专利名称：用于脱水元件的材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于造纸机湿部(wet end)的脱水元件的材料、由该材料制备的脱水元件、该材料在制备脱水元件中的用途以及生产该材料的方法。
背景技术：
在造纸机的湿部，成型屏(forming screen)或者是成型网(forming wire)滑过多个促使水从浆液中排出的脱水元件，其中该成型屏或成型网支撑着在水中与化学药品以及颜料在一起的纤维素纤维浆液。这样的脱水元件包括成型板、箔刀片、真空刀片、吸水箱盖板等等。典型地，从浆液中去除的流过成型屏的流出的水(effluent water)包含大约0.5％～1％的固体材料。典型地，这种固体材料包含大约95％的颜料(例如碳酸钙)和大约5％的纤维素纤维。
因此，滑过这些脱水元件的成型屏受到了严重的磨损，这些磨损来自滑动本身，也来自流出液中这些颜料以及纤维素纤维的存在。为此，成型屏，通常是聚酯织物，不得不以非常高的成本进行更换，例如每30-35天更换一次。当成型屏滑过平整的吸水箱盖板时，这个时候流出的水量已经显著的减少了，成型屏上的磨损特别明显。平整的吸水箱盖板通常由非常坚硬的陶瓷材料制成，比如说氧化铝、氧化铬、氧化锆、碳化硅或者是氮化硅。在成型屏的磨损中，这些材料的性质起着重要的作用，其重要程度与水排出液中颜料的类型和特性的重要程度相近，其中这些材料的性质包括其表面粗糙度、孔隙率以及孔径大小(参见例如M.Laufmann and H.-U.Rapp，Wochenblatt fürPapierfabrikation，114/16，615-622(1986))。
当坚硬的陶瓷盖板遭受偶然撞击破坏、应力开裂、热冲击破坏和在与成型屏接触中的磨削，因此其容易被损坏。典型地，陶瓷盖板的制作成本也非常高，其原因是它是由小的、长30-60毫米的独立元件的集合体构成的，在平整的吸水箱上这些元件粘结在一起，留下了使来自水流出液的颜料粒子能够积聚的细小的空隙。这些颜料粒子的存在进一步加剧了成型屏或成型网的磨损。
因此，在现有技术中，存在涉及在造纸机湿部由成型屏在脱水元件上的滑动所导致的成型屏磨损，以及与此相关联的成型屏替换的高成本问题。此外，还存在涉及现有技术中的陶瓷材料的容易损坏的问题。
GB 1 526 377公开了含有由聚氨酯制成的嵌入物的脱水元件，其原位铸塑而成，然后被机器加工成期望的最终形状。根据所述专利优选采用的聚氨酯具有极好的硬度和磨损性能，其中优选地，聚氨酯具有在93肖氏A到96肖氏A范围内的硬度值。聚氨酯中可以加入少量的填料。作为例子，提出聚氨酯“Adiprene L 167”，其是具有95肖氏A的硬度的组合物。该组合物中加入少量的绿色颜料。
发明内容
本发明的一个目的是缓解上面提到的涉及在造纸机中成型屏和脱水元件之间磨损和摩擦的问题，以及现有技术中陶瓷材料容易损坏的问题。
通过如在所附的权利要求书中限定的用于脱水元件的材料，包括该材料的脱水元件，以及通过该材料在制备脱水元件中的用途满足了该目的。
现在发现，在脱水元件和成型屏之间摩擦方面，材料中填料的含量起着重要的作用。还发现，用于脱水元件的较软的材料一般导致成型屏上较低的磨损。发明者注意到了该意想不到的效果还含有低硬度填料的低硬度的弹性基体(诸如低硬度聚氨酯)产生了成型屏上低磨损以及脱水元件和成型屏之间低摩擦的优越性能。
然而，现有技术中已知，在弹性基体中加入填料一般会导致材料硬度的提高。因此，为了获得硬度足够低的最终产品，本发明建议使用硬度值非常低的弹性聚合物基体，这种基体中添加有减少摩擦的填料。根据本发明所使用的基体(没有任何填料)适合具有60肖氏A到80肖氏A的标称硬度值，根据加入填料的类型，为最终产品提供60到85肖氏A的硬度。
