對薄頁紙機表面施膠裝置的改造

高致富 張 鋒 王江洪

(陜西科技大學輕工與能源學院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021)

在薄頁紙生產(chǎn)過程中，一般采用單烘缸進行干燥。濕紙幅直接與單烘缸接觸干燥，可達到成品紙的干度要求，避免了多烘缸干燥時濕紙幅在轉(zhuǎn)移過程中因強度不夠造成斷紙的缺點。對于某些特種薄頁紙，如耐磨紙要對其進行表面施膠，該工序通常會加大烘缸負荷，限制造紙機車速，大大降低生產(chǎn)效率［1-2］。目前，針對以上問題，在不降低車速的情況下，通常采取以下2種措施:①增大烘缸直徑，增加烘缸有效表面積。從原理上，這種方法是可行的，但是在實際生產(chǎn)中，該方法不但給加工鑄造帶來技術(shù)問題，而且資金投入也成倍增加，故該方法不受企業(yè)的青睞。②增加烘缸個數(shù)，增加干燥時間。當干燥能力不足時，往往會采用這種方法，并可獲得應有的效果。但從經(jīng)濟角度考慮，該方法不僅增加了動力的投入、蒸汽的消耗，而且增加了控制方面的投入。對于以上2種措施，均是完全通過蒸發(fā)將表面施膠中的水分去除，耗汽量和干燥成本均增加［3-4］，并沒有從根源上解決問題。在紙幅脫水過程中，相比干燥脫水，機械法脫水具有更簡單、更廉價的特點［5-6］。

筆者針對樂山某造紙機械廠生產(chǎn)的耐磨紙造紙機的表面施膠方式進行簡要的探索研究，對表面施膠部分進行簡單改造，探討耐磨紙表面施膠性能的改善效果。該造紙機設(shè)計車速為350 m/min，生產(chǎn)定量20 g/m2的耐磨紙，耐磨材料Al2O3分散在膠料中通過表面施膠施加到紙幅表面。

1 耐磨紙造紙機表面施膠原理

該耐磨紙造紙機表面施膠原理如圖1所示。由圖1可知，濕紙幅經(jīng)過雙毯壓榨后，紙幅轉(zhuǎn)移到上毯，經(jīng)過一道托缸壓榨后，紙幅被轉(zhuǎn)移到烘缸表面。當紙幅達到一定干度后，直接在紙幅表面進行施膠。最后再經(jīng)過烘缸干燥達到成紙干度，從烘缸上揭下紙張。

圖1 耐磨紙造紙機表面施膠原理

該造紙機表面施膠輥設(shè)置在烘缸干燥區(qū)的中段，符合表面施膠的一般原理，但對干燥能力有限的單烘缸，實用性不強。該干燥方式不但增加了烘缸負荷和成本投入，而且也限制了造紙機車速。針對這種情況，樂山某造紙機械廠采取增加一個小烘缸的措施，紙幅從大烘缸上剝離后，再增加一襯毯干燥，但這種方法效果并不明顯，造紙機車速仍然達不到預期。

為達到耐磨紙耐磨性能的要求，表面施膠量較大，施膠所帶來的水分較多，由于烘缸蒸發(fā)效率較低，增加一個小烘缸根本不能滿足生產(chǎn)需要。如考慮增加機械脫水，將表面施膠放置到壓榨中，這樣既能使膠料所帶來的水分得到一次機械脫水的作用，同時機械力的擠壓作用可使膠料與紙幅結(jié)合更緊密，達到更好的施膠效果。

