫、含有活性氫離子化合物等(最常用的幾種漂白劑)使尼龍纖維從機械(物理)降解變弱變為化學降解變弱；③受制造因素的影響而降解變弱[31]。

紙機車速提高后，有些壓榨毛毯會產生嚴重的橫向振動，造成生產中斷和設備損壞[32]。造成毛毯橫向振動的原因是其壓榨部固有頻率接近紙機機械裝備的振動頻率。因此，壓榨毛毯設計時應該考慮紙機狀況和生產工藝要求。

3.4壓榨毛毯紙機適應性

對于現代高速紙機，應根據壓榨部的真空狀態、洗滌條件、漿料情況、脫水方式等工藝要求確定所需毛毯的規格型號[33]。主要要求如下[34]：①超高壓榨脈沖對毛毯抗壓性的要求，為此，一般采用如多軸向技術、全單絲技術、彈性模塊等織造技術以及如高抗壓型單絲、中空單絲等高性能原材料來應對；②全封閉式引紙對壓榨毛毯透氣性、保持能力的要求；③高壓真空系統對壓榨毛毯耐磨性的要求；④紙機高運行效率對壓榨毛毯性能穩定性的要求；⑤出壓區紙幅干度的要求；⑥要求較高及較為特殊的紙張表面效果對毛毯表面性的要求；⑦壓榨毛毯高速運行時振動性能的要求；⑧緊湊、封閉式造紙壓榨部對壓榨毛毯更換方便性的要求。

目前，國產高品質壓榨毛毯的紙機適應性主要表現為[35]：①能夠在中速(300~500 m/min)、中高速(500~800 m/min)紙機上使用，能夠滿足設計車速、特種壓榨形式和品質的要求；②品質上能夠替代進口壓榨毛毯，在紙機設計運行指標、綜合性價比方面具有競爭力；③在普通紙機上，能明顯改進生產條件，提高車速、節能降耗、降低成本；④壓榨毛毯經特殊設計、制造和整理，結構更穩定，濾水更均勻，表面更平整，能夠幫助消除溝紋輥、盲孔等由造紙設備原因帶來的印痕紙??；⑤毛毯經過特殊化學整理，耐磨、抗污染，可以改善因廢紙纖維反復利用而造成的細小纖維泥漿化以及瀝青、樹脂等雜質帶來的影響，防止毛毯黏漿阻塞，可以減輕因水系統封閉循環產生的有害液體、回水對毛毯功能的損傷。

3.5壓榨毛毯的微觀結構性能

壓榨后毛毯表面的顯微照片顯示，壓榨毛毯和紙幅接觸面之間存在大量未被壓縮區域[36-37]。以植絨纖維和紙張纖維的尺寸來看，毛毯表面只有25%~33%的區域是承受壓輥載荷的[38]。壓榨毛毯表面結構微觀均勻性和適宜的孔隙容積決定了毛毯承受壓力的均勻性、毛毯的壓縮性以及毛毯中的流阻。壓榨毛毯結構均勻性、表面狀態和多孔性等性能與壓榨部能耗、生產及振動之間有對應關系[39-41]。

3.6壓榨毛毯結構性能的主要影響因素

壓榨毛毯植絨纖維和底網紗線所用的聚合物一般為PA6，它具有良好的親水性和耐磨性。許多因素會改變壓榨毛毯性能[42-43]：①壓榨毛毯結構變形、變薄，這主要是由纖維變形造成的，包括纖維橫截面變形(從圓形變得扁平)，甚至會造成纖維斷裂；壓榨毛毯表面植絨纖維重塑使得毛毯表面密度增加。機械力(壓力、摩擦力、拉力及剪切力)是導致毛毯變形的主要原因。②壓榨毛毯磨損，造紙化學品和污垢，如填料、瀝青、施膠劑會增強纖維之間的結合，并留下堅硬顆粒，損壞纖維表面、加快纖維磨損。③壓榨毛毯的孔隙被取代，黏附在毛毯表面的污垢還會滲入到毛毯內部。毛毯結構變形和孔隙被取代都會減小用來脫水的毛細管孔隙的尺寸。

3.7壓榨毛毯結構性能的檢測系統和測試儀器

(1)FeltViewTM系統和EnviroScanTM系統[44]。這2個系統可測定毛毯的含水量、透氣性、溫度橫幅分布及變化趨勢，并能清晰地顯示出毛毯壽命。EnviroScanTM是壓榨后紙幅水分和溫度分布的測定系統，其是帶有傳感器的小型掃描器，即使在較惡劣的環境下也能使用。2個系統組合使用能提高產品品質、毛毯性能及運行效率，降低壓榨和干燥能耗。

