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Es ist bekannt, flächige Materialbahnen aus Suspensionen mit Faserstoffen organischer und/oder anorganischer Herkunft herzustellen. Dies erfolgt beispielsweise mit Hilfe einer Papiermaschine, in der aus einer wässerigen Suspension mit organischen Faserstoffen mit Teilchengrößen von 0,5 mm und größer, gemessen in der jeweils längeren Ausdehungsrichtung der Teilchen, und mit organischen und anorganischen Hilfsstoffen eine Papierbahn geformt und entwässert wird. Die Formung und Entwässerung erfolgt beispielsweise auf einem umlaufenden endlosen Siebkörper, der einen Teil der organischen und anorganischen Rohstoffe durch Filtrationswirkung auf diesem Sieb zurückhält, ein weiterer Teil dieser Rohstoffe wird aber zusammen mit dem Wasser der Suspension durch die Filtrationswirkung durch das Sieb gezogen und der sich bildenden Papierbahn damit entzogen. Die Retention der Rohstoffe auf dem Sieb wird als ein Maß für die Effizienz des Vorgangs der Bildung der Papierbahn angesehen.
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Die Formung und Entwässerung kann beispielsweise auch zwischen zwei umlaufenden endlosen Siebkörpern erfolgen, wobei die Entwässerung der sich bildenden Papierbahn in zwei Richtungen erfolgt und Teile der Rohstoffe zusammen mit dem Wasser durch jeweils beide Siebe gezogen werden. Die Verwendung von zwei Sieben erfolgt dabei im Wesentlichen, um der Materialbahn zwei möglichst ähnliche Oberflächen zu verleihen und möglichst ähnliche Auswascheffekte beider Oberflächen zu erzielen. Dies erfolgt zur Verbesserung nachgeschalteter Verfahrensstufen, wie beispielsweise dem Streichen von Papier oder dem Bedrucken von Papier.
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Die beispielsweise bei der Bildung der Papierbahn nicht auf dem Sieb zurückgehaltenen Rohstoffe werden üblicherweise in der Papiermaschine aufgefangen, im Verfahrensprozeß zurückgeführt und vor der Bildung der Papierbahn dem Verfahrensprozeß wieder zugeführt. Dies gilt entsprechend für die Bildung einer Papierbahn zwischen zwei Sieben. Die Rückführung der nicht zurückgehaltenen Rohstoffe erfordert zusätzliche Verfahrensschritte und Maschineneinrichtungen mit der Folge von zusätzlichen Investitions- und Betriebskosten.
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Doch schon die Bewältigung der verfahrenstechnischen Schritte bei der Herstellung von flächenförmigen Materialbahnen aus Suspensionen mit hohen Verdünnungen bei Stoffdichten von unter 1,5% erfordert entsprechend aufwändige Maschineneinrichtungen und anspruchsvolle Verfahrensschritte mit der Folge von weiteren zusätzlichen Investitions- und Betriebskosten. Stoffdichten von unter 1,5% ziehen beispielsweise bei der Herstellung von Papierbahnen zu prozess- und produktmindernden Erscheinungen wie der Wolkigkeit des Papiers oder zu Abrissen in der Papiermaschine. Dies wird vor allem durch die Bildung von Fasernetzwerken und der eingeschränkten Beweglichkeit von Einzelfasern des Zellstoffs hervorgerufen. Bei den üblichen hohen Verdünnungen in der Papierherstellung müssen damit aber auch große Mengen von zu entwässerndem Volumen aus der sich bildenden Papierbahn entfernt werden. Dazu benötigt man eine Reihe von technischen Einrichtungen, wie sogenannte Foils, Foilkästen, Vakuumkammern, Saugern, Saugwalzen, Leitwalzen, Siebspannern, um nur einige davon zu nennen. Weiterhin sind Einrichtungen bekannt, die die Qualität der sich bildenden Papierbahn verbessern sollen, wobei lediglich Siebschüttelungen oder Turbulenzerzeuger erwähnt werden sollen.
