CN104594127B - 一种以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法，涉及特种纸生产的技术领域，该方法采用硫酸为胶化剂对钢纸原纸进行胶化复合，再经过脱酸、水洗、洗刷、干燥等步骤最终得到成品钢纸，得到的钢纸抗张强度高、柔韧性好、平整性好，解决了使用氯化锌溶液制备得到钢纸抗张强度低、柔韧性差、易变性等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产纸的方法，具体涉及一种生产钢纸的方法。
背景技术
钢纸是在六十年代从国外引进的纸张品种，是我国最重要的特种纸之一，其坚硬度很高，又称硬化纸、硬钢纸板。钢纸纸质坚硬，具有优良的弹性、耐磨性、耐腐蚀性、耐热性、机械强度、绝缘性能和机械加工成型性能，极易适用各种各样的机械加工，如切削、钻孔、粘叠、冲制和研磨等。
目前钢纸生产流程主要有间歇式钢纸生产线和连续化钢纸生产线。
间歇式钢纸是传统的钢纸生产流程，主要流程为：胶化复合、老化、脱盐、洗刷、干燥、整形及包装，且各工段相对是独立的。间歇式钢纸生产线的特点是可以生产厚度大的产品，但操作和管理难度较大。
连续式钢纸生产线是把各工序组合起来的一条生产线，主要流程为：胶化复合、老化、脱盐、水洗、洗刷、预干、烘干、压光、卷取或剪板。连续式钢纸生产线主要生产厚度小于2mm左右的钢纸，通过设备的改进，大大提高了生产效率，降低了劳动强度，易于管理。
从目前国内钢纸发展情况来看，钢纸生产设备有了长足的发展，基本实现了自动化生产。但钢纸生产工艺技术还比较落后，其生产过称为：采用对纤维素具有剧烈润胀和胶化特性的金属盐—为处理剂，对钢原纸进行处理、层叠制得。
以氯化锌作为胶化剂，将钢纸原纸中的部分纤维润胀，随着时间的延长，润胀程度逐渐增大，同时发生部分降解和短链化，短链化的纤维素有类似“糊精”的性质，现称为淀粉朊胶凝，然后通过压榨，使多层钢纸原纸胶溶复合在一起。自1859年英国人Thomas Taylor利用氯化锌溶液胶化纤维并成功制备钢纸，直至今日，钢纸的生产仍然是以氯化锌溶液作为胶化剂。
间歇式钢纸生产中，钢纸原纸经氯化锌溶液浸渍3-10秒，挤出多余的氯化锌后进入老化室，在20-40摄氏度的条件下老化反应时间为2-8小时；连续化钢纸生产，钢纸原纸经氯化锌溶液浸渍时间为30-120秒，挤出多余的氯化锌后进入老化室，在20-40摄氏度的条件下老化反应时间为1-5小时；之后进入脱盐工序。由于氯化锌溶液对纤维的润胀溶解速度较慢，为保证钢纸原纸的部分纤维能够形成足够量的淀粉朊胶凝使多层钢纸原纸胶溶复合，无论是间歇式钢纸生产还是连续化钢纸生产在胶化复合后必须经过一定时间的老化反应。
钢纸原纸纤维与氯化锌的老化反应从微观来讲主要过程为：钢纸原纸纤维与氯化锌溶液接触后立即发生润胀，在胶化浸渍的短时间过程中，氯化锌溶液对纤维的作用主要发生在纤维素的无定形区；当进入老化反应工序时，随着时间的延长，氯化锌溶液逐渐渗透到纤维内部，纤维素结晶区开始润胀，锌离子与纤维素分子链发生作用，减弱了分子间的氢键作用，结晶区受到破坏，进而导致纤维结晶度的下降和聚合度的急剧下降。同时在长时间的老化过程中，细纤维与微细纤维发生溶解并消失，正常纤维进一步细化并横向断开，降解为不同长度的纤维片段，同时纤维表面出现不同程度的腐蚀孔，对纤维自身的柔韧性和物理强度损伤性特别大。
钢纸原纸纤维的结晶度和聚合度降低，直接导致钢纸的纵向和横向抗张强度偏低和柔韧性差，钢纸发脆，生产的钢纸砂盘在高速运转中易开裂造成安全事故。
钢纸原纸纤维的细纤维化、断开变短及纤维表面的腐蚀孔，导致成品钢纸的脆性更大，柔韧性差，抗张强度低，平整性差；钢纸在烘干时横向收缩变大，成品钢纸的纵横收缩比大，生产的钢纸砂盘易变形，稳定性差。
