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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Behandlungsabschnitt einer Produktionslinie zur Herstellung einer mit einer Barrierebeschichtung versehenen Faserbahn und ein Behandlungsverfahren zur Herstellung einer barrierebeschichteten Faserbahn. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Behandlungsabschnitt gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen, sich auf einen Behandlungsabschnitt beziehenden Anspruchs und ein Behandlungsverfahren gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen, sich auf ein Behandlungsverfahren beziehenden Anspruchs.
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Hintergrund
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, umfassen Verfahren zur Herstellung von Faserbahnen typischerweise eine Anordnung, die aus einer Anzahl von Vorrichtungen besteht, die nacheinander in der Prozesslinie angeordnet sind. Eine typische Produktionslinie weist einen Stoffauflauf, eine Siebpartie und eine Pressenpartie sowie eine sich daran anschließende Trockenpartie und eine Aufrollung auf. Die Produktions- und Behandlungslinie kann darüber hinaus weitere Vorrichtungen und/oder Abschnitte bzw. Partien zur Veredelung der Faserbahn umfassen, zum Beispiel einen Vorkalander, eine Leimungseinrichtung, einen Endkalander und eine Streichpartie. Die Produktionslinie weist typischerweise auch wenigstens eine Rollenschneidmaschine zum Formen von Kundenrollen sowie eine Rollenverpackungsvorrichtung oder einen Bogenschneider auf. In dieser Beschreibung und den folgenden Ansprüchen sind mit Faserbahnen zum Beispiel Papier- und Kartonbahnen gemeint.
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Bei der Herstellung von Faserbahnen, zum Beispiel von Papier- oder Kartonbahnen, wird die Leimung eingesetzt, um die Eigenschaften einer Faserbahn durch Zugabe von Leimungsmitteln, zum Beispiel Leimchemikalien, zu verändern. Die Leimung kann in Innenleimung und Oberflächenleimung unterteilt werden. Bei der Innenleimung wird das Leimungsmittel dem Zellstoff im Nassbereich der Faserbahnmaschine vor der Formgebung zugesetzt. Bei der Oberflächenleimung wird das Leimungsmittel direkt oder über eine Walze auf die Oberfläche der Faserbahn aufgetragen, typischerweise am trockenen Ende der Faserstoffmaschine, das Leimungsmittel kann jedoch auch an anderen Stellen der Faserstoffproduktionslinie auf die Faserbahn aufgetragen werden. Für die Leimung von Papier- und Kartonbahnen wird in der Regel eine separate Leimungseinrichtung verwendet. In Verbindung mit der Leimungseinrichtung werden im Stand der Technik verschiedene Leimungstechnologien eingesetzt, z. B. Tauchleimung, Filmtransfertechnologie oder Sprühleimung.
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Beschichtete Faserbahnen und Beschichtungen werden immer beliebter, und damit steigen auch die Anforderungen an das Beschichtungsverfahren und die Ausrüstung. Bei der Beschichtung, insbesondere bei der Pigmentbeschichtung, wird wenigstens eine der Oberflächen einer Faserbahn in einer Beschichtungsstation mit einer oder mehreren Schichten Streichfarbe (Beschichtungsstoff) beschichtet und anschließend getrocknet. Der Prozess der Beschichtung lässt sich in das Aufbringen der Streichfarbe auf die Bahnoberfläche, was als Auftragen der Streichfarbe bezeichnet wird, und in die Einstellung der endgültigen Menge an Streichfarbe unterteilen. Für die Beschichtung von Papier- und Kartonbahnen wird in der Regel eine Streichvorrichtung - ein Beschichter bzw. Coater - verwendet. In Verbindung mit der Streichmaschine werden im Stand der Technik verschiedene Arten von Streichverfahren eingesetzt, zum Beispiel Vorhangstreichverfahren, Rakelstreichverfahren, Sprühstreichverfahren oder Filmtransferverfahren.
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Die barrierebeschichteten bzw. mit einer Barrierebeschichtung versehenen Faserbahnprodukte, d. h. Barriereprodukte, sind in der Regel beschichtete Faserprodukte auf Papier- oder Kartonbasis, die eine oder mehrere Schichten mit Barrierefunktion aufweisen, z. B. eine Wasserbarriere, eine Wasserdampfbarriere, eine Fett-/Öl-/Lösungsmittelbarriere, eine Gas- und Aromabarriere. Diese Barriereschichten sind also gegen das Eindringen von Gasen (Geruch, Aroma, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf usw.), gegen das Eindringen von Flüssigkeiten und Lösungsmitteln, entweder polar (z. B. Wasser) oder unpolar (z. B. Fett, Öl), gegen das Eindringen von Feststoffen und Verunreinigungen durch Partikel (Nanopartikel, Staub, Rauch, Schmutz usw.) und von Keimen, Bakterien, Pilzen usw., und gegen das Eindringen von Strahlung (elektromagnetisches Licht, z. B. sichtbares Licht, IR, UV, Röntgenstrahlen, „Elektrosmog“ usw.) und von Radioaktivität. Ein Barriereprodukt kann eine oder mehrere Barriereschichten mit einer oder mehreren unterschiedlichen Barrierefunktionen aufweisen.
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Barrierebeschichtungen werden verwendet, um die Eigenschaften von Faserbahnen zu verbessern, ihre Haltbarkeit zu erhöhen und ihnen Eigenschaften zu verleihen, die sie insbesondere für Verpackungsanwendungen geeignet machen. Je nach Zusammensetzung und Aufbau können Barrierebeschichtungen die Absorption von Gasen und Flüssigkeiten auf der Oberfläche der Faserbahn und die Übertragung von Gasen und Flüssigkeiten über die Oberfläche der Faserbahn wirksam kontrollieren. Sie beschränken die Migration von Materialien mit niedrigem Molekulargewicht aus bedruckten Schichten oder recycelten Substraten. Barrierebeschichtungen sind besonders wichtig für Verpackungsanwendungen, da sie den Inhalt der Verpackung schützen und im Falle von Lebensmittel- und Getränkeanwendungen die Haltbarkeit der Produkte verlängern.
