湿造法即是用溶液(通常是水)将原料搅拌均匀, 形成浆料, 然后把浆料上到网上成形, 再进行压榨脱水,最后烘干后就得到纸状成品, 即采用抄造的方法制造。普通滤纸就是采用与之类似的方法制成的。1

在当今液压工业对油液的过滤要求越来越重视的情况下 , 研制高精度、 大纳污容量的过滤材料成为非常重要的课题之一 , 因用干法制造的纤维滤材 ,设备昂贵, 工艺过程较复杂 , 不易控制;而湿法制造滤材, 原料来源广泛 , 价格低, 并具有较高的过滤性质 , 因此被广泛地应用。中国矿业大学北京校区流体动力研究室经过反复研究, 对比各种纤维的要素及性质, 用实验室抄造小样 , 反复试验, 终于得出了一系列有参考价值的试验数据, 并开发了一套生产纤维滤材的湿造法中试实验抄造系统 , 该实验系统所抄造的滤材具有较高的过滤性能 , 且操作工艺简单, 节水 , 节能 , 是值得推广的生产工艺及设备 。下面就将该设备的基本构造以及滤材的性能作一简要概述。

一般情况 , 滤材的中试实验抄造系统的工作原理如下 :被搅拌均匀的纤维浆料, 通过上浆设备连续地流到无端的网上, 浆料在网上逐渐脱水形成湿的幅面 , 以后再经辊式压榨辊上脱水, 烘缸表面上蒸发干燥和卷取 。

按照网部结构的不同 , 抄造机械有下列几种主要类型:长网类型 、 圆网类型、 夹网类型、 复合型和一些结构比较特殊的抄造机械。

长网抄造机是使用较广泛的一种抄造机, 典型长网抄造机可以看作是一种由多台设备组成的联动机。通常可以分为湿部和干部两大部分。湿部包括浆料流送设备 、 网部和压榨部;干部通常包括干燥部、 压光机和卷取设备。

其生产过程如下 :

经搅拌配浆和净化后 , 具有适于抄造的性能的浆料在一定的浓度下进入抄造机的浆料流送设备 。在这里, 浆料经过流浆箱对浆流的分布和匀整后 ,均匀而稳定地流送到运动着的成形网的网面上。

浆流在网案的胸辊中心线附近上网以后, 逐渐地过滤、 脱水, 形成连续的湿的滤材幅面。当湿的滤材脱水到一定的干度 (通常是 20%左右), 便可以从网面剥离, 送至压榨部继续脱水 。

压榨部是由若干组辊式压榨组成的。湿的滤材是由压榨毛毯支托着, 在压辊间用机械挤压的方法脱水 。经压榨部后, 滤材的干度一般可达 40%左右。

湿滤材在抄造机上的进一步脱水, 通常是用加热蒸发干燥的方法。抄造机的干燥部通常是由许多从内部加热的烘缸组成。烘缸上包覆着干毯 (或帆布、 干网);目的是将滤材紧压到缸面上, 提高传热效率和增进滤材的表面质量。

干燥后, 通常使用压光机来提高滤材的表面质量。最后用卷取设备卷成筒状 。

根据上述的生产过程 , 结合实验要求和实验室的实际情况 , 我们设计制造了实验室抄造系统 (系统简图见图 1)。实验机简化了某些环节 , 没有设压光机 ;滤材的幅面要比通常的小 , 为 400mm, 这主要是为了避免实验时使用太多的水和纤维浆料 。干燥部没有采用蒸汽加热 , 而改用便于操作控制 、 设备简单的电加热方式 。

由于使用过程中需要用水, 所以必须注意防锈问题 。因此, 设计时 , 所有辊筒都使用不锈钢管 ,其它的零部件也都进行了电镀防锈 。

抄造过程中浆料的浓度很低, 需要用很多的水才能保证浆料具有足够的均匀度和良好的流动性能 。但是在纤维上网成形和经过压榨后, 绝大部分的水都会分离 , 如果让这些水白白流掉是十分浪费和不合理的。因此 , 在网案部和压榨部的下方都有回流装置 , 将分离下来的水, 汇集后循环使用。

实验抄造系统的性能参数和实验条件如下:

净宽度:400mm ;

网宽度:400mm ;

上浆流量:10～ 150L/min;

调速范围:0.3-6.0m/min;

工作线压:50～ 150N/cm ;

烘缸温度:30～ 120℃;

环境温度:>5℃。

浆料流送设备是抄造机的起始部分, 习惯上常称之为流浆箱或网前箱。它可以和抄造机的其它部分明显地区别开来 。浆料流送设备的作用, 是把浆料均匀而稳定地流送和喷布到成形网上 , 为滤材幅面的良好成形提供必要的前提。制造纤维滤材对浆料的均匀性要求极高, 因而浆流箱对整个抄造系统来说是决定纤维抄造质量的关键性设备 。

