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【技术】湿法非织造斜网试验机的发展及其应用

来源:浆纸技术 编辑:admin 时间:2020-03-18
导读: 湿法非织造技术是在传统的长纤维造纸技术的基础上发展起来的一项新技术,是以水作为分散介质的纤维成形的非织造形式,是水、特种纤维或可能添加的化学助剂在设计好的成形器中脱水而制成的纤维网状物,再经物理或化学处理及后续加工后而获得的特定性能的非
 

赵立新 先生工程师;

从事湿法无纺布与特种纸技术的技术应用工作,

致力于先进造纸设备、工艺、材料的引进及在国内的推广和应用。

    湿法非织造技术是在传统的长纤维造纸技术的基础上发展起来的一项新技术,是以水作为分散介质的纤维成形的非织造形式,是水、特种纤维或可能添加的化学助剂在设计好的成形器中脱水而制成的纤维网状物,再经物理或化学处理及后续加工后而获得的特定性能的非织造产品。它沿用了许多现代造纸的工艺和制造设备,而且它与纸机的外观和某种性能上十分相似,但是,由于近代非织造布技术的日新月异,不同领域或者交叉科学知识的应用,产品更趋于专业化和系列化。这就需要在生产初期使用适合满足高性能纤维长度与细度要求具有性能优异的试验机进行开发与验证,满足特种功能纸在透气度、强度、特殊结构的要求。因此通过斜网试验机研究分析特种纤维的性能和适用范围,明确了斜网成形器更适用的纤维状态与规格,为生产运行提供更好的基础数据成为必要。本文以特种纸行业斜网试验机的发展过程及趋势,结合湿法成形斜网试验机的组成、应用示例进行探讨交流,以更好地推进特种功能纸(湿法非织造布)生产技术的发展。

 

1  国内外斜网造纸工艺与斜网造纸试验机的发展趋势与近况

    早在1846年,斜网成形法被发明,并取得了英国专利权。但在发明以后相当长的一段时间里,没有得到广泛应用与推广。日本人采用长纤维马尼拉麻浆抄造高品质的“和纸”,为解决一般的长网或圆网在抄造长纤维的困难,选用了类似的斜网成形器。20世纪30年代,欧洲开发出第一代正式的斜网成形器装置,用于茶叶袋滤纸的生产。美国Dexter公司在20世纪50年代对斜网成形器作了改良和完善的工作。上世纪60年代之后,欧洲的造纸工业开始应用合成纤维,比如德国Feldmühle公司的工厂1959年在德国菲尔森建立了实验生产线,这是1965年德国兰施泰因纸厂建立的规模化斜网生产线的基础,这台斜网纸机成形部角度为40°,用于生产合成纤维纸和过滤材料。福伊特在20世纪60年代建立了实验生产线,并且为德国盖恩斯巴赫的Schoeller & Hoesch公司提供了第一台斜网纸机,用于生产茶袋纸。在电池工业与玻璃纤维电池无纺布方面,20世纪60年代中期,在德国Gemmrigheim建立了一条实验生产线,并将相关技术应用到瑞士劳芬堡(也就是后来的Royalin无纺布)用玻璃纤维来生产电池隔离纸。

    直至20世纪末,斜网成形器及斜网试验机只有国外个别公司可以生产制造。最初杭州新华纸业从德国斜网试验机公司引进斜网试验机,用于开发非织造特种纸,是中国较早开展斜网造纸技术的厂家。此外杭州造纸研究所也引进了VOITH一台单层的斜网成形器,用于生产和实验。国内陕西科技大学、民丰特纸开始研制制作斜网试验机,主要要求模拟大型斜网纸机的生产条件,能开发新产品,采用了斜网与长网相结合的形式,这样既可生产单层纸,又可生产双层纸。这种形式的斜网试验机既是一种新尝试,又满足开发产品的需求,在特种纸与湿法无纺布方面做出了贡献。

    当前斜网试验纸机的发展:在斜网成形器的工艺设计和生产制造上需深入研究,加强与生产使用客户的衔接配合,注重在网前流送短流程的设计和自动控制方面,特别是浆、网速比的调节,脱水速率的控制设计,真空系统控制调整的设计问题。同时借鉴目前已运行的斜网纸机自动控制如DCS、QCS以及MCC运行经验,将对提高和稳定产品质量起关键作用。

 

2  斜网试验纸机主要结构与要求 

图1  双层斜网系统布置

    斜网试验纸机是用于实验室连续抄造特种功能纸产品的,可以实现小规模生产和优化技术工艺。同时具备设备模块化设计,可选项目多,结构精巧,易于操作,运行稳定,控制精度高,安全性高的优点。这样既可以用于产品研发、实验开发,也可以小规模连续化生产,满足特种功能纸的需求,实现开发实验与生产的目的。

