漿網(wǎng)速變化對(duì)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(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457)

動(dòng)態(tài)紙張成形技術(shù)是模擬高速長網(wǎng)造紙機(jī)的生產(chǎn)條件、抄造與紙機(jī)生產(chǎn)的紙張物理性能非常相似紙張的過程。動(dòng)態(tài)紙張成形器作為傳統(tǒng)的手抄片抄造系統(tǒng)和中試紙機(jī)生產(chǎn)的一個(gè)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(xù)的涂布、壓光以及評(píng)價(jià)印刷性能等。相關(guān)研究利用動(dòng)態(tài)紙張成形器考察添加高得率漿對(duì)低定量涂布紙性能的影響［1-2］;加填和白水循環(huán)對(duì)含高得率漿成紙性能的影響［3］，并通過改變噴嘴噴射次數(shù)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(dòng)態(tài)紙張成形器抄造紙張過程中，成形器攪拌桶內(nèi)分散均勻的漿料經(jīng)過漿泵加壓，由成形筒內(nèi)的一個(gè)上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的噴嘴噴射到網(wǎng)上，經(jīng)過離心脫水形成紙幅。其中成形桶的轉(zhuǎn)速 (即網(wǎng)速)及噴漿的速度和噴嘴的角度可以自由調(diào)整，即可調(diào)整漿網(wǎng)速比和著網(wǎng)點(diǎn)。漿料高速噴在旋轉(zhuǎn)的成形網(wǎng)上時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)和剪切力，如同紙機(jī)上的生產(chǎn)，不同的抄造條件會(huì)使纖維在紙張中的分布方向不同［4］。TR Hess等人［5］利用動(dòng)態(tài)紙張成形器研究得出網(wǎng)部形變、干燥過程以及纖維偏移會(huì)對(duì)抗張挺度取向 (TSO)和纖維分布產(chǎn)生不同的作用效果。

超聲波測(cè)量作為一種非破壞性、快速、用于測(cè)量物體彈性性質(zhì)的測(cè)量方法，目前已廣泛用于制漿造紙上來評(píng)估設(shè)備和產(chǎn)品的性能，解決工廠實(shí)際生產(chǎn)問題［6-8］。紙張抗張挺度取向測(cè)試儀 (Tensile Stiffness Orientation Tester，TSO測(cè)試儀)是利用超聲波測(cè)量紙張?jiān)趫A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(cè)試儀不僅能得到紙張縱、橫向的抗張挺度指數(shù) (Tensile Stiffness Index，TSI)，還能直接地測(cè)試到紙張的抗張挺度取向角 (Tensile Stiffness Orientation Angle，TSOAngle)(測(cè)試結(jié)果見圖1)，通過TSI和TSO數(shù)據(jù)可以獲取生產(chǎn)過程中的動(dòng)態(tài)信息，來調(diào)整紙機(jī)以優(yōu)化紙張強(qiáng)度、成本以及其他質(zhì)量參數(shù)［6，9］。

圖1 TSO測(cè)試儀測(cè)量所給出的極坐標(biāo)圖

國內(nèi)對(duì)TSO測(cè)試儀的測(cè)試原理、測(cè)試方法及影響因素進(jìn)行了一定的介紹［10-12］，并利用TSO測(cè)試儀對(duì)新聞紙［13］、涂布灰底白紙板［11］的TSO性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，對(duì)紙機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。國外研究［14］得出涂布原紙生產(chǎn)過程中，漿網(wǎng)速差在－3 m/min，TSOAngle為+1.7°時(shí)獲得最低的卷曲 (2 m－1)和最佳勻度 (7.8%)效果。

本實(shí)驗(yàn)通過改變動(dòng)態(tài)紙張成形器在抄造過程中漿網(wǎng)速比，考察對(duì)成紙物理性能的影響;同時(shí)利用TSO測(cè)試儀對(duì)紙張的TSO性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，分析不同漿網(wǎng)速下TSI和TSOAngle的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

漂白硫酸鹽針葉木漿:智利銀星牌商品漿。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

No.2505瓦利打漿機(jī)，日本KRK公司制造;動(dòng)態(tài)紙張成形器，F(xiàn)DA法國TECHPAP公司制造;150 TSO測(cè)試儀，瑞典L＆W公司制造;066抗張強(qiáng)度測(cè)定儀，瑞典L＆W公司制造;166透氣度測(cè)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(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 漿料準(zhǔn)備

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

1.3.2 紙張抄造

采用動(dòng)態(tài)紙張成形器在不同漿網(wǎng)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(wǎng)速條件設(shè)定

