EP2148002A1 - Endlosband zur Bearbeitung flächig ausgebildeter Materialbahnen - Google Patents

Endlosband zur Bearbeitung flächig ausgebildeter Materialbahnen Download PDF

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EP2148002A1
EP2148002A1 EP09163215A EP09163215A EP2148002A1 EP 2148002 A1 EP2148002 A1 EP 2148002A1 EP 09163215 A EP09163215 A EP 09163215A EP 09163215 A EP09163215 A EP 09163215A EP 2148002 A1 EP2148002 A1 EP 2148002A1
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endless belt
carbon nanotubes
matrix material
elastic
belt according
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Martin Dr. Staiger
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Voith Patent GmbH
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Voith Patent GmbH
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    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21F—PAPER-MAKING MACHINES; METHODS OF PRODUCING PAPER THEREON
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    • D21F3/02—Wet presses
    • D21F3/0209—Wet presses with extended press nip
    • D21F3/0218—Shoe presses
    • D21F3/0227—Belts or sleeves therefor
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21F—PAPER-MAKING MACHINES; METHODS OF PRODUCING PAPER THEREON
    • D21F7/00—Other details of machines for making continuous webs of paper
    • D21F7/08—Felts
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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
    • D21G1/006—Calenders; Smoothing apparatus with extended nips

Definitions

  • the invention relates to an elastic endless belt for devices for processing sheet-formed material webs, which comes into contact with the material web to be processed, consisting at least partially of a matrix material, preferably of plastic and in particular polyurethane, are embedded in the nanoparticle.
  • the material to be produced or the material web to be processed is passed over a plurality of rollers of different design.
  • the smoothing of a paper web is usually achieved by pressurizing the paper web.
  • the paper web passes through a passsnip, which is formed by two mutually adjacent rollers. This arrangement is commonly referred to as a calender.
  • Such processing of the paper web is accordingly also referred to as calendering.
  • a first problem is due to the short residence time of the paper web in nip classic calender. This has the consequence that a larger number of firmwaresnips must be used to achieve the desired processing result. This requires a correspondingly large number of calender rolls, which are correspondingly expensive to buy. Even the provision of the roll shells with an elastic coating does not significantly reduce the necessary rolls for a high quality calendering, although the nip is widened a little.
  • One way to reduce the required number of nips is to increase the residence time of the web in a single nip more clearly. This is accomplished by so-called wide-nip calenders.
  • one of the calender rolls is provided with an elastic roll shell.
  • the corresponding roll surface is convexly deformed by the corresponding calender roll in the nip area, together with the roll shell, so that a nip with a greater processing length is formed.
  • a disadvantage of such wide-nip calenders is that there are some restrictions on the material selection with respect to the roll surface.
  • the elastic deformability of a calender roll sets the speed of the rollers certain limits.
  • a problem with calenders is the slack. With today's calender rolls lengths of up to 15 m in length and more, there is a considerable sag of the rolls. This sag can be problematic in terms of vibration. In addition, the slack causes uneven driving speed of the paper web to be calendered over the roll length. In particular, to address the latter problem, different ways of crowning have been proposed in the past.
  • a particularly promising approach to avoid the unavoidable sag of rolls consists in so-called bending compensation rolls.
  • a carrier element over its length is provided with pressure elements.
  • a hollow cylinder is guided, which contacts the paper web to be calendered and serves for this as a roll surface.
  • a problem with the calenders last described is to be able to dimension the strength of the endless belt sufficiently due to tensile and compressive loads or temperature influences. For this reason, the endless belts have been filled with fillers that increase strength and thermal conductivity. Nanoparticles have also been discussed here.
  • the matrix material in which the nanoparticles are embedded preferably consists of the plastic polyurethane, but other materials can also be used, for example latex or rubber.
  • Such elastic endless belts are for example from the WO 2005/090429 A1 known.
  • band calender as well as Breitnipkalander be found whose endless belts are made of polyurethane and contain nanoparticles.
  • fillers for example in the form of fibers or powder are introduced into the matrix material.
  • the thermal conductivity of the elastic endless belts can be improved by using fillers having a high thermal conductivity.
  • the nanoparticles are formed by carbon nanotubes.
  • Carbon nanotubes, or CNTs are microscopic tubular structures (molecular nanotubes) made of carbon. Their walls consist only of carbon, the carbon atoms occupying a honeycomb-like structure with hexagons and three bonding partners. This structure allows a good embedding in the matrix material, which is preferably polyurethane. Despite their ease, carbon nanotubes show significantly improved behavior within the matrix material in terms of strength and thermal conductivity.