氯化锌作为胶化剂与钢纸原纸纤维润胀胶溶速度较缓和，因此，钢纸原纸纤维的聚合度相对较低。低聚合度的钢纸原纸机械强度低，无法制造高强度的钢纸。
氯化锌作为胶化剂生产的钢纸在烘干过程中横向收缩为15％-22％，纵向收缩为6％-13％，纵横比较大，钢纸易变形。
钢纸生产过程中，虽然可以循环回收利用氯化锌，但生产过程中一些低含量的氯化锌废水达不到回收利用的要求，处理难度较大，并且成本较高。
由于现代工业制造对精细度和精确度要求越来越高，因此，工业制造行业对钢纸的强度、柔韧性、稳定性和安全性等技术指标要求越来越高，现有的钢纸生产工艺无法达到各项技术指标要求。
发明内容
本发明的目的是克服上述技术问题，提供一种不使用氯化锌溶液为胶化剂的钢纸生产方法，该方法以硫酸为胶化剂，解决了以氯化锌溶液为胶化剂所造成的钢纸抗张强度低、柔韧性差等问题。
为了实现本发明所述目的，发明人提供了以下技术方案。
一种以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法，包括钢纸原纸的胶化复合、脱酸、水洗、洗刷、湿钢纸收卷、湿钢纸开卷预干、烘干、压光的步骤，其中钢纸原纸的胶化复合步骤所用的胶化剂为硫酸。
上述以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法，还包括染色的步骤。根据实际需要，在烘干之前可对湿钢纸进行染色。
上述以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法，所述硫酸的浓度为65-75％。
所述硫酸的铁含量小于0.042％，钙含量小于0.30％。
所述钢纸原纸的胶化复合步骤的温度为5-40℃。
所述钢纸原纸的胶化复合步骤的时间为3-50秒。
所述钢制原纸的成分为棉浆或棉浆与木浆的混合物。
所述棉浆或棉浆与木浆的混合物的聚合度为900-2500。
上述以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法，优选包括以下步骤：
a.钢纸原纸的胶化复合：在5-40℃条件下，将多层的钢纸原纸同时浸入65-75％的硫酸中3-50秒，然后经双辊压榨，多层钢纸原纸即胶化复合；钢纸原纸的层数可根据需要选择使用3-25层中的任意多层；双辊压榨时的线压力为5-25牛顿/毫米；
b.脱酸：将胶化复合后的钢纸在2-50秒后进行脱酸，脱酸所用硫酸溶液的密度依次为1.4g/cm3、1.35g/cm3、1.30g/cm3、1.20g/cm3、1.10g/cm3；
c.水洗：将脱酸后的钢纸水洗至钢纸中硫酸含量≤0.2％；
d.洗刷：洗刷去除水洗后的钢纸表面的污物；
e.湿钢纸收卷：将洗刷后的钢纸收卷；
f.湿钢纸开卷预干：将收卷后的湿钢纸开卷并采用热风进行预干，预干的温度为40-80℃，预干的时间为0.5-3小时，湿钢纸运行速度为3-9米/分钟；热风的风速优选为1-20米/秒；
g.烘干：预干后的钢纸采用蒸汽缸进行烘干，干燥温度变化依次为20-30℃、30-40℃、40-50℃、50-60℃、60-80℃、80-90℃、80-90℃、60-80℃、50-60℃、40-50℃、20-40℃，每个温度段的干燥时间为2-15分钟，湿钢纸运行速度为3-9米/分钟；
h.压光：通过压光机对烘干后的钢纸表面进行修饰，即得到成品钢纸。
上述以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法制备得到的钢纸。
