韓旭 惠嵐峰

（天津科技大學(xué)造紙學(xué)院，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457）

在目前的濾紙市場中，由于對(duì)濾紙的使用時(shí)間和過濾效率的要求越來越高，單層濾紙已經(jīng)逐漸不能滿足市場的需求?，F(xiàn)在，在國內(nèi)外很多濾紙生產(chǎn)廠家都將目光轉(zhuǎn)向多層復(fù)合濾紙，關(guān)于多層復(fù)合濾紙的相關(guān)研究也越來越多。復(fù)合濾紙屬于梯度結(jié)構(gòu)濾材，通常以植物纖維、合成纖維等為原料，添加一定的化學(xué)助劑，使用干法或濕法造紙工藝及設(shè)備抄造而成[1]。纖維過濾材料具有易加工、價(jià)格低廉、比表面積大、多孔性和柔軟性好等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為過濾材料的主導(dǎo)原料。截至目前，應(yīng)用和研究最廣泛的復(fù)合濾紙是玻璃纖維復(fù)合空氣濾紙、熔噴纖維層復(fù)合濾紙和電紡纖維復(fù)合濾紙[2]。由于各種專用纖維和非織造布材料的高速發(fā)展，國內(nèi)外的科學(xué)家們已結(jié)合一切可能采取的復(fù)合方式研究出一些高功能、高性能的復(fù)合濾紙，如采用帶電荷的熔噴布與活性炭濾料復(fù)合，可對(duì)空氣中微塵、霉菌、花粉的過濾[3]；進(jìn)行了壓皺的處理并添加了碳酸鈣和乙丙橡膠粉使其在提高過濾效率的同時(shí)具有防腐功能的雙層復(fù)合燃油濾紙等[4]。本文介紹了復(fù)合濾紙的過濾機(jī)理、制備方法和影響復(fù)合濾紙過濾性能的因素，最后簡述了復(fù)合濾紙的發(fā)展趨勢。

1 復(fù)合濾紙過濾機(jī)理

復(fù)合濾紙與單層濾紙的過濾機(jī)理無明顯差別，均是采用以下幾種方式：（1）慣性運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣流穿過或接近纖維時(shí)，直徑較大的粒子由于慣性會(huì)偏離正確的流線，與纖維發(fā)生碰撞導(dǎo)致粒子被吸附分離；（2）攔截運(yùn)動(dòng)，氣流繞過纖維時(shí)，若氣流中部分粒子恰好接近纖維邊緣則就會(huì)被纖維攔截吸附；（3）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)本質(zhì)為布朗運(yùn)動(dòng)，即粒子與氣流脫離后做布朗運(yùn)動(dòng)，與纖維接觸導(dǎo)致粒子沉積；（4）靜電作用，氣流穿過纖維時(shí)由于摩擦?xí)沽Ｗ雍屠w維產(chǎn)生電荷，通過電荷間的庫侖力使粒子被吸附在纖維上。

2 復(fù)合濾紙優(yōu)勢

與單層濾紙相比，多層復(fù)合濾紙的過濾性能和物理性能都發(fā)生了改變。黃鋮等依據(jù)多層復(fù)合濾紙和單層濾紙間透氣率的關(guān)系（1/T=1/T1+1/T2+…+1/Tn）發(fā)現(xiàn)：在濾紙復(fù)合后透氣度減小并小于每一層，且復(fù)合濾紙的厚度與各單層濾紙厚度之和大致相等[5]；復(fù)合濾紙的平均孔徑小于各單層中平均孔徑最小的那層[6]。趙璜等[7]研究發(fā)現(xiàn)，大幅度增加濾紙層數(shù)可以使孔徑大、定量小的薄型濾紙的過濾效果增強(qiáng)。濾芯中薄型濾紙層數(shù)高達(dá)幾百甚至幾千層就是為了提高過濾效率。在油水分離時(shí)，復(fù)合濾紙的油污堵塞要輕于單層濾紙；復(fù)合濾紙的納污容量要高于單層濾紙，過濾時(shí)間也比單層濾紙要長。趙璜等[7]的研究還表明，液壓油過濾時(shí)使用這種雙層濾紙卷繞而成的紙卷式濾芯，會(huì)使納污容量大幅度提升；過濾精度可髙至0.3 μm左右?？偟膩碚f，在過濾性能上復(fù)合濾紙與單層濾紙相比具有4大優(yōu)點(diǎn)：（1）使用壽命長；（2）強(qiáng)度高；（3）阻力上升幅度??；（4）過濾效率高。此外，濾紙復(fù)合后還附加了一些特殊的性質(zhì)，例如：金鑫等[8]發(fā)明了一種具有抗污性的雙層復(fù)合燃油濾紙，它可以和污染物形成穩(wěn)定的包絡(luò)物，從而減少環(huán)境污染。陳登宇[9]發(fā)明了一種含石棉纖維的雙層復(fù)合燃油濾紙，在制備過程中添加了石棉纖維，所以大大提高了濾紙的耐高溫性能。吳迪等[10]研究出一種阻燃抗菌復(fù)合空氣濾紙，此濾紙以無堿玻璃微纖維和竹漿為基本原料，添加海泡石和殼聚糖、檜柏油等增加阻燃性和抗菌性。這些物質(zhì)既不會(huì)對(duì)人體造成危害，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

