壓榨模擬實(shí)驗(yàn)
——寬區(qū)壓榨毛毯-紙幅體系脫水機(jī)理的研究

朱 文 葉 平 沙九龍 張 輝,*

(1.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京,210037；2.江蘇金呢工程織物股份有限公司,江蘇海門,226100；3.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京,210037)

壓榨模擬實(shí)驗(yàn)
——寬區(qū)壓榨毛毯-紙幅體系脫水機(jī)理的研究

朱 文1,3葉 平2沙九龍1張 輝1,3,*

(1.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京,210037；2.江蘇金呢工程織物股份有限公司,江蘇海門,226100；3.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京,210037)

基于寬區(qū)壓榨過(guò)程中毛毯微觀結(jié)構(gòu)特性的分析,采用2套自制模擬實(shí)驗(yàn)裝置,研究了壓榨過(guò)程中毛毯微觀組織的受壓情況以及毛毯結(jié)構(gòu)與紙幅定量對(duì)壓榨脫水過(guò)程的影響,進(jìn)而研究了毛毯-紙幅體系的脫水機(jī)理。結(jié)果表明,壓榨過(guò)程中,毛毯-紙幅接觸復(fù)合層在其微觀組織上所受壓力分布不均勻,進(jìn)而影響壓榨脫水效率；因毛毯植絨纖維傳遞的壓力不均勻,毛毯-紙幅接觸復(fù)合層中會(huì)形成壓縮區(qū)域和未壓縮區(qū)域,未壓縮區(qū)域具有很高的滲透性能,是主要脫水通道；當(dāng)水流經(jīng)過(guò)的毛毯-紙幅接觸復(fù)合層骨架空隙較暢通時(shí),壓榨脫水控制方式屬于“壓控主導(dǎo)型脫水”,反之,屬于“流控主導(dǎo)型脫水”；在毛毯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,植絨纖維直徑是提高壓榨脫水效率的第一考慮要素,其次是底網(wǎng)結(jié)構(gòu),最后是植絨層數(shù)。對(duì)于低定量紙幅,宜采用植絨纖維直徑小、多層底網(wǎng)、植絨層數(shù)較多的毛毯；對(duì)于較高定量紙幅,宜采用植絨纖維直徑大、雙層或單層底網(wǎng)、植絨層數(shù)較少的毛毯；壓榨毛毯表面的平均壓強(qiáng)可作為衡量其綜合性能的定量化指標(biāo)之一。

毛毯-紙幅體系；壓榨模擬；脫水機(jī)理；毛毯表面平均壓強(qiáng)；毛毯表面結(jié)構(gòu)

壓榨部對(duì)紙機(jī)的脫水、節(jié)能和改善產(chǎn)品品質(zhì)十分重要。對(duì)造紙用毛毯的研究屬交叉型學(xué)科,既不是造紙學(xué)科的主體,也不是紡織學(xué)科的主流。國(guó)內(nèi)外對(duì)壓榨毛毯研究不多,但對(duì)其進(jìn)行研究的意義重大、要求很高[1]。紙機(jī)壓榨脫水機(jī)理按照脫水方向可分為橫向脫水和垂直脫水,且垂直脫水效率高于橫向脫水效率；按照脫水控制方式,可分為壓控主導(dǎo)型脫水和流控主導(dǎo)型脫水,一般來(lái)說(shuō),壓控主導(dǎo)型脫水的效率高于流控主導(dǎo)型脫水[2]。

壓榨部毛毯-紙幅體系在宏觀上包括了處于壓區(qū)的濕紙幅和壓榨毛毯。國(guó)內(nèi)外的研究多數(shù)把這2部分分開單獨(dú)討論；而筆者認(rèn)為,在實(shí)際壓榨過(guò)程中,濕紙幅和毛毯在壓區(qū)中各自發(fā)生特征變化的同時(shí),彼此之間的接觸區(qū)域內(nèi)的相互作用也會(huì)導(dǎo)致一些關(guān)聯(lián)性的微觀結(jié)構(gòu)變化,這些關(guān)聯(lián)性的微觀結(jié)構(gòu)變化均會(huì)對(duì)紙幅壓榨脫水過(guò)程產(chǎn)生一定的影響。因而，將毛毯與濕紙幅作為復(fù)合體系研究更符合工程實(shí)際，該復(fù)合體系由底網(wǎng)和植絨纖維及紙幅組成[3],研究該體系的脫水機(jī)理對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)高效壓榨裝置以及開發(fā)和優(yōu)選毛毯具有重要指導(dǎo)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

對(duì)寬區(qū)壓榨毛毯-紙幅體系脫水機(jī)理的研究分2步：一是研究壓榨過(guò)程中毛毯所受壓力的變化情況；二是研究壓榨過(guò)程毛毯結(jié)構(gòu)和紙幅定量對(duì)壓榨脫水過(guò)程的影響。