本发明所述的方法中，钢纸原纸的成分为100％的棉浆或棉浆与木浆任意比例的混合物，聚合度为900-2500，较高的聚合度使得制备得到的钢纸原纸强度大，吸收性达到20-60mm/10min。
使用硫酸对钢制原纸进行胶化复合，控制硫酸的浓度、铁含量、钙含量、胶化时的温度，胶化的时间，胶化后经双辊压榨复合并去除多余的硫酸溶液，在此过程中，多层钢制原纸经开卷展纸同时进入盛装有硫酸的胶化池中，硫酸溶液中的氢离子与钢纸原纸纤维素的无定形区作用并使纤维素快速润胀胶溶，产生足够量的类似“糊精”的淀粉朊胶凝，经压榨多层钢纸原纸胶化复合。由于，钢纸原纸纤维与硫酸溶液作用时间短，主要润胀胶溶发生在纤维素的无定形区，纤维仍保持纤维素的基本化学结构。相对于纤维原料，胶化复合后的纤维素的无定形区被降解，结晶区含量增加，结晶度提高，纤维强度提高。钢纸原纸中的纤维长度和细化基本没有变化，对纤维自身的结构和强度基本没有损伤。另外，以硫酸为胶化剂进行胶化时钢制原纸的运行速度能达到3-30米/分钟，与以氯化锌溶液胶化时钢制原纸运行速度1.5-5米/分钟相比，产能得到大幅提高。
多层钢纸原纸胶化复合后需要快速进入脱酸工序，否则酸与纤维继续发生作用，纤维会进一步降解，纤维结构被破坏，长时间作用还会使纤维完全被溶解，钢纸原纸纤维与硫酸作用的量多，钢纸强度和韧性反而更差。快速脱酸得到的钢纸原纸表面仅3-8％的纤维与硫酸作用，形成淀粉朊胶凝，其他纤维结构不发生变化。脱酸过程在多个脱酸池中进行，每个脱酸池后设有压榨辊。钢纸经过每个脱酸池后，经压榨提高脱酸的效率，同时也增加钢纸的粘合力。
湿钢纸烘干工艺采用慢速、低温、缓和的干燥方式，以避免剧烈干燥对钢纸纤维造成的损伤，减少钢纸的横向收缩，烘干过程横向收缩为10％-14％，纵向收缩为8％-12％，纵横比小，钢纸平整性好，不易变形。
钢纸烘干后，通过压光机对钢纸表面进行修饰，增加钢纸的平滑度和平整性。
以硫酸为胶化剂生产钢纸的过程中，运行速度大多在15-25米/分钟，运行速度快，产能高，但湿钢纸的烘干工艺均要求运行速度控制在3-9米/分钟，因此湿钢纸采用直接收卷的方式来解决运行速度不匹配的问题，并且收卷过程中在卷压力的作用下钢纸中部分游离的水分被挤出，也减小了钢纸干燥的压力。
为避免钢纸存在色差，保持钢纸颜色稳定一致，可以根据需要对钢纸进行染色处理。染色可在染色槽中进行，采用恒温控制，保持染液浓度和液位稳定。染液为万分之一到百分之一的有机染料，根据不同钢纸颜色进行调整。
本发明的有益效果在于：
1、制备得到的钢纸的抗张强度高，特别是钢纸的横向强度比传统的钢纸生产方法提高了50％。本发明生产的钢纸横向强度为5.5-6.8KN/cm2，使用氯化锌溶液生产钢纸横向强度为3.5-4.5KN/cm2。
2、制备得到的钢纸柔韧性非常好，生产过程中没有对纤维的长度造成断裂，纤维的结晶度含量增加，通过检测纤维的卷曲指数提高了10％，钢纸的柔韧性增强。由本发明所述方法得到的钢纸制作的钢纸砂盘打磨、抛光效果更好，更适合用于各种不规则物体的打磨和抛光，安全性能更高。
3、制备得到的钢纸平整性好，不易变形。生产过程中纵横向收缩比小，钢纸的稳定性好，湿度和温度的变化对钢纸影响较小。
4、制备得到的钢纸吸水率低，在胶化过程中，主要为钢纸原纸纤维素的无定形区胶溶，结晶区基本没有变化；钢纸表面纤维暴露的羟基少，吸水率低。
5、生产的运行速度提高，产量提高4-7倍，成本降低。
6、生产中产生的废水较好处理，处理后可直接回用。对含有少量硫酸的废水使用生石灰、碳酸钠或氢氧化钠中和，调整到中性后，直接回用于钢纸水洗过程，实现零排放。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述内容做进一步详细的说明。
实施例1
