高性能造紙成形網結構與濾水性能

馬 可， 葉 平， 顧伯洪,1b

(1. 東華大學 a. 紡織學院, b. 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620；2. 江蘇金呢工程織物股份有限公司，江蘇 海門 226100)

造紙生產過程中，成形網[1]是對紙漿懸浮液脫水、成形起重要作用的抄紙工具。在過濾紙漿時成形網將紙漿中的纖維截留，形成濕紙幅[2]。為更好地滿足抄造過程中的紙漿脫水需求，不斷優化成形網的制造工藝，編織結構由單層網向兩層、兩層半及三層網演變[3]，不同層數成形網如圖1所示。單層網由單個緯紗系統和單個經紗系統相互交織而成，填料留著率低，成紙性能差；兩層網在單層網底面增加1個緯紗系統，形成雙層結構，面層為成紙面，底層為機器支撐面，可增大填料留著率，但經紗系統僅有1個，脫水時層面間易產生相對滑動，使用壽命短；三層網在兩層網基礎上加入多個經紗系統，利用單緯線縫合，整體緊湊性好，可在保證脫水性能的同時大大提高強度和使用壽命[4]。

圖1 不同層數成形網Fig.1 Forming fabric with different layers

對三層網結構進行優化可以得到高性能成形網，其能適應現代寬幅造紙機的高速織造要求。其中三層緯紗自綁式(weft self-supporting binding, WESB)成形網在國內已經普及，三層經紗自綁式(warp self-supporting binding, WASB)成形網與錯位成形網在國外已經逐步投入使用。

成形網最重要的性能為脫水與成形，兩者共同構成成形網濾水性能。濾水速度與纖維留著率是評價成形網濾水性能的2個重要指標。濾水速度指成形網過濾紙漿時單位時間的濾液量；留著率指過濾紙漿時紙漿中細小纖維在成形網上的留存率。本文使用動態濾水儀[5-6]分析2種典型紙漿在3種高性能成形網上的動態濾水曲線，以及細小纖維含量和單層留著率，分析高性能成形網組織結構對濾水性能的影響，研究結果可為優化高性能成形網結構設計提供參考。

1 高性能成形網結構分析

三層緯紗自綁式成形網簡稱WESB網，其由三層網優化而來，在三層網面層增加1根綁定緯紗，面層經緯紗采用小直徑聚酯單絲，底層緯紗采用大直徑聚酯單絲，配合一定比例尼龍單絲[7-8]。WESB網采用橫向雙緯紗縫合技術，依靠2根毗鄰綁定緯紗縫合面層和底層，面層與底層的緯紗數量比采用2∶1或者3∶2[9](綁定緯紗為面層緯紗)。圖2為該數量比為2∶1的WESB網結構圖。與普通三層網相比，增加綁定緯紗數量將使WESB網結構更加緊密，面層編織結構變為理想的平紋組織，成形網的平整性得到最大幅度優化。

圖2 WESB成形網結構Fig.2 The structure of WESB forming fabric

三層經紗自綁式成形網簡稱WASB網，其采用經紗縫合技術，憑借綁定經紗縫合面層和底層，綁定經紗和面層緯紗交織形成平紋結構，底層經紗與底層緯紗交織形成緞紋[10]。WASB網緯向結構圖如圖3所示。由圖3可知，與WESB網相比，WASB網內在交叉點少、連接線少，在上機過程中受到縱向張力的情況下，綁定經紗被拉緊，結構更加緊密[11]。

圖3 WASB成形網緯向結構Fig.3 Weft direction structure of WASB forming fabric

錯位成形網是2016年最新研制的高性能成形網，已被逐步投入使用[12]。錯位成形網在緯紗縫合基礎上將面層經紗與底層經紗比由1∶1變為2∶1或3∶2。圖4為面層經紗與底層經紗比為3∶2的錯位成形網經向結構圖。由圖4可知，面層經紗與底層經紗數量不同，形成錯位疊加結構，消除成形網中直線脫水通道，使網部初始脫水階段得到控制，增強留著性能，提高成紙質量。

圖4 錯位成形網經向結構Fig.4 Warp direction structure of staggered forming fabric

2 試驗部分

2.1 試驗材料

高性能成形網，江蘇金呢工程織物有限公司提供。面層經緯紗與底層經紗采用聚酯材料；綁定紗(WESB網與錯位成形網采用緯紗綁定，WASB網采用經紗綁定)采用尼龍；底層緯紗采用混合比例為1∶1的聚酯和尼龍。

