底网针刺造纸毛毯结构和滤水速率

孙德盛 陈 平 顾伯洪

1. 东华大学 纺织学院,上海 201620;2. 江苏金呢工程织物股份有限公司,江苏 海门 226100

造纸毛毯作为造纸机的配套设备,是造纸工业生产过程中必不可少的易耗器材。在湿法造纸过程中,造纸毛毯主要应用于造纸机的压榨部位,配合压榨装置对从造纸机网部传递过来的湿纸幅进行机械挤压从而脱水,同时也起到传递纸幅、整饰纸面的作用[1-2]。随着造纸行业的蓬勃发展,造纸机的车速越来越快,湿纸幅穿过压榨部位所用的时间越来越短,这就要求造纸毛毯必须具备优良的滤水性能,从而能够在极短的时间里吸收并排出纸幅中的水分。造纸机各部位的脱水成本差异很大,若能提高纸幅出压榨部位的干燥程度,则能有效降低造纸机干燥部位的蒸汽能耗,节省成本[3]。

国内外在造纸毛毯的结构与滤水性能方面已有一些相关研究,但仍有许多问题需要继续深入探讨。Hubbe等[4]从理论上分析了造纸毛毯表面结构对于压榨脱水的影响,发现在毛细效应作用下,造纸毛毯离开压榨区后会出现回湿现象,即毛毯内的水会返回到纸张里面,这会导致脱水效率降低。王亚红[5]通过设计正交试验探究了底网组织、纬纱线密度及针刺深度对复合造纸毛毯性能的影响,结果显示,纬纱线密度对复合造纸毛毯的滤水性能影响最大,其次是底网组织和针刺深度。朱文等[6]利用自制的仿真压榨模拟试验装置,从毛毯的压力分布角度研究了造纸毛毯结构对压榨区压榨脱水的影响,发现植绒纤维直径对压榨脱水效率的影响最为显著,其次是底网结构,最后是植绒层数。

造纸毛毯的滤水性能决定了纸浆中水分脱除的速率以及纸张成形的均匀性[7]。优良的滤水性能不仅可以避免湿纸幅在压榨区受流体压力影响而出现压花现象,还能提高造纸机的生产效率、降低能源消耗。本文在单独探究表层植绒纤维线密度和底网经纱密度两项结构参数对底网针刺造纸毛毯滤水速率影响的基础上,运用数学统计方法对影响造纸毛毯滤水速率的结构因素进行逐步回归分析,剔除不符合显著性检验的变量,建立造纸毛毯结构与滤水速率的回归模型。研究可为提高造纸毛毯的滤水速率,优化毛毯结构设计提供理论参考。

1 底网针刺造纸毛毯的结构分析

底网针刺造纸毛毯按结构可分为底网层和纤维层两部分,将这两部分通过针刺工艺复合在一起,再经热定型处理即可制得造纸毛毯成品[8]。底网针刺造纸毛毯根据底网层的结构形式不同,可分为单层底网造纸毛毯、双层底网造纸毛毯和叠层底网造纸毛毯。其中,叠层底网造纸毛毯的结构示意如图1所示。

A—表层植绒纤维层;B—里层植绒纤维层;C—底网结构;D—底层植绒纤维层。图1 叠层底网造纸毛毯结构示意图Fig.1 Structure diagrams of laminated batt-on-mesh papermaking felt

底网层作为造纸毛毯在实际应用中的主要支撑结构,直接决定毛毯的尺寸稳定性能、耐压性能、弹性回复性能及滤水性能[9]。底网层的材料主要为锦纶单丝或合股单丝,组织结构主要为平纹、经二重平和破斜纹等。底网层经纱采用合股单丝,可有效改善毛毯的弹性及弹性回复性能,提高毛毯上机初期的适应性和下机后的滤水性能。

造纸生产过程中,造纸毛毯作为与湿纸幅和导辊直接接触的部分,其纤维层直接决定毛毯的表面性能、耐磨性能以及滤水性能等[10]。纤维层的原料主要为锦纶或涤纶。根据纤维层植绒的位置以及纤维线密度的不同,植绒纤维层可分为表层、里层与底层3部分。其中:表层植绒纤维层与湿纸幅直接接触,为提高毛毯表面平整度、保证纸张质量,其纤维线密度最小;里层植绒纤维层为过渡层,线密度次之;底层植绒纤维层纤维线密度最大[11]。纤维层的这种线密度由小到大排列,配合底网层的孔隙,形成了造纸毛毯的滤水通道。

