FI121087B - Päällystysmenetelmä - Google Patents

Description

f I

Päällystysmenetelmä

Nyt esillä oleva keksintö kohdistuu menetelmään rainan pinnan päällystämiseksi päällystysjauheella, jonka rainan kuituosuus koostuu 5 paperinvalmistuskuiduista, käsittäen seuraavat vaiheet: - valitaan epäorgaanista materiaalia ja polymeerisideainemateriaalia käsittävät päällystysjauheen raaka-aineet, jolla polymeerisideaine-materiaalilla on tunnusomainen lasisiirtymälämpötila Tg, jonka yläpuolella esiintyy tasainen kohta kumimaisessa tilassa, ja dynaami- 10 nen moduuli, joka koostuu mitattavasta elastisesta komponentista G' ja mitattavasta häviökomponentista G”, - muodostetaan päällystysjauhe raaka-aineista, - annetaan rainan liikkua elektrodien välissä, jotka ovat eri potentiaaleilla, 15 - levitetään päällystysjauhetta rainan pinnalle käyttäen hyväksi eroa sähköisessä potentiaalissa, ja - viimeistellään rainan päällystetty pinta prosessivaiheessa, jossa prosessi on järjestetty saavuttamaan maksimilämpötilansa, joka ylittää polymeerisideainemateriaalin lasisiirtymälämpötilan Tg.

20

Kuivapintakäsittelyprosessi on tunnettu menetelmä, jossa kuivapääl-lystysjauhetta levitetään rainalle. Päällystysjauhe sisältää epäorgaanista materiaalia ja polymeerisideainemateriaalia. Kuivapinta-käsittelyprosessilla päällystämiseen liittyvä ongelma on polymeeriside-25 ainemateriaalin käyttäytyminen prosessin aikana. Polymeerien visko-elastiset ominaisuudet riippuvat lämpötilasta ja muodonmuutoksen taajuudesta. Toisaalta polymeerisideainemateriaalin tulisi pehmentää ja muodostaa kalvo ainakin osittain tietyissä prosessiolosuhteissa, koska muutoin jauhemaisen kerroksen koheesiovoima ja sen kiinnitty-30 minen rainaan on riittämätöntä. Toisaalta pehmennetyn polymeerisideainemateriaalin ei tule kiinnittyä vastinpinnoille, joiden kanssa se on yhteydessä prosessin aikana.

Keksinnön menetelmä poistaa edellä mainitut ongelmat. Se on tunnettu 35 siitä, että polymeerisideainemateriaali valitaan siten, että kun lämpötilaa nostetaan yli lasisiirtymälämpötilan, G’VG’-suhde on enintään yhtä suuri kuin G’VG’-suhde lasisiirtymälämpötilassa.

2

Kun G’VG’-suhde on enintään 1 kumimaisessa kohdassa, polymeeri-sideainemateriaali ei kiinnity vastinpinnoille käsittelyn aikana. Energiaa ja kustannuksia voidaan säästää prosessissa, koska voidaan käyttää 5 polymeerisideainemateriaaleja, joilla on matala lasisiirtymälämpötila (toisin sanoen materiaaleja, joilla on matala pehmenemislämpötila). Myös lyhyempiä viipymäaikoja voidaan käyttää prosessissa.

Nyt esillä olevaa keksintöä käytetään hyväksi kuivapintakäsittely-10 prosessissa, jossa rainan sallitaan liikkua eri potentiaaleissa olevien elektrodien välissä. Päällystysjauhe on sähköisesti varattu ainakin yhdellä elektrodilla ainakin yhdellä puolella rainaa, ja päällystysjauheen varautuneet hiukkaset levitetään rainan pinnalle käyttäen hyväksi sähkökenttää, joka muodostetaan rainan yhdellä puolella olevan elektrodin 15 ja rainan toisella puolella olevan ainakin yhden elektrodin välille. Potentiaaliero elektrodien välillä voidaan saada aikaan elektrodeilla, joilla on vastakkaiset polaarisuudet, tai elektrodilla, joka on joko positiivinen tai negatiivinen ja maaelektrodilla. Kun päällystyskerros on muodostettu rainalle, rainan päällystetty pinta viimeistellään käyttämällä 20 lämpöä ja painetta siten, että polymeerisideainemateriaali ainakin osittain sulaa. Viimeistelyvaiheessa prosessi saavuttaa maksimilämpötilansa.

