熱定型工藝對底網針刺造紙毛毯性能的影響

尹麗敏，鄧炳耀，劉慶生，唐繼春

(1.江南大學非織造技術中心，江蘇無錫 214122;2.生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇無錫 214122;3.徐州工業用呢廠，江蘇徐州 221000)

造紙毛毯屬于特殊的產業用紡織品，是現代造紙工業中不可或缺的高值易損耗材料［1］。在造紙過程中，底網針刺造紙毛毯起著濾水、壓榨、傳遞紙漿、充當傳送帶等重要作用。它的質量與造紙機的生產效率、紙張質量和能源的消耗等都有直接的關系［2］。造紙毛毯是一種有細小孔眼的織物［3］，隨著造紙技術向寬幅、高速、高線壓方向的發展，造紙毛毯需要具備尺寸穩定性好、抗污、抗水解、耐磨、強力大、濾水性好、平整性好及壓縮回彈性好等特點。

通過熱定型處理能消除前道工序中產生的積聚在纖維和造紙毛毯內部的應力，提高并改善其物理機械性能［4］。纖維受熱后會收縮，纖維內部結構變得緊密，最終使毛毯結構變得更加緊密，所以，熱定型后造紙毛毯的尺寸穩定性也得到一定的改善［5］。本文在分析底網針刺造紙毛毯熔點和結晶溫度的基礎上，采用正交試驗的方法進行熱定型處理，選擇不同的溫度、時間和含濕率，并對熱定型前后的造紙毛毯進行主要性能的測試。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

底網針刺造紙毛毯(面密度為1280 g/m2)，徐州工業用呢廠。

R-3定型烘干機，瑞比染色試機有限公司;Y522型織物耐磨儀，南通宏大實驗儀器有限公司;P-AO軋車，瑞比染色試機有限公司;YG(B)812-120織物滲水性測定儀，溫州大榮紡織儀器有限公司;DSC-Q200差示掃描量熱儀，沃特世科技(上海)有限公司;YG141D型織物厚度儀，寧波紡織儀器廠;PL203電子天平，上海菁海儀器有限公司;YG461E-Ⅲ全自動透氣量儀，寧波紡織儀器廠;YG026H型多功能電子織物強力機，寧波紡織儀器廠;CFP-1100A型毛細管流動孔隙測量儀，美國施多威爾公司。

1.2 結晶性能測試

取5 mg的樣品放入DSC-Q200型差示掃描量熱儀進行測定。以20.0℃/min的升溫速率，從30℃升溫至300℃，恒溫3 min，消除熱歷史，然后以10℃/min的冷卻速率降溫至0℃，再以20℃/min的升溫速率升溫至300℃，過程采用氮氣保護，氮氣流量為50.0 mL/min。

1.3 熱定型工藝

試驗過程中，選用熱定型的溫度、時間和含濕率3個主要因素，假設不考慮因素之間的交互作用，按照L9(34)設計正交試驗。表1示出正交試驗中各因素的具體水平。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

采用R-3定型烘干機，在設定的試驗條件下分別對底網針刺造紙毛毯熱定型，取出后置于室溫自然冷卻。

1.4 熱定型前后性能測試

濾水性:利用YG(B)812-120織物滲水性測定儀測試毛毯的濾水性能。采用靜水壓法，試樣尺寸為20 cm ×20 cm，出水速度為600 mm/min，當試樣表面全部浸濕時，讀取水柱高度(單位為mm)。

透氣性:利用YG461E-Ⅲ全自動透氣儀測試毛毯的透氣量，測試壓差為125 Pa，測試面積為38 cm2，噴嘴直徑為6 mm。結果取測量5次的平均值。

壓縮回彈性R:利用YG141D型織物厚度儀測試，壓腳面積為2500 mm2，壓腳直徑為56.43 mm，結果取測量10次的平均值。先加輕壓(50 cN)，加壓時間為30 s，讀取數值為表觀厚度To;再加重壓(400 cN)，加壓時間為30 s，讀取數值為穩定厚度Ts，解除重壓30 s后再加輕壓30 s，讀取數值為回復厚度Tr。壓縮回彈率的計算公式為

耐磨性:利用Y522型織物耐磨儀，選擇100目的砂輪，圓盤轉速為70 r/min，摩擦次數為2000次，稱量磨擦前后質量，考慮到造紙毛毯只是反面與壓輥、真空箱接觸，正面對耐磨性的要求不是很高，所以只測試反面磨損質量［4］。

