[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Satinieren einer Materialbahn, insbesondere
einer Papierbahn, bei dem die Materialbahn durch mindestens einen Nip geführt wird,
der durch eine Walze mit einem elastischen Bezug aus einem mit Fasern oder entsprechenden
Füllstoffen verstärktem Kunststoff und einer Gegenwalze gebildet ist. Ferner betrifft
die Erfindung eine Walze für einen Satinierkalander mit einer gleichmäßigen Gefügeausbildung
an der Oberfläche.
[0002] Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Papierbahn als Beispiel für eine Materialbahn
erläutert. Sie ist aber auch bei anderen Materialbahnen anwendbar, bei denen die Verhältnisse
ähnlich sind.
[0003] In einem der letzten Herstellungsschritte wird die Papierbahn satiniert, d.h. durch
mindestens einen, in der Regel aber mehrere Nips oder Walzenspalte eines Kalanders
geleitet, wo sie mit Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt wird. Hierbei wird
die Papierbahn nicht nur verdichtet. Man möchte auch andere Eigenschaften der Papierbahn
beeinflussen können, beispielsweise Glanz und Glätte. Eine weitere Eigenschaft, die
bei der Satinage beeinflußt werden kann, ist die Transparenz. Bei grafischen Papieren
möchte man eine hohe Opazität, also eine geringe Transparenz erreichen. Bei sogenannten
technischen Papieren, wie beispielsweise Silikonrohpapier, Pergaminpapier und Zeichenpapier
ist hingegen eine große Transparenz erwünscht.
[0004] Eine hohe Transparenz ergibt sich bei herkömmlichen Superkalandern, wenn man unter
hoher Temperatur, hohem Druck und hoher Feuchte satiniert. Die bei anderen Papieren
unerwünschte Schwarzsatinage wird hier bewußt hervorgerufen. Man geht davon aus, daß
bei dieser Satinage die Papierfasern bis zu einem Punkt zerquetscht werden, an dem
ein Lichtdurchgang durch das Papier hindurch möglich ist.
[0005] Versuche haben gezeigt, daß sich die Transparenz bei der Verwendung von Kunststoffwalzen,
also von Walzen mit einem elastischen Bezug aus einem faserverstärkten Kunststoff,
nur mit relativ großen Schwierigkeiten gezielt beeinflussen läßt. Insbesondere ist
es mit Kunststoffwalzen bislang relativ schwierig, eine hohe Transparenz zu erzeugen.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Kunststoffwalzen gezielt die Transparenz
der Materialbahn beeinflussen zu können.
[0007] Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß in Abhängigkeit vom gewünschten Satinageergebnis die Hauptrichtung der Fasern
im Bezug ausgewählt wird.
[0008] Man verwendet als zusätzliche Einflußgröße die Richtung der Fasern im Bezug. Wenn
man eine hohe Opazität, also eine geringe Transparenz, erreichen möchte, dann verwendet
man Fasern, die im wesentlichen parallel zur Walzenoberfläche liegen. Die Papierbahn
wird dann mit der "Breitseite" der Fasern beaufschlagt, so daß sich die Druckspannung
auf einen relativ großen Bereich der Verstärkungsfaser verteilt. Dementsprechend bleibt
die lokale Belastung der Papierbahn, also die Belastung der einzelnen Papierbahnfasern,
klein. Wünscht man hingegen eine hohe Transparenz, dann richtet man die Fasern senkrecht
zur Walzenoberfläche aus, also praktisch radial. In diesem Fall kommt die Papierbahn
mit den Querschnitten der Verstärkungsfasern in Berührung, so daß sich die gesamte,
auf eine Verstärkungsfaser wirkende Druckspannung auf dem Querschnitt dieser Faser
konzentriert. Dementsprechend wird die Papierbahn lokal relativ stark beansprucht,