(2)L&W Scanpro壓榨毛毯透水性測試儀[30]、Web1 QF-1型手持透氣度檢測系統、Scanpro(SE890)毛毯濾水性測定儀[45]。其中，Scanpro(SE890)毛毯濾水性測定儀由L&W公司提供，其測定方法基于Paprican大學Ivan.Pikulik的專利。其原理是使恒定壓力的水通過噴頭射入毛毯中以測定毛毯透氣性。濾水性測定儀能夠量化判斷并顯示毛毯的異常情況，主要包括判斷毛毯甩毛、壓傷、臟污等問題。

Web1 QF-1型便攜式透氣性測試儀可對毛毯進行在線測試，可在針刺過程中、定型前后對毛毯分別進行橫向和縱向透氣性測試，通過分析測試曲線圖[46]可監控生產過程；也可用于測定毛毯運行期間的透水性，將測試結果以橫向和縱向分布曲線的形式實時顯示在內置顯示屏上，很容易檢測毛毯是否磨損壓實和阻塞，能快速發現可能存在的問題(如毛毯缺陷)，加速故障排除，減少停機風險。

4壓榨毛毯仿真研究方法

Meadows等[47-48]指出，壓區仿真是一種實效而省時的測試方法，可通過優化壓榨毛毯的原材料和結構來改善毛毯性能，如壓榨毛毯耐磨性可通過添加混紡紗和高分子質量聚合物來得到提高。

4.1壓榨毛毯與紙幅相互作用的仿真研究方法

Vomhoff等[49]通過壓榨模擬實驗論證壓榨過程中毛毯與紙幅之間存在相互作用。紙張模型由丙三醇飽和的發泡橡膠制成，放置在有機玻璃燒杯中，并用活塞以不同的速度壓縮紙張模型。活塞連接著伺服液壓系統和材料測試系統，借助攝像機記錄壓縮過程中紙張模型的變形過程，同時記錄載荷位移曲線。通過觀察得出，紙張模型在厚度方向上壓縮不均勻。當壓縮力不均勻地傳遞到紙張模型上時，模型就會被不均勻地壓緊。增加紙張模型平面內剛度，可以減弱該現象。此外，壓榨毛毯表面結構對于給定紙張模型的壓縮量有很大影響。在達到相同的壓縮量下，以相對平坦的表面去壓縮紙張模型時所需要的作用力比放入壓榨毛毯模型后(代表由壓榨毛毯所造成的施力不均)壓縮紙張模型所需要的力高6倍左右。這是因為當作用在紙張模型上的壓力不均勻時，紙張模型表面就會形成一些未壓縮、滲透性很大的區域，這些區域會影響紙幅結構、毛毯-紙幅中的流阻和壓榨脫水效率。

4.2壓榨毛毯原材料性能的仿真測試方法

Harlin[50]認為，在實驗室環境中，可通過不同方法來測試壓榨毛毯原材料的性能，如測量人造短纖維、單絲紗等原材料承受的機械應力。在實驗室可采用如斯托爾和馬丁代爾耐磨測試等不同方法來磨損毛毯表面，測試后用顯微鏡進一步觀察。但是這些測試裝置均有相同的缺陷，即其并未仿真出紙機的真正運行環境。紙機壓區內環境通常是高壓強、拉力、摩擦力、化學試劑并存，而在常規測試中不可能同時兼顧這么多因素。因此，Harlin提出了一種新型測試技術，即用PMC(Paper Machine Clothing)裝置來仿真紙機運行條件。使用該裝置可以節約成本和時間，同時對研究壓榨毛毯也十分有幫助。

4.3測試壓榨毛毯耐久性和脫水性的仿真研究方法

Hakala等[51]指出，優化壓榨毛毯的目的就是為了提高其性能，使其在苛刻的造紙環境中具有耐久性和優良的脫水性；他們設計了壓榨模擬器PMC裝置，并通過該裝置對壓區和壓榨毛毯磨損(老化)之間的關系進行了探討。