  • the length of the carbon nanotubes is very long compared to the diameter.
  • the prior art describes particles in the order of 1 to 100 nm.
  • carbon nanotubes have a length in the millimeter range.
  • the carbon nanotubes correspond to fibers (like paper fibers in the paper). They are to be networked to absorb even better forces, so that the endless belt is durable.
  • carbon nanotubes are stronger than steel or carbon fibers. Therefore, it is advantageous if the carbon nanotubes embedded in the matrix material have a diameter range of 0.2 to 50 nm and a length of more than 1000 nm.
  • Carbon nanotubes of this size also have the advantage that the endless belt can be sanded very smooth, which is particularly beneficial for the processing of the material web.
  • the smoother the treatment band the better, for example, a calendered paper in its surface properties.
  • the number of requiredndelsnips can be reduced by the improved surface smoothness, since even on the elastic endless belt associated side of the paper web, a high smoothness of the web can be achieved and not, as in the known endless belts made of plastic, for example on a hard and heated counter roll produced smoothness of the web is partially deteriorated again by the contact with the known endless belt.
  • the endless belt according to the invention can be easily provided with surface roughnesses Ra below 0.05 ⁇ m.
  • the carbon nanotubes are preferably crosslinked with one another in the matrix material of the endless belt. It has been shown that thereby the bending fatigue strength of the endless belt is greater by at least one power of ten compared to endless belts with conventional nanoparticles.
  • the tensile strength of the carbon nanotubes is above 40 GPa. With such a tensile strength they are today's usual and planned loads in calenders and other processing machines grown with perfect break resistance. A change of the endless belt can be planned for the user of the endless belt, since the wear interval is known from experience and it no longer comes to extraordinary endless belt changes due to overstretching.
  • the carbon nanotubes have a thermal conductivity of more than 5000 W / mK.
  • a uniform heat distribution in the endless belt is ensured so that partial high pressure loads can no longer lead to so-called hot spots (these are places where the endless belt is heated inadmissibly).
  • the production of the elastic endless belt can take place in known manner, for example by injection, casting or winding method on an endless belt core, wherein inventively carbon nanotubes introduced into the elastic matrix material or coated in a winding process with this. It is particularly favorable if the endless belt is composed of strip-like or filamentary base components which contain the matrix material and the carbon nanotubes. The base material strips or threads can then be glued, welded, interwoven or melted, for example. This ensures a uniform distribution of the carbon nanotubes.
  • the endless belt it is useful not only to give the endless belt the property of high smoothness, so that in a pressure treatment the web of material, the smoothness of the endless belt is virtually transferred, but also to allow him a certain porosity. This makes it possible to extract or supply moisture to a material web. Due to the long carbon nanotubes in the remaining matrix material, the strength of the endless belt is ensured even with porosity.
  • the band if it is additionally heated.
  • the effectiveness of a calendering or drying process of a material web is significantly improved by the supply of heat. This can be done inductively, if the endless belt additionally contains magnetizable particles or is heated from the outside via a hot air blower. Accordingly, the endless belt should then be able to cope with temperatures in the order of 100 ° C without damage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elastisches Endlosband für Vorrichtungen zur Bearbeitung flächig ausgebildeter Materialbahnen, das mit der zu bearbeitenden Materialbahn in Kontakt tritt, bestehend zumindest teilweise aus einem Matrixmaterial aus Kunststoff, vorzugsweise Polyurethan, in das Nanopartikel eingebettet sind. Zur Erhöhung der Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit bestehen die Nanopartikel aus Kohlenstoffnanoröhren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elastisches Endlosband für Vorrichtungen zur Bearbeitung flächig ausgebildeter Materialbahnen, das mit der zu bearbeitenden Materialbahn in Kontakt tritt, bestehend zumindest teilweise aus einem Matrixmaterial, vorzugsweise aus Kunststoff und insbesondere aus Polyurethan, in das Nanopartikel eingebettet sind.
  • Bei Maschinen zur Bearbeitung flächig ausgebildeter Materialbahnen, wie insbesondere bei Papiermaschinen oder Kartonmaschinen, wird die herzustellende bzw. die zu bearbeitende Materialbahn über eine Vielzahl von unterschiedlich ausgebildeten Walzen geleitet. Beispielsweise wird die Glättung einer Papierbahn üblicherweise durch eine Druckbeaufschlagung der Papierbahn erreicht. Dazu durchläuft die Papierbahn einen Bearbeitungsnip, der von zwei zueinander benachbarten Walzen gebildet wird. Diese Anordnung wird üblicherweise als Kalander bezeichnet. Eine derartige Bearbeitung der Papierbahn wird dementsprechend auch als Kalandrieren bezeichnet.
