DE4243721A1 - Electro-erosive micro perforation of highly porous filter paper line - carried out so that paper lines are forced to undergo additional electro-erosive micro perforations to increase air and/or water permeability to reach desired value - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 2 sowie deren Vorrichtung nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 3 der elektro-erosiven Mikroperfora­ tion, durch die hochporöse Filterpapiere direkt oder indirekt nach der Herstellung so perforiert werden, daß die zuvor im Bahn­ material enthaltenen Luft- und/oder Wasserdurchlässigkeitsschwan­ kungen kompensiert und am gewünschten Sollwert mit sehr kleiner Schwankungsbreite verbleiben.

Unter dem Begriff "hochporöse Filterpapiere" werden elektrisch nichtleitende Bahnmaterialien wie: Verpackungs-, Kaffeefilter-, Teefilter-, Zigaretten-, Mundstückbelagpapiere, Vliese, Tissues und Texilgewebebahnen verstanden, welche schon bei der Herstel­ lung oder Veredelung eine Basis-Luft- oder Wasserdurchlässigkeit aufweisen.

Die bei der Herstellung durch strukturelle Materialänderungen oder bei einer späteren Veredelung erzeugten Basisluft- oder Was­ serdurchlässigkeiten sind im Sinne dieser Erfindung als "hochpo­ rös" anzusehen, wenn deren physikalisches Maß der Porosität grö­ ßer ist als 10 Ltr./m²/sek.-20 mmWS nach dem Frankmeßprinzip oder respektive 114 C.U. bei 1 cm²/min/cm²-100 mmWS nach Coresta. Zur weiteren Vereinfachung wird im weiteren der Begriff "Porosität" als physikalisches Maß zur zugeordneten Luft- und Wasserdurchläs­ sigkeit benutzt.

Filterpapierbahnen der o. g. Art, die für verschiedene Anwendungen relativ hohe Porositäten im Bereich von 10-2000 Ltr./m²/sek./20 mmWS nach dem Frankmeßsystem und respektive 114-22 800 C.U. bei 1cm³/min/cm²/100 mmWS nach Coresta aufweisen müssen, werden vor­ zugsweise auf der Basis von hochporösen Bahnmaterialien herge­ stellt. Das hierbei sowohl in Bahnlaufrichtung wie auch in der Bahnbreite unerwünschte Schwankungen in deren Porosität auftre­ ten, ist auch von anderen Herstellungsverfahren dieser Art allge­ mein bekannt. Ein gewünschter Stellgrößeneingriff ist bei lau­ fendem Prozeß meist sehr schwierig oder gänzlich unmöglich, wenn kein geeignetes on-line Porositätsmeßsystem zur Verfügung steht oder aufgrund der relativ langen Totzeit zwischen der Papierher­ stellungsmaschine und Meßeinrichtung eine kurzzeitige Nachrege­ lung nicht erreichbar ist. Daher wird nach Produktionsrollenbeen­ digung eine anschließende statische Messung der Porosität vorge­ nommen. Wie auch bei anderen Verfahrenstechniken dieser Art, ist dann das Material auf der Rolle hergestellt und Abweichungen vom gewünschten Sollwertniveau bereits im Produkt enthalten.

Dies ist natürlich ein quanti- wie auch qualitativ signifikanter Nachteil in der produktionellen Praxis bei der Herstellung und Veredelung von hochporösen Filterpapierbahnen.

Es sind Mikroperforationsverfahren bekannt, mit denen flächen- oder zonenförmige Perforationen in die Bahnmaterialien einge­ bracht werden können. Unter elektro-erosiver Mikroperforation sind hierbei statistisch unregelmäßig verteilte, in der Größe variierende Löcher oder Lochreihen verschiedenster Anordnung zu­ verstehen, die mittels elektrischer Funkenentladungen einbringbar sind.

Die nach außen nicht sichtbaren Perforationen, welche vorwiegend zur zusätzlichen Gasventilation der Materialbahnen benötigt wer­ den, z. B. zur Schadstoffreduktion, Luftentweichung bei der Verfül­ lung, Belüftungen für Bekleidungseinlagen, wasserdampfdurchlässi­ gen Abdeckungen, hard- und softstructures usw., und können flä­ chen-, zonen- wie auch linienförmig und in beliebigen Abständen innerhalb der Bahnen verteilt sein, wobei die erzielbaren Loch­ größen 10-150 µm betragen. Flächenperforationen ermöglichen Loch­ dichten mit bis zu 2 Mill. Poren pro m² und Zonenanordnungen mit Breiten von 2-13 mm können bis zu 300 Löcher/cm² generieren, ohne daß die materialspezifischen Eigenschaften wie, Faserstruktur, Festigkeit, Aussehen oder Einfärbung in irgendeiner Weise beein­ trächtigt werden.

