底網針刺造紙毛毯結構和濾水速率

孫德盛 陳 平 顧伯洪

1. 東華大學 紡織學院,上海 201620;2. 江蘇金呢工程織物股份有限公司,江蘇 海門 226100

造紙毛毯作為造紙機的配套設備,是造紙工業生產過程中必不可少的易耗器材。在濕法造紙過程中,造紙毛毯主要應用于造紙機的壓榨部位,配合壓榨裝置對從造紙機網部傳遞過來的濕紙幅進行機械擠壓從而脫水,同時也起到傳遞紙幅、整飾紙面的作用[1-2]。隨著造紙行業的蓬勃發展,造紙機的車速越來越快,濕紙幅穿過壓榨部位所用的時間越來越短,這就要求造紙毛毯必須具備優良的濾水性能,從而能夠在極短的時間里吸收并排出紙幅中的水分。造紙機各部位的脫水成本差異很大,若能提高紙幅出壓榨部位的干燥程度,則能有效降低造紙機干燥部位的蒸汽能耗,節省成本[3]。

國內外在造紙毛毯的結構與濾水性能方面已有一些相關研究,但仍有許多問題需要繼續深入探討。Hubbe等[4]從理論上分析了造紙毛毯表面結構對于壓榨脫水的影響,發現在毛細效應作用下,造紙毛毯離開壓榨區后會出現回濕現象,即毛毯內的水會返回到紙張里面,這會導致脫水效率降低。王亞紅[5]通過設計正交試驗探究了底網組織、緯紗線密度及針刺深度對復合造紙毛毯性能的影響,結果顯示,緯紗線密度對復合造紙毛毯的濾水性能影響最大,其次是底網組織和針刺深度。朱文等[6]利用自制的仿真壓榨模擬試驗裝置,從毛毯的壓力分布角度研究了造紙毛毯結構對壓榨區壓榨脫水的影響,發現植絨纖維直徑對壓榨脫水效率的影響最為顯著,其次是底網結構,最后是植絨層數。

造紙毛毯的濾水性能決定了紙漿中水分脫除的速率以及紙張成形的均勻性[7]。優良的濾水性能不僅可以避免濕紙幅在壓榨區受流體壓力影響而出現壓花現象,還能提高造紙機的生產效率、降低能源消耗。本文在單獨探究表層植絨纖維線密度和底網經紗密度兩項結構參數對底網針刺造紙毛毯濾水速率影響的基礎上,運用數學統計方法對影響造紙毛毯濾水速率的結構因素進行逐步回歸分析,剔除不符合顯著性檢驗的變量,建立造紙毛毯結構與濾水速率的回歸模型。研究可為提高造紙毛毯的濾水速率,優化毛毯結構設計提供理論參考。

1 底網針刺造紙毛毯的結構分析

底網針刺造紙毛毯按結構可分為底網層和纖維層兩部分,將這兩部分通過針刺工藝復合在一起,再經熱定型處理即可制得造紙毛毯成品[8]。底網針刺造紙毛毯根據底網層的結構形式不同,可分為單層底網造紙毛毯、雙層底網造紙毛毯和疊層底網造紙毛毯。其中,疊層底網造紙毛毯的結構示意如圖1所示。

A—表層植絨纖維層;B—里層植絨纖維層;C—底網結構;D—底層植絨纖維層。圖1 疊層底網造紙毛毯結構示意圖Fig.1 Structure diagrams of laminated batt-on-mesh papermaking felt

底網層作為造紙毛毯在實際應用中的主要支撐結構,直接決定毛毯的尺寸穩定性能、耐壓性能、彈性回復性能及濾水性能[9]。底網層的材料主要為錦綸單絲或合股單絲,組織結構主要為平紋、經二重平和破斜紋等。底網層經紗采用合股單絲,可有效改善毛毯的彈性及彈性回復性能,提高毛毯上機初期的適應性和下機后的濾水性能。

造紙生產過程中,造紙毛毯作為與濕紙幅和導輥直接接觸的部分,其纖維層直接決定毛毯的表面性能、耐磨性能以及濾水性能等[10]。纖維層的原料主要為錦綸或滌綸。根據纖維層植絨的位置以及纖維線密度的不同,植絨纖維層可分為表層、里層與底層3部分。其中:表層植絨纖維層與濕紙幅直接接觸,為提高毛毯表面平整度、保證紙張質量,其纖維線密度最小;里層植絨纖維層為過渡層,線密度次之;底層植絨纖維層纖維線密度最大[11]。纖維層的這種線密度由小到大排列,配合底網層的孔隙,形成了造紙毛毯的濾水通道。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

