造紙成形網的進展過程綜述論文
造紙成形網的進展過程綜述論文
造紙過程中，通常出流漿箱的紙漿濃度約為0.3%～1.0%(抄造包裝紙時出流漿箱的紙漿濃度可達1.6%)，紙幅離開網部進入壓榨部之前的幹度為18%～23%，高速紙機可達27%，也就是說，造紙過程中95%的脫水量是在網部完成的［1］。造紙成形網在各輥子和脫水板上執行，磨損相對嚴重，是造紙主要的專用脫水和消耗器材。隨著人們對紙張質量要求的日益提高，以及現代造紙生產逐步向著寬幅、高速和低定量化的方向發展，造紙成形網必須適應現代化高速紙機的高效、均勻和穩定脫水等要求。造紙成形網除了要具備優良的纖維截留特性、高效的脫水效能及良好的清洗效果之外，還需要很好的執行穩定性。目前，聚酯成形網已幾乎完全代替了傳統的銅質成形網，特別是聚酯三層成形網已成為現代化紙機的主流用成形網。
1造紙成形網材料
1.1造紙成形網材料的現狀
古代的造紙術是以中國東漢蔡倫發明的手工抄紙為代表，採用的是竹絲編造的竹簾篩子或者襯有底布的木框進行抄紙。隨著造紙技術傳入西方，特別是工業革命引起的造紙機的發明，金屬材質(主要是銅質或者不鏽鋼)造紙成形網逐步取代了竹製網篩［2］。紙機車速的提高和幅寬的擴大，金屬成形網負荷重、壽命短和耐酸鹼差等缺點越來越明顯，逐步被塑膠成形網取代。塑膠網又分為聚酯網、聚醯胺(尼龍)網、聚丙烯網等，其各自效能如表1［3］所示。聚丙烯網不易吸水，密度小，形態穩定，耐酸鹼性強，但其易老化，耐磨性差，使用溫度略低，使用受限;聚酯網和尼龍網的綜合性能好，聚酯網的形態穩定性好，尼龍網的耐磨性強，目前的成形網大都是聚酯成形網，在多層聚酯網的底層配比一定的尼龍網，提高其耐磨效能。
1.2發展方向
聚酯和尼龍均為合成高分子聚合物，可以根據需求新增不同的新增劑和採用不同的改性方法改善聚酯和尼龍纖維的特性，以適應高速現代化紙機的執行，是目前多層聚酯成形網是最常用的材料。聚苯二醯胺(PPA)是以間苯二甲酸、對苯二甲酸、己二酸和己二胺之間縮聚形成的聚合物的共混物，是一種半結晶的半芳香尼龍。PPA具有良好的耐熱性、優良的力學效能和尺寸穩定性、較低的吸水率和優良的成型加工性，耐化學藥品性等［4］。PEEK單絲是一種熱塑性聚合體，是最先進的聚酮族衍生物，具有熱穩定性好、極高的耐化學腐蝕和耐磨性，但由於價格昂貴還沒有得到廣泛應用［5］。Stabilon是Heimbach公司開發的一種新的單絲材料，同等線徑Stabilon單絲具有比聚酯單絲高30%的彈性模量［6］。另外，Heimbach公司開發的多層底網專用單絲Duralon具有聚酯的穩定性和尼龍的耐磨性，採用Duralon材料的InTegraF網使用壽命達到90天，而採用聚酯、尼龍混合編織的成形網，平均壽命只有42天，最長的為73天［7］。也可以考慮透過應用奈米技術和纖維表面改性來改善成形網脫水和耐磨等效能［8］。
2聚酯成形網結構和編織技術進展
由於現代化造紙機向著大型化、高速化和自動化方向發展，因而金屬成形網已不能適應現代化造紙機的要求。伴隨著高分子合成技術的發展，很多高效能塑膠高分子材料紛紛面世，20世紀中葉，造紙成形網逐步由銅網過渡到合成聚酯纖維編織的成形網。聚酯等合成材料用於造紙成形網，對於造紙機向高速、寬幅化發展具有劃時代的意義。與銅網等金屬成形網相比，聚酯成形網的優點有:密度小，紙機負荷小，生產效率高;材質柔軟，易操作，不易碰傷;耐腐蝕、耐磨損，使用壽命一般比銅網長3～5倍，甚至更長［5］;能改善成紙勻度，減輕網痕和兩面差，提高平滑度及減少纖維和填料的流失，可以減少換網次數以及因換網帶來的各種損失［9-10］;聚酯成形網編織方法更靈活多樣，可以採用不同的編織方法和改變成形網的層數，來滿足不同造紙機、不同紙種和不同抄紙條件，以提高造紙機的執行效率。聚酯成形網又分為單層網和多層網。
