EP1048782B1 - Elastische Walze und Verfahren zum Herstellen einer solchen - Google Patents

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EP1048782B1
EP1048782B1 EP00105584A EP00105584A EP1048782B1 EP 1048782 B1 EP1048782 B1 EP 1048782B1 EP 00105584 A EP00105584 A EP 00105584A EP 00105584 A EP00105584 A EP 00105584A EP 1048782 B1 EP1048782 B1 EP 1048782B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
particles
matrix material
roll
accordance
fibre
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00105584A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1048782A1 (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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Paper Patent GmbH filed Critical Voith Paper Patent GmbH
Publication of EP1048782A1 publication Critical patent/EP1048782A1/de
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Publication of EP1048782B1 publication Critical patent/EP1048782B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 roller, in particular for smoothing of paper webs, with a hard one consisting in particular of metal Roll core with an elastic cover layer on the outside is provided, which is made of an elastic matrix material and in the There is matrix material embedded fillers. Furthermore, the invention directed to a method of making such a roller.
  • Elastic rollers of this type are used, for example, when satinizing paper webs.
  • An elastic roller forms a press nip with a hard roller through which the paper web to be processed is passed. While the hard roller has a very smooth surface, for example made of steel or chilled cast iron, and is responsible for smoothing the side of the paper web facing it, the elastic roller acting on the opposite side of the paper web causes the paper web to be leveled and compressed in the press nip.
  • the size of the rollers is 3 to 12 m in length and 450 to 1500 mm in diameter. They withstand line forces up to 600 N / mm and compressive stresses up to 130 N / mm 2 .
  • plastic coverings maximum temperature differences of about 20 ° C over the Width of the roller permitted and on the other hand have that for the coating
  • plastics used are much higher Thermal expansion coefficients than those commonly used Steel rollers or chill cast rollers, so that by an increase in temperature high axial tensions between the steel roller or chilled iron roller and the associated plastic coating occur.
  • EP-A-0146342 discloses a roller with a two-layer reference layer known. To improve heat dissipation is the inside Reference layer thermally conductive formed by in the matrix material thermally conductive fillers are introduced into the reference layer. From the US-PS-5142759 is also a roller with an elastic reference layer known. For draining off the surface of the reference layer occurring electrostatic charges are electrical in the reference layer conductive fillers embedded.
  • the reference layer consists of several Layers of an elastic matrix material, each with an unreinforced Alternate layer with a layer reinforced with fiber layers.
  • the part of the task relating to the roller is based on the invention by a roller of the type mentioned by the features of Claim 1 solved.
  • the method according to the invention is characterized by the features of claim 11.
  • both the thermal conductivity and the rigidity of the elastic Reference layer improved. Due to the increased thermal conductivity the overheating heat occurring at critical points is dissipated more quickly so that the critical temperature and thereby preventing hot spots from occurring. It is special the elongated formation of the particles for rapid heat dissipation advantageous from critical points, for example in the direction of the roll core.
  • the elongated rod shape of the particles also leads to the fact that those Particles that are oriented essentially in the radial direction, selectively increase the stiffness of the elastic cover layer.
  • the Elongated rod-shaped particles thus have an elastic reference layer Variety of points with increased stiffness, so that with a corresponding equipped roller transparent paper can be produced. Since the Particle length less than the radial thickness of the elastic reference layer the elongated particles do not extend from the Surface of the reference layer to the roller core, but it can be found areas between individual particles that are free of the particles, so that a certain elasticity of the reference layer is retained, whereby the quality of the tracing paper produced compared to a complete one stiff coating is increased.
  • the elongated ones designed according to the invention preferably have Particles have a ratio of their length to their thickness of between approximately 20: 1 and 5: 1, in particular of approximately 15: 1 and 7: 1, preferably of approximately 10: 1. With These preferred ratios become an ideal combination between Stiffness and elasticity of the cover layer achieved.
  • the elongated Particles are advantageous in radial in the matrix material and / or essentially statistically distributed in the axial direction, whereby uniform rigidity with uniform elasticity of the cover layer is reached over the length of the roller.
  • Particles in the matrix material are essentially radial Direction aligned so that the majority of the particles the stiffness of the elastic reference layer is defined. in principle it is also possible that the particles in the matrix material essentially statistically distributed, i.e. evenly aligned in all directions are. In this case the stiffness of the reference layer is lower, however, at the same time the thermal conductivity of the reference layer in axial direction is increased.
  • the particles are formed from thermally conductive material, the thermal conductivity of the particles is higher than that of the matrix material.
  • the thermal conductivity of the reference layer Depending on the amount of the introduced Particles will have the thermal conductivity of the reference layer this way increased, in particular by the radial direction aligned elongated particles a derivative of excess Heat within the reference layer to the metallic roll core takes place so that unwanted heat within the reference layer quickly to the roller core and can be discharged laterally via this.
