纸张干燥特性曲线影响因素实验研究

陈晓彬　王宇航　何耀辉　董云渊　郑启富　李继庚　刘焕彬

摘 要：采用控制变量法，研究了纤维原料种类、成纸定量、纸浆打浆度、压榨压力和干燥温度5个因素对纸张干燥特性曲线的影响。结果表明，纤维原料种类和纸浆打浆度对纸张干燥特性曲线影响较小，但纸浆打浆度会影响纸张干燥前初始含水率，打浆度越大，纸张干燥前初始含水率越高;纸张定量与厚度正相关，对纸张干燥特性曲线影响显著，定量越大，纸张越难干燥;压榨降低了纸张干燥初始含水率，加速了干燥过程，可能的原因是挤压后，纸张中部分难干燥的毛细管水转变成了容易干燥的游离水;由于纸张干燥是传热与传质同时发生的过程，干燥温度越高，传热动力大，促使蒸发传质发生，干燥越容易。

关键词：纸张干燥;特性曲线;影响因素

中图分类号：TS755

文献标识码：A

DOI：10.11981/j.issn.1000-6842.2019.03.50

造纸过程本质是一个脱水过程，主要由纸机的3部分完成：成形部、压榨部和干燥部。纸张成形借助重力和真空作用脱水，将纸张干度提升至15%～25%;压榨依靠机械作用脱水，进一步将纸张干度提升至33%～55%;干燥通过蒸发作用脱水，使成品纸的干度达到要求，约90%～95%[1]。干燥过程脱水量约为上网浆料含水总量的1%，是脱水量最少的工段，但脱水成本最大[2]。以长网纸机为例，干燥部的质量约占纸机总质量的60%～70%，长度约占纸机的60%，投资成本约占纸机的40%[3]。据美国造纸科学与技术研究所（Institute of Paper Science and Technology，IPST）的研究[4]，干燥部的能耗约占纸机总能耗的61.9%。因此，纸张干燥一直是业内研究的热点，对纸机的设计、造纸生产以及节能减排具有重要意义。

依据所受束缚力大小的不同，纸张内部水分有3种存在形式，即游离水、毛细管水、结合水。各种形式水分蒸发机制不同，纸张干燥机理十分复杂[5-6]。纸张干燥过程是一个传热与传质同时发生的复杂过程，具有强非线性、时变性、多变量耦合等特点[7-8]。从干燥机理角度去研究纸张干燥过程是相当困难的。干燥特性曲线是纸张含水率随干燥时间变化的曲线，涵盖了纸张在干燥过程中动态变化的所有信息。干燥特性曲线容易通过实验获得，因此越来越多的学者[9-10]，特别是在食品干燥领域，试图通过实验研究，以干燥特性曲线为主要线索，总结物料干燥过程的经验规律，用以预测和指导实际生产过程。

本实验研究了纤维原料种类、成纸定量、纸浆打浆度、压榨压力和干燥温度对纸张干燥特性曲线的影响，可为纸张干燥过程工艺调节以及工艺设计提供基础数据。

1 干燥特性曲线

在一定干燥条件下，物料含水量与干燥时间之间的关系曲线叫作干燥特性曲线。纸张干燥的湿份即为水分。图1为一典型的纸张干燥特性曲线图[7]。由图1可见，纸张初始含水率为Z1，干燥开始后先经过预热阶段，此时加热介质的部分热量用于加热纸张，纸张温度快速升高，然而纸张含水率随干燥时间变化不大。接着，纸张干燥进入恒速阶段，纸张含水率与干燥时间基本呈线性关系，斜率恒定，即干燥速率恒定，此时加热介质传递给纸张的热量和纸张内部水分蒸发需要的热量保持平衡，纸张表面温度保持不变，恰等于纸张表面周围热空气的湿球温度。一段时间后，当纸张含水率低于临界含水率（Zcri）时，