Termomekaanisen käsittelyn edulliset vaihteluvälit ovat: Lämpötila 25 välillä 80-350°C, 25-450 kN/m:n viivakuorma ja 0,1-100 ms:n viipymä-aika (nopeus 150-2500 m/min; nipin pituus 3-1000 mm, yhdessä kauttakulussa). Termomekaaninen käsittely voidaan suorittaa useilla kalanterointimenetelmillä tai kalanteroinnin kaltaisilla menetelmillä. Menetelmissä hyödynnetään telojen väliin muodostuvia nippejä, tai 30 kahden vastinpinnan väliin muodostuvia olennaisesti pitkiä nippejä. Tällaisia nippejä ovat kovanippi-, pehmeä nippi-, pitkänippi- (esim. ken-käpuristin tai hihnakalanteri), Condebelt-tyyppinen kalanteri ja super-kalanteri.

35 Käsiteltävänä olevan jatkuvan rainan kuituosuus koostuu paperin-valmistuskuiduista. Nyt esillä olevassa hakemuksessa paperinvalmis- 3 tuskuiduilla tarkoitetaan puista saatuja kuituja, eli joko mekaanisen tai kemiallisen massan kuituja, tai näiden kahden sekoitteita.

Päällystysjauhe sisältää epäorgaanisia hiukkasia (esim. hienonnettu 5 CaC03, saostettu CaC03, kaoliini, talkki, Ti02, jne.) ja polymeeriside-ainehiukkasia. Sopivia polymeerimateriaaleja polymeerisideaine-hiukkasille ovat esimerkiksi styreenibutadieeni- tai akrylaattikopolymee-rit. Polymeerisideainemateriaali voi käsittää useita polymeerejä, ja sen ominaisuuksia voidaan muunnella. Epäorgaaniset hiukkaset ja poly-10 meerisideainehiukkaset voivat olla erillisiä hiukkasia, tai epäorgaaninen osa ja polymeerinen osa voivat olla integroituina samoihin hiukkasiin. Materiaalipartikkeleiden keskimääräinen halkaisija on yleensä 0,1 -500 pm, sopivimmin 1-15 pm.

15 Päällystysjauhe käsittää 10,1 - 99,5 p-% (kuivapaino) epäorgaanista materiaalia, ja jäljelle jäävä osuus on sopivimmin polymeerisideaine-materiaalia. Päällystysjauhe käsittää edullisesti ainakin 70 p-% epäorgaanista materiaalia, ja edullisemmin ainakin 80 p-% epäorgaanista materiaalia. Päällystysjauhe käsittää edullisesti korkeintaan 99 p-% 20 epäorgaanista materiaalia, ja edullisemmin korkeintaan 95 p-% epäorgaanista materiaalia.

Tunnetulle polymeerikoostumukselle, joka sisältää amorfisen faasin, on tunnettu tai tunnusomainen lämpötilan vaihteluväli, jolla lasittuminen 25 tapahtuu. Tämä siirtymäalue, joka nousevan lämpötilan kanssa vastaa muutosta materiaalin mekaanisissa ominaisuuksissa, kuvataan yleisesti muutoksena lasimaisesta kumimaiseen tilaan. Lasisiirtymälämpö-tila, joka voidaan ottaa tunnusomaisena jokaiselle polymeerityypille, mutta johon vaikutetaan esim. kemiallisilla välineillä, määritetään 30 yleensä staattisessa tilassa. Dynaamisen muodonmuutoksen kohdistaminen materiaalin siirtää lasisiirtymälämpötilaa kohti korkeampia lämpötiloja.

Materiaalin viskoelastinen käyttäytyminen määrittää materiaalin kyvyn 35 virrata. Viskoelastisen materiaan mekaaniset ominaisuudet dynaamisen kuormituksen aikana voidaan osoittaa dynaamisen moduulin elastisilla ja viskoosisilla komponenteilla, jotka esimerkiksi vääntömuodon- 4 muutoksessa ovat leikkausvarastointimoduuli G’ ja leikkaushäviö-moduuli G”.