  • the particles forming the fillers can all be made from the same Material or be made of different materials.
  • Coefficient of thermal expansion of the particles smaller than that of the matrix material.
  • the total coefficient of thermal expansion the reference layer is smaller than that of the matrix material, so that the total coefficient of thermal expansion at the coefficient of thermal expansion of the roll core can be adjusted. Thereby the longitudinal stresses that occur when the roller is heated reduced between the reference layer and the roll core.
  • a Part of the particles radially outwards to the surface of the elastic reference layer can already do this be introduced into the reference layer so that they are up to extend their surface. If the surface of the reference layer sanded after being applied to produce a high surface smoothness the elongated particles cannot at first reach all the way to the surface of the reference layer. After grinding the The ends of the elongated particles ultimately lie freely on the surface the surface so that they have the desired points of stiffness form.
  • Advantageous values for average lengths of the invention elongated particles are between approximately 200 and 600 ⁇ m, in particular between about 300 and 500 microns, preferably at about 400 microns.
  • the elongated Particles therefore have a length that is significantly below that Length of in the elastic reference layer, for example as reinforcement layers provided fibers, for example carbon fibers.
  • fibers are preferred embedded. These fibers can be in rovings or as nonwoven on the Roll core are applied and are usually used for reinforcement the elastic reference layer.
  • the Fibers arranged in radially successive layers of fibers can be spaced from one another or directly abut each other.
  • the elastic reference layer between about 5 and 100, in particular between about 20 and 70, preferred 30 to 40 fiber layers are available.
  • the reference layer can also have more or fewer fiber layers his.
  • the fiber layers reinforce the elastic reference layer achieved since usually only one consisting of matrix material Reference layer does not have the rigidity required for the satin finish. If the elastic reference layer is formed from several However, there is a risk of fiber layers if the connection is insufficient a tendency for the fiber layers to separate between the individual fiber layers exist.
  • the elongated particles are arranged between such a tendency to detach is counteracted by the individual fiber layers, because the elongated particles are particularly radial an additional connection between the individual fiber layers create.
  • the compensating thermal expansion coefficient also the service life a reference layer designed according to the invention by reduced Transfer tendency to be improved.
  • Fig. 1 shows a part of a cut in the longitudinal direction, for example existing steel or cast iron roll core 1, the outside with an elastic reference layer, also shown in section 2 is provided.
  • the reference layer 2 consists of an elastic matrix material 3, in particular from a resin / hardener combination in which a variety of Fibers 4 are embedded.
  • the fibers 4 for example around carbon fibers or around glass fibers or a mixture of Trade carbon and glass fibers.
  • the fibers 4 are essentially in aligned in the axial direction of the roller core 1 and form a fiber layer 5, which is applied, for example, by winding on the roll core 1 has been.
  • the fibers 4, on the one hand increase the rigidity of the reference layer 2 compared to a reference layer made of pure plastic increased and at the same time, especially when using carbon fibers, improves thermal conductivity in the axial direction.
  • these fillers include elongated, rod-shaped particles 6 and on the other hand fine-grained, the filler forming fine particles 7. While the fine particles are substantially quasi-spherical are formed and a diameter of, for example Have 10 to 20 microns, have the elongated rod-shaped particles a length of about 400 microns, for example.
  • Some of the elongated ones Particles 6 each extend with one end to the surface 8 of the reference layer 2, while others of the elongated particles 6 with their respective ends up to the surface 9 of the roll core 1 extend. All elongated particles 6 are however so formed so that its length is shorter than the radial thickness of the reference layer Second
  • the particles 6 reaching to the surface 8 of the reference layer 2 form 8 punctiform points 10 with increased rigidity on this surface, that with a uniform distribution of the particles 6 in the reference layer 2 accordingly evenly over their entire surface 8 are distributed. In particular with an essentially radial alignment the particle 6 becomes the stiffness of the reference layer at the points 10 2 significantly increased over their remaining areas.
  • the roller shown in FIG. 1 can be used for the production of transparent paper be used.
  • the thermal conductivity of the reference layer 2 increases because the particles 6 have better thermal conductivity possess than the matrix material 3 Direction or inclined particles 6 in particular the Thermal conductivity of the reference layer 2 improved in the radial direction, so that in addition to the improved thermal conductivity by the fiber layer 5 in the axial direction an improvement in a perpendicular to it direction.
  • the total thermal expansion coefficient approaches the reference layer 2 the expansion coefficient of the roll core 1. This applies especially when a large number of the particles 6 are oblique or essentially are arranged extending in the axial direction. Because the matrix material 3 usually has a significantly higher coefficient of thermal expansion owns than the roller core 1 can by reducing of the total thermal expansion coefficient of the reference layer 2 due to the elongated particles 6 when the roller is heated longitudinal stresses occurring between the roll core 1 and the reference layer be reduced.
