李 雷 葉 平 顧伯洪 孫寶忠

1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；

2.江蘇金呢工程織物股份有限公司，江蘇 海門(mén) 226132

成形網(wǎng)是造紙中用于紙頁(yè)成形和脫水的器件，其對(duì)流漿箱中的紙漿懸浮液進(jìn)行濾水，形成濕紙幅，并將濕紙幅輸送至后續(xù)工段[1-2]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，成形網(wǎng)已從早期的金屬單層網(wǎng)、兩層網(wǎng)發(fā)展為當(dāng)前大規(guī)模應(yīng)用的具有多個(gè)橫向緯線(xiàn)系統(tǒng)和縱向經(jīng)線(xiàn)系統(tǒng)的自支撐綁定(self-supporting binding,SSB)成形網(wǎng)[3]。多層成形網(wǎng)通過(guò)中間層縫合而成，如傳統(tǒng)的三層網(wǎng)和SSB成形網(wǎng)采用緯線(xiàn)形成中間縫合層[4]。隨著造紙機(jī)車(chē)速的不斷提高，作為造紙濕部重要脫水器材的成形網(wǎng)，也迫切需要取得進(jìn)一步發(fā)展[5]。

SSB成形網(wǎng)需通過(guò)插接形成接口，從而形成一個(gè)整體環(huán)形結(jié)構(gòu)用于造紙加工。插接點(diǎn)是指接口處理過(guò)程中經(jīng)線(xiàn)突出網(wǎng)面的位置，因經(jīng)線(xiàn)處理后在網(wǎng)面上呈點(diǎn)狀而稱(chēng)作插接點(diǎn)。插接帶由插接點(diǎn)組成，其寬度通常為10 cm左右。插接方法已從傳統(tǒng)的手動(dòng)插接發(fā)展為當(dāng)前的全自動(dòng)插接。盡管插接自動(dòng)化程度有所提高，但成形網(wǎng)的插接強(qiáng)度仍較低，接口質(zhì)量與網(wǎng)體質(zhì)量差異較大[6]。此外，SSB成形網(wǎng)所采用的單絲直徑越來(lái)越小，而造紙機(jī)車(chē)速不斷提高，對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度和質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。接口寬度增加及緯線(xiàn)密度的提高，導(dǎo)致更多緯線(xiàn)在插接機(jī)上穿綜，進(jìn)一步增加了插接難度。

插接工序是SSB成形網(wǎng)制作的最后一道關(guān)鍵工序，后續(xù)的二次熱定型僅對(duì)插接帶進(jìn)行工藝微調(diào)整，因此插接強(qiáng)度對(duì)成形網(wǎng)的質(zhì)量有很大影響。在造紙質(zhì)量事故中，因插接強(qiáng)度較低造成的質(zhì)量事故占很大的比重[7]。故提高插接強(qiáng)度，減小接口與成形網(wǎng)主體的質(zhì)量差異，對(duì)降低造紙質(zhì)量事故發(fā)生率具有重要意義。

目前，關(guān)于SSB成形網(wǎng)插接的研究主要側(cè)重于自動(dòng)插接機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方面，如河南恒興造紙網(wǎng)有限公司開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)插接機(jī)，可有效收集插接中產(chǎn)生的網(wǎng)線(xiàn)頭[8]。關(guān)于SSB成形網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)(如面層與底層的織造網(wǎng)紋、面層緯線(xiàn)與底層緯線(xiàn)根數(shù)比、經(jīng)緯直徑、經(jīng)緯密度、接口寬度等)與成形網(wǎng)插接強(qiáng)度關(guān)系的研究仍有待詳細(xì)探討。基于此，本文結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，探討不同SSB成形網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)插接強(qiáng)度的影響,以期為提高成形網(wǎng)產(chǎn)品的接口質(zhì)量提供一定的理論參考。

1 試樣準(zhǔn)備

1.1 原材料準(zhǔn)備

SSB成形網(wǎng)，由江蘇金呢工程織物公司提供，面層經(jīng)、緯線(xiàn)采用聚酯(PET)單絲；底層經(jīng)線(xiàn)采用PET單絲，緯線(xiàn)采用根數(shù)比為1∶1的PET單絲與聚酰胺(PA)單絲。

1.2 制備SSB成形網(wǎng)的設(shè)備及工藝參數(shù)