底網針刺造紙毛毯,由江蘇金呢工程織物股份有限公司提供,植絨纖維與底網均采用錦綸材料,密度為1.14 g/cm3。

2.2 表觀形貌觀察

采用VEGA-Ⅲ型掃描電子顯微鏡(SEM,捷克TESCAN公司)和SMZ745T型體視顯微鏡(上海尼康儀器公司)觀察造紙毛毯表面和經向截面的形貌特征。掃描電子顯微鏡工作距離為25.53 mm,加速電壓為5 kV。

2.3 孔隙率測試

采用密度法計算底網造紙毛毯的孔隙率。將底網造紙毛毯裁剪成長40 cm、寬20 cm的試樣并稱取質量。采用YG(B)141 G型織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器公司)測試毛毯的表觀厚度,厚度儀的壓腳面積為2 000 mm2,壓重砝碼為100 cN。計算毛毯的體積密度,并據此計算毛毯的孔隙率?？紫堵实挠嬎闶?

(1)

式中:P為毛毯孔隙率;ρ0為毛毯表觀密度;ρ為毛毯密度。

2.4 濾水性能測試

采用Permflow DUO型透水含水測試儀(意大利Cristini公司)對不同結構的底網針刺造紙毛毯的濾水性能進行測試和表征。采用定點測試法,測試前需將毛毯放入水中浸濕,以模擬毛毯在實際應用時的狀態。每個樣品測試3次,濾水速率結果取平均值。

2.5 數據統計與分析

采用數理統計軟件IBM SPSS Statistics 29.0,在檢驗發現所有數據的正態性以及毛毯不同結構參數間不存在多重共線性后,以底網針刺造紙毛毯的結構參數為自變量、濾水速率為因變量進行多元線性逐步回歸分析。其中,統計的造紙毛毯結構參數包括毛毯面密度、底網面密度、毛毯孔隙率、各層植絨纖維線密度和底網經紗密度。

3 結果與討論

3.1 表層植絨纖維線密度對毛毯濾水性能的影響

在保證毛毯除表層植絨纖維線密度以外其他結構參數基本相同的情況下,分別選用2種不同類型疊層底網造紙毛毯,共計6個樣品進行濾水性能測試,結果如圖2和表1所示。圖2中,底網組織結構1代表單層網,2代表雙層網,以接觸紙面的一側排序。

表1 不同表層植絨纖維線密度造紙毛毯的結構參數與濾水速率Tab.1 Structural parameters and water filtration rate of papermaking felts with different surface flocking fiber line densities

圖2 表層植絨纖維線密度對濾水速率的影響Fig.2 Influence of surface flocking fiber line density on water filtration rate

由圖2可知,當其他結構參數相同時,1+1、1+2疊層底網造紙毛毯的濾水速率均隨著表層植絨纖維線密度的增加而增加。在毛細管效應及壓力的作用下,水分子在造紙毛毯植絨纖維層中主要是通過纖維中微原纖、原纖間的縫孔以及纖維間的縫隙等途徑進行滲透和擴散的[12-13]。

不同表層植絨纖維線密度的造紙毛毯表面形態如圖3所示。由圖3和表1可知,隨著表層植絨纖維線密度的增加,纖維與纖維之間的縫隙變大,毛毯的孔隙率增加,水分子在毛毯內部滲透和擴散的通道變大,造紙毛毯的濾水速率隨之增大。

3.2 底網經紗密度對毛毯濾水性能的影響

造紙毛毯的底網層是毛毯濾水通道的重要組成部分,而底網的經紗密度則是底網最主要的規格參數之一。底網經紗多采用錦綸合股單絲,且在底網中基本無屈曲,其排列密度對毛毯的濾水性能影響較大。因此,在保證除底網經紗密度以外其他結構參數基本相同的情況下,選取5個1+2疊層底網造紙毛毯樣品進行濾水性能測試,結果如圖4和表2所示。

表2 不同底網經密造紙毛毯的結構參數與濾水速率Tab.2 Structural parameters and water filtration rate of papermaking felts with different bottom mesh warp densities

圖4 不同底網經紗密度造紙毛毯的濾水速率Fig.4 Water filtration rate of papermaking felts with different bottom mesh warp densities

由圖4和表2可知,隨著底網經紗密度的增加,底網面密度逐漸增大,毛毯濾水速率逐漸減小。對比7#毛毯與8#毛毯的結構參數可以看出,8#毛毯靠近導輥一側的底網經紗密度小于7#毛毯,但由于其經紗選用的是六股紗,因此8#毛毯的錦綸單絲密度比7#毛毯大,對應的8#毛毯的濾水速率也低于7#毛毯。

