CN1156630C - 研磨由纤维材料制成的基材的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
由基于植物的纤维原材料制造的纸、纸板或类似的连续基材的研磨均化设备和方法，所述设备包括多台如辊或带之类的研磨工具，这些工具优选地安装在基材的两侧，借助于压式辊，所述工具偏离基材的移动方向，或者基材偏离这些工具，这些辊的特征在于摩擦生电，带有的电荷与研磨表面所带电荷类似。可通过移动研磨工具或基材离开其移动方向来调节基材张力，通过真空系统去除研磨时产生的粉尘。
Description
本发明涉及一种用于研磨基于植物纤维的纤维原材料的纸、纸板或移动基材的装置，它们分别用于研磨由纤维原料制成的纸、纸板或类似的连续基材。
本发明还涉及一种用于研磨基于植物纤维的纤维原材料纸、纸板或移动基材的方法。
本发明涉及纸和纸板或类似纤维基材的处理，具体地通过研磨其一面或两面进行处理。在我们较早的专利申请PCT/FI98/00341和FI980044中，我们已经论述了通过研磨纸表面所获得的优点，采用这一方法，有可能部分或完全取代用于纸或纸板表面光滑的压光处理，还不降低其强度，也不破坏不透明性。我们还展示了易于将各种涂层贴上磨过的表面，类似地，与贴在通常的表面上相比，聚合物涂膜更易于贴上磨过的表面。例如，这是因为细纤维从基材表面纤维上释放出来，由此在表面上形成细绒毛，这样增加了涂层颜料可附着的表面积。典型地，纸和纸板的表面粗糙度是约6微米，通过研磨处理，它甚至可以减少到1微米。由于纸的内部结构并非是压缩的，因此可保持其硬度和强度，在某些情况下，其硬度和强度可提高10％。粗纤维或耸起的纤维几乎完全除去。对于制造例如液体容器纸板和相应的有涂层的包装材料来说，这是很重要的。
原则上可以采用不同的方法进行研磨。因此，使用涂有磨料或研磨剂的磨带或磨辊或砂轮是可能的。这些解决办法仅代表机械研磨方法。也可通过使用同时或之后用于涂敷的不同颜料进行研磨，例如通过对纸基材以高速结合颜料进行研磨。
但是，如果目的是在使纸表面受到校准的同时进行研磨，那么带式磨光机或磨皮辊机或砂轮是值得考虑的唯一选择。这些设备中最有利的是磨辊或成套的磨辊。
与人们所知的与木磨机相联系的问题是由于树脂和半纤维素，可能还有木质素以及在研磨过程中形成的微尘一起阻塞或妨碍木磨机。如果研磨太有效，基材的表面温度会变得太高，这样就产生了上述阻塞问题。重要的是还要控制研磨压力，以致有可能仅除去基材的部分表面层，而不破坏基材。
本发明目的在于克服现有技术的问题，并提供完全新型的用于磨纸和纸板基材和类似的连续纤维基材的技术解决方案。
本发明基于以下思想，即以这样一种方式选择研磨材料，研磨颗粒，即磨辊或磨带表面上的颗粒带上电荷，通过摩擦生电，它们使除去的纸粉或纤维带有与纤维所带的电荷相同或类似的电荷。纸在刷、擦和磨过程中总是微带负电。与之相反，作为实例可以提及，石棉纤维总是带强正电。
本发明的第二个非常重要的发现是通过使用伸缩辊使基材受到张力作用，或者通过调整各个磨辊和纸之间不同的伸缩角度，并进一步调整纸内的固有张力，很容易地控制研磨压力。级联辊或带式磨光机是更有利的，因为调准一种研磨工具的尺寸和形状是相当难的，而前面的研磨工具的误差可由随后的研磨工具调整。
氧化铝、绿柱石和其他氧化铝化合物也可带负电。与我们的试验相联系，我们惊奇地发现，当铝化合物是这种情况时，在处理不含木材的基材时，表面释放的研磨粉和纤维以及细纤维从研磨表面飞走，研磨表面不会被堵塞。当所用的表面上胶含有人们所知的烯酮-二聚物、烷基琥珀酸酐和/或淀粉或阳离子化淀粉及其组合时，表面上胶的纸也会出现这种情况。所有这些物质都会带电并飞离表面，由此通过使用靠近磨辊的真空抽取器抽取就能简单地将它们除去。由于带电，灰尘如此强烈地释出并除去，以致在环境中没有任何除尘问题。
对于不含木材的纸来说，使用氧化铝(Al2O3)或相应的研磨表面，可以达到完全清除摩擦产生的电。
由部分含木材纤维或还含残余木质素的化学纸浆制成的纸也会取得同样的结果。在试验过程中，磨辊不会被污染，研磨颗粒之间的空隙不会被堵塞，该试验涉及在穿过磨辊运行40公里长不同的纸。但是，应该强调的是，对于含木材的纸或对于含树脂和聚合物的纸来说，本发明中描述的其他方法可能是必要的。
还通过使用有色纸研究了这一问题，由此发现，含有染色纤维的纸根本不会改变磨辊的颜色。
由于氧化铝的莫氏硬度是9，例如绿柱石(Al2Be3SiO18)的硬度是8，因此对于氧化铝来说，绿柱石粉末是非常合适的添加剂，因为当研磨表面不断受到磨损时，研磨颜料的磨损变得不均匀，研磨表面变得自动磨锐。任何比氧化铝软的添加剂或接合剂是合适的，只要它不会使研磨层导电。可以提到如下所述种类的添加剂实例：二氧化钛和氧化铁。使用所述化合物的混合物也是可以的，但仅限于研磨层的电阻率不会严重降低。
所有研磨机的研磨表面受到连续轻微磨损，因此磨损的表面从被研磨的材料吸收越来越少的材料。这使得当使用2-8台连续的辊时，使每一台磨损的辊成为磨辊级联的最后一台研磨辊是可能的，这也是本发明的基本特点。前两台辊研磨例如纸表面最多，以下的辊将研磨得越来越少。在前两台辊后的这些辊可除去纸表面的纤维和细纤维，在所述辊之后，研磨纸的表面含有释放出的纤维比完全未处理过的原纸更少。用超过2台的多个辊研磨的纸表面，甚至与传统的上胶表面相比，更大程度上不含耸起的纤维或细纤维。这一特点容易被造纸者理解。
根据本发明，因此使用包括多个研磨工具的装置，这些工具处于偏离基材运动直线方向的位置，这些工具可以与基材接触。研磨工具以这样一种方式安装，以致为了调节基材的张力，从而调节研磨效率，它们能够横向地移向基材和离开基材。另外，研磨工具可以安装在固定位置，通过移动辊或其他支撑工具，例如压辊，调整其基材张力。有利地，各个研磨工具平均除去最大1.5微米的材料。