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Die Nachfrage nach nachhaltigen Barrierebeschichtungen und die Zahl der verschiedenen Anwendungsarten nimmt sowohl im Verbraucher- als auch im Industriesektor zu, was auf die Nachfrage der Verbraucher, Initiativen der Markeninhaber und dies begünstigende gesetzliche Änderungen zurückzuführen ist. Die anhaltend starke Nachfrage wird durch die Vorliebe für nachhaltigere Produkte, insbesondere bei verbraucherorientierten Anwendungen, sowie durch die Ausweitung kommunaler
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Recycling- und industrieller Kompostierungsanlagen angetrieben. Die fortgesetzte Einführung nachhaltiger Barrierebeschichtungstechnologien im Gegensatz zu den traditionellen erdölbasierten Beschichtungsarten hat das Potenzial, die gesamte Wertschöpfungskette zu verändern. Was das Kommerzialisierungspotenzial betrifft, so werden Technologien, die sich nahtlos in die derzeitigen Produktionsverfahren einfügen lassen, eindeutig im Vorteil sein. Es liegt auf der Hand, dass „Drop-in“-Lösungen gegenüber solchen bevorzugt werden, die Kapitalinvestitionen und/oder die Einführung neuer Herstellungsschritte erfordern. Barrierebeschichtungstechnologien, wie Beschichtungen auf der Basis von biobasierter Polymilchsäure und deren Mischungen, haben enorme Vorteile, da sie mit geringfügigen Modifikationen direkt in bestehenden Extruderlinien eingesetzt werden können, um nachhaltige, mit Barrierebeschichtungen versehene Faserbahnen herzustellen. Andererseits wird eine Barrieretechnologie bevorzugt, die direkt auf einer Produktionslinie für Faserbahnen aufgebracht werden kann und eine Beschichtung außerhalb der Maschine überflüssig macht, vorausgesetzt, die Leistungseigenschaften des Produkts für den Endverbrauch können erfüllt werden.
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Bei der Verpackung von Lebensmitteln schützen Barrierebeschichtungen die Lebensmittel und sorgen dafür, dass sie über einen weiten Bereich von Witterungsbedingungen hinweg haltbar bleiben. Die Sicherheit und langfristige Qualität der verpackten Lebensmittel hängt in hohem Maße von der Sauerstoffdurchlässigkeit der Barrierebeschichtung ab. Barrierematerialien ermöglichen frische, zweckmäßige und gesunde Lebensmittel mit ausreichender Haltbarkeit, um die Frische über längere Zeiträume zu erhalten. Gleichzeitig kann die Barrierebeschichtung dazu verwendet werden, die Migration von Stoffen aus Faserbahnen zu verhindern. Beispielsweise verringern Barrierebeschichtungen, die auf Kartonsubstrate aus Recyclingfasern aus Pre- und Post-Consumer-Abfallströmen aufgebracht werden, das Risiko, dass Lebensmittel mit Mineralölrückständen oder anderen flüchtigen organischen Verbindungen kontaminiert werden, die in den Recyclingfasern enthalten sein können. Bei den flüchtigen Mineralölbestandteilen handelt es sich überwiegend um paraffinische und naphthenische Kohlenwasserstoffe, die bekanntermaßen gesundheitsschädlich sind, sowie um aromatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere solche mit 15 - 25 Kohlenstoffatomen. Diese Restöle können die Qualität der verpackten Produkte beeinträchtigen, insbesondere in Bezug auf Geschmack und Aroma.
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Es gibt verschiedene Arten von Barrierebeschichtungstechnologien: Emulsionen und Dispersionen auf wässriger Basis können direkt auf die Oberfläche einer Faserbahn aufgetragen werden, um eine Barriereschicht zu erzeugen, die getrocknet werden muss, um Wasser zu entfernen. Alginate stellen eine biobasierte, erneuerbare Ressource dar, die nachweislich Barriereeigenschaften besitzt. Chitosan ist ein filmbildendes Polymer und bildet freistehende Filme, wenn es aus Polymerlösungen oder -dispersionen hergestellt wird. Latex ist eine Dispersion oder Emulsion von Polymerpartikeln in Wasser. Latex kommt in der Natur vor, aber synthetische Latex sind in der Faserstoffindustrie häufiger anzutreffen. Polymilchsäure (PLA) ist ein thermoplastischer (polarer), aliphatischer Polyester, der aus einer Reihe biobasierter, aliphatischer, natürlicher a-Hydroxysäuren durch bakterielle Fermentation aus Mais oder Zuckerrohr hergestellt wird. Wie viele Biopolymere wird PLA oberhalb seiner Schmelztemperatur thermisch abgebaut und weist daher bei der Verarbeitung eine schlechte Schmelzflussstabilität auf, was zu Defekten, wie Einschnürungen, führt. Es ist thermisch instabil, da es während der Verarbeitung durch Hydrolyse und Kettenspaltung abgebaut wird. Polymer-Pigment-Verbundwerkstoffe werden zunehmend für Barriereanwendungen bei der Herstellung von Faserbahnen eingesetzt. Polyvinylalkohol (PVOH, PVA oder PVAI), ein Polyhydroxyalkohol, ist ein synthetisches, wasserlösliches Polymer. Die hydrophile Natur von PVOH bietet eine Barriere gegen Sauerstoff, Kohlendioxid, Aromen, Fette und Öle sowie Mineralöle. Lignin ist ein potenziell wertvolles Material, das sowohl als nachhaltige Barrierebeschichtung als auch als chemischer Rohstoff für die Herstellung nachhaltiger Barrierebeschichtungen verwendet werden kann.