造纸成形网的进展过程综述论文

　　造纸过程中，通常出流浆箱的纸浆浓度约为0.3% 1.0%(抄造包装纸时出流浆箱的纸浆浓度可达1.6%)，纸幅离开网部进入压榨部之前的干度为18% 23%，高速纸机可达27%，也就是说，造纸过程中95%的脱水量是在网部完成的［1］。造纸成形网在各辊子和脱水板上运行，磨损相对严重，是造纸主要的专用脱水和消耗器材。随着人们对纸张质量要求的日益提高，以及现代造纸生产逐步向着宽幅、高速和低定量化的方向发展，造纸成形网必须适应现代化高速纸机的高效、均匀和稳定脱水等要求。造纸成形网除了要具备优良的纤维截留特性、高效的脱水性能及良好的清洗效果之外，还需要很好的运行稳定性。目前，聚酯成形网已几乎完全代替了传统的铜质成形网，特别是聚酯三层成形网已成为现代化纸机的主流用成形网。
　　1造纸成形网材料
　　1.1造纸成形网材料的现状
　　古代的造纸术是以中国东汉蔡伦发明的手工抄纸为代表，采用的是竹丝编造的竹帘筛子或者衬有底布的木框进行抄纸。随着造纸技术传入西方，特别是工业革命引起的造纸机的发明，金属材质(主要是铜质或者不锈钢)造纸成形网逐步取代了竹制网筛［2］。纸机车速的提高和幅宽的扩大，金属成形网负荷重、寿命短和耐酸碱差等缺点越来越明显，逐步被塑料成形网取代。塑料网又分为聚酯网、聚酰胺(尼龙)网、聚丙烯网等，其各自性能如表1［3］所示。聚丙烯网不易吸水，密度小，形态稳定，耐酸碱性强，但其易老化，耐磨性差，使用温度略低，使用受限;聚酯网和尼龙网的综合性能好，聚酯网的形态稳定性好，尼龙网的耐磨性强，目前的成形网大都是聚酯成形网，在多层聚酯网的底层配比一定的尼龙网，提高其耐磨性能。
　　1.2发展方向
　　聚酯和尼龙均为合成高分子聚合物，可以根据需求添加不同的添加剂和采用不同的改性方法改善聚酯和尼龙纤维的特性，以适应高速现代化纸机的运行，是目前多层聚酯成形网是最常用的材料。聚苯二酰胺(PPA)是以间苯二甲酸、对苯二甲酸、己二酸和己二胺之间缩聚形成的聚合物的共混物，是一种半结晶的半芳香尼龙。PPA具有良好的耐热性、优良的力学性能和尺寸稳定性、较低的吸水率和优良的成型加工性，耐化学药品性等［4］。PEEK单丝是一种热塑性聚合体，是最先进的聚酮族衍生物，具有热稳定性好、极高的耐化学腐蚀和耐磨性，但由于价格昂贵还没有得到广泛应用［5］。Stabilon是Heimbach公司开发的一种新的单丝材料，同等线径Stabilon单丝具有比聚酯单丝高30%的弹性模量［6］。另外，Heimbach公司开发的多层底网专用单丝Duralon具有聚酯的稳定性和尼龙的耐磨性，采用Duralon材料的InTegraF网使用寿命达到90天，而采用聚酯、尼龙混合编织的成形网，平均寿命只有42天，最长的为73天［7］。也可以考虑通过应用纳米技术和纤维表面改性来改善成形网脱水和耐磨等性能［8］。
　　2聚酯成形网结构和编织技术进展
　　由于现代化造纸机向着大型化、高速化和自动化方向发展，因而金属成形网已不能适应现代化造纸机的要求。伴随着高分子合成技术的发展，很多高性能塑料高分子材料纷纷面世，20世纪中叶，造纸成形网逐步由铜网过渡到合成聚酯纤维编织的成形网。聚酯等合成材料用于造纸成形网，对于造纸机向高速、宽幅化发展具有划时代的意义。与铜网等金属成形网相比，聚酯成形网的优点有:密度小，纸机负荷小，生产效率高;材质柔软，易操作，不易碰伤;耐腐蚀、耐磨损，使用寿命一般比铜网长3 5倍，甚至更长［5］;能改善成纸匀度，减轻网痕和两面差，提高平滑度及减少纤维和填料的流失，可以减少换网次数以及因换网带来的各种损失［9-10］;聚酯成形网编织方法更灵活多样，可以采用不同的编织方法和改变成形网的层数，来满足不同造纸机、不同纸种和不同抄纸条件，以提高造纸机的运行效率。聚酯成形网又分为单层网和多层网。
