底網(wǎng)針刺造紙毛毯結(jié)構(gòu)和濾水速率

孫德盛 陳 平 顧伯洪

1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620;2. 江蘇金呢工程織物股份有限公司,江蘇 海門 226100

造紙毛毯作為造紙機的配套設(shè)備,是造紙工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的易耗器材。在濕法造紙過程中,造紙毛毯主要應(yīng)用于造紙機的壓榨部位,配合壓榨裝置對從造紙機網(wǎng)部傳遞過來的濕紙幅進(jìn)行機械擠壓從而脫水,同時也起到傳遞紙幅、整飾紙面的作用[1-2]。隨著造紙行業(yè)的蓬勃發(fā)展,造紙機的車速越來越快,濕紙幅穿過壓榨部位所用的時間越來越短,這就要求造紙毛毯必須具備優(yōu)良的濾水性能,從而能夠在極短的時間里吸收并排出紙幅中的水分。造紙機各部位的脫水成本差異很大,若能提高紙幅出壓榨部位的干燥程度,則能有效降低造紙機干燥部位的蒸汽能耗,節(jié)省成本[3]。

國內(nèi)外在造紙毛毯的結(jié)構(gòu)與濾水性能方面已有一些相關(guān)研究,但仍有許多問題需要繼續(xù)深入探討。Hubbe等[4]從理論上分析了造紙毛毯表面結(jié)構(gòu)對于壓榨脫水的影響,發(fā)現(xiàn)在毛細(xì)效應(yīng)作用下,造紙毛毯離開壓榨區(qū)后會出現(xiàn)回濕現(xiàn)象,即毛毯內(nèi)的水會返回到紙張里面,這會導(dǎo)致脫水效率降低。王亞紅[5]通過設(shè)計正交試驗探究了底網(wǎng)組織、緯紗線密度及針刺深度對復(fù)合造紙毛毯性能的影響,結(jié)果顯示,緯紗線密度對復(fù)合造紙毛毯的濾水性能影響最大,其次是底網(wǎng)組織和針刺深度。朱文等[6]利用自制的仿真壓榨模擬試驗裝置,從毛毯的壓力分布角度研究了造紙毛毯結(jié)構(gòu)對壓榨區(qū)壓榨脫水的影響,發(fā)現(xiàn)植絨纖維直徑對壓榨脫水效率的影響最為顯著,其次是底網(wǎng)結(jié)構(gòu),最后是植絨層數(shù)。

造紙毛毯的濾水性能決定了紙漿中水分脫除的速率以及紙張成形的均勻性[7]。優(yōu)良的濾水性能不僅可以避免濕紙幅在壓榨區(qū)受流體壓力影響而出現(xiàn)壓花現(xiàn)象,還能提高造紙機的生產(chǎn)效率、降低能源消耗。本文在單獨探究表層植絨纖維線密度和底網(wǎng)經(jīng)紗密度兩項結(jié)構(gòu)參數(shù)對底網(wǎng)針刺造紙毛毯濾水速率影響的基礎(chǔ)上,運用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法對影響造紙毛毯濾水速率的結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行逐步回歸分析,剔除不符合顯著性檢驗的變量,建立造紙毛毯結(jié)構(gòu)與濾水速率的回歸模型。研究可為提高造紙毛毯的濾水速率,優(yōu)化毛毯結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考。

1 底網(wǎng)針刺造紙毛毯的結(jié)構(gòu)分析

底網(wǎng)針刺造紙毛毯按結(jié)構(gòu)可分為底網(wǎng)層和纖維層兩部分,將這兩部分通過針刺工藝復(fù)合在一起,再經(jīng)熱定型處理即可制得造紙毛毯成品[8]。底網(wǎng)針刺造紙毛毯根據(jù)底網(wǎng)層的結(jié)構(gòu)形式不同,可分為單層底網(wǎng)造紙毛毯、雙層底網(wǎng)造紙毛毯和疊層底網(wǎng)造紙毛毯。其中,疊層底網(wǎng)造紙毛毯的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

A—表層植絨纖維層;B—里層植絨纖維層;C—底網(wǎng)結(jié)構(gòu);D—底層植絨纖維層。圖1 疊層底網(wǎng)造紙毛毯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of laminated batt-on-mesh papermaking felt