試樣紙漿，山東某造紙企業提供，其中,文化紙紙漿和包裝紙紙漿質量分數均為4%。

2.2 動態濾水測試

參照GB/T 24290—2009《造紙用成形網、干燥網測量方法》進行濾水速度測試。將成形網樣品裁剪為直徑10.8 mm圓形薄片，通過動態濾水測試儀中圓形攪拌室固定，設定時間為60 s，攪拌速度為500和750 r/s，對紙漿進行過濾，記錄不同規格成形網濾液量隨時間的變化情況。

2.3 留著率測試

參照美國造紙工業國際標準TAPPI T261進行細小纖維留著率測試。用質量分數為4%的包裝紙紙漿配置質量分數為0.5%的紙漿稀釋液，取100 g上述稀釋液加蒸餾水至500 mL。選用200目(孔徑75 μm)金屬網對稀釋液進行過濾(能通過金屬網的粒子為細小纖維組成部分,不能通過的粒子為長纖維部分，兩部分總計為懸浮固體的100%)。過濾后清洗出留在網上的長纖維部分，通過式(1)計算紙漿中的細小纖維質量分數wF。

(1)

式中：mA為紙漿稀溶液質量，g；mB為長纖維質量，g；wC為紙漿稀溶液中懸浮固體質量分數，%。

將成形網試樣裁剪為直徑10.8 cm的圓形薄片，通過動態濾水測試儀中圓形攪拌室固定。取已知細小纖維質量分數的紙漿稀釋液500 mL，設定攪拌速度為500 r/s，選用不同規格高性能成形網對紙漿進行過濾，同時用一個稱量燒杯接濾液100 mL并稱重，再將濾液用布氏漏斗過濾，把濾紙在105 ℃下烘干，稱重。然后利用式(2)～(4)計算漿料中細小纖維組分的留著率R。

(2)

mS=V×wC

(3)

mT=mS×wF

(4)

式中：mS為紙漿中固體的質量，g；mT為紙漿中細小纖維的質量，g；mU為濾液質量，g；V為試樣體積(數值上假定為試樣的質量，g)；mW為濾紙上細小纖維的質量，g。

3 高性能成形網動態濾水分析

3.1 組織結構對WESB成形網濾水速度影響

WESB網采用雙緯紗縫合結構，成形網經緯紗密度、經緯紗直徑是影響濾水速度的主要因素。當攪拌速度為750 r/s時，文化紙紙漿在不同經緯紗密度WESB網上的動態濾水曲線如圖5所示，其濾水性能數據如表1所示。

圖5 不同經緯紗密度WESB成形網動態濾水曲線Fig.5 Dynamic filtering curves of WESB forming fabric with different weft and warp density

表1 不同經緯紗密度WESB成形網動態濾水性能數據

由圖5可知:濾水曲線中終點y值越高，表明單位時間內濾水量越多；濾水曲線初始階段斜率越大，表明濾水速率越快。WESB-1網、WESB-2網、WESB-3網的經緯紗采用相同直徑紗線編織。由表1可知:WESB-1網的經紗密度與WESB-2網的經紗密度相同，而緯紗密度比后者??；WESB-2網的緯紗密度與WESB-3網的緯紗密度相同，經紗密度比后者??；60 s內WESB-1網、WESB-2網、WESB-3網的濾水速度分別為2.70、1.84、1.75 g/s。由此表明，WESB成形網的經緯紗直徑一定時，經緯紗密度增大，濾水速度減慢。WESB-4網與WESB-5網的經緯紗密度相同，WESB-4網的面層經、緯紗直徑分別為0.15與0.37 mm，比WESB-5網的面層經、緯紗直徑分別大0.02 與0.10 mm，60 s內濾液質量少13.7 g，表明成形網濾水速度與經緯紗直徑成負相關，經緯紗密度不變，減小面層經緯紗直徑能提高濾水速度。

3.2 組織結構對特種成形網動態濾水速度影響

錯位成形網存在錯位結構，WASB網為經紗縫合結構，選取經、緯紗直徑相同的WESB網進行對照試驗，當攪拌速度為750 r/s時，文化紙紙漿在不同結構高性能成形網上的動態濾水曲線，如圖6所示，其濾水性能數據如表2所示。