was zu dem oben erwähnten Zerquetschen oder Zerstören der Papierfasern führt, das
so weit geht, daß Licht hindurchtreten kann. Damit ergibt sich die gewünschte hohe
Transparenz. Mit der Richtung der Fasern läßt sich nun in gewissen Grenzen die Transparenz
der Papierbahn steuern. Wenn man die Fasern in einem Winkel zwischen 90° und 0° zur
Oberfläche der Walze anordnet, dann ergeben sich in Abhängigkeit vom Winkel auch unterschiedlich
starke Faserquerschnitte, die an der Oberfläche für die entsprechende Belastung der
Papierbahn sorgen. Je "steiler" die Fasern stehen, desto höher wird die erzielbare
Transparenz. Hierbei kommt es im Grunde aber nur auf die Richtung der Fasern an der
Walzenoberfläche an. In tiefer gelegenen Schichten können auch anderes ausgerichtete
Fasern vorliegen oder die einzelnen Fasern können in tieferen Schichten abgebogen
sein. Die "Hauptrichtung" bezieht sich daher nur auf den Bereich des Bezugs an und
unterhalb der Oberfläche, der für die Bearbeitung der Papierbahn vorgesehen ist. Natürlich
kann die Ausrichtung der Fasern (wenn im folgenden von Fasern die Rede ist, sind immer
auch vergleichbare Füllstoffe gemeint) auch über die Dicke des Bezugs durchgehen.
Der Schritt der Auswahl der Faserrichtung erfolgt durch die Bereitstellung und spätere
Verwendung einer Walze mit der gewünschten Faserrichtung.
[0009] Vorzugsweise wählt man in Abhängigkeit vom gewünschten Satinageergebnis und der Hauptrichtung
der Fasern einen Faserdurchmesser. Auch der Faserdurchmesser hat natürlich einen Einfluß
auf die Belastung der Papierbahn bzw. der Papierbahnfasern. Je größer der Faserdurchmesser
ist, desto größer ist die Fläche, auf der sich der Druck verteilen kann. In gleichem
Maße steigen mit der Größe der Fasern auch die Abstände zwischen den Fasern, d.h.
die lediglich mit Kunststoff gefüllten Bereiche an der Oberfläche werden größer. Wenn
man sich vor Augen hält, daß die "Transparenz" einer Papierbahn im Grunde genommen
aus einer Ansammlung sehr kleiner Flecken herausstellt, wird deutlich, daß man durch
die Wahl der Größe der Flecken einen Einfluß auf die Größe der Transparenz nehmen
kann.
[0010] Vorzugsweise wählt man den Faserdurchmesser so, daß er dem Durchmesser der Papierfasern
entspricht. Papierfasern haben eine gewisse Streubreite ihres Durchmessers. Es reicht
aber aus, wenn der Durchmesser der Verstärkungsfasern innerhalb des Bereiches liegt,
in dem sich die Durchmesser der Papierfasern bewegen. Bei der Wahl der Durchmesser
der Verstärkungsfasern kann man dann gleichzeitig noch die Art der Papierbahn berücksichtigen.
Auch hier gibt es gewisse Unterschiede beim Durchmesser der Papierfasern. Wenn man
den Durchmesser der Verstärkungsfasern auf den Durchmesser der Papierfasern abstimmt,
dann ergibt sich in der Praxis ein Ergebnis, bei dem eine ausreichende Anzahl von
Papierfasern von einer Verstärkungsfaser beaufschlagt und damit zerquetscht wird.
Damit wird die gewünschte hohe Transparenz erreicht.
[0011] Die Aufgabe wird auch durch eine Walze der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß sie eine über die gesamte Oberfläche gleichmäßige inhomogene Härteverteilung aufweist.
[0012] Mit einer derartigen Walze kann man nun sehr gezielt die Papierbahn dahingehend behandeln,
daß sie eine hohe Transparenz erhält. Die gesamte Oberfläche ist zwar im makroskopischen
Bereich homogen, weist also eine gleichmäßige Gefügeausbildung der Oberfläche auf.