2.1试验机生产线具体参数及常见配置

    幅宽310mm、620mm;车速2~20m/min,可实现连续调节;定量10~1000g/m2范围内在线根据需要调节,实现横幅定量差±3%;斜网部成形系统:流送系统、布浆器、多层斜网流浆箱、斜网成形部等。

    常用配置还包括:(1)称重计量设备;(2)制浆设备与储存设备,浆池2~3个,容积1m3,搅拌器:2个特殊叶轮;(3)加药分散添加设备;(4)等压布浆器设备;(5)浸渍系统与水刺系统;(6)二层、三层流浆箱根据需求选择;(6)烘干系统:根据需求配置烘缸系统、热烘箱、热风穿透等;(8)收卷系统;(9)智能控制的电控系统;(10)质量控制系统。

2.2试验机生产线所需常见配置的要求与选择

2.2.1斜网试验机的功能与流浆箱形式的选择

图2  三层斜网系统布置

    从斜网试验机的功能来看,要充分考虑试验机的组合型与产品的方向,需选择多层斜网结构,一般为二层或三层,这样可以提高多层结构的功能产品,满足生产分层纤维结构的产品需求,满足粗细纤维分层复合抄造脱水功能良好,同时既保证产品质量,大大降低生产成本和节约资源,也可考虑斜网与长网的结合形式,目前也是很好的结合形式,对于开发新品种十分有利。

2.2.2流送系统及其定量控制

    通过控制上网的浆料流量与浓度实现定量的控制。根据上网浓度的前馈控制与通过定量水分控制系统的绝干浆反馈数据来调节控制上浆泵流量。系统分别配有流量控制以及流量传感器与浓度传感器。通过电脑及触摸屏调整纸张的定量,涉及因素(速度、固体含量、流量、宽度)自动控制。同时根据需求配置等压布浆器设备,进一步提高横幅定量的稳定性。流浆箱控制系统可在运行期间调整参数,提高运行效率。流浆箱开口可以调节,可升级多层喷浆系统。

2.2.3初完善的备浆与白水系统调控

    浆槽带在线浓度传感器(可选两个或多个可互相联通/切换的浆槽)所有的浆槽都装有液位传感器,泵的频率由PLC控制。阀门由PLC直接控制,网下白水单独收集和再利用。

2.2.4初烘干形式

    针对化学纤维性能的要求,合理选择烘干方式与温度,使用导热油或燃气加热,满足产品的实验要求。根据需求可配置小型热压机,提高产品性能。

2.2.5控制系统及仪器特点

图3  单层斜网系统布置

    完整的可编程控制器控制单元,PLC控制器带触摸屏:所有重要的工艺参数将显示并持续检查状态,连续检查调整值与实际值。参数可通过PLC/触摸屏进行调整和控制。PLC有配方管理,可以创建许多不同的配方自动和标准化生产所有控制系统集成在一个电脑的软件上。同时电动机由一个特殊的运动系统控制可以创建不同的程序。

    关键参数与仪表精度:对于流量传感器、浓度传感器、网速、真空度、压光温度、复卷扭矩,要做好控制要求及要求的范围。

    目前作为一种小型组合灵活的斜网造纸试验机生产线将会用于提供测试样品和特种纸试生产,以便清楚地了解某种特种功能纸在投入产业化生产后将具有哪些特性,有利于研发适应不同用途的特种纸与非织造布产品品种,成为提供一个特种纸与非织造布实验基地,以便达到快速、经济有效的效果。在确定一个适合斜网试验机的特种功能纸产品项目前,第一,要将各种使用的纤维进行试验室抄片试验,以验证其生产的可行性;第二步是“小试”,也就是根据试验室效果在斜网造纸试验机进行放大测试;第三步是“中试”,就是根据小试结果在造纸试验机进行产品连续试生产,提供给下游客户试用。因此同时通过产品中试过程,可实现非织造产品生产线的各个阶段进行小规模的真实工况模拟,可对斜网试验机配置、生产工艺和纤维产品的有效组合进行更为创新和高效的测试和审核。特种功能纸产品开发中的重要环节,斜网试验机产品图片如图1~图3。

    斜网试验机必须结合长期的生产经验设计、制造,其要求易于使用和运行,输送管道和侧墙是透明的,可以用来观察和评估生产过程。通过提高设备的自动化程度,可以用最低的水耗,最少的原料、化学品,最低的人员成本来获得理想的实验结果。所有的材料都是根据水质和化学品来选择的。搅拌器、浆泵配件、机架、基础等与浆料接触的部位一般采用耐酸不锈钢材质。

    所有的操作流程都可以根据要求的设定和重复,可以一次实现单机空运转、带水试运转、空机联动试运转,通过在线质量控制系统实现上浆调试,稳定生产等。  

 