底網(wǎng)層作為造紙毛毯在實際應(yīng)用中的主要支撐結(jié)構(gòu),直接決定毛毯的尺寸穩(wěn)定性能、耐壓性能、彈性回復(fù)性能及濾水性能[9]。底網(wǎng)層的材料主要為錦綸單絲或合股單絲,組織結(jié)構(gòu)主要為平紋、經(jīng)二重平和破斜紋等。底網(wǎng)層經(jīng)紗采用合股單絲,可有效改善毛毯的彈性及彈性回復(fù)性能,提高毛毯上機初期的適應(yīng)性和下機后的濾水性能。

造紙生產(chǎn)過程中,造紙毛毯作為與濕紙幅和導(dǎo)輥直接接觸的部分,其纖維層直接決定毛毯的表面性能、耐磨性能以及濾水性能等[10]。纖維層的原料主要為錦綸或滌綸。根據(jù)纖維層植絨的位置以及纖維線密度的不同,植絨纖維層可分為表層、里層與底層3部分。其中:表層植絨纖維層與濕紙幅直接接觸,為提高毛毯表面平整度、保證紙張質(zhì)量,其纖維線密度最小;里層植絨纖維層為過渡層,線密度次之;底層植絨纖維層纖維線密度最大[11]。纖維層的這種線密度由小到大排列,配合底網(wǎng)層的孔隙,形成了造紙毛毯的濾水通道。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

底網(wǎng)針刺造紙毛毯,由江蘇金呢工程織物股份有限公司提供,植絨纖維與底網(wǎng)均采用錦綸材料,密度為1.14 g/cm3。

2.2 表觀形貌觀察

采用VEGA-Ⅲ型掃描電子顯微鏡(SEM,捷克TESCAN公司)和SMZ745T型體視顯微鏡(上海尼康儀器公司)觀察造紙毛毯表面和經(jīng)向截面的形貌特征。掃描電子顯微鏡工作距離為25.53 mm,加速電壓為5 kV。

2.3 孔隙率測試

采用密度法計算底網(wǎng)造紙毛毯的孔隙率。將底網(wǎng)造紙毛毯裁剪成長40 cm、寬20 cm的試樣并稱取質(zhì)量。采用YG(B)141 G型織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器公司)測試毛毯的表觀厚度,厚度儀的壓腳面積為2 000 mm2,壓重砝碼為100 cN。計算毛毯的體積密度,并據(jù)此計算毛毯的孔隙率。孔隙率的計算式:

(1)

式中:P為毛毯孔隙率;ρ0為毛毯表觀密度;ρ為毛毯密度。

2.4 濾水性能測試

采用Permflow DUO型透水含水測試儀(意大利Cristini公司)對不同結(jié)構(gòu)的底網(wǎng)針刺造紙毛毯的濾水性能進(jìn)行測試和表征。采用定點測試法,測試前需將毛毯放入水中浸濕,以模擬毛毯在實際應(yīng)用時的狀態(tài)。每個樣品測試3次,濾水速率結(jié)果取平均值。

2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用數(shù)理統(tǒng)計軟件IBM SPSS Statistics 29.0,在檢驗發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的正態(tài)性以及毛毯不同結(jié)構(gòu)參數(shù)間不存在多重共線性后,以底網(wǎng)針刺造紙毛毯的結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量、濾水速率為因變量進(jìn)行多元線性逐步回歸分析。其中,統(tǒng)計的造紙毛毯結(jié)構(gòu)參數(shù)包括毛毯面密度、底網(wǎng)面密度、毛毯孔隙率、各層植絨纖維線密度和底網(wǎng)經(jīng)紗密度。

3 結(jié)果與討論

3.1 表層植絨纖維線密度對毛毯濾水性能的影響

在保證毛毯除表層植絨纖維線密度以外其他結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同的情況下,分別選用2種不同類型疊層底網(wǎng)造紙毛毯,共計6個樣品進(jìn)行濾水性能測試,結(jié)果如圖2和表1所示。圖2中,底網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)1代表單層網(wǎng),2代表雙層網(wǎng),以接觸紙面的一側(cè)排序。