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, barrierebeschichtete Faserbahnen herzustellen, indem beispielsweise Polyethylen durch Extrusion auf die Oberfläche der Faserbahn aufgebracht und/oder eine Aluminiumfolie auf die Oberfläche der Faserbahn laminiert wird. Ein Nachteil von extrusionsbeschichteten Barriereprodukten ist ihre schlechte Auflösbarkeit und damit schlechte Recyclingfähigkeit. Es wurde auch eine Dispersionsbeschichtung verwendet, bei der ein Bindemittel, z. B. Latex, mit verschiedenen Arten von Füllstoffen und/oder mineralischen Pigmenten und/oder Additiven aufgetragen wird. Die Verwendung von Dispersionsbeschichtungen ist begrenzt, da die Beschichtungsstoffe teurer sind als diejenigen, die für die Extrusionsbeschichtung verwendet werden. Die Beschichtung wurde nach dem Auftragen getrocknet, um eine feste, kontinuierliche, nicht poröse Beschichtung mit den gewünschten Barriereeigenschaften auf der Oberfläche der Faserbahn zu erhalten. Ein Hauptziel bei der Aufbringung der Barrierebeschichtung ist es, eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen. Die Trocknung der Beschichtung erfordert genaue und präzise Maßnahmen, da eine kontinuierliche und gleichmäßige Beschichtungsschicht erforderlich ist. Gleichzeitig muss die Trocknung aber auch effektiv genug sein, um ein Anhaften der Beschichtungsschichten beim Aufrollen und/oder Aufwickeln zu verhindern, d.h. Blockierungserscheinungen zu vermeiden, aber nicht zu intensiv, um die Heißsiegeleigenschaften (Hotmelt) der Barrierebeschichtungsschicht zu erhalten. Häufig muss die Oberfläche des dispersionsbeschichteten Barriereprodukts versiegelt werden, beispielsweise bei der Herstellung von Verpackungen, bei denen gute Heißsiegeleigenschaften erforderlich sind. Bei Blockierungserscheinungen haftet die Oberfläche des Barriereprodukts, d.h. die mit der Barriere beschichtete Faserbahn, in einem zu frühen Stadium, zum Beispiel beim Aufrollen oder Aufwickeln, wenn die Trocknung nicht effektiv genug ist oder das beschichtete Produkt einer ungeeigneten Temperatur, Feuchtigkeit oder einem ungeeigneten Druck ausgesetzt ist. Insbesondere bei der Online-Produktion von barrierebeschichteten Faserbahnen besteht die Gefahr des Verblockens, wenn die Faserbahnen nach der Dispersionsbeschichtung vor dem Aufrollen oder Aufwickeln nicht genügend Zeit zum Abkühlen haben. Insbesondere bei der Online-Produktion von barrierebeschichteten Faserbahnen besteht auch die Gefahr, dass die Faserbahnen beim Beschichten eine zu hohe Temperatur aufweisen, was zu einem übermäßigen Eindringen der Beschichtungsmasse in die Faserbahn führen kann.
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In der Patentanmeldung
WO 2016/170229 A1 wird ein Kartonherstellungssystem zur Verarbeitung von lignocellulosehaltigem Zellstoff zu beschichtetem Karton offenbart, wobei das System wenigstens eine Siebpartie, eine Pressenpartie und eine Trockenpartie aufweist. Das System weist ferner einen Beschichtungsabschnitt auf, der eine Vorbeschichtungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Poren wenigstens einer ersten Oberfläche einer Kartonbahn durch Auftragen einer ersten Beschichtungszusammensetzung auf die erste Oberfläche der Bahn schließt, wenigstens eine Vorhangbeschichtungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie wenigstens zwei Beschichtungsschichten auf wenigstens der ersten Oberfläche der Kartonbahn unter Verwendung einer zweiten Beschichtungszusammensetzung bereitstellt, und wenigstens eine einstellbare Heizeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die Temperatur der Kartonbahn steuert und einstellt und Wasser daraus entfernt, und wenigstens eine Kühleinheit auf, wobei alle diese Abschnitte und Einheiten in demselben Online-Herstellungssystem enthalten sind, das an einer Jumbo-Rolle endet, auf der die beschichtete Kartonbahn zum ersten Mal aufgewickelt wird. In diesem bekannten System weist das System außerdem wenigstens eine Kalandriereinheit auf, wobei die Kalandriereinheit vorzugsweise nach der Vorbeschichtungseinheit und/oder vor und/oder nach der Kühleinheit installiert ist.
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Ein Nachteil der bekannten Behandlungssystemen und -verfahren ist, dass die Barrierebeschichtung leicht an Oberflächen von Leitwalzen, Kalanderwalzen usw. anhaftet, insbesondere dann, wenn unmittelbar nach der Trocknung eine Leitwalze oder ähnliches angeordnet ist, um die barrierebeschichtete und getrocknete Faserbahn in der Behandlungsstrecke für weitere Behandlungsschritte weiterzuführen. Besonders anfällig für Anhaftungen sind Barrierebeschichtungen, die Polymere in wässriger Dispersion und Polymere (zum Beispiel Polyvinylacetate mit hohem Feststoffgehalt in wässriger Lösung, beispielsweise Dispersionen auf Acrylatbasis mit niedriger Tg (Glasübergangstemperatur)) enthalten. Diese Arten von Barrierebeschichtungsschichtschichten bleiben klebrig und heißsiegelfähig, solange sie heiß und/oder feucht sind. Die Temperatur des Haftrisikos hängt von den mechanisch und/oder chemisch eingestellten Heißsiegeleigenschaften der Barrierebeschichtung ab.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Behandlungsabschnitt einer Produktionslinie zur Herstellung einer mit einer Barrierebeschichtung versehenen Faserbahn und ein Behandlungsverfahren zur Herstellung einer mit einer Barrierebeschichtung versehenen Faserbahn zu schaffen, bei denen die oben erläuterten Probleme gelöst oder zumindest minimiert werden.
