10第二章第五节干燥-涂布技术

2020/5/171第五节颜料涂布纸的干燥2020/5/172一、涂布纸的干燥与产品质量二、干燥的基本原理三、干燥速率及确定四、干燥方法2020/5/173一、涂布纸的干燥与产品质量颜料涂布纸的干燥是将涂层中的水分脱除。并且干燥工艺在很大程度上决定着涂层和涂布纸的质量。干燥时，涂料中胶粘剂的迁移及在涂层中的分布等直接影响着涂布纸的光学性能、表面强度和印刷适性。因此可以说，干燥也是涂布过程中的重要工序。涂布时，涂料与原纸一接触，涂料中的水分即开始从涂料向原纸中迁移。从涂布到计量整饰期间，如果涂料中水分的迁移速度太快，则可能导致涂料的流变性急剧变坏，从而产生涂布的质量问题。对刮刀涂布来说，则会出现刮痕。2020/5/174为此需要在涂料中加入适量的保水剂。当干燥速度较快时，水和胶粘剂的迁移还将带来涂层的表面强度、光学性能和油墨吸收性等问题。提高涂料的固含量及控制干燥速率有助于减少胶粘剂的迁移。2020/5/175二、干燥的基本原理通常，涂料中含有35％～60％的水分，涂布时原纸中含有7％左右的水分，干燥后，涂布纸中含有约3％～5％的水分。多余的水分必须通过干燥除去。从传质和传热的角度，涂布纸的干燥与抄纸机纸页的干燥道理相同，但过程更加复杂。因为涂布纸的干燥，既要脱除涂层的水分，还要增进涂层的强度。涂布纸干燥时，在涂层和原纸中同时发生能量的传递和质量的转移。水分脱除时，涂层的结构由于介质的损失而产生变化。2020/5/176表面干燥干燥开始时，外界的热量传入涂层和原纸，导致温度升高，当涂料中的水蒸气分压高于周围空气中的水蒸气的分压时，水分开始蒸发。最初蒸发主要发生在涂层的表面。因涂层表面上的毛细管压差和蒸汽压差的作用，介质从涂层和纸幅的内部向涂层表面迁移，最后被蒸发掉。这称之为表面干燥。2020/5/177内部干燥随着干燥过程的继续，蒸发区逐渐向涂层和原纸内部转移。同时介质也连续不断地向蒸发区移动，并穿透涂层和原纸向外扩散，最后脱离边界层。与此同时，热量通过边界层向涂层和原纸内部传递。整个过程一直进行到没有更多的游离蒸汽从涂层和原纸内部上升到表面并蒸发到空气中为止。当原纸和涂层中的水分降低到某一限度时，水分的蒸发就变成了不连续的状态，而蒸发作用只发生在局部区域。在这个过程中，因水分的扩散是在内部进行的，故被称之为内部干燥。2020/5/178三、干燥速率及确定干燥速率是指每平方米干燥面积每小时蒸发的水量，以“kg/(m2·h)”来表示。影响干燥速率的因素很多，如原纸的施胶度、平滑度和吸收性，涂料的固含量、保水性，涂层厚度和干燥温度等。必须根据不同的生产条件和产品要求来合理地确定干燥速率。2020/5/179在干燥过程，蒸汽由涂层内部向涂层表面转移时，蒸汽的蒸发速度与蒸汽的排出速度应该保持一致。如前者高于后者，则可能出现涂层的鼓泡问题。如前者过低则可能出现成品烤焦等问题。对颜料涂布纸来说，当涂料的粘度和固含量较低时，一般其干燥速率不超过25kg/(m2·h)，而使用高固含量的涂料涂布时，在某些情况下，其干燥速率甚至可以超过50kg／(m2·h)，这些均需要根据具体的工艺条件而决定。2020/5/1710为了避免胶粘剂过度迁移和涂层的印刷斑点等问题，在涂层达到70％固含量的凝胶点(gelpoint)之前，干燥速率不要超过10kg/(m2·h)，此后，干燥速率可以增加至50kg／(m2·h)以上。涂布纸的干燥，以100℃为界分为低温干燥和高温干燥。100℃以下的低温干燥对于提高涂层的强度、增加干燥后纸的压光效果及提高干燥的均匀性等有利。但干燥速率过低将导致干燥时间延长和干燥设备庞大。100℃以上的高温干燥的优点是干燥速率快，干燥时间短，设备占地面积小，可减少厂房基建费用和设备投资费用等，其缺点是涂层强度较弱、易于造成干燥不均匀而使纸产生卷曲和打摺的现象，从而影响涂布纸的质量。2020/5/1711在生产实践中可先确定一个合适的干燥速率，然后据此计算并确定干燥器的长度。