整經(jīng)機(jī)：瑞典TEXO公司的TSB400型整經(jīng)機(jī)，整經(jīng)速度為50 m/min；

織機(jī)：德國(guó)BK880型，引緯頻率為100次/min；

熱定型機(jī)：挪威KE-12.5 m，熱定型溫度從80 ℃升高至185 ℃，加工速度為2.5 m/min；

插接機(jī)：SC-5型全自動(dòng)插接機(jī)，加工速度為3 761根/h。

1.3 SSB成形網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)模型及插接方式

SSB成形網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。其中，藍(lán)線(xiàn)表示面層緯線(xiàn)，紅線(xiàn)表示綁定緯線(xiàn)，底層較粗的白線(xiàn)表示底層緯線(xiàn)，上下兩根較細(xì)的白線(xiàn)分別表示面層經(jīng)線(xiàn)與底層經(jīng)線(xiàn)。為方便表述，后文分別用面經(jīng)、面緯、底經(jīng)、底緯、綁緯分別表示面層經(jīng)線(xiàn)、面層緯線(xiàn)、底層經(jīng)線(xiàn)、底層緯線(xiàn)、綁定緯線(xiàn)。

圖1 SSB成形網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)

SSB成形網(wǎng)常見(jiàn)的插接方式有閉口插接與開(kāi)口插接兩種，如圖2中黃色標(biāo)記部分所示。兩者的主要區(qū)別在于經(jīng)線(xiàn)在接口形成插接點(diǎn)的方法不同。閉口插接是經(jīng)線(xiàn)穿過(guò)同一緯線(xiàn)后閉合交叉形成插接點(diǎn)；開(kāi)口插接是經(jīng)線(xiàn)穿過(guò)相鄰緯線(xiàn)后呈開(kāi)口狀形成插接點(diǎn)。無(wú)論采用哪種插接方式，插接后兩端經(jīng)線(xiàn)并未連接，且在接口處理過(guò)程中端口凸出進(jìn)而形成插接點(diǎn)。目前SSB成形網(wǎng)的面層多采用閉口插接方式，底層多采用開(kāi)口插接方式。這樣的插接方式可確保插接帶具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)兼具優(yōu)良的濾水性能。本文采用的SSB成形網(wǎng)試樣即為面層閉口插接、底層開(kāi)口插接。

圖2 2種SSB成形網(wǎng)插接方式

2 SSB成形網(wǎng)插接強(qiáng)度測(cè)試與分析

2.1 插接強(qiáng)度測(cè)試

根據(jù)QB/T 2618—2003，采用Zwick Z010型強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試SSB成形網(wǎng)的插接強(qiáng)度，測(cè)試參數(shù)設(shè)置如下：預(yù)張緊力0.5 N，預(yù)張緊速度10 mm/min，拉伸速度100 mm/min。

SSB成形網(wǎng)試樣尺寸：長(zhǎng)200.00 mm±5.00 mm，寬20.00 mm± 0.50 mm，每種試樣測(cè)試3次。

造紙過(guò)程中成形網(wǎng)主要是經(jīng)線(xiàn)方向受力，因此均沿經(jīng)線(xiàn)方向?qū)Σ褰訋нM(jìn)行插接強(qiáng)度測(cè)試。

2.2 織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度的影響

2.2.1 織造網(wǎng)紋對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度的影響

SSB成形網(wǎng)生產(chǎn)中，通常面層織造網(wǎng)紋為平紋組織，以確保成形網(wǎng)的纖維支撐性能及平整性；底層織造網(wǎng)紋為緞紋組織，以使成形網(wǎng)更耐磨，使用壽命更長(zhǎng)。在除織造網(wǎng)紋外其他結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同的情況下，分別對(duì)織造網(wǎng)紋為2/10、2/8和2/6的3種常見(jiàn)成形網(wǎng)進(jìn)行插接強(qiáng)度測(cè)試。其中，2/10織造網(wǎng)紋表示成形網(wǎng)的面層為平紋組織，底層為十枚變則經(jīng)面緞紋組織，2表示平紋組織一個(gè)組織循環(huán)的經(jīng)緯線(xiàn)根數(shù)，10表示緞紋組織一個(gè)組織循環(huán)的經(jīng)緯線(xiàn)根數(shù)。2/8和2/6織造網(wǎng)紋的面層也均采用平紋組織，底層則分別采用八枚變則經(jīng)面緞紋組織和六枚變則經(jīng)面緞紋組織。3種成形網(wǎng)的拉伸性能測(cè)試結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 3種不同織造網(wǎng)紋SSB成形網(wǎng)的拉伸曲線(xiàn)

表1 3種不同織造網(wǎng)紋SSB成形網(wǎng)的插接性能測(cè)試結(jié)果

由表1可知，2/10、2/8和2/6這3種不同織造網(wǎng)紋SSB成形網(wǎng)的插接強(qiáng)度分別為486、546和763 N/cm，表明底層織造網(wǎng)紋由十枚變則經(jīng)面緞紋變?yōu)榘嗣?、六枚變則經(jīng)面緞紋時(shí)，成形網(wǎng)的插接強(qiáng)度逐漸提高。面層為平紋組織，底層為十枚變則經(jīng)面緞紋時(shí)，成形網(wǎng)的插接強(qiáng)度最小，比底層為六枚變則經(jīng)面緞紋成形網(wǎng)的插接強(qiáng)度低36.3%。