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Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Behandlungsabschnitt einer Produktionslinie zur Herstellung einer mit einer Barrierebeschichtung versehenen Faserbahn und ein Behandlungsverfahren zur Herstellung einer mit einer Barrierebeschichtung versehenen Faserbahn zu schaffen, bei denen die Probleme bezüglich der Haftung der Barrierebeschichtung an Walzen oder ähnlichen Oberflächen gelöst oder zumindest minimiert werden.
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Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Behandlungsabschnitt einer Produktionslinie zur Herstellung einer mit einer Barrierebeschichtung versehenen Faserbahn und ein Behandlungsverfahren zur Herstellung einer mit einer Barrierebeschichtung versehenen Faserbahn zu schaffen, bei denen die Probleme im Zusammenhang mit Beschädigungen der Barrierebeschichtung/en beseitigt oder zumindest minimiert werden.
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Zusammenfassung
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Zur Erreichung der oben genannten und der später vorgestellten Ziele ist der erfindungsgemäße Behandlungsabschnitt hauptsächlich durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen, sich auf einen Behandlungsabschnitt beziehenden Anspruchs gekennzeichnet. Das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren ist wiederum hauptsächlich durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen, sich auf ein Behandlungsverfahren beziehenden Anspruchs gekennzeichnet. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt wird bzw. werden die Barrierebeschichtungsschicht/en vor dem ersten Kontakt der die Barrierebeschichtungsschicht/en aufweisenden Faserbahn mit einer Oberfläche entlang des Laufs der die Barrierebeschichtungsschicht/en aufweisenden Faserbahn in dem Behandlungsabschnitt der Produktionslinie berührungslos durch eine berührungslose Kühleinrichtung auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur der Barrierebeschichtungsschicht/en gekühlt. Auf diese Weise wird das Anhaften der Barrierebeschichtungsschicht/en an einer Kontaktfläche einer Walze oder ähnlichem verhindert. Der erste Kontakt ist typischerweise eine Leitwalze, eine Beschichtungswalze oder eine Zugwalze.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt wird bzw. werden die Barrierebeschichtungsschicht/en berührungslos durch eine berührungslose Kühleinrichtung auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Barrierebeschichtungsschicht/en gekühlt. Dadurch wird das Anhaften der Barrierebeschichtungsschicht/en an einer Kontaktfläche einer Walze oder dergleichen verhindert.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt wird bzw. werden die Barrierebeschichtungsschicht/en berührungslos durch eine berührungslose Kühleinrichtung auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur der Barrierebeschichtungsschicht/en gekühlt. Dadurch wird das Anhaften der Barrierebeschichtungsschicht/en an einer Kontaktfläche einer Walze oder dergleichen verhindert.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt weist die Kühleinrichtung Aufpralldüsen mit Coanda-Flotation auf, wobei die Aufpralldüsen Hauptkühlgasströme bereitstellen und die Coanda-Flotation für ein berührungsloses Vorbeiführen der Faserbahn an der Kühleinrichtung sorgt. Die Temperatur des Kühlgasstroms beträgt vorzugsweise 25 - 40 °C. Die Geschwindigkeit der Gasströme beträgt vorzugsweise 30 - 90 m/s, noch bevorzugter 50 - 60 m/s. Der Abstand zwischen dem nächstgelegenen Ende der Aufpralldüsen und der Faserbahn beträgt vorzugsweise 5 - 15 mm, besonders bevorzugt 7 - 10 mm.
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Gemäß einem vorteilhaften Merkmal ist bzw. sind die berührungslose/n Kühleinrichtung/en eine berührungslose Kühl- und Wendeeinrichtung. Dadurch kann der Lauf der Faserbahn mit der bzw. den Barrierebeschichtungsschicht/en gleichzeitig in eine gewünschte Richtung geführt werden und es wird eine Platzersparnis erreicht.
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Gemäß einem vorteilhaften Merkmal schließt sich die kontaktlose Kühlung direkt an die kontaktlose Trocknung an, so dass die kontaktlose Kühlungseinrichtung direkt nach der kontaktlosen Trocknungseinrichtung angeordnet ist. Der Abstand zwischen der kontaktlosen Kühleinrichtung und der kontaktlosen Trocknungseinrichtung ist vorzugsweise so bemessen, dass der Lauf der Faserbahn von der berührungslosen Trocknungseinrichtung weniger als 1,6 s, besonders bevorzugt weniger als 1 s, dauert, so dass Führungseinrichtungen wie zwischen der kontaktlosen Kühleinrichtung und der kontaktlosen Trocknungseinrichtung entfallen und Platzeinsparungen erzielt werden. Selbstverständlich können in einigen Fällen, beispielsweise aus Gründen der Anordnung des Behandlungsabschnitts, kontaktlose Führungseinrichtungen zwischen der kontaktlosen Kühleinrichtung und der kontaktlosen Trocknungseinrichtung angeordnet sein.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt wird bzw. werden die Barrierebeschichtung/en nach der berührungslosen Trocknung der Barrierebeschichtung durch eine berührungslose Trocknungseinrichtung/en und vor einem Kontakt mit einer Walze oder einem ähnlichen Kontaktteil der Behandlungsstrecke durch berührungslose Kühlung gekühlt. Typischerweise ist der erste Kontakt nach der bzw. den Trocknungseinrichtung/en eine Leitwalze, so dass in diesen Fällen die kontaktlose Kühleinrichtung nach der kontaktlosen Trocknung und vor der ersten Leitwalze nach der kontaktlosen Trocknungseinrichtung angeordnet ist.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt liegt die Temperatur der Barrierebeschichtungsschicht/en nach dem Trocknen und Abkühlen und vor der nächsten Barrierebeschichtungsstation unter 60 °C, vorzugsweise unter 40 °C. Je niedriger die Beschichtungstemperatur ist, desto geringer ist die Wasser-, Pigment- und Bindemittelpenetration in die Basisfaserbahn und eine gute Filmbildung für eine feste Barriereschicht auf der Oberseite der Basisfaserbahn ist gegeben.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt liegt die Temperatur der Barrierebeschichtung vor der abschließenden Kalandrierung unter 55 °C, vorzugsweise unter 40 °C, um eine durch hohen Flächendruck verursachte erhöhte Klebeneigung zu verhindern.
