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Die
Erfindung bezieht sich auf einen elastischen Walzenüberzug
und Walzen zum Herstellen oder Finishing von Bahnmaterial, wie Papier
oder Pappe.
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Beim
Herstellen oder Finishing von Faserstoffbahnmaterial werden Walzen
an mehreren Positionen verwendet, welche einen mit einer Polymerzusammensetzung überzogenen
Walzenkörper umfassen. Für einige Positionen ist
Elastizität der Walzenoberfläche bevorzugt, dann
sind die Walzen mit Gummimischungen überzogen. Typische
Elastomere, die in diesen Gummimischungen verwendet werden, sind
Nitrilbutadiengummi (NBR), hydrierter Nitrilbutadiengummi (HNBR),
chlorsulfonierter Polyethylengummi (CSM), Naturgummi, Styrolbutadiengummi
(SBR), Ethylenpropylendiengummi (EPDM) und Chloroprengummi (CR).
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Gummimischungsüberzüge
werden zum Beispiel bei Presswalzen in einer Presspartie, bei Saugwalzen
in einer Sieb- und Presspartie und bei Leim- und Filmtransferwalzen
beim Oberflächenbehandeln oder Streichen der Bahn verwendet.
In diesen Positionen ist die Walzenoberfläche in Schleifkontakt
mit der Bahn oder einem die Bahn stützenden Gewebe und
zusätzlich dazu ist sie oft unter Belastung, zum Beispiel
in einem Quetschkontakt mit einer Gegenwalze. Die Umgebung ist daher
sehr verschleißend. Gleichzeitig muss die Walzenoberfläche
intakt bleiben, um gute Qualität der Bahn und gute Maschinengängigkeit
zu gewährleisten. Allgemein wird der Überzug dick
genug gemacht, um Wiederinstandsetzung der verschlissenen Oberfläche durch
Abschleifen zu ermöglichen.
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Unterschiedliche
Füllstoffmaterialien werden in Gummizubereitungen verwendet,
um gewünschte Eigenschaften zu erreichen. Am häufigsten
verwendete Füllstoffe sind Kohleschwarz, Silikate (als
Tonerde) und Silikonoxide. Weniger häufig und für
besondere Zwecke verwendete Füllstoffe sind zum Beispiel
Titandioxid und thermoplastische Pulver. Die Menge an Füllstoff
kann zum Beispiel 30–100 Gewichtsteile an Füllstoff
zu 100 Gewichtsteilen an Elastomer (phr) betragen. Füllstoffe
werden unter anderem verwendet, um Duktilität, Stärke,
Elastizität, Verschleißbeständigkeit,
Härte, Wärmebeständigkeit und Ablösungseigenschaften
des Überzugs einzustellen. Ein Problem mit Füllstoffen
ist, dass während eine Eigenschaft verbessert wird, sich
oft gleichzeitig einige andere Eigenschaften verschlechtern. Als
Ergebnis muss ein Kompromiss eingegangen werden.
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Wichtige
Eigenschaften von aus Gummimischungen hergestellten Walzenüberzügen
sind heutzutage eine lange Betriebslebensdauer, gute Verschleißbeständigkeit
und geringe Wärmeerzeugung unter dynamischer Belastung.
Insbesondere eine lange Betriebslebensdauer verbessert die Produktivität
der Bahnherstellungs- oder Bahnfinishinganlage. Die Betriebslebensdauer
hängt von mehreren Faktoren ab. Besonders Verschleißbeständigkeit,
Reißfestigkeit und Beständigkeit gegenüber
Rissentwicklung sind solche Faktoren. Verschleißbeständigkeit
und Betriebslebensdauer werden unter anderem verbessert durch Verwenden
von HNBR Elastomeren oder durch Zink-Methacrylate modifizierte Polymeren
oder durch Zugeben spezifischer Füllstoffe, wie Polypropylen-
oder Polyethylenpulvern (PP, PE) oder Faserfüllstoffen.
