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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 zum Herstellen von kalendriertem Papier.
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Nachdem
das Papier getrocknet worden ist, wird die Oberflächenstruktur
der Bahn mittels einer mechanischen Behandlung, einem Kalendrieren,
geeignet gestaltet. Es gibt mehrere Kalendrierverfahren, jedoch ist
es sämtlichen
von ihnen gemeinsam, dass die Bahn durch einen oder mehrere Spalte
tritt, die zwischen zwei Flächen,
typischerweise zwischen sich drehenden Walzenflächen, ausgebildet sind. Der
Zweck des Kalendrierens ist es, die Papierqualität zu verbessern, indem das
Papier zu einer fixierten Enddicke gepresst wird und insbesondere
seine Oberfläche
geglättet
wird. Wie dies gut bekannt ist, verbessert die Feuchtigkeit das Formvermögen der
in dem Papier enthaltenen Fasern in Verbindung mit dem Kalendrieren.
Aufgrund dessen wird das Kalendrieren bei einem feststehenden Feuchtigkeitsgehalt
ausgeführt, „der Zielfeuchtigkeit
des Kalendrierens".
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Nachstehend
sind die Kalendrierprozesse von bestimmten SC-Sorten beschrieben.
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Herkömmlicherweise
wird SC-Papier bei einem außerhalb
der Fertigungslinie stattfindenden Prozess hergestellt. Das Papier
wird getrocknet, wobei es bei der Papiermaschine auf eine Feuchtigkeit
von ungefähr 2
bis 4% „übertrocknet" wird. Danach wird
das Papier auf eine Kalendrierfeuchtigkeit von 8 bis 12% vor dem Aufrollen
befeuchtet. Es ist typisch für
diesen Prozess, dass die Feuchtigkeit Zeit hat, sich selbst während der Standzeit
der Rolle in der Richtung z des Papiers vor dem Kalendrieren auszugleichen.
In diesem Zusammenhang bezieht sich die Standzeit auf die Zeit zwischen
der Herstellzeit und dem Beginn des Kalendrierens.
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Bei
gegenwärtigen
in der Fertigungslinie stattfindenden Mehrwalzenkalanderanwendungen
von SC-Sorten wird das Papier in der Trockenpartie auf die Zielfeuchtigkeit
des Kalendrierens getrocknet. Im Allgemeinen ist es für diese
Prozesse typisch, dass das Papier direkt zu dem Kalander bei der
Endzielfeuchtigkeit von 8 bis 12%, sogar 15%, tritt.
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Normalerweise
wird beim Kalendrieren von Papier seine Oberfläche auf Kosten der Dicke des
Papiers geglättet
und satiniert. Die bei dem Kalander verwendete gesteuerte Variable
ist die lineare Belastung und / oder der Spaltdruck, der die Qualität der Oberfläche des
Papiers und auch die Enddicke bestimmt. Insbesondere in Verbindung
mit Druckpapieren mit einer niedrigen flächenbezogenen Masse war es
nicht möglich
gewesen, ein derartiges Kalendrieren zu führen, bei dem die Dicke des
Papiers nicht wesentlich verringert wird, wenn die erwünschte Oberflächenqualität angestrebt
wird.
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Bis
zum gegenwärtigen
Zeitpunkt sind lediglich Theorien aufgezeigt worden, wie eine derartige
Papierstruktur erzielt werden könnte,
bei der die Kalendriertätigkeit
auf die Oberflächenlagen
der Bahn konzentriert werden würde,
während
die Dichte bei dem mittleren Teil der Bahn annähernd bei einem ursprünglichen
Zustand bleiben würde,
das heißt
das Kalendrieren würde
seine „Voluminösität" wiederherstellen.
Im Allgemeinen können
die Theorien durch die Ausdruck Gradientenkalendrieren bezeichnet
werden. Niemand hat in einer sicheren Weise verwirklicht, dass die
Herstellung von sogenanntem Gradientenpapier mit Druckpapieren möglich ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein reales praktisches
Verfahren zum Herstellen von kalendriertem Papier aufzuzeigen, dessen
Enderzeugnis ein per Gradient kalendriertes Papier ist. Um diese Aufgabe
zu lösen,
ist das erfindungsgemäße Verfahren
hauptsächlich
durch den kennzeichnenden Teil des beigefügten Anspruchs 1 gekennzeichnet.