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Auch die Wickeltemperatur der mit der Barrierebeschichtung versehenen Faserbahn liegt vorzugsweise unter 50 °C, vorzugsweise unter 40 °C, da Barrierebeschichtungsstoffe bei höheren Temperaturen lange Zeit Bindungen eingehen bevor die Kristallisation abgeschlossen ist und sich die Beschichtungsstruktur festigt. Dadurch wird der unerwünschte Fall verhindert, dass Lagen von Faserbahnen beim Abwickeln miteinander verklebt werden oder aneinanderhaften, sodass kleine Löcher und andere Oberflächenstörungen vermieden werden.
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Die Barrierebeschichtungsschicht/en kann bzw. können aus einer oder mehreren Stoffschichten bestehen. Die Barrierebeschichtungsschicht/en kann bzw. können auf einer Seite der Faserbahn oder auf beiden Seiten der Faserbahn aufgebracht werden, und sie kann auf jeder Seite gleiche oder unterschiedliche Stoffschichten umfassen. Die Stoffschichten für die Barrierebeschichtungsschicht/en können direkt auf die Oberfläche/n der Faserbahn oder indirekt über eine Walzenoberfläche aufgebracht werden. Vorzugsweise wird als Beschichtungstechnologie die Folien-, Rakel-, Vorhang-, Airbrush- oder Sprühbeschichtung eingesetzt, besonders bevorzugt die Vorhang- oder Rakelbeschichtung.
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Die Erfindung ist besonders geeignet, wenn Faserbahnen mit wenigstens einer Barrierebeschichtungsschicht hergestellt werden, die Polymere auf Latexbasis und/oder Polymere in Wasserdispersion und/oder Polymere in Wasserlösung und/oder Biopolymere enthält.
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Die Barrierebeschichtungsschicht/en sorgt bzw. sorgen für die angestrebte Barrierebeständigkeit der Basisfaserbahn. Sie kann inline mit der Faserbahnproduktion oder offline erfolgen. Das Gewicht der Barrierebeschichtung beträgt in der Regel mehr als 5 g/m2. Je nach Anwendung kann die Barrierebeschichtung eine ein- oder mehrlagige Beschichtung sein. Die Barrierebeschichtungsschicht/en kann bzw. können der Basisfaserbahn auch einen höheren Grad an Glätte verleihen. Sie kann auch die Oberfläche für weitere Barrierebeschichtungsschichtanwendungen vorbereiten. Wenn die Barrierebeschichtung in der Produktionslinie erfolgt, werden typischerweise Sprühbeschichtungen, Leimpressenbeschichtungen (mit niedrigem oder hohem Feststoffanteil), Vorhangbeschichtungen, dosierte Beschichtungen mit Stangen- oder Rakelstreichern oder Leimpressen eingesetzt. Die Beschichtung außerhalb der Maschine kann auch Extrusion, Laminierung, Plasmabeschichtung von Filmen, Kaskadenbeschichtung und eine Vielzahl von Druckverfahren, wie z. B. den Tiefdruck, umfassen. Das Ergebnis ist ein Übergang von aus Erdöl gewonnenem Polyethylen zu nachhaltigeren Biopolymeren wie PLA, PHA und biologisch abbaubaren Hybriden oder Mischungen. Vorhang- und Gleitbeschichtungsverfahren ermöglichen eine effiziente Online-Applikation von biobasierten Mischungen und/oder Dispersionen auf Wasserbasis, was einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber maschinellen Beschichtungsmethoden darstellt. Barrierebeschichtungen aus Polymerdispersionen enthalten in der Regel Latex, eine wässrige Dispersion aus feinen kolloidalen Polymerpartikeln. Diese Materialien unterscheiden sich von harzbasierten Folien- oder Extrusionsbeschichtungen dadurch, dass sie in der Regel duroplastisch sind. Die Anwendung wässriger Polymerdispersionen und der daraus hergestellten Beschichtungen besteht in der Regel in einer Dünnschichtverfestigung und nach dem Trocknen in einer Filmbildung des Polymers.
