造紙毛毯材料及工藝研究進(jìn)展

譚 昕,覃 俊,康建平,*,何雨靜,李佳逸,何 勇,

(1.四川省紡織科學(xué)研究院有限公司,四川 成都 610083;2.高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610083)

造紙毛毯在造紙工業(yè)中起著不可或缺的作用,也是產(chǎn)業(yè)用紡織品中功能專用、用途特殊、質(zhì)量有獨(dú)特要求的一種重要材料。造紙毛毯用于造紙機(jī)壓榨部位,可以提高脫水效率,保證紙張的質(zhì)量,在紙張制備過程中進(jìn)行濕紙幅的運(yùn)送,幫助紙張脫水,起到調(diào)整紙頁的表面性質(zhì)、平整紙頁等作用[1],它與紙張成本、生產(chǎn)質(zhì)量、造紙機(jī)的工作效率等因素關(guān)系密切。

隨著造紙技術(shù)的不斷進(jìn)步,造紙機(jī)車速越來越快,造紙壓榨部的出紙干燥速度越來越快,對(duì)造紙毛毯的要求也越來越高。優(yōu)質(zhì)的造紙毛毯需要有較長(zhǎng)的使用壽命、良好的平整性、穩(wěn)定的高度和尺寸。國(guó)內(nèi)外不斷開發(fā)新型造紙毛毯產(chǎn)品,以提高毛毯的綜合使用能力。四川環(huán)龍技術(shù)織物有限公司及四川省紡織科學(xué)研究院有限公司研發(fā)出多軸向多層造紙毛毯,切實(shí)改善了現(xiàn)今毛毯存在的問題。

1 造紙毛毯研究進(jìn)展

1.1 造紙毛毯的發(fā)展歷程

在公元3000年前,北非尼羅河流域的居民利用亞麻制造地毯,當(dāng)時(shí)并不用于造紙。蔡倫發(fā)明的造紙術(shù)于11世紀(jì)傳入歐洲,自此,造紙毛毯開始發(fā)展[2]。14世紀(jì)馬可波羅從中原將紙幣帶入歐洲,1450年德國(guó)人谷登堡發(fā)明了印刷機(jī),這促進(jìn)了造紙機(jī)的發(fā)明。當(dāng)時(shí)手工作業(yè)效率極低且無法抄制大幅紙,傳統(tǒng)的原料和操作方法落后,無法滿足生產(chǎn)要求。于是不少科學(xué)技術(shù)人員擬采用機(jī)械方法代替人力,各種各樣的造紙?jiān)O(shè)想陸續(xù)出臺(tái)。在我國(guó),造紙毛毯的生產(chǎn)與發(fā)展已有70多年的歷史[3]。

造紙毛毯在造紙工藝中主要用于三個(gè)階段,分別是紙頁成型、壓榨和干燥。在造紙機(jī)上,紙漿依托自身重力及吸水箱的吸抽脫去較大部分水分,隨后造紙毛毯將其傳遞給各道壓榨部脫去剩余水分,在壓榨部脫水后紙漿進(jìn)入干燥區(qū)烘干[4]。文中提到的造紙毛毯是用于紙機(jī)壓榨部的壓榨毛毯。