3 復(fù)合濾紙制備方法

以更低的成本生產(chǎn)更高質(zhì)量的紙是造紙工業(yè)長期追求的目標(biāo)之一，紙的多層成型技術(shù)正是由于具備上述的優(yōu)點(diǎn)而越來越受到造紙界的關(guān)注和重視[11]。國內(nèi)外關(guān)于多層紙張復(fù)合成形已有系統(tǒng)的研究，紙頁復(fù)合的方法有多種，包括在不同網(wǎng)籠上使用不同漿料的多圓網(wǎng)紙機(jī)，然后進(jìn)行壓榨變成層狀產(chǎn)品；使用具有多個(gè)流漿箱的長網(wǎng)紙機(jī)；用三層流漿箱，每層為不同的漿料等[12]。早期多層紙張復(fù)合成形是采用多個(gè)流漿箱和多個(gè)成形網(wǎng)，通過各層獨(dú)立成型再復(fù)合成多層紙頁。Meinander等[13]設(shè)計(jì)的多層紙張復(fù)合成形方法就是利用多個(gè)流漿箱和多個(gè)成形網(wǎng)，分別先后成形后再復(fù)合；吳安波[14]設(shè)計(jì)的納米纖維復(fù)合空氣濾紙，也是先分別制備上過濾層與下過濾層后再貼合，最后復(fù)合一層納米纖維；Kinnunen等[15]設(shè)計(jì)的三層復(fù)合成形也是采用三個(gè)流漿箱和三個(gè)成形網(wǎng)，三層紙頁先后成形，只是流漿箱和成形網(wǎng)的相對(duì)位置有變化，導(dǎo)致三層紙頁成形的順序不同而已。但是這樣不僅麻煩，占用空間大，而且增加了設(shè)備的投入資金，所以逐漸被生產(chǎn)廠家淘汰了。

