Die vorliegende Erfindung betrifft eine Walze, insbesondere zum Glätten von Papierbahnen, mit einen insbesondere aus Metall bestehenden harte Walzenkern, der an seiner Außenseite mit einer elastischen Bezugsschicht versehen ist, die aus einem elastischen Matrixmaterial und in das Matrixmaterial eingebetteten Fasern 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 Vergleichmäßigung und Verdichtung der Papierbahn im Preßnip. Durch die Elastizität dieser zweiten Walze wird somit eine zu starke Verdichtung der Papierbahn verhindert, die zu einem speckigen Aussehen der Papierbahn führen würde. Die Größenordnung der Walzen liegt bei Längen von 6 bis 12 m bzw. Durchmessern von 800 bis 1500 mm. Sie halten Linienkräften bis zu 600 N/mm und Druckspannungen bis 50 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 Biegewechselfrequenz 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.
Aus der WO 98/54405 ist eine Walze mit einem harten Walzenkern bekannt, der an seiner Außenseite mit einer elastischen Bezugsschicht versehen ist. Die elastische Bezugsschicht besteht dabei aus einer Vielzahl von Schichten, wobei jeweils abwechselnd eine unverstärkte Schicht auf eine mit Fasern verstärkte Schicht folgt.
Aus der US 4,466,164 ist eine Walze bekannt, bei der die elastische Bezugsschicht aus einer radial innen liegenden, mit Fasern verstärkten Schicht und einer radial außen liegenden, unverstärkten elastischen Schicht besteht. Auch in der US 3,490,119 ist eine Walze mit einem solchen Aufbau der Bezugsschicht beschrieben.
In der DE 197 36 575 A ist eine Walze beschrieben, bei der die Bezugsschicht aus einer Vielzahl unterschiedlicher, mit Fasern verstärkten Schichten besteht, wobei die aufeinander folgenden, einzelnen Faserlagen jeweils unterschiedliche Winkel mit der Längsachse des Walzenkörpers einschließen.
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 bei zumindest gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften verringert wird.
Der die Walze betreffende Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 8 angegeben.
Durch die Variierung des Fasergehalts der Bezugsschicht radial von innen nach außen wird erreicht, daß die Bezugsschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der entsprechend dem Fasergehalt ebenfalls in radialer Richtung von innen nach außen unterschiedlich ist. Da üblicherweise das Matrixmaterial einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das verwendete Fasermaterial, ist somit der jeweils resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient des mit Fasern durchsetzten Matrixmaterials sowohl von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Matrixmaterials als auch dem der Fasern abhängig. Je mehr Fasern in dem Matrixmaterial eingebettet sind, desto mehr gleicht sich der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Fasern an.
Auf diese Weise ist es möglich, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des radial innenliegenden Bereichs der Bezugsschicht durch einen relativ hohen Fasergehalt so einzustellen, daß er im wesentlichen gleich ist oder in der gleichen Größenordnung liegt wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Walzenkerns. Bei einer Erwärmung der Walze im Betrieb dehnen sich somit die radial innengelegenen Bereiche der Bezugsschicht um im wesentlichen den gleichen Wert aus, wie der Walzenkern, so daß hohe axiale Längsspannungen zwischen dem Walzenkern und der Bezugsschicht vermieden werden.
Da ein hoher Fasergehalt auch die Steifigkeit der Bezugsschicht deutlich erhöht, muß in den radial außengelegenen Bereichen der Bezugsschicht der Fasergehalt niedriger gewählt werden, da andernfalls die Oberfläche der Walze zu hart ist und für die Santinage nicht geeignet wäre. Durch einen insbesondere im wesentlichen kontinuierlich radial nach außen abnehmenden Fasergehalt innerhalb der Bezugsschicht wird erreicht, daß bei einer Erhitzung der Walze die innerhalb der Bezugsschicht auftretenden Längsspannungen, die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der verschiedenen Bereiche der Bezugsschicht entstehen, an keiner Stelle so groß werden, daß eine Ablösung oder Zerstörung der Bezugsschicht entsteht.