力學性能:采用YG026H型多功能電子織物強力機，夾距為200 mm，拉伸速度為100 mm/min。

孔徑分布:采用CFP-1100A型毛細管流動孔隙測量儀，以平均孔徑為指標進行分析。

面積變化率:剪取5 cm ×5 cm大小的試樣，利用刻度尺分別測量熱定型前后試件的尺寸，計算尺寸變化率。

厚度壓縮率:利用P-AO軋車 (瑞比染色試機有限公司)模擬造紙毛毯的使用過程(浸軋30次，壓力為0.5 MPa)，然后再利用YG141D型織物厚度儀(壓腳面積為2500 mm2，壓腳直徑為56.43 mm，加壓50 cN，30 s)測量壓榨前后的厚度，用厚度的壓縮率表征。

2 結果與討論

2.1 底網針刺造紙毛毯的結晶性分析

底網的經紗、緯紗、毛網短纖均是錦綸，圖1示出底網針刺造紙毛毯各原料的吸熱熔融圖和放熱結晶圖。

圖1 底網針刺造紙毛毯各原料的DSC圖譜Fig.1 DSC curves of BOM papermaking felts.(a)DSC curves of endothermic melting;(b)DSC curves of exothermic crystallization

從圖1(a)可看出，試驗材料的熔點均高于250℃。線密度為1.67 tex的短纖熔點為254℃、線密度為4.44 tex短纖的熔點為256℃、底網經紗的熔點為262℃、底網緯紗的熔點為259℃。由此，可以判斷各原料均為錦綸66。

結晶度會影響織物的力學性能，而決定聚合物結晶總速率的因素為晶核生成速率和晶體生長速率［6］。溫度太高，將影響晶核形成速度;溫度太低，則影響晶體生長速度，因此，溫度對聚合物的結晶過程影響較大［7］。從圖1(b)可以看出，當溫度為200℃時，4種原料都沒有進入結晶狀態;當溫度為220℃時，僅底網原料(包括經紗和緯紗)進入了結晶狀態，且不完全;溫度達到240℃左右時，4種原料都已完全結晶。線密度為1.67 tex短纖的結晶峰對應溫度為232℃、線密度為4.44 tex短纖的結晶峰值對應溫度為231℃、底網經紗的結晶峰值對應溫度為226℃、底網緯紗的結晶峰值對應溫度為218℃。

由圖1可見，為確保熱定型溫度不高于原料的熔點，同時，為探討熱定型中結晶狀態對熱定型后造紙毛毯性能的影響，最終確定熱定型的溫度分別為200、220、240 ℃。

2.2 正交試驗分析

2.2.1 熱定型對壓縮回彈性的影響

熱定型后造紙毛毯的壓縮回彈性得到改善，具體表現為同一試樣在先后施加輕、重壓力時產生的厚度差變大，去除負荷后表現的回復量也變大。因此，熱定型后的造紙毛毯變得蓬松［8］。表2為正交試驗的數據表?？梢钥闯?，針對壓縮回彈性而言，熱定型的含濕率起著最主要的作用，其次是時間，再其次是溫度。最優的方案為A1B1C3，即溫度240℃、時間為正面60 s反面30 s、含濕率為0(干定型)。9組試驗樣品中，7#試樣的壓縮回彈性能最好。

2.2.2 熱定型對透氣性能的影響

相同的實驗條件下，經過不同條件的熱定型處理，與未經熱定型的底網針刺造紙毛毯相比，透氣流量值下降，即透氣性能下降。經過熱定型處理后，纖維之間纏結變得緊密，部分纖維由于大分子鏈折疊排列而收縮［9］，平均孔徑變小，阻礙了氣流的穿透，使得透氣量減小，表現為透氣性能下降。當溫度過高時，毛毯表面形成不連續的薄膜狀熔融層，這是由部分纖維熔融而形成的，導致毛毯透氣性嚴重下降［10］。

從表2還可看出，針對透氣性能而言，熱定型的時間起著最主要的作用，其次是含濕率，再其次是溫度。最優的方案為A3B1C1，即溫度200℃、時間為正面60 s反面30 s、含濕率為30%。9組試驗樣品中，1#試樣的氣體流量最大，透氣性能最好。