1.2 造紙毛毯的類型及其工藝

按照造紙毛毯的發(fā)展歷史可以將其分為三種類型,分別是:羊毛造紙毛毯、底布針刺造紙毛毯(Batt On Base Paper-making Felt,簡(jiǎn)稱BOB毛毯)、底網(wǎng)針刺造紙毛毯(Batt On Mesh Paper-making Felt,簡(jiǎn)稱BOM毛毯)[5]。羊毛造紙毛毯通過紡紗、織布、鑲頭、縮呢、起毛、定型等系列工序制作而成,其中化纖成分占比不超過30%。由于羊毛強(qiáng)度較低,生產(chǎn)工序復(fù)雜,導(dǎo)致羊毛造紙毛毯存在生產(chǎn)成本高、平整度較差、耐磨性能差、使用壽命短(通常為3～4周)等缺點(diǎn)。BOB毛毯有2種用料,其中,羊毛與化纖混合而成的稱作混紡毛毯;隨著原料中化纖的使用量逐年增加,發(fā)展出另一種類型的全化纖底布針刺植絨毛毯[6]。BOB毛毯具有高強(qiáng)度和高穩(wěn)定性能,為造紙行業(yè)帶來一場(chǎng)變革,解決了傳統(tǒng)羊毛造紙毛毯長(zhǎng)期無法克服的平整度差、耐磨性能弱及使用周期短等弊端。其使用周期達(dá)羊毛造紙毛毯的1.5～2倍,降低了造紙過程中毛毯的消耗及生產(chǎn)成本。但在工業(yè)化進(jìn)程中,BOB毛毯的空隙容易被細(xì)小纖維及雜物堵塞,需要經(jīng)常進(jìn)行更換,這使毛毯的壽命大大降低,不適合在高速紙機(jī)上使用[7]。隨著造紙工業(yè)和造紙技術(shù)的迅猛發(fā)展,高速紙機(jī)大量生產(chǎn),BOM毛毯逐漸取代了BOB毛毯。BOM毛毯通常分為底網(wǎng)層和纖維層。其中底網(wǎng)層是以單絲為原材,通過不同的方法交織針刺而成,通常采用平織或雙層織造。纖維層是由不同線密度的錦綸經(jīng)梳理后分層鋪設(shè)而成。然后通過復(fù)合針刺及熱定型將底網(wǎng)層和纖維層進(jìn)行結(jié)合得到BOM毛毯。這種毛毯具有規(guī)格穩(wěn)定、高濾水性、高強(qiáng)度的特點(diǎn),其底網(wǎng)不易被雜質(zhì)堵塞,是目前高速紙機(jī)的專用毛毯[8]。近年來,造紙技術(shù)發(fā)展迅速,生產(chǎn)線上壓力不斷加大,針對(duì)不同規(guī)格的造紙機(jī),需配備不同寬窄、厚薄程度、長(zhǎng)短的造紙毛毯,傳統(tǒng)BOM毛毯的適應(yīng)性受到較大限制。為應(yīng)對(duì)造紙毛毯承壓能力和快速回彈性等更加苛刻的性能要求,毛毯生產(chǎn)企業(yè)努力從纖維原料的選擇、織造方法、針刺工藝、后處理技術(shù)等諸多方面,力爭(zhēng)改進(jìn)以適應(yīng)造紙技術(shù)發(fā)展的新要求。

2 造紙毛毯的工藝研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2.1.1 開發(fā)與生產(chǎn)現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代初期,歐美率先開始研究多軸基網(wǎng)疊技術(shù),這種結(jié)構(gòu)通過針刺工藝將兩層或多層的獨(dú)立基布進(jìn)行結(jié)合,上層底網(wǎng)通常比較細(xì)膩平整,下層底布可以是單層或多層[9],解決了毛毯的抗壓性和抗污性問題[10],適應(yīng)于大張力紙機(jī)。

Voith公司開發(fā)出新一代復(fù)合壓毯[11],在傳統(tǒng)疊層之中加入了一種新型復(fù)合層以維持造紙毛毯的彈性,這使得毛毯的形變程度降低,不易坍塌,從而使得排水能力得到增強(qiáng)。它不是實(shí)心單線結(jié)構(gòu),濕紙壓榨后的干度得到提高。這種復(fù)合毛毯在平整性、紙張均勻性及平滑程度等方面的優(yōu)點(diǎn)都得到了體現(xiàn)。

Albany公司和Geschmay公司[12]聯(lián)合開發(fā)出Pressision造紙毛毯,這種毛毯利用了薄膜技術(shù),可以將不同原料進(jìn)行分層,從而提高紙張的平整度,可以運(yùn)用到多種類的高速紙機(jī)中。

Evolution造紙毛毯[13]的密度可以維持在特定理想值,這是由于其中添加了特殊的高分子顆粒,結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種毛毯具有較好的穩(wěn)定性,可使開機(jī)速度加快,同時(shí)在壓榨部脫水效果良好,較大程度提高毛毯的使用壽命,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

圖1 Evolution毛毯三維結(jié)構(gòu)[13]

Voith造紙技術(shù)公司于2020年推出新型Up Element壓榨毛毯[14]。這種造紙毛毯可使開機(jī)啟動(dòng)時(shí)間更短,同時(shí)較大程度提高了毛毯的脫水能力;此外,與標(biāo)準(zhǔn)壓榨織物相比,這種毛毯可提高50%的啟動(dòng)速度,使得操作更加穩(wěn)定,毛毯壽命更長(zhǎng)。