表1 不同表層植絨纖維線密度造紙毛毯的結(jié)構(gòu)參數(shù)與濾水速率Tab.1 Structural parameters and water filtration rate of papermaking felts with different surface flocking fiber line densities

圖2 表層植絨纖維線密度對濾水速率的影響Fig.2 Influence of surface flocking fiber line density on water filtration rate

由圖2可知,當(dāng)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時,1+1、1+2疊層底網(wǎng)造紙毛毯的濾水速率均隨著表層植絨纖維線密度的增加而增加。在毛細(xì)管效應(yīng)及壓力的作用下,水分子在造紙毛毯植絨纖維層中主要是通過纖維中微原纖、原纖間的縫孔以及纖維間的縫隙等途徑進(jìn)行滲透和擴散的[12-13]。

不同表層植絨纖維線密度的造紙毛毯表面形態(tài)如圖3所示。由圖3和表1可知,隨著表層植絨纖維線密度的增加,纖維與纖維之間的縫隙變大,毛毯的孔隙率增加,水分子在毛毯內(nèi)部滲透和擴散的通道變大,造紙毛毯的濾水速率隨之增大。

3.2 底網(wǎng)經(jīng)紗密度對毛毯濾水性能的影響

造紙毛毯的底網(wǎng)層是毛毯濾水通道的重要組成部分,而底網(wǎng)的經(jīng)紗密度則是底網(wǎng)最主要的規(guī)格參數(shù)之一。底網(wǎng)經(jīng)紗多采用錦綸合股單絲,且在底網(wǎng)中基本無屈曲,其排列密度對毛毯的濾水性能影響較大。因此,在保證除底網(wǎng)經(jīng)紗密度以外其他結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同的情況下,選取5個1+2疊層底網(wǎng)造紙毛毯樣品進(jìn)行濾水性能測試,結(jié)果如圖4和表2所示。

表2 不同底網(wǎng)經(jīng)密造紙毛毯的結(jié)構(gòu)參數(shù)與濾水速率Tab.2 Structural parameters and water filtration rate of papermaking felts with different bottom mesh warp densities

圖4 不同底網(wǎng)經(jīng)紗密度造紙毛毯的濾水速率Fig.4 Water filtration rate of papermaking felts with different bottom mesh warp densities

由圖4和表2可知,隨著底網(wǎng)經(jīng)紗密度的增加,底網(wǎng)面密度逐漸增大,毛毯濾水速率逐漸減小。對比7#毛毯與8#毛毯的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以看出,8#毛毯靠近導(dǎo)輥一側(cè)的底網(wǎng)經(jīng)紗密度小于7#毛毯,但由于其經(jīng)紗選用的是六股紗,因此8#毛毯的錦綸單絲密度比7#毛毯大,對應(yīng)的8#毛毯的濾水速率也低于7#毛毯。

1+2疊層底網(wǎng)造紙毛毯的經(jīng)向截面SEM照片如圖5所示。由圖5可知,造紙毛毯底網(wǎng)層的濾水通道主要由底網(wǎng)經(jīng)紗間的縫隙以及經(jīng)紗間由空刺整理帶來的垂直方向纖維組成。

圖5 1+2疊層底網(wǎng)造紙毛毯的經(jīng)向截面SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM image of the transverse section of 1+2 laminated batt-on-mesh papermaking felt

水分在底網(wǎng)層的滲透速率與底網(wǎng)孔隙率及滲透方向上縫隙的形狀、大小等因素有關(guān)[14]。由達(dá)西定律可知,多孔介質(zhì)中液體的滲透速率與滲透率、壓力梯度成正比[15],即

Q∝K(dh/dl)

(2)

式中:Q為介質(zhì)的濾水速率;dh/dl為液體在介質(zhì)中的壓力梯度;K為介質(zhì)的滲透率。

根據(jù)Kozeny-Carman方程,孔隙介質(zhì)中液體的滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系可表示為

(3)

式中:K為滲透率;φ為孔隙率;C為Kozeny-Carman

常數(shù);S為比表面積。

將式(3)代入式(2)中,得到

(4)