已被研磨的表面可被磨光，并易于提供所要求的图案，例如以识别介质如荧光粉提供微型图案。除了上述研磨单元，本发明的装置还包括用于研磨表面的表面改性的后处理单元。
更具体地，本发明的设备、装置和方法涉及以下技术方案：
1、一种用于研磨基于植物纤维的纤维原材料的纸、纸板或移动基材(16)的装置，该装置包括
-框架(1)，
-与框架相连的工具(2、4、6、8、10、22)，用于引导基材(16)沿着预定路程移动，
其特征在于：
-至少两个包括研磨表面的辊(2、6、10)，它们能够与移动的基材(16)接触，和
-工具(3、7、11)，它们用于将至少一个研磨表面(2、6、10)移向移动基材(16)，以便调整基材(16)和研磨表面之间的研磨力、研磨工具和基材之间的接触长度和基材张力，
-有涂层材料的所述研磨表面，它在研磨过程中获得摩擦电荷，摩擦电荷至少与基于植物纤维的材料所带的电荷相似。
2、根据技术方案1所述的装置，其特征在于研磨处理工具涂有氧化铝。
3、根据技术方案1或2所述的装置，其特征在于研磨处理工具涂有氧化铝或莫氏硬度小于9的其他材料。
4、根据技术方案3所述的装置，其特征在于研磨处理工具涂有氧化铝和绿柱石的混合物、氧化铝和二氧化钛的混合物和/或氧化铝和氧化铁的混合物。
5、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于在研磨处理工具对面装有气动装置，它用于在待研磨的材料和研磨处理工具之间产生气垫，为调整与基材张力和研磨处理工具和被研磨基材之间的接触长度无关的研磨结果。
6、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于被研磨的基材和研磨处理工具的研磨表面以至少200米/分钟的速度差互相相对移动。
7、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于它还包括用于改性经研磨过的基材表面的后处理单元。
8、根据技术方案7所述的装置，其特征在于后处理单元包括抛光站。
9、根据技术方案8所述的装置，其特征在于抛光站包括带有抛光带的带式抛光机，它能调整为以不同于所处理基材的速度运动。
10、根据技术方案8所述的装置，其特征在于抛光站包括带有光滑表面或能够被加热的光滑带的辊。
11、根据技术方案8-10中任一技术方案所述的装置，其特征在于抛光站包括基材润湿单元和/或涂布单元，其中水、水蒸气和/或含有阳离子和/或染色聚合物的聚合物，能够涂到基材表面。
12、根据技术方案7-11中任一技术方案所述的装置，其特征在于后处理单元包括浮雕站。
13、根据技术方案12所述的装置，其特征在于浮雕站有在研磨过的基材表面形成带有印记的图案的浮雕工具，还可有涂装图案和/或至少部分填充印记的涂布工具。
14、根据技术方案1-7中任一技术方案所述的装置，其特征在于后处理单元包括用于软砑光或带砑光的单元。
15、一种用于研磨基于植物纤维的纤维原材料的纸、纸板或移动基材(16)的装置，该装置包括
-框架(1)，
-固定于框架的工具(2、4、6、8、10、22)，它们用于引导基材(16)沿着预定路线运动，
其特征在于
-至少两个包括研磨表面的辊(2、6、10)，它们能够与移动的基材(16)接触，和
-至少部分向着移动基材(16)方向横向移动至少一个研磨表面(2、6、10)的工具(3、7、11)，它们用于调整基材(16)和研磨表面之间的研磨力、研磨工具与基材之间的接触长度和基材张力，
研磨工具包括
在基材一侧连续安装的研磨辊或带式研磨台和在基材反面安装的调整辊，或者
多个研磨工具，它们偏离基材的运动方向，它们能与基材接触，通过调整基材与研磨工具的相对位置来调节基材张力，因此调节研磨强度。
16、根据技术方案14所述的装置，其特征在于它包括多台研磨工具，这些工具偏离基材的移动方向，它们能与基材接触并朝着基材或离开基材作横向移动，以便调节基材张力，从而调节研磨强度。
17、根据技术方案16所述的装置，其特征在于研磨工具包括安装在基材的一侧的多个研磨辊和安装在基材反面一侧的多个加压辊，所述加压辊沿基材的移动方向旋转。
18、根据技术方案17所述的装置，其特征在于加压辊可与基材接触，它们向着基材和背离基材横向移动，以便调节基材张力，从而调节研磨强度。
19、根据技术方案15-18中任一技术方案所述的装置，其特征在于至少研磨辊的表面可被冷却。
20、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于研磨工具压向基材，以致基材的表面温度不超过预定的温度限值，对于研磨含木材的基材，该温度限是65℃，对于研磨木质素基材，该温度限是124℃。
21、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于该装置还包括一种激光装置，将该装置的可移动激光朝向研磨工具的研磨表面，从而可由激光的反射图案确定研磨表面的磨损和堵塞。
22、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于研磨工具的表面包括粒度为5-45微米的磨料。
23、根据技术方案22所述的装置，其特征在于采用电解方法或热喷涂方法将磨料附着于研磨表面，或者使用如酚醛树脂或环氧树脂或其混合物之类的粘合树脂，通过粘合形成均匀的层附着于研磨表面。
24、根据技术方案15所述的装置，其特征在于研磨工具是辊，辊的表面有用激光制成的与辊轴平行的槽口(47)，从而槽口的棱形成研磨棱或不均匀的切棱。
