EP1041198B1 - Elastische Walze und Verfahren zum Herstellen einer solchen - Google Patents

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EP1041198B1
EP1041198B1 EP00105583A EP00105583A EP1041198B1 EP 1041198 B1 EP1041198 B1 EP 1041198B1 EP 00105583 A EP00105583 A EP 00105583A EP 00105583 A EP00105583 A EP 00105583A EP 1041198 B1 EP1041198 B1 EP 1041198B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
fibre
roll
matrix material
fibres
Prior art date
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Application number
EP00105583A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1041198B2 (de
EP1041198A1 (de
Inventor
Carsten Sohl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Paper Patent GmbH
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Publication date
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Application filed by Voith Paper Patent GmbH filed Critical Voith Paper Patent GmbH
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Application granted granted Critical
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
    • D21G1/00—Calenders; Smoothing apparatus
    • D21G1/02—Rolls; Their bearings
    • D21G1/0233—Soft rolls

Definitions

  • the present invention relates to a roll, in particular for smoothing paper webs, comprising a hard roll core, in particular made of metal, which is provided on its outside with an elastic covering layer consisting of an elastic matrix material and fibers embedded in the matrix material. Furthermore, the invention is directed to a method for producing such a roller.
  • Elastic rolls of this type are used, for example, in the calendering of paper webs.
  • an elastic roller together with a hard roller forms a press nip through which the paper web to be processed is passed.
  • the hard roller has an existing example of steel or chilled casting very smooth surface and is responsible for the smoothing of their facing side of the paper web, acting on the opposite side of the paper web elastic roller causes a homogenization and densification of the paper web in Preßnip.
  • the elasticity of this second roller thus prevents excessive compaction of the paper web, which would lead to a greasy appearance of the paper web.
  • the order of magnitude of the rolls is in lengths of 6 to 12 m or diameters of 800 to 1500 mm. They withstand line forces of up to 600 N / mm and compressive stresses of up to 50 N / mm 2 .
  • the plastics commonly used for the coating have a significantly higher coefficient of thermal expansion than the steel rollers or chill rolls commonly used, so that a high temperature increase axial stresses between the steel roller or chill roller and the associated plastic coating occur.
  • hot spots may occur at which detachment or even bursting of the plastic layer takes place.
  • a roller with a hard roller core is known, which is provided on its outside with an elastic cover layer.
  • the elastic cover layer consists of a plurality of layers, wherein in each case an unreinforced layer alternately follows a fiber-reinforced layer.
  • roller of the relevant part of the task is achieved by the features of claim 1.
  • a corresponding method according to the invention is specified in claim 8.
  • the reference layer has a thermal expansion coefficient, which is also different according to the fiber content in the radial direction from the inside out. Since usually the matrix material has a significantly higher coefficient of thermal expansion than the fiber material used, the respective resulting coefficient of thermal expansion of the fiber-interspersed matrix material thus depends both on the thermal expansion coefficient of the matrix material and that of the fibers. The more fibers in embedded in the matrix material, the more the resulting coefficient of thermal expansion equals the thermal expansion coefficient of the fibers used.
  • the fiber content in the radially outward regions of the cover layer must be chosen to be lower, otherwise the surface of the roller would be too hard and unsuitable for santinage.
  • the fiber content is substantially in the radially outward region of the cover layer equals zero. This ensures that the surface of the roller is as elastic as possible and after a corresponding Abschleifvorgang has a very smooth surface, since the fibers present in the reference layer do not reach to the surface of the cover layer. Furthermore, it is ensured in this way that the surface of the roller can be reground after a certain period of time, without the fibers present in the matrix material after the grinding process at the surface of the cover layer emerge from this and thereby reduce the smoothness of the surface.
  • the nip width can also be set as required. Since, in a roller with a very elastic coating, the hard counter-roller presses more deeply into the soft covering of the elastic roller, the width of the nip in the direction of travel of the paper web becomes greater the more elastic the outside of the covering layer of the elastic roller is. Thus, by setting a certain fiber content profile and in particular a certain fiber content at the surface of the reference layer, a desired nip width can be generated.
  • the cover layer comprises a radially outer functional layer and a radially inner connecting layer for connecting the functional layer to the roller core.
  • the bonding layer may consist of an elastic matrix material and fibers embedded in the matrix material, wherein preferably the matrix material of the bonding layer and the functional layer of the same material and in particular also the fibers of the bonding layer and the functional layer consist of the same fiber material.
  • the matrix material of the bonding layer in fiber bundles or so-called fiber rovings, ie in flat slivers, each comprising fibers of the same type, wound on the roll core, while the fibers of the functional layer can be wound, for example in the form of a nonwoven fabric on the bonding layer.
