VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR VERBESSERUNG DER PAPIERQUALITÄT |
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申请号 | EP06763592.0 | 申请日 | 2006-06-08 | 公开(公告)号 | EP1893809B1 | 公开(公告)日 | 2009-11-18 |
申请人 | SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT; | 发明人 | FIGALIST, Helmut; HARTMANN, Werner; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen und/oder Umlenken und/oder Pressen und/oder Aufrollen und/oder Veredeln eines Prozessgutes bei der Herstellung von Papier, Pappe oder Karton oder bei einer deren Eigenschaften verändernden Behandlung. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Führen und/oder Umlenken und/oder Pressen und/oder Aufrollen und/oder Veredeln eines Prozessgutes bei der Herstellung von Papier, Pappe oder Karton oder bei einer deren Eigenschaften verändernde Behandlung, umfassend eine mit dem Prozessgut in Kontakt kommende Walze. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung oder Behandlung eines Prozessgutes bei der Herstellung oder Behandlung von Papier, Karton oder Pappe, vorzugsweise zum Betrieb einer Vorrichtung nach der Erfindung, wobei das Prozessgut mit vorzugsweise nicht thermischen, großflächigem Plasma unter Atmosphärendruck in Kontakt gebracht, das Plasma in unmittelbarer Nähe zum Prozessgut erzeugt oder in dem Prozessgut oder in seiner unmittelbaren Umgebung eine Gasentladung, insbesondere eine Koronaentladung, unter Atmosphärendruck erzeugt wird. Die Anmelderin hat sich unter Bezugnahme auf die ältere Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer In einer Papierherstellungsanlage oder in Teilen einer Papierherstellungsanlage verlässt ein in der Regel noch feuchtes Papier, Pappe oder Karton einen Siebbereich der Papierherstellungsanlage und gelangt von dort in einen Pressenbe reich der Papierherstellungsanlage. Im Pressenbereich wird das Papier, Pappe oder Karton entwässert. An den Pressenbereich schließt sich ein Bereich der Veredelung für das Papier an. Die Veredelung erfolgt entweder integriert in die Papierherstellungsanlage oder auf einer separaten Anlage. Die Veredelung von Papier erfolgt häufig in mehreren aufeinander folgenden Verfahrensschritten. Folgende Qualitätseigenschaften sollen durch die Veredelung positiv beeinflusst werden:
Vorzugsweise erfolgt nach der Behandlung des Papiers eine oberflächenschonende Trocknung des Papiers, z.B. Infrarottrocknung und/oder Lufttrocknung. Bei Textilien und/oder Kunststoffen ist eine Behandlung zur Verbesserung der Oberflächenqualität mit nichtthermischen, "kalten Plasmen" bereits bekannt. Die bisherigen Verfahren verwenden hierzu Niederdruck-Plasmareaktoren, welche wegen der notwendigen Vakuumerzeugung technisch sehr aufwendig sind. Atmosphärendruckverfahren, wie sie in der Papierindustrie zur Beherrschung der heute üblichen Prozessgeschwindigkeiten nötig sind, sind bisher nicht bekannt. Aus Aus Aus Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die Papierqualität bei der Papierherstellung weiter zu steigern. Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird gelöst durch mindestens zwei Elektroden zur Erzeugung eines Plasmas in dem Prozessgut oder in seiner unmittelbaren Umgebung, wobei die beiden Elektroden aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Prozessgutes angeordnet sind. Des Weiteren wird die Aufgabe durch die eingangs genannte zweite Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Walze als eine erste Elektrode hergerichtet ist, wobei in dem Prozessgut oder in seiner unmittelbaren Umgebung ein Plasma erzeugbar ist. Dabei ist eine zweite Elektrode derart relativ zur Walze angeordnet, dass das Prozessgut zwischen der Walze, insbesondere der ersten Elektrode, und der zweiten Elektrode transportier- bzw. führbar ist. Mit dieser Art der Anordnung kann auf vorteilhafte Weise das Papier oder Prozessgut zwischen der Walze, welche als erste Elektrode hergerichtet ist, und der zweiten Elektrode mit Plasma behandelt werden. Durch die Behandlung des vorzugsweise unbehandelten Papiers wird die molekulare Struktur der Papieroberfläche verändert. Dadurch können folgende vorteilhafte Effekte erzielt werden:
