紙張干燥特性曲線影響因素實驗研究

陳曉彬　王宇航　何耀輝　董云淵　鄭啟富　李繼庚　劉煥彬

摘 要：采用控制變量法，研究了纖維原料種類、成紙定量、紙漿打漿度、壓榨壓力和干燥溫度5個因素對紙張干燥特性曲線的影響。結(jié)果表明，纖維原料種類和紙漿打漿度對紙張干燥特性曲線影響較小，但紙漿打漿度會影響紙張干燥前初始含水率，打漿度越大，紙張干燥前初始含水率越高;紙張定量與厚度正相關，對紙張干燥特性曲線影響顯著，定量越大，紙張越難干燥;壓榨降低了紙張干燥初始含水率，加速了干燥過程，可能的原因是擠壓后，紙張中部分難干燥的毛細管水轉(zhuǎn)變成了容易干燥的游離水;由于紙張干燥是傳熱與傳質(zhì)同時發(fā)生的過程，干燥溫度越高，傳熱動力大，促使蒸發(fā)傳質(zhì)發(fā)生，干燥越容易。

關鍵詞：紙張干燥;特性曲線;影響因素

中圖分類號：TS755

文獻標識碼：A

DOI：10.11981/j.issn.1000-6842.2019.03.50

造紙過程本質(zhì)是一個脫水過程，主要由紙機的3部分完成：成形部、壓榨部和干燥部。紙張成形借助重力和真空作用脫水，將紙張干度提升至15%～25%;壓榨依靠機械作用脫水，進一步將紙張干度提升至33%～55%;干燥通過蒸發(fā)作用脫水，使成品紙的干度達到要求，約90%～95%[1]。干燥過程脫水量約為上網(wǎng)漿料含水總量的1%，是脫水量最少的工段，但脫水成本最大[2]。以長網(wǎng)紙機為例，干燥部的質(zhì)量約占紙機總質(zhì)量的60%～70%，長度約占紙機的60%，投資成本約占紙機的40%[3]。據(jù)美國造紙科學與技術研究所（Institute of Paper Science and Technology，IPST）的研究[4]，干燥部的能耗約占紙機總能耗的61.9%。因此，紙張干燥一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點，對紙機的設計、造紙生產(chǎn)以及節(jié)能減排具有重要意義。

依據(jù)所受束縛力大小的不同，紙張內(nèi)部水分有3種存在形式，即游離水、毛細管水、結(jié)合水。各種形式水分蒸發(fā)機制不同，紙張干燥機理十分復雜[5-6]。紙張干燥過程是一個傳熱與傳質(zhì)同時發(fā)生的復雜過程，具有強非線性、時變性、多變量耦合等特點[7-8]。從干燥機理角度去研究紙張干燥過程是相當困難的。干燥特性曲線是紙張含水率隨干燥時間變化的曲線，涵蓋了紙張在干燥過程中動態(tài)變化的所有信息。干燥特性曲線容易通過實驗獲得，因此越來越多的學者[9-10]，特別是在食品干燥領域，試圖通過實驗研究，以干燥特性曲線為主要線索，總結(jié)物料干燥過程的經(jīng)驗規(guī)律，用以預測和指導實際生產(chǎn)過程。

本實驗研究了纖維原料種類、成紙定量、紙漿打漿度、壓榨壓力和干燥溫度對紙張干燥特性曲線的影響，可為紙張干燥過程工藝調(diào)節(jié)以及工藝設計提供基礎數(shù)據(jù)。

1 干燥特性曲線

在一定干燥條件下，物料含水量與干燥時間之間的關系曲線叫作干燥特性曲線。紙張干燥的濕份即為水分。圖1為一典型的紙張干燥特性曲線圖[7]。由圖1可見，紙張初始含水率為Z1，干燥開始后先經(jīng)過預熱階段，此時加熱介質(zhì)的部分熱量用于加熱紙張，紙張溫度快速升高，然而紙張含水率隨干燥時間變化不大。接著，紙張干燥進入恒速階段，紙張含水率與干燥時間基本呈線性關系，斜率恒定，即干燥速率恒定，此時加熱介質(zhì)傳遞給紙張的熱量和紙張內(nèi)部水分蒸發(fā)需要的熱量保持平衡，紙張表面溫度保持不變，恰等于紙張表面周圍熱空氣的濕球溫度。一段時間后，當紙張含水率低于臨界含水率（Zcri）時，