當(dāng)前，生產(chǎn)多層紙頁大多采用多層成型流漿箱一次多層成型。一次多層成型是指紙料經(jīng)多層流漿箱形成分層漿流，在成形網(wǎng)上逐層有序一次脫水成型復(fù)合多層濕紙頁。這種工藝的主要特性是流漿箱與層間液相復(fù)合，層間存在混合區(qū)，所以層間結(jié)合強(qiáng)度好像與單層一樣，不分層起泡[16]。一次成形生產(chǎn)出多層紙或紙板，這給多層復(fù)合紙或紙板的生產(chǎn)帶來了很大的便利。多層流漿箱在具有單層流漿箱的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也保持多層流動(dòng)的特點(diǎn)。多層流漿箱需要持續(xù)提供處于良好分散狀態(tài)的多層漿料流進(jìn)成形網(wǎng)內(nèi)成形，同時(shí)要盡量避免層間混合。流漿箱內(nèi)含有多個(gè)流道適用于多層漿料使用，每條流道內(nèi)都配有對(duì)相應(yīng)漿料進(jìn)行布漿和調(diào)勻的錐管布漿器和管束，使各層漿料可以處于良好的分散或穩(wěn)定流動(dòng)的狀態(tài)，每層漿料在最后的噴嘴加速區(qū)的末端匯合，之后進(jìn)行脫水[16]。多層成形由于成形紙頁結(jié)構(gòu)的特殊性，一般采用雙網(wǎng)成形器進(jìn)行脫水。雙網(wǎng)成型器的主要元件是一個(gè)表面開孔的真空成形輥，真空成形輥被內(nèi)外網(wǎng)呈C型包覆，流漿箱噴出的漿流進(jìn)入內(nèi)外網(wǎng)之間的楔形空間內(nèi)，依靠真空輥產(chǎn)生的真空壓力和其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力對(duì)濕紙幅進(jìn)行雙面脫水[17]。Page等[18]指出，瑞典造紙廠在抄造掛面紙板時(shí)與單層成型方法進(jìn)行對(duì)比，在添加廢紙漿時(shí)的單層成型紙的性能下降20%左右，而利用Beloit Converflo流漿箱三層成形方法時(shí)紙的性能僅下降了6%。利用多層流漿箱一次成型可使層間無氣泡、強(qiáng)度好，既簡化工藝流程，同時(shí)也為環(huán)保生產(chǎn)紙材料提供了思路[19]。飄片是多層成形流漿箱的一個(gè)重要部件，它是全幅寬的導(dǎo)流片，一般由聚碳酸酯材料制成，一直延伸到唇板末端，在唇板區(qū)形成薄的收斂流道。它除了在漿流中產(chǎn)生湍動(dòng)或剪切力之外，還限定了收斂漿流的流道，并把漿流分隔成若干單獨(dú)的漿層[20]。戴勤江[21]曾介紹過Beolit公司的斂聚式流漿箱，這是一種逕流式管束一飄片組分層薄漿道流槳箱，其堰口寬5638.8 mm，流漿箱內(nèi)有兩個(gè)勻整分配區(qū) （又稱節(jié)流擴(kuò)散裝置），分配區(qū)之間有擴(kuò)散穩(wěn)定室、無氣墊和勻漿輥。該流漿箱中第一分配區(qū)由多層錐形擴(kuò)散管組構(gòu)成，第二分配區(qū)由飄片和孔板構(gòu)成。這種流漿箱的流道可以保持漿料均勻分散，具有均勻流態(tài)；可以防止橫流，改善紙頁勻度；提高紙頁強(qiáng)度。多層流漿箱的發(fā)展為多層紙頁的形成提供了很大的便利。但是，多層流漿箱同樣存在著關(guān)鍵的技術(shù)問題，即噴出的多層漿料會(huì)因?yàn)闇u流的產(chǎn)生或是湍流而導(dǎo)致層間混合，嚴(yán)重影響了多層紙頁的質(zhì)量。Lloy等[22]的研究也證實(shí)存在層間混合現(xiàn)象。

近年，國內(nèi)濾紙業(yè)已逐漸向多層復(fù)合型濾紙發(fā)展。對(duì)于多層復(fù)合濾紙的工廠生產(chǎn)，一些多層復(fù)合紙和紙板的研究成果具有重要的參考價(jià)值。但是，由于多數(shù)實(shí)驗(yàn)室并沒有足夠的空間和充分的條件，所以在實(shí)驗(yàn)室中通常會(huì)采取簡化后的制備方法，主要有以下兩種：

第一種復(fù)合濾紙簡化制備方法的流程見圖1。首先，按照單層濾紙的制備工藝先分別制備好第一層和第二層，在濕紙狀態(tài)下將兩層疊合在一起，盡量避免層與層間的氣泡；然后，按照單層濾紙的制備工藝制備第三層，在濕紙狀態(tài)下與復(fù)合好的前兩層直接疊合在一起，盡量避免層與層間的氣泡；最后，將三層復(fù)合濾紙放入弧形干燥器中干燥[23]。

圖1 三層復(fù)合濾紙制備工藝流程1

第二種復(fù)合濾紙簡化制備方法的流程見圖2。首先，稱取相應(yīng)質(zhì)量的漿1和漿 2，并用纖維解離器進(jìn)行疏解；先將入流面層的纖維原料加入動(dòng)態(tài)紙頁成形器中噴漿上網(wǎng)，待入流面層的纖維原料噴完后不進(jìn)行抽真空，讓轉(zhuǎn)筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將出流面層的纖維原料（漿3和漿4）加入動(dòng)態(tài)紙頁器中噴漿上網(wǎng)，使?jié){料覆蓋在出流面層上；待出流面層的纖維原料完全噴完后進(jìn)行抽真空，取下復(fù)合濕紙頁進(jìn)行干燥處理，在干燥過程中不進(jìn)行加壓處理[24]。