　　2.1单层网
　　聚酯成形网最初是按铜网的编织工艺进行编织的单层网，只是线材由铜丝改为聚酯丝，使其质量变轻，从而减轻了纸机的传动负荷，节约造纸成本。单层网是由单个纬线系统和单个经线系统相互交织而成，见图1［11］。单层网编织相对简单，如四综单层网是弯曲的纬线在3根经线下面和1根经线的上面通过，而经线则在3根纬线上面和1根纬线下面通过，保护了承受张力负荷的经线处于网子的结构内部，而让纬线与造纸机各个摩擦部件接触。细的聚酯单丝可以织造高密度经纬结构的单层网，纤维和填料的留着率较高，适合生产纸页表面性能好的纸种;这类网的纬线比较细，不耐磨，使用寿命短。粗的聚酯单丝织造的低密度经纬结构的单层网，可以提高成形网的耐磨性和使用寿命，但是其纤维、填料留着率低，成纸性能差。改进的加强型单层网(如图1(b))的特点是在普通单层网的基础上增加了1组线径较小的纬线，这组细纬与较粗的纬线交替与经线交织，其目的是为了增强横向稳定性，增加纤维、填料留着率，提高成纸性能［5］。这种成形网在车速200m/min以下、幅宽较窄的造纸机上应用较多。对于中高速造纸机，单层成形网不能满足要求。
　　2.2多层网
　　现代化的高速宽幅造纸机要求成形网有良好的脱水效果和较高的纤维、填料留着率，单层成形网(包括加强型)不能够满足需求。为满足高速、宽幅的现代化造纸机要求，多层聚酯成形网应运而生。多层网的优点是可以通过面层和底层的单独设计编织结构来改善成形网面层(纸面)和底层(机面)的性能，更好地适应各种造纸机的需求。其思路是面层在保证脱水的情况下有更高的纤维支撑指数(FiberSurportIndex，FSI)，而底层则是在保证脱水通道畅通的前提下增强底层纬线抗磨损的能力。目前，已经成熟应用的有两层、两层半、三层和三层半系列，并且通过不同的综数编织达到所需性能。
　　2.2.1两层网
　　根据前面的思路，两层网是在单层成形网的基础上，根据面层和底层功能的不同，通过在横向引入多个纬线系统进行相对独立的设计编织，如图2(a)所示。从两层网的横向(CD)结构看，有两个独立分开的纬线系统———面纬和底纬，分别实现各自不同的功能，经线也是两层的。编织过程是同一根经线穿过上层的纬线后向下再穿过下层的纬线，使面层、底层编织在一起。与单层网相比，这种两层网结构更加致密、尺寸更加稳定，而且可以通过改变不同的编织工艺来适应抄造不同纸种造纸机的要求。一般面纬和底纬的密度和线径不同。面纬的密度略大，线径较小，这样有利于提高纤维的留着和降低纸张的两面差;底纬的线径比较粗，为的是使网子更加耐磨，提高使用寿命。这类两层网的挺度不够和横向稳定性差，制约了其在高速宽幅造纸机上的应用。为此，研究人员开发了强化型两层网(三层纬线网)，结构见图2(b)。它是传统两层网的变化形式。这种网子虽然改善了挺度和横向稳定性，但由于其结构中只有一个纵向经线系统，所以整体紧凑性差，横向的3个层面容易产生相对滑动，使得网子的内部结构遭到破坏，而且纸页成形和脱水效果均不好，性价比小，目前基本被淘汰。两层网及多层网从上往下看似乎是全封闭的，不易脱水，但倾斜一定角度观察，就会发现两层网同单层网一样畅通，其脱水过程类似于流经多孔性物体，而不是像单层网的垂直方向脱水，这在一定程度上延缓了脱水速率，改善了细小纤维和填料的留着和纸页匀度等［5］。
　　2.2.2两层半网