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In der Vergangenheit hat man versucht, mit geringeren Verdünnungen zu arbeiten, ohne aber Faserstoffe mit deutlich verringerten Dimensionen einzusetzen. Diese Versuche haben keine weitreichende Anwendung in der Papierindustrie gefunden.
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Die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung vermeidet die Herstellung aus einer Suspension mit Faserstoffen organischer und/oder anorganischer Herkunft mit Teilchengrößen von 0,5 mm und größer, gemessen jeweils in der längeren Ausdehungsrichtung der Teilchen, indem die Herstellung aus einer Suspension mit Faserstoffen organischer und/oder anorganischer Herkunft mit Teilchengrößen unter 0,5 mm erfolgt, gemessen jeweils in der längeren Ausdehungsrichtung der Teilchen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass statt der nur vom Siebkörper zurück gehaltenen Rohstoffe der Suspension hier alle festen Rohstoffe der Suspension zurück gehalten werden. Dazu bedarf es statt eines Siebkörpers eines geeigneten Membranmaterials, das genau auf die Verteilung der Teilchengröße in der Suspension ausgewählt werden kann. Dies spart einerseits zusätzliche Einrichtungen für das Auffangen der nicht zurück gehaltenen Teile der Suspension und deren Rückführung in den Prozess bezüglich Investitions- und Betriebskosten. Andererseits entspricht die Zusammensetzung der Materialbahn genau der Zusammensetzung der Rohstoffe in der Suspension, so dass keine Abweichungen zwischen der Rezeptur und dem Produkt zu erwarten sind. Schließlich verhindert dies Regeleingriffe, die durch unterschiedliche Retention der Rohstoffe hervorgerufen werden. Handelt es sich um eine wässrige Suspension, so wird das Membranmaterial nur das Wasser durchlassen, alle anderen Rohstoffe aber zurückhalten. Bei anderen Suspensionsmitteln ist das Membranmaterial entsprechend auszuwählen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht die Erzielung der Vorteile nach Patentanspruch 1 nicht nur bei Faserstoffen organischer und/oder anorganischer Herkunft mit Teilchengrößen unter 0,5 mm, gemessen in der jeweils längeren Ausdehnungsrichtung der Teilchen, sondern vielmehr auch bei zellstoffhaltigen und nicht-zellstoffhaltigen Faserstoffen mit Faserlängen von unter 0,5 mm sowie Faserbreiten von unter 0,01 mm. Dies gilt insbesondere für zellstoffhaltige Produkte wie Papier, die bisher nur aus Faserstoffen mit wesentlich größeren Faserlängen und Faserbreiten hergestellt werden konnten. Da es sich bei der Herstellung von Papier meistens um wässrige Suspensionen handelt, so hat das Membranmaterial auch hier nur das Wasser durchzulassen, alle anderen Rohstoffe aber zurückzuhalten. Die Verwendung dieser kleineren Teilchengröße hat den Vorteil, dass die Oberflächen von Papier sehr viel glatter und gleichmäßiger hergestellt werden können, indem die Bildung von größeren Poren und Zwischenräumen in der Papieroberfläche vermieden wird. Dies ist von wesentlichem Vorteil für nachfolgende Verfahrensschritte der Papiererzeugung wie Streichen oder Satinieren und der Papierverarbeitung wie Drucken oder Beschichten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 ermöglicht die Erzielung der Vorteile nach Patentanspruch 2 nicht nur bei zellstoffhaltigen und nicht-zellstoffhaltigen Faserstoffen mit Faserlängen von unter 0,5 mm sowie Faserbreiten von unter 0,01 mm, sondern vielmehr auch bei Mikrofibrillen, die aus Zellstofffasern und/oder nicht aus Zellstofffasern stammen, wobei wahlweise auch Mikropartikel enthalten sein können, die aus Zellstofffasern