FI126363B - Kenkäpuristinhihna - Google Patents

Description

Kenkäpuristinhihna

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy yleisesti paperinvalmistusprosessin eri vaiheissa käytettyihin hihnoihin. Tarkemmin ottaen keksintö koskee kenkäpuristinhihnoja, joita käytetään kartonki-, paperi- ja sellukoneiden puristinosien kenkäpuristi-missa sekä paperikoneen kalanterin kenkäpuristimessa tiettyjen paperilaatujen valmistuksen yhteydessä.

Sellu-, kartonki- ja paperikoneissa käytetään yleisesti kenkäpuristi-mia veden poistamiseksi kuiturainasta. Tällaisissa kenkäpuristimissa suurella nopeudella kulkevan märän kuiturainan toista pintaa puristetaan pyörivällä pu-ristintelalla samalla kun kuiturainan toista pintaa puristetaan liikkumattomalla puristinkengällä, jota ympäröi joustavan elastomeerisen rungon omaava, päätön silmukanmuotoinen hihna. Hihna kulkee puristintelan ja puristinkengän välissä suurin piirtein samalla nopeudella kuin kuituraina. Puristinhuovan päällä olevaa kuiturainaa ajetaan kenkäpuristimen lävitse siten, että puristinhihnan ulkopinta on suoraan kontaktissa puristinhuovan kanssa ja puristinhihnan sisäpinta liukuu puristinkengän liukupintaa vasten. Tyypillisesti hihnan ja puristin-kengän välissä on voiteluöljyä hihnan esteettömän liikkumisen takaamiseksi.

Tunnetuissa puristinhihnoissa on tyypillisesti elastomeerimateriaalia, kuten polyuretaania tai kumia, sekä hihnan sisällä oleva lankojen muodostama tukirakenne. Eräs esimerkki kenkäpuristinhihnasta on kuvattu Fl-patenttihake-muksessa 20040166.

Yleisesti ottaen kenkäpuristinhihnaan kohdistuu toistuvia voimakkaita taivuttavia ja puristavia voimia puristustelan ja puristinkengän välissä kuiturainan kulkiessa suurella nopeudella kenkäpuristimien lävitse. Nämä rasitukset saattavat käytön aikana ajan myötä aiheuttaa hihnamateriaaliin halkeamia, mikä lopulta johtaa hihnan vaurioitumiseen käyttökelvottomaksi. Yleisenä kehityssuuntana on ollut paperikoneiden ratanopeuden kasvaminen tuotantotehokkuuden parantamiseksi. Pyrittäessä nopeuksien kasvaessa edelleen samaan paperin kuiva-ainepitoisuuteen täytyy puristustehoa tällöin lisätä. Siten myös puristusvaiheissa käytettyjen kenkäpuristimien hihnoihin kohdistuu yhä suurempia kuormituksia ja hihnoilta vaaditaankin joukkoa erilaisia ominaisuuksia niiden hyvän suorituskyvyn takaamiseksi. Paperikoneiden ratanopeuksien kasvaessa hihnaan kohdistuu enenevässä määrin lämpökuormitusta, toisaalta nopeuden kasvun, toisaalta voiteluöljyn lämpenemisen johdosta. Hihnan hyvä lämmönkesto on olennainen asia hihnan käyttöikää ajateltaessa.

Paperi-, kartonki- ja sellukoneiden kenkäpuristinten käyttölämpötilat ovat yleensä alle 70 °C. Viime aikoina on huomattu, että tuotantotehokkuutta voidaan lisätä myös nostamalla kenkäpuristimien lämpötilaa; nostamalla kuitu-rainan lämpötilaa voidaan saavuttaa parempi kuiva-aine veden viskositeetin aletessa ja veden poistuessa helpommin. Kuiturainaa voidaan lämmittää esimerkiksi höyryllä, kuumalla telalla tai nostamalla massan lämpötilaa. Niin sanotussa impulssikuivatustekniikassa nostetaan lämpötila jopa yli 200 °C:een. Myös ns. kenkäkalantereissa kuumatelan lämpötila saattaa olla yli 200 °C. Nämä tekijät nostavat kenkäpuristinhihnan lämpötilaa ulkopuolelta. Nostamalla puristuskuormaa kuiva-aine paranee. Samalla kuitenkin kitkan aiheuttama lämpö kuumentaa kengän voiteluöljyä ja nostaa lämpöä kenkäpuristinhihnan sisällä. Nämä kaikki tekijät johtavat siihen, että kenkäpuristinhihnan lämmönkesto-vaatimukset nousevat.