G7G’-suhdetta kutsutaan häviökertoimeksi, joka tavallisesti saavuttaa 5 maksiminsa lasisiirtymälämpötilassa. Lasisiirtymälämpötilan yläpuolella on vaihteluväli, jota sanotaan tasaiseksi kohdaksi kumimaisessa tilassa. Tasaisessa kohdassa kumimaisessa tilassa häviökerroin muuttuu vähemmän. Tavallisesti häviökerroin tasanteessa kumimaisessa tilassa ei ylitä tasoa, joka on enintään 80 % tasosta, joka saavutetaan lasi-10 siirtymälämpötilassa. Yleisesti tasoa, joka vastaa 50 % lasisiirtymä-lämpötilasta, ei ylitetä. Polymeerisideainemateriaaleille, joilla on erityinen sulamispiste Tm, tasanne kumimaisessa tilassa voidaan määrittää vaihteluvälinä lasisiirtymälämpötilan ja sulamispisteen välillä. Materiaaleille, joilla ei ole erityistä sulamispistettä, tasanne kumimaisessa 15 tilassa voidaan määrittää yksinkertaisesti kumimaisen tilana.

Termomekaanisen käsittelyn viimeistelyvaihe saa aikaan muodonmuutoksia päällystyskerroksessa. Koko päällystyksen muodonmuutosominaisuuksiin vaikuttaa esim. sideaineen valinta ja sisältö, apuaineet 20 ja vuorovaikutukset sideaineen ja pigmenttien välillä. Kun raina ei ole enää kuormitettu (esim. puristettu), osa muodonmuutoksista palaa entiselleen ja jotkut säilyvät (pysyvä muutos). Sideaineelle mitattu G’VG’-suhde osoittaa pysyvien muutosten muodostumisen materiaalissa muodonmuutospaineiden alaisena.

25

Oikein valitun polymeerisideainemateriaalin ominaisuudet kuivapinta-käsittelyprosessin aikana voidaan kuvata seuraavalla tavalla: Kun dynaamisen moduulin elastinen komponentti G’ pysyy vakiona riittävän korkealla tasolla ja G’VG’-suhde on enintään 1 tasaisessa kohdassa 30 kumimaisessa tilassa, polymeerisideainemateriaalin kiinnittyminen vastinpintoihin käsittelyn aikana vähenee. Toisin sanoen elastisen komponentin G’ tulee olla korkeampi tai ainakin yhtä suuri kuin häviö-komponentti G” polymeerisideainemateriaalin pehmenemislämpötilan yläpuolella. Häviökerroin voi olla melkein vakio, tai lievästi nouseva tai 35 laskeva. Edullisesti häviökerroin on vakio ja pysyy vakiona vaihtelu- 5 välillä 0,2-1,0, tai edullisemmin vaihteluvälillä 0,2-0,6 . mitattaessa kohotetuissa lämpötiloissa ja käsittelyä vastaavissa olosuhteissa. Polymeerisideainemateriaalin elastinen moduuli (leikkausvarastointi-moduuli) on edullisesti ainakin 1,0 x 105 Pa mitattaessa määrätyissä 5 olosuhteissa, jotka vastaavat termomekaanista käsittelyä. Tämä korkea elastisuus tavallisesti vaatii polymeerin silloittamista jossain määrin. Näin ollen polymeerisideainemateriaali valitaan siten, että kun lämpötilaa nostetaan yli lasisiirtymälämpötilan, G7G’-suhde on korkeintaan sama kuin lasisiirtymälämpötilan G’VG’-suhde. Lasisiirtymälämpötila 10 määritetään samoissa olosuhteissa kuin häviökerroin. Edullisesti mit-tausolosuhteissa, jotka vastaavat kuivapintakäsittelyn viimeistelyvaihetta, G’VG’-suhde on enintään 1 tasaisessa kohdassa kumimai-sessa tilassa. Edullisemmin G’VG’-suhde on enintään 1 polymeerisideainemateriaalin lasisiirtymälämpötilan ja maksimikäsittelylämpötilan 15 välillä (päällystysmateriaalin lämpötila).

Viskoelastiset ominaisuudet termomekaanisen käsittelyn aikana voidaan märittää ASTM D5279-01:n mukaisesti seuraavalla tavalla: Paksuudeltaan 1-3 mm oleva tasainen kalvo valmistetaan polymeeriside-20 ainemateriaalista. Kalvo laitetaan vääntörasituksen alaiseksi, ja samaan aikaan kalvon sallitaan liikkua määrätyn lämpötilavaihteluvälin läpi. Koska viskoelastiset ominaisuudet voivat vaihdella mittausolo-suhteiden välillä, on tärkeää määrittää olosuhteet jokaisessa tapauksessa. Käytetty lämpötila-alue oli -30-130°C ja lämpötilan nousu 25 3°C/min. Käytetty taajuus oli 1 Hz. Vääntökuormitus sai aikaan leikkausta materiaalissa säädetyllä 16 % jännityksellä (suhteessa täyteen kehään).