25、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其中研磨工具包括研磨辊，其特征在于在研磨辊的表面形成孔，所述的孔与真空源相连，以便除去由于研磨而从基材上分离的材料。
26、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其中研磨工具包括研磨辊，其特征在于研磨辊的表面有槽口，这些槽口基本上与基材的移动方向垂直排列，通过放在槽脊表面的磨料颗粒进行研磨。
27、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其中研磨工具包括研磨辊，其特征在于朝向至少一个辊或滚筒的压力空气输送管，朝着辊或滚筒移动方向输送强空气流，以便冷却辊，并除去粘附于辊或滚筒表面的粉尘。
28、根据技术方案15-27中任一技术方案所述的装置，其特征在于研磨工具包括涂有磨料颗粒的金属带。
29、根据技术方案28所述的装置，其特征在于带至少周期性地在水浴中移动，在水浴中安装一台超声波源，以便将超声波范围内的辐射对向带。
30、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其中研磨工具包括金属研磨工具，其特征在于用于加热研磨工具的感应加热器，和压力空气传送管，该传送管用于向着加热的研磨工具输送空气流，以便除去加热过程中释出的粉尘。
31、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于使用高能量的闪光源，以便除去附着于研磨表面的物质。
32、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于磨料颗粒选自氧化铝、金钢石、碳化钨、碳化硅、氮化硅、氮化钨、氮化硼、碳化硼、氧化铬、二氧化钛以及二氧化钛、氧化硅和氧化铬的混合物或含有其中两种或多种化合物的混合物。
33、根据技术方案15-32中任一技术方案所述的装置，其特征在于由金属制成研磨表面，并在电解处理中使用该表面作为阳极通过施加电压进行处理，施加的电压至少高到使表面开始不均匀的腐蚀。
34、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于研磨工具的表面适于切割从被研磨的表面伸出的纤维。
35、根据技术方案34所述的装置，其中几台连续的研磨工具用于研磨处理过的表面，其特征在于这些进行最后研磨步骤的工具是电解制成的工具，其表面以剃刀式切割从被研磨的表面伸出的纤维。
36、根据上述技术方案中任一技术方案所述的装置，其特征在于研磨表面包括至少一种导电材料和电解设备，为了通过电解过程中在阳极上形成的气泡达到清洁的目的，可在电解设备中安装研磨表面作为阳极。
37、一种用于研磨基于植物纤维的纤维原材料纸、纸板或移动基材的方法，其特征在于
-基材传送到研磨装置中，该装置由至少两台研磨工具组成，
-基材与研磨工具如此接触，以致可以按照要求调整基材的张力，
-如此调整基材张力，以致可以获得所要求的研磨工具之间的研磨力，和
-使用含有一种材料的研磨颗粒，该材料通过摩擦生电可带有与被研磨表面相同的电荷，它已经被热喷涂到研磨表面上。
38、根据技术方案37所述的方法，其特征在于研磨工具与基材表面接触，基材表面已经预先调整以设定张力，并且通过改变研磨工具的位置或基材与研磨工具之间的角度，调整了最终基材的张力。
39、根据技术方案38所述的方法，其特征在于在基材与研磨工具之间的接触点，相对于研磨工具表面切线的基材正切角达到1-35°，优选地约8-17°。
40、根据技术方案39所述的方法，其特征在于研磨工具与基材表面接触，基材表面已预先调整以设定基材的张力，通过调节拖拉基材的辊的旋转速度和/或动量，调整最终的基材张力。
41、根据技术方案39或40所述的方法，其特征在于基材的最终基材张力是约30-60％的基材断裂力。
42、根据技术方案39-41中任一技术方案所述的方法，其特征在于用多台研磨工具处理待处理材料的面，每台研磨工具从基材表面除去最大1.5微米的材料。
43、根据技术方案42所述的方法，其特征在于在基材与研磨工具之间的接触点，相对于研磨工具表面切线的基材正切角沿基材的移动方向增加。
44、根据技术方案37-43中任一技术方案所述的方法，其特征在于为了保持研磨表面的清洁，粘合从基材释出的粉尘的颜料与进行研磨的基材一起加入。
45、根据技术方案44所述的方法，其特征在于碳酸钙、滑石、高岭土、二氧化硅或硅酸铝或硅酸镁与基材一起加入。
46、根据技术方案44或技术方案45所述的方法，其特征在于树脂和由基材释出的研磨粉尘通过随基材一起加入的颜料结合在一起，与基材一起，或通过如水溶性聚合物和/或乳化的聚合物之类的粘合剂，与研磨粉尘一起加到研磨的表面。
47、根据技术方案37所述的方法，其特征在于通过周期性地将研磨表面朝向空气流、超声波或高能量闪光，或借助于胶带，清洁研磨工具的研磨表面。
48、根据技术方案37所述的方法，其特征在于通过将研磨工具(2、6、10)和基材传送工具(4、8、12)移动达到基材初始张力的初始位置，可调整研磨力，然后通过使用牵引设备，采用通常调整基材张力的方法，设定最终的研磨力和基材张力。
49、根据技术方案37所述的方法，其特征在于通过使用牵引设备，采用通常将基材张力调整到初始值的方法，设定研磨力，从而通过调整研磨工具(2、6、10)和/或基材传送工具(4、8、12)的位置设定最终的基材张力。
50、根据技术方案37-49中任一技术方案所述的方法，其特征在于抛光研磨过的纸基材。
51、根据技术方案50所述的方法，其特征在于使用抛光带抛光基材，抛光带的速度不同于待抛光基材的速度，所述抛光带由编织金属或聚合物织物构成。