4.4測試壓榨毛毯表面微觀應力變化的仿真研究方法

Gullbrand[26]認為，在測試壓榨毛毯表面微觀應力變化時可采用2種方法，分別是基于掃描儀的毛毯表面應力變化測試裝置和基于照相機的毛毯表面應力變化測試裝置。這2種方法都是在應力感應薄膜的基礎上建立起來的。在壓縮過程中，將該轉化膜置于毛毯與光滑的平面之間。壓力加載時，轉化膜上受力部分的不透明部分變得透明。透明程度與被施加的應力之間存在函數關系。在基于掃描儀的測試裝置中，掃描儀的x、y軸空間分辨率為25 μm。通過掃描儀將應力感應薄膜上透明度的變化轉換成相應的灰度(灰度0~255)，再通過一個標定函數將灰度轉換成應力。在基于照相機的測試裝置中，照相機的空間分辨率為6.3 μm，這意味著在加載過程中可以直接觀察毛毯與紙幅的接觸情況。應力感應薄膜上涂有一層黑墨，以便把毛毯和薄膜從光學上區分開來。薄膜上受到應力較大的部分就會變得更黑，應力痕跡通過CCD照相機記錄，通過分析應力痕跡就可以得到壓榨毛毯表面應力的大小和分布情況。

4.5確定壓榨毛毯與紙幅間相互作用層中含水量的仿真研究方法

Axelsson等[52]開發了一種確定壓榨毛毯與紙幅間相互作用層中含水量的方法。將測量得到的毛毯表面孔隙率減去紙幅纖維在毛毯表面壓入量的估算體積，就可以得到含水量。毛毯表面孔隙率采用地形圖計算，通過共聚焦顯微鏡(CLSM)法可采集到該地形圖。在該項研究中，壓榨毛毯在一個光滑表面上被壓縮，壓縮應力為0~10 MPa。CLSM圖像中的偽影可通過一種圖像分析法來降低。他們采用另一種方法來估算承受不同壓力時紙幅纖維滲入毛毯表面孔隙的壓入量，該方法是仿真一個旋轉的球在毛毯表面滾轉，旋轉球的半徑和曲率根據所受壓力和毛毯定量的不同而不同。計算結果顯示，在紙幅與毛毯相互接觸層中存在大量孔隙。在大部分案例中，含水孔隙的體積占毛毯表面孔隙率的50%。假設存在一個完全水飽和的紙幅/毛毯相互作用層，則對于最細密的毛毯，其表面含水量約為10 g/m2；對于最粗糙的毛毯，其表面含水量約為40 g/m2。這意味著紙幅出壓榨部時很容易發生回濕現象。

4.6壓榨壓區壓力沖擊現象的仿真研究方法

Hakala等[53]尋求了一種新方法，以便在實驗室環境下仿真壓區壓力沖擊，進而找出預示毛毯噪聲運行問題的方法。實驗采用一種動態的測試方法——霍普金森分離式桿(HSB)來界定上壓輥與下壓輥之間能量沖擊和新、舊毛毯對壓力沖擊的抑制作用。研究認為，毛毯的柔韌性與老化時間密切相關，壓榨毛毯柔韌性降低會導致壓區脈沖更容易穿透壓榨毛毯；在沖擊作用下，毛毯樣品的厚度減小，直徑增大。根據樣品材料和結構的不同，樣品會發生塑性變形、黏彈性變形和彈性變形。

5壓區毛毯-紙幅體系性能及其研究進展

壓區毛毯-紙幅體系(見圖1)宏觀上包括處于壓區中的濕紙幅和壓榨毛毯。國內外的研究多把兩部分分開討論。而筆者認為，濕紙幅和毛毯在壓區中各自變化的同時，接觸面之間也存在微觀結構上的變化，這些變化會影響紙幅壓榨脫水過程。在壓榨過程中，紙幅與毛毯之間存在相互作用層[54]，該層由壓縮區域和未壓縮區域組成。未壓縮區域由于沒有受到機械應力的作用，只有部分水被脫除，所以該處紙幅干度很低。

5.1壓榨脫水機理研究

圖1　壓區毛毯-紙幅體系

Wicks等[55-57]認為，在壓榨過程中紙幅會在厚度方向形成密度梯度，造成紙幅靠近毛毯一側的密度比靠近光滑輥面一側的密度大，稱之為紙幅分層現象。

Chang[58]認為，分層現象會制約壓榨脫水過程，紙幅靠近毛毯表面的致密層會限制紙幅脫水效果。對于高定量紙幅，在較短的壓榨間隔內水的脫除量很少，與“流動控制壓榨”下的表現相似，Chang將其命名為界面控制。他指出，在完全相同的材料和實驗條件下，對于低定量紙幅，脫水形式很有可能是壓縮控制，而高定量紙幅則是流動控制，這意味著脫水結果不僅受到漿料種類的影響，還受到紙張定量的影響。

