加工纸与特种纸第五章 变性加工纸1从广义上说，凡能使纸的性质发生显著变化或增添了新的功能，都可以说是纸的变性。但本章所说的变性加工纸，仅指原纸受化学药剂作用而显著改变了特性的纸类。这类加工纸可有两类，第一类所用的化学药剂是纤维的溶剂和润胀剂，比如铜铵溶液、浓硫酸、氯化锌溶液及多种季铵碱等。纤维素在这些药品作用下，首先发生润胀，作用时间再延长，润胀程度会增大，甚至达到无限润胀，即溶解。 2如果合理控制条件，可使纤维素的润胀达到一定程度，同时发生部分降解和短链化。短链化的多糖分子，有类似糊精的性质。通常把润胀到这种程度的原纸处理称为“胶化”，加上此时纤维润胀而使自身充分软化，脱除润胀剂后可使胶化的纤维形成紧密的结合，纸页孔隙率大大降低，纸页的物理化学性质都发生了较大变化，因此称之为变性加工纸。 3由于不同的润胀剂使纤维的润张和胶化的程度不同，所得变性加工纸的特性也不同。现在生产中 应用比较成熟的是氯化锌溶液和浓硫酸，而铜铵溶 液和季铵碱等，由于成本高，溶剂不易回收，很少 使用。第二类是采用能与纤维素发生接枝共聚或交联反应的药剂，对原纸进行浸渍或涂布，使药剂与纤 维素反应而改变原纸特性的加工法，该法正处在发 展之中。4第一节 钢 纸5钢纸的特点钢纸，因像钢一般坚硬又像纸一样轻盈而得名。钢纸的特点是：机械强度高，纵向抗张强度可达(4.90 5.88)X 107Pa，跟A5钢材的抗张强度相近，而相对密度仅为铝的50；耐油、耐磨、耐腐蚀、能长期耐-40100的条件；它具有优良的电绝缘性，体积电阻率大于101lm；具有很高的介电强度和弹性；加工成型性能好，可以压花、碾压、切削、研磨、钻孔、锯、锉、弯曲、冲制等。此外，还可涂漆，或与其他材料结合使用。钢纸产品有硬钢纸、软钢纸、钢纸管几个品种，每个品 种又有几个等级(如特号、1号、2号等)。 6钢纸的用途(1)在电器工业中，可制作各种绝缘垫片，引信管、避雷 针、电视机零件和仪表零件等。钢纸管可制作电器高压熔断 器，避雷针及其他线路套管；硬钢纸可作电器的绝缘消弧材 料。(2)在机械工业中，可制作高速无声齿轮、轻轴瓦、小车轮 、研磨材料、高压泵零件、砂轮底盘、活塞、皮碗和各种荷 重垫片等。如软钢纸可制作飞机、汽车、计算机的发动机及 其他内燃机的密封垫圈。(3)在纺织工业中，可制作棉条筒、线轴、夹板筒管、落纱 箱和运输小车等。(4)在劳保品中，可制作矿山安全帽及电焊工防护面具等。(5)在日常生活用品中，可制作小提包、小提箱、帽檐和运 动鞋等。7钢纸的变性原理浓的金属盐氯化锌溶液对纤维素具有剧烈的润胀和胶化作用，原纸在氯化锌溶液中经几秒钟的浸渍，就会使受到这两种作用的纤维素发生水解，聚合度迅速下降而转变为纤维素糊精，这种糊精具有很高的粘合力，从而使纤维之间的结合力明显上升。用浸析法除去氯化锌溶液，再经过干燥和压光整饰后的最后产品，就是再生纤维素的致密材料。经变性后纸与原纸的性质相比发生了质的变化，因而使产品具有了许多新的特性。由于钢纸的优良特性，其原料又是纯天然产品，而且具有生物降解性，因此被人们所关注，有着很好的发展潜势。8一、钢纸的制造技术(一) 钢纸的生产流程及设备1钢纸生产流程钢纸生产的基本流程如下：用浓氯化锌溶液浸渍原纸，进行胶化处理，这是流程中最关键的操作环节，操作条件的 控制，对钢纸的性质有决定性作用。胶化复合后，为保证胶 化均匀，达到所要求的胶化程度，需要经过老化熟成过程。 然后脱盐以除掉氯化锌，并洗刷除掉脱盐时钢纸表面附着的 泡沫和污物，再干燥即成为钢纸。脱掉的氯化锌可回收，经浓缩、净化后再用。 9钢纸的完成整理包括压平、压光、裁切、选纸和包装。对于多层复合型产品，压平后可涂上合成胶乳型胶黏剂，然后热压黏合,再经裁切、选纸和包装。对于软钢纸，可在干燥后浸以油类或多元醇等塑化剂。由于钢纸孔隙率小,具有耐油性,油浸时可采用真空浸渍法。