圖2 三層復(fù)合濾紙制備工藝流程2

4 復(fù)合濾紙過濾性能的影響因素

4.1 過濾材料

20世紀(jì)70年代，高性能復(fù)合過濾材料大多是利用植物纖維與合成纖維制備得到的。80年代末開始，陸續(xù)有了一些關(guān)于多層復(fù)合濾材的相關(guān)報(bào)道，主要是將不同過濾性能的過濾材料通過層層復(fù)合以達(dá)到提高過濾性能的目的。研究人員從最初的單一植物纖維，到植物纖維與合成纖維合成，再到把無紡布、桑皮紙等非織造纖維應(yīng)用于濾紙復(fù)合，這期間取得了很多成就。植物纖維是制備濾紙的主要原料，不同種類纖維的性能大不相同，即使同一種類的纖維，出產(chǎn)地不同，其性能也不相同。不同性能的纖維原材料可以抄造出符合不同要求的濾紙。如濾紙中摻用一部分棉漿或龍須草可以改善過濾性能；摻入一部分玻璃纖維、聚酯纖維等可以提高使用壽命；加人一部分硫酸鹽針葉木漿等可以改善濾紙的強(qiáng)度[25]；通過闊葉木漿用于表層可提高柔軟度，針葉木漿可提高強(qiáng)度和松厚度使其達(dá)到要求[26]。但是只用植物纖維也會(huì)存在很多不足，例如闊葉漿細(xì)短、根數(shù)多、單位重量體積大、最大孔徑小，但是孔隙率很低。在生產(chǎn)某些高性能濾紙時(shí)，以植物纖維為主，同時(shí)搭配一些合成纖維、無機(jī)纖維、人造纖維，可在提高濾紙的性能的同時(shí)滿足一些特殊要求，如阻燃性、抗菌性等。吳安波[14]發(fā)明一種納米纖維復(fù)合空氣濾紙，即在過濾層上復(fù)合一層納米纖維素，可以既保證濾紙的透氣度和過濾效率，同時(shí)提高濾紙的防水性。朱勇等[27]在玻璃纖維和植物纖維復(fù)合的基礎(chǔ)上又復(fù)合了一層碳納米管，從而開發(fā)出一種可以高效過濾的功能性濾紙，這款濾紙具有抗菌、阻燃的特性。楊振威[28]研究通過濕法造紙的方法，加入相應(yīng)的化學(xué)試劑，制備玻璃纖維紙。玻璃纖維直徑小，可優(yōu)化過濾精度；玻璃纖維模量高，纖維不易聚集，堆積密度低，過濾阻力低。因而可生產(chǎn)出具有高效率、低阻力性能的玻璃纖維空氣過濾紙。重慶市造紙工業(yè)研究設(shè)計(jì)院研制出一種復(fù)合增強(qiáng)玻璃纖維空氣過濾紙，這種濾紙采用無紡布等非織造布纖維類的高韌性材料與玻璃纖維復(fù)合，在增強(qiáng)過濾性能的同時(shí)，使濾紙具有抗水防霉等性能[29]。

4.2 層間阻力

目前關(guān)于濾紙的研究已證實(shí)，不論是空濾還是油濾，多層復(fù)合濾紙的過濾性能和使用壽命都強(qiáng)于單層濾紙，但是多層濾紙每層之間存在阻力會(huì)對(duì)濾紙的過濾性能產(chǎn)生影響。Cameron[30]在研究多層復(fù)合濾紙時(shí)發(fā)現(xiàn)，一定范圍的阻力比可以導(dǎo)致過濾介質(zhì)具有有利的特性，諸如高的污物容納能力或高的過濾效率，同時(shí)還可以保持相對(duì)低的總基重。這種特性可以使過濾介質(zhì)用于各種應(yīng)用中。以三層復(fù)合濾紙為例，當(dāng)?shù)谝粚雍偷诙幼枇σ欢〞r(shí)，第二層與第三層阻力比的增大會(huì)導(dǎo)致復(fù)合濾紙的納污容量呈下降趨勢，但是對(duì)過濾精度沒有顯著影響。他認(rèn)為第一層與第二層的阻力比在1∶1～1∶6之間，第二層與第三層的阻力比在1∶1～1∶4之間最佳，這為復(fù)合濾紙的層間設(shè)計(jì)提供了很好的思路。黃鋮[6]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)谝粚?、第二層、第三層阻力比?∶2∶3時(shí)，三層復(fù)合濾紙可達(dá)到最高的納污容量和相對(duì)較高的過濾精度。合理設(shè)計(jì)多層復(fù)合濾紙的層間阻力比，會(huì)大大提高濾紙的過濾性能。