Nach einer vorteilhaften Ausführungform der Erfindung ist im radial außengelegenen Bereich der Bezugsschicht der Fasergehalt im wesentlichen gleich Null. Dadurch wird erreicht, daß die Oberfläche der Walze möglichst elastisch ist und nach einem entsprechenden Abschleifvorgang eine sehr glatte Oberfläche besitzt, da die in der Bezugsschicht vorhandenen Fasern nicht bis an die Oberfläche der Bezugsschicht reichen. Weiterhin ist auf diese Weise gewährleistet, daß die Oberfläche der Walze nach einer gewissen Laufzeit nachgeschliffen werden kann, ohne daß die in dem Matrixmaterial vorhanden Fasern nach dem Schleifvorgang an der Oberfläche der Bezugsschicht aus dieser austreten und dadurch die Glätte der Oberfläche verringern würden.
Durch eine geeignete Wahl des Fasergehaltsverlaufs kann auch die Nipbreite wie erforderlich eingestellt werden. Da bei einer Walze mit einem sehr elastischen Belag die harte Gegenwalze sich stärker in den weichen Belag der elastischen Walze eindrückt, wird die Breite des Nips in Laufrichtung der Papierbahn um so größer, je elastischer die Außenseite der Bezugsschicht der elastischen Walze ist. Somit kann durch die Einstellung eines bestimmten Fasergehaltverlaufes und insbesondere eines bestimmten Fasergehaltes an der Oberfläche der Bezugsschicht eine gewünschte Nipbreite erzeugt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Bezugsschicht eine radial außenliegende Funktionsschicht und eine radial innenliegende Verbindungsschicht zum Verbinden der Funktionsschicht mit dem Walzenkern. Dabei kann die Verbindungsschicht, wie die Funktionsschicht, aus einem elastischen Matrixmaterial und in das Matrixmaterial eingebetteten Fasern bestehen, wobei bevorzugt das Matrixmaterial der Verbindungsschicht und der Funktionsschicht aus dem gleichen Material und insbesondere auch die Fasern der Verbindungsschicht und der Funktionsschicht aus dem gleichen Fasermaterial bestehen. Durch die Aufteilung der Bezugsschicht in eine Verbindungsschicht und eine Funktionsschicht können deren Eigenschaften noch optimaler an die jeweiligen mechanischen und thermischen Anforderungen angepaßt werden. So kann grundsätzlich beispielsweise das Matrixmaterial der Verbindungsschicht und der Funktionsschicht unterschiedlich sein und auch das innerhalb der Funktionsschicht und der Verbindungsschicht verwendete Fasermaterial differieren. Beispielsweise kann das Matrixmaterial der Verbindungsschicht in Faserbündeln oder sogenannten Faserrovings, d.h. in flachen Faserbändern, die jeweils Fasern der gleichen Art umfassen, auf den Walzenkern aufgewickelt werden, während die Fasern der Funktionsschicht beispielsweise in Form eines Faservlieses auf die Verbindungsschicht aufgewickelt werden können.
Bevorzugt ist der Fasergehalt der Verbindungsschicht höher als der Fasergehalt der Funktionsschicht, da auf diese Weise die Verbindungsschicht faserdominiert ist und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verbindungsschicht vorwiegend durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fasern bestimmt ist. Dadurch kann der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient der Verbindungsschicht an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Walzenkerns angepaßt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Fasern radial im wesentlichen gleichmäßig über die Verbindungsschicht verteilt, wobei insbesondere der Fasergehalt der Verbindungsschicht radial von innen nach außen variiert, bevorzugt abnimmt. Wie bereits zur Funktionsschicht beschrieben, wird dadurch erreicht, daß die im Falle einer Erwärmung auftretenden Längsspannungen gleichmäßig über die radiale Ausdehnung der Bezugsschicht verteilt wird und somit an keiner Stelle Längsspannungen auftrete, die zu einer Verletzung der Bezugsschicht führen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Fasergehalt der Verbindungsschicht in deren radial außenliegendem Bereich im wesentlichen gleich groß wie der Fasergehalt der Funktionsschicht in deren radial innenliegendem Bereich. Dadurch wird bezüglich der Wärmeausdehnung ein kontinuierlicher Übergang zwischen der Verbindungsschicht und der Funktionsschicht geschaffen, so daß auch in diesem Übergangsbereich eine spannungsoptimierte Verbindung geschaffen wird. Bevorzugt sind die Fasern in radial voneinander beabstandeten Faserlagen angeordnet, wobei insbesondere der Abstand zwischen radial außenliegenden benachbarten Faserlagen größer ist als der Abstand zwischen radial innenliegenden Faserlagen. Durch das zwischen den Faserlagen vorhandene elastische Matrixmaterial wird erreicht, daß die Bezugsschicht in Längsrichtung eine gewisse Elastizität behält, so daß die bei einer Erwärmung auftretenden Längsausdehnungen gut kompensiert werden können.
