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Verfahren und Vorrichtung zum Konditionieren von Papier
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oder vergleichbaren Zelluloseprodukten und/oder zum Trocknen von Farben,
Lacken oder Klebern auf derartigen Produkten Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Konditionieren von Papier oder vergleichbaren Zelluloseprodukten,
die insbesondere als Druckträger in der Druckindustrie in Form von Bahnen verwendet
werden (Rollenoffset) sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen von
Farben, Lacken oder Klebern auf diesen Produkten.
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Papier ist ein durch Verfilzung von r lanzlichen Fasern entstandenes
blattartiges Gebilde. Hauptrohstoffe sind Holz, Getreidestroh und Lumpen. Diese
werden durch mechanisches Mahlen in Holzschliff oder durch chemische Aufbereitung
in Zellulose überführt.
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Bei der Gewinnung der Zellulose für die Papierfabrikation müssen die
in den Pflanzenfasern ebenfalls enthaltenen Lignin- und Hemizellulosebestandteile
entfernt
werden. Nach der Entfernung dieser Bestandteile wird die
Zellulose bzw. der Holzschliff in Wasser suspendiert und fein gemahlen. Dann werden
die Hilfsmittel wie Füll-, Farb- und Leimstoffe zugegeben. Sie haben die Aufgabe,
das Papier fester, undurchsichtiger und weißer zu machen. In der Papiermaschine
kommt diese Fasersuspension auf ein endloses, vorwärtsbewegtes Sieb. Das Wasser
fließt ab, und die Fasern verfilzen zu einer gleichmäßigen dünnen Schicht. Den Zusammenhalt
bewirken Wasserstoffbrücken über die OH-Gruppen der Zellulose. Das fertige Papier
wird getrocknet und steht zum Verbrauch bzw. zur Weiterbearbeitung zur Verfügung.
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Papiere aus Holzschliff enthalten noch Lignin-und Hemizellulosen und
vergilben daher rasch. Sie werden hauptsächlich zum Zeitungsdruck verwendet. Papiere
aus reiner Zellulose nennt man "holzfrei".
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Für bestimmte Verwendungszwecke werden höhere Papierqualitäten gefordert.
Will man z.B. für bildscharfe Wiedergabe im Druck eine geschlossene und ebene Oberfläche
des Papiers erreichen, trägt man auf bereits fertiges Papier eine Suspension von
geschlemmten Weißpigmenten und einem Bindemittel ein- oder beidseitig auf. Diese
Aufbereitung nennt man §'Streichen'. Als Pigmente werden z.B. Glanzweiß (Calciumsulfoaluminat),
Titandioxid und Kaolin (Aluminiumsilikat) verwendet.
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Natürliche Bindemittel wie Stärke und Kasein werden immer mehr durch
Kunststoffdispersionen wie Akrylate, Butadien-Styrol-Copolymerisate und Polyvinylacetate
ersetzt, um auch die Wasserfestigkeit des gestrichenen Papiers zu erhöhen. Der Streichauftrag
beträgt pro Seite 2 bis zu 15 g/m . Es werden sowohl holzfreie als auch holzhaltige
Rohpapiere gestrichen.
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Wünscht man für sehr gute Bildwiedergabe ein glänzendes Papier, so
kann das gestrichene Papier in einem besonderen Arbeitsgang satiniert werden. Das
u.U. mehrere Tage gelagerte Papier wird befeuchtet und auf Satinierkalandern zwischen
den hochglänzenden Kalanderwalzen mit Liniendrücken von looo bis 5000 N/cm gepreßt.
Der Glättevorgang ist mit einer Verdichtung der Bahnstruktur verbunden, da die einzelnen
Fasern sich unter der Druckeinwirkung in die Hohlräume des Papiers schieben.
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Durch die Satinage tritt eine geringe Verminderung der Reißfestigkeit
ein.