2 试验部分

2.1 试验材料

底网针刺造纸毛毯,由江苏金呢工程织物股份有限公司提供,植绒纤维与底网均采用锦纶材料,密度为1.14 g/cm3。

2.2 表观形貌观察

采用VEGA-Ⅲ型扫描电子显微镜(SEM,捷克TESCAN公司)和SMZ745T型体视显微镜(上海尼康仪器公司)观察造纸毛毯表面和经向截面的形貌特征。扫描电子显微镜工作距离为25.53 mm,加速电压为5 kV。

2.3 孔隙率测试

采用密度法计算底网造纸毛毯的孔隙率。将底网造纸毛毯裁剪成长40 cm、宽20 cm的试样并称取质量。采用YG(B)141 G型织物厚度仪(温州大荣纺织仪器公司)测试毛毯的表观厚度,厚度仪的压脚面积为2 000 mm2,压重砝码为100 cN。计算毛毯的体积密度,并据此计算毛毯的孔隙率。孔隙率的计算式:

(1)

式中:P为毛毯孔隙率;ρ0为毛毯表观密度;ρ为毛毯密度。

2.4 滤水性能测试

采用Permflow DUO型透水含水测试仪(意大利Cristini公司)对不同结构的底网针刺造纸毛毯的滤水性能进行测试和表征。采用定点测试法,测试前需将毛毯放入水中浸湿,以模拟毛毯在实际应用时的状态。每个样品测试3次,滤水速率结果取平均值。

2.5 数据统计与分析

采用数理统计软件IBM SPSS Statistics 29.0,在检验发现所有数据的正态性以及毛毯不同结构参数间不存在多重共线性后,以底网针刺造纸毛毯的结构参数为自变量、滤水速率为因变量进行多元线性逐步回归分析。其中,统计的造纸毛毯结构参数包括毛毯面密度、底网面密度、毛毯孔隙率、各层植绒纤维线密度和底网经纱密度。

3 结果与讨论

3.1 表层植绒纤维线密度对毛毯滤水性能的影响

在保证毛毯除表层植绒纤维线密度以外其他结构参数基本相同的情况下,分别选用2种不同类型叠层底网造纸毛毯,共计6个样品进行滤水性能测试,结果如图2和表1所示。图2中,底网组织结构1代表单层网,2代表双层网,以接触纸面的一侧排序。

表1 不同表层植绒纤维线密度造纸毛毯的结构参数与滤水速率Tab.1 Structural parameters and water filtration rate of papermaking felts with different surface flocking fiber line densities

图2 表层植绒纤维线密度对滤水速率的影响Fig.2 Influence of surface flocking fiber line density on water filtration rate

由图2可知,当其他结构参数相同时,1+1、1+2叠层底网造纸毛毯的滤水速率均随着表层植绒纤维线密度的增加而增加。在毛细管效应及压力的作用下,水分子在造纸毛毯植绒纤维层中主要是通过纤维中微原纤、原纤间的缝孔以及纤维间的缝隙等途径进行渗透和扩散的[12-13]。

不同表层植绒纤维线密度的造纸毛毯表面形态如图3所示。由图3和表1可知,随着表层植绒纤维线密度的增加,纤维与纤维之间的缝隙变大,毛毯的孔隙率增加,水分子在毛毯内部渗透和扩散的通道变大,造纸毛毯的滤水速率随之增大。

3.2 底网经纱密度对毛毯滤水性能的影响

造纸毛毯的底网层是毛毯滤水通道的重要组成部分,而底网的经纱密度则是底网最主要的规格参数之一。底网经纱多采用锦纶合股单丝,且在底网中基本无屈曲,其排列密度对毛毯的滤水性能影响较大。因此,在保证除底网经纱密度以外其他结构参数基本相同的情况下,选取5个1+2叠层底网造纸毛毯样品进行滤水性能测试,结果如图4和表2所示。

表2 不同底网经密造纸毛毯的结构参数与滤水速率Tab.2 Structural parameters and water filtration rate of papermaking felts with different bottom mesh warp densities

图4 不同底网经纱密度造纸毛毯的滤水速率Fig.4 Water filtration rate of papermaking felts with different bottom mesh warp densities

由图4和表2可知,随着底网经纱密度的增加,底网面密度逐渐增大,毛毯滤水速率逐渐减小。对比7#毛毯与8#毛毯的结构参数可以看出,8#毛毯靠近导辊一侧的底网经纱密度小于7#毛毯,但由于其经纱选用的是六股纱,因此8#毛毯的锦纶单丝密度比7#毛毯大,对应的8#毛毯的滤水速率也低于7#毛毯。