  • the fiber content of the bonding layer is higher than the fiber content of the functional layer, since in this way the bonding layer is fiber-dominated and the coefficient of thermal expansion of the bonding layer is determined primarily by the thermal expansion coefficient of the fibers. Thereby, the resulting coefficient of thermal expansion of the bonding layer can be adjusted to the thermal expansion coefficient of the roll core.
  • the fibers are radially distributed substantially uniformly over the bonding layer, wherein in particular the fiber content of the bonding layer varies radially from the inside to the outside, preferably decreases.
  • the functional layer is achieved in that the longitudinal stresses occurring in the event of heating uniformly over the radial Extension of the reference layer is distributed and thus occur at any point longitudinal stresses that lead to a violation of the reference layer.
  • the fiber content of the connecting layer in its radially outer region is substantially the same as the fiber content of the functional layer in its radially inner region.
  • a continuous transition between the connection layer and the functional layer is created with respect to the thermal expansion, so that a voltage-optimized connection is also created in this transition region.
  • the fibers are arranged in radially spaced-apart fiber layers, wherein in particular the distance between radially outer adjacent fiber layers is greater than the distance between radially inner fiber layers.
  • the fiber content of the connecting layer is preferably about 40 to 70% by volume, in particular about 50 to 60% by volume, preferably about 55% by volume.
  • the fiber content of the bonding layer determines both its stiffness, thermal conductivity and the coefficient of overall expansion.
  • a high thermal conductivity of the connecting layer is achieved by the relatively high fiber content, so that the heat of overheating points occurring during operation can be quickly discharged axially outwards, so that hot spots are prevented.
  • the fiber content of the functional layer is preferably about 5 to 20% by volume, in particular 8 to 12% by volume. Due to the reduced fiber content of the functional layer receives a lower stiffness than the tie layer, as required for the homogenization and densification of the treated paper web in the calendering. If, due to the reduced fiber content, the thermal expansion coefficient of the functional layer becomes too large, this can be reduced by an appropriate addition of fillers into the matrix material of the functional layer.
  • Fig. 1 shows a part of a longitudinally cut, for example made of steel roller core 1, which is provided on its outside with an elastic cover layer 2 also shown cut.
  • the cover layer 2 consists of an elastic matrix material 3, in particular a resin / hardener combination, in which a plurality of fibers 4 are embedded.
  • the fibers 4 may be, for example, carbon fibers or glass fibers or a mixture of carbon and glass fibers.
  • the rigidity of the reference layer 2 is increased compared to a reference layer made of pure plastic and at the same time, especially when using carbon fibers, the thermal conductivity is improved.
  • the fiber content in the radially inner region 5 of the cover layer 2 is markedly higher than in its radially outward region 6. This ensures that the cover layer 2 is more elastic in its radially outward region 6 than in its radially outer region 6 radially inner region 5, so that, for example, during the interaction of the elastic roller with a hard roller, this hard roller presses relatively far into the elastic outer surface of the reference layer 2, whereby a circumferentially long press nip is formed.
  • the thermal expansion coefficient of the cover layer 2 is also significantly influenced by the fibers 4. Since the metallic roll core 1 usually has a significantly lower coefficient of thermal expansion than the matrix material 3, the matrix material 3 expands significantly more than the roll core 1 with a corresponding heating in the axial direction. By adding the fibers 4, their coefficient of thermal expansion is of the order of magnitude of the thermal expansion coefficient of the roll core 1, it is achieved that in the region 5 of the reference layer 2, which has a high fiber content, the resulting coefficient of thermal expansion is similar to that of the roll core 1. As a result, with a corresponding heating, the region 5 expands in the axial direction by a similar value as the roller core 1, so that axially occurring longitudinal stresses are largely avoided.
  • the substantially continuously radially outwardly decreasing fiber content within the cover layer 2 ensures that even within the cover layer 2 the longitudinal stresses occurring during heating in the course radially outwards each have only low values that can be absorbed by the elasticity of the matrix material 3 ,
  • the fibers 4 are shown schematically within the matrix material 3 as fiber layers 7 extending substantially concentrically with the roll core 1.
  • the fiber layers 7 can be produced, for example, by winding fiber rovings onto the roll core 1, wherein a plurality of winding processes are carried out to form the cover layer 2 in order to produce a plurality of fiber layers 7.
  • the fibers or fiber rovings Before being wound, the fibers or fiber rovings can be subjected to matrix material 3 in the liquid state, for example by being drawn through a matrix bath. However, it is also possible that the fibers or the fiber rovings are wound dry on the roll core 1 and during or after winding with Matrix material are soaked until they are completely surrounded by this.
