DE4243721C2 - Verfahren und Vorrichtung zur elektroerosiven Mikroperforation von hochporösen Filterpapieren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 2 der elektro­ erosiven Mikroperforation, durch die hochporöse Filterpapiere direkt oder indirekt nach der Herstellung so perforiert werden, daß die zuvor im Bahnmaterial enthalte­ nen Luft- und/oder Wasserdurchlässigkeitsschwankungen kompensiert werden und am gewünschten Sollwert mit sehr kleiner Schwankungsbreite verbleiben.

Unter dem Begriff "hochporöse Filterpapiere" werden elektrisch nichtleitende Bahn­ materialien wie: Verpackungs-, Kaffeefilter-, Teefilter-, Zigaretten-, Mund­ stückbelagpapiere, Vliese, Tissues und Textilgewebebahnen verstanden, welche schon bei der Herstellung oder Veredelung eine Basis-Luft- oder Wasserdurchlässig­ keit aufweisen.

Die bei der Herstellung durch strukturelle Materialänderungen oder bei einer späteren Veredelung erzeugten Basis-Luft- oder Wasserdurchlässigkeiten sind im Sinne dieser Erfindung als "hochporös" anzusehen, wenn deren physikalisches Maß der Porosität größer ist als 10 l/m².s bei 20 mmWS nach dem Frank-Meßprinzip oder respektive 114 C. U. (Coresta Units) bei 1 ml/min.cm² bei 100 mmWS nach Coresta. Zur weiteren Vereinfachung wird im weiteren der Begriff "Porosität" als physikalisches Maß zur zugeordneten Luft- und Wasserdurchlässigkeit benutzt.

Filterpapierbahnen der o. g. Art, die für verschiedene Anwendungen relativ hohe Po­ rositäten im Bereich von 10-2000 l/m².s bei mmWS nach dem Frank-Meßsystem und respektive 114-22800 C. U. bei 1 ml/min.cm² bei 100 mmWS nach Coresta aufweisen müssen, werden vorzugsweise auf der Basis von hochporösen Bahnmaterialien her­ gestellt. Daß hierbei sowohl in Bahnlaufrichtung wie auch in der Bahnbreite uner­ wünschte Schwankungen in deren Porosität auftreten, ist auch von anderen Herstel­ lungsverfahren dieser Art allgemein bekannt. Ein gewünschter Stellgrößeneingriff ist bei laufendem Prozeß meist sehr schwierig oder gänzlich unmöglich, wenn kein ge­ eignetes on-line Porositätsmeßsystem zur Verfügung steht oder aufgrund der relativ langen Totzeit zwischen der Papierherstellungsmaschine und Meßeinrichtung eine kurzzeitige Nachregelung nicht erreichbar ist. Daher wird nach Produktionsrollen­ beendigung eine anschließende statische Messung der Porosität vorgenommen. Wie auch bei anderen Verfahrenstechniken dieser Art, ist darin das Material auf der Rolle hergestellt und Abweichungen vom gewünschten Sollwertniveau bereits im Produkt enthalten.

Dies ist natürlich ein quantitativ wie auch qualitativ signifikanter Nachteil in der pro­ duktionellen Praxis bei der Herstellung und Veredelung von hochporösen Filterpa­ pierbahnen.

Es sind Mikroperforationsverfahren bekannt, mit denen flächen- oder zonenförmige Perforationen in die Bahnmaterialien eingebracht werden können. Unter elektro-ero­ siver Mikroperforation sind hierbei statistisch unregelmäßig verteilte, in der Größe va­ riierende Löcher oder Lochreihen verschiedenster Anordnung zu verstehen, die mit­ tels elektrischer Funkenentladungen einbringbar sind.

Die nach außen nicht sichtbaren Perforationen, welche vorwiegend zur zusätzlichen Gasventilation der Materialbahnen benötigt werden, z. B. zur Schadstoffreduktion, Luftentweichung bei der Verfüllung, Belüftung für Bekleidungseinlagen, wasser­ dampfdurchlässige Abdeckungen, harte und weiche Strukturen usw., können flächen-, zonen- wie auch linienförmig und in beliebigen Abständen innerhalb der Bahnen verteilt sein, wobei die erzielbaren Lochgrößen 10-150 µm betragen. Flächenperfora­ tionen ermöglichen Lochdichten mit bis zu 2 Mill. Poren pro m², und Zonenanord­ nungen 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 beeinträchtigt werden.