纸张干燥进入减速阶段，此阶段纸张干燥特性曲线趋于平坦，逐渐接近平衡含水率Z2，干燥速率减小，加热介质提供的热量一部分用于蒸发水分，一部分用于加热纸张，纸张表面温度继续升高。

2 实 验

原料：针叶木浆板，阔叶木浆板，OCC浆板。

仪器：快速凯塞纸页成形器（ASM-32N2F）、多功能挤压机（MASP22H803）、瓦利打浆机（VB-42F），中国制浆造纸研究院有限公司;水分测定仪（MB120），奥豪斯（常州）有限公司;纤维标准解离器（ZY-XW），山东中仪仪器有限公司。

纸张干燥特性影响因素实验研究采用控制变量法，即通过控制其他相关变量来研究某一个变量对纸张干燥特性的影响。实验过程如下所述：利用瓦利打浆机疏解浆板后，打浆至指定打浆度，并测定浆浓。根据纸张定量，称取一定量的纸浆，用纤维标准解离器解离，并在快速凯塞纸页成形器上成形;随后在多功能挤压机上压榨;最后送往水分测定仪测定干燥曲线，水分测定仪采用輻射干燥方式。

3 结果与分析

3.1 纤维原料种类的影响

纤维原料种类对纸张干燥特性曲线的影响如图2所示。不同纤维原料抄造纸张的干燥特性曲线在干燥前期很接近，基本重合，在干燥后期稍有差异，但不明显。由此可见，纤维原料对纸张干燥特性曲线的影响较小。可能的原因是：纸张干燥特性曲线的特征变化主要跟纸张内部水分所受束缚力的大小有关。纸张内部水分按所受束缚力的大小可以分为游离水、毛细管水和结合水。干燥过程主要脱除的是游离水和毛细管水，主要跟纸张干燥前的初始含水率以及压榨后纸张的结构有关，受纤维原料种类影响较小。受纤维原料种类影响较大的是结合水，而结合水在纸张中含量很少，且仅在干燥末期才会发生变化。综上，纤维原料对纸张干燥特性曲线的影响较小。

3.2 纸张定量的影响

纸张定量对纸张干燥特性的影响如图3所示，随着纸张定量的增大，纸张含水率下降缓慢，需要更长的干燥时间。其主要原因为：在相同的成形和压榨工艺条件下，纸张定量与厚度有典型的正相关关系（见图4），且近似于线性关系。随着定量的增大，纸张厚度也相应增大，厚度的增大使得纸张内部水分蒸发阻力相应增大，需要更大的蒸发动力以及消耗更多的蒸发热。因此，在干燥条件不变的情况下，定量大的纸张干燥速率较低，需要的干燥时间越长。

3.3 纸浆打浆度的影响

纸浆打浆度对纸张干燥前初始含水率的影响较明显（见图5），在相同的成形、压榨工艺条件下，纸张干燥前的初始含水率与纸浆打浆度呈正相关关系，打浆度越高，纸张干燥前初始含水率越大。其主要原因是：打浆度是反应纸浆滤水性能（或保水能力）的指标，打浆度越高，纤维游离的羟基数量越多，束缚水的能力越强，因此纸张干燥前初始含水率越大。在不同打浆度条件下，纸张干燥特性曲线变化不明显（见图6），可见打浆度对纸张干燥特性的影响较小。虽然纸张干燥前初始含水率与打浆度呈明显的正相关关系，但变化幅度较小（72%～74%），这种程度的变化对纸张干燥特性不会产生较大的影响。

