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Die Erfindung betrifft einen Walzenbezug für eine Walze insbesondere zum Einsatz in einer Anlage zur Herstellung oder Verarbeitung einer Faserstoffbahn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Walze.
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In Industrieanlagen wie beispielsweise Papiermaschinen kommt eine Vielzahl von Walzen zum Einsatz. Diese Walzen können zum Führen der Materialbahn dienen, oder auch zur Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet solcher Walzen ist das Pressen und Entwässern der Faserstoffbahn. Dabei bildet eine Presswalze mit einem Gegenelement - häufig in Form einer Gegenwalze - einen Behandlungsspalt zum mechanischen Entwässern der Faserstoffbahn. Das Wasser kann dann teilweise in Strukturen der Walzenoberfläche wie z.B. Rillen oder (Blind-)Bohrungen aufgenommen werden. Diese Strukturen stellen ein Speichervolumen für das ausgepresste Wasser zur Verfügung.
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Gerade bei Walzen mit relativ weichen Walzenoberflächen tritt hierbei aber das Problem auf, dass durch die im Behandlungsspalt wirkende Kraft der Bezug komprimiert wird, wodurch die Rillen oder Bohrungen ganz oder zumindest teilweise verschlossen werden und das Speichervolumen abnimmt.
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Um trotzdem eine ausreichende Wasseraufnahmefähigkeit zu gewährleisten, und ein Rückbefeuchten („Rewetting“) der Papierbahn nach Verlassen des Behandlungsspaltes zu vermeiden wird in der Patentschrift
US 9,488,217 vorgeschlagen, die Rillen und Bohrungen - im Verhältnis zu ihrer Tiefe - sehr breit auszuführen. Konkret wird dort vorgeschlagen, dass die Breite zw. der Durchmesser mindestens 70% der Tiefe oder mehr beträgt.
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Nachteilig an dieser Lösung ist aber die Tatsache, dass durch ein Verbreitern der Rillen und Bohrungen die dazwischen liegenden Stege, also der Teil der Walzenoberfläche, der für den Aufbau des hydraulischen Drucks im Behandlungsspalt verantwortlich ist, notwendigerweise kleiner werden. Somit wird der Aufbau eines möglichst hohen hydraulischen Drucks, und damit eine hohe Auspressung der Bahn behindert.
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Zusätzlich führen breite Rillen und / oder Bohrungen mit großem Durchmesser oft zu Markierungen im Papier. Dies kann beispielsweise in Form sogenannter „Lochschattenmarkierungen“ geschehen, die durch ein ungleichmäßiges Auswaschen von Fein- und Füllstoffen aus der Papierbahn entstehen.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgaben, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu überwinden.
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Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Walzenbezug bzw. eine Walze vorzuschlagen, der/die genügend Speichervolumen zur Verfügung stellt und gleichzeitig ausreichend hydraulischen Druck im Behandlungsspalt aufbauen kann.
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Die Aufgaben werden vollständig gelöst durch einen Walzenbezug gemäß Anspruch 1 sowie eine Walze gemäß Anspruch 10.
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Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Begriffe Materialbahn, Faserstoffbahn und Papierbahn werden im Rahmen dieser Anmeldung synonym verwendet. Damit sollen insbesondere Zellstoffbahnen, Bahnen für grafisches Papier oder Verpackungspapier, Kartonbahnen, Tissuebahnen sowie Bahnen von Spezialpapieren umfasst sein.
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Hinsichtlich des Walzenbezugs wird die Aufgabe vollständig gelöst durch einen Walzenbezug für eine Walze insbesondere zum Einsatz in einer Anlage zur Herstellung oder Verarbeitung einer Faserstoffbahn, wobei der Walzenbezug eine radial äußere Funktionsschicht umfasst, welche die bahnberührende Oberfläche des Walzenbezugs zur Verfügung stellt, und wobei die Funktionsschicht Strukturelemente insbesondere in Form von Rillen und/oder Bohrungen aufweist.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Funktionsschicht aus einem Elastomermaterial aufgebaut ist, das eine Poisson-Zahl über 0.4 aufweist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Elastomermaterial eine Poissonzahl zwischen 0.45 und 0.5 aufweist, beispielsweise 0.47, 0.48 oder 0.49.
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In besonders bevorzugten Ausführungen kann vorgesehen sein, dass als Elastomermaterial ein Gummimaterial, insbesondere eine Gummirezeptur auf Basis von HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk) oder EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) verwendet wird. Alternativ können aber auch andere Elastomermaterialien, wie z.B. Polyurethane zum Einsatz kommen.
