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Die
Erfindung betrifft einen nicht-entflammbaren oder schwerentflammbaren
flächigen
Papier- oder Pappwerkstoff, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Um
die Entflammbarkeit eines Papier- oder Pappwerkstoffes herabzusetzen,
ist es bekannt, Borax (z.B. Dinatriumtetraborat) zu verwenden. Auch weitere
Stoffe sind zur flammhemmenden Ausrüstung von Materialien, beispielsweise
Faserwerkstoffen, Papierbahnen, Pappwerkstoffen oder dergleichen
bekannt, beispielsweise Ammoniumphosphate oder dergleichen. In der
US 4,224,169 wird beispielsweise
das Besprühen
von Papier mit einer flammhemmenden Lösung vorgeschlagen, die unter
anderem Borax, Ammoniumbromid sowie Monoammoniumphosphat enthält.
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Ein
großes
Problem bei der flammhemmenden Ausrüstung von Papier- oder Pappwerkstoffen ist,
in ausreichendem Maße
die flammhemmenden Stoffe, beispielsweise Borax oder dergleichen,
in den Papier- bzw. Pappwerkstoff einzubringen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe schlägt
die Erfindung vor, eine übersättigte Boraxlösung zu
bilden, wobei zu der Übersättigung
mit Borax ein Ammoniumphosphat verwendet wird. Diese übersättigte Boraxlösung wird
auf die Papierbahn aufgebracht, zweckmäßigerweise dann, wenn diese
Papierbahn bereits zumindest teilweise getrocknet worden ist. Auf
diese Weise wird eine verhältnismäßig große Borax-Menge
auf die Papierbahn aufgebracht bzw. in diese eingebracht, so dass
eine optimale flammhemmende Eigenschaft erzielt wird. Zusätzlich entfaltet das
zur Übersättigung
der Boraxlösung
verwendete Ammoniumphosphat selbst eine flammhemmende Wirkung. Das
Ammoniumphosphat, das vorzugsweise Monoammoniumphosphat enthält oder
durch dieses gebildet wird, ermöglicht
erfindungsgemäß zum einen,
eine verhältnismäßig große Menge
Borax zu lösen,
und wirkt zum andern selbst als flammhemmender Stoff für das Papier
bzw. die Pappe. Erfindungsgemäß wird auch
ein nichtentflammbarer oder schwer-entflammbarer flächiger Papier- oder Pappwerkstoff
vorgeschlagen, bei dem zumindest eine flächige Papierlage mit einer
erfindungsgemäß übersättigten
Boraxlösung
behandelt worden ist, die zur Übersättigung
mit Borax ein Ammoniumphosphat enthält.
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Bei
einer mit der erfindungsgemäß übersättigten
Boraxlösung
behandelten Papierbahn sind im wesentlichen alle enthaltenen Papier-Fasern
von Borax umgeben. In entsprechender Weise sind bei einem Schichtwerkstoff,
beispielsweise einer Pappe, die mehrere Lagen der Papierbahn enthält, die
Fasern der entsprechenden Papierbahn-Lagen optimal mit Borax imprägniert.
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Ein
erfindungsgemäßer Papier-
oder Pappwerkstoff weist mindestens eine Lage der mit der übersättigten
Boraxlösung
behandelten Papierbahn auf. Diese Lage bzw. Papierbahn hat zweckmäßigerweise
einen Borax- und/oder Ammoniumphosphatgehalt zwischen 10% und 25%,
vorteilhafterweise etwa 15 bis 20% ihres Flächengewichts im trockenen Zustand.
Wenn alle Lagen des Papier- oder Pappwerkstoffs mit der übersättigten
Boraxlösung
behandelt sind, beträgt
der Borax- und/oder Ammoniumphospha tanteil im Trocken-Flächengewicht
des Papier- oder Pappwerkstoffs dementsprechend 10% und 25%, vorteilhafterweise
etwa 15 bis 20%. Dabei ist ein Borax- und/oder Ammoniumphosphatgehalt von
etwa 18–22
% am Trocken-Flächengewicht
des Papier oder Pappwerkstoffs besonders bevorzugt.