  • the punctiform fine particles 7 can also be adapted the coefficient of thermal expansion of the reference layer 2 to the coefficient of thermal expansion serve the roll core 1 or other desired Define physical properties of the reference layer. Possibly the fine particles 7 can also be completely eliminated.
  • the fiber layer 5 can, for example, by winding fiber rovings or Nonwoven fabric can be produced on the roll core 1. This is more clearly shown in Fig. 2 to recognize where two fiber layers arranged radially spaced apart from one another 5 ', 5 "are shown schematically.
  • the fibers or fiber rovings can be in the liquid state before winding Matrix material 3 can be applied, for example, by a Matrix bath are drawn. However, it is also possible that the fibers or the fiber rovings are wound dry on the roll core 1 and soaked with or during matrix winding until you are completely surrounded by it. To be a smooth To reach surface 8 of the roller after the winding process top layer of the matrix material 3 is sanded off, creating a multitude of the elongated particles 6 appear on the surface 8 and thus form the punctiform points 10 of increased rigidity.
  • the two fiber layers 5 ′, 5 ′′ are connected to one another via the matrix material 3 connected, the lower fiber layer 5 "also via the matrix material 3 is connected to the surface 9 of the roll core 1.
  • the Reference layer 2 in the area of the fiber layers 5 ', 5 "due to the interlocking Fibers 4 is very stable, consists of the dashed Lines 11, 12 indicated areas between the fiber layers 5 'and 5 " or between the fiber layer 5 “and the surface 9 of the roll core 1 the risk that the reference layer will become detached when subjected to the appropriate stress 2 of the roll core 1 or the two the fiber layers 5 ', 5 " containing partial areas of the reference layer 2 from each other.
  • the elongated rod-shaped particles 6 is just in the endangered areas 11, 12 the connection of the different Sub-layers of the reference layer 2 improved.
  • the elongated particles 6 form reinforcing bridges in the radial direction, so that the overall stability the reference layer 2 significantly increased in the radial direction becomes.
  • the described tendency to detachment is according to the invention trained reference layer 2 is therefore not given.

Landscapes

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

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walze, insbesondere zum Glätten von Papierbahnen, mit einem insbesondere aus Metall bestehenden harten Walzenkern, der an seiner Außenseite mit einer elastischen Bezugsschicht versehen ist, die aus einem elastischen Matrixmaterial und in das Matrixmaterial eingebetteten Füllstoffen 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 Vergleichsmäßigung und Verdichtung der Papierbahn im Preßnip. Die Größenordnung der Walzen liegt bei Längen von 3 bis 12 m bzw. Durchmessern von 450 bis 1500 mm. Sie halten Linienkräften bis zu 600 N/mm und Druckspannungen bis 130 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 Nipfrequenz, das ist die Frequenz, mit der der Bezug komprimiert und wieder entlastet wird, 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.
Zur Steuerung der Eigenschaften der elastischen Bezugsschicht, werden pulverförmige Füllstoffe und/ oder Fasern in das Matrixmaterial eingebracht. Je nach Menge und physikalischer Eigenschaft dieser Füllstoffe bzw. der Fasern, werden die physikalischen Eigenschaften der elastischen Bezugsschicht von den Füllstoffen bzw. den Fasern dominiert bzw. beeinflußt.
Aus der EP-A-0146342 ist eine Walze mit einer zweilagigen Bezugsschicht bekannt. Zur Verbesserung der Wärmeableitung ist die innen liegende Bezugsschicht wärmeleitfähig ausgebildet, indem in das Matrixmaterial der Bezugsschicht wärmeleitende Füllstoffe eingebracht werden. Aus der US-PS-5142759 ist ebenfalls eine Walze mit einer elastischen Bezugsschicht bekannt. Zum Abführen von an der Oberfläche der Bezugsschicht auftretenden elektrostatischen Ladungen sind in der Bezugsschicht elektrisch leitfähige Füllstoffe eingebettet.
Aus der WO 98/54405 ist ebenfalls eine Walze mit einer elastischen Bezugsschicht bekannt. Die Bezugsschicht besteht dabei aus mehreren Schichten eines elastischen Matrixmaterials, wobei sich jeweils eine unverstärkte Schicht mit einer mit Faserlagen verstärkten Schicht abwechselt.
Ein normalerweise bei der Satinage unerwünschter Effekt, die Schwarz-Satinage, wird zur Herstellung von Transparentpapier genutzt. Bei diesem Herstellungsprozeß werden Walzen mit Bezugsschichten höherer Steifigkeit verwendet, so daß die Fasern der in den Preßspalt eingeführten Papierbahn aufgrund des erhöhten Drucks kollabieren, wodurch die gewünschte Transparenz entsteht.