1.1 壓榨過(guò)程毛毯所受壓力變化的研究

1.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置Ⅰ

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Ⅰ

傳統(tǒng)壓榨輥的壓區(qū)寬度通常為20～60 mm,而現(xiàn)代寬區(qū)壓榨的壓區(qū)寬度是傳統(tǒng)壓榨輥壓區(qū)寬度的6～10倍[4]。在壓榨過(guò)程,由于毛毯(主要是經(jīng)線作用)的存在,使得作用在濕紙幅上的微觀壓力分布不均勻。為揭示并表征這種壓力分布狀態(tài),參照國(guó)外有關(guān)寬區(qū)壓榨中毛毯受壓性能的研究方法,自制了實(shí)驗(yàn)裝置Ⅰ(見圖1),實(shí)驗(yàn)部件安放次序依次為上圓盤、毛毯、LW型富士壓感紙(雙片型、測(cè)壓范圍1.0～12 MPa)、下圓盤。加載力作用于上圓盤上,通過(guò)富士壓感紙測(cè)量毛毯所受壓力的分布情況?？紤]到模擬圓盤直徑應(yīng)在壓區(qū)平壓段范圍內(nèi)(即面積遠(yuǎn)小于實(shí)際壓區(qū)面積,相當(dāng)于寬區(qū)壓榨的微單元),故上、下圓盤直徑分別為75 mm和150 mm,厚度均為20 mm,質(zhì)量分別為0.7 kg和3.6 kg,表面粗糙度均為1.6,材料為不銹鋼SS304,定制加工。

1.1.2 富士壓感紙與富士數(shù)字分析系統(tǒng)

前人在測(cè)量壓榨毛毯表面微觀組織所受壓力的變化情況(受植絨纖維直徑影響)時(shí),通常采用的是基于掃描儀和基于照相機(jī)的測(cè)試裝置,這些裝置均建立在壓力感應(yīng)膜(Cronapress轉(zhuǎn)化膜)的基礎(chǔ)上[5-12]。本實(shí)驗(yàn)壓力表征材料選用LW型富士壓感紙,其由2層聚酯基膠片復(fù)合而成,微顆粒在壓力作用下破裂,通過(guò)色密度反應(yīng)壓力大小。將富士壓感紙裁切成90 mm×80 mm,比上圓盤略大即可。將加壓后的富士壓感紙送到日本進(jìn)行測(cè)試分析,壓力數(shù)據(jù)分析采用富士數(shù)字分析系統(tǒng)。

1.1.3 毛毯樣品

實(shí)驗(yàn)用毛毯的特征如表1所示,尺寸為140 mm×90 mm。實(shí)驗(yàn)前,先將毛毯樣品放入水中充分浸泡,使之處于飽和狀態(tài),然后離心處理以脫除毛毯孔隙中的大部分水分。處理后毛毯的含水量低于毛毯處在壓榨狀態(tài)下壓區(qū)中心的飽和含水量,也就是說(shuō)即使在最大的壓縮壓力下,毛毯本身含水量也達(dá)不到飽和狀態(tài)。

1.1.4 加壓裝置

選用美國(guó)MTS(SANS)CMT5105電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)。其實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：

表1 實(shí)驗(yàn)用毛毯

(1)先給予毛毯一個(gè)模擬紙機(jī)縱向上的牽引力(3 kN/m),根據(jù)毛毯尺寸140 mm×90 mm,計(jì)算得到預(yù)張緊力F張=420 N。

(2)設(shè)置壓向控制程序。參照壓榨部壓區(qū)通常的壓強(qiáng)范圍,壓榨過(guò)程中的整體壓強(qiáng)選為7 MPa。因上圓盤的質(zhì)量為0.7 kg,直徑為75 mm,根據(jù)P=F/s,可算出上圓盤作用在毛毯上的整體壓強(qiáng)P上=1.576×103Pa,較之于7 MPa,可忽略不計(jì)。根據(jù)F=P·s,可計(jì)算得到萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)壓力控制中的最大壓力F=30910 N。模擬壓榨過(guò)程,第二段控制設(shè)為時(shí)間控制,最大壓力保持30 s后停止實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的壓力-時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)Ⅰ壓力-時(shí)間控制曲線圖

1.2 毛毯結(jié)構(gòu)和紙幅定量對(duì)壓榨脫水過(guò)程的影響

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置Ⅱ

圖3 壓榨脫水模擬實(shí)驗(yàn)裝置Ⅱ

為了研究壓榨毛毯表面結(jié)構(gòu)(包括植絨纖維直徑、植絨層數(shù))、底網(wǎng)結(jié)構(gòu)等對(duì)壓榨脫水過(guò)程產(chǎn)生的影響,參照國(guó)外類似研究方法,自制了實(shí)驗(yàn)裝置Ⅱ(見圖3),其由上壓板、下壓板、導(dǎo)桿、彈簧組成。結(jié)合考慮實(shí)際靴式壓榨壓區(qū)的尺寸(平壓區(qū)加壓段面積A),確定代表性的微單元dA,利用具有微單元面積dA的上壓板和下壓板來(lái)模擬脫水過(guò)程,上下壓板直徑為100 mm,厚度為20 mm。上壓板為光滑壓板,表面粗糙度為6.3。下壓板設(shè)計(jì)有溝槽(溝寬×溝深為1 mm×2.5 mm,溝紋節(jié)距3 mm,材料為Q235-A),以利于壓榨排水。為了有利于壓榨操作結(jié)束后抬起上壓板及保持加壓前的壓力為0,下壓板上嵌有套著彈簧的導(dǎo)桿。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的壓力選取彈簧,彈簧內(nèi)徑、外徑和螺距分別為17、21及17 mm,整套實(shí)驗(yàn)裝置定制加工而成。