  • the fiber layers 7 have in the radially inner region 5 of the reference layer 3 a radially smaller distance to each other than in the radially outer region 6, wherein in the outermost region of the reference layer 2, no fibers are present, i. that in this area the pure matrix material 3 is present.
  • the uppermost layer of the matrix material 3 is abraded after the winding process. Due to the fiber-free design of the radially outer region of the cover layer is achieved that even after repeated regrinding no fibers 4 reach the surface of the cover layer 2 and thus this surface has an optimal smoothness.
  • a dashed line 8 shows a division of the reference layer 2 into a radially outer functional layer 9 and a radially inner connecting layer 10 for connecting the functional layer 9 to the roller core 10.
  • Both the functional layer 9 and the connecting layer 10 consist of a matrix material 3, 3 'with fiber layers 7, 7' embedded therein, wherein preferably both the matrix material 3, 3 'and the fiber material forming the fiber layers 7, 7' are selected to be the same , In principle, however, it is possible to use different materials, if this better meets the desired requirements.
  • the fiber layers 7 'of the bonding layer 10 can be produced by winding fiber rovings and the fiber layers 7 of the functional layer 9 by winding a fiber fleece.
  • the fibers are usually unevenly distributed and shorter than is the case when winding fiber rovings.
  • the functional layer has a higher flexibility than would be the case with the use of fiber rovings.
  • the tensile strength and the thermal conductivity of the functional layer is improved by the use of a nonwoven fabric, for example, compared to the embodiment shown in FIG. 1, since the fibers of the nonwoven fabric are intimately engaged with each other.
  • the reference layer 9 may contain, for example, between 10 and 90, preferably between 40 and 50, fiber layers 7.
  • connection layer 10 usually has a lower thickness than the functional layer 9, due to the narrower arrangement of the fiber layers 7 ', the number of fiber layers 7' used can be similar to the number of fiber layers 7 of the functional layer 9.
  • a typical thickness for the bonding layer 10 is between 3 to 10 mm, while the functional layer 9 may have a thickness of 5 to 20 mm.

Landscapes

  • Rolls And Other Rotary Bodies (AREA)
  • Paper (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walze, insbesondere zum Glätten von Papierbahnen, mit einen insbesondere aus Metall bestehenden harte Walzenkern, der an seiner Außenseite mit einer elastischen Bezugsschicht versehen ist, die aus einem elastischen Matrixmaterial und in das Matrixmaterial eingebetteten Fasern besteht. Weiterhin ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Walze gerichtet.
  • Elastische Walzen dieser Art werden beispielsweise bei der Satinage von Papierbahnen verwendet. Dabei bildet jeweils eine elastische Walze zusammen mit einer harten Walze einen Preßspalt, durch den die zu bearbeitende Papierbahn hindurchgeführt wird. Während die harte Walze eine beispielsweise aus Stahl oder Hartguß bestehende sehr glatte Oberfläche besitzt und für die Glättung der ihr zugewandten Seite der Papierbahn zuständig ist, bewirkt die auf die gegenüberliegende Seite der Papierbahn einwirkende elastische Walze eine Vergleichmäßigung und Verdichtung der Papierbahn im Preßnip. Durch die Elastizität dieser zweiten Walze wird somit eine zu starke Verdichtung der Papierbahn verhindert, die zu einem speckigen Aussehen der Papierbahn führen würde. Die Größenordnung der Walzen liegt bei Längen von 6 bis 12 m bzw. Durchmessern von 800 bis 1500 mm. Sie halten Linienkräften bis zu 600 N/mm und Druckspannungen bis 50 N/mm2 stand.
  • Da die Tendenz bei der Papierherstellung dahin geht, daß die Satinage im Online-Betrieb erfolgt, d.h. daß die die Papiermaschine oder Streichmaschine verlassende Papierbahn unmittelbar durch die Papierglättvorrichtung (Kalander) geführt wird, werden an die Walzen der Glättvorrichtung insbesondere bezüglich der Temperaturbeständigkeit höhere Anforderungen als bisher gestellt. Durch die im Online-Betrieb erforderlichen hohen Transportgeschwindigkeiten der Papierbahn und die damit verbundenen hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Kalanderwalzen wird deren Biegewechselfrequenz erhöht, was wiederum zu erhöhten Walzentemperaturen führt. Diese im Online-Betrieb entstehenden hohen Temperaturen führen zu Problemen, die bei bekannten elastischen Walzen bis zur Zerstörung des Kunststoffbelages führen können. Zum einen sind bei bekannten Kunststoffbelägen maximale Temperaturdifferenzen von ca. 20°C über die Breite der Walze zulässig und zum anderen besitzen die für die Beschichtung üblicherweise verwendeten Kunststoffe einen wesentlich höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten als die üblicherweise verwendeten Stahlwalzen bzw. Hartgußwalzen, so daß durch eine Temperaturerhöhung hohe axiale Spannungen zwischen der Stahlwalze bzw. Hartgußwalze und der mit ihr verbundenen Kunststoffbeschichtung auftreten.
