FI120459B - Kaavinterä ja menetelmä kaavinterän valmistamiseksi - Google Patents

Description

Kaavinterä ja menetelmä kaavinterän valmistamiseksi [001] Keksintö liittyy patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen kaavinterään ja patenttivaatimuksen 8 johdanto-osan mukaiseen menetelmään kaavinterän valmis- 5 tamiseksi.

[002] Tekniikan tasosta on tunnettua kaavinterät, jotka on valmistettu hartsimatriisis-ta varustettuna kuitulujitteilla. Yleisesti käytettyjä kuituja ovat lasikuitu ja hiilikuitu po-lymeerihartsin lujitteina. Kaavinteriä käytetään yleisesti kuiturainakoneilla mm. telojen 10 pintojen puhtaanapitoon, pehmopaperikoneilla rainan irrottamiseen ns. jenkkisylinteril-tä. Vastaavanlaisia teriä voidaan käyttää myös teräpäällystysasemilla päällystysaineen applikoinnissa.

[003] Julkaisussa Fl 117568 on esitetty kaavinterä, joka muodostuu päällekkäin la-15 minoiduista kuitukudoksista, esimerkiksi lasikuitukudoksista. Julkaisussa esitetään, että teräsärmään päättyvässä pinnassa tai sen läheisyydessä on kovilla partikkeleilla pinnoitettu kuitukudos. Teräsärmän pysymistä terävänä voidaan julkaisun mukaan edesauttaa siten, että pinnassa tai sen välittömässä läheisyydessä on hiilikuitua oleva ohut huopamatto, mutta muualla terärakenteessa ei tarvita hiilikuitua. Tällaisessa rat-20 kaisussa terä lämpenee käytännössä aivan liikaa ja siten kuluu nopeasti.

[004] Julkaisussa WO 2005124019 on esitetty kaavinterä tai muu paperikoneessa käytettäväksi tarkoitettu tasomainen elementti, joka käsittää synteettisen rakenteen sisältäen nanopartikkeleita polymeerihartsimatriisissa. Nanopartikkelit voivat julkaisun 25 mukaan olla esimerkiksi hiilinanoputki. Julkaisun mukaan nanopartikkeleista voidaan käyttää 0,5- 75% matriisin painosta, mutta edullismimmin 10-15% ja niillä saadaan aikaiseksi mm. rakenteen lujuuden ja kulumisomlnaisuuksien parantumista. Julkaisu esittää myös hiilikuidun käyttämistä rakenteessa.

30 [005] Julkaisussa W02007030392 A1 on esitetty paperikoneissa käytettävä kaavin terä, joka on muodostettu kerrosrakenteiseksi komposiitiksi, jossa ainakin jotkut kerroksista käsittävät basalttikuituja. Julkaisun mukaan basalttikuidut ovat enemmän hiovia kuin hiilikuidut ja kestävämpiä kuin lasikuitu, ja aiheuttavat pienemmän kitkavoiman. Lämmönjohtavuudeltaan basalttikuitu ei kuitenkaan merkittävästi poikkea lasi-35 kuidusta joten pelkästään basalttikuitulujitteinen kaavin terä kuluu hyvin nopeasti.

2 [006] Julkaisussa DE 102005038652 A1 on esitetty kaavinteräratkaisu, jossa komposiittimateriaalin matriisiin järjestetty täyteaineeksi nanomateriaalia, joka voi olla esimerkiksi hiilikuitua, hiiltä, fullereenia tai ns. nanoputkia. Nanomateriaali voi julkaisun mukaan olla sellaista, että sen lisäyksen myötä komposiittimateriaalin lämmönjohta- 5 vuus kasvaa esimerkiksi 0,5-1 W/mK:stä yli 2W/mK:iin. Itse lujitemateriaali voi julkaisun mukaan olla hiilikuitua.

[007] Kaavinterien kulumisen yhtenä pääaiheuttajana pidetään kitkan aiheuttamaa terän kärjen lämpötilan nousua. Julkaisussa FM 01637 on esitetty kaavinterä, joka kä- 10 sittää useita kuitukerroksia laminaattirakenteena, jossa on vähintään yksi hiilikuituker-ros tai hiilikuitua oleellisesti sisältävä kerros, joka sisältää hiovia partikkeleita hiilikuitujen välittömässä läheisyydessä ja jossa hiilikuidut ovat orientoituneet terän pituusakselin suunnasta oleellisesti poikkeavasti, edullisesti terän poikkisuuntaisesti, lämmön siirtymisen edistämiseksi terän kärjestä poispäin.