也可以先确定一个适度的干燥器长度，然后据此计算干燥速率，或已知干燥器长度和干燥速率，计算干燥能力。干燥速率为：E＝Mz／(B×L)[kg水/(m2·h)]其中：B——纸幅的宽度，mL——干燥器的长度，mMz——每小时干燥器排出的水分，kg／h2020/5/1712Mz=MB＋Mc－MR其中：MB——每小时通过干燥器的原纸中的水分，kg／hMR——成品涂布纸中保留的水分，kg／hMc——每小时通过干燥器的涂料含有的水分，kg／h每小时通过干燥器的涂料含有的水分Mc可以使用下式计算Mc＝（R×Wc／G）×(1－G)其中：Wc——单位涂布纸上的干涂料量，kg涂料／kg涂布纸G——涂料固含量，％R——每小时通过干燥器的涂布纸的总质量，kg／h2020/5/1713R=B×v×60×Wp其中：v——涂布车速，m／minWp——涂布纸的定量，kg／m2每小时通过干燥器的原纸中的水分MB可以使用下式计算：MB＝B×v×60×Wb×C其中：C——原纸的水分，％Wb——原纸的定量，kg／m2每小时通过干燥器的成品涂布纸中保留的水分MR以下式计算：MR=B×v×60×Wp×Cp其中：Cp——成品涂布纸的水分，％Wp——成品涂布纸的定量，kg／m22020/5/1714四、干燥方法颜料涂布纸的干燥对象是涂料。涂料涂到原纸的表面进入干燥器后，随着传热和传质的进行，水分蒸发，涂料失去流动性而凝固。在涂层凝固之前，涂布面是不能与烘缸面接触或使用导纸辊支撑运行的，只能使用对流或辐射干燥的方法。按照干燥器使用的干燥能源的性质，我们将涂布纸的干燥设备分为三大类：红外干燥器、烘缸干燥器和热风干燥器，每一大类又可以根据不同的设备特征分为若干小类，下面简单介绍如下。2020/5/17151、红外干燥器红外干燥器是一种利用红外线对涂布纸进行干燥的装置，其热源可以是燃气，如液化气、煤气等，也可以是电能，通过一种专用的红外陶瓷板或其他能量转换元件发出红外辐射。红外干燥的波长一般在红外或远红外的波段，温度高达1000℃，辐射干燥可直接作用到涂层的内部，因此具有较高的干燥速率。带有强制通风系统的红外干燥器适用于各种速度的涂布机。红外干燥可以在较少产生胶粘剂迁移的前提下获得比其他方法高的干燥速率。2020/5/1716但红外干燥的能耗较大，因此通常不单独作为干燥器使用，大多作为辅助干燥设备与其他干燥方法配合使用。一般放在正式干燥部之前用作涂布纸的预干燥。由于红外干燥是明火干燥，因此不适用于各种溶剂涂布纸的干燥。红外干燥器的强制通风系统主要用于调整纸幅的温度、提高脱水效率、通过回收废热以节能、冷却发热器及将断头的纸页及时吹离。2020/5/17172、烘缸干燥器造纸厂最早使用烘缸来干燥纸页，因此早先颜料涂布纸的干燥也使用传统的烘缸干燥的方法。即使在今天，施胶压榨辊式涂布和传递辊式涂布机也还有使用烘缸干燥生产涂布加工纸的。烘缸干燥时，第一烘缸和第二烘缸的温度较低，一般在71～76℃之间，以防止涂料粘结在烘缸上。其他烘缸的温度可以高一些。干燥部所需要的烘缸数取决于车速、涂料固含量和涂布量等。2020/5/1718烘缸干燥的优点是干燥后涂布纸页的水分平衡较好，水分在纸页的纵向和横向比较均匀，纸页平整，不易出现皱折和卷曲的问题。烘缸干燥的缺点是干燥速率较低，通常在10kg水／(m2·h)以下，因此车速不宜太高。另外，涂布断头时，涂料易沾污烘缸。烘缸干燥的特点决定了烘缸干燥较多用在一些特殊的涂布纸干燥场合，或者作为其他干燥形式的补充，如用在红外干燥之后或与热风干燥组合使用。2020/5/17193．热风干燥器概述热风干燥器是目前最常用的一种涂布纸干燥设备。热风干燥是将喷嘴中喷出的热风吹到涂布纸的表面以对其进行干燥。热风干燥可分为单面吹风和双面吹风两种形式，双面干燥比单面干燥的效率要高。无论是单面还是双面干燥，喷嘴的形状都直接影响着干燥器的干燥能力和干燥效率。喷嘴的角度、喷嘴与纸面的距离、热风在纸面的吹出方向和吹向纸面时热风覆盖的面积等也在很大程度上影响着热风干燥的效率。