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Zweckmäßigerweise
wird die Papierbahn in ihrer gesamten Breite auf die erfindungsgemäße Weise
mit der übersättigten
Boraxlösung
imprägniert. Auch
eine teilweise, sich nur auf einen Teil der Breite der Papierbahn
erstreckende Imprägnierung
ist prinzipiell möglich.
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Zweckmäßigerweise
wird die übersättigte Boraxlösung auf
die zumindest teilweise bereits getrocknete Papierbahn aufgebracht,
beispielsweise im Bereich einer Trockenpartie zur Trocknung der
Papierbahn. Es versteht sich, dass auch ein Aufbringen der Boraxlösung vor
oder nach einer Trockenpartie prinzipiell denkbar ist. Nach dem
Aufbringen der übersättigten
Boraxlösung
wird die Papierbahn zweckmäßigerweise
nochmals getrocknet, beispielsweise mit 110 bis 140 Grad Celsius.
Zum Aufbringen der übersättigten
Boraxlösung
verwendet man vorteilhafterweise einen Spritz- oder Sprühbalken,
der sich ganz oder teilweise quer über die Papierbahn erstreckt.
Die Boraxlösung
wird sozusagen aufgespritzt bzw. -gesprüht. Dabei ist es prinzipiell
möglich,
die Boraxlösung
nur von einer Seite, beispielsweise von oben, aufzubringen oder
auch von beiden Seiten der Papierbahn.
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Eine
weitere Variante zum Aufbringen der übersättigten Boraxlösung auf
die Papierbahn wird vorteilhafterweise durch eine Walze bereitgestellt, aus
deren Innenraum die übersättigte Boraxlösung durch Öffnungen
am Außenumfang
der Walze nach außen
austritt und die Papierbahn benetzt.
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Ferner
kann die Boraxlösung
auf die Papierbahn auch sozusagen aufgeträufelt werden, z.B. in der Art
von Leim oder anstelle von Leim, der z.B. in an sich bekannter Weise
im Bereich einer Leimpresse auf die Papierbahn tropft.
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Erfindungsgemäß wurde
festgestellt, dass die übersättigte Boraxlösung zweckmäßigerweise mindestens
110 Gramm Borax pro Liter Wasser enthält. Bei dem Borax handelt es
sich beispielsweise um Dimatriumtetraborat, z.B. Na2B4O7·10H2O, Na2[B4O5(OH)4]·8H2O und/oder Na2O·2B2O3·10H2O.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die übersättigte Boraxlösung zwischen
150 und 300 Gramm Borax pro Liter Wasser enthält.
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Die
Verwendung von Monoammoniumphosphat (NH4H2PO4) ist besonders
bevorzugt. Verwendbar wäre
aber auch ohne weiteres Diammoniumhydrogenphosphat ((NH4)2HPO4).
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In
Ergänzung
zu Ammoniumphosphaten können
auch weitere Lösungsmittel
bzw. Kristallbildungsinhibitoren verwendet werden, um die Boraxlösung mit
Borax zu übersättigen.
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In
einem Liter Wasser lassen sich bei Raumtemperatur ca. 55 Gramm Borax
lösen.
Dabei entsteht eine gesättigte
Lösung.
Durch die erfindungsgemäße Zugabe
von Ammoniumphosphat, insbesondere Monoammoniumphosphat, wird die
Menge des lösbaren
Borax erhöht.
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Um
beispielsweise jeweils weitere 55 Gramm Borax in einem Liter Wasser
zu lösen,
verwendet man zweckmäßigerweise
jeweils etwa 20 Gramm Monoammoniumphosphat. Das heißt, dass man
beispielsweise zur Lösung
von 275 Gramm Borax in 1 Liter Wasser etwa 100 Gramm Monoammoniumphosphat
verwendet und zur Lösung von
330 Gramm Borax 120 Gramm Monoammoniumphosphat usw. Es versteht
sich, dass je nach Bedarf die Menge an Borax erhöht wird, wobei man zur Übersättigung
in entsprechendem Maße
Monoammoniumphosphat zugibt. Eine optimale Flammhemmung erzielt
man bei dem Papier- bzw. Pappwerkstoff, wenn etwa 275 bis 330 Gramm
Borax in der übersättigten Lösung gelöst sind,
wozu man 100 bzw. 120 Gramm Monoammoniumphosphat braucht. Selbstverständlich lässt sich
die Menge des Boraxes in der übersättigten
Lösung
steigern, beispielsweise bis zu etwa 715 Gramm Borax pro Liter Wasser,
wobei dann etwa 260 Gramm Monoammoniumphosphat hinzugegeben werden.
