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(gè)因素對(duì)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(duì)紙張干燥特性曲線影響較小，但紙漿打漿度會(huì)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(guān)，對(duì)紙張干燥特性曲線影響顯著，定量越大，紙張?jiān)诫y干燥;壓榨降低了紙張干燥初始含水率，加速了干燥過(guò)程，可能的原因是擠壓后，紙張中部分難干燥的毛細(xì)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(shí)發(fā)生的過(guò)程，干燥溫度越高，傳熱動(dòng)力大，促使蒸發(fā)傳質(zhì)發(fā)生，干燥越容易。

關(guān)鍵詞：紙張干燥;特性曲線;影響因素

中圖分類號(hào)：TS755

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11981/j.issn.1000-6842.2019.03.50

造紙過(guò)程本質(zhì)是一個(gè)脫水過(guò)程，主要由紙機(jī)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(jī)械作用脫水，進(jìn)一步將紙張干度提升至33%～55%;干燥通過(guò)蒸發(fā)作用脫水，使成品紙的干度達(dá)到要求，約90%～95%[1]。干燥過(guò)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(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)為例，干燥部的質(zhì)量約占紙機(jī)總質(zhì)量的60%～70%，長(zhǎng)度約占紙機(jī)的60%，投資成本約占紙機(jī)的40%[3]。據(jù)美國(guó)造紙科學(xué)與技術(shù)研究所（Institute of Paper Science and Technology，IPST）的研究[4]，干燥部的能耗約占紙機(jī)總能耗的61.9%。因此，紙張干燥一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，對(duì)紙機(jī)的設(shè)計(jì)、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(xì)管水、結(jié)合水。各種形式水分蒸發(fā)機(jī)制不同，紙張干燥機(jī)理十分復(fù)雜[5-6]。紙張干燥過(guò)程是一個(gè)傳熱與傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生的復(fù)雜過(guò)程，具有強(qiáng)非線性、時(shí)變性、多變量耦合等特點(diǎn)[7-8]。從干燥機(jī)理角度去研究紙張干燥過(guò)程是相當(dāng)困難的。干燥特性曲線是紙張含水率隨干燥時(shí)間變化的曲線，涵蓋了紙張?jiān)诟稍镞^(guò)程中動(dòng)態(tài)變化的所有信息。干燥特性曲線容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，因此越來(lái)越多的學(xué)者[9-10]，特別是在食品干燥領(lǐng)域，試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，以干燥特性曲線為主要線索，總結(jié)物料干燥過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，用以預(yù)測(cè)和指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。

本實(shí)驗(yàn)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(duì)紙張干燥特性曲線的影響，可為紙張干燥過(guò)程工藝調(diào)節(jié)以及工藝設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)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(shí)間之間的關(guān)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(jiàn)，紙張初始含水率為Z1，干燥開始后先經(jīng)過(guò)預(yù)熱階段，此時(shí)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(shí)間變化不大。接著，紙張干燥進(jìn)入恒速階段，紙張含水率與干燥時(shí)間基本呈線性關(guān)系，斜率恒定，即干燥速率恒定，此時(shí)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(shí)間后，當(dāng)紙張含水率低于臨界含水率（Zcri）時(shí)，

紙張干燥進(jìn)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(shí) 驗(yàn)

原料：針葉木漿板，闊葉木漿板，OCC漿板。

儀器：快速凱塞紙頁(yè)成形器（ASM-32N2F）、多功能擠壓機(jī)（MASP22H803）、瓦利打漿機(jī)（VB-42F），中國(guó)制漿造紙研究院有限公司;水分測(cè)定儀（MB120），奧豪斯（常州）有限公司;纖維標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)研究采用控制變量法，即通過(guò)控制其他相關(guān)變量來(lái)研究某一個(gè)變量對(duì)紙張干燥特性的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下所述：利用瓦利打漿機(jī)疏解漿板后，打漿至指定打漿度，并測(cè)定漿濃。根據(jù)紙張定量，稱取一定量的紙漿，用纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器解離，并在快速凱塞紙頁(yè)成形器上成形;隨后在多功能擠壓機(jī)上壓榨;最后送往水分測(cè)定儀測(cè)定干燥曲線，水分測(cè)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(duì)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(jiàn)，纖維原料對(duì)紙張干燥特性曲線的影響較小。可能的原因是：紙張干燥特性曲線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(guān)。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(xì)管水和結(jié)合水。干燥過(guò)程主要脫除的是游離水和毛細(xì)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(guān)，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(huì)發(fā)生變化。綜上，纖維原料對(duì)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(duì)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(zhǎng)的干燥時(shí)間。其主要原因?yàn)椋涸谙嗤某尚魏蛪赫スに嚄l件下，紙張定量與厚度有典型的正相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖4），且近似于線性關(guān)系。隨著定量的增大，紙張厚度也相應(yīng)增大，厚度的增大使得紙張內(nèi)部水分蒸發(fā)阻力相應(yīng)增大，需要更大的蒸發(fā)動(dòng)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(shí)間越長(zhǎng)。

3.3 紙漿打漿度的影響

紙漿打漿度對(duì)紙張干燥前初始含水率的影響較明顯（見(jiàn)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(guān)關(guān)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(yīng)紙漿濾水性能（或保水能力）的指標(biāo)，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(qiáng)，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(jiàn)圖6），可見(jiàn)打漿度對(duì)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(guān)關(guān)系，但變化幅度較?。?2%～74%），這種程度的變化對(duì)紙張干燥特性不會(huì)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(jī)上，分別經(jīng)過(guò)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(duì)紙張干燥前初始含水率的影響較顯著（見(jiàn)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(fù)荷變小，干燥更容易，所需的時(shí)間更短。不僅如此，壓榨后紙張干燥速率還有所提升（見(jiàn)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^(guò)程中脫除的水分主要是游離水和毛細(xì)管水。游離水是紙張表面或者大尺寸毛細(xì)管內(nèi)的水分，受束縛力小，容易脫除。毛細(xì)管水是紙張小尺寸毛細(xì)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(xì)管數(shù)量減少，部分毛細(xì)管水受擠壓離開毛細(xì)管到紙張表面或是從小尺寸毛細(xì)管轉(zhuǎn)移到大尺寸毛細(xì)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(duì)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(shí)間越短。主要原因是：紙張干燥是一個(gè)傳熱和傳質(zhì)同時(shí)發(fā)生的耦合過(guò)程，干燥溫度高，傳熱動(dòng)力大，促進(jìn)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(guò)程，是紙張?jiān)诟稍镞^(guò)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(gè)因素對(duì)紙張干燥特性曲線的影響。

4.1 紙張干燥過(guò)程主要脫除的是游離水和毛細(xì)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(duì)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(guān)關(guān)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(dòng)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(shí)間長(zhǎng)。

4.3 紙漿打漿度高，纖維游離羥基多，紙張保水能力強(qiáng)，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?。?2%～74%），這種程度的變化對(duì)紙張干燥特性的影響較小，總體看來(lái)，紙漿打漿度對(duì)紙張干燥特性的影響較小。

4.4 經(jīng)過(guò)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(fù)荷小，因此干燥時(shí)間短。壓榨后，紙張干燥蒸發(fā)速率也會(huì)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(xì)管數(shù)量減少，部分難干燥的毛細(xì)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(shí)發(fā)生的過(guò)程。干燥溫度越高，傳熱動(dòng)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(shí)間越短。

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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(zé)任編輯：陳麗卿）