利用壓榨模擬裝置研究了紙幅定量對壓榨干度的影響[59]；結果表明，紙幅定量越大，濕紙幅出壓區的干度越小。低打漿度、低定量的濕紙幅，壓區表現為壓控壓區，紙幅中的孔隙對水的流動不會產生太大阻力，紙幅回濕現象發生在壓區中線之后；漿料打漿度較高而濕紙幅定量較大時，壓區表現為流控壓區，此時濕紙幅中的孔隙對壓區脫水的阻力比較大。流控壓榨中，壓區中央紙幅干度取決于水的流動阻力和壓力維持時間，影響流控壓榨脫水效果的主要因素為加壓時間。對于流控壓榨，采用雙毯壓榨最為有利；在紙板生產過程中，雙毯壓榨可在很大程度上減小壓榨毛毯纖維組織的流動阻力。

5.2進壓區濕紙幅的干度和溫度對壓榨脫水的影響

研究人員[59]研究了濕紙幅進壓區時的干度對出壓區干度的影響;結果表明，濕紙幅進壓區與出壓區濕度比值約為3∶1~2∶1，紙幅回濕會降低壓榨脫水效率。

提高濕紙幅溫度能促進濕紙幅的壓區脫水。研究表明，濕紙幅進入壓區時的溫度從5℃升至90℃時，出壓區紙幅干度非線性地提高了10個百分點，即干度由38%提高到48%。此外，研究還發現，濕紙幅溫度每提高11℃，出壓區紙幅干度可提高0.6~1.4個百分點。溫度對濕紙幅干度的影響也受其他因素制約，特別是漿料配比[59]。

5.3漿料性質對壓榨脫水的影響

研究表明[59]，改變漿料組成或纖維特性能改變纖維結構的可壓縮性，達到增加脫水量的目的。漿料游離度也會影響壓榨脫水，游離度每提高40 mL，出壓區紙幅干度約提高1%。

5.4紙幅定量對毛毯選擇的影響

工廠試驗[59]證明，生產定量50 g/m2的紙時，使用表面細密的壓榨毛毯的壓榨干度比使用表面粗糙壓榨毛毯高約7%；其次，毛毯的針刺植絨纖維細度對加壓均勻性和流動阻力也有直接影響。植絨纖維直徑不僅影響加壓均勻性，而且，在很大程度上還影響毛毯透水性。纖維直徑從17 μm增加到70 μm，毛毯透水性增加約3倍，這對薄頁紙生產特別重要。對薄頁紙而言，壓力的均勻性是影響脫水的關鍵因素；但當紙張定量較大時，壓力均勻性變得不那么重要，而流動阻力的影響更重要。對于定量較低的薄頁紙，細毛毯脫水效果好；對于定量較大的紙板，粗毛毯脫水量更大。

5.5壓榨毛毯-紙幅相互作用層

Vomhoff[60]指出，毛毯與紙幅之間的相互作用促使濕紙幅中形成了相互作用層，位于毛毯的下方，它由低滲透性的壓縮區域和高滲透性的未壓縮區域組成。壓縮區域的形成原因是紙幅在壓榨過程中由于壓榨毛毯的存在而使得其局部受壓，而未壓榨區域位于毛毯-紙幅接觸區域之間。相互作用層的厚度取決于壓榨毛毯表面的粗糙程度，即接觸區域之間的距離、壓榨過程中受力以及漿料種類。濕紙幅中相互作用層的下方是完全壓縮層，該層濕紙幅被全部壓縮。未壓縮區域具有相當高的滲透性，可利用其簡化脫水過程，因為在壓榨過程中它們代表有效流動通道。然而，當機械壓力撤除時，這些未壓縮區域干度較低，因為其中只有部分水被脫除。

Vomhoff等[61]通過半經驗實驗模型估算了相互作用層的厚度。研究表明，采用表面細密的壓榨毛毯時，毛毯與針葉木TMP和漂白針葉木漿抄造的紙幅間相互作用層的厚度分別為6 g/m2和11 g/m2；若采用無植絨纖維層的粗糙底網毛毯時，相互作用層的厚度近70 g/m2。