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Es
ist zweckmäßig, weitere
endotherme Füllstoffe
in die übersättigte Boraxlösung zu
mischen, um die Schwer-Entflammbarkeit
oder Nicht-Entflammbarkeit des Papier- oder Pappwerkstoffes zu verbessern.
Beispielsweise kann man als endotherme Füllstoffe Aluminiumhydroxid,
Kaliumsilikat, Natronwasserglas, anorganische Salze, beispielsweise
Salze die Brom und Stickstoff enthalten, oder dergleichen verwenden.
Auch die Verwendung von Ammoniumpolyphosphaten, die an sich in Wasser
nicht löslich sind,
sind als Wirkstoffe zur flammhemmenden Imprägnierung der Papierbahn vorteilhaft.
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Es
ist zweckmäßig, die
Boraxlösung
zur Übersättigung
zu erhitzen, vorzugsweise über
26 Grad Celsius. Eine Erhitzung in einem Temperaturbereich von 24
bis 50 Grad Celsius, besonders bevorzugt 26 bis 40 Grad Celsius
ist vorteilhaft.
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Eine
weitere Variante der Erfindung sieht vor, die übersättige Boraxlösung mit
einem Leim zu mischen und ein so erhaltenes Borax-Leim-Gemisch auf
die Papierbahn aufzubringen. Der Leim verbessert beispielsweise
die Beschriftbarkeit der Papierbahn, das heißt, dass aufgebrachte Farbstoffe,
Tinten oder dergleichen auf dem Papier bzw. der Pappe nicht fließen.
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Es
ist vorteilhaft, den Feuchtigkeitsgehalt der Papierbahn nach dem
Aufbringen der übersättigten Boraxlösung zu
kontrollieren, um so den Boraxgehalt der Papierbahn zu steuern.
Beispielsweise verändert man
dann die Menge der auf die zur Papierbahn geförderten übersättigten Boraxlösung, verändert die Geschwindigkeit
der Papierbahn oder dergleichen.
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Besonders
bevorzugt ist es, mittels der imprägnierten Papierbahn eine Pappe
herzustellen, insbesondere eine Wickelpappe. Bei der Pappe sind vorteilhafterweise
zumindest die äußeren Papier-Lagen
durch Papiermaterial gebildet, das mit der übersättigten Boraxlösung behandelt
worden ist. Zweckmäßigerweise
sind jedoch alle Lagen der erfindungsgemäßen Pappe mit der übersättigten
Boraxlösung behandelt
worden. Die Behandlung findet zweckmäßigerweise vor der Aufeinanderschichtung
bzw. -wicklung der Papierlagen statt. Die Papierlagen werden also
zunächst
mit der übersättigten
Boraxlösung behandelt,
beispielsweise durch Aufsprühen,
Aufwalzen oder dergleichen. Sodann werden die Papierlagen aufeinandergeschichtet,
beispielsweise durch Aufwickeln. Auf diesem Wege ist eine optimale Durchdringung
des Papp-Materials mit der übersättigten
Boraxlösung
gewährleistet,
so dass die flammhemmenden Eigenschaften optimal sind.
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Nachfolgend
werden zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Anordnung zur Herstellung einer
erfindungsgemäßen Papierbahn
durch Imprägnierung
mit einer übersättigten
Boraxlösung
mit Hilfe eine Sprüheinrichtung,
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2 eine
schematische Ansicht der Sprüheinrichtung
gemäß 1 von
oben, und
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3 eine
schematische Seitenansicht einer Anordnung zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Papp-Werkstoffes.