2.1單層網
聚酯成形網最初是按銅網的編織工藝進行編織的單層網，只是線材由銅絲改為聚酯絲，使其質量變輕，從而減輕了紙機的傳動負荷，節約造紙成本。單層網是由單個緯線系統和單個經線系統相互交織而成，見圖1［11］。單層網編織相對簡單，如四綜單層網是彎曲的緯線在3根經線下面和1根經線的上面透過，而經線則在3根緯線上面和1根緯線下面透過，保護了承受張力負荷的經線處於網子的結構內部，而讓緯線與造紙機各個摩擦部件接觸。細的聚酯單絲可以織造高密度經緯結構的單層網，纖維和填料的留著率較高，適合生產紙頁表面性能好的紙種;這類網的緯線比較細，不耐磨，使用壽命短。粗的聚酯單絲織造的低密度經緯結構的單層網，可以提高成形網的耐磨性和使用壽命，但是其纖維、填料留著率低，成紙效能差。改進的加強型單層網(如圖1(b))的特點是在普通單層網的基礎上增加了1組線徑較小的緯線，這組細緯與較粗的緯線交替與經線交織，其目的是為了增強橫向穩定性，增加纖維、填料留著率，提高成紙效能［5］。這種成形網在車速200m/min以下、幅寬較窄的造紙機上應用較多。對於中高速造紙機，單層成形網不能滿足要求。
2.2多層網
現代化的高速寬幅造紙機要求成形網有良好的脫水效果和較高的纖維、填料留著率，單層成形網(包括加強型)不能夠滿足需求。為滿足高速、寬幅的現代化造紙機要求，多層聚酯成形網應運而生。多層網的優點是可以透過面層和底層的單獨設計編織結構來改善成形網面層(紙面)和底層(機面)的效能，更好地適應各種造紙機的需求。其思路是面層在保證脫水的情況下有更高的纖維支撐指數(FiberSurportIndex，FSI)，而底層則是在保證脫水通道暢通的前提下增強底層緯線抗磨損的能力。目前，已經成熟應用的有兩層、兩層半、三層和三層半系列，並且透過不同的綜數編織達到所需效能。
2.2.1兩層網
根據前面的思路，兩層網是在單層成形網的基礎上，根據面層和底層功能的不同，透過在橫向引入多個緯線系統進行相對獨立的設計編織，如圖2(a)所示。從兩層網的橫向(CD)結構看，有兩個獨立分開的緯線系統———面緯和底緯，分別實現各自不同的功能，經線也是兩層的。編織過程是同一根經線穿過上層的緯線後向下再穿過下層的緯線，使面層、底層編織在一起。與單層網相比，這種兩層網結構更加緻密、尺寸更加穩定，而且可以透過改變不同的編織工藝來適應抄造不同紙種造紙機的要求。一般面緯和底緯的密度和線徑不同。面緯的密度略大，線徑較小，這樣有利於提高纖維的留著和降低紙張的兩面差;底緯的線徑比較粗，為的是使網子更加耐磨，提高使用壽命。這類兩層網的挺度不夠和橫向穩定性差，制約了其在高速寬幅造紙機上的應用。為此，研究人員開發了強化型兩層網(三層緯線網)，結構見圖2(b)。它是傳統兩層網的變化形式。這種網子雖然改善了挺度和橫向穩定性，但由於其結構中只有一個縱向經線系統，所以整體緊湊性差，橫向的3個層面容易產生相對滑動，使得網子的內部結構遭到破壞，而且紙頁成形和脫水效果均不好，價效比小，目前基本被淘汰。兩層網及多層網從上往下看似乎是全封閉的，不易脫水，但傾斜一定角度觀察，就會發現兩層網同單層網一樣暢通，其脫水過程類似於流經多孔性物體，而不是像單層網的垂直方向脫水，這在一定程度上延緩了脫水速率，改善了細小纖維和填料的留著和紙頁勻度等［5］。
2.2.2兩層半網
