辊及其应用的制作方法

本发明涉及一种辊及其使用方法。

背景技术：

各种聚合物涂层辊用在纤维幅材(诸如纸、纸板、卫生纸等的幅材)的制造中。辊可用在制造工艺的多个部分中，既用在造纸机、纸板机和卫生纸机中，又用在转换机和精整机中，诸如用在压光机和涂布单元中。各种聚合物涂层辊的非限制性示例为压光辊、涂布辊、卷纸鼓、压榨辊和导辊。

传统上，辊涂有一个或多个聚合物层。辊覆层通常包括聚合物基体，其中可包括各种填料、增强纤维和/或添加物。辊覆层的机械属性受聚合物基体自身的影响以及受所使用的填料、增强纤维和/或改性剂的影响。填料、纤维和/或改性剂改变辊覆层的机械属性，并且因此改变辊表面的机械属性。

辊和辊覆层在纤维幅材的制造中经受极端条件。它们必须耐受高旋转速度和相关的力。此外，它们与快速移动的纤维幅材接触并且还可能与其他工艺装备(诸如刮刀片)接触。它们还可经受来自邻近辊的挤压。因此对于辊覆层来说，对机械抗性、磨损抗性、冲击抗性、抗拉强度和硬度方面的要求是严格的。此外，各种要求之间的侧重根据纤维制造过程中辊的位置而改变。

对于辊覆层所遇到的最严峻的状况可能是与对向辊(counterroll)呈压区接触的压光辊和压榨辊。压光辊的尺寸通常为具有3-12m的长度和400-1500mm的直径。这些辊中的线性负载的大小可高达300-600n/mm。现代压光辊最经常由纤维增强环氧树脂包覆。辊覆层的作用不仅对于工艺运行性能来说是重要的，而且对纸产品自身来说也是重要的。纸幅材不受支撑(即，没有支撑织物)地被引导到压光机压区中，其中纸幅材与压光辊表面直接接触。在压光机压区中产生成品纸的光泽度和平滑度，所生产的纸的松散度也在那里保存或失去。

当需要更多弹性时，可使用由聚氨酯或橡胶混合物包覆的辊。所述辊包括造纸机或纸板机的压榨部中的压榨辊，网部和压榨部中的抽吸辊，以及幅材的表面精整或涂布中的施胶辊和膜转移辊(filmtransferroll)。在那些位置中，辊表面与幅材或支撑幅材的织物刮擦接触，并且，此外，在与对向辊接触的压区中，辊表面经受高负载。

因此，上述辊经受极端磨损环境并且必须在极端磨损环境中幸存(survive)。同时地，辊表面应保持完美无缺，以确保良好的幅材质量和良好的机器运行性能。

辊覆层的重要属性是动态负载下的长运转寿命、良好的磨损抗性和低发热。特别地，长运转寿命提高了机器的生产率。运转寿命取决于多个因素。特别地，磨损抗性、撕裂强度和对裂纹发展的抗性均为所述因素。

在辊覆层中使用填料以调节它们的属性是众所周知的。填料尤其用于调节辊覆层的延展性、强度、弹性、磨损抗性、硬度、热抗性和释放属性。典型的填料包括金属颗粒或陶瓷颗粒，诸如硅酸盐、氧化硅、碳化硅、氧化铝或炭黑。例如，在ep487477中公开了辊覆层的所述填料的示例。不常用且用于特殊目的的填料例如为二氧化钛和合成粉末，诸如在wo2008000824中所公开的。例如，填料的量可以是例如，对于100重量份(phr)的聚合物，填料为10-80重量份。使用填料的问题是：虽然填料改进了辊覆层属性中的一个，但它们经常同时减小一些其他属性。结果是，需要做出折中(compromise)。