52、根据技术方案50所述的方法，其特征在于用光滑的辊或加热的光滑带抛光和干燥基材，所述研磨过的表面还可在抛光前略微润湿。
53、根据技术方案37-52中任一技术方案所述的方法，其特征在于在任何抛光步骤之后，通过浮雕或研磨方法，使研磨过的表面带有浮雕图案。
54、根据技术方案53所述的方法，其特征在于形成规则的印记图案，还可将印记图案填以识别物质。
本发明将提供相当多的优点。通过本发明，从纸或纸板基材表面精确地分离要求量的物质是可能的。通过调节研磨压力，温度升高和研磨工具的堵塞是可以减少的。通过控制温度升高，防止研磨表面的阻塞成为可能。与本发明相联系，还可提供清洁研磨工具的方法，它将用于迅速和有效地——甚至连续地-除去附着于研磨表面的物质。因为研磨工具将从基材最高(最厚)部分除去材料，所以基材的表面变得特别平。调整效果与在砑光中不同，后者使基材的最厚部分被压缩在一起，在这些部分的基材密度比更薄部分的密度增加得较多。基材表面纤维的微粗度改善了研磨之后进行的涂装结果，并通过形成更大的粘结表面，同时从表面上除去松散的纤维，把涂层颗粒粘在基材上。
通过把后处理与研磨结合在一起，获得相当多的优点也是可能的。因此，研磨过的表面的后处理比未进行研磨的表面后处理更容易实现。可以采用本身已知的方法进行后处理，如软砑光和带砑光。还可以采用其他方法实现表面的后处理，例如通过压进表面2-10微米刻痕或印记，其刻痕或印记在以后填满涂层或其他印记化学物或识别颜色。因此，在表面上形成了图案，用肉眼看不到这些图案，但可以用荧光或其他分析方法识别出。普通砑光的光滑表面不可能承受这种表面形成方法，因为这种表面在吸收水时会膨胀，然后甚至浮雕图案都会消失。
可采用这样一种方法研磨进一步处理表面，以致粗轧辊以与基材严格相同的速度旋转，并通过在x、y或z轴方向以振动研磨表面。
接下来，结合附图进行详细说明，可更仔细地研究本发明。
图1给出了本发明装置的第一种优选实施方案结构的侧视图。
图2同样给出了本发明装置的另一种优选实施方案结构的侧视图。
图3显示了用作研磨工具的研磨带结构的基本结构侧视图。
图4描述了一台磨辊表面的形状。
图5指出了用作研磨工具的设备组成。
在以下说明中，“基材张力”表示由如辊之类的研磨工具产生的摩擦所造成的张力，不仅是指把基材向前传送所得到的内部基材张力。
图1描述了本发明的基本实施方案，根据该方案，通过辊轧设备1-15研磨基材16。该装置包括一套安装到框架1的辊，辊2、4、6、8、10和12的轴可绕着枢轴转动地装在横杆3、5、7、9、11和13上，调整得可使辊朝向基材或背离基材作横向移动。辊2、4、6、8、10和12的纵向轴至少基本平行，并调成基本水平。根据图1，辊可选择地安装在基材对面。通过逆着基材横向移动辊来控制设备，同时，可调整基材张力。通过任何传动装置和如气压缸和液压缸之类的操作机械和电动机进行辊的移动。辊的移动方向不一定是基材的横向，但例如通过相对于基材倾斜地或沿着圆形路径转动轴，可以移动辊。待处理的基材路程与实施例中描述的一般来说的直线不同，取决于所用的研磨机，可获得所要求的路程。通过辊的移动，调整研磨距离，换句话说，基材在轮缘上运动多长都是可能的。
图2显示了与图1结构类似的结构，它包括了相应的机械部分(基材35、辊机组22-33)。在这种情况下，基材张力还可以与辊一起调整。
例如，通过研磨工具与具有预定基材张力的基材接触，通过调整研磨工具的位置或改变基材与研磨工具之间的角度来调整最终的基材张力，可以调整研磨力。基材的切线与研磨工具的切线之间的角度，在基材和研磨工具表面之间的接触点，优选地是1-35°，更优选地是约8-17°。
图1和2的装置可以包括代替辊的研磨工具，还有研磨鼓和带式研磨站。根据具体的实施方案，研磨工具包括安装在基材一面的研磨辊或研磨鼓(例如2、6、10；22、26、30)，在基材的另一面，在研磨辊之间沿着装置高度安装控制辊(4、8、12；24、28、32)。
与图中所示实施方案相比，通过在基材一面上安装研磨辊或研磨机，并让它们在基材反面紧靠可沿基材运动方向旋转的加压辊，也可以提供该装置的研磨工具。加压辊可用于减少基材张力，因而用于调整研磨结果。应该指出，还可通过使用在固定位置安装的研磨辊，或者使用移动支撑工具，例如用于使基材压向固定辊表面的加压辊来调节基材张力。
我们已经发现，在某些情况下，研磨工具的研磨表面能够保持清洁，在其他情况下，它会被堵塞。这是本装置结构和本发明后面的一个基本发现。当研磨含有木纤维的纸时，取决于木材的种类，这种纤维材料含有软化点或熔点为65-75℃的沥青和树脂物质。当纸是纤维素纸，即它含有化学纤维素纸浆，纸中基本不含沥青或树脂物质，但含有某些玻璃化转变点典型地为124℃的木质素。
使用上述一套辊，以致可以进行研磨，而研磨表面局部不会超过所述温度。因此，使用一台研磨设备，一次研磨操作，即每次基材通过研磨工具，从纸或纤维基材优选地除去约0.5-1.0微米材料。最大的研磨量优选地是约1.5微米。换句话说，当要除去更多的材料时，必须使用相应的更大量的研磨工具或研磨辊，来研磨同一面。此外，为了保证例如研磨辊不会被加热得太高，优选地使用外部或内部冷却设备(参见下文)，以便调节研磨介质的温度。优选地，研磨工具能够制造成不同的表面粗度，由此表面的粗度沿基材运动方向降低。例如，可以提及第一辊的粗度能够是约10微米，该辊涂有最初粒度分布为20-45微米的磨料颗粒。第二级一个辊或多个辊的粗度能够是约8微米，其辊有粒度分布为15-30微米的磨料颗粒，第三级粗度能够是约5-6微米，并由粒度分布为约5-25微米的颗粒构成。同样地，为了使研磨更加有效，可以增加基材与研磨工具表面的角度。典型地，增加每台研磨工具的角度。使用多台研磨工具，有效地去除粗纤维和松散连在表面上的纤维是可能的。