Aus der EP 00 36 630 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, daß zwei Bahnen gleichzeitig innerhalb des Funkenstreckenspaltes per­ foriert. Desweiteren zeigt das Verfahren in der EP 00 07 488 ver­ schiedene Flächenperforationsmöglichkeiten für Kunststoffbahnen auf. Ein weiteres Verfahren zur direkten Mikroperforation von Zonen in schmalen Zigarettenmundstückbelagpapieren, welche mit einer on-line Meßeinrichtung auch in deren Intensität nachgere­ gelt, ist der EP 00 56 223 zuentnehmen.

Alle genannten Verfahren haben die grundsätzliche Gemeinsamkeit, daß die Bahnmaterialien vor der Veredelung durch den Mikroperfo­ rationsprozeß keinerlei Basisporosität im Sinne der Erfindung, aufweisen bzw. hierduch erhöht oder aufgezwungen werden sollen.

Nach dem bisherigen Stand der Technik werden die Filterpapier­ bahnen nicht fremdperforiert, da die hohen Porositäten nach den bisherigen Perforationsmethoden im Bereich von 50-2000 Coresta und Bahngeschwindigkeiten bis zu 400 m/min bei Bahnbreiten bis zu 2000 mm einen erheblichen technischen Aufwand erfordern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit der es möglich ist, die bei der Herstellung von hochporösen Filterpapierbahnen entstehenden Porositätsschwankungen durch eine zusätzliche elektro-erosive Mi­ kroperforation und on-line Messung so zureduzieren, daß ein ge­ wünschtes Sollwertniveau, sowohl in der Bahnlänge wie auch in deren Breite, mit sehr geringen Toleranzen einhaltbar ist.

Diese Aufgabe wird in erfindungsgemäßer Weise bei einem Verfahren und Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das hochporöse Bahnmaterial direkt an der Papierherstellungsma­ schine oder indirekt bei deren Weiterverarbeitung z. B. an einer Rollenschneidmaschine, elektro-erosiv flächen-, zonen- oder li­ nienhaft mikroperforiert wird und anschließend im optoelektroni­ schen on-line Prozeß deren zugeordnete Porosität gemessen und über einen Regelkreis als Stellgröße der Mikroperforationsein­ richtung wieder zurückgeführt wird.

Hierdurch ist eine Kompensation der im hochporösen Basismaterial enthaltenen Porositätsschwankungen über die dem Herstellungspro­ zeß direkt oder indirekt nachgeschalteten Mikroperforationsein­ richtung erreichbar und temporär dem vorgegebenen Sollwertniveau bei extrem kleiner Totzeit und damit verbundener hoher Regelgüte angleichbar.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung und Diagramme näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht der Mikroperforationsanlage mit der on- line Porositätsmeßeinrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm der Porositätsschwankung in Laufrichtung des hochporösen und ohne Mikroperforation versehenen Filterpa­ pierbahn,

Fig. 3 desgleichen die Diagrammabbildung der Porositätsschwankung über die Bahnbreite,

Fig. 4 das Diagramm gemäß der Darstellung nach Fig. 2 und kompen­ sierter Mikroperforation in Bahnlaufrichtung,

Fig. 5 analog zu Fig. 3, das Diagramm mit kompensierter Mikroper­ foration über die Bahnbreite.

Wie in Fig. 1 ausgeführt, ist der Filterpapierherstellungsma­ schine 1 eine Mikroperforationseinrichtung 2 direkt nachgeschal­ tet und die Filterpapierbahn 3 durch diese hindurch geführt. Die Mikroperforationseinrichtung beinhaltet hierbei die signifikanten Komponenten zur Aufnahme der Perforationsleistungsteile 4 und Hochspannungstrafos 5. Im eigentlichen Perforationsraum 7 befin­ den sich die über die Bahnbreite nebeneinander angeordneten und in Bahnlaufrichtung verschränkten Elektrodenpaare 8 einschließ­ lich deren Luftabsaugschächte 9. Zur Maschineneinrichtung und Bahneinzug ist der rechte Stationsteil 4 hydraulisch auseinander­ fahrbar und über einen Laufsteg 6 begehbar.