因此，存在对于以简单和具有成本效率的方式改进辊覆层的机械属性的持续需要。

技术实现要素：

本发明的一个目标是最小化或者甚至完全消除现有技术中存在的缺点。

本发明的另一目标提供具有改进的机械属性的辊，特别是具有提高的磨损抗性且优选地还具有改进的拉伸强度、硬度、冲击强度和/或延伸的辊。

只要适用，所有描述的特征均应用于辊以及其使用方法，即使其没有必要总是这样描述。

根据本发明的典型的辊用在包括纤维素纤维的纤维幅材的制造中，所述辊包括：

-具有圆柱形表面的辊本体，

-辊覆层，被设置为包覆辊本体的圆柱形表面，该覆层包括功能层，该功能层包括聚合物基体和嵌入聚合物基体中的填料颗粒，

其中填料颗粒包括氧化铝、氧化钛、氧化锆和/或碳化硅的中空球形颗粒，该中空颗粒具有≤(小于或等于)200μm的颗粒尺寸。

根据本发明的辊通常用在造纸机、纸板机、卫生纸机或用于纤维性纤维素幅材的转换机中。

现在已令人惊讶地发现，当功能层包括至少一种特定无机氧化物或碳化硅的中空球形颗粒时，改进辊的不止一个机械属性是可能的。特别地，已发现了意想不到的有利效果，即：远高于可预料到的磨损抗性。在不希望被任意理论约束的情况下，目前假设的是，主要是中空球形形状的颗粒产生该有利效果。预期在功能层内部，在聚合物基体中，球形颗粒表面可比具有边缘的传统角形或锯齿颗粒形状更容易“滑动”。辊覆层的延展性因此变得更高。在辊覆层的表面区域上，相比于不规则颗粒形状，填料颗粒的球形形态在旋转表面之间产生更低的摩擦，这对于磨损属性是有益的，所述磨损属性特别是在压区辊(niproll)应用中是重要的特征。同样，在球形颗粒的情况下填料的包装密度更高，使得在没有粘度损失的情况下可使用更多填料(如果期望)。此外，颗粒的中空形态提供了减小的密度，这在覆层的制造期间增强了填料的处理性能。重量轻的填料和聚合物不太可能如重的固体颗粒那样在铸造容器中形成分离的相。结果是铸造覆层的质量更加均匀。

在本发明的上下文中，术语“球形”意味着颗粒具有珠或球的形状。中空球形颗粒是具有封闭的外表面和中空内部的三维圆颗粒。球形颗粒的外表面是无孔的。球形颗粒的表面可具有偏离完整圆度的小偏差，诸如孔或凸起。根据一个实施例，中空球形颗粒是三维的完全圆形的颗粒。

根据本发明的辊覆层优选地包括铝、钛和/或锆的至少一种氧化物的中空球形颗粒。根据一个实施例，辊覆层可包括下列氧化物中至少两种的混合物的中空球形颗粒，所述氧化物为：氧化铝、氧化钛和氧化锆。

根据一个实施例，辊覆层包括碳化硅的中空球形颗粒，或是单独的或是与氧化铝、氧化钛或氧化锆的中空球形颗粒中的一种或多种一起。

辊本体通常由金属(诸如铸铁或硬化钢)制成，或由纤维增强塑料制成，并且其具有圆柱形表面。辊本体的直径可根据其使用位置而改变。例如，直径可以为200-1500mm。辊本体的长度取决于机器的宽度。通常，辊本体的长度可以在2.5-12m、通常4-8m的范围内。

辊覆层被布置为包围辊本体的圆柱形表面。辊覆层围绕辊本体的表面形成连续的套筒。辊覆层可包括一个或多个层。最外层或功能层是与纤维幅材或支撑纤维幅材的织物接触的层。功能层可直接粘合到辊表面，或者更经常地，通过位于功能层下方且与辊表面之间的一个或多个层(即，基层和一个或多个中间层)粘合到辊表面。辊覆层的总厚度通常为15-50mm。辊覆层的总厚度包括辊覆层中包含的所有可能的层。

功能层包括聚合物基体和嵌入到所述聚合物基体中的填料颗粒。包括特定无机氧化物的中空球形颗粒或碳化硅的中空球形颗粒的填料颗粒基本上被均匀分配到聚合物基体中。这意味着在功能层的内表面和外表面以及整个层中，填料颗粒(以及中空球形颗粒)的浓度是相同的。包括中空球形颗粒的填料颗粒在辊的轴向和周向方向上被均匀分配。功能层的厚度可为10-40mm。

功能层的聚合物基体可以是橡胶、热固性聚合物或热塑性聚合物。适合的橡胶例如为，天然橡胶、腈丁二烯橡胶、氢化丁腈橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙(epdm)橡胶、氯磺化聚乙烯(csm)橡胶和它们的任意混合物。适合的热固性聚合物例如为，各种聚氨酯树脂和环氧树脂。尽管较少使用，适合的热塑性聚合物例如为，含氟热塑性聚合物和聚亚苯基硫醚、聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚邻苯二甲酰亚胺(polyphtalamide)、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚砜和它们的任意混合物。

中空球形颗粒具有≤(小于或等于)200μm、优选地≤100μm、更加优选地≤50μm的颗粒尺寸。根据本发明的一个实施例，中空球形颗粒可具有范围为0.01-200μm、优选地1-100μm、更加优选地5-40μm的颗粒尺寸。已观察到在颗粒尺寸在预定范围内时，辊覆层显示出良好的机械磨损抗性并且足够平滑以确保幅材制造工艺的适用性。

