造紙成形網(wǎng)的進展過程綜述
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本文作者：朱文遠、張輝、吳波、周積學、盛長新、葉平 單位：南京林業(yè)大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室、江蘇金呢工程織物股份有限公司
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(wǎng)部進入壓榨部之前的干度為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(wǎng)部完成的［1］。造紙成形網(wǎng)在各輥子和脫水板上運行，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(zhì)量要求的日益提高，以及現(xiàn)代造紙生產(chǎn)逐步向著寬幅、高速和低定量化的方向發(fā)展，造紙成形網(wǎng)必須適應現(xiàn)代化高速紙機的高效、均勻和穩(wěn)定脫水等要求。造紙成形網(wǎng)除了要具備優(yōu)良的纖維截留特性、高效的脫水性能及良好的清洗效果之外，還需要很好的運行穩(wěn)定性。目前，聚酯成形網(wǎng)已幾乎完全代替了傳統(tǒng)的銅質(zhì)成形網(wǎng)，特別是聚酯三層成形網(wǎng)已成為現(xiàn)代化紙機的主流用成形網(wǎng)。
1造紙成形網(wǎng)材料
1.1造紙成形網(wǎng)材料的現(xiàn)狀
古代的造紙術是以中國東漢蔡倫發(fā)明的手工抄紙為代表，采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(yè)革命引起的造紙機的發(fā)明，金屬材質(zhì)(主要是銅質(zhì)或者不銹鋼)造紙成形網(wǎng)逐步取代了竹制網(wǎng)篩［2］。紙機車速的提高和幅寬的擴大，金屬成形網(wǎng)負荷重、壽命短和耐酸堿差等缺點越來越明顯，逐步被塑料成形網(wǎng)取代。塑料網(wǎng)又分為聚酯網(wǎng)、聚酰胺(尼龍)網(wǎng)、聚丙烯網(wǎng)等，其各自性能如表1［3］所示。聚丙烯網(wǎng)不易吸水，密度小，形態(tài)穩(wěn)定，耐酸堿性強，但其易老化，耐磨性差，使用溫度略低，使用受限;聚酯網(wǎng)和尼龍網(wǎng)的綜合性能好，聚酯網(wǎng)的形態(tài)穩(wěn)定性好，尼龍網(wǎng)的耐磨性強，目前的成形網(wǎng)大都是聚酯成形網(wǎng)，在多層聚酯網(wǎng)的底層配比一定的尼龍網(wǎng)，提高其耐磨性能。
1.2發(fā)展方向
聚酯和尼龍均為合成高分子聚合物，可以根據(jù)需求添加不同的添加劑和采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(xiàn)代化紙機的運行，是目前多層聚酯成形網(wǎng)是最常用的材料。聚苯二酰胺(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(yōu)良的力學性能和尺寸穩(wěn)定性、較低的吸水率和優(yōu)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(wěn)定性好、極高的耐化學腐蝕和耐磨性，但由于價格昂貴還沒有得到廣泛應用［5］。Stabilon是Heimbach公司開發(fā)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(fā)的多層底網(wǎng)專用單絲Duralon具有聚酯的穩(wěn)定性和尼龍的耐磨性，采用Duralon材料的InTegraF網(wǎng)使用壽命達到90天，而采用聚酯、尼龍混合編織的成形網(wǎng)，平均壽命只有42天，最長的為73天［7］。也可以考慮通過應用納米技術和纖維表面改性來改善成形網(wǎng)脫水和耐磨等性能［8］。
2聚酯成形網(wǎng)結構和編織技術進展
由于現(xiàn)代化造紙機向著大型化、高速化和自動化方向發(fā)展，因而金屬成形網(wǎng)已不能適應現(xiàn)代化造紙機的要求。伴隨著高分子合成技術的發(fā)展，很多高性能塑料高分子材料紛紛面世，20世紀中葉，造紙成形網(wǎng)逐步由銅網(wǎng)過渡到合成聚酯纖維編織的成形網(wǎng)。聚酯等合成材料用于造紙成形網(wǎng)，對于造紙機向高速、寬幅化發(fā)展具有劃時代的意義。與銅網(wǎng)等金屬成形網(wǎng)相比，聚酯成形網(wǎng)的優(yōu)點有:密度小，紙機負荷小，生產(chǎn)效率高;材質(zhì)柔軟，易操作，不易碰傷;耐腐蝕、耐磨損，使用壽命一般比銅網(wǎng)長3～5倍，甚至更長［5］;能改善成紙勻度，減輕網(wǎng)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(wǎng)次數(shù)以及因換網(wǎng)帶來的各種損失［9-10］;聚酯成形網(wǎng)編織方法更靈活多樣，可以采用不同的編織方法和改變成形網(wǎng)的層數(shù)，來滿足不同造紙機、不同紙種和不同抄紙條件，以提高造紙機的運行效率。聚酯成形網(wǎng)又分為單層網(wǎng)和多層網(wǎng)。