　　两层半网也就是加强的两层网，本质上属于两层网。两层半网是在两层网的基础上在面层增加了1组填充纬线，从图3中正面视图和横向视图可以看出，面层多了一组填充纬线(图中是深色)。面层的经线线径比较细，相应增加的纬线更细，这样的结构提高了网子的纤维支撑指数和纤维留着率。网子整体层更加紧凑、细腻，改善成纸性能和两面差;而底纬线径要比面纬线径粗得多，保证较好的耐磨性能和运行稳定性。两层半网适用范围广，可以应用于300m/min以上生产各种纸种的中高速造纸机，特别是中速造纸机上。两层半网和两层网存在的问题都是它们的纵向单经线系统没有改变，经线贯穿上下两层的纬线。这一方面限制了它需要同时满足纸面和机面不同要求的潜力，另一方面，经线上下穿梭的编织形式，在运行过程中承受巨大张力的情况下容易造成过快磨损，影响成形网的使用寿命。
　　2.2.3三层网
　　为了解决两层和两层半网存在的问题，造纸织物工作者开发出了三层网。三层网的特点是面层和底层可以完全分开，使面层成为成纸面，底层成为支撑面和耐磨面。这样面层的经纬线均可使用线径更细的＂聚酯单丝，织造更加适合纸张性能的面层(纸面);底层的纬线可以采用线径更粗的聚酯单丝，配合一定比例的尼龙代替聚酯单丝，从而提高成形网的使用寿命;面层纬线和底层纬线的数量比例采用2 1或者3 2［12-13］。两层网的结合是通过中间层缝合起来，可以采用纬线缝合，比如传统三层网和自支撑绑定缝合技术(SelfSupportingBinding，SSB)三层网，其横向切面结构如图4所示［14-15］。
　　图4三层网横向结构图4(a)是传统三层网横切面的截面图，从图4可以看出，面层和底层经、纬线各自交织，形成独立的网层;两层网通过中间横向的单纬纱线缝合在一起，单纬的唯一作用就是将上下两层网缝合在一起，一般采用的是尼龙纱线。这种结构的网子在造纸机运行过程中，内部磨损比较严重，容易断裂造成上下两层网分离而下机。因此，又开发出了SSB型系列成形网，它采用的是横向双纬线缝合系统(见图4(b))，两条相邻的缝合线轮换着在面层和底层交织，从表面上看双缝合线近似1条线，这样面层编织结构达到理想的平织，使面层平整性达到最优化。与传统的三层网相比，SSB网的这种相邻缝合纬线的交换轮转限制了面层和底层的相对运动，在一定程度上缓和了其磨损程度，提高了使用寿命;另外这种缝合不仅起到缝合面层和底层的作用，还在面层起到支撑纤维的作用，使网子整体更紧密。
　　SSB网是目前三层网的主导产品，每个品种有不同的系列。目前常用的有16综、20综和24综等。所谓综数就是用来描述织机上一个织造循环的不同顺序安排，对于多层网来说，是将上下两层看成整体来计算的。综数越多，织造循环的变化种类越多。根据目前的使用看，16综SSB网的耐磨性好，但容易翘边;24综SSB网不易翘边，使用寿命却短于16综SSB网。使用中要根据纸种和造纸机进行相应选择。成形网在造纸机上运行过程中，面层和底层存在一个相对运动摩擦的作用，这不仅对传统三层网的缝合线造成磨损，对SSB成形来说，其磨损也是不容忽视的。图5为SSB网绑定纬线的内部磨损状况，从图5可以看出，经过一段时间的运行后，SSB网内部中间绑定线也会被磨损，这主要是由于造纸机在运行过程中受到纵向张力，面层和底层产生相对运动摩擦造成的，造纸机负荷越大，磨损越厉害。这种磨损不仅影响成形网的使用寿命，也影响网子的脱水和清洗，比如磨损处更容易黏附胶黏物等。