根据本发明的一个优选实施例，中空球形颗粒为氧化铝的颗粒。中空球形颗粒的氧化铝含量可>(大于)95重量百分含量(95wt％)、优选地>97重量百分含量、更加优选地>99重量百分含量。优选地，中空球形颗粒包括α-al2o3(alpha-al2o3)的中空球形颗粒。例如，中空球形颗粒可包括20-30％的α-al2o3和70-80％的δ-al2o3。除了氧化铝以外，中空球形颗粒还可包含微量的铁、钙、硅的微量氧化物和/或氧化钠。这些微量氧化物的单个量通常<0.3重量百分含量，通常<0.1重量百分含量。球形颗粒的引燃损失值(lossofignitionvalue，点火损失值)可<0.5％。

根据一个优选实施例，至少50％、优选地至少70％、更加优选地至少80％、甚至更加优选地至少90％的填料颗粒为中空球形颗粒。可通过调节聚合物基体中的中空球形颗粒的量来调节辊覆层的机械属性和动态属性。

中空球形颗粒可具有≥(大于或等于)7moh、优选地>(大于)8moh、更加优选地>8.5moh的硬度。

根据本发明的一个实施例，中空球形颗粒包括围绕内部封闭腔体的外壳壁。换句话说，中空颗粒在颗粒内部包括空腔体。外壳壁围绕内部腔体，并且同时形成中空颗粒的外表面。外壳壁可具有范围在1-50μm、优选地1-30μm、更加优选地2-25μm之间的厚度。

辊覆层可具有范围在0.1-10ra的表面粗糙度，和/或范围在25shd-96shd的硬度，这与范围在1-50的p&j硬度近似对应。

根据本发明的一个实施例，中空球体可表面改性。例如，偶联剂可布置成与颗粒表面相连。偶联剂改进了中空球形颗粒的表面与周围的聚合物基体之间的相互作用。以这种方式，可改进球形颗粒与环绕的聚合物基体之间的化学相容性并且因此改进辊覆层的机械属性。可以(例如)从硅烷基偶联剂中选择可能的偶联剂。硅烷基偶联剂可包括用于球形无机物与聚合物基体之间的适当相互作用的乙烯基、氨基、环氧基和/或硫化物基团。

根据本发明的一个实施例，功能层的聚合物基体是橡胶，其包括至多40重量百分含量、优选地至多25重量百分含量、更加优选地至多7.5重量百分含量的中空球形颗粒。根据一个实施例，功能层的聚合物基体是橡胶，其包括1-40重量百分含量、优选地1-25重量百分含量、更加优选地2.5-7.5重量百分含量的中空球形颗粒。

根据本发明的另一实施例，功能层的聚合物基体是环氧树脂，其包括嵌入到基体中的至多50重量百分含量的中空球形颗粒。优选地，辊为压光辊。根据另一实施例，辊可以是压榨辊、抽吸辊、施胶辊或涂布辊。

根据本发明的一个实施例，功能层的聚合物基体是聚氨酯树脂，并且其包括嵌入到基体中的至多10重量百分含量的中空球形颗粒。优选地，辊为压榨辊、抽吸辊、施胶辊或涂布辊。

除了中空球形颗粒以外，功能层的聚合物基体还可包括额外填料颗粒。此外，聚合物基体可包括第二、第三和任意后续的额外填料颗粒。额外填料颗粒可从无机颗粒(诸如二氧化硅、碳化硅、炭黑、氧化钛、长石、高岭土的颗粒)中选择；或从有机颗粒(诸如芳纶、聚乙烯或橡胶的颗粒)中选择。额外填料颗粒可具有超过5μm、优选地在10-300μm的范围内的平均颗粒直径。一种或多种额外填料颗粒的使用能以适当、灵活和具有成本效率的方式实现在辊覆层的每个层或任意层中调节机械属性。

根据本发明的一个实施例，功能层包括两种中空球形颗粒，优选地为氧化铝的颗粒和作为额外填料颗粒的至少非中空的碳化硅颗粒。已经发现该组合给辊覆层提供了良好的性能属性，特别是改进的磨损属性。

在功能层包括额外填料颗粒的情况下，中空球形颗粒的量至少为填料颗粒的总重量的30重量百分含量、优选地至少45重量百分含量、更加优选地至少70重量百分含量。总重量包括中空球形颗粒的重量和额外填料颗粒的重量。

