高性能造紙成形網(wǎng)結構與濾水性能

馬 可， 葉 平， 顧伯洪,1b

(1. 東華大學 a. 紡織學院, b. 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620；2. 江蘇金呢工程織物股份有限公司，江蘇 海門 226100)

造紙生產過程中，成形網(wǎng)[1]是對紙漿懸浮液脫水、成形起重要作用的抄紙工具。在過濾紙漿時成形網(wǎng)將紙漿中的纖維截留，形成濕紙幅[2]。為更好地滿足抄造過程中的紙漿脫水需求，不斷優(yōu)化成形網(wǎng)的制造工藝，編織結構由單層網(wǎng)向兩層、兩層半及三層網(wǎng)演變[3]，不同層數(shù)成形網(wǎng)如圖1所示。單層網(wǎng)由單個緯紗系統(tǒng)和單個經紗系統(tǒng)相互交織而成，填料留著率低，成紙性能差；兩層網(wǎng)在單層網(wǎng)底面增加1個緯紗系統(tǒng)，形成雙層結構，面層為成紙面，底層為機器支撐面，可增大填料留著率，但經紗系統(tǒng)僅有1個，脫水時層面間易產生相對滑動，使用壽命短；三層網(wǎng)在兩層網(wǎng)基礎上加入多個經紗系統(tǒng)，利用單緯線縫合，整體緊湊性好，可在保證脫水性能的同時大大提高強度和使用壽命[4]。

圖1 不同層數(shù)成形網(wǎng)Fig.1 Forming fabric with different layers

對三層網(wǎng)結構進行優(yōu)化可以得到高性能成形網(wǎng)，其能適應現(xiàn)代寬幅造紙機的高速織造要求。其中三層緯紗自綁式(weft self-supporting binding, WESB)成形網(wǎng)在國內已經普及，三層經紗自綁式(warp self-supporting binding, WASB)成形網(wǎng)與錯位成形網(wǎng)在國外已經逐步投入使用。

成形網(wǎng)最重要的性能為脫水與成形，兩者共同構成成形網(wǎng)濾水性能。濾水速度與纖維留著率是評價成形網(wǎng)濾水性能的2個重要指標。濾水速度指成形網(wǎng)過濾紙漿時單位時間的濾液量；留著率指過濾紙漿時紙漿中細小纖維在成形網(wǎng)上的留存率。本文使用動態(tài)濾水儀[5-6]分析2種典型紙漿在3種高性能成形網(wǎng)上的動態(tài)濾水曲線，以及細小纖維含量和單層留著率，分析高性能成形網(wǎng)組織結構對濾水性能的影響，研究結果可為優(yōu)化高性能成形網(wǎng)結構設計提供參考。

1 高性能成形網(wǎng)結構分析

三層緯紗自綁式成形網(wǎng)簡稱WESB網(wǎng)，其由三層網(wǎng)優(yōu)化而來，在三層網(wǎng)面層增加1根綁定緯紗，面層經緯紗采用小直徑聚酯單絲，底層緯紗采用大直徑聚酯單絲，配合一定比例尼龍單絲[7-8]。WESB網(wǎng)采用橫向雙緯紗縫合技術，依靠2根毗鄰綁定緯紗縫合面層和底層，面層與底層的緯紗數(shù)量比采用2∶1或者3∶2[9](綁定緯紗為面層緯紗)。圖2為該數(shù)量比為2∶1的WESB網(wǎng)結構圖。與普通三層網(wǎng)相比，增加綁定緯紗數(shù)量將使WESB網(wǎng)結構更加緊密，面層編織結構變?yōu)槔硐氲钠郊y組織，成形網(wǎng)的平整性得到最大幅度優(yōu)化。

圖2 WESB成形網(wǎng)結構Fig.2 The structure of WESB forming fabric

三層經紗自綁式成形網(wǎng)簡稱WASB網(wǎng)，其采用經紗縫合技術，憑借綁定經紗縫合面層和底層，綁定經紗和面層緯紗交織形成平紋結構，底層經紗與底層緯紗交織形成緞紋[10]。WASB網(wǎng)緯向結構圖如圖3所示。由圖3可知，與WESB網(wǎng)相比，WASB網(wǎng)內在交叉點少、連接線少，在上機過程中受到縱向張力的情況下，綁定經紗被拉緊，結構更加緊密[11]。