und/oder aus nicht Zellstofffasern stammen. Dies gilt insbesondere für zellstoffhaltige Produkte wie Zellglas, die bisher nur aus Rohstoffen mit wesentlich größeren Strukturelementen hergestellt werden konnten. Da bei der Herstellung von Zellglas verschiedene Chemikalien zur Anwendung kommen, so hat das Membranmaterial auch hier die verschiedenen Chemikalien durchzulassen, alle anderen Rohstoffe in Gestalt von Mikrofibrillen und wahlweise auch Mikropartikeln aber zurückzuhalten. Die Verwendung von Mikrofasern und wahlweise auch Mikropartikeln hat den Vorteil, dass beispielsweise die für die Herstellung von Zellglas erforderliche Viskose einfacher und somit kostengünstiger hergestellt werden kann, da die erforderlichen Chemikalien auf Grund der kleineren Teilchengröße der Mikrofibrillen und wahlweise auch Mikropartikel eine schnellere Auflösung in Cellulose bewirken können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 4 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 4 ermöglicht die Erzielung der Vorteile nach Patentanspruch 3 nicht nur bei der Herstellung aus einer Suspension mit Mikrofibrillen, die aus Zellstofffasern und/oder nicht aus Zellstofffasern stammen, wobei wahlweise auch Mikropartikel enthalten sin können, die aus Zellstofffasern und/oder nicht aus Zellstofffasern stammen, in einer hohen Verdünnung mit einer Stoffdichte von unter 1,5%, sondern vielmehr in einer geringeren Verdünnung mit einer Stoffdichte von 1,5% und mehr. Die geringere Verdünnung wird durch die geringeren Teilchengrößen der Mikrofibrillen und wahlweise auch Mikropartikel ermöglicht. Zur freieren Bewegung der kleineren Teilchen wird eine geringere Menge an Suspensionsmittel benötigt. Die geringere Verdünnung hat den Vorteil, dass die Herstellungsmaschinen geringere Volumina verarbeiten müssen und somit kleiner dimensioniert werden können. Dieser Vorteil reduziert die Investitionskosten solcher Maschinen, wie auch deren Betriebskosten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 5 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 5 ermöglicht die Erzielung der Vorteile nach Patentanspruch 4 nicht nur bei der Herstellung einer Materialbahn aus Mikrofibrillen, die aus Zellstofffasern und/oder nicht aus Zellstofffasern stammen, wobei wahlweise auch Mikropartikel enthalten sein können, die aus Zellstofffasern und/oder nicht aus Zellstofffasern stammen, in einer Verdünnung mit einer Stoffdichte von 1,5% und mehr, sondern vielmehr auch mit Hilfe einer geeigneten Breitdüse, die die Suspension zwischen zwei endlos umlaufende Tragbahnen aus einem geeigneten Membranmaterial einspritzt, wobei die Tragbahnen die Mikrofibrillen und wahlweise auch Mikropartikel zurückhalten, aber die flüssigen und gasförmigen Bestandteile der Suspension aufnehmen und ableiten. Die beiden Tragbahnen haben den Vorteil, dass das Membranmaterial die festen Bestandteile der Suspension von den flüssigen und gasförmigen Bestandteilen abtrennt und ableitet, wobei sich die zwischen den Tragbahnen befindliche Suspension aufkonzentriert. Bei Wasser als Suspensionsmittel stellt dieser Vorgang eine sogenannte Entwässerung dar. Außerdem bieten die beiden Tragbahnen den Vorteil, dass die Mikrofibrillen und wahlweise auch Mikropartikel dazwischen geleitet werden, bis sie durch den Schwund an Suspensionsmitteln zusammengeführt werden. Dadurch wird die Selbstorganisation der Mikrofibrillen und wahlweise auch Mikropartikel zu einer Materialbahn erleichtert und bewirkt. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass auf beiden Seiten der Materialbahn fast keine Auswascheffekte auftreten wie beispielsweise bei der üblichen Herstellung von Papier auf sognannten Doppelsiebformern. Dadurch werden auf beiden Seiten der Materialbahn gleichartige und gleichmäßige Oberflächen gebildet. Bei der üblichen Herstellung von Papier beispielsweise auf einem sogenannten Langsieb oder einem sogenannten Hybridformer erkennt man mehr oder weniger die unterschiedlichen Oberflächen der beiden Seiten der Papierbahn. Diese Unterschiede vermeidet die erfindungsgemäße Ausgestaltung. Die beiden gleichartigen und gleichmäßigen Oberflächen der Materialbahn sind von wesentlichem Vorteil für nachfolgende Verfahrensschritte der Papiererzeugung wie Streichen oder Satinieren und der Papierverarbeitung wie Drucken oder Beschichten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 6 ermöglicht die Erzielung der Vorteile nach Patentanspruch 5 nicht nur bezüglich der Abtrennung und Ableitung der flüssigen und gasförmigen Bestandteile der Suspension durch das Membranmaterial der Tragbahnen, sondern auch bezüglich der genauen Führung der Materialbahn durch die Tragbahnen unter der Anwendung von Druck, Temperatur und/oder Vakuum, wodurch die Trennung der flüssigen und gasförmigen Bestandteile der Suspension bewirkt und verstärkt wird. Die genaue Führung der Materialbahn erlaubt die gezielte Anwendung von Druck, Temperatur und/oder Vakuum, indem durch die Tragbahnen hindurch in einem Walzenspalt mechanischer Druck auf die Materialbahn aufgebracht wird, eine Temperaturdifferenz zwischen der Materialbahn und einem Trocken- oder Kühlzylinder erzeugt wird, und/oder eine Differenz des atmosphärischen Druckes zwischen der Materialbahn und einem Saug- oder Blaszylinder aufgebaut wird. Statt des Walzenspaltes, durch den die Tragbahnen geführt werden, können wahlweise auch stationäre Profilformen, über die die Tragbahnen gleiten, diese Anwendung von Druck, Temperatur und/oder Vakuum übernehmen. Die Tragbahnen stellen dabei sicher, dass die Selbstorganisation der Mikrofibrillen und Mikropartikel weiter befördert wird, wobei die Ableitung des Suspensionsmittels weiter verstärkt und beschleunigt wird. Der Zusammenhalt der Mikrofibrillen und Mikropartikel in der Materialbahn nimmt weiter zu und die Festigkeit der Materialbahn steigt weiter an. Mit besonderem Vorteil können die Randzonen der Tragbahnen so ausgeführt werden, dass ein Abfluss der Suspension zu den Seitenrändern der Tragbahnen vermieden wird, beispielsweise durch mechanischen Druck in den Randzonen oder durch spezielle Profilformen der Tragbahnen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patenanspruch 7 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 7 ermöglicht die Erzielung der Vorteile nach Patentanspruch 6 nicht nur bezüglich der genauen Führung der Materialbahn durch Tragbahnen unter Anwendung von Druck, Temperatur und/oder Vakuum, sondern auch bezüglich der Überführung und Weiterleitung der nach einer entsprechenden Abtrennung der flüssigen und gasförmigen Bestandteile der Suspension entstandenen Materialbahn durch die Tragbahnen an entsprechende Überführungshilfen wie Leitwalzen, Saugwalzen, Presswalzen, Trockenzylinder und/oder weitere Tragbahnen. Hat die Materialbahn eine gewisse Festigkeit erreicht, so bilden die Mikrofibrillen und wahlweise auch die Mikropartikel einen Zusammenhalt, der nicht länger die Führung der Tragbahnen erforderlich macht. Damit sich die Materialbahn von den Tragbahnen lösen kann, muss das Material der Tragbahnen entsprechende Eigenschaften aufweisen, die den Vorgang des Ablösens der Materialbahn von den Tragbahnen erleichtern. Ist die