2.1單層網(wǎng)
聚酯成形網(wǎng)最初是按銅網(wǎng)的編織工藝進行編織的單層網(wǎng)，只是線材由銅絲改為聚酯絲，使其質(zhì)量變輕，從而減輕了紙機的傳動負荷，節(jié)約造紙成本。單層網(wǎng)是由單個緯線系統(tǒng)和單個經(jīng)線系統(tǒng)相互交織而成，見圖1［11］。單層網(wǎng)編織相對簡單，如四綜單層網(wǎng)是彎曲的緯線在3根經(jīng)線下面和1根經(jīng)線的上面通過，而經(jīng)線則在3根緯線上面和1根緯線下面通過，保護了承受張力負荷的經(jīng)線處于網(wǎng)子的結構內(nèi)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(jīng)緯結構的單層網(wǎng)，纖維和填料的留著率較高，適合生產(chǎn)紙頁表面性能好的紙種;這類網(wǎng)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(jīng)緯結構的單層網(wǎng)，可以提高成形網(wǎng)的耐磨性和使用壽命，但是其纖維、填料留著率低，成紙性能差。改進的加強型單層網(wǎng)(如圖1(b))的特點是在普通單層網(wǎng)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(jīng)線交織，其目的是為了增強橫向穩(wěn)定性，增加纖維、填料留著率，提高成紙性能［5］。這種成形網(wǎng)在車速200m/min以下、幅寬較窄的造紙機上應用較多。對于中高速造紙機，單層成形網(wǎng)不能滿足要求。
2.2多層網(wǎng)
現(xiàn)代化的高速寬幅造紙機要求成形網(wǎng)有良好的脫水效果和較高的纖維、填料留著率，單層成形網(wǎng)(包括加強型)不能夠滿足需求。為滿足高速、寬幅的現(xiàn)代化造紙機要求，多層聚酯成形網(wǎng)應運而生。多層網(wǎng)的優(yōu)點是可以通過面層和底層的單獨設計編織結構來改善成形網(wǎng)面層(紙面)和底層(機面)的性能，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(shù)(FiberSurportIndex，F(xiàn)SI)，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(jīng)成熟應用的有兩層、兩層半、三層和三層半系列，并且通過不同的綜數(shù)編織達到所需性能。
2.2.1兩層網(wǎng)
根據(jù)前面的思路，兩層網(wǎng)是在單層成形網(wǎng)的基礎上，根據(jù)面層和底層功能的不同，通過在橫向引入多個緯線系統(tǒng)進行相對獨立的設計編織，如圖2(a)所示。從兩層網(wǎng)的橫向(CD)結構看，有兩個獨立分開的緯線系統(tǒng)———面緯和底緯，分別實現(xiàn)各自不同的功能，經(jīng)線也是兩層的。編織過程是同一根經(jīng)線穿過上層的緯線后向下再穿過下層的緯線，使面層、底層編織在一起。與單層網(wǎng)相比，這種兩層網(wǎng)結構更加致密、尺寸更加穩(wěn)定，而且可以通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，這樣有利于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(wǎng)子更加耐磨，提高使用壽命。這類兩層網(wǎng)的挺度不夠和橫向穩(wěn)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(fā)了強化型兩層網(wǎng)(三層緯線網(wǎng))，結構見圖2(b)。它是傳統(tǒng)兩層網(wǎng)的變化形式。這種網(wǎng)子雖然改善了挺度和橫向穩(wěn)定性，但由于其結構中只有一個縱向經(jīng)線系統(tǒng)，所以整體緊湊性差，橫向的3個層面容易產(chǎn)生相對滑動，使得網(wǎng)子的內(nèi)部結構遭到破壞，而且紙頁成形和脫水效果均不好，性價比小，目前基本被淘汰。兩層網(wǎng)及多層網(wǎng)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(fā)現(xiàn)兩層網(wǎng)同單層網(wǎng)一樣暢通，其脫水過程類似于流經(jīng)多孔性物體，而不是像單層網(wǎng)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(wǎng)