2.2.2 面緯底緯根數(shù)比對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度的影響

當(dāng)前，用于造紙的SSB成形網(wǎng)，其面緯底緯根數(shù)比通常采用2∶l或3∶2，且面層經(jīng)緯線(xiàn)采用較小直徑的PET單絲，底緯采用較大直徑的PET單絲，配合一定比例的PA單絲，以提高成形網(wǎng)使用壽命[9]。在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同的情況下，面層緯線(xiàn)與底層緯線(xiàn)根數(shù)比分別為2∶1和3∶2的SSB成形網(wǎng)的拉伸性能測(cè)試結(jié)果如圖4和表2所示。

圖4 2種不同面緯底緯根數(shù)比SSB成形網(wǎng)的拉伸曲線(xiàn)

2.2.3 經(jīng)緯線(xiàn)直徑對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度的影響

為探討SSB成形網(wǎng)經(jīng)緯線(xiàn)直徑對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度的影響，測(cè)試不同經(jīng)緯線(xiàn)直徑成形網(wǎng)的插接強(qiáng)度，結(jié)果如圖5和表3所示?？芍?，成形網(wǎng)經(jīng)緯線(xiàn)直徑越大，插接強(qiáng)度越高，且經(jīng)線(xiàn)直徑的影響更大。由圖5a)和表3可知，面經(jīng)直徑為0.13 mm、底經(jīng)直徑為0.21 mm時(shí)，插接強(qiáng)度僅為430 N/cm，較面經(jīng)直徑為0.20 mm、底經(jīng)直徑為0.27 mm時(shí)的插接強(qiáng)度減小了約43.2%。上述結(jié)果驗(yàn)證了企業(yè)為提高成形網(wǎng)強(qiáng)度而普遍采用增大經(jīng)線(xiàn)直徑的方法的正確性。由圖5b)可看出，底緯直徑越大，成形網(wǎng)插接強(qiáng)度越高。這也解釋了成形網(wǎng)生產(chǎn)時(shí)常通過(guò)增加底緯直徑的方式提高斷裂強(qiáng)度，進(jìn)而改善成形網(wǎng)的耐磨性能。通過(guò)增大底緯直徑可解決成形網(wǎng)因不斷與驅(qū)網(wǎng)輥、張緊輥等脫水元件接觸而造成的過(guò)早下機(jī)問(wèn)題，提高其使用壽命。綁緯是SSB成形網(wǎng)中連接面層與底層的一組特殊緯線(xiàn)，可使成形網(wǎng)結(jié)構(gòu)更緊密。由圖5c)和表3可以看出，綁緯直徑越小，插接強(qiáng)度越低。當(dāng)綁緯直徑由0.20 mm減小至0.13 mm時(shí)，成形網(wǎng)的插接強(qiáng)度由750 N/cm減小至522 N/cm，降低約30.4%。實(shí)際生產(chǎn)中，常通過(guò)增大綁緯直徑的方式提高綁緯與面經(jīng)、底經(jīng)的接觸面積，進(jìn)一步增加成形網(wǎng)插接強(qiáng)度。

圖5 不同經(jīng)緯線(xiàn)直徑SSB成形網(wǎng)的拉伸性能曲線(xiàn)

表3 不同經(jīng)緯線(xiàn)直徑SSB成形網(wǎng)的插接性能測(cè)試結(jié)果

2.2.4 經(jīng)緯線(xiàn)密度對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度的影響

SSB成形網(wǎng)經(jīng)緯線(xiàn)密度是成形網(wǎng)制備過(guò)程中的重要指標(biāo)，無(wú)論是織造還是熱定型環(huán)節(jié)，均需專(zhuān)門(mén)的設(shè)備和工藝條件來(lái)確保目標(biāo)經(jīng)緯密度的實(shí)現(xiàn)，可見(jiàn)經(jīng)緯線(xiàn)密度對(duì)成形網(wǎng)的最終性能有很大的影響。在確保SSB成形網(wǎng)除經(jīng)緯密度外其他結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同的情況下，測(cè)試3種不同經(jīng)緯密度SSB成形網(wǎng)的拉伸性能，結(jié)果如圖6和表4所示。由圖6與表4可知，相比經(jīng)密為45根/cm、緯密為54根/cm的成形網(wǎng)，經(jīng)密為57根/cm、緯密為63根/cm的成形網(wǎng)的插接強(qiáng)度提高了約21.1%。原因是經(jīng)緯密增大，單位長(zhǎng)度內(nèi)的經(jīng)線(xiàn)及緯線(xiàn)根數(shù)增多，紗線(xiàn)排列更緊密，抱合力更強(qiáng)，插接強(qiáng)度也更高。研究還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)密不變，僅增大緯密時(shí)，成形網(wǎng)的抗張強(qiáng)力與插接強(qiáng)度增量較小。實(shí)際生產(chǎn)中，增大經(jīng)緯密既可提高成形網(wǎng)的纖維支撐留著能力，又能在確保強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，配合使用直徑更小的單絲，改善成形網(wǎng)的濾水性能。