  • Durch diese hohen Spannungen verbunden mit insbesondere punktuell auftretenden Erhitzungsstellen innerhalb der Kunststoffbeschichtung können sogenannte Hot-Spots auftreten, an denen ein Ablösen oder sogar ein Aufplatzen der Kunststoffschicht erfolgt.
  • Diese Hot-Spots treten insbesondere dann auf, wenn zusätzlich zu den mechanischen Spannungen und der relativ hohen Temperatur Kristallisierungspunkte in Form von beispielsweise fehlerhaften Klebungen, Ablagerungen oder überdurchschnittliche Einbuchtungen des elastischen Belages, beispielsweise durch Falten oder Fremdkörper an der Papierbahn, vorhanden sind. In diesen Fällen kann die Temperatur an diesen Kristallisierungspunkten von üblichen 80°C bis 90°C bis auf über 150°C steigen, wodurch die erwähnte Zerstörung der Kunststoffschicht erfolgt.
  • Aus der WO 98/54405 ist eine Walze mit einem harten Walzenkern bekannt, der an seiner Außenseite mit einer elastischen Bezugsschicht versehen ist. Die elastische Bezugsschicht besteht dabei aus einer Vielzahl von Schichten, wobei jeweils abwechselnd eine unverstärkte Schicht auf eine mit Fasern verstärkte Schicht folgt.
  • Aus der US 4,466,164 ist eine Walze bekannt, bei der die elastische Bezugsschicht aus einer radial innen liegenden, mit Fasern verstärkten Schicht und einer radial außen liegenden, unverstärkten elastischen Schicht besteht. Auch in der US 3,490,119 ist eine Walze mit einem solchen Aufbau der Bezugsschicht beschrieben.
  • In der DE 197 36 575 A ist eine Walze beschrieben, bei der die Bezugsschicht aus einer Vielzahl unterschiedlicher, mit Fasern verstärkten Schichten besteht, wobei die aufeinander folgenden, einzelnen Faserlagen jeweils unterschiedliche Winkel mit der Längsachse des Walzenkörpers einschließen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elastischen Walze der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Walze anzugeben, bei der die Gefahr des Auftretens von Hot-Spots bei zumindest gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften verringert wird.
  • Der die Walze betreffende Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 8 angegeben.
  • Durch die Variierung des Fasergehalts der Bezugsschicht radial von innen nach außen wird erreicht, daß die Bezugsschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der entsprechend dem Fasergehalt ebenfalls in radialer Richtung von innen nach außen unterschiedlich ist. Da üblicherweise das Matrixmaterial einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das verwendete Fasermaterial, ist somit der jeweils resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient des mit Fasern durchsetzten Matrixmaterials sowohl von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Matrixmaterials als auch dem der Fasern abhängig. Je mehr Fasern in dem Matrixmaterial eingebettet sind, desto mehr gleicht sich der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Fasern an.
  • Auf diese Weise ist es möglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des radial innenliegenden Bereichs der Bezugsschicht durch einen relativ hohen Fasergehalt so einzustellen, daß er im wesentlichen gleich ist oder in der gleichen Größenordnung liegt wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Walzenkerns. Bei einer Erwärmung der Walze im Betrieb dehnen sich somit die radial innengelegenen Bereiche der Bezugsschicht um im wesentlichen den gleichen Wert aus, wie der Walzenkern, so daß hohe axiale Längsspannungen zwischen dem Walzenkern und der Bezugsschicht vermieden werden.
  • Da ein hoher Fasergehalt auch die Steifigkeit der Bezugsschicht deutlich erhöht, muß in den radial außengelegenen Bereichen der Bezugsschicht der Fasergehalt niedriger gewählt werden, da andernfalls die Oberfläche der Walze zu hart ist und für die Santinage nicht geeignet wäre. Durch einen insbesondere im wesentlichen kontinuierlich radial nach außen abnehmenden Fasergehalt innerhalb der Bezugsschicht wird erreicht, daß bei einer Erhitzung der Walze die innerhalb der Bezugsschicht auftretenden Längsspannungen, die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der verschiedenen Bereiche der Bezugsschicht entstehen, an keiner Stelle so groß werden, daß eine Ablösung oder Zerstörung der Bezugsschicht entsteht.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungform der Erfindung ist im radial außengelegenen Bereich der Bezugsschicht der Fasergehalt im wesentlichen gleich Null. Dadurch wird erreicht, daß die Oberfläche der Walze möglichst elastisch ist und nach einem entsprechenden Abschleifvorgang eine sehr glatte Oberfläche besitzt, da die in der Bezugsschicht vorhandenen Fasern nicht bis an die Oberfläche der Bezugsschicht reichen. Weiterhin ist auf diese Weise gewährleistet, daß die Oberfläche der Walze nach einer gewissen Laufzeit nachgeschliffen werden kann, ohne daß die in dem Matrixmaterial vorhanden Fasern nach dem Schleifvorgang an der Oberfläche der Bezugsschicht aus dieser austreten und dadurch die Glätte der Oberfläche verringern würden.