要得到质量均匀的滤材, 它的成形过程 (手工抄造接近这样的过程)首先是制备完全均匀的纤维悬浮液 , 比如, 可以采用很低浓度的浆料 (通常要用0.01%以下的浓度 , 才能避免纤维在水中自发地絮聚成团), 然后让悬浮液在成形网上平稳地过滤脱水, 使纤维在网面上均匀地交织成一个薄层 。在这样条件下抄造的滤材 , 质地是均匀的, 即每单位面积上的滤材具有相同数量和组分的纤维, 而且纤维是无定向 、 均匀分散排列的, 这样才能满足纤维介质的结构要求。

为此 , 我们提出以下几点具体要求 :

(1)把浆流分布开来, 使上网的浆流沿幅宽上有一致的流速, 避免发生横流 、 窜流、 扰动等不规则的流动现象;

(2)在保证上网浆流稳定的条件下, 在浆料流送过程中, 利用搅动 、 加速、 转折摩擦等, 使浆流中有一定的速度差和由此产生的流体剪力场 , 促使浆流中的纤维均匀分散, 防止纤维沉积和絮聚;

(3)按照抄造机的幅面成形所需的流速和方向 ,把均匀分散的浆流喷布到成网的适当位置;

(4)为了防止挂浆现象, 浆料流送设备的浆道和浆流接触的表面, 都应光滑平直, 没有死角 。要完全地防止挂浆现象是十分困难的, 因此 , 浆料流送设备的各个部分要经常清洗 。

在流浆箱中设置了四块挡板, 前两块挡板使浆流转折均匀 , 后两块挡板使浆流平稳。四块挡板间的间距也是有变化的 , 主要作用是改变浆流的速度。通过调节溢流板的高度和上下唇板间的距离, 可以得到不同的上浆速度。上浆速度与车速相互配合才能抄造出连续的滤材。

使用该系统抄造纤维滤材, 关键在于确定相关的一系列参数, 主要有浆料浓度 , 上浆速度, 车速和烘缸的温度等 。

根据我们用实验室抄造小样的试验及结论 , 使用纤维A、 纤维 B 、 和 B∶A 为1∶2 的配比的浆料, 以0.01%的浓度, 在该系统上试验抄造连续滤材 。经过多次试验, 成功地抄造出了连续的滤材 , 并做了多次通过实验 , 测试了它们的过滤性能。实验和测试的数据如表 1、 表 2 和表 3 所示。

从表 1到表 3 的实验结果来看 , 应用本设备的湿造法可以抄造出良好性能的连续的纤维过滤材料 。

可以用作过滤材料的纤维有多种 , 应根据对过滤材料的性能要求进行选择和各种实验 。

从以上的中试实验抄造系统所抄造的纤维滤材可看出, 因该种湿法制造的滤材性能好, 质量高, 为湿

造法的应用和纤维滤材的进一步开发提供了有益的探索和基础。2

研究过滤材料的特性或研制新型过滤纤维材料,关键的一步是选用合适的纤维材料并抄造小样测试其过滤性能。在此过程中, 初步确定部分工艺参数, 如浆料浓度, 压榨力, 烘干温度等。抄造滤材小样通常在实验室进行 , 设备应小型化, 便于操作, 容易控制,尽量少费水 、少费电, 少污染。

根据上述要求 , 按照手工抄造的原理, 我们选用了一些通用的器械, 并自行设计改造了部分设备作为该实验设备 。

打浆设备:搅拌机

搅拌容器:20 升容器

成形滤网:60 目不锈钢

压榨辊 :橡皮辊

烘干器 :电加热烘干器

抄造过程如下:

(1)清洗容器和抄造设备;

(2)按比例称量纤维原料组分;

(3)将纤维投入容器, 加入适量水;

(4)启动搅拌机打浆, 打浆须充分均匀;

(5)将适量纤维浆注入成形滤网上方的容器;

(6)放下滤网下面的挡板, 让水从滤网滤下, 纤维浆在网上成形;

(7)取出滤网 , 用橡皮辊压榨掉多余的水分;

(8)将压实的成形纤维移到烘干器上烘干;

(9)关闭烘干器 , 将基本烘干的纤维材料自然晾干及冷却定型;

(10)编号记录保存 ;

(11)清洗整理实验设备。

经过上述的步骤, 一张纤维滤材小样就抄造出来了。利用这套设备需要注意的是：

①实验前注意计算好纤维材料的质量以及水量,控制好浆料浓度;