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Das
Verfahren ist gegründet
auf ein starkes Trocknen der Körperfeuchtigkeit
des Papiers, das heißt ein
sogenanntes Übertrocknen,
und auf das Befeuchten dieses übertrockneten
Papiers vor dem Kalendrieren in einer derartigen Weise, dass das
Befeuchten an einer sich bewegenden Bahn ausgeführt wird, die zu dem Kalander
geführt
wird. In diesem Zusammenhang bezieht sich Übertrocknen auf den Vorgang
des Trocknens des Papiers auf eine niedrigere Feuchtigkeit als die
Feuchtigkeit, die normalerweise für das Papier zulässig ist, wenn
es in den Kalendrierspalt eintritt, wenn berücksichtigt wird, dass bei dem
Kalendrieren die Feuchtigkeit der Bahn um über 2 Prozentpunkte weiter
verringert wird, wobei das nach dem Kalendrieren erhaltene Papier trockener
als die Anwendungsfeuchtigkeit des Papiers bei normalen Bedingungen
ist. Das Befeuchten wird bei einem geeigneten Abstand von dem Kalander
ausgeführt,
so dass bei Berücksichtigung
der Bahngeschwindigkeit des Papiers das Befeuchtungswasser Zeit
hat, um in der Oberfläche
des Papiers absorbiert zu werden. Andererseits wird das Messen in
einer derartigen Weise ausgeführt,
dass das Befeuchtungswasser lediglich in der Oberflächenlage
der Bahn absorbiert wird, während
die mittlere Lage im Wesentlichen trocken bleibt (bei der Feuchtigkeit
einer übertrockneten
Bahn).
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Bei
diesem Verfahren ist es möglich,
sowohl ein in der Fertigungslinie stattfindendes Kalendrieren als auch
ein außerhalb
der Fertigungslinie stattfindendes Kalendrieren anzuwenden. Im erstgenannten
Fall wird die Bahn in der Trockenpartie der Papiermaschine übertrocknet
und tritt zu dem Kalander über
ein Befeuchten. Im letztgenannten Fall wird die Bahn in der Trockenpartie übertrocknet
und bei einem Aufroller aufgerollt, um eine Rolle auszubilden, wobei
sie danach zu dem Kalander über
ein Befeuchten abgewickelt wird.
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Der
Kalander ist vorteilhafterweise ein Mehrspaltkalander, der mehrere
aufeinanderfolgende Spalte zwischen den Kalendrierwalzen hat, die
einen bestimmten Spaltdruck auf die durch den Spalt tretende Bahn ausüben. Um
günstige
Druckpapiersorten herzustellen, werden typischerweise Kalander mit über 4 Spalten verwendet.
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Das
Gerät hat
eine Befeuchtungsvorrichtung, die bei einem geeigneten Abstand von
dem Kalander angeordnet ist. Es können Befeuchtungsvorrichtungen
an beiden Seiten der Bahn vorhanden sein, um beide Seiten der Bahn
zu befeuchten. Beide Befeuchtungsvorrichtungen befinden sich innerhalb
eines geeigneten Abstandes von dem Kalander, wobei das Ergebnis
ein kalendriertes Papier mit symmetrischem Gradienten ist, bei dem
die Dichte von beiden Oberflächenlagen
höher als
die Dichte der mittleren Lage ist.
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Nachstehend
ist die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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1 zeigt eine schematische
Seitenansicht des Geräts.
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2 zeigt eine Seitenansicht
von einem Teil des Geräts,
das sich vor dem Kalander befindet.
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3 zeigt eine Kalendrierkurve
nach dem Stand der Technik.
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4 bis 9 zeigen Kalendrierkurven, die durch
das erfindungsgemäße Verfahren
erhalten werden.
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10 zeigt die Struktur des
Papiers, das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird.