2 耐磨紙造紙機新表面施膠方案

將該耐磨紙表面施膠方案改為轉(zhuǎn)移膜烘缸施膠，具體實施方案如圖2所示。該方案是將表面施膠過程調(diào)整到干燥前，首先將膠料均勻地轉(zhuǎn)移到烘缸表面，經(jīng)過一定的蒸發(fā)作用，形成膠膜，起到預脫水的作用，有效地利用了烘缸的有效表面積，最后經(jīng)托缸壓榨將其轉(zhuǎn)移到紙幅表面。這種方案與成膜法鑄涂相似，都是先將膠料用烘缸加熱，形成膠膜后轉(zhuǎn)移到紙幅表面。但成膜法鑄涂主要用于高定量原紙的涂布，而轉(zhuǎn)移膜烘缸施膠是對低定量薄頁紙的表面施膠，且膠料的濃縮和紙幅的干燥同時在一個烘缸上進行。

2.1 新表面施膠方案的工作過程

沿著烘缸運轉(zhuǎn)方向，新的表面施膠方案將烘缸劃分為施膠區(qū)、襯毯干燥區(qū)、干燥區(qū)和表面清理區(qū)，各個區(qū)的主要作用如下。

圖2 耐磨紙造紙機新表面施膠方案

2.1.1 施膠區(qū)

施膠輥將膠料從膠料槽中帶起，然后轉(zhuǎn)移到烘缸表面，其轉(zhuǎn)移量由施膠輥與烘缸的線壓控制。在施膠區(qū)，膠料得到升溫和濃縮，并且形成一定厚度的膠膜，膠膜厚度及濃度可由施膠區(qū)的缸面長度及烘缸表面溫度控制。

2.1.2 襯毯干燥區(qū)

經(jīng)過第一道雙毯壓榨后，紙幅已有一定的濕強度和干度，對膠料也有一定的吸收能力。進入托缸輕壓榨，由于濃縮后的膠膜具有較強的黏性，紙幅具有一定的干度，故膠膜與紙幅結(jié)合較容易。經(jīng)托缸輕壓榨后，膠料對紙幅的親和力強于水，且膠料分子大于水分子，膠料分子更容易留著，故膠膜對紙幅中的水分有一定的置換作用。當進入襯毯干燥區(qū)時，紙幅開始升溫，其中部分結(jié)合水活化，此時膠料獲得一個更好的擴散空間，與紙幅緊密地結(jié)合在一起。當紙幅隨著烘缸旋轉(zhuǎn)出襯毯干燥區(qū)時，再經(jīng)一道托缸重壓榨，去除紙幅中的大部分自由水和多余的膠料，使膠料更加緊密地與紙幅粘接在一起，利于紙幅貼缸運行。

2.1.3 干燥區(qū)

膠料將紙幅緊緊地粘在烘缸上，有利于熱傳導，去除大部分的結(jié)合水。當紙幅達到一定干度時，再加一道整飾壓榨，減小紙幅兩面差。在干燥的過程中，紙幅有收縮的趨勢，通過整飾輥的碾壓作用，不但可去除紙幅部分收縮應力、減少斷紙，而且對紙幅有很好的剝離作用。再經(jīng)過干燥，就可達到紙幅預定的干度，最后通過剝紙輥將紙幅從烘缸上剝離。

2.1.4 表面清理區(qū)

紙幅剝離后，在烘缸表面可能存在少量的紙毛、填料和膠料。在此區(qū)設(shè)置一氣刀代替烘缸刮刀，不但能達到徹底清理的目的，而且減少了磨損，保護了烘缸。使用高壓氣刀的前提條件是要求對烘缸表面進行一定的技術(shù)處理，如在烘缸表面鍍上一層鉻或噴涂上一層聚四氟乙烯，可有效地減少膠料及紙毛附著在烘缸表面。