壓榨過程中，毛毯與紙幅在機械壓力的作用下緊緊地壓貼在一起，使兩者之間形成了一個接觸面，該接觸面由許多充滿水的孔隙組成。這些共有孔隙的尺寸和形狀取決于毛毯表面的粗糙程度和漿料種類。當毛毯與紙幅出壓榨部分離時，這些孔隙中的水會進入毛毯或紙幅中，這種現象被稱作分離回濕[62]。Norman[63]指出，當采用相對平整的毛毯時，其與毛毯接觸面共有孔隙中的水較少，分離回濕量也相應減少。

Szikla[64]通過實驗證明了Norman的理論；他研究了毛毯與紙幅分離時共有孔隙中水分的分布；研究表明，在分離階段，當毛毯中存在真空區時，能很大程度地提高紙幅干度，因為真空區可以將大部分水留在毛毯中。Ahlman[65]發現，分離回濕也受到毛毯-紙幅接觸面有效水分的影響，且毛毯-紙幅接觸面的有效水分取決于紙幅進壓榨部時的水分。

6國內外壓榨毛毯行業現狀

近些年來，我國造紙企業引進了大量先進的造紙設備，其裝備水平明顯提高，對壓榨毛毯的要求也隨之提高。盡管壓榨毛毯行業發展非常迅速，但國內壓榨毛毯新品研發及生產技術依然落后，產品檔次和品質提升緩慢，不能適應大型高速紙機的需要，壓榨毛毯進口量逐年增加。

壓榨毛毯對所用的化纖原料有特殊的質量要求，國產化纖原料在質量指標上還不能完全滿足需求，僅能滿足500 m/min以下的低速紙機。中高速紙機使用的壓榨毛毯的原料大部分依靠進口，價格不菲。國內外現代紙機壓榨毛毯的原材料一般都采用尼龍，國外的植絨纖維比較細、耐磨性好、強度大、彈性好；而國內原料比較粗糙，耐磨性和強度都較差；此外，國內少有該方面的專門研究機構。

瑞典TEXO是專門生產壓榨毛毯織機的公司[66]，目前國內重型進口織機中90%都由其提供。TEXO提供的底網織機織幅寬約16 m。2009年徐州金冠進口了1臺幅寬為15 m的寬幅織機，海門金呢公司也進口了2臺這種織機。國外織造的底網可適用于車速1200 m/min以上、線壓力1000 kN/m的大型現代化紙機。而采用國產織機織造的底網幅寬僅4~6 m，只能供應國產中低速紙機使用。目前，國產壓榨毛毯適應的紙機車速為800～900 m/min；使用壽命約50~60天，最長90~180天。

7壓榨毛毯及毛毯-紙幅體系研究的方向和趨勢

7.1原材料的革新和深入研究

國內外壓榨毛毯原材料質量和品種仍存在相當大的差異，這無疑制約了壓榨毛毯的發展。國內壓榨毛毯底網采用進口單絲，織法也與國外相同，但產品質量與進口仍有差距。因此，需要對單絲原料的內在成分和結構特征進行深入細致的研究，增強底網單絲的機械強度及其能承受的線壓力。對于植絨纖維，除采用典型的材料聚酰胺合成物(如PA6、PA6.6和PA6.10)外，還可以采用PA46、以PET為主的低熔點熱黏合纖維以及較細的小徑高強度紗線為原料。從纖維幾何形狀出發，應加強對異型纖維、雙組分纖維等的性能研究。此外，還應對不等長混合纖維以及長度配比對壓榨毛毯成品性能的影響進行研究。

7.2底網結構的優化

為了適應不斷提高的紙機車速、壓榨脈沖、操作溫度，單層底網已不能適應需求，應開發疊層與雙層毛毯、多層復合毛毯、單絲結構毛毯、多軸向結構、無交織結構、聚合物結構、經二重平組織結構等新型的底網組織結構以及具有特殊性能的毛毯，使壓榨毛毯具有更好的尺寸穩定性、壓縮回彈性、濾水性及更長的使用壽命。

7.3壓榨毛毯紙機適應性的不斷提高

在為高速紙機設計、選取壓榨毛毯時，應重點強調線壓力與紙機負荷對毛毯強度的要求，重點考慮真空狀態、洗滌條件、漿料情況、脫水方式等。參照以往的經驗與毛毯制造特性等，深入研究車速、壓榨方式和紙種對毛毯的要求，以及各類毛毯所能適應的紙機工況。同時，加強對壓榨毛毯保養、在線清洗和在線、離線檢測方面的研究。