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1 zeigt ein Gerät, das mit
Walzen 2 oder dergleichen versehen ist, um eine von der
Trockenpartie D einer Papiermaschine getretene Bahn W zu einem Kalander
C zu führen,
wobei die Bahn W auf eine Feuchtigkeit übertrocknet worden ist, die
geringer als die Einlassfeuchtigkeit das heißt die Zielfeuchtigkeit des
Kalendrierens ist. Die Trockenpartie D ist ein Mehrzylindertrockner
mit einem bekannten Prinzip. Der Kalander C ist ein Mehrspaltkalander,
bei dem aufeinanderfolgende Spalte zwischen den Walzen ausgebildet
sind, die in einem Stapel an Kalanderwalzen übereinander angeordnet sind.
Der Aufbau des Kalanders kann ein beliebiger Aufbau von jenen Aufbauarten
sein, die bei in der Fertigungslinie befindlichen Mehrspaltkalandern
verwendet werden. Er enthält über 4 Spalte
und in 1 ist ein Kalander
mit 6 Walzen und 5 Spalten gezeigt. Es ist ebenfalls
möglich,
einen Kalander mit 8, 10 oder 12 Walzen
bzw. 7, 9 oder 11 Spalten zu verwenden.
In einer bekannten Weise hat der Kalander außerdem Walzen mit Metall- und
Polymeroberflächen.
Nach dem Kalander wird die Papierbahn W bei einem Aufroller R zum
Ausbilden einer Maschinenrolle aufgerollt.
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Das
Gerät weist
eine Befeuchtungsvorrichtung 1 auf, die zwischen der Trockenpartie
D und dem Kalander C in der Laufrichtung der Bahn angeordnet ist.
Die Befeuchtungsvorrichtung 1 ist so eingerichtet, dass sie
die Oberfläche
der Bahn W durch ein bekanntes Verfahren befeuchtet. Die Befeuchtungsvorrichtung
ist ausreichend weit vor dem Kalander C in der Laufrichtung der
Bahn angeordnet, so dass das Wasser Zeit hat, um in der Oberflächenlage
der Bahn absorbiert zu werden. Die Befeuchtungsvorrichtung 1 ist
vorteilhafterweise ein Wasserbefeuchter, der eine geeignete Menge
an Befeuchtungswasser an der Oberfläche der Bahn misst. Der Befeuchter
ist beispielsweise ein Walzenbefeuchter oder ein Sprühbefeuchter
oder ein beliebiger anderer Befeuchter, durch den Wasser an der
Oberfläche
des Papiers eingeleitet wird, und das Wasser kann auch in der Form
von Dampf oder eines Gemisches aus Dampf und flüssigem Wasser sein. In diesem
Zusammenhang bezieht sich Befeuchtungswasser auf sämtliche
wässrigen
Substanzen, entweder reines Wasser oder Wasser, das Substanzen enthält, die
in diesem aufgelöst
oder suspendiert sind.
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Wie
dies aus der Zeichnung ersichtlich ist, sind zwei Befeuchtungsvorrichtungen 1 vorhanden,
eine an jeder Seite der Bahn W, und sie sind so eingerichtet, dass
sie ein zweiseitiges Befeuchten der Bahn in einer derartigen Weise
ausführen,
dass die mittlere Lage im Wesentlichen trocken bleibt, das heißt bei einer Übertrocknungsfeuchtigkeit,
die das Papier nach der Trockenpartie D besitzt. 1 zeigt außerdem Vorrichtungen M für ein Messen
des Feuchtigkeitsprofils der Bahn, wobei durch diese Vorrichtungen
es möglich
ist, die Feuchtigkeit zu überwachen
und einzustellen. Die erste Messvorrichtung M befindet sich vor
den Befeuchtungsvorrichtungen 1 und die zweite Messvorrichtung
befindet sich nach dem Kalander C.
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2 zeigt eine Einzelheit
eines Geräts
in ähnlicher
Weise wie das in 1 gezeigt
Gerät zum
Ausführen
eines zweiseitigen Befeuchtens, wobei bei diesem Gerät die Vorrichtungen
M zum Messen des Feuchtigkeitsprofils sich vor und nach den Befeuchtungsvorrichtungen
befinden, wobei die letzte Messvorrichtung sich vor dem Kalander
C befindet.