紙張干燥進入減速階段，此階段紙張干燥特性曲線趨于平坦，逐漸接近平衡含水率Z2，干燥速率減小，加熱介質(zhì)提供的熱量一部分用于蒸發(fā)水分，一部分用于加熱紙張，紙張表面溫度繼續(xù)升高。

2 實 驗

原料：針葉木漿板，闊葉木漿板，OCC漿板。

儀器：快速凱塞紙頁成形器（ASM-32N2F）、多功能擠壓機（MASP22H803）、瓦利打漿機（VB-42F），中國制漿造紙研究院有限公司;水分測定儀（MB120），奧豪斯（常州）有限公司;纖維標準解離器（ZY-XW），山東中儀儀器有限公司。

紙張干燥特性影響因素實驗研究采用控制變量法，即通過控制其他相關變量來研究某一個變量對紙張干燥特性的影響。實驗過程如下所述：利用瓦利打漿機疏解漿板后，打漿至指定打漿度，并測定漿濃。根據(jù)紙張定量，稱取一定量的紙漿，用纖維標準解離器解離，并在快速凱塞紙頁成形器上成形;隨后在多功能擠壓機上壓榨;最后送往水分測定儀測定干燥曲線，水分測定儀采用輻射干燥方式。

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維原料種類的影響

纖維原料種類對紙張干燥特性曲線的影響如圖2所示。不同纖維原料抄造紙張的干燥特性曲線在干燥前期很接近，基本重合，在干燥后期稍有差異，但不明顯。由此可見，纖維原料對紙張干燥特性曲線的影響較小?？赡艿脑蚴牵杭垙埜稍锾匦郧€的特征變化主要跟紙張內(nèi)部水分所受束縛力的大小有關。紙張內(nèi)部水分按所受束縛力的大小可以分為游離水、毛細管水和結(jié)合水。干燥過程主要脫除的是游離水和毛細管水，主要跟紙張干燥前的初始含水率以及壓榨后紙張的結(jié)構(gòu)有關，受纖維原料種類影響較小。受纖維原料種類影響較大的是結(jié)合水，而結(jié)合水在紙張中含量很少，且僅在干燥末期才會發(fā)生變化。綜上，纖維原料對紙張干燥特性曲線的影響較小。

3.2 紙張定量的影響

紙張定量對紙張干燥特性的影響如圖3所示，隨著紙張定量的增大，紙張含水率下降緩慢，需要更長的干燥時間。其主要原因為：在相同的成形和壓榨工藝條件下，紙張定量與厚度有典型的正相關關系（見圖4），且近似于線性關系。隨著定量的增大，紙張厚度也相應增大，厚度的增大使得紙張內(nèi)部水分蒸發(fā)阻力相應增大，需要更大的蒸發(fā)動力以及消耗更多的蒸發(fā)熱。因此，在干燥條件不變的情況下，定量大的紙張干燥速率較低，需要的干燥時間越長。

3.3 紙漿打漿度的影響

紙漿打漿度對紙張干燥前初始含水率的影響較明顯（見圖5），在相同的成形、壓榨工藝條件下，紙張干燥前的初始含水率與紙漿打漿度呈正相關關系，打漿度越高，紙張干燥前初始含水率越大。其主要原因是：打漿度是反應紙漿濾水性能（或保水能力）的指標，打漿度越高，纖維游離的羥基數(shù)量越多，束縛水的能力越強，因此紙張干燥前初始含水率越大。在不同打漿度條件下，紙張干燥特性曲線變化不明顯（見圖6），可見打漿度對紙張干燥特性的影響較小。雖然紙張干燥前初始含水率與打漿度呈明顯的正相關關系，但變化幅度較小（72%～74%），這種程度的變化對紙張干燥特性不會產(chǎn)生較大的影響。