Tavallisesta polyuretaanista valmistetut kenkäpuristinhihnat kestävät hyvin alle 70 °C:een lämpötilassa. Tätä korkeammissa lämpötiloissa polyuretaanin ja vastaavasti kenkäpuristinhihnan mekaaniset ja dynaamiset ominaisuudet kuitenkin huononevat selvästi. Polyuretaani pehmenee korkeassa lämmössä ja hihna alkaa kulua enemmän. Pehmenemisen takia hihnan urat puristuvat kokoon eivätkä enää palaudu alkuperäiseen muotoonsa, vedenpoisto huononee, koska uriin ei enää mahdu tarpeeksi vettä. Korkeassa lämmössä, ja etenkin paperinvalmistuskemikaalijäämien ollessa läsnä, polyuretaanissa alkaa tapahtua termisiä ja kemiallisia hapettumisreaktioita, jotka johtavat poly-meeriketjujen katkeilemiseen. Kun ketjut katkeilevat, polyuretaanin ominaisuudet heikkenevät, mikä näkyy edelleen hihnan kulumisena ja murtolujuuden heikkenemisenä. Kenkäpuristinhihna on käyttökohteellaan jatkuvassa dynaamisessa puristus- ja venytyskuormituksessa. Siksi sen dynaamisten ominaisuuksien säilyminen hyvänä tällä lämpötila-alueella on tärkeää.

Kenkäpuristimiin soveltuvia hihnoja on kuvattu alalla runsaasti. Esimerkiksi EP-hakemusjulkaisussa 1338696 A1 kuvataan paperinvalmistusprosessin puristusvaiheisiin soveltuva hihna, kuten kenkäpuristinhihna, joka käsittää lujitusaineen, joka on upotettu polyuretaanikerrokseen. Hihnan ulompi ym-päryspinta, joka on suoraan kosketuksissa kuiturainan kannatelevan puristin-huovan kanssa, muodostuu uretaaniesipolymeeristä ja dimetyylitiotolueeni-diamiinista (DMTDA) kovetusaineena. Hihnalla on pyritty vähentämään etenkin hihnojen ulkopinnalla yleisesti ilmenevää halkeilua tai hidastamaan halkeilun etenemistä, mikäli sitä esiintyy, ja toisaalta estämään lujitusaineen ja polyure-taanikerroksen välistä delaminoitumista. EP-hakemusjulkaisussa 877118 A2 kuvataan kenkäpuristinhihna, jossa on pohjakerros ja sen molemmilla puolilla hartsikerros. Hartsi on valmistettu tolueenidi-isosyanaattipolyeetterityyppisestä uretaaniesipolymeeristä ja 4,4'-metyleenibis(2-kloorianiliinista) (MOCA/MBOCA) ketjunjatkajana. Hihnan mainitaan antavan tarvittavan kulumisenkestävyyden, taivutusväsymislujuuden sekä halkeilun eston. WO-hakemusjulkaisussa 2005/090429 A1 kuvataan kenkäpuristi-meen soveltuva hihna, joka käsittää uretaanipohjaisen päällysteen, jossa on nanohiukkasia. Lisäämällä päällysteeseen nanohiukkasia on pyritty parantamaan mm. hihnan kestävyyttä taipumisen aiheuttamaa väsymistä ja halkeilun etenemistä vastaan sekä tuomaan kovuutta ja kulumisominaisuuksia hihnalle. EP-hakemusjulkaisussa 0939162 A2 kuvataan kenkäpuristinhihna, joka käsittää kaksi hartsikerrosta, jotka on valmistettu tolueenidi-isosyanaatti-polyeetterityyppisestä uretaaniesipolymeeristä ja 3,3’-dikloori-4,4’-diaminodife-nyylimetaanista (MOCA/MBOCA) kovetusaineena. Hihnalla halutaan aikaansaada lujuutta sekä konesuunnassa että poikkisuunnassa ja estämään hartsin irtoamista hihnasta.