結(jié)合表2可知,當(dāng)毛毯其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時,隨著底網(wǎng)層經(jīng)紗密度的增加,毛毯的孔隙率降低。由式(4)可知,毛毯的濾水速率與其孔隙率的三次方成正比。

總之,隨著造紙毛毯底網(wǎng)經(jīng)紗密度的增加,底網(wǎng)層經(jīng)紗間以及纖維與纖維間的縫隙逐漸減小,毛毯的孔隙率和滲透率降低,最終導(dǎo)致毛毯整體的濾水速率減小。

3.3 底網(wǎng)針刺造紙毛毯結(jié)構(gòu)與濾水速率的相關(guān)性分析

濾水速率作為造紙毛毯的重要性能指標(biāo),主要受毛毯結(jié)構(gòu)的影響。為了在毛毯眾多的結(jié)構(gòu)參數(shù)中找出影響其濾水速率的最主要因素,以濾水速率(y)為因變量,通過商用數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS,采用多元逐步線性回歸分析法對影響濾水速率的結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行分析。統(tǒng)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)包括毛毯面密度(x1)、底網(wǎng)面密度(x2)、孔隙率(x3)、近紙面一側(cè)底網(wǎng)經(jīng)紗密度(x4)、近導(dǎo)輥一側(cè)底網(wǎng)經(jīng)紗密度(x5)、表層植絨纖維線密度(x6)、里層植絨纖維線密度(x7)、底層植絨纖維線密度(x8)。逐步回歸分析的結(jié)果如表3所示。

表3 造紙毛毯濾水速率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的逐步回歸分析Tab.3 Stepwise regression analysis of water filtration rate and structural parameters of papermaking felt

由表3可知:表層植絨纖維線密度能夠單獨解釋60.0%的毛毯濾水速率,具有較高的解釋度;表層植絨纖維線密度和近紙面一側(cè)底網(wǎng)經(jīng)紗密度能共同解釋68.7%的毛毯濾水速率,表明表層植絨纖維線密度和近紙面一側(cè)底網(wǎng)經(jīng)紗密度對毛毯濾水速率具有較強的影響。其中,表層植絨纖維線密度的回歸系數(shù)為正值,表明它與毛毯濾水速率呈正相關(guān),而近紙面一側(cè)底網(wǎng)經(jīng)紗密度與毛毯濾水速率呈負(fù)相關(guān),且毛毯速率與表層植絨纖維線密度的相關(guān)性強于與近紙面一側(cè)底網(wǎng)經(jīng)紗密度的相關(guān)性。

4 結(jié)語

底網(wǎng)針刺造紙毛毯集傳統(tǒng)機織與非織造技術(shù)于一體,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在探究不同毛毯結(jié)構(gòu)對其濾水速率的影響時發(fā)現(xiàn),毛毯的濾水通道主要是由纖維層間按線密度增大順序排列的纖維網(wǎng)、底網(wǎng)經(jīng)紗間的縫隙以及由空刺整理帶來的垂直方向的纖維組成。當(dāng)表層植絨纖維線密度從0.67 tex增加到1.11、1.67、2.22 tex時,纖維與纖維之間的縫隙逐漸增大,毛毯孔隙率增加,在毛細(xì)作用與壓力作用下,造紙毛毯的濾水速率快速增大。當(dāng)?shù)拙W(wǎng)經(jīng)紗密度增大時,經(jīng)紗間的濾水通道變窄,底網(wǎng)層的孔隙率減小,造紙毛毯的濾水速率也減小。通過多元逐步回歸分析,剔除了造紙毛毯眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)中對濾水速率無顯著影響的結(jié)構(gòu)參數(shù),排除了各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互干擾,得到底網(wǎng)造紙毛毯濾水速率的最優(yōu)預(yù)測模型,發(fā)現(xiàn)只有表層植絨纖維線密度和近紙面一側(cè)底網(wǎng)經(jīng)紗密度與毛毯的濾水速率存在顯著的相關(guān)性。其中,表層植絨纖維線密度與毛毯濾水速率呈正相關(guān),近紙面一側(cè)底網(wǎng)經(jīng)紗密度與毛毯濾水速率呈負(fù)相關(guān),且表層植絨纖維線密度對毛毯濾水速率的影響更大。