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Innerhalb
des Umfangs der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Feuchtigkeit
der Bahn auf das Verhältnis
ihres Wassergehalts gegenüber
der gesamten Masse. Es ist typisch für den Kalendrierprozess, der nach
dem Befeuchten erfolgt, dass der Prozess ein Gradientenkalendrierprozess
ist. Der Gradient wird bei dem Papier erhalten, indem dieses auf
eine Feuchtigkeit von 0 bis 7 % getrocknet wird und es auf die Zielfeuchtigkeit
von 7,5 bis 20 % (Gesamtfeuchtigkeit) erneut befeuchtet wird. Die
Bahn wird in vorteilhafter Weise auf eine Feuchtigkeit von 2 bis
4 % heruntergetrocknet und in vorteilhafter Weise auf die Zielfeuchtigkeit
von 8 bis 12 % erneut befeuchtet. Typischerweise wird das Befeuchten
unmittelbar vor dem Kalander C innerhalb einer ausreichenden Verweilzeit
von dem ersten Kalendrierspalt ausgeführt, anders als zuvor, als
ein erneutes Befeuchten vor dem Aufrollen ausgeführt worden ist. Das Anordnen
der Befeuchtungsvorrichtung/en 1 zum Erzielen einer ausreichenden
Verzögerungszeit
wird in Übereinstimmung
mit der Absorptionszeit bestimmt, die durch das Wasser erforderlich
ist. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Absorptionszeit auf
diese Zeit, nach der ein optimales Kalendrierergebnis bei dem Papier
nach dem Aufbringen von Wasser auf dem Papier erzielt wird. Die
Absorptionszeit beträgt
0,2 bis 2,0 s. In Bezug auf die Bahngeschwindigkeiten, die für Druckpapiere
verwendet werden, wie beispielsweise SC-Papiere, ist der Anordnungspunkt
der Befeuchtungsvorrichtung 1 typischerweise 5 bis 40 m,
vorteilhafter Weise 5 bis 35 m, vor dem Kalander bei Messung entlang
der durch die Bahn gelaufenen Bahn. 1 zeigt
eine Einstellvorrichtung 3, die sich zwischen den Befeuchtungsvorrichtungen 1 und
dem Kalander C befindet, wobei durch diese Einstellvorrichtung 3 es
möglich
ist, die Länge
der durch die Bahn W gelaufenen Bahn von dem Befeuchtungspunkt zu
dem Kalander C und in entsprechender Weise die Absorptionszeit zu
erhöhen,
und es außerdem
möglich
ist, diese beiden zu wechseln. Die Einstellvorrichtung 3 ist
mit Elementen wie beispielsweise Walzen versehen, die den Lauf der
Bahn führen,
und durch ein Ändern
des Abstandes zwischen ihnen besonders in der vertikalen Richtung
ist es möglich,
den vorstehend erwähnten
Abstand innerhalb eines breiten Bereiches zu ändern. In ähnlicher Weise ist es möglich, die
Bahn so zu führen,
dass sie entlang einer anderen Route läuft, indem die Bahn dazu gebracht
wird, dass sie an einigen Walzen des Walzensystems vorbeitritt.
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Die
Absorptionszeit ist ausreichend lang, so dass das Wasser Zeit hat,
um sich in der Oberflächenlage zu
verteilen, aber es durchfeuchtet das Papier nicht, wie dies bei
dem Befeuchten der Fall ist, das vor dem außerhalb der Fertigungslinie
stattfindenden Kalendrieren ausgeführt wird, wenn die Bahn auf
der Rolle wartet.