1.2.2 加壓裝置

加壓裝置選用美國(guó)MTS(SANS)CMT5105電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī),其實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：實(shí)驗(yàn)入口力10 N；程序控制中壓榨壓力5.5 MPa(上壓板的質(zhì)量2.5 kg,受壓部分直徑100 mm,根據(jù)P=F/s,可算出上壓板作用在毛毯和紙幅上的壓力P上=3.184×103Pa,較之于5.5 MPa可忽略不計(jì))。根據(jù)F=P·s,可計(jì)算得到壓力控制中的最大壓力F=43175 N。模擬壓榨過(guò)程,保持最大壓力2.5 s后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的壓力-時(shí)間曲線如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)Ⅱ的壓力-時(shí)間控制曲線圖

1.2.3 毛毯結(jié)構(gòu)對(duì)壓榨脫水的影響

在漿濃為2%條件下,采用實(shí)驗(yàn)室槽式打漿機(jī)對(duì)漂白闊葉木漿板打漿30 min,測(cè)得其加拿大游離度為500 mL,然后用快速抄片機(jī)抄紙,定量50 g/m2。將抄造得到的濕紙幅立刻轉(zhuǎn)移至毛毯樣品(見表1)上,濕紙幅和毛毯的直徑均為100 mm,將毛毯和濕紙幅放置在實(shí)驗(yàn)裝置Ⅱ上,濕紙幅面向光滑上壓板(見圖3中的原理圖),然后一起固定在電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)的壓縮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,運(yùn)行設(shè)置好的程序。運(yùn)行結(jié)束后,立刻對(duì)壓榨后的濕紙幅進(jìn)行取樣,按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)其水分,并繪制出每一組毛毯樣品對(duì)應(yīng)紙幅的干度與平均壓力之間關(guān)系的曲線,即可分析出毛毯所受壓力的不均勻性對(duì)壓榨脫水的影響。

1.2.4 紙幅定量對(duì)壓榨脫水的影響

分別選用漂白闊葉木化學(xué)漿和闊葉木機(jī)械漿抄紙(漿料處理同1.2.3),定量分別為30、40、50、60、70、80、90、100、110 g/m2；毛毯樣品采用雙層底網(wǎng),植絨層數(shù)為5層,表面植絨纖維直徑分別為11、22、33和44 μm的4種毛毯。抄造完紙幅后按照1.2.3中的步驟壓榨,并記錄下每組紙幅的干度。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓榨過(guò)程毛毯所受壓力的變化情況

富士壓感紙由2層組成,其中一層涂有微顆粒成色材料,另一層帶有顯色材料,當(dāng)加載壓力時(shí),在毛毯表面植絨纖維接觸傳遞的加壓載荷作用下,微顆粒破裂,成色層與顯色層起反應(yīng),出現(xiàn)紅色壓區(qū)。

將如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置Ⅰ放置在電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)壓縮控制臺(tái)上運(yùn)行實(shí)驗(yàn),最后取出壓感紙并標(biāo)記上與毛毯樣品編號(hào)(見表1)相對(duì)應(yīng)的編號(hào)。模擬壓榨后毛毯表面所受壓力分布的富士壓感紙顯示圖如圖5所示。從圖5可明顯看出,毛毯微觀組織結(jié)構(gòu)的不均勻(即受壓面的凹凸區(qū)域不均勻分布)會(huì)導(dǎo)致壓區(qū)中紙幅在微觀上所受壓力分布不均,且不同的毛毯結(jié)構(gòu)對(duì)壓力分布不均的影響程度也不盡相同。通過(guò)富士數(shù)字分析系統(tǒng)可得到每一組毛毯樣品各受壓面(即凸點(diǎn))的平均壓強(qiáng),并用該值表征毛毯樣品的脫水性能。圖6示出了1#～6#富士壓感紙的富士數(shù)字分析系統(tǒng)分析結(jié)果。

2.1.1 壓力分布圖

(1)面壓3D線框效果圖 通過(guò)富士數(shù)字分析系統(tǒng)可獲得毛毯樣品面壓3D線框效果圖(見圖7),圖7中的數(shù)字與表1中毛毯樣品的編號(hào)相對(duì)應(yīng)。從顏色的深淺(顏色越深表示毛毯表面越致密)可大致看出壓力作用的分布情況。通過(guò)面壓3D線框效果圖能直觀地看出各張面壓紙上微觀所受壓力的分布情況,線框越高,壓力越大,反之壓力越小。