②在步骤 (4)中要注意按预先计算好的体积注入浆料, 控制好滤材的厚度 (单位面积的质量);

③为保证抄造的小样具有较好的性能, 应把纤维浆搅拌均匀 , 不能有絮凝现象。

利用上述设备, 我们选用了两种纤维材料按照不同的质量比混合, 抄造了若干试样, 并将抄造出的样品在多次通过试验台上做了测试 。其中纤维 A 的直径较细, 平均直径小于 1μm , 纤维 B 的直径较粗, 平均直径约为 40μm , 表 1～ 表 6列出了样品 1 到样品 6 的实验数据, 表中纤维的成分指纤维 B 与纤维A 的质量比。表7和表8 分别是纤维A 和与4#样品同组分的纤维浆抄造的厚度较大的纤维滤材样品 7和样品8。

根据表9得下图：

图中, 在其始点, 用纯纤维A 抄造的滤材过滤精度较高, 过滤比 达到了200多, 说明纤维A 完全可以用来抄造高精度的过滤材料。

在曲线的末端点, 表示用纯纤维 B 抄造的滤材的过滤比。曲线显示其对 20μm 的过滤比小于 100, 实际上在表 6中我们看到, 仅为 26, 约为140。说明用纯纤维 B抄造的滤材精度较低。

在曲线的最初始段, 曲线剧烈下降。这说明在纤维A 中掺入纤维 B后, 对纤维的过滤指标有很大的影响。纤维A 完全可以用来抄造精度为 1μm 的滤材, 但在掺入纤维 B 后 , 即使少量的也可能导致过滤比 β 1 急剧下降到 100以下, 降低了精度等级 。因此纤维的均匀性对抄造高精度的滤材是极其重要的。

在掺入纤维B 后, 纤维的过滤效率急剧下降, 但是其压差也有所下降。这表明, 在掺入粗纤维后, 不仅使滤材的等效直径变粗 , 而且也影响了纤维间的搭接, 使空隙尺寸增大, 从而导致过滤效率和压差的下降。但是, 过滤比并非是越高越好, 只要满足要求就可以了。通常认为当>100 时 , 可以达到较好的过滤效果。从图中可看到, 两种纤维按照一定比例混合后, 适当降低过滤比, 不仅依然可以达到预期的过滤精度, 而且还能有效的改善纤维滤材的流体性能, 降低过滤时的压力损失。所以, 抄造滤材时, 在满足精度要求的前提下, 通过改变纤维的组分, 实际上也就是改变纤维的结构, 可以有效地改善纤维滤材的流体性能。

另一方面对于抄造中等精度的过滤材料, 上面的实验也提供了新的途径。通常的做法是抄造不同精度的滤材, 我们选择不同的纤维, 或者用相同的纤维依靠改变纤维层的厚度来实现。但是由于现场对过滤器的要求是多种多样的, 如果每个精度都对应一种纤维,每种纤维的物理化学性能又不尽相同 , 那不仅对纤维原料提出了较高的要求, 而且实际的抄造过程将会变得复杂和难以控制。通过改变纤维层的厚度来实现抄造不同精度的滤材 , 在一定程度上可以满足要求。如表6和表7 所示。在增加纤维的堆积厚度以后, 过滤比有很大的提高。纯纤维 A 抄造的滤材 , 在厚度增加一半后,由264 提高到 726;而由纤维 B 和纤维 A按1∶2混合打浆后抄造的滤材在厚度增加一半后,由40提高到 240, 精度等级得到了提高。但是这两种组分的滤材在增加厚度后的过滤压差都比同组分的滤材有所提高, 分别从 0.035MPa 增加到 0.043MPa, 从0.017MPa 增加到0.028MPa 。通过增加厚度来提高滤材的过滤精度是以牺牲其流体性能为代价的。增加纤维层的厚度必然会增加纤维对流体的阻碍, 使过滤时的压差增大。而如前所述, 通过改变纤维组分来实现抄造不同精度的滤材, 还能同时最大限度地获得良好的流体性能。

实验说明 , 可以使用抄造方法制造出高精度的过滤材料, 纤维的均匀性对抄造高精度的滤材具有重要的意义;可以使用两种纤维按照不同比例相互混合来实现抄造不同精度的滤材, 并且在满足精度要求的前提下获得好的流体性能;纤维材料的厚度对过滤精度和流体性能有较大的影响, 纯粹通过改变纤维的厚度来得到不同精度等级的过滤材料, 必然导致滤材的流体性能的差异 , 并有可能因为其过滤时的压差过大, 影响过滤器的寿命 。1

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