本发明基于如下认识现有技术的问题能够通过使用用于脱水元件的软质材料或者盖板来缓解，然而其含有比较大量的填料。
因此，本发明提供用于脱水元件的软质无孔材料，该材料设计用于最小化成型屏的磨损，且其不存在现有技术中陶瓷盖板材料的易损坏性，也不存在其制造缺陷。
本发明的材料能够被制备成一个或几个连续的无孔元件，因此其完全消除了现有技术中对在基底(base substrate)上粘在一起的多个小元件的需求。
令人惊讶地发现，使用用于脱水元件的软质弹性材料与常规使用例如氧化铝或者碳化硅的硬质陶瓷材料相比，在滑过这些脱水元件的成型屏上能产生较小磨损。当软质材料和填料结合使用的时候，磨损的降低特别明显，其中填料优选为低硬度填料，该填料用于减小对滑动屏的摩擦系数。
根据本发明，提供了用于脱水元件的材料，其包括弹性聚合物基体和基本量(substantial amount)的填料，填料以高达50重量％，诸如10-50重量％的含量加入所述基体中，其中该材料的肖氏A硬度为60-85。
优选地，填料以10-40重量％的含量加入，更优选地，以15-30重量％的含量加入。
在生产本发明材料的方法中，填料以10-50重量％的含量加入到弹性聚合物基体中，优选基体硬度(也就是如果没有填料加入所得到的硬度)为60-80肖氏A的聚氨酯基体。然后固化该组合物以生产硬度(现在包含填料)为60-85肖氏A的最终材料。因此，典型地，填料的加入导致固化材料硬度的增大。
弹性聚合物基体优选包含聚氨酯(PUR)。用作聚合物基体的其它合适材料包括聚脲、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶、天然或合成橡胶、聚氯丁二烯、聚丙烯酸酯、含氟弹性体、热塑性弹性体和聚硅氧烷。当不加入填料时，所选的弹性聚合物基体应该具有60肖氏A到80肖氏A的标称硬度。
优选地，填料是低硬度和/或固体润滑剂填料，诸如聚(四氟乙烯)(PTFE)或滑石。用作填料的其它合适材料包括超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末、粘土(高岭土)、碳酸钙、氮化硼、硫化钼、氟化钙、二氧化钛、碳化钛、球形玻璃或陶瓷珠。
“低硬度填料”，它在这里是指莫氏硬度在1和5之间的填料。以莫氏硬度计算，钻石具有值为10的硬度，云母具有值为1的硬度。例如，以莫氏硬度计算，氟化钙硬度值为4，碳酸钙硬度值在3和4之间，粘土(高岭土)硬度值为1.5-2，二硫化钼硬度值为1.5-2。
能够采用本领域技术人员所熟知的常规的分散或者配混(compounding)技术将填料加入弹性基体。基于简洁的原因，因此在说明书中材料的制备将不再进行更加详细的描述。
具体实施例方式
下面将借助于大量的实施例对本发明进行更加详细的描述。结合附图可以更好地理解这些实施例，其中
图1显示的是在实施例中使用的一个测试元件；和图2显示的是在实施例中使用的测试装置(set-up)。
相同的标号贯穿所有附图。
实施例下面将给出一些根据本发明的材料的实施例。应该注意，给出这些实施例仅仅是出于说明的目的，本发明的范围是由权利要求书来限定的。
首先参见图1，其显示了这些实施例中所使用的测试元件10。根据本发明，该测试元件包括圆柱形的不锈钢支撑元件12，其装配有弹性覆盖材料11。每个测试元件的长度(L)为72mm，且直径(D)为5mm。如图2所示，为了测试本发明的材料，许多相同的元件10被组装(assemble)到了测试体19中。