兩層半網也就是加強的兩層網，本質上屬於兩層網。兩層半網是在兩層網的基礎上在面層增加了1組填充緯線，從圖3中正面檢視和橫向檢視可以看出，面層多了一組填充緯線(圖中是深色)。面層的經線線徑比較細，相應增加的緯線更細，這樣的結構提高了網子的纖維支撐指數和纖維留著率。網子整體層更加緊湊、細膩，改善成紙效能和兩面差;而底緯線徑要比面緯線徑粗得多，保證較好的耐磨效能和執行穩定性。兩層半網適用範圍廣，可以應用於300m/min以上生產各種紙種的中高速造紙機，特別是中速造紙機上。兩層半網和兩層網存在的問題都是它們的縱向單經線系統沒有改變，經線貫穿上下兩層的緯線。這一方面限制了它需要同時滿足紙面和機面不同要求的潛力，另一方面，經線上下穿梭的編織形式，在執行過程中承受巨大張力的情況下容易造成過快磨損，影響成形網的使用壽命。
2.2.3三層網
為了解決兩層和兩層半網存在的問題，造紙織物工作者開發出了三層網。三層網的特點是面層和底層可以完全分開，使面層成為成紙面，底層成為支撐面和耐磨面。這樣面層的經緯線均可使用線徑更細的聚酯單絲，織造更加適合紙張效能的面層(紙面);底層的緯線可以採用線徑更粗的聚酯單絲，配合一定比例的尼龍代替聚酯單絲，從而提高成形網的使用壽命;面層緯線和底層緯線的數量比例採用2∶1或者3∶2［12-13］。兩層網的結合是透過中間層縫合起來，可以採用緯線縫合，比如傳統三層網和自支撐繫結縫合技術(SelfSupportingBinding，SSB)三層網，其橫向切面結構如圖4所示［14-15］。
圖4三層網橫向結構圖4(a)是傳統三層網橫切面的截面圖，從圖4可以看出，面層和底層經、緯線各自交織，形成獨立的網層;兩層網透過中間橫向的單緯紗線縫合在一起，單緯的唯一作用就是將上下兩層網縫合在一起，一般採用的是尼龍紗線。這種結構的網子在造紙機執行過程中，內部磨損比較嚴重，容易斷裂造成上下兩層網分離而下機。因此，又開發出了SSB型系列成形網，它採用的是橫向雙緯線縫合系統(見圖4(b))，兩條相鄰的縫合線輪換著在面層和底層交織，從表面上看雙縫合線近似1條線，這樣面層編織結構達到理想的平織，使面層平整性達到最最佳化。與傳統的三層網相比，SSB網的這種相鄰縫合緯線的交換輪轉限制了面層和底層的相對運動，在一定程度上緩和了其磨損程度，提高了使用壽命;另外這種縫合不僅起到縫合面層和底層的作用，還在面層起到支撐纖維的作用，使網子整體更緊密。
SSB網是目前三層網的主導產品，每個品種有不同的系列。目前常用的有16綜、20綜和24綜等。所謂綜數就是用來描述織機上一個織造迴圈的不同順序安排，對於多層網來說，是將上下兩層看成整體來計算的。綜數越多，織造迴圈的變化種類越多。根據目前的使用看，16綜SSB網的耐磨性好，但容易翹邊;24綜SSB網不易翹邊，使用壽命卻短於16綜SSB網。使用中要根據紙種和造紙機進行相應選擇。成形網在造紙機上執行過程中，面層和底層存在一個相對運動摩擦的作用，這不僅對傳統三層網的縫合線造成磨損，對SSB成形來說，其磨損也是不容忽視的。圖5為SSB網繫結緯線的內部磨損狀況，從圖5可以看出，經過一段時間的執行後，SSB網內部中間繫結線也會被磨損，這主要是由於造紙機在執行過程中受到縱向張力，面層和底層產生相對運動摩擦造成的，造紙機負荷越大，磨損越厲害。這種磨損不僅影響成形網的.使用壽命，也影響網子的脫水和清洗，比如磨損處更容易黏附膠黏物等。
