DE102008040728A1 - Endless belt for processing sheet-like material webs - Google Patents

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 Erhöhrung der Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit bestehen die Nanopartikel aus Kohlenstoffnanoröhren.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 made of plastic, preferably polyurethane, are embedded in the nanoparticles. To increase the strength and thermal conductivity of the nanoparticles consist of carbon nanotubes.

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.The The invention relates to an elastic endless belt for devices for processing flat trained material webs, the comes into contact with the material web to be processed, consisting at least partially made of a matrix material, preferably of plastic and in particular of polyurethane, embedded in the nanoparticle are.

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.at Machines for processing sheet-formed material webs, especially in paper machines or board machines the material web to be produced or to be processed passed a variety of differently shaped rollers. For example, the smoothing of a paper web is usually achieved by pressurizing the paper web. Go through it the paper web a Bearbeitungsnip, of two adjacent to each other Rolling is formed. This arrangement usually becomes referred to as calender. Such a processing of the paper web is therefore also referred to as calendering.

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.With progressive advancement of paper machines came one on certain issues and limitations that calender construction with two at least in the roll shell rigid, metallic, each other having opposite calender rolls.

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.One The first problem lies in the short residence time of the paper web in the Nip classic calander established. As a consequence, that uses a larger number of Bearbeitungsnips must be in order to achieve the desired processing result. This requires a correspondingly large number of calender rolls advance, which are accordingly expensive to purchase. That too Provided that the roll shells are reduced with an elastic covering not essential the necessary rollers for a high quality calendering, although the nip is thereby widened a bit.

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 Kalanderwailze der Drehzahl der Walzen gewisse Grenzen.A Possibility to reduce the required number At Nips is the residence time of the paper web in one single nip to enlarge significantly. Do this so-called wide-nip calender. These are one of the calender rolls provided with an elastic roll shell. This will make the corresponding Roll surface of the corresponding calender roll in Nipbereich convex deformed together with the roll shell, so that a Nip with greater processing length arises. A disadvantage of such broad-nip calender is that respect the roll surface certain limitations consist of material selection. In addition, the elastic deformability of a Kalanderwailze the speed the rollers certain limits.

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.Around the restrictions regarding the material condition eliminating the calender roll surfaces also became already proposed, the calendering paper web on the Side, which faces the elastically deformable roller, with a support thin-walled, metallic endless belt. This endless belt serves as a substitute for a metallic one Roll surface.

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.Around the processing length of a wide-nip calender continues to was also proposed instead to provide an elastically deformable roller with a convexly shaped pressure shoe, the against a corresponding to the shape of her roller surface is pressed. Between the pressure shoe and the calendering Paper web is a thin-walled endless belt Metal, the paper web to be calendered in the area of the pressure shoe supported and at the same speed as the Paper web moves.

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.One Calender problem is the slack. At today's calender roll lengths up to 15 m in length and more, it does not happen insignificant sag of the rollers. This slack may be in Regarding emerging vibrations prove to be problematic. About that In addition, the slack causes an uneven Propulsion speed of the calendered paper web over seen the roll length away. In particular, the latter Addressing problems has been different in the past Suggestions for the bowing.

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.One particularly promising approach, to never completely avoid it To avoid sagging of rolls, consists in so-called bending compensation rolls. For this purpose, a carrier element over its length provided with pressure elements. About the pressure elements a hollow cylinder is guided, which is the calendering Paper web contacted and for this as a roll surface serves. In a correspondingly thin design of the cylinder jacket this finally forms an elastic Endless belt.

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.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 is preferably made of the plastic polyurethane, but other materials can also be used, for example latex or rubber.

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.Such elastic endless belts are for example from the WO 2005/090429 A1 known. In this document, so-called band calender as well as Breitnipkalander be found whose endless belts are made of polyurethane and contain nanoparticles. To control the properties of the elastic endless belt usually fillers, for example in the form of fibers or powder are introduced into the matrix material. Depending on the amount and physical property of these fillers, the physical properties of the elastic endless belt are dominated or influenced by the fillers. For example, the thermal conductivity of the elastic endless belts can be improved by using fillers having a high thermal conductivity.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Ausführung von Endlosbändern bezüglich ihrer Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit noch weiter zu bessern.It The object of the invention is this embodiment of endless belts in terms of their strength and thermal conductivity to improve even further.

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.The Task is solved by the nanoparticles through Carbon nanotubes are formed. Carbon nanotubes, also CNT (carbon nanotubes), are microscopic tubular structures (molecular nanotubes) made of carbon.

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.Your Walls are made only of carbon, with the carbon atoms a honeycomb structure with hexagons and three binding partners each taking. This structure allows a good embedding in the matrix material, which is preferably polyurethane. Despite their ease show Carbon nanotubes significantly improved behavior within the matrix material in terms of strength and the Thermal conductivity.