　　根据生产纸种和造纸机的特点设计相应的三层网可以改善纸张的质量和造纸机效率，在这方面，生产造纸成形网的几家外国企业均开发出相应的产品。比如，福伊特公司针对印刷纸的特点开发的更纤细、更薄的成形网———PrintFormI成形网，结合聚酯成形网纸面细腻和机面结构稳定的优点，可以减轻造纸机运行负荷、成形网回湿及成形网尺寸稳定;德国汉跋(Heimbach)公司采用Stabilon新型聚合物单丝生产的PrimobondXF成形网可以提供高的纤维支撑指数、最大的脱水能力和较长的使用寿命;2007年初，坦菲尔德公司推出了一种Hispeed成形网，这种设计结合了SSB网的高纤维支撑力和良好的稳定性以及两层网的轻薄和高效脱水的优点，成功用在夹网成形器、混合成形器上，包括新闻纸、LWC和SC等造纸机上;海克王纳(HuyckWangner)综合考虑了滤水能力、纸幅干度、留着率、纸幅匀度和运行性能等指标，设计了新一代的成形网———Apexx，其关键技术在于新型经线概念和造纸机横向上的网孔结构，当纤维离开流浆箱时，他们会沿着造纸机方向定向排列，获得更好的留着。
　　传统三层网和SSB网均是采用横向纬线缝合技术，纸机运行过程中，面层和底层产生相对移动引起磨损，长期运行会破坏缝合纱线及面层和底层的内部结构。近年来又出现了经线缝合技术的三层网，有代表性的是经线集成绑定(IntegratedWarpBinders，IWB)，图6是IWB网的纵向截面结构图。可以看出，与传统三层网和SSB网不同的是，IWB网采用的是经线缝合技术，这是结构上的变化［14］。图6展示了IWB网沿着造纸机纵向的横切面结构图，从图6可见，两条缝合经线共同作用编织在网子面层中，与SSB网一样增加了面层纤维支撑指数。在造纸机运行过程中，经线缝合也受到纵向张力作用，但由于经线缝合是沿着造纸机纵向的、上下两层不产生相对运动，因此内部磨损小。这种经线缝合的IWB网在运行过程中受到纵向张力的情况下，结构更加紧密，增加了其强度。这种强度的增加可以采用更优质的细纱线，提高经纬密度，增加纤维支撑度，改善脱水性能和成纸质量。另外，江苏金呢工程织物股份有限公司新开发的经线自绑定(WarpSelfBinders，WSB)成形网也是在这个思路的基础上开发的，填补了国内空白。
　　目前，三层以下聚酯成形网已被国外先进造纸公司淘汰，国内中高速造纸机也基本采用的是三层网，特别是SSB网。IWB网和WSB网是属于新型成形网，IWB网在国外正在逐渐推广。随着技术的日益成熟和造纸机的发展，IWB网和WSB网等必定是国内造纸成形网的主导产品。
　　3造纸成形网发展趋势
　　造纸成形网发展迅速，目前的SSB网基本能满足市场需求，而随着IWB网和WSB网技术的成熟，它们将成为高速现代化造纸机用的主要脱水器材。
　　为了改善成形网表面等性能，国外有三层半网、甚至四层网，但层数的增加造成成形网厚度的增加，导致造纸机运行负荷高、脱水效率低等问题，得不偿失，因此前景不看好。今后造纸成形网的发展趋势:
　　(1)更加适应各类现代化高速、宽幅造纸机的聚酯三层成形网技术。这需要系统研究成形网在高速纸机上应用过程中磨损、污染的机理和脱水性能历程等。
　　(2)开发完善三层聚酯成形网的多品种、多系列产品。可以通过编织工艺的进一步改进，如根据不同纸浆原料、抄造方法和造纸机进行分析，改变三层网的面层和底层的经纬比，进行产品开发。
　　(3)开发功能性三层聚酯成形网。如改善聚酯成形网表面亲水性，提高其抗憎水性树脂等黏附污染物的能力;通过纳米聚酯材料等的添加改善成形网的耐磨性、稳定性及抗污染性。
　　造纸成形网是个交叉行业产品，这些关键的科学问题涉及各个领域和行业。各高校、研究院所和企业合作研究开发，互通信息，资源共享，必将开发出适应国产高速造纸机用系列成形网。