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Die Zellulose ist sehr hygroskopisch. Abhängig von der Vorbehandlung
der Präparate Und der Temperatur werden bei 60 % relativer Luftfeuchtigkeit 6 bis
1o Gew.-% Wasser aufgenommen. Demgemäß weist Papier in der Regel bei Raumklima (18
bis 220 C, 40 bis 60 % relative Luftfeuchtigkeit) eine Gleichgewichtsfeuchte von
4 bis 6 % auf. Temperaturerhöhungen bedingen eine Erniedrigung des Feuchtigkeitsgehaltes,
Temperaturerniedrigungen einen höheren Feuchtigkeitsgehalt.
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Papier gewährleistet im wesentlichen nur im Raumklima die gewünschten
Eigenschaften wie Geschmeidigkeit, Glanz, Formbeständigkeit usw. Ein niedrigerer
Feuchtigkeitsgehalt erhöht die Steifigkeit der ;eglulosefasern und damit auch die
des Papiers. Beim austrocknen verliert das Papier seine Planlage; es wellt sich
infolge Kontraktion der Zellulosefasern. Bei einer Wiederbefeuchtung bzw. einer
erneuten Feuchtigkeitsaufnahme quellen die Fasern von der Schnittkante her, und
es kommt zu einer Formatzunahme und Randwelligkeit. Man ist daher bestrebt, die
Gleichgewichtsfeuchte für Raumtem-* bei einem Bogenstapel oder dergl.
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peratur bei der Herstellung des Papiers so schnell wie möglich einzustellen
und ggf. während einer bestimmungsgemäßen Weiterverwendung, z.B. als Druckträger
in der Druckindustrie oder ähnlicher Verarbeitung, bei der Temperaturerhöhungen
und/oder Temperaturerniedrigungen sowie unterschiedliche Wasserdampfpartialdrücke
auf das Papier einwirken, aufrecht zu erhalten.
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Die Einstellung des gewünschten Feuchtigkeitsgehaltes im Papier oder
vergleichbaren Zelluloseprodukten kann durch Lagerung bei entsprechenden Bedingungen
erfolgen.
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Dieses Verfahren erfordert viel Zeit. Es ist zudem bekannt, feuchtes
Papier mit Heißluft zu trocknen. Die Heißluft entzieht dem Papier jedoch relativ
unkontrollierbar Feuchtigkeit, so daß sich die oben beschriebenen Nachteile einstellen.
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Es ist daher vorgeschlagen worden (DE-AS 27 59 666), zur Einstellung
der Gleichgewichtsfeuchte bei Raumtemperatur (Konditionierung) Heißdampf mit einer
Temperatur von 0 loo bis 180 C und einem Druck von etwa 1 bar zu verwenden.Dabei
soll sich ein Kondensatfilm auf dem Papier niederschlagen, der bewirken soll, daß
die Papierbahn kurzzeitig Feuchtigkeit aufnimmt, die nach der Verdunstung des Kondensatfilms
wieder entzogen wird, so daß die Papierbahn am Auslauf der Konditioniervorrichtung
die übliche Feuchtigkeit enthält. Dies soll man insbesondere durch ein schnelles
Aufheizen der Papierbahn auf etwa looO C erreichen, wozu der Kondensatfilm dient.
Anschließend soll ein kurzzeitiges Überhitzen bis auf etwa 130° C und ein anschließendes
relativ langsames Abkühlen des Papiers erfolgen. Entsprechend der Temperaturführung
im Papier ist die Temperaturführung im Konditioniermedium einzustellen, wobei es
sich als vor-
teilhaft erwiesen haben soll, Temperaturunterschiede
von 20 bis 60° C zu wählen. Es hat sich gezeigt, daß dieses bekannte Verfahren die
gewünschte Konditionierung zwar ermöglicht, daß aber die Regelung der Feuchtigkeitsaufnahmemenge
schwierig ist und insbesondere der Abkühlungsvorgang sehr lange dauert. Insbesondere
kann das Verfahren versagen, wenn vor der Behandlung des Papiers eine erhebliche
Austrocknung auf z.B. 2 % Feuchtigkeit stattgefunden hat, weil die Feuchtigkeitsaufnahme
in solchen Fällen nicht reversibel ist (Hystereseerscheinungen), d.h. es stellen
sich die gewünschten Eigenschaften des Papiers nicht wieder ein.