Seuraavassa keksintöä selitetään viittaamalla kuviin, joissa 30

Kuvat 1 ja 2 esittävät käyriä, jotka edustavat elastista moduu lia ja häviökerrointa lämpötilan funktiona.

Kuvassa 1 leikkausmoduulin elastista komponenttia G’ edustaa käyrä 35 A, ja häviökerrointa G7G’ edustaa käyrä B. Käyrät esittävät polymeerisideainemateriaalin ominaisuuksia, jolla materiaalilla on hyväksyttävät ominaisuudet käytettäväksi kuivapintakäsittelyprosessissa. Elastinen 6 moduuli on ainakin 1,0 x 105 Pa, ja häviökerroin on enintään 1. Materiaalin tunnusomainen lasisiirtymälämpötila on 24°C (mitattuna staattisessa tilassa). Kuitenkin huippu lasisiirtymälämpötilaa edustavassa käyrässä B on liikkunut kohti korkeampia lämpötiloja dynaamisesta 5 mittausmenetelmästä johtuen.

Kuvassa 2 leikkausmoduulin elastista komponenttia G’ edustaa käyrä C, ja häviökerrointa G”/G’ edustaa käyrä D. Käyrät esittävät polymeeri-sideainemateriaalin ominaisuuksia, jolla materiaalilla ei ole hyväksyttä-10 viä ominaisuuksia käytettäväksi kuivapintakäsittelyprosessissa. Elastinen moduuli on alle 1,0 x 105 Pa kun lämpötila ylittää 75°C, ja häviö-kerroin on yli 1 kun lämpötila ylittää 110°C. Materiaalin tunnusomainen lasisiirtymälämpötila on 24°C. On erittäin todennäköistä, että tämä polymeerisideainemateriaali epäedullisesti tarttuu pintoihin käsittelyn 15 aikana.

Keksintö ei rajoitu edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan se voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

20

Claims (6)

1. Menetelmä rainan pinnan päällystämiseksi päällystysjauheella, jonka rainan kuituosa koostuu paperinvalmistuskuiduista, käsittäen seuraavat 5 vaiheet: - valitaan epäorgaanista materiaalia ja polymeerisideainemateriaalia käsittävät päällystysjauheen raaka-aineet, jolla polymeerisideaine-materiaalilla on tunnusomainen lasisiirtymälämpötila Tg, jonka yläpuolella esiintyy tasainen kohta kumimaisessa tilassa, ja dynaami- 10 nen moduuli, joka koostuu mitattavasta elastisesta komponentista G1 ja mitattavasta häviökomponentista G”, - muodostetaan päällystysjauhe raaka-aineista, - annetaan rainan liikkua elektrodien välissä, jotka ovat eri potentiaaleilla, 15. levitetään päällystysjauhetta rainan pinnalle käyttäen hyväksi eroa sähköisessä potentiaalissa, ja - viimeistellään rainan päällystetty pinta prosessivaiheessa, jossa prosessi on järjestetty saavuttamaan maksimilämpötilansa, joka ylittää polymeerisideainemateriaalin lasisiirtymälämpötilan Tg, 20 tunnettu siitä, että polymeerisideainemateriaali valitaan siten, että kun lämpötilaa nostetaan yli lasisiirtymälämpötilan, G’VG’-suhde on enintään yhtä suuri kuin lasisiirtymälämpötilan G’VG’-suhde.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että

25 G’VG’-suhde on enintään 1 tasaisessa kohdassa kumimaisessa tilassa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että G’VG’-suhde on enintään 1 lasisiirtymälämpötilan ja maksimi-prosessilämpötilan välillä. 30

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elastinen moduuli on ainakin 1,0 x 105 Pa lämpötilan vaihteluvälillä, joka on alle maksimiprosessilämpötilan.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että häviökerroin tasaisessa kohdassa kumimaisessa tilas- sa on enintään 80 % arvosta, joka saavutetaan lasisiirtymälämpö-tilassa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 häviökerroin tasaisessa kohdassa kumimaisessa tilassa on enintään 50 % arvosta, joka saavutetaan lasittumislämpötilassa.