Allerdings haben alle diese ihre Nachteile, wie einen hohen Preis
(z. B. HNBR Elastomere), geringe chemische Beständigkeit
(z. B. Zink-Methacrylat modifizierte Polymere), elastische Nicht-Spannkraft,
geringe Wärmebeständigkeit (PE und PP Pulver)
und hohe Anisotropie (Faserfüllstoffe).
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Aromatische
Polyamide (Aramide) werden ebenfalls als Füllstoffe in
Faserform (Länge typischerweise 3–6 mm) in geringen
Mengen (z. B. 3–6 phr) mit dem Zweck verwendet, die Spannkraft,
Duktilität, den Zerreißwiderstand und die Verschleißbeständigkeit
zu erhöhen.
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In
einem veröffentlichten Patent
US 6,328,681 ist ein Walzenüberzug
offenbart, der als einen Füllstoff 25–75 phr eines
Polyethylens (UHMWPE) mit extrem hohen Molekulargewicht (typischerweise
2–10 × 10e6) aufweist. In einem veröffentlichten
Patent
US 6,918,865 ist
ein Walzenüberzug offenbart, in welchem eine Menge an UHMWPE
10–24 phr beträgt. Dieser Füllstoff verbessert
insbesondere die Verschleißbeständigkeit. Er hat
Schwachstellen wie eine geringe Wärmebeständigkeit,
Neigung zur Wärmeerzeugung und Nicht-Spannkraft, wenn er
in solch hohen Mengen verwendet wird.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der oberhalb diskutierten
Aspekte gemacht und stellt einen elastischen Walzenüberzug
zum Herstellen oder Finishing eines Faserstoffbahnmaterials bereit,
der wenigstens eine Schicht einer Gummimischung umfasst, wobei wenigstens
die eine Schicht einer Gummimischung synthetisches Faserpolymer
in Pulverform enthält.
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Das
Faserpolymer ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Polyamid-basierten Polymeren und Polyether-basierten Polymeren,
z. B. Polyamid, besonders aromatisches Polyamid, bevorzugt aus Terephthalsäure
und p-Phenylendiamin hergestelltem Aramid; Polyetheretherketon,
Polyethersulfon oder Polyetherimid.
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Die
Menge des Polymerpulvers beträgt bevorzugt ≥ 5
bis 40, stärker bevorzugt ≥ 10 bis ≤ 30
Gewichtsteile zu 100 Gewichtsteilen an Elastomer der Gummimischung.
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Das
Polymerpulver weist bevorzugt eine Glasübergangstemperatur
von ≥ 160°C auf.
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Die
größte Abmessung der Polymerpulverteilchen liegt
bevorzugt in dem Bereich von ≥ 5 bis ≤ 300 μm,
stärker bevorzugt in dem Bereich von ≥ 50 bis ≤ 150 μm.
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Die
Dichte des Polymerpulvers beträgt bevorzugt ≥ 1,4
bis ≤ 1,5 g/cm3.
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Bevorzugt
enthält und bevorzugt besteht eine Elastomermatrix der
Gummimischung aus einem Olefinbasierten Gummi, wie z. B. Nitilbutadiengummi,
Styrolbutadiengummi, chlorsulfoniertem Polyethylengummi, Ethylenpropylengummi,
hydriertem Nitrilbutadiengummi und Chloropren oder Naturgummi.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind in der Gummimischung
Füllstoffe und Additive enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine überzogene Walze
zum Herstellen oder Finishing eines Faserstoffbahnmaterials mit
einem Walzenkörper und dem hierin beschriebenen elastischen
Walzenüberzug (welcher den Walzenkern überzieht)
bereit.