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Die Poissonzahl, auch Querkontraktionszahl, Querdehnungszahl oder Querdehnzahl genannt; ist ein Materialkennwert in der Mechanik bzw. Festigkeitslehre. Sie dient der Berechnung der Querkontraktion und gehört zu den elastischen Konstanten eines Materials.
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Die Poissonzahl ist dabei bekanntlich definiert als linearisiertes negatives Verhältnis aus relativer Änderung der Abmessung quer zur einachsigen Spannungsrichtung zur relativen Längenänderung bei Einwirkung eines eindimensionalen mechanischen Spannungszustandes:
- Wird eine Probe (ein Vollmaterialstück - beispielsweise S1 oder S2 Stäbchen It. DIN 53504) gedehnt, indem sie an ihren Enden („in Längsrichtung“) auseinandergezogen wird, so kann dies Einfluss auf ihr Volumen haben. Bei einer Probe, deren Material eine Poissonzahl nahe 0.5 hat, bleibt das Volumen (fast) gleich - zieht man sie länger, so wird sie gerade so viel dünner, dass ihr Volumen (praktisch) gleich bleibt.
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Da die Walzenbezüge häufig bei Temperaturen zwischen 50°C und 60° C betrieben werden wäre es wünschenswert, auch die Poissonzahl bei diesen Betriebstemperaturen zu ermitteln. Allerdings ist der Aufwand um die Messvorrichtung geeignet zu temperieren, relativ groß. Daher sind die Poissonzahlen, die im Rahmen dieser Anmeldung angegeben werden, bei Laborbedingungen gemessen, also bei 20°C. Die Poissonzahl verändert sich über einen großen Temperaturbereich kaum. Wesentliche Änderungen sind lediglich unterhalb der Glasübergangstemperatur zu erwarten, die bei derartigen Elastomeren im Bereich von -20°C liegt, oder oberhalb von 80°C - 100 °C. Daher ist eine Messung bei 20°C auch für den Einsatz bei 50°-60°C repräsentativ.
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Wohl aber ist die im Zugversuch gemessene Poissonzahl abhängig von der Zuggeschwindigkeit mit der der Versuch durchgeführt wird. Bei niedrigen Geschwindigkeiten (z.B.: 10 mm/min) treten auch Relaxationseffekte und werden miterfasst, die für die in der Praxis auftretenden sehr raschen Verformung im Pressspalt nicht relevant sind - bei Geschwindigkeiten größer als 100mm/min wurde keine signifikante Geschwindigkeitsabhängigkeit mehr festgestellt. Die beschriebenen Messwerte wurden daher mit einer Geschwindigkeit von 125mm/min, einer Vorkraft von 1N im Bereich von 1.5 - 2.5% Dehnung und einer Messlänge (Lo) von 25 mm im Falle des S1 Stabes und 20mm im Falles des S2 Stabes ermittelt. Aufgrund der Streuung der Messwerte wurde der Median von mindestens 3 idealerweise mindestens 5 Einzelmessungen herangezogen.
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Die Erfinder haben erkannt, dass sich durch diese Materialkennzahl sehr gut das Materialverhalten eines Walzenbezugs in einem Behandlungsspalt charakterisieren lässt. Bei einem Elastomermaterial, insbesondere einem Gummimaterial, mit einer Poissonzahl über 0.4, insbesondere zwischen 0.45 und 0.5, kommt es auch bei relativ hohen Drücken im Behandlungsspalt zu keinen oder nur geringen unerwünschten Materialdeformationen. Somit hat man eine große Freiheit, in der Oberfläche des Walzenbezugs auch Strukturen einzubringen. Diese Strukturen werden im Behandlungsspalt dann nicht oder nur unwesentlich verändert und ihr Speichervolumen bleibt weitgehend erhalten.
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Insbesondere kann, im Gegensatz zum Stand der Technik vorgesehen sein, dass der Walzenbezug als Strukturelemente Rillen aufweist, und das Verhältnis der Rillenbreite zur Rillentiefe kleiner oder gleich 0.7, insbesondere kleiner oder gleich 0.5 ist Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Walzenbezug als Strukturelemente Bohrungen aufweist, und das Verhältnis der Bohrungsdurchmesser zur Bohrungstiefe kleiner oder gleich 0.7, insbesondere kleiner oder gleich 0.5 ist.