4.3 各層孔徑變化

影響過濾材料過濾作用的主要因素是孔徑尺寸及分布，高過濾精度就是通過孔徑通道來實(shí)現(xiàn)的。在多層復(fù)合濾紙的研究中，也有研究表明多層復(fù)合濾紙各層孔徑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)影響濾紙的過濾性能。劉振等[31]研究了各層孔徑變化對(duì)3層復(fù)合濾紙過濾性能的影響，認(rèn)為平均孔徑不能決定復(fù)合濾紙的過濾性能，需要進(jìn)一步研究各層的孔徑分布。Nagy等[32]研究了固氣過濾過程中多層過濾材料的孔徑設(shè)計(jì)，認(rèn)為頂層選用孔徑大的過濾材料便于提高容塵量，中層可以選用小孔徑濾材用于提高過濾精度，底層選用大孔徑濾材起支撐作用。陳鋒等[33]認(rèn)為孔徑遞減的復(fù)合濾材可以保證濾材的過濾效率和容塵量?？讖竭f增的復(fù)合濾材的前兩層可以達(dá)到較高的穩(wěn)態(tài)飽和度，提高濾材的穩(wěn)態(tài)過濾性能。同時(shí)這種孔徑設(shè)計(jì)可以防止出現(xiàn)液滴二次夾帶現(xiàn)象，適用于氣液聚結(jié)過濾器。不同的過濾器可選用不同的孔徑設(shè)計(jì)以達(dá)到最佳的過濾效果，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)不同的孔徑分布。

4.4 定量比

在復(fù)合濾紙中，可分為過濾層和精濾層。因此，過濾層和精濾層的定量比會(huì)影響復(fù)合濾紙的過濾效率。Cameron[30]的研究表明，復(fù)合濾紙不同層間的定量比可以根據(jù)過濾介質(zhì)的實(shí)際特性而變化。在一些實(shí)例中，過濾介質(zhì)（如預(yù)過濾層）的上游層具有比下游層（如主過濾層）更大的定量。例如，上游層和下游層之間的定量比例可以大于1：1、大于1.5：1或大于2：1。在其他實(shí)例中，過濾介質(zhì)的上游層也有比下游層更小的定量，如上游層和下游層之間的定量比例可以小于 2：1、小于 1.5：1 或小于 1：1。 而在某些具體的實(shí)施方案中，上游層和下游層的定量比為1：1。杜齊等[24]研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合濾紙的容塵量隨濾紙層間定量比的減小而減小。當(dāng)定量比由3：1下降到2：1時(shí)，復(fù)合空氣濾紙的容塵量有一定程度的下降。當(dāng)定量比由3：1下降到1：1時(shí)，復(fù)合空氣濾紙的容塵量下降更加明顯，但是過濾效率的變化不明顯。所以，濾紙層間定量比的變化對(duì)濾紙容塵量的影響較大，對(duì)濾紙過濾效率的影響較小。

4.5 孔隙率

濾紙中孔隙體積占總體積的百分?jǐn)?shù)就是孔隙率。對(duì)于單層濾紙，孔隙率和孔徑分布共同影響濾紙的容塵量。當(dāng)孔徑分布相近時(shí)，孔隙率影響濾紙的容塵能力，孔隙率越大，濾紙容塵量越高，過濾效率就越高；當(dāng)孔隙率相近時(shí)，濾紙的孔徑分布影響濾紙的容塵量，孔徑分布主要集中在小孔徑的濾紙容塵量低于孔徑分布主要集中在大孔徑的濾紙[34]。對(duì)于復(fù)合濾紙，過濾層的孔隙率對(duì)復(fù)合濾紙的容塵量及過濾效率的影響較大。當(dāng)精濾層一定時(shí)，過濾層的孔隙率越大，復(fù)合濾紙的過濾效率越高。杜齊等[24]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濾紙過濾層孔隙率的增大后，顆粒物通過過濾層沉積不易使復(fù)合濾紙表層堵塞，使濾紙的容塵量增大，濾紙的過濾阻力緩慢升高。所以，當(dāng)出流面即精濾層一定時(shí)，提高孔隙率可以有效地提高復(fù)合濾紙的容塵量，同時(shí)有效地降低復(fù)合濾紙的過濾阻力。結(jié)合不同的濾材的特殊性能，增大孔隙率也可以提高濾紙的其他性能，例如透過性。

5 結(jié)語

已有研究證明，傳統(tǒng)的單層濾紙不能同時(shí)滿足良好的過濾精度和較長的使用壽命。而多層復(fù)合濾紙可以同時(shí)滿足良好的過濾精度和較長的使用壽命。所以，多層復(fù)合濾紙將逐漸取代單層濾紙，市場前景廣闊。利用多種工藝將多種過濾材料進(jìn)行復(fù)合，可以使濾紙獲得特殊的性質(zhì)，將成為當(dāng)今復(fù)合濾紙的發(fā)展趨勢，科研工作者們也都在為通過各種過濾材料有效復(fù)合成濾紙而不懈努力。