2.2 新表面施膠方案的特點

新表面施膠方案通過采用轉(zhuǎn)移膜烘缸施膠、托缸輕壓榨、托缸重壓榨、整飾壓榨、高壓氣刀、烘缸表面特殊處理，完成表面施膠過程。

2.2.1 轉(zhuǎn)移膜烘缸施膠

新表面施膠方案采用轉(zhuǎn)移膜烘缸施膠，結(jié)構(gòu)如圖3所示。膠料在施膠輥的轉(zhuǎn)動下被帶起，經(jīng)可控線壓刮刀的整飾，去除多余膠料，同時使膠料分布均勻。當膠料轉(zhuǎn)移到施膠輥與烘缸形成的楔形區(qū)時，膠料在此處形成料池，由于楔形區(qū)角度較小，有利于膠料的轉(zhuǎn)移和施膠的均勻性。當膠料附著在烘缸上隨烘缸轉(zhuǎn)動時，膠料不斷濃縮，形成高濃膠膜附著在烘缸表面。高濃膠料有很好的黏滯力，容易附著在紙張表面，在后續(xù)的壓榨過程中不易被除去。

圖3 轉(zhuǎn)移膜烘缸施膠原理

2.2.2 托缸輕壓榨

當膠料達到一定濃度后，使用一道輕壓榨，使膠料均勻地與紙幅結(jié)合在一起，其原理如圖4所示。輕壓榨有利于減小膠料池與紙幅間的湍動對紙幅的沖擊，烘缸與壓榨輥形成的楔形角Φ較小，使得膠料與紙幅的結(jié)合變得平緩，同時還可在一定程度上減小膠料池的深度。經(jīng)輕壓榨后，紙幅與膠層一起被加熱，紙幅中的結(jié)合水不斷被活化，而膠料則有被稀釋的傾向。膠料不斷向紙幅內(nèi)擴散，與紙幅中的纖維結(jié)合在一起。在該階段，結(jié)合水的活化和膠料的擴散利于下一步托缸重壓榨的進行。

圖4 托缸輕壓榨原理

2.2.3 托缸重壓榨

當紙幅內(nèi)結(jié)合水大量活化后，進行一道托缸重壓榨，其原理如圖5所示。托缸重壓榨一方面可脫除大量水分和多余膠料，另一方面有利于膠料的進一步深層滲透。經(jīng)托缸重壓棒后，紙幅緊度大幅提高，含水量減少，與烘缸結(jié)合更緊密，有利于熱的傳導。

圖5 托缸重壓榨原理

2.2.4 整飾壓榨

當紙幅干燥到一定的干度，且有一定塑性時，使用一道整飾壓榨，其原理如圖6所示。整飾壓榨一方面有利于減小兩面差，另一方面在整飾輥對紙幅的機械碾壓過程中，有利于紙幅收縮應力的消除，同時也使紙幅與烘缸產(chǎn)生預定的間隙，對后續(xù)紙幅剝離起到一個很好的預備作用。

2.2.5 高壓氣刀

圖6 整飾壓榨原理

紙幅從烘缸表面剝離后，有少量紙毛、填料和膠料殘留在烘缸表面，這部分殘留物具有水分含量小、與烘缸表面結(jié)合強度低的特點。當經(jīng)過一定的高壓氣流沖擊后，這些殘留物很容易剝落。高壓氣刀原理如圖7所示。取Φ0=40°～45°，高速空氣流從高壓氣室沖出并撞擊烘缸表面，對烘缸表面的殘留物有一個強大的沖擊作用，可徹底清除殘留物。同時大量的空氣沖擊烘缸表面，對烘缸表面還有一定的冷卻作用，施膠時利于保持膠料的穩(wěn)定性和減緩膠料的蒸發(fā)。高速氣流沖擊到烘缸表面后被反彈回來，進入真空室B，在真空室B的真空抽吸作用下，將沖擊下來的殘留物混入空氣中帶走。這樣高壓氣流不但不會對紙幅產(chǎn)生任何不良影響，而且可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)烘缸表面溫度，給后續(xù)工序創(chuàng)造有利條件。

圖7 高壓氣刀原理

2.2.6 烘缸表面特殊處理

烘缸表面特殊處理是先將膠料涂在烘缸上進行施膠，干燥后，如果烘缸表面不光滑或易粘缸，給紙幅的剝離帶來很大困難，因此，有必要對烘缸表面進行一些特殊處理。現(xiàn)有2種方案供參考。