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Die Druckindustrie setzt im Offset Druckfarben auf Basis natürlicher
und synthetischer Kunstharze ein. Dabei ist zu unterscheiden, ob dieser im Bogen-,
bzw. Rollenoffset Verwendung finden. Gemeinsam ist beiden Typen die Zusammensetzung
aus Farbpigmenten, Bindemitteln, Zusatzstoffen und Lösungsmitteln. Der unterschiedliche
Rezepturaufbau ist durch die Trocknungsart und den Härtungsmechanismus der Bindemittelkomponenten
bedingt.
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Im Bogendruckbereich läuft die oxidative Polymerisation im wesentlichen
bei Raumtemperatur ab, während im Rollenoffset ein Verdunsten der Lösungsmittel
bei höheren Temperaturen stattfindet.
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Bei Bogenoffsetfarben bestehen die B .Jdemittel in der Regel aus kolophoniummodifizierten
Phenol- und Alkydharzen. Sie sind mit pflanzlichen Ölen ungesättigter Fettsäureglycerinester
modifiziert und können deshalb oxidativ gehärtet werden. Der Trocknungsprozeß kann
durch Zugabe von "nicht trocknenden" Mineralölen beschleunigt werden (Wegschlagen
und Verdunsten). Bei weniger saugfähigem Papier (oxidative Trocknung) liegt
die
Trocknungszeit in der Größenordnung von 30 bis 60 min. Die prinzipiell ähnlich aufgebauten
"Heatset"-Druckfarben für den Rollenoffset enthalten nur einen sehr geringen ungesättigten
Fettsäureesteranteil. Sie härten unter Einwirkung von Hitze durch Verdunstung von
Mineralöl, das ihnen zur Viskositätserniedrigung zugesetzt wird. Es besteht aus
n- und iso-Paraffinkohlenwasserstoffen mit einem Aromatenteil von 1 bis 20 %. Der
Siedepunkt liegt über 200 Grad; der Siedebereich ist relativ eng (ca. 30 Grad).
Diese Farben können in Heißlufttrocknern in etwa o,5 bis 1 Sek. getrocknet werden.
Diese schnelle Trocknung ist in Rollenoffsetmaschinen nötig, weil die Bahn mit Berührung
durch die Walzen geführt werden muß und am Falzapparat nur ein trockenes Druckprodukt
verarbeitet werden kann.
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In den bekannten Trocknern wird das Papier direkt mit Gasflammen beflammt
oder mit Heißluft-Prallstrahlung 0 (15c bis 260 C) beblasen. Dabei sinkt aber auch
der Wassergehalt des Papiers von etwa 5 % auf 2 %. Durch die Austrocknung erhöht
sich die Steifigkeit der Papierfasern, die die Planlage der Seiten in einem Buch
beeinträchtigt. Werden die fertigen Bücher dem Raumklima ausgesetzt, beginnt das
Papier außerdem sich zu wellen. Denn bei der erneuten Feuchtigkeitsaufnahme quellen
die Fasern von der Schnittkante her, und es kommt zu einer Formatzunahme und Randwelligkeit.
Dies kann man vermeiden, wenn die Feuchtigkeit im Papier durch den Trocknungsprozeß
nicht verändert bzw. nur geringfügig abnehmen würde. Um dies zu erreichen, sind
mehrere Wege beschritten worden. In den "Heat-Set"-Farben wurden neue Harze und
niedriger siedende Lösungsmittel eingesetzt. Dadurch wurde eine kürzere Verweilzeit
bzw. eine niedrigere Trocknertemperatur möglich.