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Eine
Papiermaschine 10 bildet eine Anordnung zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen Papierwerkstoffes 11.
An einem Stoffauflauf 12, der beispielsweise ein Schöpfrad, einen
Sandfang oder dergleichen enthält,
wird eine Papierbahn 13 anhand von Papierpulpe 30 gebildet.
Die Papierpulpe 30 enthält
Faserstoffe, insbesondere pflanzliche Faserstoffe, beispielsweise
Holzschliff, Zellulose, Altpapier, Chemiefasern, Hadern oder dergleichen.
Die Pulpe 30 kann bereits mit gelöstem Borax angereichert sein.
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In
einer Siebpartie, die beispielsweise ein Langsieb oder dergleichen
enthält,
findet eine erste Entwässerung
bzw. Trocknung der Papierbahn 13 statt. An die Siebpartie 14 schließt sich
eine Pressenpartie 15 an, wo die Papierbahn 13 durch
mechanischen Druck von Walzenpaaren entwässert, verdichtet und verfestigt
wird. Die flächige
Papierbahn 13 hat beispielsweise dann noch einen Trockengehalt
von rund 45%.
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An
die Pressenpartie 50 schließt sich eine Trockenpartie 16 an.
In der Trockenpartie 16 durchläuft die Papierbahn 13 slalomartig
beheizte Walzen 17 bis 22, die die Papierbahn
trocknen. Sodann wird die Papierbahn 13 beispielsweise
auf eine Rolle 23 aufgewickelt, zu einem blattartigen Format
geschnitten oder dergleichen.
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Erfindungsgemäß wird der
Papierwerkstoff 11 mit Hilfe einer übersättigten Boraxlösung 24 behandelt.
Die Boraxlösung 24 enthält pro Liter
Wasser zweckmäßigerweise
mindestens 250 Gramm Borax. Zur Lösung des Borax in dem Wasser
ist ein Ammoniumphosphat, zweckmäßigerweise
Monoammoniumphosphat verwen det. Die Boraxlösung 24 enthält beispielsweise
250 Gramm Borax pro Liter Wasser, das mittels 100 Gramm Monoammoniumphosphat gelöst ist.
Selbstverständlich
sind auch größere oder kleinere
Boraxmengen möglich,
wobei dann in entsprechendem Maße
mehr oder weniger Monoammoniumphosphat zugegeben wird.
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Die
Menge des zur Übersättigung
des Wassers mit Borax erforderlichen Ammoniumphosphats bzw. Monoammoniumphosphats
lässt sich
vorteilhafterweise dadurch verringern, dass man die Lösung erhitzt,
beispielsweise mit Hilfe einer Erhitzungseinrichtung 25,
z.B. einem Heizstab oder dergleichen.
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Ferner
können
nicht dargestellte Rührer
oder sonstige mechanische Mischvorrichtungen zur Bildung einer homogenen
Boraxlösung 24 vorgesehen sein.
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Die übersättigte Boraxlösung 24 wird
mittels Sprüheinrichtung 26 und/oder 26' und/oder 26'' auf die Papierbahn 13 aufgetragen.
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Die
Sprüheinrichtungen 26–26'' enthalten einen sich quer über die
Papierbahn 13 erstreckenden Sprühbalken 27, der die
Papierbahn in ihrer vollen Breite mit der übersättigten Boraxlösung 24 benetzt. Oberhalb
des Sprühbalkens 27 ist
beispielhaft ein Behälter 29 angedeutet,
der die übersättigte Boraxlösung 24 enthält, dass
durch den Sprühbalken 27 auf die
Papierbahn 13 aufgesprüht
wird.
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Die
Sprüheinrichtung 26 ist
beispielsweise an der Trockenpartie 26 angeordnet. Vorteilhafterweise
befindet sich die Sprüheinrichtung 26 in
einem hinteren Abschnitt der Trockenpartie 16, wo die Papierbahn 13 bereits
verhältnismäßig trocken
und große
Mengen der übersättigten
Boraxlösung 24 aufnehmen,
sozusagen aufsaugen kann. Beispielsweise befindet sich die Sprüheinrichtung 26 oberhalb
der Walze 19. Die Sprüheinrichtung 26 besprüht die Papierbahn 13 von
oben.
