造纸毛毯材料及工艺研究进展

谭 昕,覃 俊,康建平,*,何雨静,李佳逸,何 勇,

(1.四川省纺织科学研究院有限公司,四川 成都 610083;2.高技术有机纤维四川省重点实验室,四川 成都 610083)

造纸毛毯在造纸工业中起着不可或缺的作用,也是产业用纺织品中功能专用、用途特殊、质量有独特要求的一种重要材料。造纸毛毯用于造纸机压榨部位,可以提高脱水效率,保证纸张的质量,在纸张制备过程中进行湿纸幅的运送,帮助纸张脱水,起到调整纸页的表面性质、平整纸页等作用[1],它与纸张成本、生产质量、造纸机的工作效率等因素关系密切。

随着造纸技术的不断进步,造纸机车速越来越快,造纸压榨部的出纸干燥速度越来越快,对造纸毛毯的要求也越来越高。优质的造纸毛毯需要有较长的使用寿命、良好的平整性、稳定的高度和尺寸。国内外不断开发新型造纸毛毯产品,以提高毛毯的综合使用能力。四川环龙技术织物有限公司及四川省纺织科学研究院有限公司研发出多轴向多层造纸毛毯,切实改善了现今毛毯存在的问题。

1 造纸毛毯研究进展

1.1 造纸毛毯的发展历程

在公元3000年前,北非尼罗河流域的居民利用亚麻制造地毯,当时并不用于造纸。蔡伦发明的造纸术于11世纪传入欧洲,自此,造纸毛毯开始发展[2]。14世纪马可波罗从中原将纸币带入欧洲,1450年德国人谷登堡发明了印刷机,这促进了造纸机的发明。当时手工作业效率极低且无法抄制大幅纸,传统的原料和操作方法落后,无法满足生产要求。于是不少科学技术人员拟采用机械方法代替人力,各种各样的造纸设想陆续出台。在我国,造纸毛毯的生产与发展已有70多年的历史[3]。

造纸毛毯在造纸工艺中主要用于三个阶段,分别是纸页成型、压榨和干燥。在造纸机上,纸浆依托自身重力及吸水箱的吸抽脱去较大部分水分,随后造纸毛毯将其传递给各道压榨部脱去剩余水分,在压榨部脱水后纸浆进入干燥区烘干[4]。文中提到的造纸毛毯是用于纸机压榨部的压榨毛毯。

1.2 造纸毛毯的类型及其工艺

按照造纸毛毯的发展历史可以将其分为三种类型,分别是:羊毛造纸毛毯、底布针刺造纸毛毯(Batt On Base Paper-making Felt,简称BOB毛毯)、底网针刺造纸毛毯(Batt On Mesh Paper-making Felt,简称BOM毛毯)[5]。羊毛造纸毛毯通过纺纱、织布、镶头、缩呢、起毛、定型等系列工序制作而成,其中化纤成分占比不超过30%。由于羊毛强度较低,生产工序复杂,导致羊毛造纸毛毯存在生产成本高、平整度较差、耐磨性能差、使用寿命短(通常为3～4周)等缺点。BOB毛毯有2种用料,其中,羊毛与化纤混合而成的称作混纺毛毯;随着原料中化纤的使用量逐年增加,发展出另一种类型的全化纤底布针刺植绒毛毯[6]。BOB毛毯具有高强度和高稳定性能,为造纸行业带来一场变革,解决了传统羊毛造纸毛毯长期无法克服的平整度差、耐磨性能弱及使用周期短等弊端。其使用周期达羊毛造纸毛毯的1.5～2倍,降低了造纸过程中毛毯的消耗及生产成本。但在工业化进程中,BOB毛毯的空隙容易被细小纤维及杂物堵塞,需要经常进行更换,这使毛毯的寿命大大降低,不适合在高速纸机上使用[7]。随着造纸工业和造纸技术的迅猛发展,高速纸机大量生产,BOM毛毯逐渐取代了BOB毛毯。BOM毛毯通常分为底网层和纤维层。其中底网层是以单丝为原材,通过不同的方法交织针刺而成,通常采用平织或双层织造。纤维层是由不同线密度的锦纶经梳理后分层铺设而成。然后通过复合针刺及热定型将底网层和纤维层进行结合得到BOM毛毯。这种毛毯具有规格稳定、高滤水性、高强度的特点,其底网不易被杂质堵塞,是目前高速纸机的专用毛毯[8]。近年来,造纸技术发展迅速,生产线上压力不断加大,针对不同规格的造纸机,需配备不同宽窄、厚薄程度、长短的造纸毛毯,传统BOM毛毯的适应性受到较大限制。为应对造纸毛毯承压能力和快速回弹性等更加苛刻的性能要求,毛毯生产企业努力从纤维原料的选择、织造方法、针刺工艺、后处理技术等诸多方面,力争改进以适应造纸技术发展的新要求。