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Walze derart angeordnet, dass sie mit dem Prozessgut, vorzugsweise einem gebildeten Blatt, vorzugsweise einem gepressten Blatt, insbesondere einer Papierbahn, in Kontakt kommt. Dadurch dass die Walze in der erfindungsgemäßen Vorrichtung als eine Elektrode ausgestaltet ist, kann das über ihr laufende Prozessgut mit Plasma behandelt werden. Auch bereits bestehende ältere Veredelungsanlagen können so mit Vorteil durch Austausch der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegen die herkömmlichen Transportwalzen, hochgerüstet werden, und somit das Papier mit einer erhöhten Qualität bereitstellen. Zweckmäßig ist dabei eine zweite Walze, wobei die zweite Walze derart relativ zur Walze angeordnet ist, dass ein flächiges Prozessgut, insbesondere die Papierbahn, beidseitig mit den Walzen in Kontakt kommt. Wird das Papier mittels diverser Transportwalzen quasi slalomartig durch eine Veredelungsmaschine geführt, ist es im Sinne einer effektiven Behandlung von Vorteil, die als Elektroden ausgestalteten Walzen derart hintereinander anzuordnen, dass das Papier zeitlich nacheinander von beiden Seiten effektiv mit Plasma behandelt werden kann. In den Unteransprüchen 6 bis 8 sind für eine Veredelungsanlage, eine Trocknungsanlage und eine Pressenanlage für Papier, Pappe oder Karton besondere Ausführungsvarianten oder optionale Einsatzgebiete genannt. Zweckmäßig ist ferner, dass die Walze mit einer gasdurchlässigen Oberfläche hergerichtet ist. Ein weiteres bevorzugtes Ausgestaltungsmerkmal ist, dass die Walze zum radialen Zuführen eines Gasstromes hergerichtet ist. Durch diese vorteilhafte Anordnung werden, vorzugsweise fein verteilte Luftblasen oder Sauerstoff oder Sauerstoff mit einem Trägergas wie z.B. Argon, in die Walze eingeströmt, die dann wiederum durch die gasdurchlässige Oberfläche in das Papier eindringen können. Mit Hilfe der eingeströmten Gase und der gleichzeitigen Behandlung mit Plasma werden die späteren Qualitätseigenschaften wesentlich erhöht. Weiterhin kann die Vorrichtung mit einem Mittel zum Anströmen des Prozessgutes mit einem Gasstrom ausgestaltet sein. Der Gasstrom wird unter Ausnutzung der bereits genannten Vorteile direkt in den Behandlungsraum, also zwischen die beiden Elektroden geleitet. Die genannten Elektroden bzw. Walzen erzeugen das Plasma auf besonders vorteilhafte Weise durch einen Hochspannungsimpulsgenerator, der mit der bzw. den Elektroden verbunden ist. Das Plasma oder eine gepulste Koronaentladung direkt oberhalb und/oder unterhalb des Papiers kann unter Benutzung extrem kurzer Hochspannungsimpulse von weniges als 10 µs, insbesondere 1 µs, und besonders vorteilhaft deutlich geringer als 1 µs mit Spannungen von einigen kV bis über 100 kV, abhängig vom Abstand der Elektroden und der Eigenschaften des Papiers auf vorteilhafte Weise erzeugt werden. Nach der verfahrensseitigen Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass das Prozessgut beidseitig mit dem Plasma in Kontakt gebracht bzw. beidseitig mittels der Gasentladung behandelt wird. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, dass bei einer gleichzeitigen oder annähernd gleichzeitigen beidseitigen Behandlung des Prozessgutes mit Plasma bzw. einer Gasentladung, welche unter anderem eine oberflächenverändernde Wirkung hat oder in die Molekularstruktur des Prozessgutes eingreift, dass das Prozessgut homogen verändert wird. Das bedeutet, dass eventuell auftretende Inhomogenitäten bzw. Spannungszustände im Prozessgut vermieden werden. Des Weiteren ist es besonders vorteilhaft, dass bei dieser Art der Behandlung das Prozessgut gleichzeitig teilweise als dielektrische Barriere fungiert, wodurch sich ein Übergang von einem Streamer zu einem Durchschlag besser unterdrücken lässt. Vorzugsweise wird als Prozessgut ein noch ungepresstes und/oder feuchtes Blatt oder trockenes Blatt in einem Papier- oder Kartonherstellungsprozess verwendet. Weitere bevorzugte Verfahrensmerkmale sind durch die Patentansprüche 15 bis 41 beschrieben. Diesen liegen unter anderem folgende Überlegungen zugrunde: Zur Erzeugung des Plasmas bzw. der Gasentladung zwischen Elektroden werden vorzugsweise Hochspannungsimpulse mit einer Dauer von weniger als 10 µs erzeugt. Insbesondere hat sich die Verwendung von derartig kurzen Hochspannungsimpulsen als besonders vorteilhaft gezeigt, wogegen die Verwendung von Radiofrequenz-(RF-) oder Mikrowellenimpulsen oder von Hochspannungseinzelimpulsen mit mehr als 10 µs Dauer, wie in Bei der Behandlung der Papieroberfläche mit kaltem Plasma werden bestimmte Radikale erzeugt (OH-,HOO,O3), welche mit der Papieroberfläche chemisch reagieren. Radikale können unter anderem auch bleichende chemische Reaktionen auslösen, insbesondere freier Sauerstoff O, insbesondere auch ein Hydroxyl-Radikal OH, insbesondere Ozon O3, als auch freie funktionelle Gruppen wie z.B. OH-Gruppen, COOH-Gruppen. Diese funktionalen Gruppen sind maßgeblich daran beteiligt, insbesondere die Bindungsfestigkeit der Fasern untereinander zu erhöhen, wodurch sich eine Reißfestigkeit des Papiers und damit eine mögliche Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht. Des Weiteren haben die funktionalen Gruppen die Eigenschaft, die Bindung zu Farbstoffen und die Benetzbarkeit von Papier zu erhöhen, wodurch sich die spätere Bedruckbarkeit des Papiers gezielt steuern und verbessern lässt. Radikale werden in Gasentladungen dadurch erzeugt, dass energiereiche Elektronen mit Molekülen zusammenstoßen und diese dadurch disoziieren oder anregen und so zur radikalen Bildung führen. Bei der Dissoziation werden unmittelbar Radikale freigesetzt, während bei der Anregung durch anschließende strahlende Übergänge UV-Licht erzeugt wird, welches wiederum mit vorzugsweise Luft- und Wassermolekülen reagiert und diese disoziiert. Um ausreichend energiereiche Elektronen im Bereich von ca. 5 eV (Elektronenvolt) bis größer 15 eV zu erhalten, werden extrem hohe elektrische Felder benötigt. Diese hohen Feldstärken treten insbesondere am Kopf von sogenannten Streamern auf. Streamer sind Entladungskanäle, die sich im Aufbau befinden und sich aufgrund der angelegten hohen externen Feldstärken ausbilden. Ein Aufbau solcher Streamer findet innerhalb weniger 10 ns statt und geht dann schnell in einen thermischen Durchschlagskanal über. Da in einem thermischen Durchschlagskanal keine energiereichen Elektronen gebildet werden, ist es unter anderem das Ziel, diese thermischen Durchschläge zu vermeiden oder auf ein Minimum zu reduzieren. Um eine gute Energieeffizienz der Erzeugung von vorzugsweise Radikalen in Gasen zu erhalten, ist es daher erforderlich, mit den bereits erwähnten kurzen Hochspannungseinzelimpulsen zu arbeiten. Vorzugsweise ist die Pulsdauer deutlich kürzer als es eine Aufbauzeit eines vollständigen Durchschlages im jeweiligen Medium entspricht. Befindet sich die Papierbahn oder das Prozessgut zwischen den zur Streamerentladung benutzten Elektroden, so ist dies besonders vorteilhaft, da das Papier oder das Prozessgut dadurch teilweise als eine dielektrische Barriere wirkt. Durch die dielektrische Barriere lässt sich der Übergang vom Streamer zum Durchschlag besser kontrollieren. Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigt die