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Es
hat sich auch als zweckmäßig herausgestellt,
die übersättigte Boraxlösung 24 in
der Art eines ansonsten verwendeten Leimungsmittels auf die Papierbahn
aufzubringen. Beispielhaft ist daher die Sprüheinrichtung 26' im Bereich
einer Leimpresse 28 dargestellt. Die Sprüheinrichtung 26' besprüht die Papierbahn 13 beispielsweise
von unten, wobei ein Besprühen
von oben ebenfalls möglich
ist. Durch die verhältnismäßig hohe
Temperatur der Papierbahn 13 im Bereich der Leimpresse 28,
das heißt
beispielsweise vor einem nicht dargestellten Streichwerk der Papiermaschine 10,
kann die Papierbahn 13 eine verhältnismäßig große Menge der Boraxlösung 24 aufnehmen.
Die Leimpresse 28 befindet sich beispielsweise an einer
Stelle der Trockenpartie 16, wo die Papierbahn 13 etwa
3/4 der Trockenpartie 16 durchlaufen hat.
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Ferner
kann die Boraxlösung 24 und/oder
ein Gemisch der Boraxlösung 24 mit
Leim aus unterseitigen Öffnungen,
z.B. Schlitzen, Löchern
etc., eines Träufel-Rohrs
oder Balkens 31, der sich bei der Leimpresse 28 quer über die
Papierbahn 13 er streckt, auf die Papierbahn 13 tropfen.
Das Träufel-Rohr 31 ist
an sich bekannt und dient bei einer herkömmlichen Anwendung beispielsweise
zum Aufträufeln
von Leim auf die Papierbahn 13.
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Nach
der Behandlung mit der Boraxlösung 24 durch
die Sprüheinrichtungen 26 und/oder 26' wird die Papierbahn 13 nochmals
getrocknet, beispielsweise an einer Walze 22, bevor es
auf die Rolle 23 aufgewickelt wird.
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Es
versteht sich, dass die Papierbahn 13 auch an einer Stelle
mit der übersättigten
Boraxlösung 24 behandelt
werden kann, wo sie feuchter ist als in oder nach der Trockenpartie 16.
Als Beispiel hierfür
ist die optionale Sprüheinrichtung 26'' in der Art der Sprüheinrichtung 26 zwischen
der Pressenpartie 15 und der Trockenpartie 16 angeordnet.
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Der
Benetzungsgrad bzw. Durchfeuchtungsgrad der Papierbahn 13 mit
der Boraxlösung 24 ist durch
Veränderung
der Durchlaufgeschwindigkeit der Papierbahn 13 durch die
Papiermaschine 10, durch Veränderung der aufgesprühten Menge
der Boraxlösung 24 und
dergleichen beeinflussbar.
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Besonders
bevorzugt ist die Herstellung eines erfindungsgemäßen Pappwerkstoffes 51 mittels einer
Pappemaschine 50, die in 3 schematisch dargestellt
ist.
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Die
Pappemaschine 50 ist beispielsweise eine Feinpappe-Maschine. Mit Hilfe
von Walzen 52, beispielsweise Rundsieben, wird die Pulpe 53 auf
ein Trägerband 54,
beispielsweise einen Trägerfilz,
aufgetragen, so dass dort eine flächige Papierbahn 55 gebildet
ist. Die Papierbahn 55 ist gestrichelt dargestellt. Das
Trägerband 54 läuft über eine
schematisch dargestellte Umlenkrollenanordnung um, die beispielsweise
Rollen oder Walzen 56, 57 und 58 enthält.
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Die
auf das Trägerband 54 aufgetragene
Papierbahn 55 wird von dem Trägerband 54 zunächst an
einem Sauger 59 oder einer sonstigen Entwässerungsvorrichtung
vorbeigefördert.
Der Vorgang des Entwässerns
bzw. Trocknens der Papierbahn 55 durch den Sauger 59 ist
durch Pfeile symbolisch dargestellt. Es können weitere Trocknungseinrichtungen,
die beispielsweise mittels Hitze oder dergleichen arbeiten, vorgesehen
sein.