Eine generelle Erhöhung der Steifigkeit der Bezugsschicht erhöht jedoch die Wahrscheinlichkeit für eine ungleichmäßige Druckbeaufschlagung im Preßspalt, wodurch die Qualität des Transparentpapiers sinken kann.
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 verringert wird. Gleichzeitig soll die Walze zur Herstellung von qualitativ hochwertigem Transparentpapier geeignet sein.
Der die Walze betreffende Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß ausgehend von einer Walze der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 11 gekennzeichnet.
Durch die in das Matrixmaterial eingebrachten langgestreckten Stäbchenförmigen Teilchen wird sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Steifigkeit der elastischen Bezugsschicht verbessert. Aufgrund der erhöhten Wärmeleitfähigkeit kann die an kritischen Stellen auftretende Überhitzungswärme schneller abgeführt werden, so daß ein Überschreiten der kritischen Temperatur und dadurch ein Auftreten von Hot-Spots verhindert wird. Dabei ist besonders die langgestreckte Ausbildung der Teilchen zur schnellen Wärmeabfuhr von kritischen Stellen beispielsweise in Richtung des Walzenkerns vorteilhaft.
Die langgestreckte Stäbchenform der Teilchen führt zusätzlich dazu, daß diejenigen Teilchen, die im wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet sind, punktuell die Steifigkeit der elastischen Bezugsschicht erhöhen. Durch die langgestreckten Stäbchenförmigen Teilchen besitzt die elastische Bezugsschicht somit eine Vielzahl von Punkten mit erhöhter Steifigkeit, so daß mit einer entsprechend ausgestatteten Walze Transparentpapier herstellbar ist. Da die Länge der Teilchen kleiner als die radiale Dicke der elastischen Bezugsschicht ist, erstrecken sich die langgestreckten Teilchen nicht von der Oberfläche der Bezugsschicht bis zum Walzenkern, sondern es finden sich zwischen einzelnen Teilchen Bereiche, die von den Teilchen frei sind, so daß eine gewisse Elastizität der Bezugsschicht erhalten bleibt, wodurch die Qualität des hergestellten Transparentpapiers gegenüber einer vollständig steifen Beschichtung erhöht wird. Ebenso befinden sich in axialer Richtung der Walze zwischen den punktförmigen steifen Stellen elastische Bereiche, die im wesentlichen frei von den Füllstoffen sind, so daß bei einer gleichmäßigen Verteilung der langgestreckten Teilchen sowohl in radialer als auch in axialer Richtung innerhalb der Bezugsschicht eine optimierte Kombination aus Steifigkeit und Elastizität entsteht.
Eine solche optimierte Kombination ist mit den bekannten pulverförmigen Füllmaterialen, die aus im wesentlichen runden Teilchen bestehen, nicht erreichbar. Auch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit ist mit den bekannten Füllmaterialien nicht gegeben, da jede der im wesentlichen runden Teilchen so in das thermisch schlecht leitende Matrixmaterial eingeschlossen ist, daß eine Wärmeableitung beispielsweise in Richtung des Walzenkerns praktisch nicht gegeben ist.
Bevorzugt besitzen die erfindungsgemäß ausgebildeten langgestreckten Teilchen ein Verhältnis ihrer Länge zu ihrer Dicke von zwischen ca. 20:1 und 5:1, insbesondere von ca. 15:1 und 7:1 bevorzugt von ca. 10:1. Mit diesen bevorzugten Verhältniswerten wird eine ideale Kombination zwischen Steifigkeit und Elastizität der Bezugsschicht erreicht. Die langgestreckten Teilchen sind vorteilhaft in dem Matrixmaterial in radiale und/oder in axialer Richtung im wesentlichen statistisch verteilt, wodurch eine gleichmäßige Steifigkeit bei gleichmäßiger Elastizität der Bezugsschicht über die Länge der Walze erreicht wird.
Weiterhin ist vorteilhaft ein überwiegender Teil der langgestreckten Teilchen in dem Matrixmaterial im wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet, so daß durch den überwiegenden Teil der Teilchen die Steifigkeit der elastischen Bezugsschicht definiert wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die Teilchen in dem Matrixmaterial im wesentlichen statistisch verteilt, d.h. gleichmäßig in alle Richtungen ausgerichtet sind. In diesem Falle ist die erzielte Steifigkeit der Bezugsschicht geringer, wobei jedoch gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit der Bezugsschicht in axialer Richtung erhöht wird.