2 造纸毛毯的工艺研究进展

2.1 国外研究现状

2.1.1 开发与生产现状

20世纪80年代初期,欧美率先开始研究多轴基网叠技术,这种结构通过针刺工艺将两层或多层的独立基布进行结合,上层底网通常比较细腻平整,下层底布可以是单层或多层[9],解决了毛毯的抗压性和抗污性问题[10],适应于大张力纸机。

Voith公司开发出新一代复合压毯[11],在传统叠层之中加入了一种新型复合层以维持造纸毛毯的弹性,这使得毛毯的形变程度降低,不易坍塌,从而使得排水能力得到增强。它不是实心单线结构,湿纸压榨后的干度得到提高。这种复合毛毯在平整性、纸张均匀性及平滑程度等方面的优点都得到了体现。

Albany公司和Geschmay公司[12]联合开发出Pressision造纸毛毯,这种毛毯利用了薄膜技术,可以将不同原料进行分层,从而提高纸张的平整度,可以运用到多种类的高速纸机中。

Evolution造纸毛毯[13]的密度可以维持在特定理想值,这是由于其中添加了特殊的高分子颗粒,结构如图1所示。这种毛毯具有较好的稳定性,可使开机速度加快,同时在压榨部脱水效果良好,较大程度提高毛毯的使用寿命,从而实现节能减排。

图1 Evolution毛毯三维结构[13]

Voith造纸技术公司于2020年推出新型Up Element压榨毛毯[14]。这种造纸毛毯可使开机启动时间更短,同时较大程度提高了毛毯的脱水能力;此外,与标准压榨织物相比,这种毛毯可提高50%的启动速度,使得操作更加稳定,毛毯寿命更长。

2.1.2 发展趋势

国外的造纸毛毯技术远远领先国内。国外造纸工业到20世纪60年代已形成基本体系,20世纪70年代以后设备整体上就只有补充改造。20世纪80年代,叠层压毯用到了宽区压榨和靴式压榨,主要由奥伯尼和阿斯顿强生等国外造纸毛毯企业生产,应用于车速大于800 m/min、工作线压力大于950 k N/m的高速、高线压造纸机。随着造纸机和造纸技术的不断发展,目前国外造纸机的车速大于2 000 m/min,工作线压力大于1 000 k N/m。由此可以预见在未来,纸机车速还可能进一步提高,纸幅脱水更加困难,推测未来靴式压榨将达到1 200 k N/m。Lehto[15]认为今后的造纸毛毯在满足纸面高要求的同时,需要适应越发苛刻的运行环境。

2.2 国内发展现状

2.2.1 开发与生产现状

公元105年由蔡伦发明造纸后,造纸术就从河南向经济文化发达的其他地区传播,传到汉中地区并逐渐传到全国,最终走向世界[16]。造纸术的发明直接促进了我国造纸行业和造纸毛毯行业的发展。

20世纪40年代中期,从原上海美伦毛纺厂生产国内第一条造纸压毯起[17],中国造纸毛毯制造业开始采用化纤与羊毛混合编织造纸毛毯。曾经上海、青海、天津三家造纸毛毯专业企业制造的产品基本能满足当时行业所需,被誉为“上、青、天”。伴随计划经济转变为市场经济,全国多家企业争先恐后建立造纸毛毯生产线。但这些企业起点较低,规模不大,所使用的生产原料缺乏技术支持,发展后劲严重不足。

从20世纪70年代开始,造纸压毯制造厂开始大范围增加,逐渐达到上百家[18-19]。造纸毛毯行业从羊毛造纸毛毯时期过渡到混纺针刺压毯时期,再经过全化纤针刺压毯时期[20],最终进入到批量生产BOM毛毯时期。多家企业具备生产BOM毛毯的工艺,甚至部分企业生产出多层BOM毛毯。