根据本发明的一个实施例，功能层仅包括中空球形颗粒，而不包括任何其他无机和/或有机填料颗粒。特别地，辊覆层不包括硅基氧化物和/或硅酸盐的颗粒。已经发现，至少在与氧化铝、氧化钛和/或氧化锆的中空球形颗粒进行比较时，硅基氧化物和硅酸盐的颗粒在用作辊覆层中的填料时不会以令人满意的方式执行功能。

除了描述的功能层以外，辊覆层还可包括：基部层，优选地布置为与辊表面直接接触；以及至少一个可选的中间层，布置在功能层与基部层之间。基部层和可选的中间层可包括与功能层相同或不同的聚合物基体。在辊覆层具有基部层和可选中间层的情况下，这些层还可包括嵌入在聚合物基体中的额外填料颗粒。基部层和可选的中间层的聚合物基体可包括与功能层相同或不同的聚合物基体。不同层中的额外填料颗粒可以相同或不同。然而，基部层和可选的中间层优选地不包括氧化铝、氧化钛、氧化锆和/或碳化硅的中空球形颗粒。

可选地，或除了额外填料颗粒以外，功能层以及可能的基部层和中间层还可包括添加剂，诸如聚合引发剂、催化剂和加速剂、增塑剂、热稳定剂、填料分散剂。这些添加剂还可存在于覆层的其他层中。

附图说明

在下列示意性非限制性附图中更详细地描述本发明的一些实施例，其中，

图1示出了造纸机或纸板机中的压区辊布置，

图2示出了辊和辊覆层的更详细视图。

具体实施方式

图1示出了造纸机或纸板机中的压区辊布置。两个平行辊10、20彼此相邻布置并在它们之间形成压区n。辊10、20中的一个或两者可承靠彼此。辊10、20可以是压光辊、压榨辊、涂布辊或施胶辊。纸或纸板的幅材a以无支撑或由带或毛毯支撑的方式穿过压区n。两个辊具有金属本体或外壳1，并且它们中的至少一个具有辊覆层2，该辊覆层由聚合物制成并被布置为包围金属本体或外壳1。

图2示出了辊和辊覆层的更详细的视图。覆层2包括至少功能层3，其是覆层2的最外层并且提供辊的金属本体1的表面。在纸或纸板的制造期间，功能层3与纤维幅材或支撑纤维幅材的织物接触，并且因此功能层经受磨损和来自环境的应力。功能层3包括至少一种填料且可选地包括增强纤维。

在功能层3下方可存在一个或多个中间层4，所述中间层在金属本体1与功能层3之间提供粘附层。中间层4还可例如在分级硬度、热传导性等方面为覆层2提供其他量身定制的属性。中间层4可包括纤维增强体。一个或多个中间层4还可包括至少一种填料。中间层中的填料可与功能层3中的填料相同或不同。在两个或更多个中间层4的情况下，各个中间层中的填料可相同或不同。中间层4中的填料的量优选地低于功能层3中的填料的量。

实例

在下列非限制性示例中描述了本发明的一些实施例，其中使用不同的填料组合物来测试用于压光辊或施胶辊的覆层组合物。

示例1-3

制备模拟压光辊覆层的三个样本。制造包括双酚-f环氧树脂、二乙基甲苯二胺硬化剂和填料的树脂组合物。在所有示例1-3中，树脂组合物相同，仅填料类型改变，如表1所示。

示例1表示根据本发明的实施例，而示例2和3表示比较实施例。在示例1中，使用的填料包括具有5-40μm的颗粒尺寸的中空氧化铝球体(由俄罗斯的kit-stroyspb供应)。在比较示例2中，使用的填料包括具有3μm的d50颗粒尺寸的二氧化硅(由芬兰的sibelco供应)，并且在比较示例3中，使用的填料包括具有3μm的d50颗粒尺寸的碳化硅(由saint-gobain供应)。

如此获得的每种树脂组合物施用到芳纶纤维(aramidefibre，芳纶纤维)片，并且构造具有12mm厚度的层压板。层压板在150℃的温度下固化8小时。对层压板执行多个机械测试。假设材料损失的单位为mm³/nm，执行磨损测试作为橡胶轮磨损测试，与标准astmg65相比略微修改。执行的其他测试为作为shored硬度测量的硬度(h)、拉伸强度(ts)、断裂处的伸长率(e)和作为charpy冲击测试测量的冲击强度(is)。根据本发明的实施例(示例1)的测量值在表1中作为绝对值给出，而比较示例2和3的值以关于示例1的百分比给出。磨损的正的百分比值指示表面更容易发生磨损，这是不期望的。硬度、拉伸强度、伸长率和冲击强度的负的百分比值指示表面具有较低的强度属性，这是不期望的。