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Es
ist typisch für
die Befeuchtungsvorrichtung 1, dass sie einen ausreichend
gleichmäßigen Film
oder eine Lage aus Wasser an der Oberfläche des Papiers erzeugt. In
Verbindung mit einem Sprühbefeuchter
ist es eine bekannte Tatsache, dass die durchschnittliche Tropfengröße bei einer
genauen Proportion gegenüber der
zu sprühenden
Wassermenge sein muss. Typischerweise ist, wenn die Wassermengen
0,1 bis 10 g/m² betragen,
es vorteilhaft, eine durchschnittliche Tropfengröße von ungefähr 10 bis
100 µm
anzuwenden.
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Wenn
das Befeuchten sowohl an der oberen als auch an der unteren Seite
der Bahn bewirkt wird, ist es möglich,
die Befeuchtungsvorrichtungen 1 auf der Grundlage der Messergebnisse
einzustellen, die nach dem Kalendrieren erhalten werden. Die Messvorrichtungen
M, die sich nach dem Kalander C befinden, können somit die Eigenschaften
an beiden Seiten der Bahn von der vorbeitretenden Bahn messen. Zusätzlich zu
der Feuchtigkeit können
die Messvorrichtungen auch den Glanz und / oder die Glätte messen,
wobei ihre Sensoren innerhalb des gleichen Messrahmens angeordnet
werden können,
oder sie können
sich an verschiedenen Messrahmen zwischen dem Kalander C und dem
Aufroller R befinden. Somit kann die Menge an Wasser, die bei dem
Befeuchten hinzugefügt
wird, auf der Grundlage des Messergebnisses (Glanz und / oder Glätte) an der
entsprechenden Seite eingestellt werden, und somit ist von der Messvorrichtung
M in entsprechender Weise eine Rückkopplungsverbindung
zu der Befeuchtungsvorrichtung vorhanden. Wenn eine spezielle Zweiseitigkeit
des Papiers erwünscht
ist, wird das Befeuchten an der oberen Seite so eingestellt, dass
es sich von dem Befeuchten an der unteren Seite unterscheidet, um
die erwünschte
Zweiseitigkeit zu erhalten. In ähnlicher
Weise ist es möglich,
die Messvorrichtung M, die die Feuchtigkeit misst und die sich nach
dem Kalander befindet, zum Messen zu verwenden, wenn die Zielendfeuchtigkeit
nach dem Kalendrieren realisiert wird, und das Befeuchten an der
oberen Seite und an der unteren Seite kann in einer derartigen Weise
eingestellt werden, dass die erwünschte
Zweiseitigkeit bei ihrem Verhältnis
wiederhergestellt wird, aber gleichzeitig befeuchten sie zusammen
die Papierbahn W in einer derartigen Weise, dass die erwünschte Endfeuchtigkeit
in dem Papier nach dem Kalendrieren bleibt.
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Die
vorliegende Erfindung ist für
SC-Papiersorten geeignet. Nachstehend sind die Qualitätsanforderungen
von einigen holzhaltigen SC-Papiersorten als Beispiele aufgeführt.
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Die
Sorten SC-A, SC-B, SC-C unterscheiden sich voneinander hauptsächlich im
Bezug auf die als ein Rohmaterial verwendeten Halbstoffe.
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Die 4 bis 9 zeigen das Endergebnis, das mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erzielt wird. Versuche sind mit einem Mehrspaltkalander ausgeführt worden,
der Polymer- und Stahlwalzen aufwies, wobei die Achse x der Zeichnungen
den Spaltdruck des untersten (letzten) Spaltes zeigt. De r. Spaltdruck
wird von der linearen Belastung mit der Hertz-Formel umgewandelt und
zeigt den durchschnittlichen Spaltdruck in dem Spalt. Trockenes
Papier mit der Feuchtigkeit von ungefähr 2 bis 3 wurde kalendriert,
indem beide Seite in einer derartigen Weise befeuchtet wurden, dass
die Feuchtigkeit ungefähr
5 % nach dem Kalendrieren betrug. Die Absorptionszeit des Wassers
vor dem ersten Kalendrierspalt betrug ungefähr 1 s.
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Der
Effekt des Feuchtigkeitsgradienten auf die Qualität des Papiers
ist wesentlich von der Steilheit des Gradienten abhängig. Wenn
die mittleren Teile des Papiers trocken sind, verhalten sie sich
elastischer beim Pressen als feuchte Oberflächen. Somit ist der größte Teil
des Papierformeffektes von dem Kalander auf die feuchten Oberflächen begrenzt.