为了便于浸渍，也可以在脱盐之后，对未干燥的钢纸进行常压浸渍，然后再干燥。原纸胶化复合老化脱盐洗刷干燥去完成整理 ZnCl2溶液 ZnCl2回收102钢纸生产设备有连续式钢纸机和间歇式钢纸机两种。由于钢纸的老化、脱盐及干燥过程均较缓慢，连续式钢纸机只适用于厚度小于2mm的薄钢纸，对于厚度较大的钢纸，可以采用黏合方法，制成复合型产品。连续式钢纸机的组成如图51所示，将上述基本流程的各单元组合在一台机内，可连续生产。 11图51 连续式钢纸机12间歇式钢纸机的胶化复合、老化、脱盐、洗刷及干燥等操作是各自独立的，图52是间歇式胶化机。原纸经过胶化槽后，在胶化烘缸上多层缠绕，达到需要的厚度时，由切纸勾刀和断纸刀合作，将纸切断，落到下料车上，送入老化工序。老化后的钢纸，置于鼓泡式脱盐槽(图53)脱盐，借助空气上浮造成的串动，起到搅拌作用，以加速纸层内ZnCl2的扩散溶出，并使脱盐均匀化。脱盐后经毛刷式洗刷机洗刷(图54)，以除去钢纸表面的泡沫和污垢。最后送到隧道式干燥器中干燥。13图52 间歇胶化机1原纸 2胶化槽 3加热或冷却盘管 4刮板 5齿状断纸刀14图53 鼓泡式脱盐槽 1鼓泡管 2脱盐槽 3脱盐液 4压缩空气管 15图54 毛刷式洗刷机示意图 1推送胶辊 2水槽 3喷水管 4毛刷辊 16间歇式钢纸机的特点是可以生产厚度大的产品，但间歇操作给管理和操作都带来了 麻烦。另外，越厚的产品，其脱盐和干燥越困难，因此利用连续钢纸机生产薄型钢纸，再经黏合制得厚度较高的复合型制品，更受人门的推崇. 17(二)生产过程的影响因素1原纸的影响(1)原纸的组成 纸浆的半纤维素含量较高时，易于润胀和胶化。当纸页与氯化锌溶液接触时，表面会迅速胶化，而使药液向内部的浸透变慢，从而影响总体吸收速度，降低胶化均匀性。另外半纤维素的相对分子质量很低，易受润胀剂作用而胶化，其含量较高时，往往会产生胶化过度现象，影响强度等特性。因此原纸用浆的纤维素纯度高些好。对于较高级的钢纸，最好用100的漂白棉浆，而对于一般的钢纸，可配人1020的漂白木浆。18(2)原纸的吸收性 原纸应具有较好的吸收性，以便氯化锌溶液的良好浸渍和均匀胶化。吸收性太低，会使胶化程度降低，黏结力减弱，制成的钢纸易起泡分层。但吸收能力又不能太高，否则易胶化过度，使强度降低，收缩率和密度增大，甚至会发生溶解现象。一般吸收能力控制在3545mm。(3)原纸强度 原纸的强度会影响浸渍后纸页的运行，并影响最终产品的强度，因此要求原纸具有一定强度。对于质量较高的钢纸，其纵横裂断长应分别大于3.8km和2.3km。对于普通钢纸，也应分别大于2.6km和1.95km。 19(4)其他 原纸的组织应均匀,不应有压花、浆团等明显的不均匀现象，尘埃也不应过多，否则会影响吸收和胶化的均匀性，降低层间结合力，易产生分层起泡现象，也易使表面不 平；金属离子易使钢纸绝缘性降低,使纸质发脆、分层、弹性降低；原纸水分不应太高，一般超过10时，胶化后的钢纸太软,弹性降低，甚至被压溃，制不成钢纸；原纸通常用染料染成灰、黑或粉红色，染色应该均匀，所用染料不应与氯化锌溶液发生反应。 202原纸的胶化这是钢纸生产中的最重要工序，工艺条件的控制对钢纸 质量影响很大。主要影响因素如下： (1)氯化锌溶液的浓度 该浓度对钢纸质量影响很大，对于吸 收性不同的原纸，其浓度也应不同。一般原纸吸收性较低时 ，随着氯化锌溶液浓度的增加，钢纸的强度、黏结力和密度 都增加。而吸收性较高的纸，在溶液浓度增加的初期，这些 指标也相应增高，但浓度达到一定值后，由于吸收能力较高 ，反应能力较大，使纤维过于损伤，强度开始降低。对于吸 收度为4.5mm的原纸，采用相对密度为1.961.98的溶液较 为合适。原纸厚度增大时，应在胶化时增加其黏结能力，以 防脱盐时因黏结力低而产生分层现象，所以此时溶液浓度应 大些。 