CN100535240C - 用在造纸机中的平面元件 - Google Patents
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Abstract
一种用在造纸机械中的平面元件,包括在聚合树脂基体中包含纳米粒子的合成结构。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2004年6月14日提交的临时专利申请第60/579,413号的优先权。
背景技术
1.技术领域
本发明一般地涉及用在造纸机中作为刮刀刀片、起皱刀片、涂布刀片、刀片架中的顶板、和案板刀片上的磨损表面的平面元件,并具体涉及这种在聚合树脂基体中包含有纳米粒子的这种平面元件的合成复合结构。
2.现有技术说明
刮刀刀片为了清洗或纸张移除目的接触造纸和纤维网加工机械中的辊子表面。常规的刮刀刀片由范围很广的各种材料制成,包括金属和合成聚合物的复合物。
合成刮刀刀片通常由通过合成树脂保持在一起的织物基片组成,具有提供所要求有效刮涂性质的基片和树脂的结合。通常基片包括玻璃、棉花和碳,同时热固的和热塑性的树脂用于将基片保持在一起,并影响具体特性。热固树脂,例如环氧树脂,倾向于更难以磨损,而高性能热塑树脂,例如聚亚苯基(PPS)倾向于能够承受更高的机械温度且更不易于受到化学腐蚀。
在合成复合物上加工倒角边缘以在刀片尖上产生有角倾斜来帮助辊子清洗或纸张移除。该边缘越尖越干净,刮刀刀片性能越有效。
从现有技术中,合成刮刀刀片由多种不同的已知合成材料制成。例如,美国专利第4,549,933号(Judd等人)描述了一种用于造纸机的刮刀刀片,该刮刀刀片由多层纤维和碳纤维交替层组成,具有由棉、纸、纤维玻璃、或其同等物组成的纤维层。美国专利第5,117,264号(Frankel等人)描述了使用诸如聚酯的树脂和加固碳和芳族聚酰胺纤维制成的合成刮刀刀片,同时,美国专利第4,735,144号(Jenkins)描述了由聚四氟乙烯和聚苯硫醚树脂结合系统组成的刮刀刀片。
涂布刀片以与刮刀刀片类似的方式工作,并用在擦拭模式中以计量在张纸或其它材料上的一层液体。但涂布刀片确实倾向于比常规刮刀刀片要薄,通常具有0.3mm至0.7mm之间的厚度。常规涂布刀片材料包括钢、不锈钢和具有处理边缘以延长使用寿命的钢。
在一些应用中,涂布刀片计量一层直接在辊子表面的液体和在后一点被传送到材料片上的涂层。涂布刀片类似于刮刀刀片保持在刀片架中。计量的液体和涂层厚度取决于施加在涂布刀片的后缘上的压力的大小。压力的增加会降低涂层厚度。同样,压力的减小会增加涂层厚度。涂布刀片需要对它们涂敷的化学涂料有惰性且必须具有无瑕疵边缘。
顶板形成刮除系统的构架,其连接枢转机构和刀片保持器。合成顶板目前由类似于合成刮刀刀片的材料制成,其中它们包括纤维或加强织物的聚合树脂复合物。顶板是平的,在宽度上具有高的硬度,但在长度上具有柔性,因此它们可符合辊子表面。
位于形成中的织物下方的案板刀片用于原料/纸浆在造纸机形成部分内脱水。它们通过在织物下引发真空而工作,这进而又有助于纸张的脱水。
案板刀片轮廓由高密度聚乙烯(HDPE)制成,但该材料不具有充分的耐磨性以在很多情况下经受得住所要求的时间周期。各种陶瓷材料,包括氧化铝、氧化锆、氮化硅和碳化硅已经加到这些HDPE轮廓的尖部来解决该问题并产生更均匀的磨损模式。
发明内容
这里所采用的术语“平面元件”意思是不仅广泛地包含所有上述刮刀刀片、涂布刀片、顶板和案板刀片,还包括没有织物加强物的刮刀刀片、起皱刀片、和用于形成纸板和真空箱的盖板。
广泛地说,根据本发明的平面元件包括包含纳米粒子的合成结构。纳米粒子可为3个原子的厚度,尺寸通常在0.1至100纳米之间并包括分子和原子级的交互作用。这些交互作用和后来的结果特性可与那些大尺寸情况下的显著不同,并通常在多种新颖应用中能提供优良性能。例如,业已发现纳米粒子可改进防止海洋生物附着油漆和防涂写涂料的非粘着性能。业已发现它们可提高遮光剂的紫外线遮挡性能,已经使能够生产自清洁窗并用于生产自清洁瓷砖以用于医院到餐馆范围的清洁环境。