Aus der EP 00 36 630 A1 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, das zwei Bahnen gleichzeitig innerhalb des Funkenstreckenspaltes perforiert. Desweiteren zeigt das Verfahren in der EP 00 07 488 A1 verschiedene Flächenperforationsmöglichkeiten für Kunststoffbahnen auf. Ein weiteres Verfahren zur direkten Mikroperforation von. Zo­ nen in schmalen Zigarettenmundstückbelagpapieren, welche mit einer on-line Meßeinrichtung auch in deren Intensität nachgeregelt wird, ist der EP 00 56223 A2 zu­ entnehmen.

Alle genannten Verfahren haben die grundsätzliche Gemeinsamkeit, daß die Bahn­ materialien vor der Veredelung durch den Mikroperforationsprozeß keinerlei Basispo­ rosität im Sinne der Erfindung aufweisen bzw. hierdurch erhöht oder aufgezwungen werden sollen.

Nach dem bisherigen Stand der Technik werden die Filterpapierbahnen nicht fremd­ perforiert, 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.

Gegenstand der DE 28 33 527 A1 ist eine Vorrichtung zum Perforieren einer sich bewegenden Bahn aus Mundstückpapier. Diese Vorrichtung umfaßt eine Elektroden­ anordnung, gebildet aus einer sich über die gesamte Breite der Papierbahn erstrec­ kenden Reihe von parallel zueinander und senkrecht zur Fläche der Bahn angeord­ neten Nadelelektroden und einer länglichen Gegenelektrode in Form eines Stabes, die auf der anderen Seite des Papiers, ausgerichtet zur Reihe der Nadelelektroden angeordnet ist. Diese Elektrodenanordnung bildet die eigentliche Mikroperforations­ einrichtung. Der Mikroperforationseinrichtung in Bahnlaufrichtung nachgeordnet ist eine pneumatisch arbeitende Porositätsüberwachungsvorrichtung. Zwischen der Po­ rositätsüberwachungsvorrichtung und der Mikroperforationseinrichtung besteht eine Rückkopplung. Bei der aus der DE 28 33 527 A1 bekannten Vorrichtung ist die Mi­ kroperforationseinrichtung an einer Filteransetzmaschine angebracht. Mit Hilfe der Porositätsüberwachungsvorrichtung wird hier allerdings nicht die Porosität der Filter­ bahn alleine bestimmt, sondern die durchschnittliche Gesamtporosität von Filterpa­ pier und Filterstopfen, wobei die Messungen lediglich an einer Anzahl von ausgeson­ derten Zigaretten durchgeführt wird.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit möglichst geringe Abweichungen der tatsächlichen Porosität des Filterpapiers von einem Sollwert realisierbar sind und ein schnelles Nachregeln des Perforationsvorgangs möglich ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen die bei der Herstellung von hochporösen Filterpapierbahnen entstehenden Po­ rositätsschwankungen durch eine zusätzliche elektro-erosive Mikroperforation und on-line Messung so reduziert werden, daß ein gewünschtes 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 einer Vor­ richtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale mit Kennzeichen ua. des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 2 gelöst. Das hochporöse Bahnmate­ rial wird direkt an der Papierherstellungsmaschine oder indirekt bei deren Weiterverarbei­ tung z. B. an einer Rollenschneidmaschine, elktro-erosiv flächen-, zonen- oder linien­ haft mikroperforiert und anschließend im optoelektronischen on-line Prozeß de­ ren zugeordnete Porosität gemessen und über einen Regelkreis als Stellgröße der Mikroperforationseinrichtung wieder zurückgeführt.