進行以EnviroScanTM和FeltViewTM測試系統管理單壓區靴形壓榨部的研究，以減少毛毯與網子的磨損及損壞。此外，對壓榨技術、壓榨部結構微調等方面進行研究，以便減少毛毯磨損，延長其使用壽命。

7.4壓榨毛毯清洗技術的改進

造紙廠中經常會有腐漿沉積、纖維、填料、濕強樹脂、施膠劑、碳酸鈣等物質堵塞壓榨毛毯的現象，很容易導致計劃外停機。故應加強以下方面的研究：壓榨毛毯洗滌、堵塞毛毯的細小組分清除；高溫和化學清洗對毛毯尼龍材料的損壞；壓榨毛毯酶基處理技術，以較溫和的方式對壓榨毛毯進行清洗。

7.5毛毯-紙幅體系結構和脫水機理的深入探討

國內壓榨毛毯的研究多局限于新型毛毯開發等實用性方面，而高速紙機壓榨毛毯的核心技術均在國外。國內應加強開展毛毯-紙幅體系壓榨脫水動力學分析、數學模型、微觀結構等方面的研究，有利于開發與國際先進水平接軌的毛毯制造技術。

在研究壓區脫水機理方面，可以在實驗室中搭建仿真實驗裝置，創建濕紙幅模型和壓榨毛毯表面模型，模擬紙幅壓榨脫水過程，表征壓榨過程中濕紙幅厚度方向上的形態變化，研究壓榨脫水機理和設定的過程參數對脫水效率的影響。在研究壓榨毛毯表面微觀應力變化對脫水的影響時，可以搭建基于掃描儀的毛毯表面應力變化測試裝置和基于照相機的毛毯表面應力變化測試裝置，將壓感紙拓印下來的圖像通過掃描儀輸入電腦，將圖像的灰度轉換成應力，同時創建一個多變量的數學模型：

(3)

式中，y為紙幅干度；x1為毛毯-紙幅接觸表征參數；x2為紙幅定量。

采用MODDE6.0軟件，并運用PLS回歸法對設定參數(如紙幅定量、紙幅與毛毯接觸區域參數)進行分析，從而分析出毛毯-紙幅體系結構對脫水效率的影響。有條件的實驗室可配備實驗紙機，驗證模型的準確性并進行更深入細致的研究。

加強與壓榨毛毯相關的仿真模擬實驗方法和裝置的開發研究。

8結束語

壓榨毛毯是現代紙機壓榨部的重要脫水器件，直接影響到紙機壓榨脫水效率、紙幅質量以及紙機能耗。壓榨毛毯和毛毯-紙幅體系的技術研究是屬于邊緣學科和交叉學科領域的研究，在我國非常薄弱。目前，我國造紙企業現代化大型高速紙機數量迅速增加，對壓榨毛毯的制造及應用技術水平也提出了更高要求。對此，壓榨毛毯生產行業應引起高度重視，通過壓榨毛毯原料生產企業、壓榨毛毯制造企業、相關院校所和造紙企業的產學研聯合開發，才能改變中高速紙機壓榨毛毯主要依賴進口的現狀。

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(責任編輯：王巖)

Research Progress on the Press Felt and Felt-sheet System in the Modern Paper Machine

ZHU WenZHANG Hui*

(JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,

Nanjing,JiangsuProvince, 210037)

(*E-mail: zhnjfu@163.com)

Abstract：The micro structures of the press felt and felt-sheet system are complicated, which directly affect dewatering efficiency and quality of the sheet in modern paper machines. They have become one of the key considerations in modern paper machine system. In this paper the basic function and characteristics of press section as well as the current manufacture technology of press felt both at home and abroad were briefly introduced; and the research progress on the methods, means and achievements of the structure characteristics of press felt and the characteristics of felt-sheet system in the press section were mainly discussed. These characteristics were closely related to the dewatering efficiency and the quality of sheet. Finally, the future research trends of the press felt and the felt-sheet system were presented.

Keywords：press felt； felt-sheet system； structure property； dewatering efficiency

作者簡介：朱文，女，1990年生；在讀碩士研究生；研究方向：造紙脫水器材科學與技術。

基金項目：2014年南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室開放基金資助項目(201409)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)。

收稿日期：2015- 02- 01

中圖分類號：TS737+.6

文獻標識碼：A

文章編號：1000- 6842(2015)04- 0051- 10

*通信聯系人：張輝，E-mail:zhnjfu@163.com。