根据本发明,平面元件结构可通过将纳米粒子分散在聚合树脂基体中以产生纳米填充的聚合体复合物而实现。纳米粒子可包括约0.5至75重量%之间,较佳地为约5至20重量%之间,且最佳地为约10至15重量%的聚合树脂基体。
纳米粒子可包括粉末、颗粒、纤维或片晶。金属的纳米粒子可从由金属氧化物、碳化物、或氮化物、金属络合物、离子化合物和共价化合物组成的一组中选择。非金属和/或共价纳米粒子可从由粘土粒子、硅酸盐、陶瓷材料、玻璃粒子、碳黑、火成二氧化硅、碳酸钙、碳酸纳米管和诸如氧化钛的陶瓷粉末的纳米球组成的一组中选择。
根据本发明,包括纳米粒子的合成刮刀刀片具有增加的机械性能,包括增加的抗磨耗和磨损性,改进的挠曲强度和增加的硬度。纳米粒子加固的刮刀刀片具有改进的磨损特征,倒角边缘磨损更加均匀且并比不包括纳米粒子的对比刀片能更久地保持尖锐和完整,同时增加的硬度导致增强的冲击阻力,这又防止过早损坏。纳米粒子通过有助于填充存在于树脂基体中的微小空间而比不包含纳米粒子的合成刮刀刀片产生更尖锐和更均质的倒角边缘。
此外,纳米粒子提高了合成刮刀刀片的成分层的薄片间黏连,因此改进了层间粘合并因此增加了分层阻力。
纳米填充复合物刮刀刀片的另一优点是降低了摩擦阻力。这使得造纸机以固定速度运行机械时使用更少的能量,或者使得它不需消耗更多能量而以更高的速度运行。纳米粒子还赋予额外的化学抗腐蚀性。这对刮刀刀片在它们运行的恶劣环境中抵抗化学侵蚀是很重要的。
由碳纳米管和聚丙烯腈(一种碳纤维前体)制成的碳纤维可用在织物基片中,用于额外的加固,因为这些纤维倾向于比标准碳纤维更坚固、更硬且尺寸更稳定。
在合成涂布刀片中包含纳米粒子,由于既提高了涂镀边缘的均匀性和均质性又赋予额外的化学抗腐蚀性而有利。边缘抗磨损性、挠曲强度的提高、改进的黏连和降低的摩擦阻力对涂布刀片性能也是有利的。
分散在顶板的聚合树脂系统中的纳米粒子会增加这些复合结构的强度,因此可提高它们的支撑能力。
纳米填充的聚合树脂案板刀片具有改进的抗磨损性,具有增加的挠曲强度、增加的断裂韧度和降低的摩擦系数。纳米粒子还赋予更一致的磨损表面,其提供更均衡的脱水、更均匀的湿度廓线和最终更好的纸张质量。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的刀片结构的局部剖视图,为了说明目的放大了尺寸;以及
图2是类似图1的视图,示出了本发明另一实施例。
具体实施方式
首先参照图1,根据本发明构造的刮刀刀片形式的平面元件以标号10示出,包括树脂浸渍织物(通常称为“预浸物”)的多层12的复合物。预浸物通常包括纺织织物和无纺织物,单向或多向玻璃、碳纤维或芳族聚酰胺纤维,典型实例是由英国谢伯恩(Sherborne)的PD Interglas技术公司供应的200gsm平面编织E-玻璃型7628或高强度标准系数碳T300。
将各层12浸渍且表面涂有包含分散的粘土纳米粒子的树脂。典型的树脂分散是由英国特尔福德(Telford)的电木聚合物联合公司(Bakelite Polymers UK.LTD)供应的双酚A型环氧树脂,具有加在并均一地分散在树脂基体中的15重量%的粘土纳米粒子。在标号16处的树脂界面在温度升高和根据已知实践的压力情况下用于在层叠过程中将诸层12粘在一起。
本技术领域的技术人员已知的其它用于平面元件10的制造方法包括拉挤成型、树脂注射、和活性树脂喷射模制。