圖3 WASB成形網(wǎng)緯向結構Fig.3 Weft direction structure of WASB forming fabric

錯位成形網(wǎng)是2016年最新研制的高性能成形網(wǎng)，已被逐步投入使用[12]。錯位成形網(wǎng)在緯紗縫合基礎上將面層經紗與底層經紗比由1∶1變?yōu)?∶1或3∶2。圖4為面層經紗與底層經紗比為3∶2的錯位成形網(wǎng)經向結構圖。由圖4可知，面層經紗與底層經紗數(shù)量不同，形成錯位疊加結構，消除成形網(wǎng)中直線脫水通道，使網(wǎng)部初始脫水階段得到控制，增強留著性能，提高成紙質量。

圖4 錯位成形網(wǎng)經向結構Fig.4 Warp direction structure of staggered forming fabric

2 試驗部分

2.1 試驗材料

高性能成形網(wǎng)，江蘇金呢工程織物有限公司提供。面層經緯紗與底層經紗采用聚酯材料；綁定紗(WESB網(wǎng)與錯位成形網(wǎng)采用緯紗綁定，WASB網(wǎng)采用經紗綁定)采用尼龍；底層緯紗采用混合比例為1∶1的聚酯和尼龍。

試樣紙漿，山東某造紙企業(yè)提供，其中,文化紙紙漿和包裝紙紙漿質量分數(shù)均為4%。

2.2 動態(tài)濾水測試

參照GB/T 24290—2009《造紙用成形網(wǎng)、干燥網(wǎng)測量方法》進行濾水速度測試。將成形網(wǎng)樣品裁剪為直徑10.8 mm圓形薄片，通過動態(tài)濾水測試儀中圓形攪拌室固定，設定時間為60 s，攪拌速度為500和750 r/s，對紙漿進行過濾，記錄不同規(guī)格成形網(wǎng)濾液量隨時間的變化情況。

2.3 留著率測試

參照美國造紙工業(yè)國際標準TAPPI T261進行細小纖維留著率測試。用質量分數(shù)為4%的包裝紙紙漿配置質量分數(shù)為0.5%的紙漿稀釋液，取100 g上述稀釋液加蒸餾水至500 mL。選用200目(孔徑75 μm)金屬網(wǎng)對稀釋液進行過濾(能通過金屬網(wǎng)的粒子為細小纖維組成部分,不能通過的粒子為長纖維部分，兩部分總計為懸浮固體的100%)。過濾后清洗出留在網(wǎng)上的長纖維部分，通過式(1)計算紙漿中的細小纖維質量分數(shù)wF。

(1)

式中：mA為紙漿稀溶液質量，g；mB為長纖維質量，g；wC為紙漿稀溶液中懸浮固體質量分數(shù)，%。

將成形網(wǎng)試樣裁剪為直徑10.8 cm的圓形薄片，通過動態(tài)濾水測試儀中圓形攪拌室固定。取已知細小纖維質量分數(shù)的紙漿稀釋液500 mL，設定攪拌速度為500 r/s，選用不同規(guī)格高性能成形網(wǎng)對紙漿進行過濾，同時用一個稱量燒杯接濾液100 mL并稱重，再將濾液用布氏漏斗過濾，把濾紙在105 ℃下烘干，稱重。然后利用式(2)～(4)計算漿料中細小纖維組分的留著率R。

(2)

mS=V×wC

(3)

mT=mS×wF

(4)

式中：mS為紙漿中固體的質量，g；mT為紙漿中細小纖維的質量，g；mU為濾液質量，g；V為試樣體積(數(shù)值上假定為試樣的質量，g)；mW為濾紙上細小纖維的質量，g。