  • Durch eine geeignete Wahl des Fasergehaltsverlaufs kann auch die Nipbreite wie erforderlich eingestellt werden. Da bei einer Walze mit einem sehr elastischen Belag die harte Gegenwalze sich stärker in den weichen Belag der elastischen Walze eindrückt, wird die Breite des Nips in Laufrichtung der Papierbahn um so größer, je elastischer die Außenseite der Bezugsschicht der elastischen Walze ist. Somit kann durch die Einstellung eines bestimmten Fasergehaltverlaufes und insbesondere eines bestimmten Fasergehaltes an der Oberfläche der Bezugsschicht eine gewünschte Nipbreite erzeugt werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Bezugsschicht eine radial außenliegende Funktionsschicht und eine radial innenliegende Verbindungsschicht zum Verbinden der Funktionsschicht mit dem Walzenkern. Dabei kann die Verbindungsschicht, wie die Funktionsschicht, aus einem elastischen Matrixmaterial und in das Matrixmaterial eingebetteten Fasern bestehen, wobei bevorzugt das Matrixmaterial der Verbindungsschicht und der Funktionsschicht aus dem gleichen Material und insbesondere auch die Fasern der Verbindungsschicht und der Funktionsschicht aus dem gleichen Fasermaterial bestehen. Durch die Aufteilung der Bezugsschicht in eine Verbindungsschicht und eine Funktionsschicht können deren Eigenschaften noch optimaler an die jeweiligen mechanischen und thermischen Anforderungen angepaßt werden. So kann grundsätzlich beispielsweise das Matrixmaterial der Verbindungsschicht und der Funktionsschicht unterschiedlich sein und auch das innerhalb der Funktionsschicht und der Verbindungsschicht verwendete Fasermaterial differieren. Beispielsweise kann das Matrixmaterial der Verbindungsschicht in Faserbündeln oder sogenannten Faserrovings, d.h. in flachen Faserbändern, die jeweils Fasern der gleichen Art umfassen, auf den Walzenkern aufgewickelt werden, während die Fasern der Funktionsschicht beispielsweise in Form eines Faservlieses auf die Verbindungsschicht aufgewickelt werden können.
  • Bevorzugt ist der Fasergehalt der Verbindungsschicht höher als der Fasergehalt der Funktionsschicht, da auf diese Weise die Verbindungsschicht faserdominiert ist und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verbindungsschicht vorwiegend durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fasern bestimmt ist. Dadurch kann der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient der Verbindungsschicht an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Walzenkerns angepaßt werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Fasern radial im wesentlichen gleichmäßig über die Verbindungsschicht verteilt, wobei insbesondere der Fasergehalt der Verbindungsschicht radial von innen nach außen variiert, bevorzugt abnimmt. Wie bereits zur Funktionsschicht beschrieben, wird dadurch erreicht, daß die im Falle einer Erwärmung auftretenden Längsspannungen gleichmäßig über die radiale Ausdehnung der Bezugsschicht verteilt wird und somit an keiner Stelle Längsspannungen auftrete, die zu einer Verletzung der Bezugsschicht führen.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Fasergehalt der Verbindungsschicht in deren radial außenliegendem Bereich im wesentlichen gleich groß wie der Fasergehalt der Funktionsschicht in deren radial innenliegendem Bereich. Dadurch wird bezüglich der Wärmeausdehnung ein kontinuierlicher Übergang zwischen der Verbindungsschicht und der Funktionsschicht geschaffen, so daß auch in diesem Übergangsbereich eine spannungsoptimierte Verbindung geschaffen wird. Bevorzugt sind die Fasern in radial voneinander beabstandeten Faserlagen angeordnet, wobei insbesondere der Abstand zwischen radial außenliegenden benachbarten Faserlagen größer ist als der Abstand zwischen radial innenliegenden Faserlagen. Durch das zwischen den Faserlagen vorhandene elastische Matrixmaterial wird erreicht, daß die Bezugsschicht in Längsrichtung eine gewisse Elastizität behält, so daß die bei einer Erwärmung auftretenden Längsausdehnungen gut kompensiert werden können.