这些实施例展示了用于脱水元件的材料，这些材料被设计用于最小化成型屏上的磨损，典型地，成型屏是聚酯织物。为了测试磨损特性，采用专门的磨损测试器AT2000(Einlehner，Kissing，Germany)。该测试器在标准颜料浆液的存在下，模拟成型屏上的磨损。
AT2000测试过程的操作条件将首先参考图2详细地进行说明。该测试装置包括充满含水颜料浆液14的容器或者浴。在下面描述的实验中，浆液中的颜料浓度在0.8和3.2％之间。为了保持含水浆液的温度在30℃以下，容器壁具有用于冷却液体(水)的通道。为此，容器壁具有用于冷却水的入口17和出口18。多个(典型地为16个)根据图1的测试元件10被装配进了测试体19中，其一般具有圆柱形的整体形状。该测试体被支撑在旋转轴13上。聚酯屏15模拟了成型屏的存在，该聚酯屏环绕测试体19，并且为了在测试体和聚酯屏之间施加力，该聚酯屏被连接到两个杆16上。为了和聚酯屏15接触，根据本发明，每个测试元件10上所提供的弹性覆盖材料11呈放射状地面向测试体19外侧。测试体总直径为31.8mm，聚酯屏测试样品尺寸为148mm×26mm。聚酯屏环绕测试体圆周的一半；因此，测试体和聚酯屏之间的磨损表面为50mm×26mm＝1300mm2。为了测试由测试体所导致的成型屏上的磨损，在聚酯屏15和测试体19之间，在其之间接触力为2Kg下，旋转轴13旋转产生了333m/分钟的线性相对速度。测试进行75分钟，对应大约25000m的测试距离。
上面所描述的测试装置被用于下面所有的实施例，并且被称为标准AT2000测试过程。
实施例1该实施例涉及测试体的制备和测试，该测试体包括用PTFE(聚(四氟乙烯))填充的铸塑聚氨酯(PUR)基体。
为了制备该材料，把128.6g的PTFE粉末(“Zonyl MP 1200”，来自DuPont)在室温下分散到300g的多元醇(“Hyperplast 2851024”，来自Hyperplast)中。量为63.93g的这种分散物被脱气，并与43.61g的脱气预聚物(“Hyperplast100”)以及2.35g的增链剂1，4-丁二醇(Merck)混合两分钟，然后使用硅树脂模型模塑为十六个元件10(图1详细展示了其中之一)，在80℃的条件下固化24小时。所得固化弹性体硬度为81肖氏A，并且填料含量为17.5重量％。这十六个模塑成型的元件10装配在一起形成如图2所示的测试体19，打磨直径至31.8mm。该经过装配和打磨的测试体按照标准AT2000测试过程对聚酯屏进行测试。聚酯屏15的磨损由两个穿孔圆形样品(直径为23mm)的重量差决定，其中一个样品在磨损区域内，另一个在磨损区域外。
下面的表1给出了在不同的颜料浆液浓度条件下，进行测试所得到的穿孔样品的重量损失，并将其与在相同测试条件下，采用具有常规的氧化铝陶瓷和碳化硅覆盖材料的两种参考测试体所得到的结果进行比较。
表1
表1显示了当使用本发明的被PTFE填充的材料时，相对于在相同条件下使用Al2O3和SiC，聚酯屏的磨损程度大幅度降低。
实施例2该实施例涉及由PTFE填充的铸塑聚氨酯(PUR)测试体的制备和测试，该测试体具有比上面实施例1的测试体高的肖氏A硬度。
为了制备该材料，44.09g的如实施例1中的相同初始多元醇/PTFE分散物被脱气，并与35.11g的脱气预聚物(Hyperplast100)以及2.49g的增链剂1，4-丁二醇(Merck)混合两分钟，然后使用硅树脂模型模塑为十六个元件(图1详细展示了其中之一)，在80℃的条件下固化24小时。所得固化的弹性体具有86的肖氏A硬度，并且填料含量为16.2重量％。这十六个模塑成型的元件装配在一起形成如图2所示的测试体，打磨直径至31.8mm。该经过装配和打磨的测试体按照标准AT2000测试过程对聚酯屏进行测试。聚酯屏的磨损由两个穿孔圆形样品(直径为23mm)的重量差决定，其中一个样品在磨损区域内，另一个在磨损区域外。