表2 噴漿速度計(jì)算

1.3.3 紙張物理性能測(cè)試

紙張?jiān)跍囟葹?(23±1)℃，相對(duì)濕度為 (50±2)%(即標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕條件)的條件下平衡處理一定時(shí)間，根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)方法分別測(cè)定紙張的定量(GB/T 451.2—2002)，厚度 (GB/T 451.3—2002)，抗張強(qiáng)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(cè)試紙張的勻度，測(cè)試面積980 mm2。LAD07勻度儀是根據(jù)不同定量的紙張對(duì)可視光吸收程度的不同，測(cè)量紙張定量的微區(qū)分布，進(jìn)而計(jì)算求出紙張的勻度指數(shù)。儀器采用鹵素光源輸出可視光 (380～740 nm)的全部波長，調(diào)整光強(qiáng)使透過紙樣后形成的總灰度值在(128±3)GL(Grea level)，通過一個(gè)高分辨率的CCT攝像機(jī)采集圖像，經(jīng)軟件分析得出紙張的勻度性能，主要測(cè)試指標(biāo)包括勻度指數(shù)、對(duì)比強(qiáng)度、比周長以及斑點(diǎn)尺寸等。其中勻度指數(shù)是基于比周長和對(duì)比強(qiáng)度的比值關(guān)系計(jì)算得出;比周長與斑點(diǎn)在紙張中的尺寸分布有關(guān)，通常情況下絮體或顆粒越小，比周長越大，紙張形貌越好;對(duì)比強(qiáng)度根據(jù)光密度的變異系數(shù)計(jì)算得出，數(shù)值越小勻度越好。

圖2 漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張縱向TSI的影響

圖3 漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張橫向TSI的影響

圖4 漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張TSIMD/CD的影響

1.3.4 TSO測(cè)試

采用 TSO測(cè)試儀測(cè)定紙張的 TSOAngle、TSIMD、TSICD和 TSIMD/CD。

2 結(jié)果與討論

2.1 TSO測(cè)試分析

對(duì)于大多數(shù)紙種，TSIMD曲線分布是接近水平的，TSICD曲線形狀應(yīng)為上凸的“弓形”;造紙機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，最大和最小TSIMD值偏差應(yīng)在5% ～10%范圍內(nèi)，TSICD最大值與最小值之間的偏差通常在10% ～20%內(nèi)［6］。采用動(dòng)態(tài)紙張成形器抄造的紙張TSIMD和TSICD沿紙幅分布相對(duì)均勻，測(cè)試多點(diǎn)取平均值作為相應(yīng)漿網(wǎng)速下紙幅的 TSI值，不同漿網(wǎng)速條件下 TSIMD和TSICD的檢測(cè)結(jié)果如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，當(dāng)漿速一定，網(wǎng)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(dāng)漿速為300 m/min時(shí)，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(dāng)網(wǎng)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(wǎng)速變化條件下要小。

圖4為不同漿網(wǎng)速下紙張TSIMD/CD的結(jié)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(shí)驗(yàn)條件下，TSIMD/CD值介于2～3之間;漿速一定時(shí)，TSIMD/CD隨著網(wǎng)速的提高成增加趨勢(shì);當(dāng)網(wǎng)速一定時(shí)，TSIMD/CD隨著漿速的增加成降低趨勢(shì)。

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

TSOAngle不僅與紙張?jiān)诔爝^程中產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變有關(guān)，還與纖維定向有關(guān)，纖維的定向可以在很大程度上影響紙張質(zhì)量和造紙機(jī)的運(yùn)行性能［15］。在實(shí)驗(yàn)過程中，僅改變網(wǎng)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(wǎng)運(yùn)行方向測(cè)試(紙機(jī)縱向)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同漿網(wǎng)速下紙張TSOAngle

由表3可知，TSOAngle基本都在－1°以內(nèi)，說明TSIMax幾乎位于造紙機(jī)縱向，在實(shí)驗(yàn)條件內(nèi)通過改變動(dòng)態(tài)紙張成形器的漿網(wǎng)速對(duì)TSOAngle影響不大;TSOAngle為負(fù)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(nèi)的噴嘴上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)將漿料噴射到成形網(wǎng)上，由于網(wǎng)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(jī)縱向，而是具有一定的角度 (見圖5)。

圖5 重力作用對(duì)纖維取向的影響

2.2 漿網(wǎng)速變化對(duì)緊度和透氣度的影響

表4和圖6分別為不同漿網(wǎng)速對(duì)紙張緊度和透氣度的影響。從表4、圖6可知，隨著網(wǎng)速的增大，紙張的緊度增大，透氣度減小。漿速為300 m/min時(shí)，網(wǎng)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(dāng)網(wǎng)速一定，改變漿速時(shí)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(wǎng)部脫水成形工藝、壓榨、干燥、壓光等因素有關(guān)。在紙張成形過程中，隨著網(wǎng)速的提高，紙料上網(wǎng)時(shí)受到剪切作用增強(qiáng)，能促使纖維更好地分散，纖維更易沿著紙機(jī)的方向排列;紙張?jiān)趶?qiáng)制干燥時(shí)，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(wǎng)速變化對(duì)緊度的影響