Nach der Erfindung sind die Teilchen aus wärmeleitfähigem Material ausgebildet, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Teilchen höher ist als die des Matrixmaterials. Je nach Menge der eingebrachten Teilchen wird die Wärmeleitfähigkeit der Bezugsschicht auf diese Weise erhöht, wobei insbesondere durch die in radialer Richtung ausgerichteten langgestreckten Teilchen eine Ableitung von überschüssiger Wärme innerhalb der Bezugsschicht zu dem metallischen Walzenkern erfolgt, so daß unerwünschte Wärme innerhalb der Bezugsschicht schnell zu dem Walzenkern und über diesen seitlich abgeführt werden kann. Grundsätzlich können die die Füllstoffe bildenden Teilchen alle aus demselben Material oder aus verschiedenen Materialien hergestellt sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Teilchen kleiner als der des Matrixmaterials. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Gesamtwärmeausdehnungskoeffizient der Bezugsschicht kleiner ist als der des Matrixmaterials, so daß der Gesamtwärmeausdehnungskoeffizient an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Walzenkerns angepaßt werden kann. Dadurch werden die bei einer Erhitzung der Walze auftretenden Längsspannungen zwischen der Bezugsschicht und dem Walzenkern verringert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich ein Teil der Teilchen radial nach außen bis zur Oberfläche der elastischen Bezugsschicht. Dabei können die langgestreckten Teilchen bereits dementsprechend in die Bezugsschicht eingebracht werden, daß sie sich bis zu deren Oberfläche hin erstrecken. Falls die Oberfläche der Bezugsschicht nach ihrem Aufbringen zum Erzeugen einer hohen Oberflächenglätte abgeschliffen wird, können die langgestreckten Teilchen auch zunächst nicht ganz bis zur Oberfläche der Bezugsschicht reichen. Nach Abschleifen der Oberfläche liegen die Enden der langgestreckten Teilchen letztlich frei an der Oberfläche, so daß sie die gewünschten punktuellen Steifigkeitsstellen bilden.
Vorteilhafte Werte für durchschnittliche Längen der erfindungsgemäßen langgestreckten Teilchen liegen zwischen ca. 200 und 600 µm, insbesondere zwischen ca. 300 und 500 µm, bevorzugt bei ca. 400 µm. Die langgestreckten Teilchen besitzen somit eine Länge die deutlich unterhalb der Länge von in der elastischen Bezugsschicht beispielsweise als Verstärkungslagen vorgesehenen Fasern, beispielsweise Kohlefasern, liegt. Bevorzugt bestehen die Teilchen aus Wollastonit und/oder Calciumsilicat. Grundsätzlich können jedoch auch andere Materialien mit vergleichbaren Eigenschaften verwendet werden.
Bevorzugt sind zusätzlich zu den Teilchen in dem Matrixmaterial Fasern eingebettet. Diese Fasern können in Rovings oder als Faservlies auf den Walzenkern aufgebracht werden und dienen üblicherweise der Verstärkung der elastischen Bezugsschicht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Fasern in radial aufeinanderfolgenden Faserlagen angeordnet. Diese Faserlagen können dabei voneinander beabstandet sein oder unmittelbar aneinander anliegen. Weiterhin können in der elastischen Bezugsschicht zwischen ca. 5 und 100, insbesondere zwischen ca. 20 und 70, bevorzugt ca. 30 bis 40 Faserlagen vorhanden sein. Je nach Dicke der elastischen Bezugsschicht können jedoch auch mehr oder weniger Faserlagen vorgesehen sein.
Durch die Faserlagen wird eine Verstärkung der elastischen Bezugsschicht erreicht, da üblicherweise eine lediglich aus Matrixmaterial bestehende Bezugsschicht nicht die für die Satinage erforderliche Steifigkeit besitzt. Bei einer Ausbildung der elastischen Bezugsschicht aus mehreren Faserlagen besteht jedoch die Gefahr, daß bei ungenügender Verbindung zwischen den einzelnen Faserlagen eine Tendenz zum Ablösen der Faserlagen existiert.
Insbesondere bei einer Anordnung der langgestreckten Teilchen zwischen den einzelnen Faserlagen wird einer solchen Ablösetendenz entgegengewirkt, da die langgestreckten Teilchen insbesondere bei radialer Ausrichtung eine zusätzliche Verbindung zwischen den einzelnen Faserlagen schaffen. Somit kann zusätzlich zu der erhöhten punktuellen Steifigkeit für die Schwarz-Satinage und der verbesserten Wärmeleitfähigkeit sowie dem ausgleichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten auch die Lebensdauer einer erfindungsgemäß ausgebildeten Bezugsschicht durch verringerte Ablösetendenz verbessert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1
einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Walze mit elastischer Bezugsschicht und
Fig. 2
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Walze.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines in Längsrichtung geschnittenen, beispielsweise aus Stahl oder Hartguß 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 aus 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. Die Fasern 4 sind im wesentlichen in axialer Richtung des Walzenkerns 1 ausgerichtet und bilden eine Faserlage 5, die beispielsweise durch Wickeln auf den Walzenkern 1 aufgebracht wurde. 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 in axialer Richtung verbessert.