Unmittelbar hinter der Mikroperforationseinrichtung 2 ist eine über die gesamte Bahnbreite traversierende oder stationär durch­ gehende, optische Porositätsmeßeinrichtung mit deren Lichtquel­ lenvorrichtung 10 und Detektoren 11 angeordnet. Die hochporöse Filterpapierbahn 3 durchläuft den Elektrodenspalt der Mikroperfo­ rationsanlage, wird dort zusätzlich perforiert, mit der nachge­ schalteten Porositätsmeßeinrichtung 10/11 deren Gesamtporosität 17 gemessen und die Bahn von der Aufwicklung 12 aufgerollt. Der gesamte Mikroperforationsblock ist somit in vorteilhafter Weise in einer bestehenden Filterpapierherstellungsmaschine 1 zwischen dem Bahnauslauf und der Aufwicklung, oder bei einer Rollen­ schneidmaschine vor dem eigentlichen Schneidvorgang, einfügbar.

In der produktionellen Praxis treten bei der Herstellung von hochporösen Filterpapieren unterschiedlich ausgeprägte Porosi­ tätsschwankungen auf, wie sie in den Diagrammen der Fig. 2 und 3 zuersehen sind. Die Porositätsistwerte 14 weichen hierbei bis zu 20% vom vorgegebenen Porositätssollwert 13 sowohl in der Pro­ duktionslaufrichtung, wie in Fig. 2 ausgeführt, wie auch in deren Bahnbreite gemäß Fig. 3. Deren maximalen Porositätswerte nach unten 16 und oben 15 representieren hierbei den gesamten Schwan­ kungsbereich.

Mit dem Verfahren gemäß dem Oberanspruch 1 und 2 sowie deren Vor­ richtung gemäß dem Oberanspruch 3 wird das Filterpapier in der bisherigen Weise hochporös, aber mit einem aus der produktionel­ len Praxis bekannten Schwankungsbereich von z. B. 20% niedrigem Niveau 14 unterhalb des gewünschten Sollwertes 13 herstellbar, wie es in Fig. 4 über die Bahnlänge dargestellt ist. Die unmit­ telbar nachgeschaltete elektro-erosive Mikroperforationseinrich­ tung 2 hat dann nur noch den zuerwartenden Schwankungsbereich von z. B. 20% plus 5% Reserveleistung, hier mit 18 und 19 gekenn­ zeichnet, in die laufende Filterpapierbahn 3 zur Sollwertanglei­ chung 13 einzubringen. In der Fig. 5 sind diese Verhältnisse über die Bahnbreite wiedergegeben.

Die mittels der optischen on-line Porositätsmeßeinrichtung 10 und 11 detektierten und über die Mikroperforationseinrichtung 2 akku­ muliert nachgeregelten Gesamtporosität 17 ist damit in sehr engen Toleranzgrenzen, wobei 21 die Unter- und 20 deren Obergrenze mar­ kiert, zuhalten. Die praktischen Messungen weisen hierzu durchweg Relativreduktionen unter 4% gegenüber der eigentlichen Porosi­ tätsschwankungsbreite des Filterpapierbasismateriales von 20% und mehr auf.

Zur Darstellungsvereinfachung ist die Einrichtung zur Porositäts­ meßwertaufarbeitung und Regelung zeichnungstechnisch nicht weiter ausgeführt, da deren Arbeitsweise als Verständnis des Verfahrens­ prozesses vorausgesetzt wird.

Es ist leicht einzusehen, daß die Mikroperforationseinrichtung 2 für dieses Verfahren mit einem viel geringerem technischen Auf­ wand und auch nur, wie in diesem Beispiel gezeigt, für eine 25%ige Perforationsleistung des Gesamtporositätsgrades 17 unter Beibehaltung der durch die Filterpapierherstellungs- oder Rollen­ schneidmaschine vorgegebene Bahngeschwindigkeit ausgelegt, er­ stellt und betrieben werden kann. Dies ist natürlich ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens und deren Vorrichtung.