Im mikroskopischen Bereich hingegen wechselt die Härte der Oberfläche von Bereich
zu Bereich. Damit sind die harten Bereiche in der Lage, die Papierfasern zu zerquetschen,
weil dort eine entsprechend hohe Druckspannung herrscht. In den weichen Bereichen
hingegen erfolgt nur eine sehr untergeordnete Kraftübertragung auf die Papierbahn.
Da die "härteren" und "weicheren" Bereiche äußerst dicht zueinander benachbart sind
und ihrerseits wiederum nur eine kleine Erstreckung aufweisen, kann man in der satinierten
Papierbahn eine Reihe von lichtdurchlässigen Punkten erzeugen, die so dicht beieinander
liegen, daß die Papierbahn insgesamt eine hohe Transparenz erhält.
[0013] Vorzugsweise weist die Oberfläche benachbart angeordnete und aneinander angrenzende
Oberflächenbereiche unterschiedlicher Härte auf, wobei die Größe eines einzelnen harten
Oberflächenbereichs in der Größenordnung des Durchmessers einer Papierfaser liegt.
Das gilt zumindest für die Größe der harten Oberflächenbereiche. Die dazwischen befindlichen
weichen Oberflächenbereiche können sogar noch kleiner sein. Mit einer derartigen Ausgestaltung
stellt man sicher, daß eine ausreichende Anzahl von Papierfasern mit dem nötigen Druck
beaufschlagt wird, um transparent zu werden. Je mehr Bereiche der Papierbahn transparent
werden, desto größer ist die Transparenz insgesamt.
[0014] Vorzugsweise weist die Walze eine Oberflächenrauhigkeit Ra > 0,1 µm auf. Dementsprechend
können beispielsweise die harten Bereiche um diesen Wert vorstehen, um die Papierfasern
zu zerquetschen.
[0015] In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Walze einen Belag aus einem faserverstärkten
Kunststoff auf, bei dem die Fasern zumindest an der Oberfläche zu mehr als 90 % radial
ausgerichtet sind und eine andere Härte als der Kunststoff aufweisen. Wie oben im
Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben, erreicht man auf diese Weise eine Ausbildung
der Oberfläche, bei der eine große Anzahl von Verstärkungsfasern mit ihrem Querschnitt
in bzw. durch die Oberfläche ragen. Zwischen diesen Fasern befindet sich dann der
Kunststoff. Da die meisten der Verstärkungsfasern radial ausgerichtet sind, übertragen
sie auch den größten Teil des Druckes auf die Papierbahn und können damit ein Zerquetschen
der einzelnen Fasern bewirken, was zu der erwähnten Steigerung der Transparenz führt.
Es ist nicht notwendig, daß die Fasern über ihre gesamte Länge senkrecht steht. Dies
erleichtert allerdings die Fertigung. Darüber hinaus ergibt sich dann, wenn die Fasern
über ihre gesamte Länge senkrecht stehen, eine verbesserte Steifigkeit der Einzelfasern,
was wiederum die Druckübertragung von der Walze auf die Papierbahn verbessert.
[0016] Vorzugsweise sind die Fasern in Bürstenform angeordnet. Das Herstellen von Bürsten
an sich ist bekannt. Man kann die zur Herstellung von Bürsten bekannten Techniken
auch dazu verwenden, die Verstärkungsfasern auszurichten und an der Oberfläche der
Walze zu befestigen. Wenn dies erfolgt ist, dann kann man den Kunststoff auf die Walze
auftragen und die Walze dann gegebenenfalls abdrehen, um die gewünschte Härteverteilung
in der Oberfläche zu erzeugen.
[0017] Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Fasern in Form von radial ausgerichteten
Rovingabschnitten angeordnet sind. Rovings sind Faserbündel, die man relativ dicht
packen kann. Als Fasern kommen beispielsweise Glasfasern in Betracht, deren Durchmesser
kleiner als 10 µm sein, beispielsweise 3 bis 6 µm oder Kohlefasern, deren Durchmesser
noch kleiner sein kann. Hierbei ist es nicht erforderlich, daß der Durchmesser kreisrund
ist. Die Durchmesserangabe bezieht sich vielmehr auf eine Fläche, deren Größe derjenigen
eines Kreises mit dem angegebenen Durchmesser entspricht. Man kann nun diese Rovingabschnitte
mit einer Länge von beispielsweise 1 bis 2 cm bündeln und damit eine bürsten- oder
florartige Flächenlage erzeugen, die man auf die Oberfläche der Walze auflegen kann.