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Eine gute Barrierewirkung erfordert eine gute Benetzung der Beschichtung auf dem Substrat während des Auftragens und eine gleichmäßige Abdeckung des Substrats. Die Beschichtung darf keine Nadellöcher aufweisen, da diese die Barriereeigenschaften beeinträchtigen. Diese Eigenschaften hängen von der Gestaltung und der Wahl der Polymermerkmale ab, wie z. B. der Glasübergangstemperatur (Tg), der Morphologie der Polymerpartikel, dem Schmelzfluss des Films und den Eigenschaften von Flexibilität und Steifigkeit. Normalerweise haften diese Materialien bei Temperaturen von über 60 °C an der Kontaktfläche an. Es wird davon ausgegangen, dass künftige Biopolymere eine recht hohe Glasübergangstemperatur (Tg) haben, die normalerweise zwischen 100 und 160 °C liegt. Um eine gute Oberflächenqualität und gute Barriereeigenschaften zu erzielen, sollte die Barrierebeschichtung oberhalb der Tg wärmebehandelt oder getrocknet werden. Bevor das Trocknungskonzept für eine Barrierebeschichtung entworfen wird, sollte die Tg-Temperatur bekannt sein oder getestet werden. Die Filmbildung beginnt mit der Verdunstung von Wasser und der Packung von Polymerpartikeln, führt zur Verformung dieser Partikel aufgrund von Kapillarkräften und schließlich zur Interdiffusion von Polymermolekülen über die Partikelgrenzen hinweg. Für teilkristalline Thermoplaste ist bekannt, dass sich kristalline und amorphe Bereiche während des Kristallisationsprozesses typischerweise zu sphärolitischen Überstrukturen anordnen, insbesondere unter Ruhebedingungen. Neben Druck und Scherung beeinflusst vor allem das Temperatur-Zeit-Verhalten beim Abkühlen eines Polymers die Ausbildung der Geometrie und des Grades der geordneten Strukturen, da zu diesem Zeitpunkt der Kristallisationsprozess mit seiner Keimbildung und Kristallwachstumsphase abläuft. Neben der Beeinflussung des Kristallisationsgrades können die meisten teilkristallinen Thermoplaste in Abhängigkeit von zum Beispiel der Abkühlgeschwindigkeit in unterschiedlichen Kristallmodifikationen auskristallisieren.
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Durch die Erfindung und ihre vorteilhaften Merkmale werden mehrere Vorteile erreicht: Die Barrierebeschichtung bleibt intakt und es wird eine durchgängige und gleichmäßige Beschichtungsschicht bereitgestellt. Das Anhaften der Barrierebeschichtungsschicht/en an einer Kontaktfläche einer Walze oder ähnlichem wird verhindert und damit der Reinigungsbedarf der Walzen und ähnlichen Kontaktflächen minimiert.
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Die in dieser Patentanmeldung dargestellten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung sind nicht so auszulegen, dass sie Einschränkungen der Anwendbarkeit der beigefügten Ansprüche darstellen. Das Verb „aufweisen“ und seine Ableitungen werden in dieser Patentanmeldung als eine offene Einschränkung verwendet, die das Vorhandensein auch nicht erwähnter Merkmale nicht ausschließt. Die im Folgenden beschriebenen Merkmale sind untereinander frei kombinierbar, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
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Figurenliste
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Aspekte der Erfindung, sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus als auch ihrer Funktionsweise, zusammen mit weiteren Gegenständen und Vorteilen, werden jedoch am besten aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden, und im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben, in der
- 1 schematisch ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Produktionslinie zur Herstellung einer Faserbahn mit wenigstens einer Barrierebeschichtungsschicht zeigt.
- 2 schematisch ein vorteilhaftes Beispiel eines Beschichtungsabschnitts eines Behandlungsabschnitts einer Produktionslinie zur Herstellung einer Faserbahn mit wenigstens einer Barrierebeschichtung zeigt.
- 3 schematisch ein vorteilhaftes Beispiel einer Kühleinrichtung für den Behandlungsabschnitt einer Produktionslinie zur Herstellung einer Faserbahn mit wenigstens einer Barrierebeschichtung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
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Im Verlauf der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher Elemente in den verschiedenen Ansichten verwendet, die die Erfindung und ihre vorteilhaften Ausführungsbeispiele veranschaulichen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in den Figuren auf einige sich wiederholende Bezugszeichen verzichtet.
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1 zeigt schematisch ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Produktionslinie zur Herstellung einer Faserbahn mit wenigstens einer Barrierebeschichtungsschicht. Im Beispiel der 1 weist die Produktionslinie einen Stoffauflauf 10, eine Siebpartie bzw. Formierpartie 20 und eine Pressenpartie 30 sowie eine sich anschließende Trockenpartie 40, einen Sizer bzw. Leimungseinrichtung 50 und einen optionalen Vorkalander 60, eine Beschichtungspartie bzw. Beschichtungsabschnitt 110, einen optionalen Endkalander, einen Aufwickler 80 und eine Rollenschneidmaschine 90 auf. Die Produktionslinie kann auch eine Rollenverpackungsvorrichtung oder einen Bogenschneider aufweisen. Im Beispiel von 1 befindet sich nach der Leimungseinrichtung 50 eine Trocknungseinrichtung 55 zum Trocknen der Faserbahn. Der Leimungseinrichtung 50 mit der Trocknungseinrichtung 55 folgt der Beschichtungsabschnitt 110, der wenigstens eine Beschichtungseinrichtung 70 und dessen Trocknungseinrichtung 75 zum Trocknen der Faserbahn aufweist, und nach der Trocknungseinrichtung 75 des Beschichtungsabschnitts 110 ist eine Kühleinrichtung 100 angeordnet. So kann der Beschichtungsabschnitt 110 mehrere Beschichtungseinrichtungen 70 mit Trocknungseinrichtungen 75 und Kühleinrichtungen 100 aufweisen. Die Trocknungseinrichtung 75 kann aus einem oder mehreren berührungslosen Trocknern oder Gruppen davon bestehen. Die Trocknungseinrichtung 75 kann als ein oder mehrere Trocknungsteile und auf einer oder beiden Seiten der Faserbahn vorgesehen sein. Die Kühleinrichtung 100 kann einen oder mehrere kontaktlose Kühldüsenkästen oder Gruppen davon aufweisen. Die Kühleinrichtung 100 kann als ein oder mehrere Kühlteile und auf einer oder beiden Seiten der Faserbahn vorgesehen sein. Der Beschichtungsabschnitt 110 kann auf einer Seite der Faserbahn oder auf beiden Seiten der Faserbahn vorgesehen sein. Die Faserbahn wird in dem Aufwickler 80 zu einer Mutterrolle aufgerollt. Die Leimungseinrichtung 50 kann in jedem anderen Teil oder Abschnitt der Produktionslinie vor der Beschichtungseinrichtung 70 angeordnet sein. Bei der Leimungseinrichtung 50 handelt es sich vorzugsweise um eine Teichleimungspresse, eine Filmleimungspresse, einen Sprühsizer oder sehr vorteilhaft um einen Nip-Sizer mit Vorhangapplikator/en oder Schaumapplikator/en. Der Beschichtungsabschnitt 110 weist als Beschichtungseinrichtung 70 vorzugsweise eine mehrschichtige Vorhangbeschichtungseinrichtung 70 oder eine Klingenbeschichtungsvorrichtung 70 zum Auftragen einer oder mehrerer Beschichtungsstoffschichten auf die Faserbahn auf, um die Barrierebeschichtungsschicht/en und die heißsiegelfähige Beschichtungsschicht, die auch eine der Barrierebeschichtungsschichten bilden kann, und die Schutzschicht bereitzustellen. Die Beschichtungseinrichtung 70 kann auch als aufeinanderfolgende Beschichtungseinrichtungen für jeweils eine oder mehrere Beschichtungsstoffschichten vorgesehen sein.