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Es
ist bevorzugt, dass die erfindungsgemäße, überzogene
Walze eine Presswalze, eine Saugwalze, eine Leimwalze oder eine
Streichwalze darstellt.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer
Walze zum Herstellen oder Finishing einer Faserstoffbahn durch Überziehen
eines Walzenkörpers mit einem elastischen Überzug,
der wenigstens eine Schicht einer Gummimischung umfasst, bei welchem
Verfahren wenigstens eine Schicht von vulkanisierbarer Gummimischung
auf die Oberfläche des Walzenkörpers aufgebracht
wird und die Gummimischung vulkanisiert wird, dadurch gekennzeichnet,
dass synthetisches Faserpolymer in Form eines Pulvers in die Gummimischung
eingebracht ist.
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Bei
dem Verfahren kann der Walzenkörper behandelt werden, um
die Adhäsion zu erhöhen, bevor die Gummimischung
auf der Oberfläche des Walzenkörpers aufgebracht
wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einer Verwendung einer
synthetisches Faserpolymer in Pulverform enthaltenden Gummimischung
für einen Walzenüberzug zum Herstellen oder Finishing
einer Faserstoffbahn.
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Gemäß der
Erfindung umfasst ein elastischer Walzenüberzug wenigstens
eine Schicht einer Gummimischung, bevorzugt als eine (äußerste)
Deckschicht, die synthetisches Faserpolymerpulver als einen Füllstoff enthält.
Dieser elastische Walzenüberzug zeigt gleichzeitig verbesserte Reißfestigkeit,
Duktilität und Härte, wie auch Rissbildungsresistenz,
chemische Beständigkeit und Wärmebeständigkeit.
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Die überzogene
Walze gemäß der Erfindung weist einen Walzenkörper
auf, welcher im Allgemeinen ein Metall wie Gusseisen oder Stahl
umfasst und mit dem erfindungsgemäßen, elastischen
Walzenüberzug überzogen ist.
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Bevorzugt
stellt der Füllstoff ein sogenanntes hochleistungsentwickeltes
Polymer dar, d. h. eines mit guter Wärmebeständigkeit
(bevorzugt beständig gegenüber Temperaturen von
wenigstens 100°C). Beispiele solcher Polymere sind: Polyetheretherketon
(PEEK), Polyethersulfon (PES), Polyimid (PI), Polyamid-6.6 und Polyethylenterephthalat
(PETP), welche Polymere auch für Faserherstellungsverfahren
geeignet sein müssen. Die Polymere werden üblicherweise
erst als eine Faser gegossen und werden dann in Pulver verarbeitet,
bevor sie in der Erfindung verwendet werden.
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Es
ist bevorzugt, dass das Faserpolymer (Füllstoff) ein Polyamid-basiertes
oder Polyether-basiertes Polymer darstellt, um eine weiter verbesserte
Reißfestigkeit, Duktilität und Härte
zu erreichen.
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Speziell
kann das Polymer ein Polyamid (PA) sein, insbesondere aromatisches
Polyamid (Aramid), bevorzugt aus Terephthalsäure und p-Phenylendiamin
hergestelltes Aramid (PPD-T-Aramid), Polyetheretherketon (PEEK),
Polyethersulfon (PES) oder Polyetherimid (PEI). Neben einer Verbesserung
der oberhalb aufgeführten physikalischen Eigenschaften,
führt die Verwendung dieser spezifischen Polymere in Pulverform
als ein Füllstoff zu einer homogenen Verteilung in der
zuletzt beschriebenen Elastomermatrix, so dass die Überzugeigenschaften
vorteilhaft isotrop sind.
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Das
Pulver wird bevorzugt in Mengen von ≥ 5 bis ≤ 40,
stärker bevorzugt ≥ 10 bis ≤ 30 Gewichtsteilen pro
100 Gewichtsteilen an Elastomer (phr) verwendet. Unter 5 Gewichtsteilen
kann sein Effekt zum Verbessern der Verschleißbeständigkeit,
wie auch der Duktilität und der Härte, unzureichend
sein, während über 40 Gewichtsanteilen die Duktilität
nachteilig beeinflusst werden kann und der Überzug neigt
dazu, leichter durch Wärme und chemische Einflüsse
unbrauchbar zu werden. Daher, um eine gute Balance dieser Eigenschaften
zu erreichen, ist der oberhalb genannte Bereich des Pulvergehalts
bevorzugt, mit einer ausgezeichneten Balance, die in dem stärker
bevorzugten Bereich erreicht wird.