表2给出了在不同的颜料浆液浓度条件下，进行测试所得到的穿孔样品的重量损失，并将其与在相同测试条件下，采用具有常规的氧化铝陶瓷和碳化硅覆盖材料的两种参考测试体所得到的结果进行比较。
表2
表2显示了用PFTE填充的材料硬度提高的效果。与Al2O3陶瓷相比，聚酯屏磨损程度的降低仍然很显著，但是与SiC相比，磨损程度稍微偏高。
实施例3该实施例涉及由PTFE填充的铸塑聚氨酯(PUR)测试体的制备和测试，该测试体具有比上面实施例1的测试体低的肖氏A硬度。
为了制备该材料，48.32g的如实施例1中的相同初始多元醇/PTFE分散物被脱气，并与29.13g的脱气预聚物(Hyperplast100)以及1.14g的增链剂1，4-丁二醇(Merck)混合两分钟，然后使用硅树脂模型模塑为十六个元件(图1详细展示了其中之一)，在80℃的条件下固化24小时。所得固化的弹性体具有78的肖氏A硬度，并且填料含量为18.5重量％。这十六个模塑成型的元件装配在一起形成如图2所示的测试体，打磨直径至31.8mm。该经过装配和打磨的测试体按照标准AT2000测试过程对聚酯屏进行测试。聚酯屏的磨损由两个穿孔圆形样品(直径为23mm)的重量差决定，其中一个样品在磨损区域内，另一个在磨损区域外。
表3给出了在不同的颜料浆液浓度条件下，进行测试所得到的穿孔样品的重量损失，并将其与在相同测试条件下，采用具有常规的氧化铝陶瓷和碳化硅覆盖材料的两种参考测试体所得到的结果进行比较。
表3
表3显示了用PFTE填充的材料硬度降低的效果。相对于与Al2O3和SiC来说，聚酯屏磨损程度的降低非常显著。
实施例4该实施例涉及测试体的制备和测试，该测试体包括用滑石填充的铸塑聚氨酯(PUR)基体。
为了制备该材料，把129.05g的化妆品级的滑石粉和0.58g的Byk W 968(润湿和分散添加剂)以及0.58g的Byk A 555(脱气添加剂)在室温下分散到300g的多元醇(“Hyperplast 2851024”，来自Hyperplast)中。量为67.28g的这种分散物被脱气，并与45.73g的脱气预聚物(Hyperplast100)以及2.47g的增链剂1，4-丁二醇(Merck)混合两分钟，然后使用硅树脂模型模塑为十六个元件(图1详细展示了其中之一)，在80℃的条件下固化24小时。所得固化弹性体肖氏A硬度为80，并且填料含量为17.5重量％。这十六个模塑成型的元件装配在一起形成如图2所示的测试体，打磨直径至31.8mm。该经过装配和打磨的测试体按照标准AT2000测试过程对聚酯屏进行测试。聚酯屏的磨损由两个穿孔圆形样品(直径为23mm)的重量差决定，其中一个样品在磨损区域内，另一个在磨损区域外。
表4给出了在不同的颜料浆液浓度条件下，进行测试所得到的穿孔样品的重量损失，并将其与在相同测试条件下，采用具有常规的氧化铝陶瓷和碳化硅覆盖材料的两种参考测试体所得到的结果进行比较。
表4
表4显示了具有高的长宽比的低硬度填料(莫氏硬度在1和5之间)的效果。相对于与Al2O3和SiC来说，聚酯屏磨损程度的降低显著。
实施例5该实施例涉及测试体的制备和测试，该测试体包括用碳酸钙填充的铸塑聚氨酯(PUR)基体。
