Vorrichtung und Verfahren zum Glätten und Kalibrieren von Papier, insbesondere von fotografischen Basispapieren

Abstract

 Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Glätten und Kali­brieren von Papier, das heißt ein Glättwerk insbesondere in seiner Verwendung zur Herstellung fotografischen Basis­papiers in einer Papiermaschinenlinie.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Glätten und Kalibrieren von Papieren mit wenigstens vier aneinander an­geordneten Walzen.

[0002] Um die Oberflächencharakteristik eines fertigen Papiers zu verändern, ohne zusätzliche Schichten aufzutragen, haben sich in der Papierindustrie Glättwerke und Kalander durch­gesetzt. Beide glätten, ebnen und verdichten das Papier.

[0003] Glättwerke bestehen üblicherweise aus mehreren übereinander angeordneten harten Walzen (z.B. Stahl). Die Papierbahn durchläuft die "harten" Walzenspalten und wird, abhängig vom aufgegebenen Druck, verdichtet und geglättet.

[0004] Kalander bestehen üblicherweise aus mehreren übereinander angeordneten Walzen, die abwechselnd aus harten Walzen (z.B. Stahl) und weichen Walzen (z.B. papierbelegte Stahl­walzen) bestehen. Die Papierbahn durchläuft auch hier die Walzenspalten und wird, unabhängig vom aufgegebenen Druck, verdichtet und geglättet.

[0005] Durch die unterschiedlichen Walzenkombinationen lassen sich unterschiedliche Ergebnisse erzielen, so daß sich für beide Aggregate auch unterschiedliche Anwendungsbereiche ergeben haben.

[0006] Glättwerke, die meistens in Papiermaschinen integriert sind (Maschinenglättwerke), verdichten und glätten das Papier mit Normaldrücken. Dickeschwankungen des Papieres werden ausgeglichen, das Papier wird kalibriert. Es resul­tiert ein verdichtetes Papier mit eingeebneter Oberfläche. Dafür müssen ungleichmäßige Dichte, verminderte Dicke, Steifigkeit und Opazität sowie im Extremfall Glanzmottle auf der Oberfläche in Kauf genommen werden.

[0007] Kalander, die meistens als separate Aggregate betrieben werden, verdichten das Papier mit Normaldrücken und durch zusätzliche Verformungskräfte, hervorgerufen durch Walk­arbeit in den Walzenspalten. Durch die Walkarbeit werden neben der Verdichtung des Papiers auch Dichteunterschiede im Papiergefüge in Grenzen ausgeglichen. Es resultiert ein gleichmäßiges verdichtetes Papier mit glänzender, glatte­rer, jedoch weniger ebener Oberfläche ohne Glanzmottle. Dafür müssen verminderte Dicke, Steifigkeit und Opazität in Kauf genommen werden.

[0008] Die beschriebenen grundsätzlich unterschiedlichen Auswir­kungen beider Aggregate sind in ihren Dimensionen natürlich auch abhängig vom Papieraufbau, einem Feuchtegehalt und seiner Zusammensetzung sowie von der Höhe des angewandten Druckes und der Bahntemperatur bei der Bearbeitung.

[0009] Schichtträgermaterialien für lichtempfindliche Schichten sollen hochebene Oberflächen aufweisen, um "fotografischen mottle" weitgehend zu vermeiden. Der fotografische "mottle"-­Begriff ist in DE 34 26 782 beschrieben.

[0010] Um ein hochebenes Endprodukt zu erzielen, muß schon das Basis­papier möglichst ebene Oberflächen aufweisen. Kalander, die überwiegend Glanz und Glätte erzeugen, haben sich deshalb für die Herstellung von Basispapieren für Schichtträger licht­empfindlicher Materialien nicht bewährt. Zum Einebnen der Papieroberflächen bedient man sich vielmehr vorzugsweise der Glättwerke.

[0011] Ein Glättwerk besteht aus 2 bis 10 Walzen, die üblicherweise senkrecht übereinander angeordnet sind und befindet sich vor­zugsweise in einer Papiermaschine zwischen Trocknung und Auf­rollung. Die unterste, mit einem Antrieb versehene Trägerwalze kann bombiert sein und ist im Durchmesser größer als die rest­lichen Walzen. Die restlichen Walzen haben in der Regel gleiche Durchmesser, manchmal jedoch sind die oberste und die zweit­unterste Walze im Durchmesser geringfügig größer als die an­deren. Ein Maschinenglättwerk ist beispielsweise in G.A., Smook - Handbook for Pulp and Paper Technologists - Ausgabe 1982, Seiten 254 - 258 beschrieben.