3  斜网试验纸机的应用与举例

    特种功能纸(湿法非织造布)所用的纤维原料主要品种有马尼拉麻纤维、韧皮类纤维、黏胶纤维、芳纶纤维、碳纤维和玻璃纤维、PET/PA/PE/PP纤维等。特种功能纸(湿法非织造布)所用纤维随资源不同、产品的最终用途不同、采用的设备不同而没有统一的标准,其主要应用领域为工业过滤净化、医疗卫生、服装装饰、家用擦拭的无纺布和特种纸,主要代表产品有汽车三滤产品、空气滤器产品、摩擦材料产品、电池隔膜类产品、医疗卫生用纸、电气绝缘产品等。

    作为实验用斜网成形试验机,要结合当前先进的斜网多层成形技术,满足在斜网成形器的生产线上集成创新的需要,也要适应为今后一个时期特种功能纸发展趋势的新产品开发(如特殊用纸与新兴产品:燃料电池用碳纸、高性能膜材料等)与小批量生产。建设新型的斜网成形试验机生产线对产品品种开发具有示范性与引导性,有利于提高特种纸产品研制能力和研制质量,保持斜网试验机在特种功能纸领域的领先地位。

    斜网试验机在研究特种功能纸(湿法非织造布)的单位及企业应用情况举例介绍如下:

3.1欧洲某机械设备公司利用斜网试验机开发特种功能纸设备及产品试验

欧洲某机械设备公司斜网纸机非织造技术中心配置了灵活的湿法非织造生产线试验机,以最先进的湿法实验线设备为客户提供实验、产品开发和专家服务。斜网试验机生产线包括碎浆机、制浆打浆贮存罐系统、三个流送系统、一个封闭的白水系统、一个带分配器的三层水力式斜网箱、一个斜网脱水部(角度10°~20°)、一个加压装置、烘干部、卷取部等。三层式结构的流浆箱带有固定分流装置飘片装置,允许每层浆流能够以不同的流量与浓度被流送到成形网。这种可变性可提高成纸品质,特别是提高纸层的纯度和强度,产生极好的纸页匀度与力学性能,可实现功能与成本的最佳结合。

    通过多层的斜网试验机生产线可以实现使用天然和合成聚合物纤维组合各种结构的纤维(包括回收纤维)生产非织造布的半成品及成品,流程优化,为新产品开发试验做准备。

3.2国内斜网试验机生产特种功能纸

基本特征:主要设备有600mm斜、长网特种功能纸试验机,直径1250mm的双缸造纸机及配套的打浆设备和上浆系统等;纸机可抄造的纸幅最大宽度为600mm,定量为15~150g/m2,车速5~30m/min,最低抄造试验量为10公斤以上(绝干纸)。

    斜、长网特种功能纸试验机由斜网部流浆箱,平网部流浆箱、网部、压榨部、烘干部,压光机,水平式卷纸机,基础部,机械传动,电控部分,压缩空气系统,汽罩部等组成。纸机采用一道气动加压的压榨方式,真空吸移揭纸,双缸干燥,水平卷纸装置。该设备是一条专门用于试验研究的小型试验纸机,是国内自主设计的斜网试验中试设备,试验纸机采用斜网加圆网的复合成形方式,可以适应纸张定量从15g/m2到150g/m2的稳定抄造,配以槽式打浆机加盘磨的浆料处理设备,可以适应各种木浆、化学纤维以及改性纤维的浆料处理,可以用于特种功能纸新产品的小试、中试研究。

    从国内外斜网试验机的发展来看,国内斜网试验机还处于从最初的单层上浆的斜网形式,正向实现双层、三层飘片式斜网试验机的发展阶段。飘片式斜网试验机的开发与使用,将会为特种功能纸的进一步发展提供重要的设备条件,抄造的纸页层间结合好,结构合理,适应过滤材料和复合材料的需求与发展,适用于特殊功效的复合材料。通过斜网试验机针对不同应用条件下的各种纤维备料、抄造、干燥等技术进行试验与研究,特别是纤维改性分散处理和分层混抄搭配技术的使用研究,是实现特种功能纸产品技术升级的发展趋势。当前开展复合材料技术研究工作也会促进斜网试验机的开发与应用。

 

4  总结

    通过斜网试验机在研究特种功能纸(湿法非织造布)中的应用,展示斜网试验机在特种功能纸(湿法非织造布)研发方面的作用与各种特种纤维的利用相结合的意义。

    在现代特种功能纸制造中,斜网试验机生产线取得了特殊地位和广泛应用,也推动了特种功能纸与特种纤维产品的不断变革和完善。建设先进的斜网成形试验机作为创建一流的研究特种功能纸成形的试验手段,对提高研制能力和研制质量,为高新技术行业配套的特种功能材料的研究开发搭建优异的平台,有利于加快研究进度。必将在开发特种功能纸的新品种、新规格,提高产品质量和推广应用方面上一个新的台阶,同时与现有特种纸企业的斜网生产线相结合,可缩短成果转化周期,全面提高特种功能纸技术含量。作为科研院所和高新技术研发中心也可为国内外特种功能纸行业提供技术服务与指导。

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