钢纸原纸成分为100％棉浆，聚合度为1500。
硫酸溶液浓度为70％，铁含量为0.036％，钙含量为0.24％。
脱酸池硫酸溶液的密度依次为1.4g/cm3、1.35g/cm3、1.30g/cm3、1.20g/cm3、1.10g/cm3。
预干室热风风速为13米/秒，温度60-65℃，预干时间为2小时，预干运行速度6米/分钟。
烘干时温度变化依次为20-30℃、30-40℃、40-50℃、50-60℃、60-80℃、80-90℃、80-90℃、60-80℃、50-60℃、40-50℃、20-40℃，每个温度段烘干时间为10分钟，烘干运行速度6米/分钟。
20-25℃条件下，将18层钢纸原纸同时进入胶化池的硫酸溶液中，运行速度20米/分钟，胶化35秒，随后经双辊压榨去除多余的硫酸溶液，压榨时的线压力为12牛顿/毫米。
复合后的钢纸依次进入装有密度由高到低的硫酸溶液的脱酸池，在每个脱酸池中停留的时间为30分钟，在每个脱酸池脱酸后使用压榨辊对钢纸进行压榨，压榨时的线压力为3牛顿/毫米。
脱酸后的钢纸反复水洗至钢纸中硫酸含量≤0.02％，然后用洗刷辊去除钢纸表面的污物，去污后将钢纸收卷，根据需要进行开卷染色或直接开卷采用热风预干，预干结束后采用多组蒸汽缸进行烘干。
通过压光机对烘干后的钢纸表面进行修饰，根据客户要求，使用收卷机进行卷轴或使用剪板机进行切片。
实施例2
钢纸原纸成分为棉浆与木浆的复配混合物，棉浆与木浆的重量比为1:1，聚合度900。
硫酸溶液浓度为65％，铁含量为0.028％，钙含量为0.22％。
脱酸池硫酸溶液的密度依次为1.4g/cm3、1.35g/cm3、1.30g/cm3、1.20g/cm3、1.10g/cm3。
预干室热风风速为1米/秒，温度40-45℃，预干时间3小时，预干运行速度3米/分钟。
烘干时温度变化依次为20-30℃、30-40℃、40-50℃、50-60℃、60-80℃、80-90℃、80-90℃、60-80℃、50-60℃、40-50℃、20-40℃，每个温度段烘干的时间为2分钟，烘干时纸的运行速度为3米/分钟。
5-10℃条件下，将3层钢纸原纸同时进入胶化池的硫酸溶液中，运行速度3米/分钟，胶化50秒，随后经双辊压榨去除多余的硫酸溶液，压榨时线压力为5牛顿/毫米。
复合后的钢纸依次进入装有密度由高到低的硫酸溶液的脱酸池，在每个脱酸池中停留的时间为5分钟，在每个脱酸池脱酸后使用压榨辊对钢纸进行压榨，压榨时的线压力为0.5牛顿/毫米。
脱酸后的钢纸反复水洗至钢纸中硫酸含量≤0.02％，然后用洗刷辊去除钢纸表面的污物，去污后将钢纸收卷，根据需要进行开卷染色或直接开卷采用热风预干，预干结束后采用多组蒸汽缸进行烘干。
通过压光机对烘干后的钢纸表面进行修饰，根据客户要求，使用收卷机进行卷轴或使用剪板机进行切片。
实施例3
钢纸原纸成分为棉浆与木浆的复配混合物，棉浆与木浆的重量比为5:1，聚合度2500。
硫酸溶液浓度为75％，铁含量为0.040％，钙含量为0.21％。
脱酸池硫酸溶液的密度依次为1.4g/cm3、1.35g/cm3、1.30g/cm3、1.20g/cm3、1.10g/cm3。
预干室热风风速为20米/秒，温度75-80℃，预干时间0.5小时，预干时纸的运行速度为9米/分钟。
烘干时温度变化依次为20-30℃、30-40℃、40-50℃、50-60℃、60-80℃、80-90℃、80-90℃、60-80℃、50-60℃、40-50℃、20-40℃，每个温度段烘干的时间为15分钟，烘干时纸的运行速度为9米/分钟。
35-40℃条件下，将25层钢纸原纸同时进入胶化池的硫酸溶液中，运行速度30米/分钟，胶化3秒，随后经双辊压榨去除多余的硫酸溶液，压榨时的线压力为25牛顿/分钟。
