玻璃纖維非織造布的濕法成網技術

L.Bos

Andritz Küsters公司(德國)

濕法成網的用于建筑領域的非織造布產品產量不斷增長。在非織造布產量不斷增長的同時，人們對高品質材料的需求也隨之增長。

全球范圍內正在建造和重建的建筑物越來越多，這導致對建筑材料的需求增長。制造商正在開發比石膏或油漆應用更快捷且所需的后處理少的產品。開發這種產品的重要一環是基于濕法成網的玻璃纖維非織造材料。例如，用作石膏板墻和聚異丁烯屋頂貼面和背襯的紙及紙板材料，現已被玻璃纖維薄氈取代。

玻璃纖維氈在對外觀要求較高的產品(如天花板和墻紙)中也有諸多應用。對于對外觀要求較低的傳統應用，如乙烯基地板﹑地毯及瀝青屋頂的增強材料，則對其拉伸強度有著較高的要求。玻璃纖維氈還可用作過濾材料和電池隔板。在這些應用中，玻璃纖維在薄氈中的良好分布至關重要。玻璃纖維氈生產商需不斷改善其產品性能，制備纖維分布均勻的玻璃纖維氈，以滿足用戶需求和市場期望。

“成型良好”用于描述具有均勻結構的濕法成網非織造產品。本質而言，懸浮液中易結塊纖維的聚集，容易形成較大的絮狀物，從而造成非織造布的不良成型(圖1)。因此，非織造布加工過程中需有效預防纖維的聚集。

圖1 玻璃纖維非織造氈的成型效果與纖維聚集狀態的關系

成型良好的玻璃纖維非織造氈除了可提高產品的外觀效果外，其相比成型較差的同類產品也更薄﹑更堅固。為使玻璃纖維非織造氈成型良好，需控制從纖維分散至最終成網的全過程。

提高成網質量的方式有很多。在懸浮液中添加化學品，可減少纖維絮團的產生。如，添加黏度調節劑可增強纖維對流體的抗沖擊力，添加表面活性劑等可降低絮狀纖維物質的凝結。

使用化學品除增加生產成本外，還存在一些弊端：必須精確控制清水系統中添加的化學品的濃度，并且這些化學品的使用效果取決于難以控制的工藝條件，如溫度和工藝用水質。此外，這些化學品必須能與黏合劑體系相容。化學品的使用還會帶來不良反應，如起泡和細菌滋生，而這些不良反應需通過使用其他化學品來解決。

對玻璃纖維非織造氈的成型工藝進行優化設計，是一種更有效且節約生產成本的提高纖網質量的方式。為實現均勻的玻纖氈結構，下述3方面的設計至關重要：

——纖維在水-纖維懸浮液中應有足夠的自由移動空間；

——對水/纖維懸浮液施加足夠的湍流，以保持纖維的運動；

——按良好的纖維取向鋪設纖維，確保其均勻分布在纖網上。

濕法成網工藝對玻璃纖維氈的成型有重大影響。良好的工藝設計可降低纖網制備過程中對清水黏度和化學表面活性劑等物質的依賴。

1 纖維移動空間

非織造布濕法成網采用的斜線成型機專為處理長纖維而開發。纖維長度越長，懸浮液的質量濃度應越低(圖2)，從而使纖維在懸浮液中具有足夠的自由移動空間。

圖2 纖維長度與纖網成型性的關系

為了給纖維提供必要的移動空間，運轉速度快(>500 m/min)且寬度大(>5.5 m)的機器需通過成型機泵送足夠的清水(>350 m3/min)，這對成型機的設計，包括葉片泵(圖3)的性能設計提出了更高要求。

圖3 葉片泵

葉片泵必須與成型系統的其他組件匹配。系統工程師需了解成型機與泵的特性及其相關細節，防止系統相互間失配。運行系統間的不匹配可能會造成嚴重的后果，如，可能造成系統在泵的氣蝕窗口中運行，從而引起脈沖和纖維結塊，嚴重時可能會損壞泵。

在對現有的成型機提速后，葉片泵的運行速度遠超其最佳運行范圍，因此建議安裝新的成型機或請專家改裝現有的斜線成型機。

2 保持纖維運動

確保纖網良好成型的基礎是纖維分散并懸浮于清水中，玻璃纖維的分散通常在由造紙工業中常用的制漿機衍生而來的混合罐中進行。實踐證明，混合罐的攪拌器參數設計和功率設置取決于加工的玻璃纖維的長度、直徑，尤其是纖維上所用的漿料。

分散的纖維必須持續保持運行狀態以防結塊，直至其被鋪放在成型網上。因此，中間緩沖罐和稀釋罐也必須配備特定的攪拌器。

建議對各種類型的攪拌器與纖維間的適配性進行測試，以確保纖維與攪拌器的配合恰當，從而保持纖維的分散狀態。

成型機中保持纖維的運動非常重要，大多數成型機通過擴散器實現纖維的持續運動。在由各種管道組成的擴散器中，能量由壓力轉換為速度，但這一過程無法始終受控。若流體速度高于臨界速度，則流體運動將由層流變為湍流。而擴散器中應盡量避免懸浮漿的湍流運動，因為它會導致纖維結塊。

通過使用雙擴散器(圖4)，可對含纖維的懸浮漿的運動進行兩次加速而不會超過臨界速度。試驗表明，在實際形成氈狀物前，采用雙擴散器纖維獲得的分散能量更多(圖5)，從而可避免過大的絮團形成。

圖4 雙擴散器

圖5 單/雙擴散器的分散能量對比

3 良好分布與取向的纖維鋪設

良好的玻璃纖維非織造氈需在其長度方向(縱向)和寬度方向(橫向)上具有恒定的質量。纖維分布不均勻易導致產品外觀上的差異，甚至還會影響其主要物理性能，如厚度、面密度和拉伸強度。

為實現完美的纖維分布，懸浮漿必須無脈沖且在整個成型機的寬度方向上均勻分散。將精心設計的葉片泵與雙擴散器方式結合，可獲得無脈沖物料流。任何殘留的脈沖都將在兩個擴散器的間隔中被吸收。

機器寬度方向上物料的良好分布需物料流呈現出完美的流體形態，這可通過雙擴散器實現。預擴散器能完美匹配懸浮漿的流動方向。懸浮漿由橫向供應給機器，然后呈90°轉入機器方向。若懸浮漿在寬度方向上存在細微差異，可在兩個擴散器組成的空間中進行調節。

除了將纖維均勻分布在產品的寬度和長度方向上外，按所需的方向鋪設纖維也非常重要。若注重產品的外觀，則應使產品縱向和橫向上的纖維隨機均勻地鋪設在成型網上。另有一些產品則無需具有各向同性。若所得非織造產品需進行后續加工，則其縱向強度應高于橫向，此時，需在機器方向上鋪設更多的纖維。若懸浮漿與成型生產線以相同的速度流動，則纖維的取向在橫向和縱向上通常具有隨機性。若兩者存在速度差，則纖維將在縱向上具有更好的取向性。Andritz公司的neX成型機可通過脫水和打開前壁的方式，調節懸浮漿輸送至成型網的速度。

具有雙擴散器的Andritz neX成型機，可將玻璃纖維非織造布良好的纖網成型性與纖維取向可調性完美結合。