Ein Stoffauflauf 7 der Papierherstellungsanlage 1 verteilt die Faserstoff-Suspension gleichmäßig über die gesamte Siebbreite. Am Ende der Siebvorrichtung 9 enthält die Papierbahn 27 noch immer ca. 80 % Wasser. Ein weiterer Entwässerungsprozess erfolgt durch mechanischen Druck in der Pressenvorrichtung 11. Dabei wird die Papierbahn 27 zwischen Walzen aus Stahl hindurchgeführt und dadurch entwässert. An die Pressenvorrichtung 11 schließt sich eine Trocknungsanlage 13 an. Das verbleibende Restwasser wird in der Trocknungsanlage 13 verdampft. Slalomartig durchläuft die Papierbahn 27 mehrere dampfbeheizte Trockenzylinder. Am Ende hat das Papier 27 eine Restfeuchte von wenigen Prozent. Der in der Trocknungsanlage 13 entstandene Wasserdampf wird abgesaugt und in eine nicht dargestellte Wärmerückgewinnungsanlage geführt. Für eine Behandlung der Papierbahn 27 nach der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Pressenvorrichtung 11 eine erste Elektrode 47 und eine zweite Elektrode 48 derart angeordnet, dass die Papierbahn mittels einer Transportrolle 12 zwischen den beiden Elektroden 47, 48 geführt wird und zeitgleich mit Plasma behandelt wird. Damit zur Behandlung der Papierbahn 27 ein großflächiges Plasma unter Atmosphärendruck in der unmittelbaren Nähe der Papierbahn 27 erzeugt werden kann, sind die Elektroden 47 und 48 mit einem Hochspannungsimpulsgenerator 46 verbunden. Mit Hilfe dieses Hochspannungsimpulsgenerators 46 wird zwischen den Elektroden 47 und 48 ein großvolumiges Plasma mit einem großen Querschnitt und mit einer hohen Leistungsdichte erzeugt. Hierbei ist eine Plasmadichte homogen über den Behandlungsbereich, welcher durch die Elektroden 47 und 48 abgedeckt wird, verteilt. Das großvolumige Plasma mit hoher Leistungsdichte wird mittels der erfindungsgemäßen Anordnung dadurch erzeugt, dass einer DC-Korona-Entladung intensive, kurz andauernde Hochspannungsimpulse mit einer hohen Impulswiederholrate von 1 kH überlagert werden. Bei dieser Betriebsweise wird ein äußerst homogenes, großvolumiges Plasma mit einer hohen Leistungsdichte erzeugt, ohne dass es zu den bei DC-Korona-Entladungen bekannten Plasmaeinschnürungen kommt. Um die Behandlungswirkung, welche das kalte großflächige Plasma auf die Papierbahn 27 ausübt zu unterstützen wird mittels eines Gasverteilers 81 über eine Gasleitung 80 Sauerstoff mit Argon als Trägergas in dem Behandlungsraum zwischen die Elektroden 47 und 48 eingeleitet. Mit Hilfe des Sauerstoff-Argon-Gemisches werden besonders vorteilhaft Hydroxyl-Radikale erzeugt. Hydroxyl-Radikale sind besonders aggressiv und oxidierend, dadurch wird an dem nur wenige Sekunden im Behandlungsbereich zwischen den Elektroden 47 und 48 verweilenden Papierbahn 27 eine Steigerung der Qualitätseigenschaften erzielt. Die erste Elektrode 47 in der Pressenvorrichtung 11 ist als eine halbrunde Gitterelektrode ausgeführt. Durch die halbrunde Ausgestaltung der Elektrode 47 kann sie den Papierbahnverlauf über der Transportrolle 12 folgen. Die zweite Elektrode 48 in der Pressenvorrichtung 11 ist als eine Plattenelektrode ausgestaltet und derart angeordnet, dass die Transportrolle 12 zwischen den Elektroden 47 und 48 geführt wird. Der Pressvorgang verdichtet das Papiergefüge, die Festigkeit wird nochmals erhöht und eine Oberflächengüte wird entscheidend beeinflusst. Des Weiteren wird durch die Behandlung des gepressten Papiers 27 mit kaltem Plasma, insbesondere mit erzeugten Radikalen, die molekulare Struktur der Papieroberfläche weiter verändert. Neben einer Erhöhung der Festigkeit des Papiers 27 wird eine spätere Bedruckbarkeit verbessert. Mit der vorbenannten Elektrodenanordnung 