在图1和2的优选实施方案中，需要两台或三台旋转辊研磨纸的一个表面。这些辊可以沿与纸移动方向的相反方向旋转。当基材最初传送通过研磨设备时，旋转方向可以倒转过来。使辊沿基材移动方向转动是可能的，重要的仅是基材与研磨工具之间有速度差。
优选地，在本发明的研磨工具中，研磨工具，即研磨辊、研磨鼓或研磨带，与受到研磨的纤维基材之间的速度差，应该足够大，以使表面压力尽可能地小，以致装置不会从纸上拉掉完整的纤维。该装置会磨损，并在表面上的纤维经纤维化作用而成小的颗粒。回收这些颗粒是很重要的，它们可用作粘结剂，用作吸收剂或再次用于涂装相同的纸。
研磨工具表面上的磨料粉末的粒度优选地是10-40微米。研磨剂可包括例如氧化铝、金钢石、碳化钨、碳化硅、氮化硅、氮化钨、氮化硼、碳化硼、氧化铬、二氧化钛及二氧化钛、氧化硅和氧化铬的混合物或含有其中两种或二种以上这些化合物的混合物。研磨材料优选地这样选择，以致研磨表面的颗粒可带摩擦电荷，这些电荷与纸粉尘或纤维所释放的电荷相同或接近。刷、擦或磨的纸总是微带负电。相反的例子是石棉纤维，它总是带很强的正电。以上种类的材料例如是氧化铝、绿柱石或许多其他的铝氧化物。当使用以上种类的材料进行研磨时，表面释出的研磨粉尘和纤维和细纤维飞离研磨表面。表面不再堵塞，并且容易回收这些粉末。
可以通过电解方法或通过热喷涂方法将磨料粉末粘附到研磨表面，或通过使用如酚醛树脂或环氧树脂或其混合物或适当的橡胶混合物之类的粘合树脂，通过粘合形成均匀的层，使其粘附到研磨表面。研磨表面还可以包括辊表面上的一条棱，其研磨或者由于适当成形的切棱作用，或者由于棱的特殊形状的弯形纸。例如将槽磨成辊，然后通过研磨使辊光滑可以制成这些棱，以致槽之间颈状部分的棱变得锋利。燃烧与辊轴平行的槽的密实图案，由此燃烧印记的棱变得粗糙也是可能的。能够通过把辊的表面磨成校正尺寸，以留下粗糙的切棱，从而使这种表面适合研磨。
根据本发明的优选实施方案，研磨工具，即研磨辊或磨带的速度相对于受到研磨的基材速度是这样的，超过最小的速度差，就改变了研磨，从而提供了切割动作，还不会拉掉纤维。这意味着，基材速度高时，研磨辊或磨带不一定以非常高的速度旋转，因为基材的速度会提供很大的速度差。与基材接触的研磨表面变化应该快到足以除去研磨表面与基材之间的粉尘，并足以使研磨工具从气流得到足够的空气冷却，这一要求限制了研磨工具的速度。基于我们的发现，速度差应该是至少200米/分钟，优选地超过250米/分钟，考虑到研磨结果，更大的速度差总是更有利的，但磨带或研磨辊的不必要的高速度会引起例如振动问题。为了避免研磨粉尘被点燃的危险，研磨工具的表面速度应该保持一定的高速度，以致不论速度差如何，研磨点的温度都不超过100℃。热生成量当然取决于所研磨的特定纤维基材和研磨压力。
冷却每个辊，并立即吹去或吸收研磨粉尘，以使其不附着于研磨表面是优选的。在图1和2中说明了这两种选择。在图1中说明了这样一种情况，即通过真空喷嘴14、15通过减压吸走粉尘。在图2中说明为了使研磨辊冷却并吹走粉尘34，如何从压力空气管中使空气吹向研磨辊或研磨机。特别地，强空气流从压力空气管逆着研磨辊或研磨机流动。
研磨辊或研磨鼓的表面可设有开口，它们与真空源相连，通过它们，由研磨的基材释出的物质可被传送走。研磨辊或研磨鼓装有槽也是优选的，以致用颗粒仅使包括槽之间的颈状部分的部分变得更粗糙，由此这部分进行研磨，中间槽收集研磨粉尘。以这种方法，研磨表面不会变得有很多粉尘，它也不会像连续研磨表面那样容易堵塞。类似的槽系统也作为冷却部件起作用。图4图示说明了带槽的研磨辊形状。在该实施方案中，辊的表面包括V型槽47和中间研磨颈48，它可以涂有研磨剂，或其表面可经机械加工带有研磨花样。
磨带(参见图3)也可作为研磨工具使用。优选地使用金属带41，它在辊42-44上旋转，它涂有磨料颗粒。为了保持磨带的干净，可使其至少周期性地在水浴46中通过，并在水浴中安装超声源45，使超声波范围内的辐射对着磨带。
优选地，通过研磨或磨圆使金属表面光滑，使用作为正极的研磨工具，让这种金属表面进行电解，从而制成研磨辊或磨带。在不同的电压和不同的电解质组合物条件下，可在表面中蚀刻所要求形状的图案，图案的棱作为研磨棱起作用。电解表面可硬化，或对硬化的表面进行电解处理。
例如采用以下方法通过电解蚀刻使得变粗糙：一片不锈钢放在电解液中，该电解液含有7克/升苏打和2.5克/升NaOH，正极和负极之间的距离是15毫米，电压是12V。由此，完全覆盖最初表面的表面几乎完全充满半球状槽口，槽口的大小是0.1-0.3毫米，并得到完全尖锐的棱缘。在这种方法中，重要的是电解电压高到足以开始不均匀的蚀刻。因此电压应该大于提供均匀电解涂层所使用的电压。
由于某些其他研磨操作或由于纸的最初性质，纸表面含有大量从表面伸出的纤维时，电解生产的研磨表面特别适用于这种纸表面的研磨，研磨表面中的洞切割着纤维，就像剃刀的棱而不像切棱。这种表面作为最后的研磨表面是特别优选的，因为它通过切割伸出的纤维而非常有效地整平了表面。
通过本发明，确定以下列方法使研磨装置不被堵塞是可能的：当研磨表面的某部分已堵塞时，这部分通常产生更多的热，堵塞的地方开始增多，然后例如在研磨辊或磨带上形成堵塞的平行串，它具有进一步增多的趋势。特别在研磨含木材的纸或纸板时，就是这种情况。在研磨过程中，通过如来自Polycon Industries，美国的强烈光脉冲，从研磨辊或磨带表面除去这种堵塞，用强氙灯从例如船的表面除去油漆。
还可用含有粘合胶的表面清洁研磨的表面，当让粘合胶表面压向研磨表面然后从其释放时，胶会解脱来自研磨表面的颗粒。令人吃惊的是，由Al2O3磨料颗粒构成的表面本身不会附着于粘合胶(例如苯乙烯-丁二烯粘合胶或丙烯酸粘合胶)，粘合胶也不会粘附于所述磨带。