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Durch diese im Vergleich zur Breite, bzw. dem Durchmesser eher tiefen Strukturelemente kann ausreichend Speichervolumen zur Verfügung gestellt, und trotzdem ausreichend hydraulischer Druck im Behandlungsspalt aufgebaut werden.
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In besonders vorteilhaften Ausführungen kann ein weicher Walzenbezug vorgesehen sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Härte der Funktionsschicht über 10 P&J, insbesondere zwischen 15 P&J und 50 P&J beträgt. Härtewerte von 20 P&J, 25 P&J, 30 P&J bzw. 35 P&J sind dabei üblich. Derartige Härten lassen sich speziell mit einem Gummimaterial, insbesondere einer Gummirezeptur auf Basis von HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk) oder EPDM (Ethylen-Propylen-DienKautschuk) sehr einfach erzielen.
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Die Härteangaben „P & J“ beziehen sich auf die Messung nach Pusey & Jones. Bei dieser Messung weisen weichere Materialien höhere P&J Werte auf. Die Angabe, dass ein Walzenbezug eine Härte über 10 P&J aufweist bedeutet also, dass der Bezug weicher als 10 P&J sein soll.
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Die Walzen, und insbesondere die Walzenbezüge sind bei Ihrem Einsatz z.B. in einer Papiermaschine sehr harschen Bedingungen ausgesetzt. Mechanische Einflüsse wie der Druck in einem Walzenspalt und auch Reibung, aber auch der chemische Einfluss der verschiedenen Prozesswässer und Prozesschemikalien führen zu einem stetigen Verschleiß des Walzenbezugs. Besonders bei Walzen mit Strukturelement, bei denen es wie oben beschrieben, vorteilhaft ist, wenn die Tiefe der Strukturelemente im Vergleich zu ihrem Durchmesser bzw. ihrer Breite relativ groß ist bzw. wenn ein gewisses Verhältnis eingehalten werden soll (z.B. Breite/Tiefe < 0.7) ist dieser Verschleiß störend. Wird z.B. durch Verschleiß ¼ der Dicke des Bezugs abgetragen, während die Breite der Struktur gleich bleibt, so steigt Verhältnis Breite/Tiefe um 1/3.
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Dadurch besteht die Gefahr, dass das Verhältnis Breite/Tiefe nicht mehr in dem gewünschten Bereich liegt.
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Weiterhin können sich durch den Einsatz der Walzen auch die Eigenschaften des Materials der Walzenbezüge verändern. Je nach verwendetem Elastomermaterial kann es beispielsweise zu einem Verhärten oder auch zu einem Erweichen des Materials bzw. der Walzenoberfläche kommen.
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Es ist daher vorteilhaft, den Verschleiß des Walzenbezugs auch durch eine entsprechende Wahl des Oberflächenmaterials möglichst gering zu halten. Für einen Walzenbezug gemäß einem Aspekt der Erfindung kann es daher vorteilhaft sein, wenn das Elastomermaterial, insbesondere im Falle eines Gummimaterials, eine, mehrere oder alle der folgenden Eigenschaften aufweist:
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Eigenschaft 1: Wasserbeständigkeit
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Ein Elastomermaterial soll im Rahmen dieser Anmeldung als wasserbeständig bezeichnet werden, wenn sich während einer 672 h dauernden Lagerung bei 70°C in Wasser mit pH=7 die Härte des Elastomermaterials um maximal 5 P&J, bevorzugt 4 P&J, besonders bevorzugt 3 P&J, insbesondere 1 P&J oder weniger ändert.
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Eigenschaft 2: Säurebeständigkeit
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Ein Elastomermaterial soll im Rahmen dieser Anmeldung säurebeständig bezeichnet werden, wenn sich während einer 672 h dauernden Lagerung bei 70°C in Schwefelsäure (H2SO4) mit pH=1,5 die Härte des Elastomermaterials um maximal 5 P&J, bevorzugt 3 P&J insbesondere 1 P&J oder weniger ändert.
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Eigenschaft 3: Laugenbeständigkeit
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Ein Elastomermaterial soll im Rahmen dieser Anmeldung laugenbeständig bezeichnet werden, wenn sich während einer 672 h dauernden Lagerung bei 70°C in Natronlauge (NaOH) mit pH=14 die Härte des Elastomermaterials um maximal 10 P&J, bevorzugt 5 P&J, insbesondere 3 P & Joder weniger ändert.