Zusätzlich zu den Fasern 4 sind in dem elastischen Matrixmaterial 3 Füllstoffe vorgesehen. Zum einen umfassen diese Füllstoffe langgestreckte, stäbchenförmige Teilchen 6 und zum anderen feinkörnige, den Füllstoff bildende Feinteilchen 7. Während die Feinteilchen im wesentlichen quasikugelförmig ausgebildet sind und einen Durchmesser von beispielsweise 10 bis 20 µm besitzen, weisen die langgestreckten stäbchenförmigen Teilchen eine Länge von beispielsweise ca. 400 µm auf. Einige der langgestreckten Teilchen 6 erstrecken sich jeweils mit einem Ende bis zur Oberfläche 8 der Bezugsschicht 2, während andere der langgestreckten Teilchen 6 sich mit ihrem jeweiligen Ende bis zur Oberfläche 9 des Walzenkerns 1 erstrecken. Alle langgestreckten Teilchen 6 sind dabei jedoch so ausgebildet, daß ihre Länge kürzer ist als die radiale Dicke der Bezugsschicht 2.
Die bis zur der Oberfläche 8 der Bezugsschicht 2 reichenden Teilchen 6 bilden an dieser Oberfläche 8 punktförmige Stellen 10 mit erhöhter Steifigkeit, die bei einer gleichmäßigen Verteilung der Teilchen 6 in der Bezugsschicht 2 entsprechend gleichmäßig über deren gesamten Oberfläche 8 verteilt sind. Insbesondere bei einer im wesentlichen radialen Ausrichtung der Teilchen 6 wird an den Stellen 10 die Steifigkeit der Bezugsschicht 2 gegenüber deren restlichen Bereichen deutlich erhöht. Auf diese Weise kann die in Fig. 1 dargestellte Walze zur Herstellung von Transparentpapier verwendet werden.
Da die Länge der Teilchen 6 kürzer ist als die radiale Dicke der Bezugsschicht 2, ist eine Erhöhung der Steifigkeit jeweils nur bereichsweise entlang der Länge der jeweiligen Teilchen 6 gegeben. Über die gesamte Dicke der Bezugsschicht 2 bleibt eine gewisse Elastizität erhalten, da selbst bei exakt radial ausgerichteten Teilchen 6 zwischen deren unteren Enden und der Oberfläche des Walzenkern 1 jeweils eine gewisse Menge an flexiblem Matrixmaterial 3 vorhanden ist. Durch die dargestellte Kombination aus langgestreckten stäbchenförmigen Teilchen 6 und elastischem Matrixmaterial 3 in der in Fig. 1 dargestellten Weise wird somit eine optimale Kombination zwischen punktueller Steifigkeit und globaler Elastizität der Bezugsschicht erreicht.
Zusätzlich wird durch die langgestreckten Teichen 6 die Wärmeleitfähigkeit der Bezugsschicht 2 erhöht, da die Teilchen 6 eine bessere Wärmeleitfähigkeit besitzen als das Matrixmaterial 3. Dabei wird durch die in radialer Richtung oder schräg verlaufenden Teilchen 6 insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der Bezugsschicht 2 in radialer Richtung verbessert, so daß sich zusätzlich zu der durch die Faserlage 5 verbesserten Wärmeleitfähigkeit in axialer Richtung eine Verbesserung in einer dazu senkrecht ausgerichteten Richtung ergibt.
Treten innerhalb der Bezugsschicht 2 punktuell Überhitzungsstellen sogenannte Hot-Spots auf, so kann die unerwünschte Hitze entlang der langgestreckten Teilchen in radialer Richtung zu dem Walzenkern 1 und über diesen beispielsweise axial abgeführt werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, daß die dem Walzenkern zugeführte Wärme radial nach innen weitergeführt wird um entweder im Inneren axial abgeführt zu werden oder beispielsweise von im Inneren der Walze vorhandenem Kühlmedium aufgenommen zu werden.
Während über die im wesentlichen in axialer Richtung ausgerichteten Fasern 4 der Faserlage 5 nur ein Wärmetransport in axialer Richtung erfolgen kann, kann über die langgestreckten Teilchen 6 somit unerwünschte Wärme senkrecht dazu abgeführt werden. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da die unerwünschte Wärme wesentlich schneller in radialer Richtung aus der Bezugsschicht 2 abgeführt werden kann, da die Dicke der Bezugsschicht 2 typischerweise zwischen 1 mm und 3 cm beträgt, während die axiale Länge zwischen 3 bis 12 m betragen kann. Eine rechtzeitige Ableitung von unerwünschter Hitze in axialer Richtung über die Faserlage 5 ist aufgrund der axialen Länge der Bezugsschicht 2 praktisch nicht möglich.