1+2叠层底网造纸毛毯的经向截面SEM照片如图5所示。由图5可知,造纸毛毯底网层的滤水通道主要由底网经纱间的缝隙以及经纱间由空刺整理带来的垂直方向纤维组成。

图5 1+2叠层底网造纸毛毯的经向截面SEM照片Fig.5 SEM image of the transverse section of 1+2 laminated batt-on-mesh papermaking felt

水分在底网层的渗透速率与底网孔隙率及渗透方向上缝隙的形状、大小等因素有关[14]。由达西定律可知,多孔介质中液体的渗透速率与渗透率、压力梯度成正比[15],即

Q∝K(dh/dl)

(2)

式中:Q为介质的滤水速率;dh/dl为液体在介质中的压力梯度;K为介质的渗透率。

根据Kozeny-Carman方程,孔隙介质中液体的渗透率和孔隙结构参数之间的关系可表示为

(3)

式中:K为渗透率;φ为孔隙率;C为Kozeny-Carman

常数;S为比表面积。

将式(3)代入式(2)中,得到

(4)

结合表2可知,当毛毯其他结构参数相同时,随着底网层经纱密度的增加,毛毯的孔隙率降低。由式(4)可知,毛毯的滤水速率与其孔隙率的三次方成正比。

总之,随着造纸毛毯底网经纱密度的增加,底网层经纱间以及纤维与纤维间的缝隙逐渐减小,毛毯的孔隙率和渗透率降低,最终导致毛毯整体的滤水速率减小。

3.3 底网针刺造纸毛毯结构与滤水速率的相关性分析

滤水速率作为造纸毛毯的重要性能指标,主要受毛毯结构的影响。为了在毛毯众多的结构参数中找出影响其滤水速率的最主要因素,以滤水速率(y)为因变量,通过商用数理统计软件SPSS,采用多元逐步线性回归分析法对影响滤水速率的结构因素进行分析。统计的结构参数指标包括毛毯面密度(x1)、底网面密度(x2)、孔隙率(x3)、近纸面一侧底网经纱密度(x4)、近导辊一侧底网经纱密度(x5)、表层植绒纤维线密度(x6)、里层植绒纤维线密度(x7)、底层植绒纤维线密度(x8)。逐步回归分析的结果如表3所示。

表3 造纸毛毯滤水速率与结构参数的逐步回归分析Tab.3 Stepwise regression analysis of water filtration rate and structural parameters of papermaking felt

由表3可知:表层植绒纤维线密度能够单独解释60.0%的毛毯滤水速率,具有较高的解释度;表层植绒纤维线密度和近纸面一侧底网经纱密度能共同解释68.7%的毛毯滤水速率,表明表层植绒纤维线密度和近纸面一侧底网经纱密度对毛毯滤水速率具有较强的影响。其中,表层植绒纤维线密度的回归系数为正值,表明它与毛毯滤水速率呈正相关,而近纸面一侧底网经纱密度与毛毯滤水速率呈负相关,且毛毯速率与表层植绒纤维线密度的相关性强于与近纸面一侧底网经纱密度的相关性。

4 结语

底网针刺造纸毛毯集传统机织与非织造技术于一体,结构较为复杂。在探究不同毛毯结构对其滤水速率的影响时发现,毛毯的滤水通道主要是由纤维层间按线密度增大顺序排列的纤维网、底网经纱间的缝隙以及由空刺整理带来的垂直方向的纤维组成。当表层植绒纤维线密度从0.67 tex增加到1.11、1.67、2.22 tex时,纤维与纤维之间的缝隙逐渐增大,毛毯孔隙率增加,在毛细作用与压力作用下,造纸毛毯的滤水速率快速增大。当底网经纱密度增大时,经纱间的滤水通道变窄,底网层的孔隙率减小,造纸毛毯的滤水速率也减小。通过多元逐步回归分析,剔除了造纸毛毯众多结构参数中对滤水速率无显著影响的结构参数,排除了各结构参数之间的相互干扰,得到底网造纸毛毯滤水速率的最优预测模型,发现只有表层植绒纤维线密度和近纸面一侧底网经纱密度与毛毯的滤水速率存在显著的相关性。其中,表层植绒纤维线密度与毛毯滤水速率呈正相关,近纸面一侧底网经纱密度与毛毯滤水速率呈负相关,且表层植绒纤维线密度对毛毯滤水速率的影响更大。