尹麗敏，鄧炳耀，劉慶生，唐繼春

(1.江南大學(xué)非織造技術(shù)中心，江蘇無(wú)錫 214122;2.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇無(wú)錫 214122;3.徐州工業(yè)用呢廠，江蘇徐州 221000)

造紙毛毯屬于特殊的產(chǎn)業(yè)用紡織品，是現(xiàn)代造紙工業(yè)中不可或缺的高值易損耗材料［1］。在造紙過(guò)程中，底網(wǎng)針刺造紙毛毯起著濾水、壓榨、傳遞紙漿、充當(dāng)傳送帶等重要作用。它的質(zhì)量與造紙機(jī)的生產(chǎn)效率、紙張質(zhì)量和能源的消耗等都有直接的關(guān)系［2］。造紙毛毯是一種有細(xì)小孔眼的織物［3］，隨著造紙技術(shù)向?qū)挿⒏咚?、高線壓方向的發(fā)展，造紙毛毯需要具備尺寸穩(wěn)定性好、抗污、抗水解、耐磨、強(qiáng)力大、濾水性好、平整性好及壓縮回彈性好等特點(diǎn)。

通過(guò)熱定型處理能消除前道工序中產(chǎn)生的積聚在纖維和造紙毛毯內(nèi)部的應(yīng)力，提高并改善其物理機(jī)械性能［4］。纖維受熱后會(huì)收縮，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得緊密，最終使毛毯結(jié)構(gòu)變得更加緊密，所以，熱定型后造紙毛毯的尺寸穩(wěn)定性也得到一定的改善［5］。本文在分析底網(wǎng)針刺造紙毛毯熔點(diǎn)和結(jié)晶溫度的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行熱定型處理，選擇不同的溫度、時(shí)間和含濕率，并對(duì)熱定型前后的造紙毛毯進(jìn)行主要性能的測(cè)試。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

底網(wǎng)針刺造紙毛毯(面密度為1280 g/m2)，徐州工業(yè)用呢廠。

R-3定型烘干機(jī)，瑞比染色試機(jī)有限公司;Y522型織物耐磨儀，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;P-AO軋車，瑞比染色試機(jī)有限公司;YG(B)812-120織物滲水性測(cè)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(dòng)透氣量?jī)x，寧波紡織儀器廠;YG026H型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)，寧波紡織儀器廠;CFP-1100A型毛細(xì)管流動(dòng)孔隙測(cè)量?jī)x，美國(guó)施多威爾公司。

1.2 結(jié)晶性能測(cè)試

取5 mg的樣品放入DSC-Q200型差示掃描量熱儀進(jìn)行測(cè)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(guò)程采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，氮?dú)饬髁繛?0.0 mL/min。

1.3 熱定型工藝

試驗(yàn)過(guò)程中，選用熱定型的溫度、時(shí)間和含濕率3個(gè)主要因素，假設(shè)不考慮因素之間的交互作用，按照L9(34)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。表1示出正交試驗(yàn)中各因素的具體水平。

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

采用R-3定型烘干機(jī)，在設(shè)定的試驗(yàn)條件下分別對(duì)底網(wǎng)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(cè)試

濾水性:利用YG(B)812-120織物滲水性測(cè)定儀測(cè)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(dāng)試樣表面全部浸濕時(shí)，讀取水柱高度(單位為mm)。

透氣性:利用YG461E-Ⅲ全自動(dòng)透氣儀測(cè)試毛毯的透氣量，測(cè)試壓差為125 Pa，測(cè)試面積為38 cm2，噴嘴直徑為6 mm。結(jié)果取測(cè)量5次的平均值。

壓縮回彈性R:利用YG141D型織物厚度儀測(cè)試，壓腳面積為2500 mm2，壓腳直徑為56.43 mm，結(jié)果取測(cè)量10次的平均值。先加輕壓(50 cN)，加壓時(shí)間為30 s，讀取數(shù)值為表觀厚度To;再加重壓(400 cN)，加壓時(shí)間為30 s，讀取數(shù)值為穩(wěn)定厚度Ts，解除重壓30 s后再加輕壓30 s，讀取數(shù)值為回復(fù)厚度Tr。壓縮回彈率的計(jì)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(zhuǎn)速為70 r/min，摩擦次數(shù)為2000次，稱量磨擦前后質(zhì)量，考慮到造紙毛毯只是反面與壓輥、真空箱接觸，正面對(duì)耐磨性的要求不是很高，所以只測(cè)試反面磨損質(zhì)量［4］。