15 [008] Hiilikuidun saatavuus on kuitenkin rajallista ja se on raaka-aineena kaapimen-kaltaiseen kulutusosaan suhteellisen kallista, ja siten on olemassa tarve korvata hiili-kuitu samalla vähintään säilyttäen kaavinterän lämmönjohtumisominaisuudet ennallaan tai jopa parantaen niitä.

20 [009] Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen kaavinterä, jonka kuluminen käytössä on minimoitu ja jolla tunnetun tekniikan ongelmat minimoidaan.

25 [0010] Tämä tarkoitus saavutetaan pääasiassa siten, että kaavinterän komposiittira kenteen lujite muodostuu oleellisesti hiilikuituvapaasta kuitumateriaalista ja että kaavinterän lämmönjohtavuuden parantamiseksi komposiittirakenne käsittää partikkeli-muotoista hiiltä järjestettyinä konsentraatiotihentyminä siten, että konsentraatiotihen-tymien orientaatio on oleellisesti kaavinterän pituussuunnasta poikkeava.

30

[0011] Keksinnön mukaisesti kuitumateriaalina käytetään edullisesti oleellisesti hiilikui-tuvapaata kuitumateriaalia siten, että kuitumateriaalin lujite-toiminnallisuudesta ainakin pääosa toteutetaan kokonaan hiilikuituvapaalla kuitumateriaalilla. Kun hiilikuidun osuus kuitumateriaalista on alle 10 %, kuitumateriaalin lämmönjohtavuus ei ole merkit-35 tävän suuri. Edullisesti kuitumateriaali on basalttikuitua. Tällä tavoin voidaan kaavinte- rän materiaalin lujuusominaisuudet ja lämmönjohtavuus suunnitella ja valita oleellisesti toisistaan riippumatta.

3

[0012] Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan komposiittirakenne käsittää hiilipar-5 tikkeleita jäljestettyinä konsentraatiotihentyminä siten, että konsentraatiotihentymien orientaatio on oleellisesti kaavinterän pituussuunnasta poikkeava.

[0013] Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada patenttivaatimuksen 8 johdanto-osan mukainen menetelmä, jolla voidaan valmistaa kaavinterä, jonka kuluminen käy- 10 tössä on minimoitu.

[0014] Tämä tarkoitus saavutetaan pääasiassa siten, että kaavinterän komposiittirakenteeseen käytettävää kuituainetta impregnoidaan matriisiaineella ja tämän jälkeen komposiittirakenne kovetetaan, ja että kuituaine on oleellisesti hiilikuituvapaata kuitua 15 ja komposiittirakenteeseen lisätään partikkelimuotoista hiiltä ennen komposiittirakenteen kovettamista.

[0015] Muut keksinnölle ominaiset lisätunnuspiirteet käyvät ilmi oheisista patenttivaatimuksista.

20

[0016] Partikkelimuotoinen hiili voi käsittää tai muodostua fullereeneista tai hii-linanoputkista. Fullereeni on pallomainen molekyyli, yleensä 60 hiiliatomista koostuva. Hiilinanoputki on hiiliatomeista muodostunut molekyyli, jonka pituus voi olla jopa millimetrin suuruusluokkaa. Partikkelimuotoinen hiili voi olla myös lastumaista.

25

[0017] Keksinnön avulla saavutetaan lukuisia etuja. Kaavinterän hyvän lämmönjohta-vuuden aikaansaamiseksi ei tarvita enää hiilikuitua ja lisäksi kaavinterä saadaan kokonaisuudessaan lujemmaksi kuin tunnetun tekniikan kaavinterät.

30 [0018] Seuraavassa keksintöä ja sen toimintaa selostetaan viittaamalla oheisiin kaa- viomaisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen kaavinterän, kuvio 2 esittää kuvion 1 kaavinterän yläkuvantona, kuvio 3 esittää esimerkinomaisesti hiilinanoputken rakenteen, 35 kuvio 4 esittää keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaisen kaavinterän ja

V

4 kuvio 5 esittää erään suoritusmuodon keksinnön mukaisesta menetelmästä kaavinte-rän valmistamiseksi.

[0019] Kuvioissa 1 ja 2 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön erään suoritusmuodon 5 mukainen kaavinterä 10. Kaavinterä on esitetty tässä käyttötilanteessa kuiturainako- neen telan tai sylinterin 20 pinnan yhteydessä. Käytössä tela tai sylinteri pyörii kuvion nuolen osoittamaan suuntaan, jolloin telan tai sylinterin 20 pinta liikkuu terää vasten sen alla. Terä on tuettu elimillä (ei esitetty), joiden avulla terään voidaan kohdistaa pintaa vasten painava voima.