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In dem Beschichtungsabschnitt 110 wird von der Beschichtungseinrichtung 70 wenigstens eine Beschichtungsstoffschicht auf die Faserbahn aufgetragen, um die Barrierebeschichtung/en der Faserbahn bereitzustellen. Nach der Beschichtung wird die Faserbahn in der Trocknungseinrichtung 75 durch eine berührungslose Trocknungseinrichtung getrocknet und anschließend in der berührungslosen Kühleinrichtung 100 berührungslos gekühlt. In dem Aufwickler 80 wird die Faserbahn zur Mutterrolle aufgewickelt, die in einem Abwickler des Rollenschneiders 90 abgewickelt und anschließend in einer Schneidemaschine in Teilbahnen geschnitten wird, die in dem Rollenschneider zu Kundenrollen aufgewickelt werden. Die Kundenrolle kann in einer Rollenverpackungsmaschine verpackt werden. Die Faserbahn kann auch in einem Bogenschneider in Bögen geschnitten werden. Die Produktionslinie kann zusätzlich vor der Leimungseinrichtung 50 und/oder dem Vorkalander 60 und/oder dem Aufwickler 80 optionale Kühleinrichtungen zur Kühlung der Faserbahn aufweisen. Die Leimung kann auch in jedem anderen Teil oder Abschnitt der Produktionslinie vor dem Beschichtungsabschnitt 110 erfolgen.
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2 zeigt schematisch ein vorteilhaftes Beispiel eines Beschichtungsabschnitts 110 mit wenigstens einer Beschichtungseinrichtung 70 und der Trocknungseinrichtung 75 sowie der Kühleinrichtung 100 zur Beschichtung der Faserbahn W mit der bzw. den Barrierebeschichtung/en. Im Beispiel der 2 weist der Beschichtungsabschnitt 110 die Beschichtungseinrichtung 70 und die Trocknungseinrichtung 75 auf, die zum Trocknen der Faserbahn W angeordnet ist. Der
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Beschichtungsabschnitt 110 kann aus mehreren Beschichtungseinrichtungen 70 mit Trocknungseinrichtungen 75 und Kühleinrichtungen 100 bestehen. Die Trocknungseinrichtung 75 kann aus einem oder mehreren berührungslosen Trocknern oder Gruppen davon bestehen. Die Trocknungseinrichtung 75 kann als ein oder mehrere Trocknungsteile und auf einer oder beiden Seiten der Faserbahn W vorgesehen sein. Die Kühleinrichtung 100 kann einen oder mehrere kontaktlose Kühldüsenkästen oder Gruppen davon aufweisen. Die Kühleinrichtung 100 kann als ein oder mehrere Kühlteile und auf einer oder beiden Seiten der Faserbahn W vorgesehen sein. Der Beschichtungsabschnitt 110 kann auf einer Seite der Faserbahn W oder auf beiden Seiten der Faserbahn W vorgesehen sein. Die Kühleinrichtung 100 für die berührungslose Kühlung schließt sich direkt an die berührungslose Trocknungseinrichtung 75 an. Beispielsweise können aus Gründen der Anordnung des Behandlungsabschnitts kontaktlose Führungsmittel zwischen der kontaktlosen Kühleinrichtung 100 und der kontaktlosen Trocknungseinrichtung 75 angeordnet sein. Die von der Beschichtungseinrichtung 70 aufgebrachte/n und von der berührungslosen Trocknungseinrichtung 75 getrocknete/n Barrierebeschichtungsschicht/en wird bzw. werden durch die berührungslose Kühlung der berührungslosen Kühleinrichtung 100 gekühlt, bevor sie mit einer Walze oder einem ähnlichen berührenden Teil der Behandlungsstrecke in Kontakt kommt bzw. kommen. In diesem Beispiel erfolgt der erste Kontakt mit einer Leitwalze 105. Typischerweise ist der erste Kontakt die Leitwalze 105, so dass in diesen Fällen die kontaktlose Kühleinrichtung 100 nach der kontaktlosen Trocknungseinrichtung 75 und vor der ersten Leitwalze 105 nach der kontaktlosen Trocknungseinrichtung 75 angeordnet ist.