1+2疊層底網造紙毛毯的經向截面SEM照片如圖5所示。由圖5可知,造紙毛毯底網層的濾水通道主要由底網經紗間的縫隙以及經紗間由空刺整理帶來的垂直方向纖維組成。

圖5 1+2疊層底網造紙毛毯的經向截面SEM照片Fig.5 SEM image of the transverse section of 1+2 laminated batt-on-mesh papermaking felt

水分在底網層的滲透速率與底網孔隙率及滲透方向上縫隙的形狀、大小等因素有關[14]。由達西定律可知,多孔介質中液體的滲透速率與滲透率、壓力梯度成正比[15],即

Q∝K(dh/dl)

(2)

式中:Q為介質的濾水速率;dh/dl為液體在介質中的壓力梯度;K為介質的滲透率。

根據Kozeny-Carman方程,孔隙介質中液體的滲透率和孔隙結構參數之間的關系可表示為

(3)

式中:K為滲透率;φ為孔隙率;C為Kozeny-Carman

常數;S為比表面積。

將式(3)代入式(2)中,得到

(4)

結合表2可知,當毛毯其他結構參數相同時,隨著底網層經紗密度的增加,毛毯的孔隙率降低。由式(4)可知,毛毯的濾水速率與其孔隙率的三次方成正比。

總之,隨著造紙毛毯底網經紗密度的增加,底網層經紗間以及纖維與纖維間的縫隙逐漸減小,毛毯的孔隙率和滲透率降低,最終導致毛毯整體的濾水速率減小。

3.3 底網針刺造紙毛毯結構與濾水速率的相關性分析

濾水速率作為造紙毛毯的重要性能指標,主要受毛毯結構的影響。為了在毛毯眾多的結構參數中找出影響其濾水速率的最主要因素,以濾水速率(y)為因變量,通過商用數理統計軟件SPSS,采用多元逐步線性回歸分析法對影響濾水速率的結構因素進行分析。統計的結構參數指標包括毛毯面密度(x1)、底網面密度(x2)、孔隙率(x3)、近紙面一側底網經紗密度(x4)、近導輥一側底網經紗密度(x5)、表層植絨纖維線密度(x6)、里層植絨纖維線密度(x7)、底層植絨纖維線密度(x8)。逐步回歸分析的結果如表3所示。

表3 造紙毛毯濾水速率與結構參數的逐步回歸分析Tab.3 Stepwise regression analysis of water filtration rate and structural parameters of papermaking felt

由表3可知:表層植絨纖維線密度能夠單獨解釋60.0%的毛毯濾水速率,具有較高的解釋度;表層植絨纖維線密度和近紙面一側底網經紗密度能共同解釋68.7%的毛毯濾水速率,表明表層植絨纖維線密度和近紙面一側底網經紗密度對毛毯濾水速率具有較強的影響。其中,表層植絨纖維線密度的回歸系數為正值,表明它與毛毯濾水速率呈正相關,而近紙面一側底網經紗密度與毛毯濾水速率呈負相關,且毛毯速率與表層植絨纖維線密度的相關性強于與近紙面一側底網經紗密度的相關性。

4 結語

底網針刺造紙毛毯集傳統機織與非織造技術于一體,結構較為復雜。在探究不同毛毯結構對其濾水速率的影響時發現,毛毯的濾水通道主要是由纖維層間按線密度增大順序排列的纖維網、底網經紗間的縫隙以及由空刺整理帶來的垂直方向的纖維組成。當表層植絨纖維線密度從0.67 tex增加到1.11、1.67、2.22 tex時,纖維與纖維之間的縫隙逐漸增大,毛毯孔隙率增加,在毛細作用與壓力作用下,造紙毛毯的濾水速率快速增大。當底網經紗密度增大時,經紗間的濾水通道變窄,底網層的孔隙率減小,造紙毛毯的濾水速率也減小。通過多元逐步回歸分析,剔除了造紙毛毯眾多結構參數中對濾水速率無顯著影響的結構參數,排除了各結構參數之間的相互干擾,得到底網造紙毛毯濾水速率的最優預測模型,發現只有表層植絨纖維線密度和近紙面一側底網經紗密度與毛毯的濾水速率存在顯著的相關性。其中,表層植絨纖維線密度與毛毯濾水速率呈正相關,近紙面一側底網經紗密度與毛毯濾水速率呈負相關,且表層植絨纖維線密度對毛毯濾水速率的影響更大。