兩層半網(wǎng)也就是加強的兩層網(wǎng)，本質(zhì)上屬于兩層網(wǎng)。兩層半網(wǎng)是在兩層網(wǎng)的基礎上在面層增加了1組填充緯線，從圖3中正面視圖和橫向視圖可以看出，面層多了一組填充緯線(圖中是深色)。面層的經(jīng)線線徑比較細，相應增加的緯線更細，這樣的結構提高了網(wǎng)子的纖維支撐指數(shù)和纖維留著率。網(wǎng)子整體層更加緊湊、細膩，改善成紙性能和兩面差;而底緯線徑要比面緯線徑粗得多，保證較好的耐磨性能和運行穩(wěn)定性。兩層半網(wǎng)適用范圍廣，可以應用于300m/min以上生產(chǎn)各種紙種的中高速造紙機，特別是中速造紙機上。兩層半網(wǎng)和兩層網(wǎng)存在的問題都是它們的縱向單經(jīng)線系統(tǒng)沒有改變，經(jīng)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(jīng)線上下穿梭的編織形式，在運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(wǎng)的使用壽命。
2.2.3三層網(wǎng)
為了解決兩層和兩層半網(wǎng)存在的問題，造紙織物工作者開發(fā)出了三層網(wǎng)。三層網(wǎng)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(jīng)緯線均可使用線徑更細的聚酯單絲，織造更加適合紙張性能的面層(紙面);底層的緯線可以采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(wǎng)的使用壽命;面層緯線和底層緯線的數(shù)量比例采用2∶1或者3∶2［12-13］。兩層網(wǎng)的結合是通過中間層縫合起來，可以采用緯線縫合，比如傳統(tǒng)三層網(wǎng)和自支撐綁定縫合技術(SelfSupportingBinding，SSB)三層網(wǎng)，其橫向切面結構如圖4所示［14-15］。
圖4三層網(wǎng)橫向結構圖4(a)是傳統(tǒng)三層網(wǎng)橫切面的截面圖，從圖4可以看出，面層和底層經(jīng)、緯線各自交織，形成獨立的網(wǎng)層;兩層網(wǎng)通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(wǎng)縫合在一起，一般采用的是尼龍紗線。這種結構的網(wǎng)子在造紙機運行過程中，內(nèi)部磨損比較嚴重，容易斷裂造成上下兩層網(wǎng)分離而下機。因此，又開發(fā)出了SSB型系列成形網(wǎng)，它采用的是橫向雙緯線縫合系統(tǒng)(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優(yōu)化。與傳統(tǒng)的三層網(wǎng)相比，SSB網(wǎng)的這種相鄰縫合緯線的交換輪轉(zhuǎn)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(wǎng)子整體更緊密。
SSB網(wǎng)是目前三層網(wǎng)的主導產(chǎn)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(shù)就是用來描述織機上一個織造循環(huán)的不同順序安排，對于多層網(wǎng)來說，是將上下兩層看成整體來計算的。綜數(shù)越多，織造循環(huán)的變化種類越多。根據(jù)目前的使用看，16綜SSB網(wǎng)的耐磨性好，但容易翹邊;24綜SSB網(wǎng)不易翹邊，使用壽命卻短于16綜SSB網(wǎng)。使用中要根據(jù)紙種和造紙機進行相應選擇。成形網(wǎng)在造紙機上運行過程中，面層和底層存在一個相對運動摩擦的作用，這不僅對傳統(tǒng)三層網(wǎng)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(wǎng)綁定緯線的內(nèi)部磨損狀況，從圖5可以看出，經(jīng)過一段時間的運行后，SSB網(wǎng)內(nèi)部中間綁定線也會被磨損，這主要是由于造紙機在運行過程中受到縱向張力，面層和底層產(chǎn)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(wǎng)的使用壽命，也影響網(wǎng)子的脫水和清洗，比如磨損處更容易黏附膠黏物等。