  • Mit fortschreitender Weiterentwicklung von Papiermaschinen stieß man auf gewisse Probleme und Einschränkungen, die ein Kalanderaufbau mit zwei zumindest im Walzenmantel starren, metallischen, einander gegenüberliegenden Kalanderwalzen aufweist.
  • Ein erstes Problem liegt in der kurzen Verweildauer der Papierbahn im Nip klassischer Kalander begründet. Dies hat zur Folge, dass eine größere Anzahl an Bearbeitungsnips verwendet werden muss, um das erwünschte Bearbeitungsergebnis zu erreichen. Dies setzt eine entsprechend große Anzahl an Kalanderwalzen voraus, die entsprechend teuer in der Anschaffung sind. Auch das Versehen der Walzenmäntel mit einem elastischen Belag verringert nicht wesentlich die notwendigen Walzen für ein hochwertiges kalandrieren, obwohl der Nip dadurch ein wenig verbreitert wird.
  • Eine Möglichkeit zur Verringerung der erforderlichen Anzahl an Nips besteht darin, die Verweildauer der Papierbahn in einem einzelnen Nip deutlicher zu vergrößern. Dies bewerkstelligen sogenannte Breitnip-Kalander. Bei diesen ist eine der Kalanderwalzen mit einem elastischen Walzenmantel versehen. Dadurch wird die entsprechende Walzenoberfläche von der korrespondierenden Kalanderwalze im Nipbereich konvex mitsamt dem Walzenmantel verformt, so dass ein Nip mit größerer Bearbeitungslänge entsteht. Ein Nachteil derartiger Breitnip-Kalander ist, dass bezüglich der Walzenoberfläche gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Materialauswahl bestehen. Darüber hinaus setzt die elastische Verformbarkeit der einen Kalanderwalze der Drehzahl der Walzen gewisse Grenzen.
  • Um die Einschränkungen hinsichtlich der Materialbeschaffenheit der Kalanderwalzenoberflächen zu beseitigen, wurde auch bereits vorgeschlagen, die zu kalandrierende Papierbahn auf der Seite, die der elastisch verformbaren Walze zugewandt ist, mit einem dünnwandigen, metallischen Endlosband zu unterstützen. Dieses Endlosband dient quasi als Ersatz für eine metallische Walzenoberfläche.
  • Um die Bearbeitungslänge eines Breitnip-Kalanders weiter zu erhöhen, wurde darüber hinaus vorgeschlagen, anstelle einer elastisch verformbaren Walze einen konvex geformten Andruckschuh vorzusehen, der gegen eine dazu von der Form her korrespondierende Walzenoberfläche gepresst wird. Zwischen dem Andruckschuh und der zu kalandrierenden Papierbahn befindet sich ein dünnwandiges Endlosband aus Metall, das die zu kalandrierende Papierbahn im Bereich des Andruckschuhs unterstützt und sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Papierbahn bewegt.
  • Ein Problem bei Kalandern ist der Durchhang. Bei heutigen Kalanderwalzenlängen von bis zu 15 m Länge und mehr, kommt es zu einem nicht unerheblichen Durchhang der Walzen. Dieser Durchhang kann sich in Bezug auf entstehende Vibrationen als problematisch erweisen. Darüber hinaus bewirkt der Durchhang eine ungleichmäßige Vortriebsgeschwindigkeit der zu kalandrierenden Papierbahn über die Walzenlänge hinweg gesehen. Um insbesondere letzteres Problem anzugehen, wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Möglichkeiten der Bombierung vorgeschlagen.
  • Ein besonders viel versprechender Ansatz, um den nie ganz zu vermeidenden Durchhang von Walzen zu umgehen, besteht in sogenannten Biegekompensationswalzen. Hierzu wird ein Trägerelement über seine Länge hinweg mit Andruckelementen versehen. Über die Andruckelemente wird ein Hohlzylinder geführt, der die zu kalandrierende Papierbahn kontaktiert und für diese als Walzenoberfläche dient. Bei einer entsprechend dünnen Ausführung des Zylindermantels bildet dieser schlussendlich ein elastisches Endlosband.