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Brauchbare
Elastomere, die in der Erfindung als eine Matrix verwendet werden,
in welcher das synthetische Faserpolymer eingebettet ist, sind Olefin-basierte
Gummis und Naturgummi. Durch Verwendung solch eines Gummis als die
Matrix werden günstige Elastiziät verbunden mit
Rissbildungsresistenz, chemischer Beständigkeit, beziehungsweise
Wärmebeständigkeit erhalten.
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Als
ein spezifisches Beispiel stellte sich Nitrilbutadiengummi (NBR)
als sehr nützlich bezüglich der Kompatibilität
mit dem Faserpolymer heraus und die physikalischen Eigenschaften
des Überzugs können einfach durch die Verwendung
von NBR Polymer eingestellt werden. Ähnlich vorteilhafte
Ergebnisse werden durch die Verwendung von Styrolbutadiengummi (SBR),
chlorsulfoniertem Polyethylengummi (CSM), Ethylenpropylendiengummi
(EPDM), hydriertem Nitrilbutadiengummi (HNBR), Chloroprengummi (CR) und
Naturgummi (NR) erreicht. Insbesondere brauchbar sind NBR, SBR,
CSM und EPDM.
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Die
größte Abmessung der Polymerpulverteilchen beträgt
bevorzugt ≥ 5 bis ≤ 300 μm, stärker
bevorzugt ≥ 50 bis 150 μm. Diese Abmessungen ermöglichen
eine sehr homogene Verteilung der Pulverteilchen in dem Elastomer
und verbessern ferner die Reißfestigkeit, die Duktilität
und die Härte des Walzenüberzugs. Innerhalb des
stärker bevorzugten Bereichs sind diese Effekte noch besser.
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Die
Dichte des Pulvers beträgt typischerweise ≥ 1,4
bis ≤ 1,5 g/cm3, welche ein gewünschtes
Einstellen der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Walzenüberzugs
ermöglicht.
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Die
Glasübergangstemperatur des Pulvers beträgt am
stärksten bevorzugt gleich oder mehr als 160°C,
weil der Walzenüberzug bei seiner tatsächlichen
Anwendung auf einer Walze häufig erhöhten Temperaturen
ausgesetzt ist, z. B. in einem Quetschkontakt mit einer Gegenwalze.
Mit der bevorzugten Glasübergangstemperatur kann die Degradation
der Walzenüberzugsleistungsfähigkeit durch Wärme
weitgehend unterdrückt werden.
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Typischerweise
ist das Pulver ziemlich polymorph, d. h. es hat die Fähigkeit,
in mehr als einer Kristallstruktur vorzukommen. Teilchen können
länglich, rundlich oder flockenartig sein. Insbesondere
die größten Teilchen sind länglich (Diameter
typischerweise 10–50 μm). Die längliche
Form ermöglicht ein geeignetes Verstärken des
Elastomers und erhöht ferner den Zerreißwiderstand,
beziehungsweise die Rissbildungsresistenz.
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Die
Erfindung ist anwendbar, um auf allen Walzen beim Herstellen oder
Finishing von Faserstoffbahnmaterial, wie Papier oder Pappe, verwendet
zu werden, bei welchen Gummi- oder Gummimischungsüberzüge verwendet
werden. Die Walze kann zum Beispiel eine Presswalze, eine Saugwalze,
eine Leimwalze oder eine Streichwalze darstellen.
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Chemische
Kompatibilität des Pulvers mit der Elastomermatrix kann,
wenn nötig, durch Oberflächenaktivierung des Pulvers
oder durch Zugeben adhäsionsverbessernder Zusätze
zu der Gummimischung verbessert werden.