圖8 1#毛毯的面壓強(qiáng)等高位圖

圖5 模擬壓榨后毛毯表面所受壓力分布的富士壓感紙顯示圖

圖6 富士數(shù)字分析系統(tǒng)分析圖

圖7 毛毯樣品面壓3D線框效果圖

(2)面壓強(qiáng)等高位圖 通過(guò)富士數(shù)字分析系統(tǒng)獲得的富士壓感紙面壓強(qiáng)等高位圖可反映出在不同局部面壓強(qiáng)下毛毯樣品表面的壓強(qiáng)分布情況。實(shí)驗(yàn)選取局部面壓強(qiáng)分別為1、3、5、8、10及12 MPa來(lái)研究毛毯樣品表面局部壓強(qiáng)分布情況。以1#毛毯為例,分析了毛毯樣品局部面壓強(qiáng)等高位圖(見圖8),其他毛毯樣品的面壓強(qiáng)等高位圖分布不同,但圖貌類似。

根據(jù)局部面壓強(qiáng)等高位圖可看出每組毛毯樣品受壓時(shí)的壓強(qiáng)分布情況。局部壓強(qiáng)為3～12 MPa時(shí),植絨纖維直徑小、底網(wǎng)結(jié)構(gòu)均一、植絨層數(shù)多的毛毯受壓分布較均勻；而植絨纖維直徑大、底網(wǎng)結(jié)構(gòu)不均一、植絨層數(shù)少的毛毯受壓分布很不均勻,且很大一部分區(qū)域的局部壓強(qiáng)超過(guò)12 MPa。由此可見,毛毯的結(jié)構(gòu)會(huì)影響壓區(qū)壓力作用(局部壓強(qiáng))的分布情況；不同結(jié)構(gòu)的毛毯在相同壓區(qū)的平均壓強(qiáng)不同。

圖9 毛毯樣品的面壓壓力測(cè)量圖

2.1.2 毛毯表面平均壓力

根據(jù)富士數(shù)字分析系統(tǒng)的分析統(tǒng)計(jì)可得出每一組毛毯的平均壓強(qiáng)、平均壓力、最大壓力等數(shù)據(jù)。12組毛毯樣品平均壓強(qiáng)分別為8.40、9.15、10.05、7.55、7.60、8.85、7.45、8.05、7.57、8.45、6.65、7.60 MPa。圖9示出了1#、2#、3#毛毯的面壓壓力測(cè)量圖。圖9中的數(shù)字1代表紅色面積與(紅+綠+黃)色面積的比值,%；2代表(紅+綠+黃)色的面積,mm2；3代表平均壓強(qiáng),MPa；4代表最大壓強(qiáng),MPa；5代表平均壓力=發(fā)色面積×平均壓強(qiáng),N；6代表掃描面積(整張紙的面積),mm2。

從圖9可看出,根據(jù)顏色,面壓壓力測(cè)量圖可分為3個(gè)區(qū)域,即紅色、綠色和黃色區(qū)域。這3個(gè)區(qū)域的壓強(qiáng)范圍見“圖6(a)數(shù)字分析壓強(qiáng)分布圖”,即黃色區(qū)域?yàn)閴簭?qiáng)大于10 MPa,紅色區(qū)域?yàn)閴簭?qiáng)在2.5～10 MPa之間,綠色區(qū)域?yàn)閴簭?qiáng)小于2.5 MPa。

2.2 毛毯結(jié)構(gòu)和紙幅定量對(duì)壓榨脫水過(guò)程的影響

2.2.1 毛毯壓力作用不均勻?qū)赫ッ撍挠绊?/p>

壓榨模擬實(shí)驗(yàn)所得的毛毯-紙幅體系在壓區(qū)受壓時(shí)平均壓強(qiáng)與紙幅干度關(guān)系曲線如圖10(a)所示。圖10(a)中,G1～G12中的數(shù)字,對(duì)應(yīng)于表1中的編號(hào)。從圖10(a)中可以發(fā)現(xiàn),在相同壓榨時(shí)間下,隨著平均壓強(qiáng)的減小,壓榨后紙幅的干度越高。平均壓強(qiáng)的減小說(shuō)明毛毯和紙幅之間的接觸狀態(tài)更為均勻,水流阻力為影響脫水的主導(dǎo)因素,即壓榨脫水過(guò)程為“流控主導(dǎo)型脫水”。