圖6 不同結構成形網動態濾水曲線Fig.6 Dynamic filtering curves of forming fabrics with different structures

表2 不同結構成形網動態濾水性能數據

由圖6可知，WASB網與WESB-7網終點y值幾乎重疊，表明60 s內兩者濾水速度相差無幾。而表2顯示，兩者緯紗密度相同，經紗密度分別為45、50根/cm，由第3.1節分析可知，經紗密度增加會導致濾水速度下降，但WASB網與WESB-7網實際濾水速度僅相差0.01 g/s，這是由WASB網的特殊結構造成的。相比緯紗縫合WESB網，WASB網采用經紗縫合技術，內在交叉點少，連接線少，過濾時漿液可以更快地從成形網內流過；WASB網底層脫水面積大于面層脫水面積，使得面層的水擠壓底面的水，在成形網內部形成脫水動力，提高濾水速度[13]。錯位成形網與WESB-6經緯紗密度、紗線直徑相同，60 s內前者濾液質量低5.4 g。經緯紗密度相同，同種紗線編織情況下，錯位成形網濾水速度低于WESB-6網是由兩方面原因導致：錯位成形網中面層、底面經線相互錯開，濾水過程中直線通道消失，對初始階段漿液流動起阻擋作用，減慢濾水速度；WESB網面層與底層的經紗數比為1∶1，錯位成形網面層與底層經紗數比為3∶2，相同經紗密度情況下，WESB-6網面層的經紗密度為22.5根/cm，錯位成形網面層經紗密度為27根/cm，比WESB-6面層經紗密度大20%，因此可降低濾水速度。

3.3 紙漿種類對成形網動態濾水性能影響

當攪拌速度為750 r/s時，質量分數為4%的文化紙紙漿與質量分數為4%的包裝紙紙漿在WESB-1、WESB-2、WESB-3網上動態濾水曲線如圖7所示。由圖7可知，同一成形網過濾包裝紙紙漿時拐點x值均較過濾文化紙紙漿時靠右，終點y值均較過濾文化紙紙漿時要高，表明包裝紙紙漿形成纖維截留層的時間長，過濾速度快。這一現象與漿料中所含纖維種類有關。包裝紙紙漿中短纖維含量高，細小組分多，纖維容易透過成形網進入濾液，形成穩定纖維截留層時間變長，纖維截留層空隙大，過濾速度快；文化紙紙漿中長纖維含量高，形成穩定纖維截留層時間短，纖維截留層空隙小，過濾速度慢。

圖7 不同紙漿下3種WESB成形網的動態濾水特性曲線Fig.7 Dynamic filtration curves of three types of WESB forming fabrics under different pulps

3.4 儀器轉速對成形網動態濾水性能影響

當攪拌速度為500與750 r/s時，質量分數為4%的包裝紙紙漿在WESB-1網、WESB-2網、WESB-3網上的動態濾水曲線如圖8所示。由圖8可知，轉子攪拌速度增大，x拐點位置向后移動，終點y值上升。轉子攪拌速度增加，會打破紙漿中部分長纖維，使紙漿中細小纖維含量增多，長纖維量減少，形成纖維截留層時間滯后，拐點向后移動；細小纖維量的增多會使形成的纖維截留層空隙增大，提高濾水速度。

圖8 不同轉速下動態濾水特性曲線Fig.8 Dynamic filtration curves of different rotating speeds

4 高性能成形網留著率分析

測定成形網上細小纖維留著率，需要確定紙漿中細小纖維質量分數。選擇留著性能更好的質量分數為4%的文化紙紙漿，根據第2.3節中的試驗方法利用200目金屬網對紙漿進行兩次過濾試驗，對兩次得到的試驗數據取平均值，代入式(1)進行計算，得到文化紙紙漿中細小纖維的質量分數。表3為文化紙紙漿細小纖維的質量分數測試數據。

表3 文化紙紙漿細小纖維質量分數測試數據Table 3 Test data for mass fraction of stable fiber on printing-and-writing paper pulp

表4為各成形網的細小纖維留著率，其中WESB-1網留著率為負值。這是由于WESB-1網經緯密過小，孔徑大于200目金屬網，部分長纖維透過WESB-1網進入濾液，烘干計算時將這部分長纖維視作短纖維處理。