21(2)胶化温度 主要是控制胶化液和胶化烘缸的温度。其次，室温和湿度也影响钢纸的质量。在不同温度下，原纸吸收氯化锌溶液的量不同。若温度范围适当，钢纸强度将随温度的 升高而提高。但温度不能过高(夏季不能高过35，冬季不过50)，以免纸页溶胀胶溶过多，造成断头和钢纸强度降低。若胶化温度过低，胶化后钢纸强度降低，当低于15时，原纸即润胀不良，难以黏结成钢纸。胶化烘缸的温度也需 控制，夏季高过70，胶化后的钢纸就将变软，易产生脱勾、窝坏等纸病；温度过低，胶化后的钢纸很硬，钢纸表面的氯化锌溶液压不干，易产生黏破、起皱、分层等纸病。 22(3)胶化时间 胶化时间过长，纤维将损伤过多；而胶化时间过 短，纤维的润胀和胶溶即不良，这都将影响钢纸强度。胶化 时间应根据具体情况来确定，一般原纸吸收性强应相应缩短 ，厚度大则应相应延长，胶化温度高也应相应缩短，而氯化 锌浓度高，因溶液黏度增高，时间应有所延长。一般在2 2.5s时强度较好。(4)胶化剂纯度 胶化液中含杂质量越高，胶化程度越不好。当 有钙、铁及铜的氯化物存在时，尤其是钙盐，将影响钢纸的 内部结合力，从而影响强度，易分层起泡，也影响钢纸的电 绝缘性等。 (5)碾压烘缸线压力 对于间歇操作的胶化机，碾压烘缸的线压 力，对钢纸层间结合和紧度有重要影响，一般线压力取(1.2 1.5)104Nm为宜 233老化及脱盐老化就是胶化后的钢纸在空气中逐渐冷却的过程。在此 过程中，纸内未胶化的纤维逐渐减少；胶化程度逐渐增高。 所以纸质趋于均匀，层间结合力增强，绝缘性能提高，而吸 收率相应减小。老化时间应根据纸页厚度而定(见图55)， 时间过长会有相反的效果。老化温度夏季为室温，冬季为30 400C。脱盐就是用水浸出多余的氯化锌，以提高钢纸的绝缘性 ，使纸层更紧密，并回收该部分氯化锌。脱盐后钢纸内氯化 锌的含量应在0.2以下。脱盐是靠纸内和脱盐液之间的浓度 差，使氯化锌扩散溶出的。如果浓差过大，渗透压将较高， 易引起纸内起泡，导致纸页分层。一般采用逆流洗涤，即开 始先用浓度为3040的氯化锌溶液洗，逐次减低洗液浓 度。每次降低不应过大，最后用清水洗至0.2以下。洗液的 浓度视季节而异，而温度为36400C：最后的清水温度为 4060。脱盐时间视钢纸厚度而定(图56)。 2425对于间歇式钢纸机，由胶化机取下的钢纸，按需要切成一定的规格，于一端打孔，吊到脱盐架上，并浸在脱盐槽中 ，两张钢纸间距1020mm。脱盐槽中的脱盐液，根据连续钢纸机的逆流洗涤原理，定时更换，浓度逐次降低。一般钢 纸厚度越大，脱盐时间越长，换液次数越多，换液间隔时间 越长。比如厚度1mm以下的钢纸，可换液3次，换液间隔时 间3h。厚度每增加1mm，换液次数增加1次，间隔时间增加 1h。一般控制最后一次脱盐液的相对密度为1.10，此后便可 以用40600C的热水洗至纸内氯化锌含量低于0.2。每次 脱盐液的浓差，一般以相对密度相差0.05为宜。对于厚钢纸 ，脱盐较困难，尤其要注意前4次脱盐液的温度，应控制在 250C以下，以防渗透过快造成钢纸分层、起泡。 264钢纸的干燥钢纸的紧度大，孔隙率小，由于干燥时水分不易由纸层内向外扩散，干燥较困难。另外，钢纸干燥时的收缩率较大 ，纵向可达1315，横向达2326，厚度方向可达50。因此干燥条件若控制不当，钢纸容易出现干燥不均匀,从而出现严重的翘曲变形现象。对于连续式钢纸机，可以如图51所示那样，采用干燥室和烘缸相结合的方式。干燥室内温度不超过60，使纸页在缓和的条件下进行预干燥，以保证纸内水分向外扩散，然后经过烘缸干燥，烘缸温度也不宜过高。于燥后纸页可以保持较好的平整状态。 27对于间歇式钢纸设备，可以采用长廊式干燥器，将钢纸挂在室内，在较低的温度(60)下缓慢干燥，但干燥速度慢，效率低。也可以采用隧道式干燥