  • Ein Problem bei den zuletzt beschriebenen Kalandern ist es, die Festigkeit des Endlosbandes aufgrund von Zug- und Druckbelastungen oder Temperatureinflüssen ausreichend dimensionieren zu können. Aus diesem Grund wurden die Endlosbänder mit Füllstoffen gefüllt, die die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit erhöhen. Hier sind auch bereits Nanopartikel im Gespräch gewesen. Das Matrixmaterial, in das die Nanopartikel eingebettet sind besteht vorzugsweise aus dem Kunststoff Polyurethan, aber es sind durchaus auch andere Werkstoffe einsetzbar, beispielsweise Latex oder Gummi.
  • Derartige elastische Endlosbänder sind beispielsweise aus der WO 2005/090429 A1 bekannt. In dieser Schrift sind sogenannte Bandkalander als auch Breitnipkalander zu finden, deren Endlosbänder aus Polyurethan bestehen und Nanopartikel enthalten. Zur Steuerung der Eigenschaften des elastischen Endlosbandes werden üblicherweise Füllstoffe, beispielsweise in Form von Fasern oder Pulver in das Matrixmaterial eingebracht. Je nach Menge und physikalischer Eigenschaft dieser Füllstoffe werden die physikalischen Eigenschaften des elastischen Endlosbandes von den Füllstoffen dominiert bzw. beeinflusst. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit der elastischen Endlosbänder durch Verwendung von Füllstoffen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verbessert werden.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Ausführung von Endlosbändern bezüglich ihrer Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit noch weiter zu bessern.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Nanopartikel durch Kohlenstoffnanoröhren gebildet werden. Kohlenstoffnanoröhren, auch CNT (carbon nanotubes), sind mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde (molekulare Nanoröhren) aus Kohlenstoff.
    Ihre Wände bestehen nur aus Kohlenstoff, wobei die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen. Diese Struktur erlaubt eine gute Einbettung in das Matrixmaterial, das vorzugsweise Polyurethan ist. Trotz ihrer Leichtigkeit zeigen Kohlenstoffnanoröhren ein deutlich verbessertes Verhalten innerhalb des Matrixmaterials in Bezug auf die Festigkeit und die Wärmeleitfähigkeit.
  • Die Länge der Kohlenstoffnanoröhren ist verglichen zum Durchmesser sehr lang. Der Stand der Technik beschreibt Partikel in einer Größenordnung von 1 bis 100 nm. Kohlenstoffnanoröhren haben dagegen eine Länge im Millimeter-Bereich. Die Kohlenstoffnanoröhren entsprechen Fasern (wie Papierfasern im Papier). Sie sollen vernetzt werden, um noch besser Kräfte aufnehmen können, so dass das Endlosband haltbarer wird. Insbesondere Kohlenstoffnanoröhren sind fester als Stahl oder Kohlefasern. Deshalb ist es von Vorteil, wenn die in das Matrixmaterial eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren einen Durchmesserbereich von 0,2 bis 50 nm und eine Länge von mehr als 1000 nm haben.
  • Kohlenstoffnanoröhren dieser Größenordnung haben zudem den Vorteil, dass das Endlosband besonders glatt geschliffen werden kann, was für die Bearbeitung der Materialbahn besonders zuträglich ist. Je glatter das Behandlungsband, desto besser ist beispielsweise ein kalandriertes Papier in seinen Oberflächeneigenschaften. Weiterhin kann durch die verbesserte Oberflächenglätte die Anzahl der erforderlichen Bearbeitungsnips verringert werden, da auch auf der dem elastischen Endlosband zugeordneten Seite der Papierbahn eine hohe Glätte der Materialbahn erzielt werden kann und nicht, wie bei den bekannten Endlosbändern aus Kunststoff, eine beispielsweise an einer harten und beheizten Gegenwalze erzeugte Glätte der Materialbahn teilweise durch den Kontakt mit dem bekannten Endlosband wieder verschlechtert wird. Das erfindungsgemäße Endlosband ist problemlos mit Oberflächenrauigkeiten Ra unter 0,05 µm zu versehen.
  • Vorzugsweise sind die Kohlenstoffnanoröhren untereinander vernetzt in das Matrixmaterial des Endlosbandes eingebracht. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Biegewechselfestigkeit des Endlosbandes um wenigstens eine Zehnerpotenz gegenüber Endlosbändern mit üblichen Nanopartikeln größer ist.