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Von
dem Sauger 59 fördert
das Trägerband 54 die
Papierbahn 55 weiter zu einer Formatwalze 61.
Presswalzen 60 walzen die Pa pierbahn 55 auf eine
Formatwalze 61 auf. Typischerweise werden 10 bis 15 Lagen
der Papierbahn 55 auf die Formatwalze 61 aufgewickelt,
wobei auch durchaus mehr oder weniger Lagen möglich sind, z.B. bis zu 70
Lagen oder mehr. Die Mehrlagigkeit des Pappwerkstoffes 51 auf der
Formatwalze 61 ist durch verschieden stark gestrichelte
Linien angedeutet. Nachdem die gewünschte Anzahl von Lagen der
Papierbahn 55 auf die Formatwalze 61 aufgewickelt
sind bzw. aufgewalzt sind, schneidet eine Schneideinrichtung 62, z.B.
ein Messer, den aufgewickelten Pappwerkstoff 51 am radialen
Außenumfang
der Formatwalze 61 auf. Der mehrlagige Pappwerkstoff 51 fällt dann
beispielsweise auf ein Transportband 63 oder eine sonstige
Transportvorrichtung, um in irgendeiner Form weiterverarbeitet zu
werden, beispielsweise um durch einen Trockner 64 getrocknet
zu werden oder dergleichen.
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Der
Pappwerkstoff 51 bzw. die Papierbahn 55 wird wie
der Papierwerkstoff 11 mittels über der übersättigten Boraxlösung 24 behandelt.
Hierzu werden Sprüheinrichtungen 66,
sowie optional 66', 66'' verwendet. Die Sprüheinrichtungen 66 bis 66" entsprechen
prinzipiell der Sprüheinrichtung 26,
das heißt
sie enthalten beispielsweise Sprühbalken 27, die
sich quer über
die Papierbahn 55 bzw. entlang der Längsachse oder Drehachse der
Formatwalze 61 erstrecken. Besonders bevorzugt ist die
Positionierung der Sprüheinrichtung 66 im
Bereich der Formatwalze 61.
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Die
Sprüheinrichtung 66 besprüht mindestens
eine, zweckmäßigerweise
jede Lage der Papierbahn 55 des Pappwerkstoffs 51,
die auf die Formatwalze 61 aufgewickelt wird. Der Sprühbalken 67 erstreckt
sich entlang des Außenumfangs
der Formatwalze 61 und verläuft beispielsweise im wesentlichen parallel
zu deren Drehachse. Etwa an der Stelle, wo die Sprüheinrichtung 66 positioniert
ist, schneidet die Schneideinrichtung 62 den Papp werkstoff 51 auf.
An der Stelle der Sprüheinrichtung 66 weist
der Pappwerkstoff 51 beispielsweise einen Feuchtegehalt
von ca. 45% bis 65% Wasser auf.
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Prinzipiell
wäre es
auch möglich,
die Papierbahn 55 bereits vor dem Aufwickeln auf die Formatwalze 61 mit
der Boraxlösung 24 zu
besprühen.
Beispielsweise besprühen
die Sprüheinrichtungen 66', 66'' die Papierbahn 55 unmittelbar
vor der Formatwalze 61 bzw. nach dem Sauger 59.
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Wenn
die Papierbahn 55 in einem noch etwas nasseren Zustand
mit der Boraxlösung 24 besprüht wird,
beispielsweise unmittelbar nach dem Sauger 59, ist es zweckmäßig, nicht
von der Papierbahn 55 aufgenommene übersättigte Boraxlösung 24 aufzufangen
und zu recyceln, beispielsweise wieder neu mit Borax bzw. dem zur Übersättigung
verwendeten Monoammoniumphosphat oder einem sonstigen Ammoniumphosphat
anzureichern. Zum Auffangen der Boraxlösung 24 ist bei der
Sprüheinrichtung 66" beispielsweise
eine Auffangwange 68 symbolisch dargestellt.