当研磨工具有由金属制成的研磨工具时(例如涂有研磨剂的研磨辊或研磨带)，该装置可安置有用于加热研磨工具的感应加热器。在这种情况下，压力空气管优选地与该装置连接，以使空气流流向加热的研磨工具，以除去加热过程中释出的粉尘。金属表面或涂有导电材料(例如二氧化铬或氧化钛)的表面，都可通过使用研磨工具作为电解的阴极，进行电解清洁，阴极产生的气泡将磨料颗粒开口中聚集的材料吹走。
最优选地，用于构成研磨表面的物质包括可摩擦带电的材料，其电荷与纸粉尘或纸纤维带有的电荷相同，或者带有与纤维所吸收的电荷类似的电荷。因此，研磨过程中释出的颗粒和其他材料会排斥研磨表面，并飞离表面，表面自动保持非常清洁的状态。在这种解决方案中，使用其他清洁工具是不必要的，或者至少比使用其他种类的研磨材料所需要的清洁小得多。如上所述，摩擦生电适合的材料是例如氧化铝、绿柱石和氧化铝化合物。可用简单的吸力装置收集由研磨表面释出的材料。优选地，吸力部件和吸力管由非导电材料，如塑料，优选地PVC塑料制成。
使用激光束可以优选地监测研磨设备的研磨表面状态。激光束以磨料颗粒的典型反射角以特定的反射图案从正常的、干净的研磨表面反射，反射图案随特定磨料颗粒的粗度和特性而定。当研磨装置开始堵塞或者由于某些其他原因而失去它的某些研磨性质时，该反射图案的特征和数量立即发生变化，这些变化能够立刻自动发现，并采取恰当的修正措施，例如通过从研磨设备除去引起堵塞的组分或通过将研磨设备换成新的，同时让旧设备修复。
为了使研磨带或研磨辊更有效的研磨，并为了清洁研磨表面，连续或间歇地添加细颜料是可能的，这些颜料把研磨粉尘结合在一起，并使研磨表面保持清洁。
激光或另外光的反射光用于监测研磨表面清洁状况，其光源波长应小于红光的波长，否则由细的10-30微米颗粒构成的表面不会足够散射监测光。仅当激光束的波长小于粒度两倍时，用激光束监测表面才是可能的。那么堵塞的表面和清洁的表面在光束方向有不同的反射。在这种情况下，光束的方向应该与研磨表面的方向几乎相同。光束的方向偏离表面方向不应该超过0.5-3度。
除了上述实施方案，还有以下其他实施方案：
研磨材料未必必须固定在研磨表面上。图5显示了一种装置，其中磁性研磨剂在研磨操作中由磁铁49固定在环状带50上。研磨剂能够是任何具有足够硬度的磁粉，例如铁、钢磁铁矿、钴、镍或这些物质的混合物或其他已知磁性化合物的混合物。研磨设备包括所述磨带，它可由金属或聚合物材料或由其他合适的材料制成，这些合适的材料能够制成具有均匀表面的环状带。磨带材料不应该是磁性的，以致研磨带不会一起被磁化。带50由辊51、52引导转动，在辊51和52之间，在带回路内侧安放了磁铁49。在带回路的外侧，在磁铁的对面，安装了反方向的辊53，被处理的基材16借助于导向辊54、55穿过反向辊53。反向辊53可以靠近磨带50安装，以使穿过它运行的基材16可以压向研磨带。研磨带50可以要求的速度移动，以达到要求的研磨效果，带的速度优选地与基材16的速度不同。
借助于吸力设备56收集研磨粉尘和研磨剂，吸力设备56以带50的移动方向安装在磁铁之后。吸力设备56与鼓风机57相连，鼓风机57产生了低压并把研磨剂和粉尘送到旋风分离器58。用磁性分离方法或另一种适当的分离方法代替旋风分离器是可能的。使用鼓风机59，通过管60使研磨剂再循环回到研磨带，通过管61回收粉尘。使用放在分离点的磁铁或使用适当的导向空气流，可以比较有效地回收细粒材料。
可通过例如以下方法调整研磨力和基材张力，以便适于研磨：第一，通过移动研磨工具和移动将基材引导到其初始位置的工具(4、8、12)，使基材处于初始张力，由此可以调节研磨力，然后使用牵引设备拉基材，采用通常的调整基材张力的方法设定最终研磨力和基材张力。第二，使用调整基材张力的基材牵引工具，采用通常的调整基材张力的方法将研磨力设定为初始值，然后通过调整研磨工具(2、6、10)和基材引导工具(4、8、12)的位置，设定最终的基材张力和研磨力是可能的。可使用传统的张力测量设备测量基材张力。
直接地在研磨过的表面上，或在研磨过的表面上胶或薄涂装之后，可以对研磨过的表面作进一步处理。进一步处理通常包括研磨过的并略微潮湿的表面对着光滑的加热表面进行抛光、轻微砑光或再重新干燥，或者这些处理的组合。抛光单元可包括抛光带，该抛光带以不同于被抛光表面的速度移动，该带可包括编织的金属和/或聚合物织物。前述光滑的加热表面可包括光滑的圆柱面或光滑的加热过的带。
基材可直接进行浮雕处理，或者在上述优选的研磨步骤之后进行浮雕处理。在浮雕步骤中，通过加压或研磨使表面形成要求的规则图案，该图案例如包括微印记。印记可以充满识别剂，例如荧光粉。
进一步处理过的表面形状特别适合作为保密文件的原材料，例如钞票纸。但是，通过研磨过表面的表面成形，有可能提供其他纸和纸板产品。通过形成连续的规则图案改变表面的外观是可能的，连续的规则图案使其与其表面的外观以图案的任意变化为基础的传统的纸和纸板基材不同。
Claims (54)
1、一种用于研磨基于植物纤维的纤维原材料的纸、纸板或移动基材(16)的装置，该装置包括
-框架(1)，
-与框架相连的工具(2、4、6、8、10、22)，用于引导基材(16)沿着预定路程移动，
其特征在于：
-至少两个包括研磨表面的辊(2、6、10)，它们能够与移动的基材(16)接触，和
-工具(3、7、11)，它们用于将至少一个研磨表面(2、6、10)移向移动基材(16)，以便调整基材(16)和研磨表面之间的研磨力、研磨工具和基材之间的接触长度和基材张力，