圖6 3種不同經(jīng)緯密度SSB成形網(wǎng)的拉伸性能曲線(xiàn)

表4 3種不同經(jīng)緯密度SSB成形網(wǎng)的插接性能測(cè)試結(jié)果

2.2.5 接口寬度對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度的影響

實(shí)際應(yīng)用中，接口寬度也會(huì)對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度產(chǎn)生影響。在確保SSB成形網(wǎng)除接口寬度外其他結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同的情況下，選用接口寬度分別為14 cm與16 cm的2種成形網(wǎng)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖7和表5。由圖7和表5可看出，接口寬度增大，插接強(qiáng)度提高。接口寬度從14 cm增至16 cm時(shí)，插接強(qiáng)度從442 N/cm增至557 N/cm，增大了26.0%。實(shí)際生產(chǎn)中也常通過(guò)增大接口寬度來(lái)增加插接強(qiáng)度，但同時(shí)需考慮插接機(jī)所能承受的最大緯線(xiàn)根數(shù)，在合理范圍內(nèi)設(shè)計(jì)接口寬度。

圖7 2種不同接口寬度SSB成形網(wǎng)的拉伸性能曲線(xiàn)

表5 2種不同接口寬度SSB成形網(wǎng)的插接性能測(cè)試結(jié)果

2.3 拉伸失效分析

目前，成形網(wǎng)通常不會(huì)因拉伸失效而下機(jī)，更多的是因成形網(wǎng)磨損、高壓水使用不當(dāng)、化學(xué)清洗不當(dāng)、脫水元件劣質(zhì)等因素而導(dǎo)致下機(jī)。隨著造紙機(jī)車(chē)速的提高，成形網(wǎng)插接帶出現(xiàn)拉伸失效的概率增大。采用顯微鏡觀察SSB成形網(wǎng)插接帶拉伸破壞失效模式(圖8)，可以看出，在沿經(jīng)線(xiàn)方向的拉伸作用下，接口被拆開(kāi)，經(jīng)線(xiàn)在插接點(diǎn)處發(fā)生分離；緯線(xiàn)則并未發(fā)生斷裂，而是呈脫散分布，最終導(dǎo)致成形網(wǎng)失效。

圖8 SSB成形網(wǎng)插接帶拉伸破壞失效模式

3 結(jié)論

通過(guò)結(jié)合SSB成形網(wǎng)的生產(chǎn)實(shí)踐，探究了不同織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度的影響，得到下述結(jié)論。

(1)常見(jiàn)的3種織造網(wǎng)紋成形網(wǎng)中，面層采用平紋、底層采用六枚變則經(jīng)面緞紋時(shí)，制成的成形網(wǎng)插接強(qiáng)度最大，可達(dá)763 N/cm，最大抗張強(qiáng)力達(dá)1 525.92 N。

(2)當(dāng)面緯底緯根數(shù)比為2∶1時(shí)，綁緯數(shù)量多，所得成形網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊密，插接強(qiáng)度大。

(3)經(jīng)緯線(xiàn)直徑越大，成形網(wǎng)插接強(qiáng)度越高。經(jīng)線(xiàn)直徑對(duì)插接強(qiáng)度的影響更大。面經(jīng)直徑為0.13 mm、底經(jīng)直徑為0.21 mm的成形網(wǎng)相比面經(jīng)直徑為0.20 mm、底經(jīng)直徑為0.27 mm的成形網(wǎng)插接強(qiáng)度減小了約43.2%，這也是成形網(wǎng)制備過(guò)程中通過(guò)增大經(jīng)線(xiàn)直徑提高其強(qiáng)度的原因。

(4)成形網(wǎng)插接強(qiáng)度與經(jīng)緯密度和接口寬度呈正相關(guān)。提高經(jīng)緯密度，可在確保成形網(wǎng)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，兼顧纖維支撐留著能力與濾水性能；在插接機(jī)所能承受的最大緯線(xiàn)根數(shù)范圍內(nèi)增加接口寬度，可提高成形網(wǎng)插接強(qiáng)度。

(5)SSB成形網(wǎng)沿經(jīng)向拉伸的失效模式為經(jīng)線(xiàn)在插接點(diǎn)處發(fā)生分離，緯線(xiàn)脫散。