根據(jù)生產(chǎn)紙種和造紙機的特點設計相應的三層網(wǎng)可以改善紙張的質(zhì)量和造紙機效率，在這方面，生產(chǎn)造紙成形網(wǎng)的幾家外國企業(yè)均開發(fā)出相應的產(chǎn)品。比如，福伊特公司針對印刷紙的特點開發(fā)的更纖細、更薄的成形網(wǎng)———PrintFormI成形網(wǎng)，結合聚酯成形網(wǎng)紙面細膩和機面結構穩(wěn)定的優(yōu)點，可以減輕造紙機運行負荷、成形網(wǎng)回濕及成形網(wǎng)尺寸穩(wěn)定;德國漢跋(Heimbach)公司采用Stabilon新型聚合物單絲生產(chǎn)的PrimobondXF成形網(wǎng)可以提供高的纖維支撐指數(shù)、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(wǎng)，這種設計結合了SSB網(wǎng)的高纖維支撐力和良好的穩(wěn)定性以及兩層網(wǎng)的輕薄和高效脫水的優(yōu)點，成功用在夾網(wǎng)成形器、混合成形器上，包括新聞紙、LWC和SC等造紙機上;?？送跫{(HuyckWangner)綜合考慮了濾水能力、紙幅干度、留著率、紙幅勻度和運行性能等指標，設計了新一代的成形網(wǎng)———Apexx，其關鍵技術在于新型經(jīng)線概念和造紙機橫向上的網(wǎng)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(tǒng)三層網(wǎng)和SSB網(wǎng)均是采用橫向緯線縫合技術，紙機運行過程中，面層和底層產(chǎn)生相對移動引起磨損，長期運行會破壞縫合紗線及面層和底層的內(nèi)部結構。近年來又出現(xiàn)了經(jīng)線縫合技術的三層網(wǎng)，有代表性的是經(jīng)線集成綁定(IntegratedWarpBinders，IWB)，圖6是IWB網(wǎng)的縱向截面結構圖?？梢钥闯?，與傳統(tǒng)三層網(wǎng)和SSB網(wǎng)不同的是，IWB網(wǎng)采用的是經(jīng)線縫合技術，這是結構上的變化［14］。圖6展示了IWB網(wǎng)沿著造紙機縱向的橫切面結構圖，從圖6可見，兩條縫合經(jīng)線共同作用編織在網(wǎng)子面層中，與SSB網(wǎng)一樣增加了面層纖維支撐指數(shù)。在造紙機運行過程中，經(jīng)線縫合也受到縱向張力作用，但由于經(jīng)線縫合是沿著造紙機縱向的、上下兩層不產(chǎn)生相對運動，因此內(nèi)部磨損小。這種經(jīng)線縫合的IWB網(wǎng)在運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采用更優(yōu)質(zhì)的細紗線，提高經(jīng)緯密度，增加纖維支撐度，改善脫水性能和成紙質(zhì)量。另外，江蘇金呢工程織物股份有限公司新開發(fā)的經(jīng)線自綁定(WarpSelfBinders，WSB)成形網(wǎng)也是在這個思路的基礎上開發(fā)的，填補了國內(nèi)空白。
目前，三層以下聚酯成形網(wǎng)已被國外先進造紙公司淘汰，國內(nèi)中高速造紙機也基本采用的是三層網(wǎng)，特別是SSB網(wǎng)。IWB網(wǎng)和WSB網(wǎng)是屬于新型成形網(wǎng)，IWB網(wǎng)在國外正在逐漸推廣。隨著技術的日益成熟和造紙機的發(fā)展，IWB網(wǎng)和WSB網(wǎng)等必定是國內(nèi)造紙成形網(wǎng)的主導產(chǎn)品。
3造紙成形網(wǎng)發(fā)展趨勢
造紙成形網(wǎng)發(fā)展迅速，目前的SSB網(wǎng)基本能滿足市場需求，而隨著IWB網(wǎng)和WSB網(wǎng)技術的成熟，它們將成為高速現(xiàn)代化造紙機用的主要脫水器材。
為了改善成形網(wǎng)表面等性能，國外有三層半網(wǎng)、甚至四層網(wǎng)，但層數(shù)的增加造成成形網(wǎng)厚度的增加，導致造紙機運行負荷高、脫水效率低等問題，得不償失，因此前景不看好。今后造紙成形網(wǎng)的發(fā)展趨勢:
(1)更加適應各類現(xiàn)代化高速、寬幅造紙機的聚酯三層成形網(wǎng)技術。這需要系統(tǒng)研究成形網(wǎng)在高速紙機上應用過程中磨損、污染的機理和脫水性能歷程等。
(2)開發(fā)完善三層聚酯成形網(wǎng)的多品種、多系列產(chǎn)品。可以通過編織工藝的進一步改進，如根據(jù)不同紙漿原料、抄造方法和造紙機進行分析，改變?nèi)龑泳W(wǎng)的面層和底層的經(jīng)緯比，進行產(chǎn)品開發(fā)。
(3)開發(fā)功能性三層聚酯成形網(wǎng)。如改善聚酯成形網(wǎng)表面親水性，提高其抗憎水性樹脂等黏附污染物的能力;通過納米聚酯材料等的添加改善成形網(wǎng)的耐磨性、穩(wěn)定性及抗污染性。
造紙成形網(wǎng)是個交叉行業(yè)產(chǎn)品，這些關鍵的科學問題涉及各個領域和行業(yè)。各高校、研究院所和企業(yè)合作研究開發(fā)，互通信息，資源共享，必將開發(fā)出適應國產(chǎn)高速造紙機用系列成形網(wǎng)。