2020/5/1720热风干燥器通常由热交换器；离心风机、调节风门、导风管、保温罩、引纸导纸辊、喷嘴和喷嘴座等部件组成。喷嘴分为缝隙式和孔板式。图2-52为几种喷嘴的结构示意图。涂布机的干燥器分为两大系统：一是热风发生装置，二是干燥本体。根据不同的换热形式和纸页传送方式，热风干燥机还可以分为许多不同的类型。2020/5/17214．干燥器用热风的加热方法热风干燥必须使用高热气体。有许多方法可用于加热空气。如饱和蒸汽和过热蒸汽加热、煤气直接加热或间接加热、燃烧油类间接加法和电加热等。这些方法均是以空气为载热体，经能量传递后将气体的温度升高至一定温度后再用以干燥涂布纸。下面介绍几种常见的加热空气的方法。2020/5/17222020/5/17231)蒸汽加热蒸汽加热一般通过换热器进行。利用鼓风机把空气送入换热器，空气在换热器内通过换热管道与通入的蒸汽进行热交换而使空气的温度升高后送入干燥器。用蒸汽加热空气，可以使用饱和蒸汽，也可以使用过热蒸汽。饱和蒸汽的传热效率比过热蒸汽高，所以一般多采用饱和蒸汽加热。蒸汽加热的优点是工艺简单、操作安全和成本低廉。但因受设备条件所限，蒸汽的温度不可能太高，因此蒸汽加热对干燥温度有一定的限制。目前我国许多中小厂使用蒸汽加热法。2020/5/17242)燃烧可燃性气体加热空气气体燃烧加热空气的效率较高，并且可以达到较高的千燥温度，近年来由于可燃气体的成本不断降低，故目前有越来越多的涂布纸厂家使用可燃气体作为涂布纸干燥器的能源。利用可燃性气体燃烧加热产生热风既可直接加热，也可间接加热。在直接加热系统，可燃气体在气体燃烧器中燃烧，空气在气体燃烧器内直接被加热。在间接加热系统，可燃气体燃烧时通过换热器将空气加热至预定的温度。由于在间接加热系统，燃烧的气体与被加热的空气完全隔绝，因此不会产生烟尘对涂布纸涂层的污染。2020/5/1725涂布纸厂常用的可燃气体有煤气、天然气、液化气、丁烷和丙烷等。不同气体的发热量不同，在不同的地方其价格也有较大的差别，因此必须根据实际情况加以选用。一般来说较常使用天然气，因为天然气的热效率较高而成本较低。利用可燃气体加热空气，关键的设备是燃烧器。它的性能好坏决定着燃烧气体的热效率和安全可靠性，故应合理地设计或选用。2020/5/17265．常见的热风干燥器无论何种干燥器，均是由罩体与传送装置组成。根据罩体外形的不同，干燥器可分为垂帘式干燥器和桥式干燥器两大类。挂杆式干燥器为典型的垂帘式干燥器，链条式、传送带式、导辊式和气浮式则为典型的桥式干燥器。按照进干燥道的次数，桥式干燥器可分为单层烘道和双层烘道两种，也有时使用三层烘道的形式。如图2—53所示。单层烘道一般适用于单面1次涂布的产品，双层烘道适用于双面2次涂布或双面4次涂布的产品。2020/5/17272020/5/1728用于传送涂布纸通过热风干燥器的传送装置很多，如挂杆传送、带式传送、气浮式传送和辊式传送装置等。因此根据纸页传送形式的不同，热风干燥器被分为如下几大类：挂杆式干燥器、气浮式干燥器和辊式传送干燥器等，其中气浮式干燥器是目前使用最广泛的一种干燥器。但选用什么传送装置，则要根据涂布速度、干燥器的长度、干燥速率、热空气的流动状况、干燥器的外形、涂布方式、涂料的固含量和粘度等因素来综合考虑决定。2020/5/17291)挂杆式干燥器挂杆式干燥器分为两种：一种是单程直通式系统，另一种是回程交叉式。挂杆式干燥器是一种古老的干燥设备，其缺点是车速低、干燥时间长，干燥后纸幅变形，易卷曲，甚至出现挂杆印迹。另外，设备占地面积较大，干燥速率低，并且对纸幅的宽度有一定的限制，因此现在已很少使用。挂杆式干燥器的工作原理如图2—54所示。2020/5/17302020/5/17312)链条传动式干燥器链条传动式干燥器曾经被较广泛地用于涂布纸的生产。链条传动干燥器是使用链条上的托杆将涂布纸托起通过干燥道，从而完成干燥过程。链条式干燥器的缺点是结构复杂，动力消耗大，维修