2.2.3 熱定型對濾水性能的影響

隨著造紙機向高速方向的發展，造紙毛毯需要及時吸取并排出水分，因此，對造紙毛毯的濾水性有很高的要求［11］。能讓水分從織物的一面滲透到另一面的能力為織物的濾水性。水分子在造紙毛毯內部可通過纖維中微原纖、原纖間的縫孔、纖維之間的縫孔等途徑進行滲透和擴散，在毛細力的作用下也會發生芯吸作用［12］。

表2 正交試驗數據表Tab.2 Experimental data of orthogonal experiment

生產過程中，往往會通過空刺的方法來固結纖維并增加垂直方向纖維的數量［11］。熱定型后，濾水性能降低主要有2個原因，一方面是由于纖維之間的纏結變得緊密，垂直方向纖維的數量減小，在一定程度上不利于水的透過;另一方面是由于纖維是各向異性材料，徑向膨脹大于縱向膨脹，平均孔徑變小，有利于改善拒水性能［12］。

從表2可以看出，針對濾水性能而言，熱定型的溫度起著最主要的作用，其次是時間，再次是含濕率。最優的方案為A3B1C3，即溫度200℃、時間為正面60 s反面30 s、含濕率為0(干定型)。本文正交試驗中，最優方案是7#試樣，其濾水性能最好。7#試樣的壓縮回彈性和濾水性能都是最好的，這也說明可壓縮性能越好，越利于脫水。造紙毛毯被壓縮后回復能力較強，不易被壓實，有利于保持良好的脫水能力［12］。

2.3 熱定型的最佳工藝

采用模糊數學方法分析數據，綜合評判熱定型后造低毛毯的性能，確定熱定型最佳工藝。請5位專家對壓縮回彈率、厚度壓縮率、面積變化率、水柱高度、磨損質量、平均孔徑、氣體流量、斷裂強力和斷裂伸長率9個指標打分，滿分100分，結果見表3。

對打分結果進行歸一化處理，同時參考相關文獻［11］，最終確定各考查指標及其權重分配分別為 0.15、0.08、0.08、0.21、0.11、0.08、0.19、0.05、0.05。表4示出各指標的測試數據。

因壓縮回彈率、平均孔徑、氣體流量、斷裂強力和斷裂伸長率是數值越大越好，故選用上限效果測度計算，而厚度壓縮率、面積變化率、水柱高度和磨損質量是數值越小越好，故選用下限效果測度計算。

表3 專家打分結果Tab.3 Expert scoring results

表4 各指標的測試數據綜合表Tab.4 Comprehensive list of test data of indexes

上限效果測度計算公式為

式中:μij為性能的實際測試值;μmax為所有性能實際測試值的最大值;i為實驗測試指標;j為實驗次數，j∈［1，9］。

下限效果測度計算公式為

式中μmin為所有性能實際測試值的最小值。

最終的局勢效果計算公式為

式中wk為各指標所分配的權重，wk＞0，∑wk=1，k為指標個數［13］。

通過計算，得到9組試驗的局勢效果r值分別為:0.8628、0.7585、0.7661、0.8041、0.8213、0.7808、0.8236、0.8377、0.8041。

其中，1#試樣的局勢效果為0.8628，是9組試樣中的最大值，因此，1#試樣對應的熱定型工藝就是最佳工藝。其熱定型工藝為:溫度240℃，時間為正面60 s反面30 s，含濕率30%。由于水的存在，纖維大分子的運動變得更容易，將加速定型過程的進行［14］，三者配合，有利于改善底網針刺造紙毛毯的綜合性能，消除前道工序產生的內應力。

3 結論

1)通過對底網針刺造紙毛毯的結晶性分析，結果表明，底網的經紗、緯紗和短纖原料均為錦綸66，熔點均高于250℃，結晶峰對應的溫度均高于200℃。

2)熱定型有利于改善底網針刺造紙毛毯的壓縮回彈性能;熱定型后造紙毛毯變得蓬松，纖維之間纏結緊密，部分纖維由于大分子鏈折疊排列而收縮，平均孔徑變小，垂直纖維的數量減小，使透氣性能降低、濾水性能降低。

3)正交試驗分析結果表明，本文用底網針刺造紙毛毯的最佳熱定型工藝為溫度240℃、時間正面60 s反面30 s、含濕率30%。

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