[科普中國(guó)]-濕造法

濕造法即是用溶液(通常是水)將原料攪拌均勻, 形成漿料, 然后把漿料上到網(wǎng)上成形, 再進(jìn)行壓榨脫水,最后烘干后就得到紙狀成品, 即采用抄造的方法制造。普通濾紙就是采用與之類(lèi)似的方法制成的。1

纖維濾材濕造法中試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制在當(dāng)今液壓工業(yè)對(duì)油液的過(guò)濾要求越來(lái)越重視的情況下 , 研制高精度、 大納污容量的過(guò)濾材料成為非常重要的課題之一 , 因用干法制造的纖維濾材 ,設(shè)備昂貴, 工藝過(guò)程較復(fù)雜 , 不易控制;而濕法制造濾材, 原料來(lái)源廣泛 , 價(jià)格低, 并具有較高的過(guò)濾性質(zhì) , 因此被廣泛地應(yīng)用。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)流體動(dòng)力研究室經(jīng)過(guò)反復(fù)研究, 對(duì)比各種纖維的要素及性質(zhì), 用實(shí)驗(yàn)室抄造小樣 , 反復(fù)試驗(yàn), 終于得出了一系列有參考價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 并開(kāi)發(fā)了一套生產(chǎn)纖維濾材的濕造法中試實(shí)驗(yàn)抄造系統(tǒng) , 該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所抄造的濾材具有較高的過(guò)濾性能 , 且操作工藝簡(jiǎn)單, 節(jié)水 , 節(jié)能 , 是值得推廣的生產(chǎn)工藝及設(shè)備 。下面就將該設(shè)備的基本構(gòu)造以及濾材的性能作一簡(jiǎn)要概述。

一般情況 , 濾材的中試實(shí)驗(yàn)抄造系統(tǒng)的工作原理如下 :被攪拌均勻的纖維漿料, 通過(guò)上漿設(shè)備連續(xù)地流到無(wú)端的網(wǎng)上, 漿料在網(wǎng)上逐漸脫水形成濕的幅面 , 以后再經(jīng)輥式壓榨輥上脫水, 烘缸表面上蒸發(fā)干燥和卷取 。

按照網(wǎng)部結(jié)構(gòu)的不同 , 抄造機(jī)械有下列幾種主要類(lèi)型:長(zhǎng)網(wǎng)類(lèi)型 、 圓網(wǎng)類(lèi)型、 夾網(wǎng)類(lèi)型、 復(fù)合型和一些結(jié)構(gòu)比較特殊的抄造機(jī)械。

長(zhǎng)網(wǎng)抄造機(jī)是使用較廣泛的一種抄造機(jī), 典型長(zhǎng)網(wǎng)抄造機(jī)可以看作是一種由多臺(tái)設(shè)備組成的聯(lián)動(dòng)機(jī)。通常可以分為濕部和干部?jī)纱蟛糠?。濕部包括漿料流送設(shè)備 、 網(wǎng)部和壓榨部;干部通常包括干燥部、 壓光機(jī)和卷取設(shè)備。

其生產(chǎn)過(guò)程如下 :

經(jīng)攪拌配漿和凈化后 , 具有適于抄造的性能的漿料在一定的濃度下進(jìn)入抄造機(jī)的漿料流送設(shè)備 。在這里, 漿料經(jīng)過(guò)流漿箱對(duì)漿流的分布和勻整后 ,均勻而穩(wěn)定地流送到運(yùn)動(dòng)著的成形網(wǎng)的網(wǎng)面上。

漿流在網(wǎng)案的胸輥中心線附近上網(wǎng)以后, 逐漸地過(guò)濾、 脫水, 形成連續(xù)的濕的濾材幅面。當(dāng)濕的濾材脫水到一定的干度 (通常是 20%左右), 便可以從網(wǎng)面剝離, 送至壓榨部繼續(xù)脫水 。

壓榨部是由若干組輥式壓榨組成的。濕的濾材是由壓榨毛毯支托著, 在壓輥間用機(jī)械擠壓的方法脫水 。經(jīng)壓榨部后, 濾材的干度一般可達(dá) 40%左右。

濕濾材在抄造機(jī)上的進(jìn)一步脫水, 通常是用加熱蒸發(fā)干燥的方法。抄造機(jī)的干燥部通常是由許多從內(nèi)部加熱的烘缸組成。烘缸上包覆著干毯 (或帆布、 干網(wǎng));目的是將濾材緊壓到缸面上, 提高傳熱效率和增進(jìn)濾材的表面質(zhì)量。