经过多年的低谷和发展,自2009年来,我国造纸行业进入整合期,一大批不符合要求的落后产能被淘汰,中国于2010年成为世界第一大造纸国,且总产量仍在不断扩大,行业整体进入了供过于求的时代。太阳纸业造纸公司于2011年改造出双层底网毛毯[21]并对其进行加厚。在不影响纸页平整度的同时加大了压榨脱水能力,毛毯使用寿命有一定增加。更换新型毛毯后,将软压光辊减少了一道,减少了耗电量,实现开流节源。徐州三环科技[22]通过多年攻坚打造出生活用纸生产用毛毯系列产品,可应用到1 200～1 800 m/min的高速纸机中,其适应期短、运行稳定,生产出的纸页平整且柔软。

2.2.2 发展方向

1995年以后,国内原有的大多数造纸机已经落后,工厂不断进行设备更新,只有成功转型的企业得以存活[23]。目前除造纸毛毯龙头企业,国内90%以上的造纸毛毯制造商的设备都比较简陋,生产原料和工艺有较大欠缺,只能生产中低档产品。目前,配套高速先进纸机的造纸毛毯大多数从国外进口。据有关资料显示[24],造纸毛毯的进口数量在逐年大幅增加。随着我国造纸行业的不断改革,高端造纸毛毯的需求越来越多,中低端产品的需求越来越少,这类企业的竞争越来越激烈。造纸厂家应努力探寻新思路,开发出达到国际水平的造纸毛毯技术。

2.2.3 多轴向多层造纸毛毯

针对造纸毛毯材料存在的固有问题,四川省纺织科学研究院有限公司及四川环龙技术织物有限公司项目研发团队开发了多轴向多层基网叠合技术,根据多轴向多层造纸毛毯规格的变化,设计上、下层基网使用的原材料、组织结构及叠合角度,满足造纸毛毯的高车速应用要求,可广泛应用于我国1 000 m/min左右的主流造纸机,还可应用于1 500 m/min的高车速生活用纸造纸机,具有巨大的市场需求,拥有良好的市场前景。

多轴向多层造纸毛毯用二层或以上的独立基网通过一定角度进行叠合,运行方向和毛毯内的多层基网经纱方向有一个角度,这种结构使毛毯在纸机高线压力作用下,基网相邻经纬线不会相互嵌入,保持空隙容积,能耐长时间的高线压力作用,延长压榨织物使用时间。

3 存在问题与建议

3.1 存在问题

和国外造纸毛毯企业相比,我国的造纸毛毯行业在理论研究和生产技术上都还有很多不足,造纸毛毯的使用寿命受原料、生产加工工艺、压榨方法和维护手段的影响[25],国内的造纸毛毯通常会出现以下问题。

(1)造纸毛毯经反复压榨过早出现压实、变形,使毛毯失去弹性。

(2)纸浆中的细小纤维、化工辅料等物质残积在毛毯孔隙中,使其堵塞,失去脱水能力且不易清洗。

(3)由于受到机械物理外力、漂白剂等化学药剂以及制造过程的影响而导致毛毯绒面纤维降解能力变弱,从而产生脱落[26]。

(4)造纸机速度的不断提高,所需造纸毛毯的微观加压更均匀,空隙容积更大,从而承受更多单位时间的脱水量。

3.2 建议

(1)精准研究材料性能,提高造纸毛毯质量和使用寿命。现有造纸毛毯所存在的问题将影响其整体质量,为了改善受堵塞情况,使其能更好适用于不同速度的高速纸机,还需要进行针对性的研究,从而提高使用寿命。

(2)推进成果应用,实现我国造纸毛毯国际化。通过产学研深度融合,加大生产应用的力度,建立完善质量体系,打破国外产品在我国的垄断地位,推进我国纸机压榨织物的技术进步和发展。

4 结束语

近年来,经过我国造纸行业的不懈努力,毛毯质量取得了一定的进步,开发出了一些性能优异的产品。目前,以追求高性能质量、提高国内市场的占有率为目标,成为造纸毛毯行业的新需求,生产出取代进口产品的毛毯已迫在眉睫。多轴向多层造纸毛毯的成功应用,以其独特的基网结构,其抗压性、抗堵塞能力和清洗能力都比普通造纸毛毯更胜一筹,能更好地应用于高线压、高车速的造纸机中。