Materialbahn beispielsweise hydrophil, so sollten die Tragbahnen hydrophob ausgebildet sein. Das Ablösen wird ebenfalls erleichtert durch den Einsatz entsprechender Blas- oder Vakuum-Zonen, die jeweils durch eine Tragbahn hindurch oder jeweils auf die Oberfläche der Tragbahn wirken. Weitere Überführungshilfen wie Leitwalzen, Saugwalzen, Presswalzen, Trockenzylinder und/oder weitere Tragbahnen übernehmen dann den weiteren Transport der Materialbahn, damit die Materialbahn weiter verfestigt und weiter vom Suspensionsmittel befreit wird. Bei ausreichender Festigkeit der Materialbahn ist natürlich auch ein Transport der Materialbahn in sogenannten freien Zügen, also ohne weitere Bahnunterstützung, möglich. Der Vorteil dieser Überführungshilfen besteht darin, dass der Transport der Materialbahn so lange wie möglich unterstützt wird, so dass es nicht zu Beschädigungen der Materialbahn oder zu deren Abriss kommt. So werden unnötige Betriebskosten für beispielsweise Qualität, Ausschuss, Stillstände und/oder Energieverlust vermieden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 8 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 8 ermöglicht die Erzielung der Vorteile nach Patentanspruch 7 nicht nur bezüglich der Überführung und Weiterleitung der entstandenen Materialbahn an entsprechende Überführungshilfen, sondern auch die Zusammenführung der entstandenen Materialbahn mit mindestens einer weiteren derart entstandenen Materialbahn, wobei die Materialbahnen jeweils mit oder ohne Zuhilfenahme eines geeigneten Stoffes zur Verbindung, Vergautschung und/oder Verklebung der Materialbahnen versehen wird. Durch das Zusammenführen der Materialbahnen ergibt sich der Vorteil, dass schichtenweise aufgebaute Materialbahnen hergestellt werden können, die nach besonderen physikalischen oder chemischen Eigenschaften ausgelegt sind, wie beispielsweise Dicke oder Hydrophilie der Materialbahn. Die Kombination mit gleicherweise hergestellten Materialbahnen erlaubt die Vervielfachung der Eigenschaften einer einzelnen Materialbahn, was beispielsweise für die Biegesteifigkeit gilt. Ein Schichtverbund kann beispielsweise im Wesentlichen nur aus Cellulose bestehen. Als ein geeigneter Stoff zur Verklebung der Materialbahnen kann beispielsweise eine Stärkelösung dienen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 9 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 9 ermöglicht die Erzielung der Vorteile nach Patentanspruch 8 nicht nur bezüglich der Zusammenführung von mindestens zwei derart entstandenen Materialbahnen, sondern auch bei der Zusammenführung einer derart entstandenen Materialbahn mit mindestens einer nicht derart entstandenen Materialbahn, wobei die Materialbahnen jeweils mit oder ohne Zuhilfenahme eines geeigneten Stoffes zur Verbindung, Vergautschung und/oder Verklebung der Materialbahnen versehen werden. Durch das Zusammenführen der unterschiedlichen Materialbahnen ergibt sich der Vorteil, dass schichtenweise aufgebaute Materialbahnen hergestellt werden, die sich in den einzelnen Schichten bezüglich bestimmter physikalischer oder chemischer Eigenschaften unterscheiden, wie beispielsweise Leitfähigkeit oder Farbstoffgehalt. Die Kombination mit unterschiedlich hergestellten Materialbahnen erlaubt die Addition unterschiedlicher Eigenschaften in den zusammengeführten Materialbahnen, was beispielsweise beim Aufbau von Sperrschichten von Vorteil ist. Ein Schichtenverbund kann beispielsweise aus Cellulose und Aluminium bestehen. Als geeigneter Stoff zur Verklebung der unterschiedlichen Materialbahnen kann beispielsweise ein Kaschierkleber denen.