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Der Beschichtungsabschnitt 110 weist als Beschichtungseinrichtung 70 vorzugsweise eine Mehrschicht-Vorhangbeschichtungseinrichtung 70 zum Aufbringen einer oder mehrerer Beschichtungsstoffschichten auf die Faserbahn auf, um die Barrierebeschichtungsschicht/en und die heißsiegelfähige Beschichtungsschicht, die auch eine der Barrierebeschichtungsschichten bilden kann, und die Schutzschicht bereitzustellen. Die Beschichtungseinrichtung 70 kann auch als aufeinanderfolgende Beschichtungseinrichtungen für jeweils eine oder mehrere Beschichtungsstoffschichten vorgesehen sein.
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In 3 ist ein Beispiel für eine Kühleinrichtung 100 dargestellt, die Kühldüsenkästen 101 zur berührungslosen Kühlung der Faserbahn W aufweist. Die Kühleinrichtung ist vorzugsweise eine kombinierte Kühl- und Wendeeinrichtung. Der Kühldüsenkasten ist vorzugsweise ein Doppelpass-Kühldüsenkasten 101. Der Kühldüsenkasten 101 weist Aufpralldüsen mit Coanda-Flotation auf, wobei die Aufpralldüsen Hauptkühlgasströme F und die Coanda-Flotationsströme C einen berührungslosen Lauf der Faserbahn W an den Kühldüsenkästen 101 der Kühleinrichtung 100 vorbei erzeugen. Die Austrittsströme D werden von der Faserbahn W weg zu Austrittskanälen zwischen den Kühldüsenkästen 101 geführt. Die Temperatur des Kühlgasstroms beträgt vorzugsweise 25 - 40 °C. Die Geschwindigkeit der Gasströme beträgt vorzugsweise 30 - 90 m/s, besonders bevorzugt 50 - 60 m/s. Der Abstand zwischen dem nächstgelegenen Ende der Aufpralldüsen und der Faserbahn W beträgt vorzugsweise 5 - 15 mm, besonders bevorzugt 7 - 10 mm.
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Der Behandlungsabschnitt einer Produktionslinie zur Herstellung einer mit einer Barriere beschichteten Faserbahn sorgt für die Trocknung, Wärmebehandlung und Kühlung einer mit einer Barriere beschichteten Faserbahn, die wenigstens eine Barrierebeschichtungsschicht aus Polymeremulsionen und -dispersionen auf wässriger Basis aufweist, die direkt auf die Oberfläche der Faserbahn aufgetragen wird, um die Barrierebeschichtungsschicht/en zu erzeugen. Die Barrierebeschichtungsschicht/en wird bzw. werden nach dem Trocknen durch berührungslose Aufprallluft-Wasserverdampfung getrocknet und gekühlt und somit die Barrierebeschichtungsschicht/en wärmebehandelt. Die berührungslose Kühleinrichtung 100 befindet sich vor dem Kontakt mit einer Walze oder einem ähnlichen berührenden Teil der Behandlungsstrecke, typischerweise einer ersten Führungswalze, die den Lauf der Faserbahn in der Behandlungsstrecke weiterführt. So befindet sich beispielsweise die berührungslose Kühleinrichtung 100 ebenfalls vor dem nächsten Beschichtungsauftrag durch die nächste Beschichtungseinrichtung 70 mit Trocknungseinrichtung 75 und Kühleinrichtung 100 und kühlt die Faserbahn W und die Barrierebeschichtung/en ab. Zusätzlich ist die berührungslose Kühleinrichtung 100 zum Beispiel vor einem Endkalander angeordnet. Der Beschichtungsabschnitt 110 weist vorzugsweise mehr als eine Beschichtungseinrichtung 70 zum Aufbringen einer oder mehrerer Beschichtungsstoffschichten auf die Faserbahn W zur Bereitstellung der Barrierebeschichtung/en auf. Bei dem Behandlungsverfahren zur Herstellung einer barrierebeschichteten bzw. mit einer Barrierebeschichtung versehenen Faserbahn, insbesondere einer mit einer Barrierebeschichtung versehenen Kartonbahn, wird in dem Beschichtungsabschnitt 110 wenigstens eine Beschichtungsstoffschicht einseitig oder beidseitig auf die Faserbahn W zur Bildung wenigstens einer Barrierebeschichtungsschicht aufgetragen, die Barrierebeschichtungsschicht/en wird durch berührungslose Trocknung getrocknet und die getrocknete Barrierebeschichtungsschicht wird vor ihrem ersten Kontakt mit einer beliebigen Oberfläche entlang des Laufs der Faserbahn W nach vorne abgekühlt.
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Die Barriereschicht/en wird bzw. werden unter die Glasübergangstemperatur Tg der Barrierebeschichtung gekühlt. Vorzugsweise wird die Faserbahn auf Temperaturen unter 40 °C gekühlt.
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Obwohl in der vorstehenden Beschreibung einige Funktionen unter Bezugnahme auf bestimmte Merkmale beschrieben wurden, können diese Funktionen durch andere Merkmale ausgeführt werden, unabhängig davon, ob diese beschrieben sind oder nicht. Obwohl bestimmte Merkmale unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen oder Beispiele beschrieben wurden, können diese Merkmale auch in anderen Ausführungsformen oder Beispielen vorhanden sein, unabhängig davon, ob sie beschrieben sind oder nicht. Oben wurde die Erfindung nur unter Bezugnahme auf einige vorteilhafte Beispiele beschrieben, auf die die Erfindung nicht eng begrenzt werden soll. Viele Modifikationen und Änderungen sind im Rahmen der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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