Wenn die gesamte Oberfläche der Walze oder zumindest die Oberfläche im Arbeitsbereich
mit den radial ausgerichteten Rovingabschnitten belegt ist, kann man das Kunstharz
oder einen anderen Kunststoff aufbringen. Nach dem Aushärten kann man die Walze auf
die gewünschte Geometrie abdrehen und/oder abschleifen. In diesem Fall erhält man
senkrecht stehende Kohle- oder Glasfasern, die dicht an dicht gepackt sind und dazwischen
den Kunststoff.
[0018] Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
- Fig. 1
- einen schematischen Querschnitt durch eine Walze mit elastischem Belag,
- Fig. 2
- einen Ausschnitt A aus Fig. 1 in einer ersten Ausgestaltung,
- Fig. 3
- den Ausschnitt A nach Fig. 1 in einer zweiten Ausgestaltung und
- Fig. 4
- einen Ausschnitt aus einer Draufsicht der Ausführungsform nach Fig. 2.
[0019] Fig. 1 zeigt eine Walze 1 im schematischen Querschnitt. Die Walze 1 weist einen Walzenkern
2 auf, der massiv oder als Hohlkörper ausgebildet sein kann. Auf dem Walzenkern ist
ein elastischer Belag oder Bezug 3 angeordnet, der aus Gründen der Übersicht hier
übertrieben dick dargestellt ist. Bei einem normalen Durchmesser der Walze 1 im Bereich
von 400 bis 800 mm hat der Bezug 3 eine Stärke im Bereich von 5 bis 30 mm.
[0020] Der Bezug 3 ist gebildet aus einem faserverstärktem Kunststoff. Als Fasern kommen
beispielsweise Kohle- oder Glasfasern in Betracht. Der Bezug weist eine Oberfläche
7 auf, mit der die Walze 1 mit einer Materialbahn in Kontakt kommt.
[0021] Die Fasern können nun unterschiedlich angeordnet werden. Fig. 2 zeigt ein Detail
A aus Fig. 1, nämlich den Belag 3 auf dem Walzenkern 2. Es ist zu erkennen, daß eine
Vielzahl von Fasern 4 senkrecht zur Oberfläche des Walzenkernes 2 gerichtet sind.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf diese Ausgestaltung. Der Durchmesser d der Fasern
liegt hierbei in der Größenordnung des Durchmessers der Papierfasern, also im wesentlichen
im Bereich von 1 bis 5 µm. Zwischen den einzelnen Fasern 4 befinden sich Flächenbereiche
5, die lediglich mit dem Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz gefüllt sind.
Da der Kunststoff wesentlich weicher als die beispielsweise aus Kohlenstoff oder Glas
gebildeten Fasern 4 ist, ergibt sich an der Oberfläche der Walze 1 eine lokale inhomogene
Härteverteilung, d.h. es wechseln sich sehr harte Bereiche, die durch den Querschnitt
der Fasern 4 gebildet sind, mit relativ weichen Bereichen 5 ab, die durch den Kunststoff
gebildet sind. Diese inhomogene Härteverteilung ist aber über die gesamte Oberfläche
der Walze 1 gleichmäßig. Dementsprechend wird eine Papierbahn (oder eine anderen Materialbahn),
die durch die Walze 1 und eine nicht näher dargestellte Gegenwalze mit Druck beaufschlagt
wird, zwar über ihre gesamte Breite gleichmäßig behandelt. Im mikroskopischen Bereich,
der sich in der Größenordnung der Papierfasern bewegt, erfolgt jedoch eine ungleichmäßige
Druckbeaufschlagung durch die unterschiedlich harten Bereiche der Oberfläche. Die
Stirnseiten der Fasern 4 können die einzelnen Papierfasern zerquetschen, so daß diese
transparent werden.