Bevorzugt beträgt der Fasergehalt der Verbindungsschicht ca. 40 bis 70 Vol.-%, insbesondere ca. 50 bis 60 Vol.-%, bevorzugt ca. 55 Vol.-%. Durch den Fasergehalt der Verbindungsschicht wird sowohl deren Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit als auch der Gesamtausdehnungskoeffizient bestimmt. Somit wird durch den relativ hohen Fasergehalt auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsschicht erreicht, so daß die Wärme von im Betrieb auftretenden Überhitzungsstellen schnell axial nach außen abgeführt werden kann, so daß Hot-Spots verhindert werden.
Im Gegensatz zu der Verbindungsschicht beträgt der Fasergehalt der Funktionsschicht bevorzugt ca. 5 bis 20 Vol.-%, insbesondere 8 bis 12 Vol.-%. Durch den verringerten Fasergehalt erhält die Funktionsschicht eine geringere Steifigkeit als die Verbindungsschicht, wie sie für die Vergleichmäßigung und Verdichtung der behandelnden Papierbahn bei der Satinage erforderlich ist. Falls durch den reduzierten Fasergehalt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Funktionsschicht zu groß wird, kann dieser durch eine entsprechende Zugabe von Füllstoffen in das Matrixmaterial der Funktionsschicht reduziert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben; in diesen zeigen:
Fig. 1 zeigt einen Teil eines in Längsrichtung geschnittenen, beispielsweise aus Stahl 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 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.
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 verbessert.
Der Fig. 1 ist weiterhin zu entnehmen, daß der Fasergehalt im radial innengelegenen Bereich 5 der Bezugsschicht 2 deutlich höher ist als in deren radial außengelegenem Bereich 6. Dadurch wird erreicht, daß die Bezugsschicht 2 in ihrem radial außengelegenen Bereich 6 elastischer ist als in ihrem radial innengelegenen Bereich 5, so daß beispielsweise beim Zusammenwirken der elastischen Walze mit einer harten Walze sich diese harte Walze relativ weit in die elastische Außenfläche der Bezugsschicht 2 einpreßt, wodurch ein in Umfangsrichtung langer Preßspalt entsteht.
Weiterhin wird durch die Fasern 4 auch der Wärmeausdehnungskoeffizient der Bezugsschicht 2 wesentlich mitbestimmt. Da der metallische Walzenkern 1 üblicherweise einen deutlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als das Matrixmaterial 3, dehnt sich das Matrixmaterial 3 bei eine entsprechenden Erwärmung in axialer Richtung deutlich mehr aus als der Walzenkern 1. Durch die Hinzugabe der Fasern 4, deren Wärmeausdehnungskoeffizient in der Größenordnung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Walzenkerns 1 liegt, wird erreicht, daß im Bereich 5 der Bezugsschicht 2, der einen hohen Fasergehalt besitzt, der resultierende Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich dem des Walzenkerns 1 ist. Dadurch dehnt sich bei einer entsprechenden Erwärmung der Bereich 5 in axialer Richtung um einen ähnlichen Wert aus, wie der Walzenkern 1, so daß axial auftretende Längsspannungen weitgehend vermieden werden.
Durch den im wesentlich kontinuierlich radial nach außen abnehmenden Fasergehalt innerhalb der Bezugsschicht 2 ist gewährleistet, daß auch innerhalb der Bezugsschicht 2 die bei einer Erwärmung auftretenden Längsspannungen im Verlauf radial nach außen jeweils nur geringe Werte besitzen, die durch die Elastizität des Matrixmaterial 3 aufgenommen werden können.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die Fasern 4 innerhalb des Matrixmaterials 3 als im wesentlich konzentrisch zum Walzenkern 1 verlaufende Faserlagen 7 schematisch dargestellt.