-有涂层材料的所述研磨表面，它在研磨过程中获得摩擦电荷，摩擦电荷至少与基于植物纤维的材料所带的电荷相似。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于研磨处理工具涂有氧化铝。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于研磨处理工具涂有氧化铝或莫氏硬度小于9的其他材料。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于研磨处理工具涂有氧化铝和绿柱石的混合物、氧化铝和二氧化钛的混合物和/或氧化铝和氧化铁的混合物。
5、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于在研磨处理工具对面装有气动装置，它用于在待研磨的材料和研磨处理工具之间产生气垫，为调整与基材张力和研磨处理工具和被研磨基材之间的接触长度无关的研磨结果。
6、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于被研磨的基材和研磨处理工具的研磨表面以至少200米/分钟的速度差互相相对移动。
7、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于它还包括用于改性经研磨过的基材表面的后处理单元。
8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于后处理单元包括抛光站。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于抛光站包括带有抛光带的带式抛光机，它能调整为以不同于所处理基材的速度运动。
10、根据权利要求8所述的装置，其特征在于抛光站包括带有光滑表面或能够被加热的光滑带的辊。
11、根据权利要求8-10中任一权利要求所述的装置，其特征在于抛光站包括基材润湿单元和/或涂布单元，其中水、水蒸气和/或含有阳离子和/或染色聚合物的聚合物，能够涂到基材表面。
12、根据权利要求7-11中任一权利要求所述的装置，其特征在于后处理单元包括浮雕站。
13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于浮雕站有在研磨过的基材表面形成带有印记的图案的浮雕工具，还可有涂装图案和/或至少部分填充印记的涂布工具。
14、根据权利要求1-7中任一权利要求所述的装置，其特征在于后处理单元包括用于软砑光或带砑光的单元。
15、一种用于研磨基于植物纤维的纤维原材料的纸、纸板或移动基材(16)的装置，该装置包括
-框架(1)，
-固定于框架的工具(2、4、6、8、10、22)，它们用于引导基材(16)沿着预定路线运动，
其特征在于
-至少两个包括研磨表面的辊(2、6、10)，它们能够与移动的基材(16)接触，和
-至少部分向着移动基材(16)方向横向移动至少一个研磨表面(2、6、10)的工具(3、7、11)，它们用于调整基材(16)和研磨表面之间的研磨力、研磨工具与基材之间的接触长度和基材张力，
研磨工具包括
在基材一侧连续安装的研磨辊或带式研磨台和在基材反面安装的调整辊，或者
多个研磨工具，它们偏离基材的运动方向，它们能与基材接触，通过调整基材与研磨工具的相对位置来调节基材张力，因此调节研磨强度。
16、根据权利要求14所述的装置，其特征在于它包括多台研磨工具，这些工具偏离基材的移动方向，它们能与基材接触并朝着基材或离开基材作横向移动，以便调节基材张力，从而调节研磨强度。
17、根据权利要求16所述的装置，其特征在于研磨工具包括安装在基材的一侧的多个研磨辊和安装在基材反面一侧的多个加压辊，所述加压辊沿基材的移动方向旋转。
18、根据权利要求17所述的装置，其特征在于加压辊可与基材接触，它们向着基材和背离基材横向移动，以便调节基材张力，从而调节研磨强度。
19、根据权利要求15-18中任一权利要求所述的装置，其特征在于至少研磨辊的表面可被冷却。
20、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于研磨工具压向基材，以致基材的表面温度不超过预定的温度限值，对于研磨含木材的基材，该温度限是65℃，对于研磨木质素基材，该温度限是124℃。
21、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于该装置还包括一种激光装置，将该装置的可移动激光朝向研磨工具的研磨表面，从而可由激光的反射图案确定研磨表面的磨损和堵塞。
22、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于研磨工具的表面包括粒度为5-45微米的磨料。
23、根据权利要求22所述的装置，其特征在于采用电解方法或热喷涂方法将磨料附着于研磨表面，或者使用如酚醛树脂或环氧树脂或其混合物之类的粘合树脂，通过粘合形成均匀的层附着于研磨表面。
24、根据权利要求15所述的装置，其特征在于研磨工具是辊，辊的表面有用激光制成的与辊轴平行的槽口(47)，从而槽口的棱形成研磨棱或不均匀的切棱。
25、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中研磨工具包括研磨辊，其特征在于在研磨辊的表面形成孔，所述的孔与真空源相连，以便除去由于研磨而从基材上分离的材料。
26、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中研磨工具包括研磨辊，其特征在于研磨辊的表面有槽口，这些槽口基本上与基材的移动方向垂直排列，通过放在槽脊表面的磨料颗粒进行研磨。