复合后的钢纸依次进入装有密度由高到低的硫酸溶液的脱酸池，在每个脱酸池停留的时间为50分钟，在每个脱酸池脱酸后使用压榨辊对钢纸进行压榨，压榨时的线压力为5牛顿/毫米。
脱酸后的钢纸反复水洗至钢纸中硫酸含量≤0.02％，然后用洗刷辊去除钢纸表面的污物，去污后将钢纸收卷，根据需要进行开卷染色或直接开卷采用热风预干，预干结束后采用多组蒸汽缸进行烘干。
通过压光机对烘干后的钢纸表面进行修饰，根据客户要求，使用收卷机进行卷轴或使用剪板机进行切片。
实施例4
发明人对实施例1-3制备得到的钢纸进行了质量检测，结果如表1所示。
以制备0.8毫米厚的钢纸为例。
表1
| 检测指标 | 检测结果 |
| 厚度 | 0.8mm |
| 密度 | 1.29g/cm3 |
| 纵向扩张强度 | 9.61KN/cm2 |
| 横向扩张强度 | 6.53KN/cm2 |
| 扭曲强度 | 正常 |
| 击穿电压强度(60℃×24H) | 8.0KV/mm |
| 剥离强度 | 450N/m |
| 水分 | 7.2％ |
| 吸水率 | 51％ |
Claims (5)
1.一种以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法，包括钢纸原纸的胶化复合、脱酸、水洗、洗刷、湿钢纸收卷、湿钢纸开卷预干、烘干、压光的步骤，其特征在于，其中钢纸原纸的胶化复合步骤所用的胶化剂为硫酸，硫酸的浓度为65-75％，硫酸的铁含量小于0.042％，钙含量小于0.30％，具体包括以下步骤：
a.钢纸原纸的胶化复合：在5-40℃条件下，将多层的钢纸原纸同时浸入65-75％的硫酸中3-50秒，然后经双辊压榨，多层钢纸原纸即胶化复合；
b.脱酸：将胶化复合后的钢纸在2-50秒后进行脱酸，脱酸所用硫酸溶液的密度依次为1.4g/cm3、1.35g/cm3、1.30g/cm3、1.20g/cm3、1.10g/cm3；
c.水洗：将脱酸后的钢纸水洗至钢纸中硫酸含量≤0.2％；
d.洗刷：洗刷去除水洗后的钢纸表面的污物；
e.湿钢纸收卷：将洗刷后的钢纸收卷；
f.湿钢纸开卷预干：将收卷后的湿钢纸开卷并采用热风进行预干，预干的温度为40-80℃，预干的时间为0.5-3小时，湿钢纸运行速度为3-9米/分钟；
g.烘干：预干后的钢纸采用蒸汽缸进行烘干，干燥温度变化依次为20-30℃、30-40℃、40-50℃、50-60℃、60-80℃、80-90℃、80-90℃、60-80℃、50-60℃、40-50℃、20-40℃，每个温度段的干燥时间为2-15分钟，湿钢纸运行速度为3-9米/分钟；
h.压光：通过压光机对烘干后的钢纸表面进行修饰，即得到成品钢纸。
2.根据权利要求1所述的一种以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法，其特征在于，还包括染色的步骤。
3.根据权利要求1所述的一种以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法，其特征在于，所述钢纸原纸的成分为棉浆或棉浆与木浆的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法，其特征在于，所述棉浆或棉浆与木浆的混合物的聚合度为900-2500。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的一种以硫酸为胶化剂生产钢纸的方法制备得到的钢纸。
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