根據生產紙種和造紙機的特點設計相應的三層網可以改善紙張的質量和造紙機效率，在這方面，生產造紙成形網的幾家外國企業均開發出相應的產品。比如，福伊特公司針對印刷紙的特點開發的更纖細、更薄的成形網———PrintFormI成形網，結合聚酯成形網紙面細膩和機面結構穩定的優點，可以減輕造紙機執行負荷、成形網回溼及成形網尺寸穩定;德國漢跋(Heimbach)公司採用Stabilon新型聚合物單絲生產的PrimobondXF成形網可以提供高的纖維支撐指數、最大的脫水能力和較長的使用壽命;2007年初，坦菲爾德公司推出了一種Hispeed成形網，這種設計結合了SSB網的高纖維支撐力和良好的穩定性以及兩層網的輕薄和高效脫水的優點，成功用在夾網成形器、混合成形器上，包括新聞紙、LWC和SC等造紙機上;海克王納(HuyckWangner)綜合考慮了濾水能力、紙幅幹度、留著率、紙幅勻度和執行效能等指標，設計了新一代的成形網———Apexx，其關鍵技術在於新型經線概念和造紙機橫向上的網孔結構，當纖維離開流漿箱時，他們會沿著造紙機方向定向排列，獲得更好的留著。
傳統三層網和SSB網均是採用橫向緯線縫合技術，紙機執行過程中，面層和底層產生相對移動引起磨損，長期執行會破壞縫合紗線及面層和底層的內部結構。近年來又出現了經線縫合技術的三層網，有代表性的是經線整合繫結(IntegratedWarpBinders，IWB)，圖6是IWB網的縱向截面結構圖。可以看出，與傳統三層網和SSB網不同的是，IWB網採用的是經線縫合技術，這是結構上的變化［14］。圖6展示了IWB網沿著造紙機縱向的橫切面結構圖，從圖6可見，兩條縫合經線共同作用編織在網子面層中，與SSB網一樣增加了面層纖維支撐指數。在造紙機執行過程中，經線縫合也受到縱向張力作用，但由於經線縫合是沿著造紙機縱向的、上下兩層不產生相對運動，因此內部磨損小。這種經線縫合的IWB網在執行過程中受到縱向張力的情況下，結構更加緊密，增加了其強度。這種強度的增加可以採用更優質的細紗線，提高經緯密度，增加纖維支撐度，改善脫水效能和成紙質量。另外，江蘇金呢工程織物股份有限公司新開發的經線自繫結(WarpSelfBinders，WSB)成形網也是在這個思路的基礎上開發的，填補了國內空白。
目前，三層以下聚酯成形網已被國外先進造紙公司淘汰，國內中高速造紙機也基本採用的是三層網，特別是SSB網。IWB網和WSB網是屬於新型成形網，IWB網在國外正在逐漸推廣。隨著技術的日益成熟和造紙機的發展，IWB網和WSB網等必定是國內造紙成形網的主導產品。
3造紙成形網發展趨勢
造紙成形網發展迅速，目前的SSB網基本能滿足市場需求，而隨著IWB網和WSB網技術的成熟，它們將成為高速現代化造紙機用的主要脫水器材。
為了改善成形網表面等效能，國外有三層半網、甚至四層網，但層數的增加造成成形網厚度的增加，導致造紙機執行負荷高、脫水效率低等問題，得不償失，因此前景不看好。今後造紙成形網的發展趨勢:
(1)更加適應各類現代化高速、寬幅造紙機的聚酯三層成形網技術。這需要系統研究成形網在高速紙機上應用過程中磨損、汙染的機理和脫水效能歷程等。
(2)開發完善三層聚酯成形網的多品種、多系列產品。可以透過編織工藝的進一步改進，如根據不同紙漿原料、抄造方法和造紙機進行分析，改變三層網的面層和底層的經緯比，進行產品開發。
(3)開發功能性三層聚酯成形網。如改善聚酯成形網表面親水性，提高其抗憎水性樹脂等黏附汙染物的能力;透過奈米聚酯材料等的新增改善成形網的耐磨性、穩定性及抗汙染性。
造紙成形網是個交叉行業產品，這些關鍵的科學問題涉及各個領域和行業。各高校、研究院所和企業合作研究開發，互通訊息，資源共享，必將開發出適應國產高速造紙機用系列成形網。