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Außer
dem Faserpulver können bevorzugt zusätzliche anorganische
und organische Füllstoffe und Additive, wie zum Beispiel
Kohleschwarz, Siliziumdioxid, Tonerde oder andere Polymerpulver,
wie thermoplastische Polyolefine (z. B. Polypropylen, Polyethylen,
HMWPE und UHMWPE) verwendet werden. Die Menge an zusätzlichen
Füllstoffen beträgt bevorzugt 50–100
phr, stärker bevorzugt 60–80 phr. Die Menge des
optionalen thermoplastischen Polyolefins beträgt bevorzugt
weniger als 10 phr.
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Das
Pulver kann zu der Gummimischung durch herkömmliche Einrichtungen
wie mit einem Walzenmischwerk oder einem Kammermischer vermischt
werden.
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Der
Walzenüberzug umfasst im Allgemeinen 1–4 Schichten
einer Gummimischung, d. h. 1, 2, 3 oder 4 Schichten. Die Dicke der
Schichten beträgt typischerweise 10–50 mm, stärker
bevorzugt 15–30 mm und am stärksten bevorzugt
20–25 mm für die Deckschicht und 2–10
mm für die unteren Schichten.
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Um
eine verbesserte Verschleißbeständigkeit mit einer
geeigneten Duktilität und Härte bei z. B. einem Papierherstellungsverfahren
zu kombinieren, weist der Walzenüberzug eine Pusey & Jones (P&J) Härte
von bevorzugt 5 bis 50, stärker bevorzugt 10 bis 30 und
noch stärker bevorzugt von 12 bis 25 auf.
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Insbesondere
wird bei einem Finishingverfahren, wie z. B. Leimen von Papier,
eine ausgezeichnete Einheitlichkeit der fertigen, bzw. veredelten
Oberfläche, z. B. eine sehr einheitliche Oberflächenleimung,
erreicht, wenn die äußerste Schicht des Walzenüberzugs,
bevorzugt die oberhalb beschriebene wenigstens eine Schicht von
Gummi, eine Oberflächenrauheit Ra von bevorzugt 1,2 μm
oder mehr, stärker bevorzugt 1,4 μm oder mehr,
vorweist. Brauchbare Bereiche für den Wert von Ra zum Erhalten
des einheitlichen Oberflächenfinishings sind z. B. 1,4
bis 1,7 μm, stärker bevorzugt 1,4 bis 1,6 μm
und noch stärker bevorzugt 1,5 bis 1,6 μm.
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Bei
einem typischen Überzugsherstellungsverfahren wird die
Oberfläche des Walzenkörpers vorbehandelt, um
die Adhäsion (durch Strahlbehandlung etc.) zu verbessern
und 1–4 Schichten von Adhäsionsmittel werden darauf
aufgebracht (Dicke einer Schicht ungefähr 10–15 μm).
Danach wird eine gewünschte Menge an Gummimischungsschichten
hergestellt und ausgehärtet (vulkanisiert). Das Vulkanisieren
kann z. B. durch Verwendung von Schwefel, einer oder mehrerer Schwefel-enthaltender
Verbindungen, Zinkweiß oder Peroxid erreicht werden. Zum
Vulkanisieren wird die Walze durch einen Film umhüllt und
Vulkanisieren wird durch Heizen in einem Ofen durchgeführt.
Schließlich wird der Überzug zu gewünschten
Abmessungen bearbeitet. Es ist üblich, den Überzug
durch spiralförmiges Extrudieren von Gummimischung auf
den Walzenkörper herzustellen. Vor allem gibt der Faserpulverfüllstoff
eine lange Betriebslebensdauer und gute Verschleißbeständigkeit,
insbesondere gute Verschleißbeständigkeit beim
Abrieb. Überdies werden Reißfestigkeit, Duktilität
und Härte, Rissbildungsresistenz, chemische Beständigkeit
und Wärmebeständigkeit verbessert.