Edellä kuvattujen kenkäpuristinhihnojen ongelmana on, että niiden lämmönkestävyys ei ole riittävä niissä kartonki-, paperi-ja sellukoneissa käytetyissä nopeuksissa, joissa tuotteita nykyisin enenevässä määrin halutaan valmistaa tuotannon tehokkuuden maksimoimiseksi.

Julkaisussa EP 1136618A2 puristinhihnan käyttölämpötilan nousulle on esitetty ratkaisuksi eristävän täyteaineen käyttö. Samoin julkaisussa DE 19702138 A1 puristinhihnojen lämmönkestävyyden parantamiseksi ratkaisuksi on esitetty lämpöä johtavien täyteainepartikkelien käyttöä elastomeeri-matriisin seassa. Julkaisussa DE 19651557 A1 puristinhihnaan on asetettu pinnoite, joka suojaa sen alla olevaa elastomeeria sekä kemikaaleilta että lämmöltä.

Mainitunlaiset ratkaisut, jotka perustuvat täyteaineiden tai pinnoitteen käyttöön, voivat kuitenkin aiheuttaa muita ongelmia hihnoille. Polymeeri-materiaali saattaa muuttua hauraammaksi tai delaminoitua irti vahvikeraken-teestaan täyteaineen johdosta. Pinnoitteen pysymisessä hihnamateriaalissa voi myös ilmetä ongelmia varsinkin hihnan pitkäaikaisessa käytössä.

Toivottavaa on aikaansaada vielä yksinkertaisemmalla tavalla hyvin lämmönkestäviä kenkäpuristinhihnoja, joilla ei ole tunnettujen ratkaisujen mukaisia ongelmia ja joiden hyvät dynaamiset ja mekaaniset ominaisuudet säilyvät laajemmalla käyttölämpötila-alueella, erityisesti korkeammassa lämmössä.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on aikaansaada kenkäpuristinhihna, joka täyttää nykyisten kartonki-, paperi- ja sellukoneiden asettamat erityisvaatimukset hihnan hyvän lämmönkeston suhteen. Keksinnön tavoite saavutetaan ken-käpuristinhihnalla, jolle on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisessä patenttivaatimuksessa.

Yllättäen havaittiin, että käyttämällä tietynlaisia lähtöaineita kenkä-puristinhihnassa käytetyn polyuretaanin valmistuksessa, nimittäin tietynlaista isosyanaattimonomeeria ja tietynlaista ketjunjatkajaa, hihnan lämmönkestoa voidaan parantaa. Hihnan lämmönkeston paraneminen ilmenee esimerkiksi hihnan murtolujuuden säilymisenä. Käytettyjen tietyntyyppisten lähtöaineiden ansiosta myös polyuretaanihihnan muut ominaisuudet, kuten kulutuksen kesto sekä puristuksesta palautumiskyky samalla paranevat.

Keksinnön mukaisen kenkäpuristinhihnan etuna on mm., että hyvän lämmönkestävyytensä ansiosta hihnan käyttöikä oleellisesti pitenee.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Keksintö tarjoaa käyttöön uudenlaisen kenkäpuristinhihnan, jolle on tunnusomaista, että se käsittää polyuretaanipolymeeriä, joka on valmistettu isosyanaattiryhmiä sisältävästä uretaaniesipolymeeristä ja ketjunjatkajasta, jolloin uretaaniesipolymeerin valmistukseen käytetään 1,4-fenyleenidi-isosya-naattia (PPDI) ja ketjunjatkaja käsittää metyyli-bis(3-kloori-2,6-dietyylianiliinia) (MCDEA). MCDEA:sta käytetään alalla myös nimitystä 4,4’-metyleeni-bis(3-kloori-2,6-dietyylianiliini).