3 高性能成形網(wǎng)動態(tài)濾水分析

3.1 組織結構對WESB成形網(wǎng)濾水速度影響

WESB網(wǎng)采用雙緯紗縫合結構，成形網(wǎng)經緯紗密度、經緯紗直徑是影響濾水速度的主要因素。當攪拌速度為750 r/s時，文化紙紙漿在不同經緯紗密度WESB網(wǎng)上的動態(tài)濾水曲線如圖5所示，其濾水性能數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 不同經緯紗密度WESB成形網(wǎng)動態(tài)濾水曲線Fig.5 Dynamic filtering curves of WESB forming fabric with different weft and warp density

表1 不同經緯紗密度WESB成形網(wǎng)動態(tài)濾水性能數(shù)據(jù)

由圖5可知:濾水曲線中終點y值越高，表明單位時間內濾水量越多；濾水曲線初始階段斜率越大，表明濾水速率越快。WESB-1網(wǎng)、WESB-2網(wǎng)、WESB-3網(wǎng)的經緯紗采用相同直徑紗線編織。由表1可知:WESB-1網(wǎng)的經紗密度與WESB-2網(wǎng)的經紗密度相同，而緯紗密度比后者小；WESB-2網(wǎng)的緯紗密度與WESB-3網(wǎng)的緯紗密度相同，經紗密度比后者?。?0 s內WESB-1網(wǎng)、WESB-2網(wǎng)、WESB-3網(wǎng)的濾水速度分別為2.70、1.84、1.75 g/s。由此表明，WESB成形網(wǎng)的經緯紗直徑一定時，經緯紗密度增大，濾水速度減慢。WESB-4網(wǎng)與WESB-5網(wǎng)的經緯紗密度相同，WESB-4網(wǎng)的面層經、緯紗直徑分別為0.15與0.37 mm，比WESB-5網(wǎng)的面層經、緯紗直徑分別大0.02 與0.10 mm，60 s內濾液質量少13.7 g，表明成形網(wǎng)濾水速度與經緯紗直徑成負相關，經緯紗密度不變，減小面層經緯紗直徑能提高濾水速度。

3.2 組織結構對特種成形網(wǎng)動態(tài)濾水速度影響

錯位成形網(wǎng)存在錯位結構，WASB網(wǎng)為經紗縫合結構，選取經、緯紗直徑相同的WESB網(wǎng)進行對照試驗，當攪拌速度為750 r/s時，文化紙紙漿在不同結構高性能成形網(wǎng)上的動態(tài)濾水曲線，如圖6所示，其濾水性能數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 不同結構成形網(wǎng)動態(tài)濾水曲線Fig.6 Dynamic filtering curves of forming fabrics with different structures

表2 不同結構成形網(wǎng)動態(tài)濾水性能數(shù)據(jù)

由圖6可知，WASB網(wǎng)與WESB-7網(wǎng)終點y值幾乎重疊，表明60 s內兩者濾水速度相差無幾。而表2顯示，兩者緯紗密度相同，經紗密度分別為45、50根/cm，由第3.1節(jié)分析可知，經紗密度增加會導致濾水速度下降，但WASB網(wǎng)與WESB-7網(wǎng)實際濾水速度僅相差0.01 g/s，這是由WASB網(wǎng)的特殊結構造成的。相比緯紗縫合WESB網(wǎng)，WASB網(wǎng)采用經紗縫合技術，內在交叉點少，連接線少，過濾時漿液可以更快地從成形網(wǎng)內流過；WASB網(wǎng)底層脫水面積大于面層脫水面積，使得面層的水擠壓底面的水，在成形網(wǎng)內部形成脫水動力，提高濾水速度[13]。錯位成形網(wǎng)與WESB-6經緯紗密度、紗線直徑相同，60 s內前者濾液質量低5.4 g。經緯紗密度相同，同種紗線編織情況下，錯位成形網(wǎng)濾水速度低于WESB-6網(wǎng)是由兩方面原因導致：錯位成形網(wǎng)中面層、底面經線相互錯開，濾水過程中直線通道消失，對初始階段漿液流動起阻擋作用，減慢濾水速度；WESB網(wǎng)面層與底層的經紗數(shù)比為1∶1，錯位成形網(wǎng)面層與底層經紗數(shù)比為3∶2，相同經紗密度情況下，WESB-6網(wǎng)面層的經紗密度為22.5根/cm，錯位成形網(wǎng)面層經紗密度為27根/cm，比WESB-6面層經紗密度大20%，因此可降低濾水速度。