  • Bevorzugt beträgt der Fasergehalt der Verbindungsschicht ca. 40 bis 70 Vol.-%, insbesondere ca. 50 bis 60 Vol.-%, bevorzugt ca. 55 Vol.-%. Durch den Fasergehalt der Verbindungsschicht wird sowohl deren Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit als auch der Gesamtausdehnungskoeffizient bestimmt. Somit wird durch den relativ hohen Fasergehalt auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsschicht erreicht, so daß die Wärme von im Betrieb auftretenden Überhitzungsstellen schnell axial nach außen abgeführt werden kann, so daß Hot-Spots verhindert werden.
  • Im Gegensatz zu der Verbindungsschicht beträgt der Fasergehalt der Funktionsschicht bevorzugt ca. 5 bis 20 Vol.-%, insbesondere 8 bis 12 Vol.-%. Durch den verringerten Fasergehalt erhält die Funktionsschicht eine geringere Steifigkeit als die Verbindungsschicht, wie sie für die Vergleichmäßigung und Verdichtung der behandelnden Papierbahn bei der Satinage erforderlich ist. Falls durch den reduzierten Fasergehalt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Funktionsschicht zu groß wird, kann dieser durch eine entsprechende Zugabe von Füllstoffen in das Matrixmaterial der Funktionsschicht reduziert werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben; in diesen zeigen:
    • Fig. 1
    einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Walze mit elastischer Bezugsschicht,
    Fig. 2
    eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Walze im Teillängsschnitt und
    Fig. 3
    eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Walze im Teillängsschnitt.
  • Fig. 1 zeigt einen Teil eines in Längsrichtung geschnittenen, beispielsweise aus Stahl bestehenden Walzenkerns 1, der an seiner Außenseite mit einer ebenfalls geschnitten dargestellten elastischen Bezugsschicht 2 versehen ist.
  • Die Bezugsschicht 2 besteht aus einem elastischen Matrixmaterial 3, insbesondere einer Harz/Härter-Kombination, in die eine Vielzahl von Fasern 4 eingebettet sind. Bei den Fasern 4 kann es sich dabei beispielsweise um Kohlefasern oder um Glasfasern oder um eine Mischung aus Kohle- und Glasfasern handeln.
  • Durch die Fasern 4 wird zum einen die Steifigkeit der Bezugsschicht 2 gegenüber einer aus reinem Kunststoff bestehenden Bezugsschicht erhöht und gleichzeitig, insbesondere bei Verwendung von Kohlefasern, die Wärmeleitfähigkeit verbessert.
  • Der Fig. 1 ist weiterhin zu entnehmen, daß der Fasergehalt im radial innengelegenen Bereich 5 der Bezugsschicht 2 deutlich höher ist als in deren radial außengelegenem Bereich 6. Dadurch wird erreicht, daß die Bezugsschicht 2 in ihrem radial außengelegenen Bereich 6 elastischer ist als in ihrem radial innengelegenen Bereich 5, so daß beispielsweise beim Zusammenwirken der elastischen Walze mit einer harten Walze sich diese harte Walze relativ weit in die elastische Außenfläche der Bezugsschicht 2 einpreßt, wodurch ein in Umfangsrichtung langer Preßspalt entsteht.
  • Weiterhin wird durch die Fasern 4 auch der Wärmeausdehnungskoeffizient der Bezugsschicht 2 wesentlich mitbestimmt. Da der metallische Walzenkern 1 üblicherweise einen deutlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als das Matrixmaterial 3, dehnt sich das Matrixmaterial 3 bei eine entsprechenden Erwärmung in axialer Richtung deutlich mehr aus als der Walzenkern 1. Durch die Hinzugabe der Fasern 4, deren Wärmeausdehnungskoeffizient in der Größenordnung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Walzenkerns 1 liegt, wird erreicht, daß im Bereich 5 der Bezugsschicht 2, der einen hohen Fasergehalt besitzt, der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich dem des Walzenkerns 1 ist. Dadurch dehnt sich bei einer entsprechenden Erwärmung der Bereich 5 in axialer Richtung um einen ähnlichen Wert aus, wie der Walzenkern 1, so daß axial auftretende Längsspannungen weitgehend vermieden werden.
  • Durch den im wesentlich kontinuierlich radial nach außen abnehmenden Fasergehalt innerhalb der Bezugsschicht 2 ist gewährleistet, daß auch innerhalb der Bezugsschicht 2 die bei einer Erwärmung auftretenden Längsspannungen im Verlauf radial nach außen jeweils nur geringe Werte besitzen, die durch die Elastizität des Matrixmaterial 3 aufgenommen werden können.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die Fasern 4 innerhalb des Matrixmaterials 3 als im wesentlich konzentrisch zum Walzenkern 1 verlaufende Faserlagen 7 schematisch dargestellt.