圖6 漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張透氣度的影響

圖7 漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張縱向抗張強(qiáng)度的影響

圖9 漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張縱橫向抗張強(qiáng)度比值的影響

圖8 漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張橫向抗張強(qiáng)度的影響

2.3 漿網(wǎng)速變化對(duì)抗張強(qiáng)度的影響

圖7、圖8為漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張縱、橫向抗張強(qiáng)度的影響。紙張的抗張強(qiáng)度主要取決于纖維間的結(jié)合程度，較好的結(jié)合有利于紙張抗張強(qiáng)度的提高。隨著漿網(wǎng)速差的增大，縱向纖維分布數(shù)量增加，纖維間結(jié)合程度提高，在測(cè)定紙張縱向抗張強(qiáng)度時(shí)，單位斷裂面積上受力的纖維數(shù)量增加，紙張的抗張強(qiáng)度增加。而在紙張的橫向，處于應(yīng)力狀態(tài)的纖維數(shù)量減少，紙張的抗張強(qiáng)度降低。從圖7和圖8可以看出，當(dāng)漿速固定，隨著網(wǎng)速的增大，紙張的縱向抗張指數(shù)逐漸提高;當(dāng)網(wǎng)速固定，隨著漿速的增大，紙張的縱向抗張指數(shù)逐漸減小;漿網(wǎng)速差越大，縱向抗張指數(shù)越高。橫向抗張強(qiáng)度變化規(guī)律與縱向的結(jié)果相反。

圖9為不同漿網(wǎng)速下紙張縱、橫向抗張指數(shù)比值。由圖9可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下，縱橫向抗張指數(shù)比值介于3～5之間;當(dāng)漿速或網(wǎng)速一定時(shí)，漿網(wǎng)速差越明顯，縱橫向抗張指數(shù)比值越大，當(dāng)漿速為300 m/min、網(wǎng)速為1400 m/min時(shí)，縱橫向抗張指數(shù)比值為4.25。

抗張能量吸收 (TEA)是評(píng)價(jià)紙張強(qiáng)韌性的重要指標(biāo)，用紙張拉伸到斷裂時(shí)應(yīng)力應(yīng)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(wǎng)速差的增大，在紙張縱向，單位斷裂面積上受力的纖維數(shù)量增加，單根纖維所受到的應(yīng)力減小，故紙張的斷裂韌性增加。在紙張的橫向，處于應(yīng)力狀態(tài)的纖維數(shù)量減少，單根纖維所受到的應(yīng)力增加，橫向斷裂韌性降低。漿網(wǎng)速變化對(duì)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(wǎng)速的增大，紙張的TEAMD逐漸提高，TEACD逐漸減小，漿速變化對(duì)紙張 TEAMD和 TEACD影響不明顯。

2.4 紙張勻度分析

圖10 漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張TEAMD的影響

圖11 漿網(wǎng)速變化對(duì)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(píng)價(jià)紙張質(zhì)量一個(gè)重要的物理指標(biāo)，影響到幾乎所有的物理和光學(xué)性質(zhì)的平均值和數(shù)值的均一性。纖維絮聚是導(dǎo)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(wǎng)速差的增大，紙料上網(wǎng)時(shí)受到的剪切作用增強(qiáng)，能促使纖維更好地分散，纖維絮聚的數(shù)目、大小和面積減小，勻度指數(shù)提高 (見表5)，當(dāng)漿速為300 m/min、網(wǎng)速為1400 m/min時(shí)，紙張的勻度指數(shù)最大為112。

表5 漿網(wǎng)速變化對(duì)紙張勻度的影響

3 結(jié)論

3.1 利用動(dòng)態(tài)紙張成形器可以模擬高速長網(wǎng)造紙機(jī)漿網(wǎng)速條件抄造出不同縱橫向比的紙幅，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的漿網(wǎng)速范圍內(nèi)，通過對(duì)紙張的抗張挺度取向(TSO)檢測(cè)得出:當(dāng)漿速一定，隨著網(wǎng)速的增大，縱向抗張挺度指數(shù) (TSIMD)和縱橫向抗張挺度指數(shù)的比值 (TSIMD/CD)逐漸增大，橫向抗張挺度指數(shù)(TSICD)逐漸減小;當(dāng)網(wǎng)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(wǎng)速差越大，形成的剪切力越大，沿紙機(jī)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(wǎng)速為1400 m/min時(shí)，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(qiáng)度變化趨勢(shì)與TSI變化趨勢(shì)相一致。隨著網(wǎng)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(duì)紙張縱橫向TEA影響不明顯。

3.3 紙張緊度和透氣度檢測(cè)結(jié)果表明:當(dāng)漿速一定，隨著網(wǎng)速的增加，纖維更易沿著紙機(jī)的縱向排列，紙幅在強(qiáng)制干燥時(shí)，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(guī)律不明顯。勻度測(cè)試結(jié)果表明:漿網(wǎng)速差越大，纖維得到更好地分散，紙張勻度越高。

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