3.3 紙漿種類對成形網(wǎng)動態(tài)濾水性能影響

當攪拌速度為750 r/s時，質量分數(shù)為4%的文化紙紙漿與質量分數(shù)為4%的包裝紙紙漿在WESB-1、WESB-2、WESB-3網(wǎng)上動態(tài)濾水曲線如圖7所示。由圖7可知，同一成形網(wǎng)過濾包裝紙紙漿時拐點x值均較過濾文化紙紙漿時靠右，終點y值均較過濾文化紙紙漿時要高，表明包裝紙紙漿形成纖維截留層的時間長，過濾速度快。這一現(xiàn)象與漿料中所含纖維種類有關。包裝紙紙漿中短纖維含量高，細小組分多，纖維容易透過成形網(wǎng)進入濾液，形成穩(wěn)定纖維截留層時間變長，纖維截留層空隙大，過濾速度快；文化紙紙漿中長纖維含量高，形成穩(wěn)定纖維截留層時間短，纖維截留層空隙小，過濾速度慢。

圖7 不同紙漿下3種WESB成形網(wǎng)的動態(tài)濾水特性曲線Fig.7 Dynamic filtration curves of three types of WESB forming fabrics under different pulps

3.4 儀器轉速對成形網(wǎng)動態(tài)濾水性能影響

當攪拌速度為500與750 r/s時，質量分數(shù)為4%的包裝紙紙漿在WESB-1網(wǎng)、WESB-2網(wǎng)、WESB-3網(wǎng)上的動態(tài)濾水曲線如圖8所示。由圖8可知，轉子攪拌速度增大，x拐點位置向后移動，終點y值上升。轉子攪拌速度增加，會打破紙漿中部分長纖維，使紙漿中細小纖維含量增多，長纖維量減少，形成纖維截留層時間滯后，拐點向后移動；細小纖維量的增多會使形成的纖維截留層空隙增大，提高濾水速度。

圖8 不同轉速下動態(tài)濾水特性曲線Fig.8 Dynamic filtration curves of different rotating speeds

4 高性能成形網(wǎng)留著率分析

測定成形網(wǎng)上細小纖維留著率，需要確定紙漿中細小纖維質量分數(shù)。選擇留著性能更好的質量分數(shù)為4%的文化紙紙漿，根據(jù)第2.3節(jié)中的試驗方法利用200目金屬網(wǎng)對紙漿進行兩次過濾試驗，對兩次得到的試驗數(shù)據(jù)取平均值，代入式(1)進行計算，得到文化紙紙漿中細小纖維的質量分數(shù)。表3為文化紙紙漿細小纖維的質量分數(shù)測試數(shù)據(jù)。

表3 文化紙紙漿細小纖維質量分數(shù)測試數(shù)據(jù)Table 3 Test data for mass fraction of stable fiber on printing-and-writing paper pulp

表4為各成形網(wǎng)的細小纖維留著率，其中WESB-1網(wǎng)留著率為負值。這是由于WESB-1網(wǎng)經緯密過小，孔徑大于200目金屬網(wǎng)，部分長纖維透過WESB-1網(wǎng)進入濾液，烘干計算時將這部分長纖維視作短纖維處理。

表4 文化紙紙漿細小纖維留著數(shù)據(jù)Table 4 Retention data for printing-and-writing paper pulp

對于三層網(wǎng)而言，纖維留著率與自由空間量[14]密切相關。自由空間量小，細小纖維更容易儲存在成形網(wǎng)中，留著率高；自由空間量大，細小纖維容易穿過成形網(wǎng)，留著率低。由表4可知，WESB網(wǎng)留著率隨經緯紗密度增加而逐漸增大，經緯紗密度增加，成形網(wǎng)內部交織點和連接線變多，自由空間量減小。其中WESB-4留著率遠高于WESB-5，經緯紗密度相同情況下，WESB-5網(wǎng)經緯紗直徑小，自由空間量大，留著率降低。綜上可知，留著率受經緯紗密度和經緯紗直徑共同影響，與經緯紗密度和經緯紗直徑成正相關。