Hierdurch ist eine Kompensation der im hochporösen Basismaterial enthaltenen Po­ rositätsschwankungen über die dem Herstellungsprozeß direkt oder indirekt nachge­ schaltete Mikroperforationseinrichtung 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 Porositätsmeß­ einrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm der Porositätsschwankung in Laufrichtung der hochporösen und ohne Mikroperforation versehenen Filterpapierbahn,

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

Fig. 4 das Diagramm gemäß der Darstellung nach Fig. 2 und kompensierter Mikro­ perforation in Bahnlaufrichtung,

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

Wie in Fig. 1 ausgeführt, ist der Filterpapierherstellungsmaschine 1 eine Mikroperfo­ rationseinrichtung 2 direkt nachgeschaltet und die Filterpapierbahn 3 durch diese hindurchgeführt. Die Mikroperforationseinrichtung 2 beinhaltet hierbei die signifikanten Komponenten zur Aufnahme der Perforationsleistungsteile 4 und Hochspannungs­ trafos 5. Im eigentlichen Perforationsraum 7 befinden sich die über die Bahnbreite nebeneinander angeordneten und in Bahnlaufrichtung verschränkten Elektroden­ paare 8 einschließlich deren Luftabsaugschächten 9. Zur Maschineneinrichtung und zum Bahneinzug ist der rechte Stationsteil 4 hydraulisch auseinanderfahrbar und über einen Laufsteg 6 begehbar.

Unmittelbar hinter der Mikroperforationseinrichtung 2 ist eine über die gesamte Bahnbreite traversierende oder stationär durchgehende, optische Porositätsmeßein­ richtung mit deren Lichtquellenvorrichtung 10 und Detektoren 11 angeordnet. Die hochporöse Filterpapierbahn 3 durchläuft den Elektrodenspalt der Mikroperforations­ anlage, wird dort zusätzlich perforiert, mit der nachgeschalteten Po­ rositätsmeßeinrichtung 10/11 deren Gesamtporosität 17 gemessen und die Bahn 3 von der Aufwicklung 12 aufgerollt. Der gesamte Mikroperforationsblock ist somit in vor­ teilhafter Weise in eine bestehende Filterpapierherstellungsmaschine 1 zwischen dem Bahnauslauf und der Aufwicklung oder bei einer Rollenschneidmaschine vor dem eigentlichen Schneidvorgang einfügbar.

In der produktionellen Praxis treten bei der Herstellung von hochporösen Filterpapie­ ren unterschiedlich ausgeprägte Porositätsschwankungen auf, wie sie in den Dia­ grammen der Fig. 2 und 3 zu ersehen sind. Die Porositäts-Istwerte 14 weichen hier­ bei bis zu 20% vom vorgegebenen Porositäts-Sollwert 13 sowohl in der Produktions­ laufrichtung, wie in Fig. 2 ausgeführt, wie auch in deren Bahnbreite gemäß Fig. 3 ab. Deren maximale Porositätswerte nach unten 16 und oben 15 repräsentieren hierbei den gesamten Schwankungsbereich.

Mit dem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 sowie der Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 2 wird das Filterpapier in der bisherigen Weise hochporös, aber mit einem aus der produktionellen 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 unmittelbar nachgeschaltete elektro­ erosive Mikroperforationseinrichtung 2 hat dann nur noch den zu erwartenden Schwankungsbereich von z. B. 20% plus 5% Reserveleistung, hier mit 18 und 19 ge­ kennzeichnet, in die laufende Filterpapierbahn 3 zur Sollwertangleichung 13 einzu­ bringen. In der Fig. 5 sind diese Verhältnisse über die Bahnbreite wiedergegeben.

Die mittels der optischen on-line Porositätseinrichtung 10 und 11 detektierte und über die Mikroperforationseinrichtung 2 akkumuliert nachgeregelte Gesamtporosität 17 ist damit in sehr engen Toleranzgrenzen, wobei 21 die Unter- und 20 deren Obergrenze markiert, zu halten. Die praktischen Messungen weisen hierzu durchweg Relativ­ reduktionen unter 4% gegenüber der eigentlichen Porositätsschwankungsbreite des Filterpapierbasismateriales von 20% und mehr auf.

Zur Darstellungsvereinfachung ist die Einrichtung zur Porositätsmeßwertaufarbeitung und Regelung zeichnungstechnisch nicht weiter ausgeführt, da deren Arbeitsweise als Verständnis des Verfahrensprozesses vorausgesetzt wird.

Es ist leicht einzusehen, daß die Mikroperforationseinrichtung 2 für dieses Verfahren mit einem viel geringeren technischen Aufwand und auch nur, wie in diesem Beispiel gezeigt, für eine 25%ige Perforationsleistung des Gesamtporositätsgrades 17 unter Beibehaltung der durch die Filterpapierherstellungs- oder Rollenschneidmaschine vorgegebenen Bahngeschwindigkeit ausgelegt, erstellt und betrieben werden kann. Dies ist natürlich ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens und deren Vorrich­ tung.