  • Die Faserlagen 7 können dabei beispielsweise durch Wickeln von Faserrovings auf den Walzenkern 1 erzeugt werden, wobei zur Bildung der Bezugsschicht 2 mehrere Wickelvorgänge durchgeführt werden, um mehrere Faserlagen 7 zu erzeugen.
  • Die Fasern bzw. Faserrovings können dabei vor dem Wickeln mit sich im flüssigem Zustand befindenden Matrixmaterial 3 beaufschlagt werden, indem sie beispielsweise durch ein Matrixbad gezogen werden. Es ist jedoch auch möglich, daß die Fasern bzw. die Faserrovings trocken auf den Walzenkern 1 gewickelt werden und während oder nach dem Aufwickeln mit Matrixmaterial durchtränkt werden, bis sie vollständig von diesem umgeben sind.
  • Die Faserlagen 7 besitzen im radial innengelegenen Bereich 5 der Bezugsschicht 3 einen in radialer Richtung deutlich geringeren Abstand zueinander als im radial außengelegenen Bereich 6, wobei im äußersten Bereich der Bezugsschicht 2 keine Fasern vorhanden sind, d.h. daß in diesem Bereich das pure Matrixmaterial 3 vorliegt.
  • Um eine möglichst glatte Oberfläche der Walze zu erreichen, wird nach dem Wickelvorgang die oberste Schicht des Matrixmaterial 3 abgeschliffen. Durch die faserfreie Ausgestaltung des radial außenliegenden Bereichs der Bezugsschicht wird erreicht, daß auch nach mehrmaligem Nachschleifen keine Fasern 4 die Oberfläche der Bezugsschicht 2 erreichen und somit diese Oberfläche eine optimale Glätte besitzt.
  • Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist durch eine gestrichelte Linie 8 eine Aufteilung der Bezugsschicht 2 in eine radial außenliegende Funktionsschicht 9 und eine radial innenliegende Verbindungsschicht 10 zum Verbinden der Funktionsschicht 9 mit dem Walzenkern 10 dargestellt.
  • Sowohl die Funktionsschicht 9 als auch die Verbindungsschicht 10 bestehen aus einen Matrixmaterial 3, 3' mit darin eingebetteten Faserlagen 7, 7', wobei bevorzugt sowohl das Matrixmaterial 3, 3' als auch das die Faserlagen 7, 7' bildende Fasermaterial jeweils gleich gewählt sind. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, unterschiedliche Materialen zu verwenden, falls dies den gewünschten Anforderungen besser entspricht.
  • Es ist auch möglich, daß die Faserlagen 7' der Verbindungsschicht 10 durch Wickeln von Faserrovings und die Faserlagen 7 der Funktionsschicht 9 durch Wickeln eines Faservlieses erzeugt wird. In einem Faservlies sind die Fasern üblicherweise ungleichmäßig verteilt und kürzer als es beim Wickeln von Faserrovings der Fall ist. Bei der Verwendung eines Faservlieses besitzt somit die Funktionsschicht eine höhere Flexibilität, als es bei der Verwendung von Faserrovings der Fall wäre.
  • Weiterhin wird durch die Verwendung eines Faservlieses beispielsweise gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform die Zugfestigkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit der Funktionsschicht verbessert, da die Fasern des Faservlieses intensiv miteinander in Eingriff stehen.
  • Während in den Figuren aus Darstellungsgründen nur relativ wenige Faserlagen 7 in den Fig. 2 und 3 eingezeichnet sind, können die Bezugsschicht 9 beispielsweise zwischen 10 und 90, bevorzugt zwischen 40 und 50 Faserlagen 7 enthalten.
  • Die Verbindungsschicht 10 besitzt zwar üblicherweise eine geringere Dikke als die Funktionsschicht 9, aufgrund der engeren Anordnung der Faserlagen 7' kann jedoch die Anzahl der verwendeten Faserlagen 7' ähnlich der Anzahl der Faserlagen 7 der Funktionsschicht 9 sein. Eine typische Dicke für die Verbindungsschicht 10 liegt zwischen 3 bis 10mm, während die Funktionsschicht 9 eine Dicke von 5 bis 20mm besitzen kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Walzenkern
    2
    elastische Bezugsschicht
    3, 3'
    Matrixmaterial
    4
    Fasern
    5
    innenliegender Bereich der Bezugsschicht
    6
    außenliegender Bereich der Bezugsschicht
    7, 7'
    Faserlagen
    8
    Trennlinie
    9
    Funktionsschicht
    10
    Verbindungsschicht

Claims (12)

  1. Walze, insbesondere zum Glätten von Papierbahnen, mit einem insbesondere aus Metall bestehenden harten Walzenkern (1), der an seiner Außenseite mit einer elastischen Bezugsschicht (2) versehen ist, die aus einem elastischen Matrixmaterial (3, 3') und in das Matrixmaterial (3, 3') eingebetteten Fasern (4) besteht,
    dadurch gekennzeichnet ,
    dass der Fasergehalt der Bezugsschicht (2) radial von innen nach außen kontinuierlich oder in mehreren diskreten Schritten abnimmt.