3.4 压榨压力的影响

纸张成形后，在多功能挤压机上，分别经过0、50、100、300 kPa压力压榨后，其干燥特性曲线如图7所示。压榨压力对纸张干燥前初始含水率的影响较显著（见图8），随着压榨压力的增大，纸张干燥前的初始含水率逐渐降低，压榨压力大于100 kPa，纸张干燥前初始含水率趋于稳定。纸张干燥前初始含水率降低，纸张干燥蒸发负荷变小，干燥更容易，所需的时间更短。不仅如此，压榨后纸张干燥速率还有所提升（见图7），压榨后纸张干燥特性曲线斜率比未压榨纸张大。可能的原因是：纸张干燥过程中脱除的水分主要是游离水和毛细管水。游离水是纸张表面或者大尺寸毛细管内的水分，受束缚力小，容易脱除。毛细管水是纸张小尺寸毛细管中的水分，受束缚力大，难脱除。压榨后，纸张内部纤维贴合更紧密，毛细管数量减少，部分毛细管水受挤压离开毛细管到纸张表面或是从小尺寸毛细管转移到大尺寸毛细管，变为游离水，受束缚力变小，纸张干燥速率加快。

3.5 干燥温度的影响

干燥温度对纸张干燥特性曲线的影响如图9所示。不同干燥温度下，纸张干燥特性曲线差异明显。干燥温度越高，水分蒸发越快，需要的干燥时间越短。主要原因是：纸张干燥是一个传热和传质同时发生的耦合过程，干燥温度高，传热动力大，促进蒸发传质的发生。

4 结 论

干燥特性曲线可宏观表征纸张干燥过程，是纸张在干燥过程中受所有影响因素的综合结果。本研究采用控制变量法，研究了纤维原料种类、成纸定量、纸浆打浆度、压榨压力和干燥温度5个因素对纸张干燥特性曲线的影响。

4.1 纸张干燥过程主要脱除的是游离水和毛细管水，而纤维原料种类影响的是结合水，因此纤维原料种类对纸张干燥特性曲线的影响较小。

4.2 在相同的抄造工艺条件下，纸张定量与厚度呈正相关关系。由于厚度增大，纸张内部水分蒸发阻力增大，需要更大的蒸发动力以及更多的蒸发热。因此，定量大的纸张干燥速率慢，需要的干燥时间长。

4.3 纸浆打浆度高，纤维游离羟基多，纸张保水能力强，因此干燥前的初始水率高。然而，纸张干燥前初始含水率随打浆度变化的幅度较小（72%～74%），这种程度的变化对纸张干燥特性的影响较小，总体看来，纸浆打浆度对纸张干燥特性的影响较小。

4.4 经过不同压力压榨后，纸张干燥前初始含水率的变化显著（72%～86%）。压榨压力大，纸张干燥前初始含水率低，纸张干燥蒸发负荷小，因此干燥时间短。压榨后，纸张干燥蒸发速率也会有所提升，可能的原因是纸张受挤压后，纸张结构发生变化，纤维贴合更紧密，毛细管数量减少，部分难干燥的毛细管水转变成了易干燥的游离水。

4.5 不同干燥温度下，纸张干燥特性曲线差异显著。纸张干燥是传热和传质同时发生的过程。干燥温度越高，传热动力越大，传热促使传质的发生，水分蒸发越快，因而需要的干燥时间越短。

参 考 文 献

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Abstract：The effects of fiber material， paper basis weight， pulp beating degree， pressing pressure and drying temperature on paper drying characteristic curve were researched in the study. The experimental results showed that： different fiber material and pulp beating degree had little influence on the paper drying characteristic curve， but pulp beating degree affected the initial moisture content of paper drying， the higher pulp beating degree， the higher the initial moisture content was. Paper basis weight had obvious influence on paper drying characteristic curve because of its positive corrilation with paper thickness， the greater the paper basis weight， the harder it was to dry. Pressing pressure not only affected the paper initial moisture content， but also accelerated the drying process. The possible reason was that after the paper was pressed， part of the capillary water which is difficult to dry changed to free water which is easy to dry. Because of the coupling process of heat and mass transfer in paper drying， the higher drying temperature， the greater heat and mass transfer power， and the easier drying occurs.

Keywords：paper drying; drying characteristic curve; influence factors

（責任编辑：陈丽卿）