力學(xué)性能:采用YG026H型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)，夾距為200 mm，拉伸速度為100 mm/min。

孔徑分布:采用CFP-1100A型毛細(xì)管流動(dòng)孔隙測(cè)量?jī)x，以平均孔徑為指標(biāo)進(jìn)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(cè)量熱定型前后試件的尺寸，計(jì)算尺寸變化率。

厚度壓縮率:利用P-AO軋車 (瑞比染色試機(jī)有限公司)模擬造紙毛毯的使用過(guò)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(cè)量壓榨前后的厚度，用厚度的壓縮率表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 底網(wǎng)針刺造紙毛毯的結(jié)晶性分析

底網(wǎng)的經(jīng)紗、緯紗、毛網(wǎng)短纖均是錦綸，圖1示出底網(wǎng)針刺造紙毛毯各原料的吸熱熔融圖和放熱結(jié)晶圖。

圖1 底網(wǎng)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(yàn)材料的熔點(diǎn)均高于250℃。線密度為1.67 tex的短纖熔點(diǎn)為254℃、線密度為4.44 tex短纖的熔點(diǎn)為256℃、底網(wǎng)經(jīng)紗的熔點(diǎn)為262℃、底網(wǎng)緯紗的熔點(diǎn)為259℃。由此，可以判斷各原料均為錦綸66。

結(jié)晶度會(huì)影響織物的力學(xué)性能，而決定聚合物結(jié)晶總速率的因素為晶核生成速率和晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)速度，因此，溫度對(duì)聚合物的結(jié)晶過(guò)程影響較大［7］。從圖1(b)可以看出，當(dāng)溫度為200℃時(shí)，4種原料都沒(méi)有進(jìn)入結(jié)晶狀態(tài);當(dāng)溫度為220℃時(shí)，僅底網(wǎng)原料(包括經(jīng)紗和緯紗)進(jìn)入了結(jié)晶狀態(tài)，且不完全;溫度達(dá)到240℃左右時(shí)，4種原料都已完全結(jié)晶。線密度為1.67 tex短纖的結(jié)晶峰對(duì)應(yīng)溫度為232℃、線密度為4.44 tex短纖的結(jié)晶峰值對(duì)應(yīng)溫度為231℃、底網(wǎng)經(jīng)紗的結(jié)晶峰值對(duì)應(yīng)溫度為226℃、底網(wǎng)緯紗的結(jié)晶峰值對(duì)應(yīng)溫度為218℃。

由圖1可見(jiàn)，為確保熱定型溫度不高于原料的熔點(diǎn)，同時(shí)，為探討熱定型中結(jié)晶狀態(tài)對(duì)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(yàn)分析

2.2.1 熱定型對(duì)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(xiàn)為同一試樣在先后施加輕、重壓力時(shí)產(chǎn)生的厚度差變大，去除負(fù)荷后表現(xiàn)的回復(fù)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(yàn)的數(shù)據(jù)表?？梢钥闯?，針對(duì)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(shí)間，再其次是溫度。最優(yōu)的方案為A1B1C3，即溫度240℃、時(shí)間為正面60 s反面30 s、含濕率為0(干定型)。9組試驗(yàn)樣品中，7#試樣的壓縮回彈性能最好。

2.2.2 熱定型對(duì)透氣性能的影響

相同的實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)過(guò)不同條件的熱定型處理，與未經(jīng)熱定型的底網(wǎng)針刺造紙毛毯相比，透氣流量值下降，即透氣性能下降。經(jīng)過(guò)熱定型處理后，纖維之間纏結(jié)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(xiàn)為透氣性能下降。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，毛毯表面形成不連續(xù)的薄膜狀熔融層，這是由部分纖維熔融而形成的，導(dǎo)致毛毯透氣性嚴(yán)重下降［10］。