Desweiteren sind die auf optischen Wege sowohl in Bahnlauf- wie auch in deren Querrichtung on-line detektierten Gesamtporositäts­ istwerte 17 mit einem Stellgrößeneingriff in die Pulsweitensteu­ erung und der damit verbundenen Lochgrößenvariation in die Mi­ kroperforationseinrichtung 2 zum eigentlichen Sollwertangleich 13 relativ einfach konvertierbar. Das optoelektronische Porositäts­ meßsystem 10 und 11 ist dabei traversierend oder stationär sowie bahnbreitenabdeckend ausgeführt und arbeitet auf der Basis der optischen Transmission und implementierter Streulichtdetektion zur automatischen Echtzeit-Kompensierung der materialspezifischen Eigenschaften aller eingesetzten Filterpapiersorten. Dabei ist immer sichergestellt, daß Strukturunterschiede, Materialdichte, Dicke, Einfärbung, Farbaufträge, Faserung, Porigkeit, Art und Ausführung der Mikroperforationen in den Filterpapierbahnen kei­ nen Einfluß auf die detektierte Porosität und deren vorherige Zuordnung zur Luft- und/oder Wasserdurchlässigkeit haben.

Claims (3)

1. Verfahren zur elektro-erosiven Mikroperforation von hochporö­ sen Filterpapierbahnen, gekennzeichnet durch folgende Verfah­ rensausführungen:

• 1. daß hochporöse Filterpapierbahnen eine zusätzliche elektro- erosive Mikroperforation zur Luft- und/oder Wasserdurchläs­ sigkeitserhöhung und Erreichung des gewünschten Sollwertes aufgezwungen werden;
• 2. die Luft- und/oder Wasserdurchlässigkeitserhöhung zur Kom­ pensation der im Basismaterial enthaltenen Porositätsschwan­ kungen dient;
• 3. und mit dieser Kompensation ein Angleich hoher Regelgüte zum gewünschten Luft- und/oder Wasserdurchlässigkeitssollwert herbeigeführt wird;
• 4. deren Angleich sowohl in Bahnlaufrichtung wie auch in der Bahnbreite erfolgt;
• 5. eine dem Prozeß nachgeschaltete optische on-line Meßein­ richtung die Gesamtporosität erfaßt und im geschlossenen Re­ gelkreis als Stellgröße auf die Mikroperforationseinrichtung zurückwirkt;
• 6. die Stellgröße eine selektive Pulsweitenverstellung und eine damit verbundenen Lochgrößenvariation über die gesamte Bahnbreite erfolgt;
• 7. der relativ große Stellgrößenbereich der Mikroperforations­ einrichtung für die Luft- und/oder Wasserdurchlässigkeit mit einer synchronen oder asynchronen Kopplung zur Filterpapier­ bahngeschwindigkeit verbunden ist;
• 8. die zusätzliche elektro-erosive Mikroperforation flächen-, zonen- oder linienförmig ausgebildet sein kann;
• 9. die Filterpapierbahn zur Mikroperforation senkrecht durch deren Einrichtung geführt wird;
• 10. die hochporösen Filterpapierbahnen um einen dem Schwan­ kungsbereich des Basismateriales niedrigem Sollwert der Luft- und/oder Wasserdurchlässigkeit hergestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlich aufgezwungene elektro-erosive Mikroperforation:

• 1. direkt bei der Herstellung von hochporösen Filterpapier­ bahnen an der Papierherstellungsmaschine erfolgt;
• 2. bei der anschließenden Filterpapierbahnweiterverarbeitung an einer Rollenschneidmaschine ausgeführt wird;
• 3. bei der Filterpapierveredelung an einer Druckmaschine stattfindet;
• 4. bei der Filterpapierweiterverarbeitung an einer Umwickel- oder Schneidmaschine durchgeführt wird.

3. Vorrichtung zur elektro-erosiven Mikroperforation von hochpo­ rösen Filterpapierbahnen, deren Mikroperforationseinrichtung keine eigenständigen Auf- und Abwickelsysteme hat, und durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

• 1. eine über die gesamte Bahnbreite mit verschränkten Elektro­ denpaaren ausgeführte Mikroperforationseinrichtung (2), die in den laufenden Fertigungsprozeß bei der Herstellung, Ver­ edelung oder Weiterverarbeitung der Filterpapierbahnen funk­ tional direkt eingebunden und auch räumlich integriert ist;
• 2. daß der Mikroperforationseinrichtung (2) ein über die Bahnbreite geführtes, optisches Porositätsmeßsystem (10/11) zur Messung der Gesamtluft- und/oder Wasserdurchlässigkeit direkt nachgeschaltet ist;
• 3. die senkrecht stehende Mikroperforationseinrichtung (2) auf einer Seite (4) auseinanderfahrbar ist.