3.4 壓榨壓力的影響

紙張成形后，在多功能擠壓機上，分別經(jīng)過0、50、100、300 kPa壓力壓榨后，其干燥特性曲線如圖7所示。壓榨壓力對紙張干燥前初始含水率的影響較顯著（見圖8），隨著壓榨壓力的增大，紙張干燥前的初始含水率逐漸降低，壓榨壓力大于100 kPa，紙張干燥前初始含水率趨于穩(wěn)定。紙張干燥前初始含水率降低，紙張干燥蒸發(fā)負荷變小，干燥更容易，所需的時間更短。不僅如此，壓榨后紙張干燥速率還有所提升（見圖7），壓榨后紙張干燥特性曲線斜率比未壓榨紙張大?？赡艿脑蚴牵杭垙埜稍镞^程中脫除的水分主要是游離水和毛細管水。游離水是紙張表面或者大尺寸毛細管內(nèi)的水分，受束縛力小，容易脫除。毛細管水是紙張小尺寸毛細管中的水分，受束縛力大，難脫除。壓榨后，紙張內(nèi)部纖維貼合更緊密，毛細管數(shù)量減少，部分毛細管水受擠壓離開毛細管到紙張表面或是從小尺寸毛細管轉(zhuǎn)移到大尺寸毛細管，變?yōu)橛坞x水，受束縛力變小，紙張干燥速率加快。

3.5 干燥溫度的影響

干燥溫度對紙張干燥特性曲線的影響如圖9所示。不同干燥溫度下，紙張干燥特性曲線差異明顯。干燥溫度越高，水分蒸發(fā)越快，需要的干燥時間越短。主要原因是：紙張干燥是一個傳熱和傳質(zhì)同時發(fā)生的耦合過程，干燥溫度高，傳熱動力大，促進蒸發(fā)傳質(zhì)的發(fā)生。

4 結(jié) 論

干燥特性曲線可宏觀表征紙張干燥過程，是紙張在干燥過程中受所有影響因素的綜合結(jié)果。本研究采用控制變量法，研究了纖維原料種類、成紙定量、紙漿打漿度、壓榨壓力和干燥溫度5個因素對紙張干燥特性曲線的影響。

4.1 紙張干燥過程主要脫除的是游離水和毛細管水，而纖維原料種類影響的是結(jié)合水，因此纖維原料種類對紙張干燥特性曲線的影響較小。

4.2 在相同的抄造工藝條件下，紙張定量與厚度呈正相關關系。由于厚度增大，紙張內(nèi)部水分蒸發(fā)阻力增大，需要更大的蒸發(fā)動力以及更多的蒸發(fā)熱。因此，定量大的紙張干燥速率慢，需要的干燥時間長。

4.3 紙漿打漿度高，纖維游離羥基多，紙張保水能力強，因此干燥前的初始水率高。然而，紙張干燥前初始含水率隨打漿度變化的幅度較小（72%～74%），這種程度的變化對紙張干燥特性的影響較小，總體看來，紙漿打漿度對紙張干燥特性的影響較小。

4.4 經(jīng)過不同壓力壓榨后，紙張干燥前初始含水率的變化顯著（72%～86%）。壓榨壓力大，紙張干燥前初始含水率低，紙張干燥蒸發(fā)負荷小，因此干燥時間短。壓榨后，紙張干燥蒸發(fā)速率也會有所提升，可能的原因是紙張受擠壓后，紙張結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維貼合更緊密，毛細管數(shù)量減少，部分難干燥的毛細管水轉(zhuǎn)變成了易干燥的游離水。

4.5 不同干燥溫度下，紙張干燥特性曲線差異顯著。紙張干燥是傳熱和傳質(zhì)同時發(fā)生的過程。干燥溫度越高，傳熱動力越大，傳熱促使傳質(zhì)的發(fā)生，水分蒸發(fā)越快，因而需要的干燥時間越短。

參 考 文 獻

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Abstract：The effects of fiber material， paper basis weight， pulp beating degree， pressing pressure and drying temperature on paper drying characteristic curve were researched in the study. The experimental results showed that： different fiber material and pulp beating degree had little influence on the paper drying characteristic curve， but pulp beating degree affected the initial moisture content of paper drying， the higher pulp beating degree， the higher the initial moisture content was. Paper basis weight had obvious influence on paper drying characteristic curve because of its positive corrilation with paper thickness， the greater the paper basis weight， the harder it was to dry. Pressing pressure not only affected the paper initial moisture content， but also accelerated the drying process. The possible reason was that after the paper was pressed， part of the capillary water which is difficult to dry changed to free water which is easy to dry. Because of the coupling process of heat and mass transfer in paper drying， the higher drying temperature， the greater heat and mass transfer power， and the easier drying occurs.

Keywords：paper drying; drying characteristic curve; influence factors

（責任編輯：陳麗卿）