Keksinnön mukaisessa kenkäpuristinhihnassa käytettävä polyure-taanipolymeeri valmistetaan sinänsä tunnetulla tavalla. Polyuretaani voi olla joko valettavaa tai ekstrudoitavaa polyuretaania. Polyuretaanin valmistuksessa voidaan käyttää alalla tunnettuja esipolymerointitekniikoita, jolloin esipolyme-rointi voidaan tehdä joko osittain (ns. quasi prepolymer -menetelmä) tai täydellisesti (ns. full prepolymer-menetelmä). Tässä keksinnössä polyuretaani valmistetaan sekoittamalla isosyanaattiryhmiä päissään sisältävä uretaaniesipoly-meeri amiiniryhmiä (NH2-) sisältävän ketjunjatkajan kanssa. Ketjunjatkaja saa aikaan esipolymeerin ketjun pidentymisen yhdistämällä pitkiä esipolymeeriket-juja yhteen, jolloin muodostuu uretaani- tai ureasidoksia ja jolloin saadaan lineaarinen polyuretaanirakenne, joka voi reagoida edelleen verkkoutuneeksi rakenteeksi biureetti-, allofanaatti-ja vetysidoksin.

Uretaaniesipolymeerillä tarkoitetaan tämän keksinnön yhteydessä tuotetta, joka on saatu mainitun 1,4-fenyleenidi-isosyanaattimonomeerin (PPDI) ja polyolin välisestä reaktiosta. PPDI:n käyttö polyuretaanien valmistuksessa on yleisesti tunnettua. Erään tutkimuksen mukaan on todettu, että PPDI:n avulla voidaan valmistaa esipolymeereja, joissa vapaiden isosyanaatti (NCO)-ryhmien pitoisuus on alentunut aikaisempiin pitoisuuksiin verrattuna. Käyttämällä vähemmän vapaita NCO-ryhmiä sisältäviä esipolymeerejä voidaan altistumista haihtuville ja myrkyllisille kaasuille, joita reagoimattomat eli vapaat isosyanaattimonomeerit aiheuttavat, vähentää.

On myös havaittu, että PPDI:stä valmistetulla polyuretaanilla on paremmat ominaisuudet kuin 2,2’-difenyylimetaanidi-isosyanaatista (MDI) valmistetulla polyuretaanilla. Tutkimuksen mukaan paremmat ominaisuudet johtuvat PPDI:n tasomaisesta rakenteesta (Yang et ai., Polymer 44 (2003), s. 3251-3258). PPDI:n ja MDI:n avaruudellisia rakenteita on havainnollistettu alla.

PPDI-monomeerin symmetrisyyden ansiosta polyuretaanielastomee-rille todetaan syntyvän lineaarinen ja tiivis, kovista ja pehmeistä lohkoista muodostuva monifaasirakenne. Kovien ja pehmeiden lohkojen välistä faasierot-tumista pidetään tärkeimpänä syynä PPDI-polyuretaanielastomeerien erinomaisiin ominaisuuksiin ja erityisesti dynaamisen suorituskyvyn paranemiseen. Tässä keksinnössä uretaaniesipolymeerin valmistamiseksi PPDI saatetaan reagoimaan polyolin kanssa. Käytettävä polyoli voi olla mitä tahansa polyuretaanien valmistuksessa yleisesti käytettyä polyolia. Siten polyoli voi olla polyeetteripolyoli, polyesteripolyoli, polyeetterikarbonaattipolyoli, polykarbo-naattipolyoli tai polykaprolaktaamipolyoli. Polyeetteripolyoleja ovat esimerkiksi, näihin kuitenkaan rajoittumatta, polytetrametyleenieetteriglykoli (PTMEG), po-lypropyleeniglykoli (PPG), polyetyleeniglykoli (PEG), polyheksametyleenieette-riglykoli; polyesteripolyoleja ovat esimerkiksi monoetyleeniglykolin polyadipaatti ja polykaprolaktoni; ; polyeetterikarbonaattipolyolit voivat olla esimerkiksi muotoa H[0-(CH2)6]n-0-C0-0-[(CH2)6-0]n-(CH2)6-0-C0-0-...-0H, näihin kuitenkaan rajoittumatta; polykarbonaattipolyolit voivat olla esimerkiksi muotoa HO-[(CH2)6-0-C0-0]n-(CH2)6-0H näihin kuitenkaan rajoittumatta. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa uretaaniesipolymeerin valmistuksessa polyolina käytetään PTMEG:a. Keksinnön toisessa suoritusmuodossa polyolina käytetään polyeetterikarbonaattipolyoleja.