2.1.2 發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外的造紙毛毯技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先國(guó)內(nèi)。國(guó)外造紙工業(yè)到20世紀(jì)60年代已形成基本體系,20世紀(jì)70年代以后設(shè)備整體上就只有補(bǔ)充改造。20世紀(jì)80年代,疊層壓毯用到了寬區(qū)壓榨和靴式壓榨,主要由奧伯尼和阿斯頓強(qiáng)生等國(guó)外造紙毛毯企業(yè)生產(chǎn),應(yīng)用于車速大于800 m/min、工作線壓力大于950 k N/m的高速、高線壓造紙機(jī)。隨著造紙機(jī)和造紙技術(shù)的不斷發(fā)展,目前國(guó)外造紙機(jī)的車速大于2 000 m/min,工作線壓力大于1 000 k N/m。由此可以預(yù)見在未來,紙機(jī)車速還可能進(jìn)一步提高,紙幅脫水更加困難,推測(cè)未來靴式壓榨將達(dá)到1 200 k N/m。Lehto[15]認(rèn)為今后的造紙毛毯在滿足紙面高要求的同時(shí),需要適應(yīng)越發(fā)苛刻的運(yùn)行環(huán)境。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 開發(fā)與生產(chǎn)現(xiàn)狀

公元105年由蔡倫發(fā)明造紙后,造紙術(shù)就從河南向經(jīng)濟(jì)文化發(fā)達(dá)的其他地區(qū)傳播,傳到漢中地區(qū)并逐漸傳到全國(guó),最終走向世界[16]。造紙術(shù)的發(fā)明直接促進(jìn)了我國(guó)造紙行業(yè)和造紙毛毯行業(yè)的發(fā)展。

20世紀(jì)40年代中期,從原上海美倫毛紡廠生產(chǎn)國(guó)內(nèi)第一條造紙壓毯起[17],中國(guó)造紙毛毯制造業(yè)開始采用化纖與羊毛混合編織造紙毛毯。曾經(jīng)上海、青海、天津三家造紙毛毯專業(yè)企業(yè)制造的產(chǎn)品基本能滿足當(dāng)時(shí)行業(yè)所需,被譽(yù)為“上、青、天”。伴隨計(jì)劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)經(jīng)濟(jì),全國(guó)多家企業(yè)爭(zhēng)先恐后建立造紙毛毯生產(chǎn)線。但這些企業(yè)起點(diǎn)較低,規(guī)模不大,所使用的生產(chǎn)原料缺乏技術(shù)支持,發(fā)展后勁嚴(yán)重不足。

從20世紀(jì)70年代開始,造紙壓毯制造廠開始大范圍增加,逐漸達(dá)到上百家[18-19]。造紙毛毯行業(yè)從羊毛造紙毛毯時(shí)期過渡到混紡針刺壓毯時(shí)期,再經(jīng)過全化纖針刺壓毯時(shí)期[20],最終進(jìn)入到批量生產(chǎn)BOM毛毯時(shí)期。多家企業(yè)具備生產(chǎn)BOM毛毯的工藝,甚至部分企業(yè)生產(chǎn)出多層BOM毛毯。

經(jīng)過多年的低谷和發(fā)展,自2009年來,我國(guó)造紙行業(yè)進(jìn)入整合期,一大批不符合要求的落后產(chǎn)能被淘汰,中國(guó)于2010年成為世界第一大造紙國(guó),且總產(chǎn)量仍在不斷擴(kuò)大,行業(yè)整體進(jìn)入了供過于求的時(shí)代。太陽紙業(yè)造紙公司于2011年改造出雙層底網(wǎng)毛毯[21]并對(duì)其進(jìn)行加厚。在不影響紙頁平整度的同時(shí)加大了壓榨脫水能力,毛毯使用壽命有一定增加。更換新型毛毯后,將軟壓光輥減少了一道,減少了耗電量,實(shí)現(xiàn)開流節(jié)源。徐州三環(huán)科技[22]通過多年攻堅(jiān)打造出生活用紙生產(chǎn)用毛毯系列產(chǎn)品,可應(yīng)用到1 200～1 800 m/min的高速紙機(jī)中,其適應(yīng)期短、運(yùn)行穩(wěn)定,生產(chǎn)出的紙頁平整且柔軟。

2.2.2 發(fā)展方向

1995年以后,國(guó)內(nèi)原有的大多數(shù)造紙機(jī)已經(jīng)落后,工廠不斷進(jìn)行設(shè)備更新,只有成功轉(zhuǎn)型的企業(yè)得以存活[23]。目前除造紙毛毯龍頭企業(yè),國(guó)內(nèi)90%以上的造紙毛毯制造商的設(shè)備都比較簡(jiǎn)陋,生產(chǎn)原料和工藝有較大欠缺,只能生產(chǎn)中低檔產(chǎn)品。目前,配套高速先進(jìn)紙機(jī)的造紙毛毯大多數(shù)從國(guó)外進(jìn)口。據(jù)有關(guān)資料顯示[24],造紙毛毯的進(jìn)口數(shù)量在逐年大幅增加。隨著我國(guó)造紙行業(yè)的不斷改革,高端造紙毛毯的需求越來越多,中低端產(chǎn)品的需求越來越少,這類企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈。造紙廠家應(yīng)努力探尋新思路,開發(fā)出達(dá)到國(guó)際水平的造紙毛毯技術(shù)。