表4 文化紙紙漿細小纖維留著數據Table 4 Retention data for printing-and-writing paper pulp

對于三層網而言，纖維留著率與自由空間量[14]密切相關。自由空間量小，細小纖維更容易儲存在成形網中，留著率高；自由空間量大，細小纖維容易穿過成形網，留著率低。由表4可知，WESB網留著率隨經緯紗密度增加而逐漸增大，經緯紗密度增加，成形網內部交織點和連接線變多，自由空間量減小。其中WESB-4留著率遠高于WESB-5，經緯紗密度相同情況下，WESB-5網經緯紗直徑小，自由空間量大，留著率降低。綜上可知，留著率受經緯紗密度和經緯紗直徑共同影響，與經緯紗密度和經緯紗直徑成正相關。

WASB網的經密與紗線直徑均大于WESB-7網，兩者留著率相差約1%。這是因為WASB網采用經紗縫合技術，成形網內部交織點與連接線減少，可彌補因經緯紗密度和經緯紗直徑增大造成自由空間量損失，綜合考慮認為兩者自由空間量相近。但在實際造紙機應用中，成形網經向會受到造紙機上張力，在張力作用下，緯紗縫合的WESB網內部結構會遭到一定破壞，而經紗縫合的WASB網可以利用這種張力拉緊綁定經紗，使成形網結構更加緊密，從而提高留著性能[15]。錯位成形網留著率高達78.14%，遠高于其他類型成形網，是由錯位成形網錯位疊加結構造成的。錯位成形網中面層、底層的經線相互錯開，如圖9所示，這種獨一無二的錯位結構能很好地控制網部初始脫水段，讓細小纖維更好地留著，從而提高成形網的留著性能。

圖9 錯位成形網脫水路徑Fig.9 Filtering path of dislocation forming fabric

試驗發現,隨著攪拌速度增加，細小纖維留著率逐漸降低。這有兩方面原因：一是攪拌速度提高，部分長纖維被打碎，成形網的纖維截留層形成時間變長，細小纖維通過成形網的量變多；二是因為紙漿中一些填料對剪切力非常敏感[16]，會對纖維懸浮液中絮凝物產生分散作用，使得紙料中細小組分存留降低。

5 成形網濾水速度與留著率關聯影響

不同成形網對文化紙紙漿的濾水速度及留著率對應表如表5所示。從表5可以看出，成形網濾水速度和留著率是一對相互矛盾的指標，WESB網濾水速度加快，留著率降低。短時間內快速脫除大量的水需要成形網具備較小的經緯紗密度及直徑，但這會使WESB網自由空間量增大，造成大量細小纖維和填料的流失，從而留著率下降，達不到成形的目的。

表5 成形網濾水速度及留著率Table 5 Filter speed and retention data of forming fabrics

錯位成形網可以在一定程度上解決這個問題。錯位成形網由于錯位疊加結構，能很好地控制初始階段漿液流動，提高細小纖維留著率。與相同規格WESB-6網相比，濾水速度降低約5%，留著率增加約62%，留著率增加幅度遠大于濾水速度減小幅度，可在保證一定濾水速度的同時達到細小纖維高效留著的目的。

6 結 語

高性能成形網結構與典型紙漿濾水性能的關系表明：同種紗線編織，隨經緯紗密度依次增大的WESB-1、WESB-2、WESB-3成形網的單位時間內濾水速度依次減小，分別為2.70、1.84、1.75 g/s；WESB成形網濾水速度受經緯紗密度和直徑綜合影響，經緯紗直徑一定時，經緯紗密度增加，濾水速度減?。唤浘暭喢芏认嗤瑫r，經緯紗直徑減小，濾水速度加快；在相同條件下3種高性能成形網中WASB網濾水速度高于WESB網，錯位成形網留著性能最佳，細小纖維留著率高達78.14%；濾水速度和留著率是一對相互矛盾的指標，快速脫除大量水需要成形網具備較小經緯紗密度與經緯紗直徑，但這會使成形網自由空間量增大，細小纖維留著率降低，相比同規格WESB網，錯位成形網的留著率增加幅度遠大于濾水速度減小幅度，可以在保證一定濾水速度的同時達到高效留著細小纖維的目的。