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Eigenschaft 4.: Spannungskonstanz
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Die Produkte, die eine konstante Entwässerungsleistung erbringen können, zeigen sich über einen großen Medienbereich beständig. Hierzu sind Materialien vorteilhaft, bei denen sich der Spannungswert des Elastomermaterials bei 10% Dehnung („Modul 10“, gemessen im Zugversuch am S1 oder S2 Stäbchen It. DIN 53504) während einer 672 h dauernden Lagerung bei 70°C in Wasser pH=7 und/oder 5 gew%-Schwefelsäure und/oder 5 gew%-Natronlauge um weniger als 10% bevorzugt von weniger als 8% ändert.
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In bevorzugten Ausführungen kann ein Gummimaterial als Elastomermaterial verwendet werden, welches alle vier Eigenschaften, oder zumindest die Eigenschaften 1, 2 und 3 zusammen aufweist.
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Hinsichtlich der Walze wird die Aufgabe gelöst durch eine Walze für eine Anlage zur Herstellung oder Verarbeitung einer Faserstoffbahn umfassend einen im Wesentlichen zylindrischen Walzenkern und einen darauf aufgebrachten Walzenbezug, wobei der Walzenbezug nach einem Aspekt der Erfindung ausgeführt ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe von Beispielen weiter erläutert.
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Die Beispiele geben einige Beispiele für Elastomere, die für den Einsatz in einem Walzenbezug gemäß einem Aspekt der Erfindung geeignet sind. Es handelt sich dabei um verschiedene Gummimaterialien. Die Erfindung ist dabei auch nicht auf diese Beispielrezepturen beschränkt.
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Die Angaben zur Härte bzw. Härteänderung sind, fall nicht explizit anders beschrieben, in P&J (Pusey & Jones). Beispielrezeptur 1: EPDM 25
| Kategorie | Bezeichnung | Menge (Gew%) |
| Polymer | EPDM | 40 - 60 |
| Füllstoff 1 | Ruß | 25 - 35 |
| Füllstoff 2 | Mineral | 5-10 |
| Vernetzer | Peroxid | 2-3 |
| | Weitere Additive | Rest auf 100% |
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Dieses Gummimaterial weist vor der Lagerung eine Härte zwischen 25 und 30 P&J auf. Beispielrezeptur 2: HNBR 20
| Kategorie | Bezeichnung | Menge (Gew%) |
| Polymer | HNBR | 40 - 50 |
| Füllstoff | Ruß | 20 - 30 |
| Weichmacher | Ester | 2-4 |
| Vernetzer | Peroxid | 2-4 |
| | Weitere Additive | Rest auf 100% |
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Dieses Gummimaterial weist vor der Lagerung eine Härte zwischen 20 und 25 P&J auf.
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Zur Beurteilung des Materialverhaltens im Walzenspalt hat sich die Betrachtung der Lagerung in verschiedenen Medien (pH-Werte & Chemikalien) bewährt.
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Die Tabelle 1 zeigt hier die Härteänderung der Materialien bei Lagerung für 7 sowie 28 Tage (=672 Stunden) in Wasser, NaOH und H2SO4. Die Lagerung erfolgt bei einer Temperatur von 70°C.
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Für die Beispielrezepturen 1 und 2, sowie die Referenzrezeptur NBR 20 auf Basis von Acrylnitril-Butadien-Kautschuk wurden Härteänderungen gemessen, die in der folgenden Tabelle dargestellt sind. Die Referenzrezeptur wies dabei vor der Lagerung auch eine Härte zwischen 20 und 25 P&J auf, die jedoch leicht unterhalb der Härte des HNBR 20 lag.
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Bei allen drei Rezepturen weist das Elastomermaterial eine Poisson-Zahl über 0.4, insbesondere zwischen 0.45 und 0.5 auf. Die Materialien sind also generell alle für die Verwendung in einem Walzenbezug gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung geeignet. Tabelle 1: Härteänderung nach 672 h Lagerung in [P&J]
| | Wasser (pH=7) | H 2 SO 4 (pH=1.5) | NaOH (pH=14) |
| EPDM 25 | +1 P&J | +1 P&J | +2 P&J |
| HNBR 20 | +3 P&J | +2 P&J | +4 P&J |
| NBR 20 | +4 P&J | +5 P&J | +10 P&J |
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Man erkennt, dass die Materialien in allen Fällen nach der Lagerung einen höheren P&J Werte aufweisen, und damit weicher werden. Das Ausmaß dieses Erweichens ist jedoch stark vom Polymermaterial abhängig.