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Dieses Verfahren befriedigt nicht, weil solche Farben schon im Farbwerk
zum Eindicken neigen. Darüberhinaus wurden neuartige Druckfarben entwickelt, die
nicht mehr durch Wärme, sondern durch UV-oder Elektronenbestrahlung trocknen. Diese
Verfahren sind relativ teuer.
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Gemäß DE-AS 27 26 222 ist das gleiche Verfahren, wie aus der DE-AS
27 69 666 bekannt, zum Trocknen von Farben, Lacken oder Klebern auf Papier oder
Pappe vorgeschlagen worden. Diesem Verfahren haften aber die gleichen Nachteile
an, die oben im Zusammenhang mit der Auslegeschrift 27 59 666 beschrieben -wurden.
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Es hat sich ferner gezeigt, daß bei der starken Behandlung von gestrichenen
und satinierten Papieren bei Feuchtigkeitsverlusten im Trockner der Glanz des Papiers
oder der Farbe oder dergleichen gemindert wird, zum Teil sogar ganz verloren geht.
Pür eine kontrastreiche Wiedergabe im Vierfarbendruck ist es jedoch erforderlich,
derartige Papiere für den Rollenoffsetdruck zu verwenden.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Konditionieren von Papier oder dergleichen Zelluloseprodukten und/oder Trocknen
von Farben, Lacken oder Klebern auf den Produkten aufzuzeigen, die es ermöglichen,
unter Verwendung von Heißdampf die durch Raumklima (18 bis 220 C, 40 bis 60 % ru
aktive Luftfeuchtigkeit) bedingte Gleichgewicht,leuchte bei der Herstellung von
Papier sehr schnell einzustellen, insbesondere zu erhalten, und zudem die Einwirkung
hoher Temperaturen auf diese Gleichgewichtsfeuchte bei der bestimmungsgemäßen Verwendung
des Papiers, z.B. beim Offsetdruckverfahren, auszuschalten und insbesondere den
Glanz des Papiers zu erhalten und/oder die genannten Beschichtungsprodukte gegebenenfalls
ohne Glanzver-
lust zu trocknen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 8 gelöst.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis
7 und 9 bis 15.
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Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß sich bei der Beaufschlagung
eines Papiers, das die gewünschte Gleichgewichtsfeuchte aufweist oder das einen
höheren Feuchtigkeitsgehalt aufweist als der Ausgleichsfeuchte entspricht, mit reinem
Heißdampf im angegebenen ausgewählten Temperaturbereich bei etwa 1 bar eine Gleichgewichtsfeuchte
einstellt und/oder aufrecht erhalten werden kann, die der bei Temperaturen um 2
0 C und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60 % entspricht, wenn man
dafür sorgt, daß der Heißdampf unmittelbar auf das Substrat einwirken kann. Dieser
Effekt ist unerklärlich. Es gibt derzeit keine Begründung dafür, daß die Gleichgewichtsfeuchte
bei den hohen Temperaturen gleich der Gleichgewichtsfeuchte bei Raumtemperatur ist.
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Die Einstellung der Gleichgewichtsfeuchte erfolgt verblüffend schnell.
Wenn das Papier vor der Behandlung höhere Feuchtigkeitsgehalte aufweist, wird es
sehr schnell auf die Gleichgewichtsfeuchte gebracht, wobei ein weiterer überraschender
Effekt zu verzeichnen ist, nämlich der, daß die Papierqualität und die Papiereigenschaften
nicht beeinträchtigt werden. Hystereseerscheinungen, unerwünschtes Quellen usw.
finden nicht statt.
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Der Glanz des Papiers bleibt erhalten bei einer Herabsetzung der Papierfeuchtigkeit.
Jede Feuchtezunahme ist zu vermeiden, was durch die Wahl der richtigen
Dampftemperatur
gewährleistet werden kann. Die Einwirkung des Heißdampfes findet so schnell statt,
daß die unerwünschten Reaktionen wie Glanzverlust, Quellen usw.