Keksinnön mukaisesti polyuretaanipolymeeri valmistetaan sekoittamalla isosyanaattiryhmiä päissään sisältävä uretaaniesipolymeeri sitten ket-junjatkajan kanssa, joka käsittää amiiniryhmiä sisältävää metyyli-bis(3-kloori-2,6-dietyylianiliinia) (MCDEA), jolloin saadaan pitkiä polyuretaaniketjuja, joissa on urea-ja uretaanisidoksia.

Keksinnön mukaisesti havaittiin, että käyttämällä polyuretaanin valmistukseen symmetrisen PPDI:n lisäksi ketjunjatkajaa, joka sisältää symmetristä MCDEA:ta, tällaisesta polyuretaanista valmistetun kenkäpuristinhih-nan lämmönkesto-ominaisuudet olivat erinomaiset. MCDEA:n symmetrinen rakenne käy ilmi alla esitetystä kaavasta. Haluamatta sitoutua mihinkään teoriaan voidaan päätellä, että mainittujen symmetristen lähtöaineiden valinta johtaa polyuretaanielastomeeriin, jolla on edullinen, erittäin järjestäytynyt kovien ja pehmeiden faasien muodostama faasirakenne, mikä tekee materiaalista erityisen lämmönkestävän. Jäljempänä esitetyt tulokset osoittavat yllättävästi, että materiaalin lujuus ei heikkene vaan jopa paranee lämmön vaikutuksesta ajan kuluessa. Tämän voidaan olettaa viittaavan materiaalin taipumukseen pyrkiä entistä järjestäytyneempään rakenteeseen lämmön vaikutuksesta.

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa ketjunjatkaja käsittää 1-100 paino-% MCDEA:ta. Keksinnön toisessa suoritusmuodossa ketjunjatkaja käsittää yli 25 paino-% MCDEA:ta.

Keksinnön mukainen kenkäpuristinhihna soveltuu kaiken tyyppisiin kenkäpuristimiin. Eräänlainen kenkäpuristin on kuvattu Fl-hakemusjulkaisussa 20055556.

Keksinnön mukaisen puristinhihnan tukirakenne voi tyypillisesti käsittää monofilamentti- tai multifilamenttilankoja, jotka on muodostettu esimerkiksi polyamidista, polypropeenista, polyeteenistä, polyesteristä, polyvinyylial-koholista tai korkeaa lämpöä kestävistä kuitumateriaaleista kuten esimerkiksi polyaramidistä, polyfenyleenisulfidista tai polyeetterieetteriketonista.

Keksinnön mukainen kenkäpuristinhihna voidaan valmistaa sinänsä tunnetulla tavalla. Hihna voidaan valmistaa esimerkiksi ns. rummun keskipako-valon avulla, jolloin poikittaissuuntaiset ja pitkittäissuuntaiset vahvistuslangat asetetaan ensin valurummun sisäpinnalle ja sitten rummun pyöriessä polyure-taanimateriaali levitetään tasaisesti lankojen ympärille ja päälle. Tällainen hihnan valmistusmenetelmä on kuvattu esimerkiksi US-patenttijulkaisussa 5609811.

Keksinnön mukainen kenkäpuristinhihna voidaan valmistaa myös suorittamalla hihnan valaminen valusylinterin päälle. Tällainen menetelmä on kuvattu esimerkiksi US-patenttijulkaisussa 5134010. Menetelmässä ensin pitkittäiset vahvistuslangat kiinnitetään valusylinterin päälle, minkä jälkeen elas-tomeerimateriaalia valetaan sylinterille sylinterin pyöriessä samalla kun kehä-vahvistuslankaa kelataan pitkittäislankojen päälle.