從表2還可看出，針對(duì)透氣性能而言，熱定型的時(shí)間起著最主要的作用，其次是含濕率，再其次是溫度。最優(yōu)的方案為A3B1C1，即溫度200℃、時(shí)間為正面60 s反面30 s、含濕率為30%。9組試驗(yàn)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(duì)濾水性能的影響

隨著造紙機(jī)向高速方向的發(fā)展，造紙毛毯需要及時(shí)吸取并排出水分，因此，對(duì)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(nèi)部可通過(guò)纖維中微原纖、原纖間的縫孔、纖維之間的縫孔等途徑進(jìn)行滲透和擴(kuò)散，在毛細(xì)力的作用下也會(huì)發(fā)生芯吸作用［12］。

表2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 Experimental data of orthogonal experiment

生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)通過(guò)空刺的方法來(lái)固結(jié)纖維并增加垂直方向纖維的數(shù)量［11］。熱定型后，濾水性能降低主要有2個(gè)原因，一方面是由于纖維之間的纏結(jié)變得緊密，垂直方向纖維的數(shù)量減小，在一定程度上不利于水的透過(guò);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(duì)濾水性能而言，熱定型的溫度起著最主要的作用，其次是時(shí)間，再次是含濕率。最優(yōu)的方案為A3B1C3，即溫度200℃、時(shí)間為正面60 s反面30 s、含濕率為0(干定型)。本文正交試驗(yàn)中，最優(yōu)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(shuō)明可壓縮性能越好，越利于脫水。造紙毛毯被壓縮后回復(fù)能力較強(qiáng)，不易被壓實(shí)，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(shù)學(xué)方法分析數(shù)據(jù)，綜合評(píng)判熱定型后造低毛毯的性能，確定熱定型最佳工藝。請(qǐng)5位專家對(duì)壓縮回彈率、厚度壓縮率、面積變化率、水柱高度、磨損質(zhì)量、平均孔徑、氣體流量、斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率9個(gè)指標(biāo)打分，滿分100分，結(jié)果見(jiàn)表3。

對(duì)打分結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，同時(shí)參考相關(guān)文獻(xiàn)［11］，最終確定各考查指標(biāo)及其權(quán)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(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

因壓縮回彈率、平均孔徑、氣體流量、斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率是數(shù)值越大越好，故選用上限效果測(cè)度計(jì)算，而厚度壓縮率、面積變化率、水柱高度和磨損質(zhì)量是數(shù)值越小越好，故選用下限效果測(cè)度計(jì)算。

表3 專家打分結(jié)果Tab.3 Expert scoring results

表4 各指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)綜合表Tab.4 Comprehensive list of test data of indexes

上限效果測(cè)度計(jì)算公式為

式中:μij為性能的實(shí)際測(cè)試值;μmax為所有性能實(shí)際測(cè)試值的最大值;i為實(shí)驗(yàn)測(cè)試指標(biāo);j為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，j∈［1，9］。

下限效果測(cè)度計(jì)算公式為

式中μmin為所有性能實(shí)際測(cè)試值的最小值。

最終的局勢(shì)效果計(jì)算公式為

式中wk為各指標(biāo)所分配的權(quán)重，wk＞0，∑wk=1，k為指標(biāo)個(gè)數(shù)［13］。

通過(guò)計(jì)算，得到9組試驗(yàn)的局勢(shì)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(shì)效果為0.8628，是9組試樣中的最大值，因此，1#試樣對(duì)應(yīng)的熱定型工藝就是最佳工藝。其熱定型工藝為:溫度240℃，時(shí)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(yùn)動(dòng)變得更容易，將加速定型過(guò)程的進(jìn)行［14］，三者配合，有利于改善底網(wǎng)針刺造紙毛毯的綜合性能，消除前道工序產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)底網(wǎng)針刺造紙毛毯的結(jié)晶性分析，結(jié)果表明，底網(wǎng)的經(jīng)紗、緯紗和短纖原料均為錦綸66，熔點(diǎn)均高于250℃，結(jié)晶峰對(duì)應(yīng)的溫度均高于200℃。

2)熱定型有利于改善底網(wǎng)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(jié)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(shù)量減小，使透氣性能降低、濾水性能降低。

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

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