玻璃纤维非织造布的湿法成网技术

L.Bos

Andritz Küsters公司(德国)

湿法成网的用于建筑领域的非织造布产品产量不断增长。在非织造布产量不断增长的同时，人们对高品质材料的需求也随之增长。

全球范围内正在建造和重建的建筑物越来越多，这导致对建筑材料的需求增长。制造商正在开发比石膏或油漆应用更快捷且所需的后处理少的产品。开发这种产品的重要一环是基于湿法成网的玻璃纤维非织造材料。例如，用作石膏板墙和聚异丁烯屋顶贴面和背衬的纸及纸板材料，现已被玻璃纤维薄毡取代。

玻璃纤维毡在对外观要求较高的产品(如天花板和墙纸)中也有诸多应用。对于对外观要求较低的传统应用，如乙烯基地板﹑地毯及沥青屋顶的增强材料，则对其拉伸强度有着较高的要求。玻璃纤维毡还可用作过滤材料和电池隔板。在这些应用中，玻璃纤维在薄毡中的良好分布至关重要。玻璃纤维毡生产商需不断改善其产品性能，制备纤维分布均匀的玻璃纤维毡，以满足用户需求和市场期望。

“成型良好”用于描述具有均匀结构的湿法成网非织造产品。本质而言，悬浮液中易结块纤维的聚集，容易形成较大的絮状物，从而造成非织造布的不良成型(图1)。因此，非织造布加工过程中需有效预防纤维的聚集。

图1 玻璃纤维非织造毡的成型效果与纤维聚集状态的关系

成型良好的玻璃纤维非织造毡除了可提高产品的外观效果外，其相比成型较差的同类产品也更薄﹑更坚固。为使玻璃纤维非织造毡成型良好，需控制从纤维分散至最终成网的全过程。

提高成网质量的方式有很多。在悬浮液中添加化学品，可减少纤维絮团的产生。如，添加黏度调节剂可增强纤维对流体的抗冲击力，添加表面活性剂等可降低絮状纤维物质的凝结。

使用化学品除增加生产成本外，还存在一些弊端：必须精确控制清水系统中添加的化学品的浓度，并且这些化学品的使用效果取决于难以控制的工艺条件，如温度和工艺用水质。此外，这些化学品必须能与黏合剂体系相容。化学品的使用还会带来不良反应，如起泡和细菌滋生，而这些不良反应需通过使用其他化学品来解决。

对玻璃纤维非织造毡的成型工艺进行优化设计，是一种更有效且节约生产成本的提高纤网质量的方式。为实现均匀的玻纤毡结构，下述3方面的设计至关重要：

——纤维在水-纤维悬浮液中应有足够的自由移动空间；

——对水/纤维悬浮液施加足够的湍流，以保持纤维的运动；

——按良好的纤维取向铺设纤维，确保其均匀分布在纤网上。

湿法成网工艺对玻璃纤维毡的成型有重大影响。良好的工艺设计可降低纤网制备过程中对清水黏度和化学表面活性剂等物质的依赖。

1 纤维移动空间

非织造布湿法成网采用的斜线成型机专为处理长纤维而开发。纤维长度越长，悬浮液的质量浓度应越低(图2)，从而使纤维在悬浮液中具有足够的自由移动空间。

图2 纤维长度与纤网成型性的关系

为了给纤维提供必要的移动空间，运转速度快(>500 m/min)且宽度大(>5.5 m)的机器需通过成型机泵送足够的清水(>350 m3/min)，这对成型机的设计，包括叶片泵(图3)的性能设计提出了更高要求。

图3 叶片泵

叶片泵必须与成型系统的其他组件匹配。系统工程师需了解成型机与泵的特性及其相关细节，防止系统相互间失配。运行系统间的不匹配可能会造成严重的后果，如，可能造成系统在泵的气蚀窗口中运行，从而引起脉冲和纤维结块，严重时可能会损坏泵。

在对现有的成型机提速后，叶片泵的运行速度远超其最佳运行范围，因此建议安装新的成型机或请专家改装现有的斜线成型机。

2 保持纤维运动

确保纤网良好成型的基础是纤维分散并悬浮于清水中，玻璃纤维的分散通常在由造纸工业中常用的制浆机衍生而来的混合罐中进行。实践证明，混合罐的搅拌器参数设计和功率设置取决于加工的玻璃纤维的长度、直径，尤其是纤维上所用的浆料。

分散的纤维必须持续保持运行状态以防结块，直至其被铺放在成型网上。因此，中间缓冲罐和稀释罐也必须配备特定的搅拌器。

建议对各种类型的搅拌器与纤维间的适配性进行测试，以确保纤维与搅拌器的配合恰当，从而保持纤维的分散状态。

成型机中保持纤维的运动非常重要，大多数成型机通过扩散器实现纤维的持续运动。在由各种管道组成的扩散器中，能量由压力转换为速度，但这一过程无法始终受控。若流体速度高于临界速度，则流体运动将由层流变为湍流。而扩散器中应尽量避免悬浮浆的湍流运动，因为它会导致纤维结块。

通过使用双扩散器(图4)，可对含纤维的悬浮浆的运动进行两次加速而不会超过临界速度。试验表明，在实际形成毡状物前，采用双扩散器纤维获得的分散能量更多(图5)，从而可避免过大的絮团形成。

图4 双扩散器

图5 单/双扩散器的分散能量对比

3 良好分布与取向的纤维铺设

良好的玻璃纤维非织造毡需在其长度方向(纵向)和宽度方向(横向)上具有恒定的质量。纤维分布不均匀易导致产品外观上的差异，甚至还会影响其主要物理性能，如厚度、面密度和拉伸强度。

为实现完美的纤维分布，悬浮浆必须无脉冲且在整个成型机的宽度方向上均匀分散。将精心设计的叶片泵与双扩散器方式结合，可获得无脉冲物料流。任何残留的脉冲都将在两个扩散器的间隔中被吸收。

机器宽度方向上物料的良好分布需物料流呈现出完美的流体形态，这可通过双扩散器实现。预扩散器能完美匹配悬浮浆的流动方向。悬浮浆由横向供应给机器，然后呈90°转入机器方向。若悬浮浆在宽度方向上存在细微差异，可在两个扩散器组成的空间中进行调节。

除了将纤维均匀分布在产品的宽度和长度方向上外，按所需的方向铺设纤维也非常重要。若注重产品的外观，则应使产品纵向和横向上的纤维随机均匀地铺设在成型网上。另有一些产品则无需具有各向同性。若所得非织造产品需进行后续加工，则其纵向强度应高于横向，此时，需在机器方向上铺设更多的纤维。若悬浮浆与成型生产线以相同的速度流动，则纤维的取向在横向和纵向上通常具有随机性。若两者存在速度差，则纤维将在纵向上具有更好的取向性。Andritz公司的neX成型机可通过脱水和打开前壁的方式，调节悬浮浆输送至成型网的速度。

具有双扩散器的Andritz neX成型机，可将玻璃纤维非织造布良好的纤网成型性与纤维取向可调性完美结合。