Werden die Teilchen 6 aus einem Material gewählt, das einen dem Material des Walzenkerns 1 ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, so nähert sich der Gesamtwärmeausdehnungskoeffizient der Bezugsschicht 2 dem Ausdehnungskoeffizienten des Walzenkerns 1 an. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Vielzahl der Teilchen 6 schräg oder im wesentlichen in axialer Richtung verlaufend angeordnet sind. Da das Matrixmaterial 3 üblicherweise einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der Walzenkern 1 kann durch die Verringerung des Gesamtwärmeausdehnungskoeffizienten der Bezugsschicht 2 aufgrund der langgestreckten Teilchen 6 die bei einer Erhitzung der Walze auftretenden Längsspannungen zwischen dem Walzenkern 1 und der Bezugsschicht reduziert werden.
Die punktförmigen Feinteilchen 7 können ebenfalls zu einer Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bezugsschicht 2 an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Walzenkerns 1 dienen oder sonstige gewünschte physikalische Eigenschaften der Bezugsschicht definieren. Gegebenenfalls können die Feinteilchen 7 auch völlig entfallen.
Die Faserlage 5 kann beispielsweise durch Wickeln von Faserrovings oder Faservlies auf den Walzenkern 1 erzeugt werden. Dies ist deutlicher in Fig. 2 zu erkennen, wo zwei radial voneinander beabstandet angeordnete Faserlagen 5',5" schematisch dargestellt sind. Die Fasern bzw. Faserrovings können dabei vor dem Wickeln mit sich im flüssigen Zustand befindendem 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 Walzenkerns 1 gewickelt werden und während oder nach dem Aufwickeln mit Matrixmaterial durchtränkt werden, bis sie vollständig von diesem umgeben sind. Um eine glatte Oberfläche 8 der Walze zu erreichen, wird nach dem Wickelvorgang die oberste Schicht des Matrixmaterials 3 abgeschliffen, wodurch eine Vielzahl der langgestreckten Teilchen 6 an die Oberfläche 8 treten und somit die punktförmigen Stellen 10 erhöhter Steifigkeit bilden.
Die beiden Faserlagen 5', 5" sind über das Matrixmaterial 3 miteinander verbunden, wobei die untere Faserlage 5" ebenfalls über das Matrixmaterial 3 mit der Oberfläche 9 des Walzenkerns 1 verbunden ist. Während die Bezugsschicht 2 im Bereich der Faserlagen 5', 5" aufgrund der ineinandergreifenden Fasern 4 sehr stabil ist, besteht in den durch gestrichelte Linien 11, 12 angedeuteten Bereichen zwischen den Faserlagen 5' und 5" bzw. zwischen der Faserlage 5" und der Oberfläche 9 des Walzenkerns 1 die Gefahr, daß bei entsprechender Beanspruchung eine Ablösung der Bezugsschicht 2 von dem Walzenkern 1 bzw. der beiden die Faserlagen 5', 5" enthaltenden Teilbereiche der Bezugsschicht 2 voneinander erfolgt.
Durch die langgestreckten stäbchenförmigen Teilchen 6 wird gerade in den gefährdeten Bereichen 11, 12 die Verbindung der unterschiedlichen Teilschichten der Bezugsschicht 2 verbessert. Die langgestreckten Teilchen 6 bilden in radialer Richtung Verstärkungsbrücken, so daß die Gesamtstabilität der Bezugsschicht 2 in radialer Richtung deutlich erhöht wird. Die beschriebenen Ablösungstendenz ist bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Bezugsschicht 2 somit nicht gegeben.
Durch die Verbesserung der Wärmeableitung ist es möglich, größere Nipbreiten zu erzeugen, wodurch die Qualität der behandelten Papierbahn weiter verbessert wird.
Bezugszeichenliste
1
Walzenkern
2
Bezugsschicht
3
Matrixmaterial
4
Fasern
5, 5', 5"
Faserlagen
6
langgestreckte stäbchenförmige Teilchen
7
Feinteilchen
8
Oberfläche der Bezugsschicht
9
Oberfläche des Walzenkerns
10
punktförmige Stellen
11
gestrichelte Linie
12
gestrichelte Linie

Claims (15)

  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) und in das Matrixmaterial (3) eingebetteten Füllstoffen (6, 7) besteht,
    dadurch gekennzeichnet , dass zur Erzeugung einer Vielzahl von Punkten (10) mit erhöhter Steifigkeit innerhalb der Bezugsschicht (2)
    zumindest ein Teil der Füllstoffe (6, 7) als langgestreckte, stäbchenförmige Teilchen (6) ausgebildet ist,
    die Teilchen (6) eine höhere Steifigkeit als das Matrixmaterial (3) besitzen,
    zumindest ein Teil der Teilchen (6) in dem Matrixmaterial (3) im Wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet ist, und
    die Länge der Teilchen (6) kleiner als die radiale Dicke der elastischen Bezugsschicht (2) ist,
    wobei die Wärmeleitfähigkeit der Teilchen (6) größer als die Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials (3) ist.