示例4-5

示例4-5将组合物中的材料的效果与微球体填料的硬度进行比较。包括双酚a环氧树脂、二乙基甲苯二胺硬化剂和填料的环氧组合物以如示例1-3所描述的类似的方式施用在芳纶纤维片上。

示例4表示根据本发明的实施例，而示例5表示比较示例。示例4中的层压板包含25重量百分含量的颗粒尺寸为5-40μm的中空氧化铝球体(由俄罗斯的kit-stroyspb供应)。在示例5中，以相同量的碱性硅酸铝微球取代示例4中的中空氧化铝球体，该微球具有5μm的d50颗粒尺寸和7mohsscale(莫氏硬度)的硬度(由3m供应)。

令人惊讶地，发现了示例4(即，根据本发明的实施例)在所有测试的属性方面均比比较示例5表现得更好。因此，在不希望被理论约束的情况下，可假定，提供辊覆层的改进性能的不仅是颗粒的球形形状。似乎是由于颗粒的中空形状，辊覆层的属性才得以改进的。

示例6-8

制备模拟施胶辊覆层的三个样本。通过混合ppdi端聚醚预聚物、胺硬化剂和填料而制成聚氨酯组合物。在所有示例示例6-8中聚氨酯组合物相同，仅填料类型改变，如表1所示。

示例6表示比较示例，而示例7和示例8表示根据本发明的实施例。在比较示例6中，填料是具有3μm的颗粒尺寸的煅烧氧化铝(由almatis供应)。在示例7和示例8中，示例6的煅烧氧化铝填料由具有5-40μm的颗粒尺寸的中空氧化铝球体(由俄罗斯的kit-stroyspb供应)取代。获得的具有填料的树脂组合物被模铸并以130℃后固化20小时。假设材料损失的单位为mm³/nm，执行磨损测试作为橡胶轮磨损测试执行，与标准astmg65相比略微修改。用于比较测试的测量值在表1中作为绝对值给出，同时用于根据本发明的示例7和8的值以关于比较示例6的百分比给出。磨损的负的百分比值指示表面对磨损更具备抗性，这是期望的。

示例9-10

具有约70phr的炭黑含量和85shorea的固化硬度的丙烯腈丁二烯橡胶用作颗粒尺寸为5-40μm的中空氧化铝球体(由俄罗斯的kit-stroyspb供应)的测试基体。通过在橡胶混合物添加5重量百分含量的中空氧化铝球体，磨损损失减小30％。在示例9-10中用于磨损的测试方法为din53516，假设磨损损失单位为mm³。

从表1的结果可见，由包括中空氧化铝颗粒的辊覆层组合物获得的改进在所有方面都是令人惊讶的高水平。特别地，对于所有测试的聚合物类型，磨损值都显示了良好和意想不到的改进。可以看到，获得的磨损的改进超过20％。

表1：示例1-10的聚合物、填料细节和结果。

(c)＝比较示例

*＝din磨损

示例11-14

模拟压光辊覆层的四个示例利用包括双酚环氧树脂、二乙基甲苯二胺硬化剂和填料的环氧组合物制备。使用的填料为碳化硅、中空铝微球体或它们的混合物。示例11-14中使用的填料和它们的量在表2中给出。在比较示例11中，仅sic用作填料，在示例12-14中sic填料以50％、75％和100％的配比逐渐由中空铝球体取代。

将比较示例11的测量值用作绝对值，以与示例1-3相同的方式执行机械测试，并且以与示例6-8相同的方式得出结果。

表2：示例11-14的填料细节和结果。

(c)＝比较示例

可从图2的结果中看到，几乎在所有方面，可由包括中空氧化铝颗粒的辊覆层组合物实现改进。特别地，磨料磨损值显示了良好和意想不到的改进。

在测试针对作为温度的函数的tan-delta测试动态行为时，发现根据本发明且包括中空铝球体的辊覆层与sic填料的辊覆层表现得非常类似、几乎相同。基于执行的所有测试，可得出辊覆层的所有基本属性被无折中地改进的结论，这很少由单个原材料单独实现。

虽然参照目前看来最实际和优选的实施例描述了本发明，但应理解，本发明不应局限于以上描述的实施例，而是本发明旨在还覆盖所公开的权利要求的范围内的不同更改和等效的技术方案。