2.2.3 多軸向多層造紙毛毯

針對(duì)造紙毛毯材料存在的固有問題,四川省紡織科學(xué)研究院有限公司及四川環(huán)龍技術(shù)織物有限公司項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多軸向多層基網(wǎng)疊合技術(shù),根據(jù)多軸向多層造紙毛毯規(guī)格的變化,設(shè)計(jì)上、下層基網(wǎng)使用的原材料、組織結(jié)構(gòu)及疊合角度,滿足造紙毛毯的高車速應(yīng)用要求,可廣泛應(yīng)用于我國(guó)1 000 m/min左右的主流造紙機(jī),還可應(yīng)用于1 500 m/min的高車速生活用紙?jiān)旒垯C(jī),具有巨大的市場(chǎng)需求,擁有良好的市場(chǎng)前景。

多軸向多層造紙毛毯用二層或以上的獨(dú)立基網(wǎng)通過一定角度進(jìn)行疊合,運(yùn)行方向和毛毯內(nèi)的多層基網(wǎng)經(jīng)紗方向有一個(gè)角度,這種結(jié)構(gòu)使毛毯在紙機(jī)高線壓力作用下,基網(wǎng)相鄰經(jīng)緯線不會(huì)相互嵌入,保持空隙容積,能耐長(zhǎng)時(shí)間的高線壓力作用,延長(zhǎng)壓榨織物使用時(shí)間。

3 存在問題與建議

3.1 存在問題

和國(guó)外造紙毛毯企業(yè)相比,我國(guó)的造紙毛毯行業(yè)在理論研究和生產(chǎn)技術(shù)上都還有很多不足,造紙毛毯的使用壽命受原料、生產(chǎn)加工工藝、壓榨方法和維護(hù)手段的影響[25],國(guó)內(nèi)的造紙毛毯通常會(huì)出現(xiàn)以下問題。

(1)造紙毛毯經(jīng)反復(fù)壓榨過早出現(xiàn)壓實(shí)、變形,使毛毯失去彈性。

(2)紙漿中的細(xì)小纖維、化工輔料等物質(zhì)殘積在毛毯孔隙中,使其堵塞,失去脫水能力且不易清洗。

(3)由于受到機(jī)械物理外力、漂白劑等化學(xué)藥劑以及制造過程的影響而導(dǎo)致毛毯絨面纖維降解能力變?nèi)?從而產(chǎn)生脫落[26]。

(4)造紙機(jī)速度的不斷提高,所需造紙毛毯的微觀加壓更均勻,空隙容積更大,從而承受更多單位時(shí)間的脫水量。

3.2 建議

(1)精準(zhǔn)研究材料性能,提高造紙毛毯質(zhì)量和使用壽命。現(xiàn)有造紙毛毯所存在的問題將影響其整體質(zhì)量,為了改善受堵塞情況,使其能更好適用于不同速度的高速紙機(jī),還需要進(jìn)行針對(duì)性的研究,從而提高使用壽命。

(2)推進(jìn)成果應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)我國(guó)造紙毛毯國(guó)際化。通過產(chǎn)學(xué)研深度融合,加大生產(chǎn)應(yīng)用的力度,建立完善質(zhì)量體系,打破國(guó)外產(chǎn)品在我國(guó)的壟斷地位,推進(jìn)我國(guó)紙機(jī)壓榨織物的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。

4 結(jié)束語

近年來,經(jīng)過我國(guó)造紙行業(yè)的不懈努力,毛毯質(zhì)量取得了一定的進(jìn)步,開發(fā)出了一些性能優(yōu)異的產(chǎn)品。目前,以追求高性能質(zhì)量、提高國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率為目標(biāo),成為造紙毛毯行業(yè)的新需求,生產(chǎn)出取代進(jìn)口產(chǎn)品的毛毯已迫在眉睫。多軸向多層造紙毛毯的成功應(yīng)用,以其獨(dú)特的基網(wǎng)結(jié)構(gòu),其抗壓性、抗堵塞能力和清洗能力都比普通造紙毛毯更勝一籌,能更好地應(yīng)用于高線壓、高車速的造紙機(jī)中。