47 und 48 ist es nach der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Papierbahn 27 zwischen vorzugsweise Korona-Plasmen bzw. Streamer-Entladungen zu führen. Ein Streamer ist eine spezielle Form einer sich linear fortbewegenden Plasmawolke oder ein in der Entwicklung befindlicher Entladungskanal, der sich aufgrund der angeregten hohen externen Feldstärke ausbildet. Ein Aufbau solcher Streamer findet innerhalb weniger 10 ns statt und geht sehr schnell in einen thermischen Durchschlagskanal über. Vorbenannte Anordnung des Elektrodensystems, wobei sich die Papierbahn 27 zwischen den zur Streamer-Entladung benutzten Elektroden befindet, ist besonders vorteilhaft, da das Papier 27 dadurch teilweise als eine dielektrische Barriere fungiert, wodurch sich der Übergang vom Streamer zum Durchschlag unterdrücken lässt. Durch eine direkte Behandlung der Papierbahn 27 mit dem kalten Plasma werden in der unmittelbaren Umgebung der Papierbahn 27 vorzugsweise die Radikale O3, H2, O2, OH, HO2 und HO2- erzeugt. Neben einer Festigkeitssteigerung lösen diese Radikale eine bleichende chemische Reaktion aus. Der Hochspannungsimpulsgenerator 46 wird derart betrieben, dass er Spannungsimpulse mit einer Dauer von typisch 1 µs zwischen den Elektroden 47 und 48 erzeugt. Eine für die Erzeugung von Radikalen und Ozon in der Papierbahn und in der unmittelbaren Umgebung der Papierbahn notwendige DC-Spannung liegt bei ca. 10 kV bis einige 100 kV. Die Hochspannungsimpulse werden der DC-Spannung überlagert und bilden so eine Gesamtamplitude von einigen 100 kV. Durch die Behandlung der Papierbahn 27 mit einer kalten elektrischen Entladung, also dem Plasma, werden die Radikale in unmittelbarer Nähe zum Papier oder sogar im Papier 27 erzeugt. In Dabei haben die einzelnen Impulse 66, 67 eine solche Gesamtamplitude, das über die vorgegebene Gleichspannung hinaus eine vorgegebene Energiedichte erreicht wird. Wie erwähnt, ist die Pulsanstiegszeit 64 dabei kurz im Vergleich zur Pulsabfallzeit. Durch eine solche Art der Impulse wird erreicht, dass elektrische Durchschläge, die zu räumlichen und zeitlichen Störungen in der homogenen Plasmadichteverteilung führen würden, vermieden werden. Eine entsprechende Anordnung mit speziell ebenen Plattenelektroden ist in Eine hybride Entladung, wobei sich eine Elektrode 75a vollständig außerhalb einer zu behandelnden Faser-Suspension 39 befindet und eine zweite Elektrode 75b ganz oder teilweise in der Faser-Suspension 39 eingetaucht ist, wird mit einer alternativen Anordnung, bei welcher das Sieb als Elektrode 75a ausgestaltet ist, erzeugt. Das Sieb ist als eine Gitterelektrode ausgeführt und bildet die Hochspannungselektrode, welche mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung steht. Auch die geerdete Gegenelektrode 76b ist als eine Gitterelektrode ausgeführt und steht mit dem Hochspannungsimpulsgenerator 46 in Verbindung. Um gepulste Entladungen im oberflächennahen Gasraum über der Faser-Suspension 39 oder über dem Papier zu erzeugen ist eine weitere Elektrodenanordnung möglich. Eine Hochspannungselektrode umfassend mehrere elektrisch miteinander verbundene Stabelektroden ist im oberflächennahen Gasraum der Faser-Suspension 39 oder dem Papier derart angeordnet, dass ihre Stäbe parallel zur Oberfläche verlaufen. Eine geerdete Gegenelektrode ist als massive Platte ausgeführt und in über die ganze Fläche verteilten äquidistanten Abständen zur Hochspannungselektrode angeordnet. In Ausgangsseitig ist ein weiteres Elektrodenpaar 12a und 47' angeordnet. Die Elektrode 12a ist dabei als eine Rollenelektrode ausgestaltet, ähnlich der Rollenelektrode in Bei der Anordnung gemäß Die Anordnung wird auch als gekrümmte Draht-Platte-Anordnung, welche einen Plasmareaktor bildet, bezeichnet. |