为了制备该材料，把250g的碳酸钙粉末(“HC 50-BG”，来自OMYA)和0.3g的Byk W 968(润湿和分散添加剂)、0.3g的Byk A 555(脱气添加剂)以及0.3g的Byk 088(消泡添加剂)在室温下分散到300g的多元醇(“Hyperplast2851024”，来自Hyperplast)中。量为87.77g的这种分散物被脱气，并与41.17g的脱气预聚物(Hyperplast100)以及1.61g的增链剂1，4-丁二醇(Merck)混合两分钟，然后使用硅树脂模型模塑为十六个元件(图1详细展示了其中之一)，在80℃的条件下固化24小时。所得固化弹性体肖氏A硬度为82，并且填料含量为30.5重量％。这十六个模塑成型的元件装配在一起形成如图2所示的测试体，打磨直径至31.8mm。该经过装配和打磨的测试体按照标准AT2000测试过程对聚酯屏进行测试。聚酯屏的磨损由两个穿孔圆形样品(直径为23mm)的重量差决定，其中一个样品在磨损区域内，另一个在磨损区域外。
表5给出了在不同的颜料浆液浓度条件下，进行测试所得到的穿孔样品的重量损失，并将其与在相同测试条件下，采用具有常规的氧化铝陶瓷和碳化硅覆盖材料的两种参考测试体所得到的结果进行比较。
表5
表5显示了具有低的长宽比的低硬度填料的效果。与Al2O3陶瓷相比，聚酯屏磨损程度的降低仍然很显著，但是与SiC相比，磨损程度稍微偏高。
实施例6该实施例涉及测试体的制备和测试，该测试体包括用六角形氮化硼(BN)填充的铸塑聚氨酯(PUR)基体。
为了制备该材料，把129g的氮化硼粉末(“AC 6004”，来自AdvancedCeramics)和0.5g的Byk W 968(润湿和分散添加剂)以及0.5g的Byk A 555(脱气添加剂)在室温下分散到300g的多元醇(“Hyperplast 2851024”，来自Hyperplast)中。量为70.71g的这种分散物被脱气，并与48.08g的脱气预聚物(Hyperplast100)以及2.60g的增链剂1，4-丁二醇(Merck)混合两分钟，然后使用硅树脂模型模塑为十六个元件(图1详细展示了其中之一)，在80℃的条件下固化24小时。所得固化弹性体肖氏A硬度为84，并且填料含量为17.5重量％。这十六个模塑成型的元件装配在一起形成如图2所示的测试体，打磨直径至31.8mm。该经过装配和打磨的测试体按照标准AT2000测试过程对聚酯屏进行测试。聚酯屏的磨损由两个穿孔圆形样品(直径为23mm)的重量差决定，其中一个样品在磨损区域内，另一个在磨损区域外。
表6给出了在不同的颜料浆液浓度条件下，进行测试所得到的穿孔样品的重量损失，并将其与在相同测试条件下，采用具有常规的氧化铝陶瓷和碳化硅覆盖材料的两种参考测试体所得到的结果进行比较。
表6
表6显示了具有高的长宽比的固体润滑剂填料的效果。与Al2O3陶瓷相比，聚酯屏磨损程度的降低仍然很显著，但是与SiC相比，磨损程度较高。
总之，已经建议和描述过对用于造纸机湿部的脱水元件的现有技术硬质陶瓷材料的替换。本发明的材料是肖氏A硬度在60和85之间的软质弹性材料。该材料包含含量为大约10-50重量％的填料。
优选地，填料是低硬度和/或固体润滑剂填料。对于具有低/高长宽比的填料的效果已经被论证。该长宽比被用于定义填料的形状，且对应于长度与厚度的比例。球形或者近似球形粒子没有或者有很低的长宽比，然而小板(platelet)、薄片(flake)或者纤维具有高的长宽比。长宽比对于复合物的某些性能有着重要的影响，例如增强等。在上面提到的填料中，碳酸钙和PTFE长宽比低，而氮化硼和滑石长宽比却高得多。固体润滑剂是用于降低摩擦、提高承重能力、提供边界润滑、降低磨损等的固体粒子。典型的固体润滑剂是石墨、二硫化钼、PTFE和氮化硼。