方案1:在烘缸表面鍍上一層鉻。鍍鉻層具有硬度高、摩擦系數(shù)低、耐磨性好、抗高溫氧化能力強以及表面光潔度好等優(yōu)點。但該方案容易形成粘缸的現(xiàn)象，給紙幅的剝離帶來一定的困難，不過這種鍍層可配合傳統(tǒng)接觸式烘缸刮刀使用。

方案2:在較粗糙的烘缸表面噴涂一層較薄的聚四氟乙烯。聚四氟乙烯是一種綜合性能非常優(yōu)良的塑料，可在較高溫度下使用，導熱性好，最突出的特點是它的自潤滑性能好，紙幅很容易被剝離。但聚四氟乙烯的耐磨損性能較差，不能與傳統(tǒng)接觸式烘缸刮刀配合使用，但對本課題中提到的非接觸式高壓氣流刮刀具有很好的適應性。因為這類刮刀沒有與烘缸表面接觸，不存在沖擊和滑動摩擦力的作用，而只有微弱的空氣動摩擦。對聚四氟乙烯鍍層，幾乎不會產(chǎn)生任何不良的后果。該方案既能起到良好去除殘留物的效果，同時保護了烘缸表面和刮刀本身，延長了烘缸和刮刀的使用壽命。

3 脫水量的比較

樂山某造紙機械廠生產(chǎn)的這臺造紙機生產(chǎn)定量為20 g/m2的耐磨紙，施膠量為4 g/m2，膠料濃度為20%，紙幅經(jīng)過一道壓榨后干度為30%，紙張干度為94%。對該耐磨紙造紙機表面施膠進行簡要改造后，表面施膠性能大幅提高。該耐磨紙造紙機進行改造前后，脫水量計算分別見式 (1)、式 (2)和式 (3)。

(1)改造前脫水量

膠料濃度為20%，經(jīng)過托缸壓榨后紙幅干度達40%。單位面積紙張脫水量用M1表示。

(2)改造后脫水量

膠料濃度為20%，經(jīng)施膠區(qū)濃縮后，膠料濃度為35%。紙幅穿過托缸重壓榨 (相當于一道熱壓榨)后，紙幅干度為45%。單位面積紙張脫水量用M2表示。

施膠區(qū)單位面積紙張脫水量用M3表示。

經(jīng)分析可知，改造前單位面積紙張脫水量為38.7 g/m2;改造后單位面積紙張脫水量僅為23.1 g/m2，施膠區(qū)單位面積紙張脫水量為8.8 g/m2，總脫水量為31.9 g/m2。通過對改造前后單位面積紙張脫水量比較，改造后烘缸需要蒸發(fā)的水量明顯少于改造前的水量，改造方案對膠料的預濃縮有效地分散了烘缸的負荷，在原有的基礎(chǔ)上，由于新表面施膠方案增加一道托缸壓榨，且有一段襯毯干燥區(qū)，可有效地活化結(jié)合水，提高機械脫水效率，這就相當于一道熱輥壓榨，因此，耐磨紙造紙機表面施膠改造后較改造前有更大的機械脫水能力，可有效地減少小烘缸負荷。不但可解決造紙機車速的問題，而且在一定程度上可考慮增加耐磨材料Al2O3用量，提高紙張的耐磨性能。

4 結(jié)語

筆者通過對耐磨紙造紙機表面施膠裝置進行改造，采用轉(zhuǎn)移膜烘缸表面施膠替換傳統(tǒng)薄頁紙施膠工藝，提高了機械脫水效率，降低了烘缸負荷，減小了表面施膠對干燥能力的影響，同時所得到的紙張具有膠料表面留著率高、單面光潔度高、耐磨性好的特點，對實際的生產(chǎn)具有實際指導意義。

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