[0012] Um ein Papier zu kalibrieren, d.h. um einem Papier an allen Orten eine identische Dicke zu geben, ist der durch das Eigen­gewicht der Walzen eines Glättwerks gegebene Druck normaler­weise zu gering. Das Glättwerk wird deshalb zusätzlich mit Druck belastet. Bei Druckbelastung neigen jedoch gestapelte Walzen in einem Glättwerk dazu, ihre Lage zu verändern und seitlich auszuweichen. Selbst kleine Veränderungen der Lage einer Walze machen sich durch ein verändertes Dickenprofil des Papiers, quer über die Bahn gemessen, bemerkbar. Je mehr Walzen ein Glättwerk besitzt, desto geringer kann der Zusatzdruck sein, aber um so schwie­riger ist die exakte Fixierung der Walzenlage zu beherrschen. Weniger Walzen bedingen andererseits einen höheren Druck. In der Praxis werden deshalb Maschinenglättwerke mit 4 bis 7 Walzen bevorzugt.

[0013] Walzenanzahl und Druckbelastung müssen jedoch immer auf die Anforderungen des Papiers abgestimmt werden. Bei relativ hohen Verdichtungen, wie sie zur Herstellung fotografischer Basispapiere erwünscht und üblich sind, werden deshalb Maschinenglättwerke mit 8 bis 14 Walzen bevorzugt. Eine geringere Walzenzahl würde wegen der dann erforderlichen hohen Drücke zu einer teilweisen Zerstörung des Fasergefüges führen. Selbst bei den 8 bis 14 Walzen-Hochdruckglättwerken können noch Liniendrücke bis zu 300 N/mm oder mehr auftreten, ein Druckbereich, der für das beschriebene "Ausweichen" der Glättwerkwalzen prädestiniert ist.

[0014] Hoher Druck bewirkt im Walzenspalt neben einer Volumenver­minderung des Papiers einen Breitenzuwachs (Querdehnung) der Papierbahn. Die im Walzenspalt fixierte Papierbahn kann sich jedoch nicht frei in die Breite ausdehnen. Dies kann bei zu starker Druckbelastung im ersten Walzenspalt (Nip) eines Glättwerks zu Längsfalten im Papier führen, die unter Umständen eingebügelt werden und die Walzenober­flächen beschädigen können. Diese Gefahr wird mit geringe­rem Flächengewicht größer (Vergleiche: Wochenblatt für Papierfabrikation 22, 1985, Seite 859). Selbst Hochdruck­glättwerke mit 7 bis 14 Walzen sind daher in vielen Fällen nicht in der Lage, die gewünschte Verdichtung ohne gleich­zeitig auftretende Nachteile zu realisieren.

[0015] Als nachteilig stellte sich ferner heraus, daß bei hoher Verdichtung des Basispapiers im ersten Nip als Folge des Einschlusses von Luft im Papiervlies kleine Hohlräume ent­stehen. Bei der nachfolgenden beidseitigen Beschichtung des verdichteten Basispapiers mit Polyolefinharz im Extru­sionsbeschichtungsverfahren dehnt sich die in den Hohlräumen verbliebene Luft zunächst bei Erwärmung aus. Im Verlauf der anschließenden, im Kontakt mit dem Kühlzylinder erfolgen­den Abkühlung schrumpfen die eingeschlossenen Luftblasen, und der darüber befindliche Polyolefinfilm fällt ein zu winzigen Vertiefungen, sogenannten "pits". Diese "pits" sind nach späterer Emulsionierung und Bebilderung als deut­lich sichtbare Störung im fotografischen Bild unerwünscht. Auch diese Erscheinung setzte dem Einsatz von Hochdruck­glättwerken Grenzen.

[0016] Schließlich erwies sich als nachteilig, daß bei üblichen Glättwerken mit Walzen gleichen Durchmessers in bestimmten Bereichen der Bahngeschwindigkeit Resonanzschwingungen in den Walzen auftraten. Diese führten zu quer über die Papierbahn verlaufenden Markierungen, die aus Streifen abweichender Verdichtung bestanden und selbst nach Polyolefin­harzbeschichtung als Oberflächenstörungen erkennbar blieben. Dieser Nachteil setzt bestimmte Grenzen im Hinblick auf eine wünschenswerte stufenlose Veränderung bzw. Anpassung der Maschinengeschwindigkeit.