Nach dem Pressen wird bei dem mittleren Teil annähernd sein Ausgangszustand
elastisch wiederhergestellt. Somit werden bei dem Kalendrieren die
Oberflächen
relativ dichter als die Mitte des Papiers.
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3 zeigt eine typische Kalendrierkurve,
wenn das Papier eine relative gleichförmige Feuchtigkeit in der Richtung
z das heißt
in der Dickenrichtung hat. Die Dichte des Papiers nimmt als eine
Funktion des Kalendrierdruckes steil zu.
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Typische
Merkmale des Papiers der 4 bis 9, das mittels des Gradientenkalendrierverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wird, umfassen wiederum eine niedrigere Dichte,
eine größere Dicke
und ein höheres
Steifigkeitsziel bei der Qualität
der Oberfläche
wie beispielsweise Glanz und Glätte
im Vergleich zu dem Papier von 3,
das unter den gleichen Bedingungen hergestellt worden ist, jedoch
bei einer gleichförmigen
Feuchtigkeitsverteilung. Bei diesen Papieren ist die Dichte lediglich
bis zu einem geringen Grad als eine Funktion des Kalendrierdruckes
erhöht,
was anzeigt, dass die „Voluminösität" bei der mittleren Lage
der Bahn bewahrt ist und ein deutlicher Dichtegradient für das Papier
in der Dickenrichtung der Bahn erhalten wird.
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In
den Zeichnungen ist das Papier A ein Offset-Papier mit dem Ziel
eines guten Glanzes. Das Papier B ist ein Offset-Papier mit dem
Ziel einer Feuchtigkeit zusätzlich
zu dem Glanz, und es wird aus gebleichtem Halbstoff hergestellt.
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Aus
den Zeichnungen kann ersehen werden, dass innerhalb des Spaltdruckbereichs
von 30 bis 50 MPa die Dichte bei den SC-Papieren, die an beiden Seiten per Gradient
kalendriert werden, weniger als 2,0 kg/m³ pro
1 MPa ansteigt (die Neigung der Linie zur Darstellung der Dichte
als eine Funktion des Spaltdrucks), wohingegen bei herkömmlichen
kalendriertem SC-Papier (siehe 3)
diese innerhalb des gleichen Bereiches 6 kg/m³ im
Durchschnitt pro 1 MPa zunimmt, und sogar bei seinem kleinsten Wert
die Zunahme bei dem oberen Ende des Druckbereiches über 3,5
kg/m³ pro
1 MPa beträgt.
Bei den Linien von 4 bis 9 ist der exakt berechnete
Wert unterhalb von 1,5 kg/m³ pro 1 MPa.
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10 zeigt schematisch den
Querschnitt eines per Gradient kalendrierten Papiers. Die Zeichnung zeigt
Oberflächenlagen
W1, W2, die dichter als die mittlere Lage mit der ursprünglichen
Dichte sind. Es ist jedoch möglich,
dass das durch das Gradientenkalendrieren erforderliche Befeuchten
lediglich an der anderen Seite der Bahn ausgeführt wird, wenn die dichtere
Oberflächenlage
lediglich an einer Seite des Papiers ist.
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Vorstehend
ist auf das Befeuchten und folglich auf den Gradientenkalendriereffekt
in Verbindung mit einem in der Fertigungslinie stattfindenden Kalendrieren
Bezug genommen worden, wobei dieses auch bei einem außerhalb
der Fertigungslinie stattfindenden Kalendrieren bei einem Superkalander
ausgeführt
werden kann. Die Aufbauarten und vorteilhaften Parameter können ansonsten
die gleichen wie bei der Darstellung von 1 sein und derart, wie sie bei der vorstehend
dargelegten Beschreibung Erwähnung
finden, jedoch tritt die Bahn W von einer Abwickelvorrichtung zu
dem Superkalander über
eine Befeuchtungsvorrichtung / Befeuchtungsvorrichtungen.