[0022] Natürlich kann man die Fasern 4 auch mit einem etwas größeren Abstand zueinander
anordnen, als dies in Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Fall wird der Flächenanteil
der Flächenbereiche 5 etwas größer werden. Auch in diesem Fall sollte aber der Durchmesser
der Flächenbereiche 5 nicht wesentlich größer als der Durchmesser einer Papierfaser
werden.
[0023] In Fig. 2 ist durch Fasergruppen 6 dargestellt, daß die Fasern 4 in Form von Roving-Abschnitten
auf den Walzenkern 2 aufgebracht werden und zwar nach Art einer Bürste. Ein derartiger
Rovingabschnitt kann beispielsweise eine Länge von 2 cm und einen Durchmesser von
etwa 1 cm haben. Dieser Abschnitt weist dann viele tausend Einzelfasern auf. Wenn
die Fasern oder Fasergruppen 6 an der Oberfläche angeordnet sind, dann kann der Kunststoff
aufgebracht werden. Beispielsweise kann man dann die Oberfläche der Walze 1 tränken
oder umgießen und danach abdrehen.
[0024] Fig. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung. Bei dieser Ausgestaltung liegen die
Fasern 4 parallel zur Oberfläche des Walzenkerns 2. Hier wird der Kunststoff des Bezugs
3 lediglich verstärkt. Eine lokale Inhomogenität der Härteverteilung wird weitgehend
vermieden.
[0025] Man kann nun durch die Wahl der Faserrichtung, deren beiden Extreme in den Fig. 2
und 3 dargestellt sind, Einfluß auf die Transparenz der zu satinierenden Papierbahn
nehmen. Wenn man eine Faserrichtung wählt, bei der die Fasern 4 im wesentlichen senkrecht
zur Oberfläche des Walzenkernes 2 stehen, also radial ausgerichtet sind, dann erhält
man bei entsprechendem Druck eine relativ hohe Transparenz. Verwendet man hingegen
eine Faserrichtung, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Walzenkerns 2
verläuft, wie in Fig. 3 dargestellt, dann erhält man bei ansonsten unveränderten Bedingungen
eine wesentlich höhere Opazität, d.h. eine geringere Transparenz.
1. Verfahren zum Satinieren einer Materialbahn, insbesondere einer Papierbahn, bei dem
die Materialbahn durch mindestens einen Nip geführt wird, der durch eine Walze mit
einem elastischen Bezug aus einem mit Fasern oder entsprechenden Füllstoffen verstärktem
Kunststoff und einer Gegenwalze gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit
vom gewünschten Satinageergebnis die Hauptrichtung der Fasern im Bezug ausgewählt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in Abhängigkeit vom gewünschten
Satinageergebnis und der Hauptrichtung der Fasern einen Faserdurchmesser wählt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Faserdurchmesser so
wählt, daß er dem Durchmesser der Papierfasern entspricht.
4. Walze für einen Satinierkalander mit einer gleichmäßigen Gefügeausbildung an der Oberfläche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine über die gesamte Oberfläche (7) gleichmäßige
inhomogene Härteverteilung aufweist.
5. Walze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche benachbart angeordnete
und aneinander angrenzende Oberflächenbereiche (4, 5) unterschiedlicher Härte aufweist,
wobei die Größe eines einzelnen harten Oberflächenbereichs (4) in der Größenordnung
des Durchmessers einer Papierfaser liegt.
6. Walze nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (1) eine Oberflächenrauhigkeit
Ra > 0,1 µm aufweist.
7. Walze nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (1)
einen Belag (3) aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweist, bei dem die Fasern
(4) zumindest an der Oberfläche zu mehr als 90 % radial ausgerichtet sind und eine
andere Härte als der Kunststoff aufweisen.
8. Walze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) in Bürstenform angeordnet
sind.
9. Walze nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) in Form von
radial ausgerichteten Rovingabschnitten (6) angeordnet sind.