圖10 不同模擬條件下平均壓強(qiáng)與紙幅干度的關(guān)系

2.2.2 植絨纖維直徑對(duì)壓榨脫水的影響

植絨纖維直徑與紙幅干度的關(guān)系如圖10(b)所示。圖10(b)中,F(Fine)表示直徑為17 μm的細(xì)植絨纖維,C(Coarse)表示直徑為44 μm的粗植絨纖維。由圖10(b)可知,以測(cè)量范圍干度值的平均值22%=(28%+16%)/2為界限,壓榨后，細(xì)植絨纖維毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度主要在22%以上,這是因?yàn)?細(xì)植絨纖維相對(duì)易被壓縮,因而毛毯-紙幅接觸復(fù)合層相對(duì)薄,紙幅表面微觀上受壓分布相對(duì)均勻且紙幅受壓面多,因而脫水效果好,此時(shí)的壓榨脫水方式屬“流控主導(dǎo)型脫水”；粗植絨纖維相對(duì)不易被壓縮,毛毯-紙幅接觸復(fù)合層相對(duì)較厚,紙幅表面微觀上受壓分布相對(duì)不均勻,且紙幅受壓面少,因而脫水效果差,此時(shí)的壓榨脫水方式屬“壓控主導(dǎo)型脫水”。因此,毛毯表面植絨纖維直徑是影響壓榨脫水效率的重要設(shè)計(jì)因素。從圖10還可以看出,具有細(xì)密表面植絨纖維毛毯所對(duì)應(yīng)的紙幅中，只有G1組對(duì)應(yīng)的紙幅干度較低，說(shuō)明2層植絨層不能消除由單層底網(wǎng)所造成的壓力作用分布不均。

2.2.3 底網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)壓榨脫水的影響

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行模擬壓榨,可得毛毯底網(wǎng)結(jié)構(gòu)與紙幅干度的關(guān)系,見圖11。圖11中,“三”、“雙”和“單”分別表示底網(wǎng)層數(shù)。相對(duì)來(lái)說(shuō),三層底網(wǎng)毛毯與紙幅組成的復(fù)合層比單層、雙層底網(wǎng)毛毯與紙幅組成的復(fù)合層更均勻。由圖11可見,三層底網(wǎng)毛毯對(duì)應(yīng)紙幅的干度明顯高于雙層和單層毛毯所對(duì)應(yīng)的紙幅,說(shuō)明底網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越均勻,毛毯的壓力作用分布越均勻,越有利于壓榨脫水。因此,底網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)壓榨脫水的影響程度僅次于植絨纖維直徑。

對(duì)于采用細(xì)植絨纖維、5層植絨層數(shù)的不同底網(wǎng)結(jié)構(gòu)毛毯,壓榨后，紙幅干度之間差異不大。這說(shuō)明毛毯表面植上較多的細(xì)植絨纖維層之后可以抵消由于底網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所造成的壓力分布不均。

圖11 底網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)平均壓強(qiáng)與紙幅干度關(guān)系的影響

2.2.4 植絨層數(shù)對(duì)壓榨脫水的影響

毛毯植絨層數(shù)與紙幅干度的關(guān)系曲線如圖12所示,圖中曲線上的數(shù)字2和5為植絨層數(shù)。由圖12可知,5層和2層植絨層毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅在整個(gè)測(cè)量干度范圍內(nèi)重疊部分多、分布較散,說(shuō)明毛毯植絨層數(shù)對(duì)壓榨脫水效率的影響不顯著；整體上,植絨層數(shù)為2層的毛毯就可以使紙幅干度較高,這是因?yàn)?層細(xì)植絨纖維已足夠消除多層底網(wǎng)層所造成的壓力作用不均。

圖12 植絨層數(shù)對(duì)平均壓強(qiáng)與紙幅干度關(guān)系的影響

圖13 漿種和毛毯植絨纖維直徑對(duì)紙幅定量與干度關(guān)系的影響

2.2.5 紙幅定量對(duì)壓榨脫水的影響

分別采用化學(xué)漿和機(jī)械漿抄造紙幅,并采用植絨纖維直徑不同的毛毯進(jìn)行壓榨模擬實(shí)驗(yàn),獲得的紙幅定量與干度的關(guān)系曲線圖如圖13所示。從圖13可以看出,采用機(jī)械漿抄造的紙幅對(duì)毛毯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為敏感,壓榨后，紙幅干度差異很大。

從圖13(a)中可看出,對(duì)于化學(xué)漿抄造的濕紙幅,采用植絨纖維直徑為11 μm的毛毯進(jìn)行模擬壓榨時(shí),壓榨后紙幅干度最高；采用植絨纖維直徑為44 μm 的毛毯時(shí),壓榨后紙幅干度最低。當(dāng)紙幅定量為30 g/m2時(shí),不同植絨纖維直徑毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度差異最大；而定量為100 g/m2時(shí),紙幅干度差異最小。這是因?yàn)橄鄬?duì)于毛毯中的植絨纖維,紙幅中的化學(xué)漿纖維更細(xì)軟,故可以適當(dāng)“彌補(bǔ)”粗植絨纖維引起的毛毯-紙幅接觸復(fù)合層受壓不均勻的不足,從而有利于脫水；這種“彌補(bǔ)”能力隨紙幅定量的增大而增大。所以,當(dāng)紙幅定量低(“彌補(bǔ)”能力低)時(shí),不同植絨纖維直徑毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度差異較大,植絨纖維直徑越大,則復(fù)合層受壓越不均勻,因而紙幅干度越低；當(dāng)紙幅定量較高(“彌補(bǔ)”能力大)時(shí),不同植絨纖維直徑毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度差異較小。