WASB網(wǎng)的經密與紗線直徑均大于WESB-7網(wǎng)，兩者留著率相差約1%。這是因為WASB網(wǎng)采用經紗縫合技術，成形網(wǎng)內部交織點與連接線減少，可彌補因經緯紗密度和經緯紗直徑增大造成自由空間量損失，綜合考慮認為兩者自由空間量相近。但在實際造紙機應用中，成形網(wǎng)經向會受到造紙機上張力，在張力作用下，緯紗縫合的WESB網(wǎng)內部結構會遭到一定破壞，而經紗縫合的WASB網(wǎng)可以利用這種張力拉緊綁定經紗，使成形網(wǎng)結構更加緊密，從而提高留著性能[15]。錯位成形網(wǎng)留著率高達78.14%，遠高于其他類型成形網(wǎng)，是由錯位成形網(wǎng)錯位疊加結構造成的。錯位成形網(wǎng)中面層、底層的經線相互錯開，如圖9所示，這種獨一無二的錯位結構能很好地控制網(wǎng)部初始脫水段，讓細小纖維更好地留著，從而提高成形網(wǎng)的留著性能。

圖9 錯位成形網(wǎng)脫水路徑Fig.9 Filtering path of dislocation forming fabric

試驗發(fā)現(xiàn),隨著攪拌速度增加，細小纖維留著率逐漸降低。這有兩方面原因：一是攪拌速度提高，部分長纖維被打碎，成形網(wǎng)的纖維截留層形成時間變長，細小纖維通過成形網(wǎng)的量變多；二是因為紙漿中一些填料對剪切力非常敏感[16]，會對纖維懸浮液中絮凝物產生分散作用，使得紙料中細小組分存留降低。

5 成形網(wǎng)濾水速度與留著率關聯(lián)影響

不同成形網(wǎng)對文化紙紙漿的濾水速度及留著率對應表如表5所示。從表5可以看出，成形網(wǎng)濾水速度和留著率是一對相互矛盾的指標，WESB網(wǎng)濾水速度加快，留著率降低。短時間內快速脫除大量的水需要成形網(wǎng)具備較小的經緯紗密度及直徑，但這會使WESB網(wǎng)自由空間量增大，造成大量細小纖維和填料的流失，從而留著率下降，達不到成形的目的。

表5 成形網(wǎng)濾水速度及留著率Table 5 Filter speed and retention data of forming fabrics

錯位成形網(wǎng)可以在一定程度上解決這個問題。錯位成形網(wǎng)由于錯位疊加結構，能很好地控制初始階段漿液流動，提高細小纖維留著率。與相同規(guī)格WESB-6網(wǎng)相比，濾水速度降低約5%，留著率增加約62%，留著率增加幅度遠大于濾水速度減小幅度，可在保證一定濾水速度的同時達到細小纖維高效留著的目的。

6 結 語

高性能成形網(wǎng)結構與典型紙漿濾水性能的關系表明：同種紗線編織，隨經緯紗密度依次增大的WESB-1、WESB-2、WESB-3成形網(wǎng)的單位時間內濾水速度依次減小，分別為2.70、1.84、1.75 g/s；WESB成形網(wǎng)濾水速度受經緯紗密度和直徑綜合影響，經緯紗直徑一定時，經緯紗密度增加，濾水速度減小；經緯紗密度相同時，經緯紗直徑減小，濾水速度加快；在相同條件下3種高性能成形網(wǎng)中WASB網(wǎng)濾水速度高于WESB網(wǎng)，錯位成形網(wǎng)留著性能最佳，細小纖維留著率高達78.14%；濾水速度和留著率是一對相互矛盾的指標，快速脫除大量水需要成形網(wǎng)具備較小經緯紗密度與經緯紗直徑，但這會使成形網(wǎng)自由空間量增大，細小纖維留著率降低，相比同規(guī)格WESB網(wǎng)，錯位成形網(wǎng)的留著率增加幅度遠大于濾水速度減小幅度，可以在保證一定濾水速度的同時達到高效留著細小纖維的目的。