因此，本发明完全消除了对现有技术中所采用的易损的陶瓷材料的需求。同时，造纸机中成型屏上的磨损被保持得很低，因此需要替换成型屏的频率较低。根据本发明的材料能够被提供在脱水元件的表面上。在某些情况下，甚至制备或多或少地完全由本发明材料构成的脱水元件都是可能的。这些实施例显示了当使用本发明的用于脱水元件的材料时，成型屏上的磨损确实非常低。可以看出，具有竞争力并且商业上成功的脱水元件将会通过采用本发明的材料制备而成。
权利要求
1.一种用于造纸机湿部的脱水元件的材料，该材料包括弹性聚合物基体，和以10-50重量％的含量加入所述基体的填料，其中该材料的肖氏A硬度为60-85。
2.根据权利要求1所述的材料，其中该聚合物基体包括选自聚氨酯、聚脲、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶、天然或合成橡胶、聚氯丁二烯、聚丙烯酸酯、含氟弹性体、热塑性弹性体和聚硅氧烷的材料。
3.根据权利要求2所述的材料，其中该聚合物基体包括聚氨酯。
4.根据权利要求1所述的材料，其中该填料是低硬度填料。
5.根据权利要求1所述的材料，其中该填料是固体润滑剂。
6.根据权利要求1所述的材料，其中该填料选自聚(四氟乙烯)、滑石、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)粉末、粘土(高岭土)、碳酸钙、氮化硼、硫化钼、氟化钙、二氧化钛、碳化钛、玻璃珠和陶瓷珠。
7.根据权利要求4所述的材料，其中该填料是选自聚(四氟乙烯)和滑石的低硬度填料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的材料，其中该填料以10-40重量％，优选15-30重量％的含量加入。
9.根据前述权利要求中任一项所述的材料，其中该材料的肖氏A硬度为70-80。
10.一种用于造纸机湿部的脱水元件，所述脱水元件具有用于接触成型屏的滑动表面，其中该脱水元件的滑动表面包括根据权利要求1-9中任一项的材料。
11.根据权利要求1-9中任一项的材料在制备造纸机用脱水元件中的用途。
12.一种用于生产用在造纸机湿部的材料的方法，包括如下步骤制备具有60-80肖氏A标称硬度的聚合物基体组合物；向所述的聚合物基体组合物中，以10-50重量％的含量加入填料；固化所述组合物以获得具有60-85肖氏A硬度的材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其中该填料以10-40重量％，优选15-30重量％的含量加入。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中加入所述聚合物基体组合物的填料是莫氏硬度在1和5之间的低硬度填料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中加入的填料是滑石或聚(四氟乙烯)。
全文摘要
本发明公开了一种用于造纸机湿部的脱水元件的材料。该材料包括弹性聚合物基体，和以10－50重量％的含量加入该基体的填料，且该材料的肖氏A硬度为60－85。本发明还涉及一种包含该材料的脱水元件，以及该材料在制备脱水元件中的用途。
文档编号D21F3/10GK1882743SQ200480033713
公开日2006年12月20日 申请日期2004年11月17日 优先权日2003年11月20日
发明者冈特·贝尔曼, 西尔瓦诺·弗雷蒂, 洛撒·伯查特 申请人:Btg埃克莱庞股份有限公司