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.The Length of the carbon nanotubes is compared very long for the diameter. The prior art describes particles in the order of 1 to 100 nm. Carbon nanotubes on the other hand have a length in the millimeter range. The carbon nanotubes correspond to fibers (like paper fibers in the paper). They should be networked be able to absorb forces even better, so that the endless belt becomes more durable. In particular carbon nanotubes are stronger than steel or carbon fibers. That's why it's an advantage when the carbon nanotubes embedded in the matrix material a diameter range of 0.2 to 50 nm and a length of more than 1000 nm.

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.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. Furthermore, due to the improved surface smoothness the number of required machining tips can be reduced as well as on the elastic endless belt associated side of the Paper web a high smoothness of the web are achieved can and not, as in the known endless tapes Plastic, for example, on a hard and heated counter roll generated smoothness of the web partially through the contact is deteriorated again with the known endless belt. The endless belt according to the invention is easily with surface roughness Ra less than 0.05 microns to provide.

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.Preferably the carbon nanotubes are interlinked in introduced the matrix material of the endless belt. It has shown, that thereby the bending fatigue strength of the endless belt by at least a power of ten over endless tapes with usual Nanoparticles is larger.

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.Cheap it is when the tensile strength of the carbon nanotubes over 40 GPa lies. With such a tensile strength, they are common today and planned loads in calenders and other processing machines grown perfect break resistance. A change of the endless band becomes predictable for the user of the endless belt, since the Wear interval known from experience is and no longer to extraordinary endless tape changes because of overstretching comes.

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.On the other side is thereby a limited expansion possibility given the endless belt, which allows in contact with the web to induce a microfriktion, which is particularly desirable Can contribute to surface treatment effects.

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.With Advantage is ensured that the carbon nanotubes a thermal conductivity above 5000 W / mK to have. Especially with relatively long carbon nanotubes is for a uniform heat distribution taken care of in the endless belt, so that partial high pressure loads not more about so-called hot spots (these are places where you look the endless belt heated inadmissible) can come.

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.The production of the elastic endless belt can take place in known manner, for example by injection, casting or winding process 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 advantageous if the endless belt is composed of strip-like or filament-shaped base components which contain the matrix material and the carbon nanotubes. The base material strips or threads can then be glued, welded, for example en, interweave or merge. This ensures a uniform distribution of the carbon nanotubes.

In einigen Anwendungsfällen ist es sinnvoll, dem Endlosband nicht nur die Eigenschaft einer hohen Glätte zuzuweisen, so dass bei einer Druck behandlung 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.In For some applications, it makes sense, the endless belt not only to assign the property of a high smoothness, so that at a pressure treatment of the web the smoothness of the endless band is transmitted, so to speak, but also a to allow some porosity. This will make it possible to remove or supply moisture to a material web. Through the long carbon nanotubes in the remaining Matrix material is the strength of the endless belt even with porosity guaranteed.

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.All The band will be particularly effective if it is in addition is still heated. The effectiveness of a calendering or drying process of a web is determined by the feed significantly improved by heat. This may be due to inductive Done away, if the endless belt additionally magnetizable Contains particles or from the outside over a hot air blower is heated. Corresponding The endless belt should then have temperatures in excess of 100 ° C without damage can cope.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• - WO 2005/090429 A1 [0011] WO 2005/090429 A1 [0011]

Claims (7)

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.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 of polyurethane, are embedded in the nanoparticle, characterized in that the nanoparticles formed by carbon nanotubes become. 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.Elastic endless belt according to claim 1, characterized in that embedded in the matrix material Carbon nanotubes have a diameter range of 0.2 to 50 nm and have a length of more than 1000 nm. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren untereinander vernetzt in das Matrixmaterial des Endlosbandes eingebracht sind.Elastic endless belt according to a of claims 1 or 2, characterized in that the carbon nanotubes cross-linked introduced into the matrix material of the endless belt are. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit der Kohlenstoffnanoröhren über 40 GPa liegt.Elastic endless belt according to a of claims 1 to 3, characterized in that the tensile strength the carbon nanotubes is above 40 GPa. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren eine Wärmeleitfähigkeit über 5000 W/mK haben.Elastic endless belt according to a of claims 1 to 4, characterized in that the carbon nanotubes a thermal conductivity above 5000 W / mK to have. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband aus streifen- oder fa denförmigen Basiskomponenten, die das Matrixmaterial und die Kohlenstoffnanoröhren beinhalten, zusammengesetzt ist.Elastic endless belt according to a of claims 1 to 5, characterized in that the endless belt from strip or fa denförmigen base components, the include the matrix material and the carbon nanotubes, is composed. Elastisches Endlosband gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosband porös ist.Elastic endless belt according to a of claims 1 to 6, characterized in that the endless belt is porous.