干燥后, 通常使用壓光機(jī)來(lái)提高濾材的表面質(zhì)量。最后用卷取設(shè)備卷成筒狀 。

根據(jù)上述的生產(chǎn)過(guò)程 , 結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況 , 我們?cè)O(shè)計(jì)制造了實(shí)驗(yàn)室抄造系統(tǒng) (系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 1)。實(shí)驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)化了某些環(huán)節(jié) , 沒(méi)有設(shè)壓光機(jī) ;濾材的幅面要比通常的小 , 為 400mm, 這主要是為了避免實(shí)驗(yàn)時(shí)使用太多的水和纖維漿料 。干燥部沒(méi)有采用蒸汽加熱 , 而改用便于操作控制 、 設(shè)備簡(jiǎn)單的電加熱方式 。

由于使用過(guò)程中需要用水, 所以必須注意防銹問(wèn)題 。因此, 設(shè)計(jì)時(shí) , 所有輥筒都使用不銹鋼管 ,其它的零部件也都進(jìn)行了電鍍防銹 。

抄造過(guò)程中漿料的濃度很低, 需要用很多的水才能保證漿料具有足夠的均勻度和良好的流動(dòng)性能 。但是在纖維上網(wǎng)成形和經(jīng)過(guò)壓榨后, 絕大部分的水都會(huì)分離 , 如果讓這些水白白流掉是十分浪費(fèi)和不合理的。因此 , 在網(wǎng)案部和壓榨部的下方都有回流裝置 , 將分離下來(lái)的水, 匯集后循環(huán)使用。

實(shí)驗(yàn)抄造系統(tǒng)的性能參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件如下:

凈寬度:400mm ;

網(wǎng)寬度:400mm ;

上漿流量:10～ 150L/min;

調(diào)速范圍:0.3-6.0m/min;

工作線壓:50～ 150N/cm ;

烘缸溫度:30～ 120℃;

環(huán)境溫度:>5℃。

漿料流送設(shè)備是抄造機(jī)的起始部分, 習(xí)慣上常稱(chēng)之為流漿箱或網(wǎng)前箱。它可以和抄造機(jī)的其它部分明顯地區(qū)別開(kāi)來(lái) 。漿料流送設(shè)備的作用, 是把漿料均勻而穩(wěn)定地流送和噴布到成形網(wǎng)上 , 為濾材幅面的良好成形提供必要的前提。制造纖維濾材對(duì)漿料的均勻性要求極高, 因而漿流箱對(duì)整個(gè)抄造系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是決定纖維抄造質(zhì)量的關(guān)鍵性設(shè)備 。

要得到質(zhì)量均勻的濾材, 它的成形過(guò)程 (手工抄造接近這樣的過(guò)程)首先是制備完全均勻的纖維懸浮液 , 比如, 可以采用很低濃度的漿料 (通常要用0.01%以下的濃度 , 才能避免纖維在水中自發(fā)地絮聚成團(tuán)), 然后讓?xiě)腋∫涸诔尚尉W(wǎng)上平穩(wěn)地過(guò)濾脫水, 使纖維在網(wǎng)面上均勻地交織成一個(gè)薄層 。在這樣條件下抄造的濾材 , 質(zhì)地是均勻的, 即每單位面積上的濾材具有相同數(shù)量和組分的纖維, 而且纖維是無(wú)定向 、 均勻分散排列的, 這樣才能滿足纖維介質(zhì)的結(jié)構(gòu)要求。

為此 , 我們提出以下幾點(diǎn)具體要求 :

(1)把漿流分布開(kāi)來(lái), 使上網(wǎng)的漿流沿幅寬上有一致的流速, 避免發(fā)生橫流 、 竄流、 擾動(dòng)等不規(guī)則的流動(dòng)現(xiàn)象;

(2)在保證上網(wǎng)漿流穩(wěn)定的條件下, 在漿料流送過(guò)程中, 利用攪動(dòng) 、 加速、 轉(zhuǎn)折摩擦等, 使?jié){流中有一定的速度差和由此產(chǎn)生的流體剪力場(chǎng) , 促使?jié){流中的纖維均勻分散, 防止纖維沉積和絮聚;

(3)按照抄造機(jī)的幅面成形所需的流速和方向 ,把均勻分散的漿流噴布到成網(wǎng)的適當(dāng)位置;

(4)為了防止掛漿現(xiàn)象, 漿料流送設(shè)備的漿道和漿流接觸的表面, 都應(yīng)光滑平直, 沒(méi)有死角 。要完全地防止掛漿現(xiàn)象是十分困難的, 因此 , 漿料流送設(shè)備的各個(gè)部分要經(jīng)常清洗 。

在流漿箱中設(shè)置了四塊擋板, 前兩塊擋板使?jié){流轉(zhuǎn)折均勻 , 后兩塊擋板使?jié){流平穩(wěn)。四塊擋板間的間距也是有變化的 , 主要作用是改變漿流的速度。通過(guò)調(diào)節(jié)溢流板的高度和上下唇板間的距離, 可以得到不同的上漿速度。上漿速度與車(chē)速相互配合才能抄造出連續(xù)的濾材。