  • Günstig ist es, wenn die Zugfestigkeit der Kohlenstoffnanoröhren über 40 GPa liegt. Mit einer solchen Zugfestigkeit sind sie heute üblichen und geplanten Belastungen in Kalandern und anderen Bearbeitungsmaschinen mit vollkommener Bruchsicherheit gewachsen. Ein Wechsel des Endlosbandes wird für den Verwender des Endlosbandes planbar, da das Verschleißintervall erfahrungsgemäß bekannt ist und es nicht mehr zu außerordentlichen Endlosbandwechseln wegen Überdehnung kommt.
  • Auf der anderen Seite ist dadurch eine begrenzte Dehnungsmöglichkeit des Endlosbandes gegeben, die es gestattet in Kontakt mit der Materialbahn eine Mikrofriktion herbeizuführen, was zu besonders erwünschten Effekten bei einer Oberflächenbehandlung beitragen kann.
  • Mit Vorteil ist dafür gesorgt, dass die Kohlenstoffnanoröhren eine Wärmeleitfähigkeit über 5000 W/mK haben. Insbesondere bei relativ langen Kohlenstoffnanoröhren wird für eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Endlosband gesorgt, so dass partielle hohe Druckbelastungen nicht mehr zu so genannten Hot Spots (das sind Stellen, an denen sich das Endlosband unzulässig erwärmt) kommen kann.
  • Die Herstellung des elastischen Endlosbandes kann in bekannter Weise beispielsweise durch Spritz-, Gieß- oder Wickelverfahren auf einem Endlosbandkern erfolgen, wobei erfindungsgemäß Kohlenstoffnanoröhren in das elastische Matrixmaterial eingebracht bzw. bei einem Wickelverfahren mit diesem beschichtet werden. Besonders günstig ist es, wenn das Endlosband aus streifen- oder fadenförmigen Basiskomponenten, die das Matrixmaterial und die Kohlenstoffnanoröhren beeinhalten, zusammengesetzt ist. Die Basismaterialstreifen oder -fäden lassen sich dann beispielsweise verkleben, verschweißen, verweben oder verschmelzen. So wird eine gleichmäßige Verteilung der Kohlenstoffnanoröhren sicher gestellt.
  • In einigen Anwendungsfällen ist es sinnvoll, dem Endlosband nicht nur die Eigenschaft einer hohen Glätte zuzuweisen, so dass bei einer Druckbehandlung der Materialbahn die Glätte des Endlosbandes quasi übertragen wird, sondern ihm auch eine gewisse Porosität zu erlauben. Dadurch wird es möglich, einer Materialbahn Feuchtigkeit zu entziehen oder zuzuführen. Durch die langen Kohlenstoffnanoröhren im verbleibenden Matrixmaterial ist die Festigkeit des Endlosbandes auch bei Porosität gewährleistet.
  • Ganz besonders wirkungsvoll wird das Band, wenn es zusätzlich noch beheizbar ist. Die Effektivität eines Kalandrier- oder Trocknungsvorgangs einer Materialbahn wird durch die Zufuhr von Wärme deutlich verbessert. Dies kann auf induktivem Weg geschehen, wenn das Endlosband zusätzlich magnetisierbare Partikel enthält oder von außen über ein Heißluftgebläse erwärmt wird. Entsprechend sollte das Endlosband dann Temperaturen in einer Größenordnung über 100°C ohne Beschädigung verkraften können.

Claims (7)

  1. Elastisches Endlosband für Vorrichtungen zur Bearbeitung flächig ausgebildeter Materialbahnen, das mit der zu bearbeitenden Materialbahn in Kontakt tritt, bestehend zumindest teilweise aus einem Matrixmaterial, vorzugsweise aus Kunststoff und insbesondere aus Polyurethan, in das Nanopartikel eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel durch Kohlenstoffnanoröhren gebildet werden.
  2. Elastisches Endlosband gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Matrixmaterial eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren einen Durchmesserbereich von 0,2 bis 50 nm und eine Länge von mehr als 1000 nm haben.
  3. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren untereinander vernetzt in das Matrixmaterial des Endlosbandes eingebracht sind.
  4. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit der Kohlenstoffnanoröhren über 40 GPa liegt.
  5. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren eine Wärmeleitfähigkeit über 5000 W/mK haben.
  6. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband aus streifen- oder fadenförmigen Basiskomponenten, die das Matrixmaterial und die Kohlenstoffnanoröhren beinhalten, zusammengesetzt ist.
  7. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband porös ist.
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