  2. Walze nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß im radial außen gelegenen Bereich (6) der Bezugsschicht (2) der Fasergehalt im wesentlichen gleich Null ist.
  3. Walze nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die Bezugsschicht (2) eine radial außenliegende Funktionsschicht (9) und eine radial innenliegende Verbindungsschicht (10) zum Verbinden der Funktionsschicht (9) mit dem Walzenkern (1) umfaßt, insbesondere daß die Verbindungsschicht (10) aus einem elastischen Matrixmaterial (3') und in das Matrixmaterial (3') eingebetteten Fasern besteht.
  4. Walze nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß das Matrixmaterial (3, 3') der Verbindungsschicht (10) und der Funktionsschicht (9) aus dem gleichen Material bestehen und/oder daß die Fasern (4, 4') der Verbindungsschicht (10) und der Funktionsschicht (9) aus dem gleiche Fasermaterial bestehen und/oder daß der Fasergehalt der Verbindungsschicht (10) höher ist als der Fasergehalt der Funktionsschicht (9) und/oder daß die Fasern (4, 4') radial im wesentlichen gleichmäßig über die Verbindungsschicht (10) verteilt sind und/oder daß der Fasergehalt der Verbindungsschicht (10) radial von innen nach außen variiert, insbesondere abnimmt und/oder daß der Fasergehalt der Verbindungsschicht (10) in deren radial außenliegendem Bereich im wesentlichen gleich groß wie der Fasergehalt der Funktionsschicht (9) in deren radial innenliegendem Bereich ist.
  5. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die Fasern (4, 4') in radial voneinander beabstandeten Faserlagen (7, 7') angeordnet sind, insbesondere daß der Abstand zwischen radial außenliegenden benachbarten Faserlagen (7) größer ist als der Abstand zwischen radial innenliegenden Faserlagen (7').
  6. Walze nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß der durchschnittliche Fasergehalt der Funktionsschicht (9) ca. 5 bis 20 Vol.-%, insbesondere ca. 8 bis 12 Vol.-% beträgt und/oder daß der durchschnittliche Fasergehalt der Verbindungsschicht (10) ca. 40 bis 70 Vol.-%, insbesondere ca. 50 bis 60 Vol.-%, bevorzugt ca. 55 Vol.-% beträgt.
  7. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß die Fasern (4, 4') als Glas- und/oder als Kohlefasern ausgebildet sind und/oder daß das Matrixmaterial (3, 3') ein Kunststoff, insbesondere ein Duroplast oder ein Thermoplast ist und/oder daß das Matrixmaterial (3, 3') aus einer Harz/Härter-Kombination besteht.
  8. Verfahren zum Herstellen einer elastischen Walze mit einem insbesondere aus Metall bestehenden harten Walzenkern und einer elastischen Bezugsschicht, die aus einem elastischen Matrixmaterial und darin eingebetteten Fasern besteht, insbesondere zum Herstellen einer Walze nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet ,
    dass der Fasergehalt der Bezugsschicht in radialer Richtung von innen nach außen kontinuierlich oder in mehreren diskreten Schritten verringert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß zur Erzeugung der Bezugsschicht zumindest ein aus einer Vielzahl von Fasern bestehendes Faserbündel, insbesondere in mehreren Faserlagen übereinander, auf den Walzenkern gewickelt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß das Faserbündel durch einen oder mehrere Faserroving gebildet wird, wobei ein Roving jeweils aus einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden Fasern der gleichen Art besteht, und/oder daß das Faserbündel durch ein Faservlies gebildet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß das Faserbündel vor dem Aufwickeln auf den Walzenkern mit dem Matrixmaterial umgeben werden, insbesondere durch ein Matrixbad gezogen wird, oder daß das Faserbündel im wesentlichen trocken auf den Walzenkern aufgewickelt wird und während oder nach dem Aufwickeln mit dem Matrixmaterial beaufschlagt, insbesondere vollständig in das Matrixmaterial eingebettet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß als Fasern Glas- und/oder Kohlefasern verwendet werden.
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