從圖13(b)可看出,對(duì)于機(jī)械漿抄造的濕紙幅,其脫水表現(xiàn)與化學(xué)漿抄造的紙幅不同。當(dāng)紙幅定量小于70 g/m2時(shí),植絨纖維直徑為11 μm毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度最高,植絨纖維直徑為44 μm毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度最低；紙幅定量為30 g/m2時(shí),不同植絨纖維直徑毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度差異最大。當(dāng)紙幅定量大于70 g/m2時(shí),植絨纖維直徑為11 μm毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度最低,而植絨纖維直徑為44 μm毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度最高；紙幅定量為110 g/m2時(shí),不同植絨纖維直徑毛毯所對(duì)應(yīng)紙幅的干度差異最大。紙幅定量為70 g/m2時(shí),各紙幅的干度差異最小。這是因?yàn)榕c化學(xué)漿纖維相比,機(jī)械漿纖維粗硬(分絲、細(xì)纖維化程度小很多),用其抄造的濕紙幅(尤其是高定量時(shí))微觀上可壓縮均勻性小,反而引起毛毯-紙幅接觸復(fù)合層受壓不均勻性；隨著機(jī)械漿紙幅定量增大,其纖維層在微觀上的壓縮均勻性迅速變得很差(為“壓控主導(dǎo)型脫水”),毛毯植絨纖維層在毛毯-紙幅接觸復(fù)合層中反而發(fā)揮吸貯水和彌補(bǔ)“微觀上可壓縮均勻性小”的作用。

圖14 毛毯-紙幅接觸復(fù)合層與脫水機(jī)理假設(shè)

2.3 毛毯-紙幅體系脫水機(jī)理及毛毯結(jié)構(gòu)優(yōu)化與選用

2.3.1 毛毯-紙幅體系脫水機(jī)理

2.3.1.1 毛毯-紙幅接觸復(fù)合層與脫水機(jī)理假設(shè)

濕紙幅的骨架是漿料纖維,紙幅的厚薄及纖維自身的粗硬度等直接影響其壓縮性能；毛毯的骨架是底網(wǎng)和植絨纖維,底網(wǎng)特性、植絨纖維直徑及其致密度等直接影響毛毯的壓縮性能。

在壓榨脫水過(guò)程中,濕紙幅和毛毯一起受到擠壓,隨著擠壓的加強(qiáng),兩者形成的“共同體”的體積不斷減少,使其中的水從不飽和趨向于飽和,并最終達(dá)到超飽和；當(dāng)“共同體”處于超飽和狀態(tài)時(shí),其中的水會(huì)穿過(guò)紙幅并沿著流動(dòng)阻力最小的路徑流動(dòng)：一部分水縱向穿過(guò)紙幅層并進(jìn)入毛毯孔隙中后排出,一部分水沿著紙幅層水平向流動(dòng)流出。

當(dāng)毛毯-紙幅接觸復(fù)合層水分含量處于超飽和狀態(tài)時(shí),如果水流經(jīng)過(guò)的復(fù)合層骨架空隙較通暢,則壓榨脫水方式屬于“壓控主導(dǎo)型脫水”,植絨纖維直徑較粗、紙幅纖維相對(duì)粗硬且紙幅較厚、不易均勻壓縮時(shí)的毛毯-紙幅體系屬此種情形；如果水流經(jīng)過(guò)的毛毯-紙幅接觸復(fù)合層骨架空隙不夠通暢,則壓榨脫水方式屬于“流控主導(dǎo)型脫水”,毛毯和紙幅易被均勻壓縮時(shí)屬此種情形。

根據(jù)毛毯-紙幅體系微觀結(jié)構(gòu)的研究可知,毛毯與紙幅之間存在相互接觸復(fù)合層,如圖14所示,毛毯-紙幅接觸復(fù)合層的厚度因紙幅與毛毯接觸狀態(tài)的不同而不同。

采用細(xì)植絨纖維毛毯時(shí),毛毯-紙幅接觸復(fù)合層中植絨纖維之間的距離較小,毛毯-紙幅接觸復(fù)合層較薄,所以,即使對(duì)于較低定量紙幅,也意味著水流在致密壓縮層的流道加長(zhǎng),紙幅整體的滲透性能降低,從脫水機(jī)理角度考慮,該部分的脫水方式傾向于向“流控主導(dǎo)型脫水”轉(zhuǎn)化,脫水效率較低。

對(duì)于低定量紙幅,其因需脫除的水量不多且壓力作用比較直接,主體部分脫水方式依然是“壓控主導(dǎo)型脫水”,脫水效率較高。對(duì)于高定量紙幅,水流通過(guò)致密壓縮層的流道加長(zhǎng),紙幅整體的滲透性降低,當(dāng)脫水量較大時(shí),其脫水方式以“流控主導(dǎo)型脫水”為主,因而脫水速率大大降低,如圖14所示；對(duì)于漿料纖維相對(duì)較粗硬的高定量紙幅,主體部分脫水方式為“壓控主導(dǎo)型脫水”。