Desweiteren sind die auf optischem Wege sowohl in Bahnlauf- wie auch in deren Querrichtung on-line detektierten Gesamtporositäts-Istwerte 17 mit einem Stellgrö­ ßeneingriff in die Pulsweitensteuerung und der damit verbundenen Lochgrößenvaria­ tion in die Mikroperforationseinrichtung 2 zum eigentlichen Sollwertangleich 13 relativ einfach konvertierbar. Das optoelektronische Porositätsmeßsystem 10 und 11 ist da­ bei 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 Strukturunter­ schiede, Materialdichte, Dicke, Einfärbung, Farbaufträge, Faserung, Porigkeit, Art und Ausführung der Mikroperforationen in den Filterpapierbahnen keinen Einfluß auf die detektierte Porosität und deren vorherige Zuordnung zur Luft- und/oder Wasser­ durchlässigkeit haben.

Claims (2)

1. Verfahren zur elektro-erosiven Mikroperforation von hochporösen Filterpapier­ bahnen (3), wobei den hochporösen Filterpapierbahnen (3) eine zusätzliche elektro­ erosive Mikroperforation zur Luft- und/oder Wasserdurchlässigkeitserhöhung und Er­ reichung des gewünschten Sollwertes aufgezwungen wird, wobei die elektro-erosive Mikroperforation sowohl in Bahnlaufrichtung wie auch in der Bahnbreite erfolgt, wobei die zusätzliche elektro-erosive Mikroperforation flächen-, zonen- oder linienförmig ausgebildet sein kann, wobei eine dem Prozeß nachgeschaltete on-line Meßeinrich­ tung (10/11) die Gesamtporosität erfaßt und im geschlossenen Regelkreis als Stell­ größe auf die Mikroperforationseinrichtung (2) zurückwirkt, indem die Stellgröße eine selektive Pulsweitenverstellung bewirkt und eine damit verbundene Lochgrößenva­ riation über die gesamte Bahnbreite erfolgt, wobei der relativ große Stellgrößenbe­ reich der Mikroperforationseinrichtung (2) für die Luft- und/oder Wässerdurchlässig­ keit mit einer synchronen oder asynchronen Kopplung zur Filterpapierbahngeschwin­ digkeit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterpapierbahn (3) zur Mikroperforation senkrecht durch die Mikroperforationseinrichtung (2) geführt wird, daß die Meßeinrichtung (10/11) optisch arbeitet und bahnbreitenabdeckend die Po­ rosität der Filterpapierbahn (3) erfaßt und daß die zusätzlich aufgezwungene elektro­ erosive Mikroperforation direkt bei der Herstellung von hochporösen Filterpapierbah­ nen (3) an der Papierherstellungsmaschine (1) erfolgt oder bei der anschließenden Filterpapierbahnweiterverarbeitung an einer Rollenschneidmaschine ausgeführt wird oder bei der Filterpapierveredelung an einer Druckmaschine stattfindet oder bei der Filterpapierweiterverarbeitung an einer Umwickel- oder Schneidmaschine durchge­ führt wird.

2. Vorrichtung zur elektro-erosiven Mikroperforation von hochporösen Filterpa­ pierbahnen, die keine eigenständigen Auf- und Abwickelsysteme hat, mit einer über die gesamte Bahnbreite mit verschränkten Elektrodenpaaren (8) ausgeführten Mikro­ perforationseinrichtung (2) und einem Porositätsmeßsystem (10/11), dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroperforationseinrichtung (2) in den laufenden Fertigungsprozeß bei der Herstellung, Veredelung oder Weiterverarbeitung der Filterpapierbahnen (3) funktional direkt eingebunden und auch räumlich integriert ist, daß das Porositätsmeßsystem (10/11) der Mikroperforationseinrichtung (2) zur Mes­ sung der Gesamtluft- und/oder Wasserdurchlässigkeit direkt nachgeschaltet ist, daß das Porositätsmeßsystem (10/11) optisch arbeitet, wobei es die Bahnbreite traversie­ rend geführt ist, und daß die senkrecht stehende Mikroperforationseinrichtung (2) auf einer Seite (4) auseinanderfahrbar ist.