使用該系統(tǒng)抄造纖維濾材, 關(guān)鍵在于確定相關(guān)的一系列參數(shù), 主要有漿料濃度 , 上漿速度, 車(chē)速和烘缸的溫度等 。

根據(jù)我們用實(shí)驗(yàn)室抄造小樣的試驗(yàn)及結(jié)論 , 使用纖維A、 纖維 B 、 和 B∶A 為1∶2 的配比的漿料, 以0.01%的濃度, 在該系統(tǒng)上試驗(yàn)抄造連續(xù)濾材 。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn), 成功地抄造出了連續(xù)的濾材 , 并做了多次通過(guò)實(shí)驗(yàn) , 測(cè)試了它們的過(guò)濾性能。實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的數(shù)據(jù)如表 1、 表 2 和表 3 所示。

從表 1到表 3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看 , 應(yīng)用本設(shè)備的濕造法可以抄造出良好性能的連續(xù)的纖維過(guò)濾材料 。

可以用作過(guò)濾材料的纖維有多種 , 應(yīng)根據(jù)對(duì)過(guò)濾材料的性能要求進(jìn)行選擇和各種實(shí)驗(yàn) 。

從以上的中試實(shí)驗(yàn)抄造系統(tǒng)所抄造的纖維濾材可看出, 因該種濕法制造的濾材性能好, 質(zhì)量高, 為濕

造法的應(yīng)用和纖維濾材的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了有益的探索和基礎(chǔ)。2

小樣抄造法分析濕造法纖維濾材的過(guò)濾性能研究過(guò)濾材料的特性或研制新型過(guò)濾纖維材料,關(guān)鍵的一步是選用合適的纖維材料并抄造小樣測(cè)試其過(guò)濾性能。在此過(guò)程中, 初步確定部分工藝參數(shù), 如漿料濃度, 壓榨力, 烘干溫度等。抄造濾材小樣通常在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行 , 設(shè)備應(yīng)小型化, 便于操作, 容易控制,盡量少費(fèi)水 、少費(fèi)電, 少污染。

根據(jù)上述要求 , 按照手工抄造的原理, 我們選用了一些通用的器械, 并自行設(shè)計(jì)改造了部分設(shè)備作為該實(shí)驗(yàn)設(shè)備 。

打漿設(shè)備:攪拌機(jī)

攪拌容器:20 升容器

成形濾網(wǎng):60 目不銹鋼

壓榨輥 :橡皮輥

烘干器 :電加熱烘干器

抄造過(guò)程如下:

(1)清洗容器和抄造設(shè)備;

(2)按比例稱(chēng)量纖維原料組分;

(3)將纖維投入容器, 加入適量水;

(4)啟動(dòng)攪拌機(jī)打漿, 打漿須充分均勻;

(5)將適量纖維漿注入成形濾網(wǎng)上方的容器;

(6)放下濾網(wǎng)下面的擋板, 讓水從濾網(wǎng)濾下, 纖維漿在網(wǎng)上成形;

(7)取出濾網(wǎng) , 用橡皮輥壓榨掉多余的水分;

(8)將壓實(shí)的成形纖維移到烘干器上烘干;

(9)關(guān)閉烘干器 , 將基本烘干的纖維材料自然晾干及冷卻定型;

(10)編號(hào)記錄保存 ;

(11)清洗整理實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

經(jīng)過(guò)上述的步驟, 一張纖維濾材小樣就抄造出來(lái)了。利用這套設(shè)備需要注意的是：

①實(shí)驗(yàn)前注意計(jì)算好纖維材料的質(zhì)量以及水量,控制好漿料濃度;

②在步驟 (4)中要注意按預(yù)先計(jì)算好的體積注入漿料, 控制好濾材的厚度 (單位面積的質(zhì)量);

③為保證抄造的小樣具有較好的性能, 應(yīng)把纖維漿攪拌均勻 , 不能有絮凝現(xiàn)象。

利用上述設(shè)備, 我們選用了兩種纖維材料按照不同的質(zhì)量比混合, 抄造了若干試樣, 并將抄造出的樣品在多次通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)上做了測(cè)試 。其中纖維 A 的直徑較細(xì), 平均直徑小于 1μm , 纖維 B 的直徑較粗, 平均直徑約為 40μm , 表 1～ 表 6列出了樣品 1 到樣品 6 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 表中纖維的成分指纖維 B 與纖維A 的質(zhì)量比。表7和表8 分別是纖維A 和與4#樣品同組分的纖維漿抄造的厚度較大的纖維濾材樣品 7和樣品8。