2.3.1.2 毛毯-紙幅接觸復(fù)合層壓縮區(qū)域與非壓縮區(qū)域性能

壓榨過(guò)程中,壓力通過(guò)植絨纖維傳遞到紙幅上,使接觸復(fù)合層形成壓縮區(qū)域(見圖14中標(biāo)示)。位于毛毯植絨纖維與壓縮區(qū)域之間的未壓縮區(qū)域具有很好的滲透性能,是主要的脫水通道。對(duì)于需要脫除較多水量(尤其是高定量)的紙幅,或者是多道壓區(qū)中第一壓區(qū),更需要這樣的通道。當(dāng)壓力移除時(shí),未壓縮區(qū)域紙幅的干度較低,因?yàn)檫@部分區(qū)域中僅有部分水分被壓出,而且此時(shí)還易發(fā)生壓榨作用取消后回濕現(xiàn)象。

2.3.2 毛毯-紙幅體系脫水過(guò)程

通過(guò)富士壓感紙以及富士數(shù)字分析系統(tǒng)可表征出毛毯的壓力作用分布及平均壓強(qiáng),平均壓強(qiáng)大小代表了每種毛毯樣品的性能參數(shù)特征,并可用于研究毛毯-紙幅接觸復(fù)合層對(duì)壓榨脫水過(guò)程的影響。

(1)在毛毯-紙幅接觸復(fù)合層中,壓榨毛毯的組織不均勻會(huì)使得壓區(qū)中作用于紙幅上的壓力在微觀上分布不均,從而降低壓榨脫水效率；這種微觀不均勻性越大,毛毯-紙幅接觸復(fù)合層脫水越傾向于“壓控主導(dǎo)型脫水”。在毛毯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,植絨纖維直徑是壓榨脫水第一影響要素,底網(wǎng)結(jié)構(gòu)是第二影響要素,植絨層數(shù)是最次要的影響要素。

(2)漿種及紙幅定量對(duì)于毛毯-紙幅體系壓榨脫水效率的影響很大。對(duì)于由低定量紙幅或纖維相對(duì)細(xì)軟的高定量紙幅與植絨纖維直徑小的毛毯所形成的接觸復(fù)合層,從微觀上作用于紙幅上的壓力分布相對(duì)均勻,有利于脫水,壓榨過(guò)程中的脫水方式為“流控主導(dǎo)型脫水”；對(duì)于由纖維相對(duì)粗硬的機(jī)械漿抄造的高定量紙幅與粗植絨纖維毛毯所形成接觸復(fù)合層的脫水方式為“壓控主導(dǎo)脫水型”。在紙幅定量相同情況下,植絨直徑大的毛毯則對(duì)脫水更有利。

(3)對(duì)于由機(jī)械漿抄造的紙幅,當(dāng)定量較小時(shí),其本身就易于脫水,再配套較薄的毛毯則更有利于脫水；當(dāng)定量增大到某一值以上時(shí),由于毛毯-紙幅接觸復(fù)合層的特性,選用粗植絨纖維的毛毯更有利于脫水,將此定量定義為由機(jī)械漿抄造所得紙幅壓榨脫水的“臨界定量”。

2.3.3 高效脫水壓榨毛毯的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其選用

根據(jù)上述研究綜合成果,可為適用于不同漿種、不同定量紙幅的壓榨毛毯的研發(fā)及選用提供如下依據(jù)。

(1)在毛毯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,植絨纖維直徑是壓榨脫水的第一考慮要素,其次是底網(wǎng)結(jié)構(gòu),最后是植絨層數(shù)。

(2)應(yīng)根據(jù)所生產(chǎn)紙幅選用的漿種及定量來(lái)確定毛毯的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于低定量的紙幅,宜采用植絨纖維直徑小且細(xì)密、多層底網(wǎng)結(jié)構(gòu)、植絨層數(shù)較多的毛毯進(jìn)行壓榨脫水,脫水速率較快。

對(duì)于較高定量的紙幅,特別是由纖維相對(duì)粗硬的漿種(如高得率漿或箱板紙漿等)所抄造的紙幅,毛毯-紙幅接觸復(fù)合層較厚,未壓縮區(qū)域占比較大,則宜采用粗植絨纖維、雙層或單層、植絨層數(shù)較少的毛毯進(jìn)行壓榨脫水。

毛毯的平均壓強(qiáng)(在一定機(jī)械壓榨條件下,毛毯微觀結(jié)構(gòu)的各受壓凸點(diǎn)面上各壓強(qiáng)的平均值)可作為衡量壓榨毛毯綜合性能的指標(biāo)之一。

3 結(jié) 論

掌握寬區(qū)壓榨毛毯-紙幅體系脫水機(jī)理對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)高效壓榨裝置以及開發(fā)和優(yōu)選毛毯具有重要的意義。本研究主要從壓榨過(guò)程中毛毯所受壓力的分布情況、毛毯結(jié)構(gòu)及紙幅定量對(duì)壓榨脫水的影響等方面對(duì)毛毯-紙幅體系的壓榨脫水機(jī)理進(jìn)行了研究。