  2. Walze nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (6) ein Verhältnis Länge zu Dicke von zwischen ca. 20:1 und 5:1, insbesondere von zwischen ca. 15:1 und 7:1, bevorzugt von ca. 10:1 besitzen und/oder daß die Teilchen (6) in dem Matrixmaterial (3) in radialer und/oder in axialer Richtung im wesentlichen statistisch verteilt sind.
  3. Walze nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein überwiegender Teil der Teilchen (6) in dem Matrixmaterial (3) im wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet ist.
  4. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Teil der Teilchen (6) radial nach innen bis zur Oberfläche (9) des Walzenkerns (1) erstreckt und/oder daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Teilchen (6) kleiner ist als der des Matrixmaterials (3).
  5. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Teil der Teilchen (6) radial nach außen bis zur Oberfläche (8) der elastischen Bezugsschicht (2) erstreckt und/oder daß die Teilchen (6) eine durchschnittliche Länge von zwischen ca. 200 und 600 µm, insbesondere von zwischen ca. 300 und 500 µm, bevorzugt von ca. 400 µm besitzen und/oder daß die Teilchen (6) aus Wollastonit und/oder aus Calciumsilicat bestehen.
  6. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Teilchen (6) in dem Matrixmaterial (3) Fasern (4) eingebettet sind, insbesondere daß die Fasern (4) in einer Faserlage (5) oder in radial aufeinanderfolgenden Faserlagen (5', 5") angeordnet sind, wobei bevorzugt die Faserlagen (5', 5") voneinander beabstandet sind oder die Faserlagen aneinander anliegen.
  7. Walze nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß in der elastischen Bezugsschicht (2) zwischen ca. 5 und 100, insbesondere zwischen ca. 20 und 70, bevorzugt ca. 30 bis 40 Faserlagen (5, 5', 5") vorhanden sind und/oder daß die Teilchen (6) zwischen den einzelnen Faserlagen (5', 5") angeordnet sind.
  8. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsschicht radial außenliegende Funktionsschicht und eine radial innenliegende Verbindungsschicht zum Verbinden der Funktionsschicht mit dem Walzenkern umfaßt und daß die Teilchen zumindest in der Funktionsschicht angeordnet sind.
  9. Walze nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) als Glas- und/oder als Kohlefasern ausgebildet sind.
  10. Walze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial (3) ein Kunststoff, insbesondere ein Duroplast oder ein Thermoplast ist und/oder daß das Matrixmaterial (3) aus einer Harz/Härter-Kombination besteht.
  11. Verfahren zum Herstellen einer elastischen Walze mit einem insbesondere aus Metall bestehenden harten Walzenkern und einer aus einem elastischen Matrixmaterial bestehenden elastischen Bezugsschicht, insbesondere zum Herstellen einer Walze nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer Vielzahl von Punkten (10) mit erhöhter Steifigkeit innerhalb der Bezugsschicht (2)
    zumindest ein Füllstoff in Form von langgestreckten, stäbchenförmige Teilchen (6) in das elastische Matrixmaterial eingebracht wird,
    wobei die Teilchen (6) eine höhere Steifigkeit als das Matrixmaterial (3) besitzen,
    zumindest ein Teil der Teilchen (6) in dem Matrixmaterial (3) im Wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet werden und
    die Länge der Teilchen (6) kleiner als die radiale Dicke der elastischen Bezugsschicht (2) gewählt wird, und
    wobei die Wärmeleitfähigkeit der Teilchen (6) größer als die Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials (3) gewählt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Teilchen in das elastische Matrixmaterial Fasern eingebettet werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    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 und die Teilchen zwischen benachbarte Faserlagen und/oder zwischen Faserlage und die Oberfläche des Walzenkerns und/oder zwischen Faserlage und die Oberfläche der Bezugsschicht eingebracht werden, wobei insbesondere das Faserbündel durch einen oder mehrere Faserroving und/oder durch ein Faservlies 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.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel vor dem Aufwickeln auf den Walzenkern mit dem Matrixmaterial umgeben werden, insbesondere durch ein Matrixbad gezogen wird und daß die Teilchen bereits in dem Matrixmaterial, insbesondere in dem Matrixbad, enthalten sind und/oder beim Aufwickeln in das das Faserbündel umgebende Matrixmaterial eingebracht werden, 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, und daß die Teilchen bereits in dem Matrixmaterial enthalten sind und/oder nach oder während des Beaufschlagens mit Matrixmaterial in dieses eingebracht werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet , daß als Fasern Glas- und/oder Kohlefasern verwendet werden.
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