根據(jù)表9得下圖：

圖中, 在其始點(diǎn), 用純纖維A 抄造的濾材過(guò)濾精度較高, 過(guò)濾比 達(dá)到了200多, 說(shuō)明纖維A 完全可以用來(lái)抄造高精度的過(guò)濾材料。

在曲線的末端點(diǎn), 表示用純纖維 B 抄造的濾材的過(guò)濾比。曲線顯示其對(duì) 20μm 的過(guò)濾比小于 100, 實(shí)際上在表 6中我們看到, 僅為 26, 約為140。說(shuō)明用純纖維 B抄造的濾材精度較低。

在曲線的最初始段, 曲線劇烈下降。這說(shuō)明在纖維A 中摻入纖維 B后, 對(duì)纖維的過(guò)濾指標(biāo)有很大的影響。纖維A 完全可以用來(lái)抄造精度為 1μm 的濾材, 但在摻入纖維 B 后 , 即使少量的也可能導(dǎo)致過(guò)濾比 β 1 急劇下降到 100以下, 降低了精度等級(jí) 。因此纖維的均勻性對(duì)抄造高精度的濾材是極其重要的。

在摻入纖維B 后, 纖維的過(guò)濾效率急劇下降, 但是其壓差也有所下降。這表明, 在摻入粗纖維后, 不僅使濾材的等效直徑變粗 , 而且也影響了纖維間的搭接, 使空隙尺寸增大, 從而導(dǎo)致過(guò)濾效率和壓差的下降。但是, 過(guò)濾比并非是越高越好, 只要滿足要求就可以了。通常認(rèn)為當(dāng)>100 時(shí) , 可以達(dá)到較好的過(guò)濾效果。從圖中可看到, 兩種纖維按照一定比例混合后, 適當(dāng)降低過(guò)濾比, 不僅依然可以達(dá)到預(yù)期的過(guò)濾精度, 而且還能有效的改善纖維濾材的流體性能, 降低過(guò)濾時(shí)的壓力損失。所以, 抄造濾材時(shí), 在滿足精度要求的前提下, 通過(guò)改變纖維的組分, 實(shí)際上也就是改變纖維的結(jié)構(gòu), 可以有效地改善纖維濾材的流體性能。

另一方面對(duì)于抄造中等精度的過(guò)濾材料, 上面的實(shí)驗(yàn)也提供了新的途徑。通常的做法是抄造不同精度的濾材, 我們選擇不同的纖維, 或者用相同的纖維依靠改變纖維層的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)過(guò)濾器的要求是多種多樣的, 如果每個(gè)精度都對(duì)應(yīng)一種纖維,每種纖維的物理化學(xué)性能又不盡相同 , 那不僅對(duì)纖維原料提出了較高的要求, 而且實(shí)際的抄造過(guò)程將會(huì)變得復(fù)雜和難以控制。通過(guò)改變纖維層的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)抄造不同精度的濾材 , 在一定程度上可以滿足要求。如表6和表7 所示。在增加纖維的堆積厚度以后, 過(guò)濾比有很大的提高。純纖維 A 抄造的濾材 , 在厚度增加一半后,由264 提高到 726;而由纖維 B 和纖維 A按1∶2混合打漿后抄造的濾材在厚度增加一半后,由40提高到 240, 精度等級(jí)得到了提高。但是這兩種組分的濾材在增加厚度后的過(guò)濾壓差都比同組分的濾材有所提高, 分別從 0.035MPa 增加到 0.043MPa, 從0.017MPa 增加到0.028MPa 。通過(guò)增加厚度來(lái)提高濾材的過(guò)濾精度是以犧牲其流體性能為代價(jià)的。增加纖維層的厚度必然會(huì)增加纖維對(duì)流體的阻礙, 使過(guò)濾時(shí)的壓差增大。而如前所述, 通過(guò)改變纖維組分來(lái)實(shí)現(xiàn)抄造不同精度的濾材, 還能同時(shí)最大限度地獲得良好的流體性能。

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 , 可以使用抄造方法制造出高精度的過(guò)濾材料, 纖維的均勻性對(duì)抄造高精度的濾材具有重要的意義;可以使用兩種纖維按照不同比例相互混合來(lái)實(shí)現(xiàn)抄造不同精度的濾材, 并且在滿足精度要求的前提下獲得好的流體性能;纖維材料的厚度對(duì)過(guò)濾精度和流體性能有較大的影響, 純粹通過(guò)改變纖維的厚度來(lái)得到不同精度等級(jí)的過(guò)濾材料, 必然導(dǎo)致濾材的流體性能的差異 , 并有可能因?yàn)槠溥^(guò)濾時(shí)的壓差過(guò)大, 影響過(guò)濾器的壽命 。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)