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unterdrückt werden. Ein Papier, das vor der Behandlung Raumtemperatur
und die entsprechende Ausgleichsfeuchte aufweist und unmittelbar mit dem Heißdampf
in Kontakt gebracht wird, behält seine Eigenschaften bei. Bei einem Papier, das
vor der Behandlung Raumtemperatur und einen höheren Feuchtigkeitsgehalt aufweist,
stellt sich die Ausgleichsfeuchte ein, die der bei Raumtemperatur entspricht.
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Voraussetzung dafür ist, daß, wie bereits erwähnt, die Bedingungen
beim Konditionieren so gewählt werden, daß die reine Heißdampfphase mit dem angegebenen
ausgewählten Temperaturbereich unmittelbar auf das Substrat einwirken kann. Insbesondere
muß verhindert werden, daß sich ein Kondensatfilm (Wasserniederschlag) auf dem Substrat
niederschlägt, der die unmittelbare Einwirkung des Heißdampfes auf das Substrat
beeinträchtigt. Dies kann in besonders einfacher Weise gewährleistet werden, wenn
eine Papierbahn verwendet wird, die eine Temperatur von etwa loo C oder eine höhere
Temperatur aufweist. Die Temperatur wird zwechmäßigerweise durch ein kurzzeitiges,
vorzugsweise trockenes Vorwärmen des Papiers erreicht.
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Es ist zwar aus der DE-PS 27 24 32R bekannt, eine bedruckte Papierbahn
zum Trocknen mit einem Medium vorzutrocknen und mit einem anderen Medium weiterzutrocknen.
Als erstes Medium wird in diesem Fall jedoch Heißdampf und als zweites Medium Heißluft
verwendet. Diese Trocknungsweise führt zu den beschriebenen Nachteilen, weil sich
auf der Papierbahn - wie beabsichtigt - ein
Kondensatfilm niederschlägt.
Die Erfindung lehrt dagegen den umgekehrten Weg, nämlich die trockene Vorwärmung
und die anschließende Beaufschlagung mit Heißdampf.
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Zweckmäßig ist nach der erfindungsgemäßen Heißdampfbehandlung, den
Zustand des Papiers in bezug auf die Gleichgewichtsfeuchte "einzufrieren", indem
die Temperatur des Substrats so schnell wie möglich auf Raumtemperatur gebracht
wird, so daß dabei keine merkliche Feuchtigkeitsaufnahme oder -abgabe erfolgt. Man
erreicht dies vorzugsweise durch die kurzzeitige Beeinflussung des Substrats mit
Frischluft im angegebenen Temperaturbereich.
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Die erfindungsgemäße Konditionierung gelingt bei allen Papiersorten.
Streichfarbe und Satinage haben keinen Einfluß. Außerdem gelingt die erfindungsgemäße
Konditionierung auch, wenn das Papier z.B. mit einer Druckfarbe getränkt oder beschichtet
ist. Sofern es sich dabei um eine Druckfarbe handelt, die noch feucht ist und durch
Wärmeeinwirkung (Heat-Set) trocknet, wird gleichzeitig erreicht, daß die Druckfarbe
- wohl ebenfalls bedingt durch die unmittelbare Einwirkung des Heißdampfes - überraschend
schnell trocknet und auch der Glanz der Druckfarbe - sofern vorhanden - erhalten
bleibt. Messungen über den Stoffübergang (bzw. der Diffusionkonstanten) von Lösungsmitteln
in reine Heißluft und in reinen Heißdampf (- im letzteren Fall unter Umgehung der
Kondensation -) haben das verblüffende Ergebnis ergeben, daß unter gleichen Randbedingungen
(Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur usw.) die Verdunstungsgeschwindigkeit des
Lösungsmittels in die reine Heißdampfatmosphäre wesentlich größer ist als in die
reine Heißluftatmosphäre, während der Wassergehalt
im Papier entsprechend
der Sorbtionskurve erhalten bleibt. Dies bedeutet, daß die Erfindung bewirkt, 0
daß die Trocknungstemperatur auf z.B. 110 bis 12o C gesenkt werden kann, wobei die
Papierbahn bei dieser Temperatur Raumklima-Wassergehalt erhält oder beibehält.