纳米粒子有助于填充存在于聚合树脂基体中的微小空间并由此有益于形成更加尖锐、更加均匀的倒角边缘。纳米粒子还有加固聚合复合物和增加刀片抵靠机械辊子的抗机械磨耗和磨损性能的效果,由此使刀片更适于现代的高速造纸机,在这种造纸机中达到的速度导致常规刮刀刀片的既快速又剧烈的磨损。总体结果是与常规不含纳米颗粒的刮刀刀片同等物相比,纳米复合材料填充的刀片更加均匀,保持更加尖锐的倒角边缘。以每分钟1000米/每分钟668转的速度旋转,以0.178kg/cm(1磅/英寸)的负载以25°角设定抵靠干燥钢辊子进行的磨损测试显示出纳米填充非合成刮刀刀片记录比不含纳米粒子的同等刮刀刀片每100小时少磨损1.5%。
纳米复合物填充刮刀刀片的另一优点是抵靠辊子表面阻力的降低。纳米粒子具有降低摩擦阻力使得机械以相同速度运行使用更小的能耗或者使用相同的能耗以更快速度运行。以每分钟1000米(每分钟668转)的速度旋转,以0.178kg/cm(1磅/英寸)的负载以25°角设定抵靠干燥钢辊子进行的磨损测试显示摩擦阻力降低超过7%。
与常规合成刮刀刀片相比,纳米粒子与加固基体及聚合树脂两者之间的原子级分子间相互作用导致层间层叠强度和化学抗腐蚀性两者的提高。纳米粒子填充树脂中微小空间的事实,有助于防止裂纹扩展,有助于粘合并因此可提高层间层叠粘合强度。
包含纳米粒子还可增加合成刮刀刀片的硬度和挠曲强度。据记录在玻璃相变温度下与不含纳米粒子的复合刀片相比挠性强度有25-30%的提高且弹性系数有27-32%的提高而没有任何显著损失。这些性质的提高使得纳米复合材料填充的刮刀刀片能承受更高的冲击、负载和震动。
作为本发明的实施例,由碳纳米管和聚丙烯腈(一种碳纤维前体)制成的碳纤维可用在织物基片中,用于额外的加固,因为这些纤维倾向于比标准碳纤维更坚固、更硬且尺寸更稳定。
图2示出了另一种刀片结构10′,其中预注入层12′通过设置在其间的树脂薄膜成分18粘附在一起。层12′和/或薄膜18可包含纳米粒子。
Claims (17)
1.一种用在造纸机械中的平面元件,所述平面元件包括在聚合树脂基体中包含纳米粒子的合成结构。
2.如权利要求1所述的平面元件,其特征在于,所述纳米粒子从由粉末、颗粒、纤维和片晶组成的一组中选择。
3.如权利要求1或2所述的平面元件,其特征在于,所述纳米粒子为金属的并选自由金属氧化物、碳化物或氮化物、金属络合物、离子化合物和共价化合物组成的一组。
4.如权利要求1或2所述的平面元件,其特征在于,所述纳米粒子为非金属和/或共价并选自由粘土粒子、硅酸盐、陶瓷材料、玻璃粒子、碳黑、火成二氧化硅、碳酸钙、碳纳米管和陶瓷粉末的纳米球组成的一组。
5.如权利要求1所述的平面元件,其特征在于,所述纳米粒子包括0.5至75重量%之间的所述聚合树脂基体。
6.如权利要求5所述的平面元件,其特征在于,所述纳米粒子包括5至20重量%之间的所述聚合树脂基体。
7.如权利要求6所述的平面元件,其特征在于,所述纳米粒子包括10至15重量%之间的所述聚合树脂基体。
8.如权利要求1所述的平面元件,其特征在于,包括浸渍有所述聚合树脂基体的多个织物基片的复合物。
9.如权利要求1所述的平面元件,其特征在于,包括其间插入有薄膜层的多个织物基片的复合物,所述织物基片和薄膜层中的至少一个浸渍有所述聚合树脂基体。
10.如权利要求8或9所述的平面元件,其特征在于,所述织物基片包括选自由玻璃、碳和芳族聚酰胺纤维组成的一组的纤维。
11.如权利要求10所述的平面元件,其特征在于,所述纤维是机织的。
12.如权利要求10所述的平面元件,其特征在于,所述纤维为非机织的。
13.如权利要求10所述的平面元件,其特征在于,所述纤维是单向的。
14.如权利要求10所述的平面元件,其特征在于,所述纤维是多向的。
15.如权利要求8或9所述的平面元件,其特征在于,所述织物基片包含由碳纳米管和聚丙烯腈制成的碳纤维。
16.如权利要求1所述的平面元件,其特征在于,纳米粒子散布在合成树脂基体内。
17.如权利要求1所述的平面元件,其特征在于,所述平面元件选自主要由刮刀刀片、涂布刀片、顶板、案板刀片、起皱刀片和盖板组成的一组。
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