[0017] Als letztes erwies sich auch die bislang bei Maschinenglätt­werken übliche starre Bombierung der Tragewalze bzw. der Trage­walze und ein oder zwei weiteren Walzen als nachteilig, weil dadurch die Flexibilität der Anlage begrenzt wird auf wenige Flächengewichts-Druck-Paarungen. Insbesondere in diesem Zu­sammenhang müssen auch die mit den Arbeits- und Außenbedin­gungen wechselnden Walzentemperaturen als nachteilig vermerkt werden. Vor allem Maschinenglättwerke, in die das aus der Trockenpartie einer Papiermaschine kommende Papier direkt einläuft, zeigen erhebliche Temperaturschwankungen, die häu­fig mit zusätzlichen Verformungen der Walzen und Dickeunter­schieden des Papiers zwischen Bahnkante und Bahnmitte ver­knüpft sind, die durch Walzenbombierung nicht aufgefangen werden können.

[0018] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Vor­richtung und ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung vor­zuschlagen, mit denen die oben geschilderten Nachteile ver­mieden werden und ein hochglattes- und "pit"-freies Papier erhalten wird.

[0019] Bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen beschriebenen Vorrichtungen und Verfahrensmaßnahmen gelöst.

[0020] Erfindungsgemäß sind die beiden ersten Walzen, in deren Spalt das Papier zuerst eingezogen wird von größerem Durchmesser als die restlichen Walzen, außer der Träger­walze. Das Verhältnis der Durchmesser der dickeren Walzen zu den Durchmessern der dünnen Walzen liegt im Bereich von 1 : 0,45 bis 0,70. Wichtig dabei ist, daß das Ver­hältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser bei den dickeren Walzen zwischen 4 : 1 und 8 : 1 einschließlich gehalten wird und bei den dünneren Walzen zwischen 10 : 1 und 14 : 1 einschließlich. Die erste und die letzte Walze können zonengesteuert sein. In der Erpro­bung hat sich gezeigt, daß die in der Aufgabe beschrie­bene Qualitätssteigerung des Papiers erfolgt, ohne daß die oben weiter beschriebenen Nachteile auftreten; das gilt für alle Papiere, Halbkartons und Kartons. Die Pa­piere bzw. Kartons können mit oder ohne Füllstoff gear­beitet sein. Versuche wurden durchgeführt mit Flächenge­wichten zwischen 50 g/m und 300 g/m sowohl mit als auch ohne Füllstoff.

[0021] Die Erfindung wird nun anhand von zwei ausgewählten Beispielen nachfolgend näher erläutert:

[0022] In einer besonderen Ausführungsform besteht das Glätt­werk aus wenigstens drei aneinander angeordneten Wal­zen. Hierbei wird auf eine im Durchmesser größere Trä­gerwalze verzichtet und nur eine der beiden größeren Walzen ist als zonengesteuerte Biegungsausgleichwalze ausgebildet. Dieses Glättwerk arbeitet ebenfalls er­findungsgemäß, kann jedoch nur für geringere Papier­bahnarbeiten eingesetzt werden.

Beispiel 1:

[0023] Ein 180 g/m² schweres Fotobasispapier mit einem spezifischen Volumen von 1,33 cm³/g wurde mittels eines 5-Walzen-Glättwerks geglättet und kalibriert.

[0024] Das Glättwerk enthielt folgende Walzenkombination:

Walze 1	(oben)	700 mm	Durchmesser
2		650 mm	"
3		400 mm	"
4		450 mm	"
5	(unten)	600 mm	"

[0025] Der Liniendruck im vorletzten Spalt betrug 220 N/mm.

Beispiel 2:

[0026] Ein 150 g/m² schweres Fotobasispapier mit einem spezifischen Volumen von 1,35 cm³/g wurde mittels eines 7-Walzen-Glättwerks geglättet und kalibriert.

[0027] Das Glättwerk enthielt folgende Walzenkombination:

Walze 1	(oben)	710 mm	Durchmesser
2		760 mm	"
3		400 mm	"
4		450 mm	"
5		400 mm	"
6		450 mm	"
7	(unten)	820 mm	"

[0028] Die Walzen 1 und 7 waren zonengesteuerte Bie­gungsausgleichswalzen (Nipco-Walzen). Der Liniendruck im vorletzten Spalt betrug 180 N/mm.

Vergleich zu Beispiel 1:

[0029] Das Fotobasispapier aus Beispiel 1 wurde mittels eines 5-Walzen-Glättwerks geglättet und kalibriert.
Das Glättwerk enthielt folgende Walzenkomina­tion:

Walze 1	(oben)	500 mm	Durchmesser
2		400 mm	"
3		400 mm	"
4		400 mm	"
5	(unten)	600 mm	"

[0030] Der Liniendruck im vorletzten Spalt betrug 220 N/mm.