27、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中研磨工具包括研磨辊，其特征在于朝向至少一个辊或滚筒的压力空气输送管，朝着辊或滚筒移动方向输送强空气流，以便冷却辊，并除去粘附于辊或滚筒表面的粉尘。
28、根据权利要求15-27中任一权利要求所述的装置，其特征在于研磨工具包括涂有磨料颗粒的金属带。
29、根据权利要求28所述的装置，其特征在于带至少周期性地在水浴中移动，在水浴中安装一台超声波源，以便将超声波范围内的辐射对向带。
30、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其中研磨工具包括金属研磨工具，其特征在于用于加热研磨工具的感应加热器，和压力空气传送管，该传送管用于向着加热的研磨工具输送空气流，以便除去加热过程中释出的粉尘。
31、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于使用高能量的闪光源，以便除去附着于研磨表面的物质。
32、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于磨料颗粒选自氧化铝、金钢石、碳化钨、碳化硅、氮化硅、氮化钨、氮化硼、碳化硼、氧化铬、二氧化钛以及二氧化钛、氧化硅和氧化铬的混合物或含有其中两种或多种化合物的混合物。
33、根据权利要求15-32中任一权利要求所述的装置，其特征在于由金属制成研磨表面，并在电解处理中使用该表面作为阳极通过施加电压进行处理，施加的电压至少高到使表面开始不均匀的腐蚀。
34、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于研磨工具的表面适于切割从被研磨的表面伸出的纤维。
35、根据权利要求34所述的装置，其中几台连续的研磨工具用于研磨处理过的表面，其特征在于这些进行最后研磨步骤的工具是电解制成的工具，其表面以剃刀式切割从被研磨的表面伸出的纤维。
36、根据上述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于研磨表面包括至少一种导电材料和电解设备，为了通过电解过程中在阳极上形成的气泡达到清洁的目的，可在电解设备中安装研磨表面作为阳极。
37、一种用于研磨基于植物纤维的纤维原材料纸、纸板或移动基材的方法，其特征在于
-基材传送到研磨装置中，该装置由至少两台研磨工具组成，
-基材与研磨工具如此接触，以致可以按照要求调整基材的张力，
-如此调整基材张力，以致可以获得所要求的研磨工具之间的研磨力，和
-使用含有一种材料的研磨颗粒，该材料通过摩擦生电可带有与被研磨表面相同的电荷，它已经被热喷涂到研磨表面上。
38、根据权利要求37所述的方法，其特征在于研磨工具与基材表面接触，基材表面已经预先调整以设定张力，并且通过改变研磨工具的位置或基材与研磨工具之间的角度，调整了最终基材的张力。
39、根据权利要求38所述的方法，其特征在于在基材与研磨工具之间的接触点，相对于研磨工具表面切线的基材正切角达到1-35°，优选地约8-17°。
40、根据权利要求39所述的方法，其特征在于研磨工具与基材表面接触，基材表面已预先调整以设定基材的张力，通过调节拖拉基材的辊的旋转速度和/或动量，调整最终的基材张力。
41、根据权利要求39或40所述的方法，其特征在于基材的最终基材张力是约30-60％的基材断裂力。
42、根据权利要求39-41中任一权利要求所述的方法，其特征在于用多台研磨工具处理待处理材料的面，每台研磨工具从基材表面除去最大1.5微米的材料。
43、根据权利要求42所述的方法，其特征在于在基材与研磨工具之间的接触点，相对于研磨工具表面切线的基材正切角沿基材的移动方向增加。
44、根据权利要求37-43中任一权利要求所述的方法，其特征在于为了保持研磨表面的清洁，粘合从基材释出的粉尘的颜料与进行研磨的基材一起加入。
45、根据权利要求44所述的方法，其特征在于碳酸钙、滑石、高岭土、二氧化硅或硅酸铝或硅酸镁与基材一起加入。
46、根据权利要求44或权利要求45所述的方法，其特征在于树脂和由基材释出的研磨粉尘通过随基材一起加入的颜料结合在一起，与基材一起，或通过如水溶性聚合物和/或乳化的聚合物之类的粘合剂，与研磨粉尘一起加到研磨的表面。
47、根据权利要求37所述的方法，其特征在于通过周期性地将研磨表面朝向空气流、超声波或高能量闪光，或借助于胶带，清洁研磨工具的研磨表面。
48、根据权利要求37所述的方法，其特征在于通过将研磨工具(2、6、10)和基材传送工具(4、8、12)移动达到基材初始张力的初始位置，可调整研磨力，然后通过使用牵引设备，采用通常调整基材张力的方法，设定最终的研磨力和基材张力。
49、根据权利要求37所述的方法，其特征在于通过使用牵引设备，采用通常将基材张力调整到初始值的方法，设定研磨力，从而通过调整研磨工具(2、6、10)和/或基材传送工具(4、8、12)的位置设定最终的基材张力。
50、根据权利要求37-49中任一权利要求所述的方法，其特征在于抛光研磨过的纸基材。
51、根据权利要求50所述的方法，其特征在于使用抛光带抛光基材，抛光带的速度不同于待抛光基材的速度，所述抛光带由编织金属或聚合物织物构成。
52、根据权利要求50所述的方法，其特征在于用光滑的辊或加热的光滑带抛光和干燥基材，所述研磨过的表面还可在抛光前略微润湿。
53、根据权利要求37-52中任一权利要求所述的方法，其特征在于在任何抛光步骤之后，通过浮雕或研磨方法，使研磨过的表面带有浮雕图案。
54、根据权利要求53所述的方法，其特征在于形成规则的印记图案，还可将印记图案填以识别物质。
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