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Der Überzug
ist von isotroper Art, daher werden Rückschläge
durch Anisotropie vermieden. Die Herstellung ist einfach, weil Viskositätserhöhung
nicht ungeeignet ist. Die Walzenüberzugsleistungsfähigkeit
in der Papiermaschine ist zuverlässig.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Walzenkörper
aus Metal wurde mit einer Zubereitung überzogen, die die
Gewichtsteile aufweist:
| NBR
Elastomer | 100 |
| Kohleschwarz | 50 |
| Methacrylatmonomer | 10–35 |
| Füllstoff
(anorganisch | 5–15 |
| Siliziumdioxid-basiert) | |
| Aramidpulver
Twaron 5011 | 25 |
| Antioxidant/Antiozonat | 3 |
| Peroxid
(50%) | 8 |
| UHMWPE | 9 |
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Beispiel 2
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Eine
Walze wurde überzogen mit einer Zubereitung, die die Gewichtsteile
aufweist:
| NBR
Elastomer | 100 |
| Füllstoffe
(anorganisch: | |
| Kohleschwarz,
Siliziumdioxid, und | 70–80 |
| Polymer(PE)-basierte
Mischung) | |
| Methacrylatmonomer | 10–35 |
| Aramidpulver
Twaron 5011 | 25 |
| Antioxidant/Antiozonat | 3 |
| Peroxid
(50%) | 8 |
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Testergebnisse
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Eigenschaften
der obigen Überzüge wurden untersucht und mit
einem herkömmlichen NBR-Überzug verglichen, bei
welchem der einzige Unterschied darin bestand, dass nur herkömliche
Kohleschwarz-/Siliziumdioxid-/Silikatfüllstoffe verwendet
wurden, aber überhaupt kein Aramidpulver. Ergebnisse sind
in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
| | Beispiel
1 | Beispiel
2 | Vergleich
NMR (herkömmliche Kohleschwarz-/Siliziumdioxid-/Silikatfüllstoffe |
| Härte | 15
P&J | 18
P&J | 15
P&J |
| Verschleißbeständigkeit (DIN
53516), Volumenminderung | 150
mm3 | 130
mm3 | 300
mm3 |
| Bruchbeständigkeit | 17
MPa | 18
MPa | 17
MPa |
| Längenänderung
bei Bruch | 57% | 89% | 45% |
| Reißfestigkeit
(ASTM D624, Matrize C) | 30
kN/m | 40
kN/m | 30
kN/m |
| Tan
delta (30°C) | 0,13 | 0,16 | 0,16 |
| Tan
delta (90°C) | 0,08 | 0,13 | 0,09 |
| Verbleibende
Kompression (70°C/22h) | 15% | 25% | 10% |
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Die
Härte wurde gemäß ASTM D531 gemessen,
die Bruchbeständigkeit und die Längenänderung beim
Bruch wurden beide gemäß ASTM D412 gemessen, tanδ (30°C,
90°C) wurde mit einem DMTA („single cantilever
mode") gemessen und die verbleibende Kompression wurde gemäß ASTM
D395 gemessen.
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Es
ist aus der Tabelle ersichtlich, dass überlegene Verschleißbeständigkeit
wie auch gleiche oder besser andere mechanische Eigenschaften mit
Zusammensetzungen der Erfindung verglichen mit Zusammensetzungen
des Stands der Technik gleicher Härtestufe erreicht werden.
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Zusammenfassung
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Ein
elastischer Walzenüberzug zum Herstellen oder Finishing
eines Faserstoffbahnmaterials ist beschrieben, welcher wenigstens
eine Schicht einer Gummimischung umfasst, wobei die wenigstens eine Schicht
einer Gummimischung synthetisches Faserpolymer in Pulverform beinhaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6328681 [0007]
- - US 6918865 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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