Vergleich zu Beispiel 2:

[0031] Das Fotobasispapier aus Beispiel 2 wurde mittels eines 7-Walzen-Glättwerks geglättet und kalibriert.

[0032] Das Glättwerk enthielt folgende Walzenkombination:

Walze 1	(oben)	500 mm	Druchmesser
2		400 mm	"
3		400 mm	"
4		400 mm	"
5		400 mm	"
6		400 mm	"
7	(unten)	600 mm	"

[0033] Der Liniendruck im vorletzten Spalt betrug 180 N/mm.

[0034] Die Walzen 1 und 7 waren zonengesteuerte Biegungsausgleichswalzen (Nipco-Walzen). Der Liniendruck im vorletzten Spalt betrug 180 N/mm.

Beschreibung der Prüfmethode:

[0035] 

1.

2. Pitsniveau: Die Oberfläche einer Papierprobe wird mit einem Mikroskop betrachtet. Eine kreisförmige Objektfläche von 10 mm Durchmesser wird bei 20facher Vergrößerung unter Streiflicht beleuchtet. Im reflek­tierten Licht sind auf einem Bildschirm die Pits als dunkle Punkte zu erkennen.

[0036] Je nach Anzahl und Größe wird ein qualitatives Urteil abgegeben, wobei 1 = keine Pits und 5 = sehr viele und große Pits bedeuten.

Ergebnisse

[0037] 

Tab.1

Beispiel	spez. Volumen n.Kalibrierung	Pitsniveau	Falten nach dem 1. Spalt
1	0,96	2	nein
2	0,90	2	nein
Vergl.zu 1	0,93	3 - 4	ja
Vergl.zu 2	0,89	3	ja
Die einzelnen Stufen der Glättung und Kalibrierung sind den Abbildungen 1 und 2 zu entnehmen.

[0038] Die schonendere Verdichtung des Fasergefüges gestattet es, auch bei hohen Liniendrücken faltenfrei im Glätt­werk zu produzieren. Insbesondere das "Pitsniveau" läßt sich durch die schonendere Fahrweise des erfindungs­gemäß arbeitenden Glättwerks deutlich reduzieren.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Glätten und Kalibrieren von Papieren, insbesondere von fotografischen Basispapieren mit wenig­stens vier aneinander angeordneten harten Walzen, da­durch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Walzen, in deren Spalt das Papier zuerst einläuft, aus Walzen größeren Durchmessers bestehen als die restlichen Walzen mit Ausnahme der Trägerwalze, wobei das Verhältnis der Durchmesser der dickeren Walzen zu den Durchmessern der dünneren Walzen wie 1 : 0,45 - 0,70 ist, und daß die dickeren Walzen ein Verhältnis zwischen Walzenlänge und Walzendurchmesser von 4 : 1 bis 8: 1 haben und die dünne­ren Walzen ein Verhältnis von 10 : 1 bis 14 : 1 aufweisen, wobei die erste und die letzte Walze zonengesteuerte Biegungsausgleichswalzen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Walzen stets unterschiedliche Durchmesser haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß temperaturgeregelte Walzen für die kontrollierte Zu­führung oder Abführung der thermischen Energie sorgen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Glättwerkwalze eine Umlenkwalze zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß sie in eine Papiermaschinenlinie in­tegriert ist.

6. Vorrichtung zum Glätten und Kalibrieren von Papieren, insbesondere von fotografischen Basispapieren, mit wenigstens drei aneinander angeordneten harten Walzen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Walzen, in deren Spalt das Papier zuerst einläuft, aus Walzen größeren Durchmessers bestehen als die dritte und ge­gegebenenfalls weiteren Walzen, wobei das Verhältnis der Durchmesser der beiden dickeren zum Durchmesser der dünneren Walze(n) wie 1 : 0,45 - 0,70 ist und daß die dickeren Walzen ein Verhältnis zwischen Walzen­länge und Walzendurchmesser von 4 : 1 bis 8 : 1 haben und die dünnere(n) Walze(n) ein Verhältnis von 10 : 1 bis 14 : 1 aufweis(t)en.

7. Verfahren zur Glättung und Kalibrierung von Papieren mit Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Druckverlauf in dem Glättwerk bei einem Enddruck im letzten Spalt zwischen 150 und 300 N/mm so gesteuert wird, daß die Dickenreduktion des Rohpapiers nach Durchgang durch den ersten Spalt 50 - 70 % der gesamten Dickenreduktion beträgt.

8. Verwendung eines Verfahrens und einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 zur Glättung von fotografischem Basispapier.