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Man erkennt, dass die Beispielrezeptur 1 (EPDM 25) bei allen Lagerungen nur eine sehr kleine Härteänderung erfährt. Selbst bei den üblicherweise harschesten Bedingungen in Natronlauge wird lediglich ein Anstieg von 2 P&J gemessen. Das Material ist daher hervorragend wasserbeständig, säurebeständig und laugenbeständig.
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Auch die Beispielrezeptur 2 (HNBR 20) weist bei allen Lagerungen nur eine relativ geringe Härteänderung auf. Das Material ist daher sehr gut wasserbeständig, säurebeständig und laugenbeständig. Trotzdem ist gemessene Härteänderung bereits etwa doppelt so groß, wie bei der Rezeptur 1.
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Die Referenzrezeptur (NBR 20) zeigt mit Abstand die größten Härteänderungen. Bei Lagerung in Natronlauge beträgt die Härteänderung 10 P&J.
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Die Härteänderungen dieser Referenzrezeptur in Wasser, Säure und besonders in Lauge sind dabei an der Grenze dessen, was noch als beständig betrachtet werden kann. In Anwendungen, wo diese Beständigkeitseigenschaften wichtig sind, wird man vorteilhafterweise eine Rezeptur mit solchen Härteänderungen nicht verwenden und stattdessen auf deutlich beständigere Alternativen wie z.B. die Rezepturen 1 oder 2 zurückgreifen.
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Die Produkte, die eine konstante Entwässerungsleistung erbringen können, zeigen sich über einen großen Medienbereich beständig. Ein sehr guter Indikator hierfür ist die Messgröße „Modul 10“. Es ist generell vorteilhaft, wenn sich der Spannungswert des Elastomermaterials bei 10% Dehnung („Modul 10“, gemessen im Zugversuch am S1 oder S2 Stäbchen It. DIN 53504) während der Lagerung in Wasser, Lauge oder Säure nur gering ändert.
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Durch Verwendung eines Materials, bei dem es während einer 672 h dauernden Lagerung in Wasser bei 70°C zu einer Änderung des Spannungswertes „Modul 10“, von weniger als 10% bevorzugt von weniger als 8% kommt, werden über die Laufzeit des Bezuges konstante Entwässerungsbedingungen sichergestellt.
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1 zeigt für die Materialien aus Beispiel 1 und 2 sowie das Referenzmaterial die relativen Veränderungen des Modul 10 Wertes bei Lagerung in verschiedenen Medien über 7 bzw. 28 Tage (672 Stunden).
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Hierbei fällt wie bereits bei der Untersuchung der Härteveränderung eine große Unterschiedlichkeit der Elastomermaterialien auf.
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Auch hier zeigt sich EPDM 25 wieder als sehr vorteilhaft, da sich der Modul 10 Wert bei Lagerung in Wasser pH=7, 5 gew%-Schwefelsäure und auch in 5 gew%-Natronlauge auch nach 28 Tagen um weniger als 10%, in den meisten Fällen sogar von weniger als 8% ändert.
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Auch HNBR zeigt vorteilhafte Eigenschaften. Sowohl bei der Lagerung in Wasser, als auch in Schwefelsäure bleibt die Änderung des Modul 10 Werts unter 10% bzw. sogar unter 8%. Lediglich bei der Lagerung in Natronlauge zeigt liegt der Modul 10 Wert nach 28 Tagen nur noch bei rund 80% des Ausgangswertes.
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Am schlechtesten schneidet auch hier NBR 20 ab. Bei der Lagerung in Wasser erfolgt bereits nach 7 Tagen eine starke Änderung der Dehnung, und nach 28 Tagen in etwa im Bereich von 10%. Bei Lagerung in Schwefelsäure oder Natronlauge sinkt der Modul 10 Wert bei NBR 20 massiv ab. Nach 28 Tagen Lagerung in Schwefelsäure liegt der Wert nur noch zwischen 50% und 60% des Ausgangswertes.
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Auch im Hinblick auf dem Modul 10 Wert wird bei vielen Anwendungen die Verwendung von NBR 20 nicht optimal sein, so dass auch hier Alternativen wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben zu bevorzugen sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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