Die Faserlagen 7 können dabei beispielsweise durch Wickeln von Faserrovings auf den Walzenkern 1 erzeugt werden, wobei zur Bildung der Bezugsschicht 2 mehrere Wickelvorgänge durchgeführt werden, um mehrere Faserlagen 7 zu erzeugen.
Die Fasern bzw. Faserrovings können dabei vor dem Wickeln mit sich im flüssigem Zustand befindenden 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 Walzenkern 1 gewickelt werden und während oder nach dem Aufwickeln mit Matrixmaterial durchtränkt werden, bis sie vollständig von diesem umgeben sind.
Die Faserlagen 7 besitzen im radial innengelegenen Bereich 5 der Bezugsschicht 3 einen in radialer Richtung deutlich geringeren Abstand zueinander als im radial außengelegenen Bereich 6, wobei im äußersten Bereich der Bezugsschicht 2 keine Fasern vorhanden sind, d.h. daß in diesem Bereich das pure Matrixmaterial 3 vorliegt.
Um eine möglichst glatte Oberfläche der Walze zu erreichen, wird nach dem Wickelvorgang die oberste Schicht des Matrixmaterial 3 abgeschliffen. Durch die faserfreie Ausgestaltung des radial außenliegenden Bereichs der Bezugsschicht wird erreicht, daß auch nach mehrmaligem Nachschleifen keine Fasern 4 die Oberfläche der Bezugsschicht 2 erreichen und somit diese Oberfläche eine optimale Glätte besitzt.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist durch eine gestrichelte Linie 8 eine Aufteilung der Bezugsschicht 2 in eine radial außenliegende Funktionsschicht 9 und eine radial innenliegende Verbindungsschicht 10 zum Verbinden der Funktionsschicht 9 mit dem Walzenkern 10 dargestellt.
Sowohl die Funktionsschicht 9 als auch die Verbindungsschicht 10 bestehen aus einen Matrixmaterial 3, 3' mit darin eingebetteten Faserlagen 7, 7', wobei bevorzugt sowohl das Matrixmaterial 3, 3' als auch das die Faserlagen 7, 7' bildende Fasermaterial jeweils gleich gewählt sind. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, unterschiedliche Materialen zu verwenden, falls dies den gewünschten Anforderungen besser entspricht.
Es ist auch möglich, daß die Faserlagen 7' der Verbindungsschicht 10 durch Wickeln von Faserrovings und die Faserlagen 7 der Funktionsschicht 9 durch Wickeln eines Faservlieses erzeugt wird. In einem Faservlies sind die Fasern üblicherweise ungleichmäßig verteilt und kürzer als es beim Wickeln von Faserrovings der Fall ist. Bei der Verwendung eines Faservlieses besitzt somit die Funktionsschicht eine höhere Flexibilität, als es bei der Verwendung von Faserrovings der Fall wäre.
Weiterhin wird durch die Verwendung eines Faservlieses beispielsweise gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform die Zugfestigkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit der Funktionsschicht verbessert, da die Fasern des Faservlieses intensiv miteinander in Eingriff stehen.
Während in den Figuren aus Darstellungsgründen nur relativ wenige Faserlagen 7 in den Fig. 2 und 3 eingezeichnet sind, können die Bezugsschicht 9 beispielsweise zwischen 10 und 90, bevorzugt zwischen 40 und 50 Faserlagen 7 enthalten.
Die Verbindungsschicht 10 besitzt zwar üblicherweise eine geringere Dikke als die Funktionsschicht 9, aufgrund der engeren Anordnung der Faserlagen 7' kann jedoch die Anzahl der verwendeten Faserlagen 7' ähnlich der Anzahl der Faserlagen 7 der Funktionsschicht 9 sein. Eine typische Dicke für die Verbindungsschicht 10 liegt zwischen 3 bis 10mm, während die Funktionsschicht 9 eine Dicke von 5 bis 20mm besitzen kann.