Keksinnön mukainen kenkäpuristinhihna voidaan valmistaa vielä siten, että pohjakudos kyllästetään polyuretaanilla lieriönmuotoisessa muotissa, jolloin pohjakudos asetetaan muotin ulkokuoren ja tuurnan väliin. Muottiin imetään alipaine, minkä jälkeen polyuretaanimateriaali ruiskutetaan muottiin. Poly-uretaanimateriaali imeytyy näin tasaisesti pohjakudokseen. Tällainen menetelmä on kuvattu esimerkiksi US-patenttijulkaisussa 5833898.

Keksinnön mukainen kenkäpuristinhihna voidaan valmistaa myös impregnoimalla ja/tai pinnoittamalla päättömäksi kudottu, punottu tai laminoitu lujiterakenne molemmin puolin polymeerillä. Tällainen menetelmä on kuvattu esimerkiksi US-patenttijulkaisussa 6465074.

Keksinnön mukaisen kenkäpuristinhihnan erinomainen lämmönkes-tävyys käy ilmi alla esitetyistä tuloksista, jotka on koottu taulukkoon 1. Näyte 1 kuvaa keksinnön mukaista kenkäpuristinhihnaa, jossa polyuretaani on valmistettu PPDI:n ja PTMEG-polyolin muodostamasta esipolymeeristä ja MCDEA:ta sisältävästä ketjunjatkajasta. MCDEA:n pitoisuus on 50 % ketjunjatkajaseok-sesta. Prosessointilämpötila polyuretaanin valmistuksessa oli 66 °C. Hihnan jälkikäsittely uunissa tapahtui 16 tunnin ajan 120°C:ssa. Isosyanaattiryhmien pitoisuus esipolymeerissä oli 5,52 %. Näyte 2 on vertailuhihna, jossa polyuretaani on valmistettu 2,2’-di-fenyylimetaanidi-isosyanaatin (MDI) ja PTMEG-polyolin muodostamasta esipolymeeristä ja MOCA:a sisältävästä ketjunjatkajasta. MOCA:n pitoisuus on 25 % ketjunjatkajaseoksesta. Prosessointilämpötila polyuretaanin valmistuksessa oli 45 °C. Hihnan jälkikäsittely uunissa tapahtui 24 tunnin ajan 80 °C:ssa. Isosyanaattiryhmien pitoisuus esipolymeerissä oli 13,15 %.

Mitattiin hihnojen jäännöslujuus, kuluminen ja jäännöspuristuma 0-4 vuorokauden sisällä. Jäännöslujuus testattiin standardin SFS2983 mukaisesti, kuluminen DIN 53516 mukaisesti ja jäännöspuristuma SFS2564/ISO 815-1972 mukaisesti. Hihnojen altistumislämpötila oli 130 °C.

Taulukko 1

Tuloksista havaitaan, että lämpötila-altistuksessa näytteen 1 lujuus ei heikkene, vaan pikemminkin lisääntyy. Sen sijaan näytteen 2 lujuus heikke- nee oleellisesti jo 1 vrk:n lämpötila-altistuksessa. Myös näytteen 1 kulumisen-kesto ja puristumisesta palautumiskyky eivät heikkene lämpötila-altistuksessa. Näytteeseen 2 verrattuna näytteen 1 kulumisenkesto ja puristuksesta palautumiskyky ovat jo ennen lämpötila-altistusta oleellisesti paremmat.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (3)

1. Kenkäpuristinhihna, joka käsittää polyuretaanipolymeeriä, tunnettu siitä, että polyuretaanipolymeeri on valmistettu isosyanaattiryhmiä sisältävästä uretaaniesipolymeeristä ja ketjunjatkajaseoksesta, jolloin uretaani-esipolymeerin valmistukseen käytetään 1,4-fenyleenidi-isosyanaattia (PPDI) ja ketjunjatkajaseos käsittää yli 25 paino-% metyyli-bis(3-kloori-2,6-dietyylianilii-nia) (MCDEA).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kenkäpuristinhihna, jossa ure-taaniesipolymeeri valmistetaan 1,4-fenyleenidi-isosyanaatista ja polytetramety-leenieetteriglykolista (PTMEG).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kenkäpuristinhihna, jossa uretaaniesipolymeeri valmistetaan 1,4-fenyleenidi-isosyanaatista ja polyeette-rikarbonaattipolyolista. Patentkrav