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Anhand der Zeichnung, in der schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, abgebildet ist, wird die Erfindung
naher erläutert.
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Die neue Konditionier- bzw. Trocknungsvorrichtung besteht aus dem
Konditioniertunnel 1 mit einer Heißfrischdampfzuführung 2 und einer Abdampfleitung
3, die zu einer Dampfrückgewinnungsanlage (nicht dargestellt) führt.
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Die Papierbahn 4 durchläuft schwebend den Konditioniertunnel 1 in
Pfeilrichtung 5. Über und/oder unter der Papierbahn sind im Konditioniertunnel 1
an sich bekannte Gebläsesysteme mit Gebläsekasten 6 und Düsen 7 angeordnet, die
das Konditioniermedium aus dem Tunnelraum aufnehmen und über die Düsen 7 auf die
Papierbahn 4 leiten, was durch die Pfeile 8 angedeutet wird.
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Wesentlich ist, daß dem KonditioniertuI.nel 1 eine Vorwärmzone 9 in
Form einer Vorwärmkamr.;a 10 vorgeschaltet ist, in der die Papierbahn 4 auf Trmperaturen
von etwa looO C vortemperiert wird. Als Heizmedium kann z.B.
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Heißluft dienen, die durch die Kammer 1o geleitet wird.
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Ferner kann vorgesehen sein, an sich bekannte IR-Strahler 11 zu verwenden.
Geeignet ist jedoch jedes Mittel, das ermöglicht, die Papierbahn in kurzer Zeit
auf die angegebene Temperatur zu erwärmen.
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Zwischen der Kammer 1o und dem Konditioniertunnel 1 ist lediglich
ein schmaler Schlitz 12 zur Durchleitung der Papierbahn 4 vorgesehen. Ebenso befindet
sich einlaufseitig in der Wandung der Kammer lo nur ein schmaler Schlitz 13. Die
Schlitze 12 und 13 können mit Drosselventilen (nicht dargestellt) ausgerüstet sein,
die verhindern, daß Luft in den Konditioniertunnel 1 aus der Kammer lo strömen kann.
Man kann aber auch die Druckverhältnisse in der Kammer lo und dem Tunnel 1 so wählen,
daß im Tunnel 1 ein geringer Überdruck herrscht, so daß keine Luft aus der Kammer
1o überströmen kann.
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Die Kammer 10 kann eine Ableitung 14 aufweisen, aus der die Atmosphäre
der Kammer entweichen und entzogen werden kann.
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Am der Kammer 1o gegenüberliegenden Ende des Tunnels 1 ist eine Kühlzone
15 in Form einer Kühlkammer 16 nachgeschaltet. Die Kühlkammer 16 weist einen Eingangsschlitz
17 und einen Auslaßschlitz 18 zur Durchführung der Papierbahn 4 auf. Ferner können
Mittel (nicht dargestellt) vorgesehen sein, ein Kühlmittel einzuführen und über
die Ableitung 19 abzuführen. Die Einführung des Kühlmittels kann aber auch durch
den Schlitz 18 erfolgen. Die Druckverhältnisse zwischen Tunnel 1 und Kammer 16 werden
ebenso oder ähnlich gewählt wie zwischen Kammer 1o und Tunnel 1, damit keine Luft
aus der Kammer 16 in den Tunnel 1 gelangen kann, so daß im Tunnel 1 erfindungsgemäß
eine reine Heißdampfatmosphäre wirken kann. Die Abschottung der Kammer 1o und 16
zum Tunnel 1 kann selbstverständlich auch auf andere Weise erfolgen, sofern sie
die erfindungsgemäßen Bedingungen im Tunnel 1 erfüllt.