3.1 壓榨脫水過(guò)程中,毛毯與濕紙幅會(huì)形成一個(gè)接觸復(fù)合層；毛毯的微觀組織不均勻及其特性會(huì)使得壓區(qū)紙幅在微觀上所受壓力作用分布不均勻,且會(huì)降低壓榨脫水效率。

3.2 壓榨過(guò)程中,機(jī)械壓力通過(guò)植絨纖維傳遞給紙幅,使得毛毯-紙幅接觸復(fù)合層形成壓縮區(qū)域和未壓縮區(qū)域。未壓縮區(qū)域具有很高的滲透性能,是主要的脫水通道。在壓榨脫水時(shí),如果水流經(jīng)過(guò)毛毯-紙幅體系接觸復(fù)合層的骨架空隙較為通暢時(shí),則脫水方式屬于“壓控主導(dǎo)型脫水”；反之,脫水方式屬于“流控主導(dǎo)型脫水”。

3.3 在毛毯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,植絨纖維直徑是壓榨脫水第一考慮要素,其次是底網(wǎng)結(jié)構(gòu),最后是植絨層數(shù)。

3.4 根據(jù)紙幅生產(chǎn)所用的漿種及定量來(lái)確定毛毯的結(jié)構(gòu)。對(duì)于低定量的紙幅,適宜采用植絨纖維直徑小且較細(xì)密、多層底網(wǎng)結(jié)構(gòu)、植絨層數(shù)較多的毛毯；對(duì)于高定量的紙幅,特別是由纖維相對(duì)粗硬漿種(如高得率漿或箱板紙漿)所抄造的紙幅,毛毯-紙幅接觸復(fù)合層較厚,未壓縮區(qū)域占比較大,宜采用植絨纖維直徑大、雙層或者單層底網(wǎng)結(jié)構(gòu)、植絨層數(shù)較少的毛毯進(jìn)行壓榨脫水。

3.5 為了更有效地表示毛毯-紙幅體系壓榨脫水效率,壓榨毛毯表面的平均壓強(qiáng)(在一定機(jī)械壓榨條件下,毛毯微觀結(jié)構(gòu)的各受壓凸點(diǎn)面上的各壓強(qiáng)的平均值)可作為衡量其綜合性能的定量化指標(biāo)之一。

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(責(zé)任編輯：陳麗卿)

Simulation Experiment of Pressing—the Research on the Dewatering Mechanism ofFelt-sheet System for Extended Nip Press

ZHU Wen1,3YE Ping2SHA Jiu-long1ZHANG Hui1，3,*

(1.JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology，NanjingForestryUniversity，Nanjing，JiangsuProvince，210037；2.JiangsuJinniPaper-makingFeltGroup，Haimen，JiangsuProvince， 226100； 3.JiangsuCo-InnovationCenterforEfficientProcessingandUtilizationofForestResources，NanjingForestryUniversity，Nanjing，JiangsuProvince， 210037)

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

Based on the microstructure characteristic analysis of the felt in extended nip press(ENP), two sets of simulation experimental devices were designed and used for pressing simulation study. The research focused on characterizing the micro-scale stress(MSS) variation of press felt and the influences of press felt structure and sheet grammage on dewatering process during pressing; furthermore, the dewatering mechanism of felt-sheet system(FSS) for ENP was discussed. The results suggested that MSS on the contact area (or compound layer) of press felt and wet web was non-uniform which reduced the dewatering efficiency; the nonuniform stress transfer by the felt surface batt fibers made the contact area dividing into compression and non-compression zones, and the non-compression zone had high water permeability and became the main channels for water flow; when dewatering through the unimpeded nework, the dewatering condition was called “pressing-controlled dominant dewatering”, and on the contrary, when the network was impeded, the dewatering condition was called “flowing-controlled dominant dewatering”; concerning dewatering efficiency, the most important considering factor of the felt structure was the diameter of the batt fiber, the second was the base weave design of the felt, and at last was the number of batt layers. For low grammage paper, the fine press felt was more advantageous to dewatering in pressing process which had the fine batt fibers, multiple layers of base weave and more batt layers; while for high grammage paper (especially the paper with coarse pulp fibers) which together with felt created the contact zone with high proportional non-compression zones. The press felt with coarser batt fibers, double or single layers of base weave and less batt layers was advantageous to the dewatering process. It was also suggested that the average pressure of the press felt surface could be used as one of the indicators for measuring its comprehensive performance of press felt.

press felt-sheet system； model experiment of pressing； dewatering mechanism of press section； average pressure of press felt； press felt surface structure

2015- 10- 30

2014年南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(201409)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)。

朱 文，女，1990年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：造紙脫水器材科學(xué)與技術(shù)。

*通信聯(lián)系人：張 輝，E-mail:zhnjfu@163.com。

TS737+.6

A

1000- 6842(2016)04- 0030- 09