10

[0020] Kaavinterä 10 on pääosin komposiittirakenteinen kuitulujitteinen muovi tai polymeeri ja se muodostuu kuitumateriaalista 50 ja sitä sitovasta sideaineesta 40, jota voidaan tässä yhteydessä kutsua myös matriisiksi. Kuitumateriaali on komposiittirakenteen lujite. Tyypillisesti matriisi 40 on jotakin sopivaa hartsia tai kestomuovia. Kui- 15 tumateriaali voi olla esimerkiksi kudos tai se voi olla myös ns. non-woven materiaalia.

[0021] Kaavinterän 10 paksuus on tyypillisesti n. 1,5 - 2,5 mm ja siinä on useita kuitu-kerroksia päällekkäin, tyypillisesti 6-12 kerrosta. Keksinnön mukaisesti kuitumateriaalina käytetään edullisesti oleellisesti hiilikuituvapaata kuitumateriaalia siten, että kuitu- 20 materiaalin lujite-toiminnallisuudesta ainakin pääosa toteutetaan kokonaan hiilikuitu-vapaan kuitumateriaalin avulla. Kun hiilikuidun osuus kuitumateriaalista on alle 10 %, kuitumateriaalin lämmönjohtavuus ei ole merkittävän suuri. Kuitumateriaali käsittää pääosin lämmönjohtavuudeltaan suhteellisen alhaista basalttikuitua. Kuitumateriaali voi käsittää myös lasi- ja basalttikuitujen yhdistelmää tai sekoitusta. Komposiittiraken-25 ne käsittää myös partikkelimuotoista hiiltä 30.

[0022] Hiilikuituvapaan kuitumateriaalin käytöllä yhdessä partikkelimuotoisen hiilen 30 kanssa saadaan edullinen kokonaisuus, vaikka hiilikuituvapaat kuidut eivät merkittävästi johda lämpöä ja siten, vaikka partikkelimuotoisen hiilen määrä on oltava riittävä 30 tehokkaan lämmönjohtumisen aikaansaamiseksi kaavinterän kärjestä poispäin terära-kennetta pitkin, saadaan rakenteesta kuitujen ansiosta riittävän luja. Tällä tavoin voidaan kaavinterän lämmönjohtavuus ja lujuus pitää enemmän erillisinä asioina ja siten näiden ominaisuuksien osalta rakenteen suunnittelu on vapaampaa.

35 [0023] Erityisesti basalttikuidun käytöllä yhdessä partikkelimuotoisen hiilen kanssa saadaan edullinen kokonaisuus. Vaikka basaittikuidutkaan eivät merkittävästi johda 5 lämpöä, mutta koska basalttikuidusta saadaan erityisen luja komposiittirakenne ja siten, vaikka partikkelini uotoisen hiilen määrä on oltava riittävä tehokkaan lämmönjohtumisen aikaansaamiseksi kaavinterän kärjestä poispäin, saadaan rakenteesta nimenomaan basalttikuitujen ansiosta riittävän luja. Kuitumateriaalin, sideaineen ja partikke-5 limuotoisen hiilen keskinäiset osuudet valitaan siten, että komposiittirakenteen läm-mönjohtavuus kaavinterän poikkisuunnassa on edullisesti vähintään 100 W/mK.

[0024] Partikkelini uotoisen hiilen määrä matriisissa on edullisesti >10% mutta < noin 50%. Alaraja määräytyy siitä, että hiilipartikkeleiden on havaittu muodostavan flokkeja, 10 konsentraatiotihentymiä, pitoisuuksissa, jotka ylittävät mainitun 10% rajan. Hiiliflokkien muodostuminen ja olemassaolo nostaa merkittävästi komposiittirakenteen lämmönjoh-tavuutta. Toisaalta mainittu yläraja määräytyy matriisin kyvystä toimia sideaineena riittävän hyvin, ja yläraja riippuukin paljon käytetystä lujitteesta.

15 [0025] Partikkelimuotoisen hiilen ollessa hiilinanoputki, muodostavat myös nanoputket hiilikonsentraatiotihentymiä, joiden vaikutuksesta lämmönjohtavuus paranee.

[0026] Kaavinterän kestävyyttä voidaan edelleen lisätä sillä, että matriisina käytetään korkean lasittumislämpötilan omaavaa polymeeriä, kuten esimerkiksi epoksi, tekniset 20 kestomuovit, kuten PEEK (polyeetterieetteriketoni). Nämä materiaalit sallivat terän lämpötilan nousun suhteellisen korkeaksi ilman, että merkittävä matriisin sulaminen alkaa.

[0027] Kuviossa 3 on esitetty esimerkinomaisesti hiilinanoputken 100 rakenne. Se on 25 hiiliatomeista 110 muodostuva putkimainen rakenne, jossa hiiliatomit ryhmittyvät kuu- sirenkaiksi siten, että kukin hiiliatomi kolmeen viereiseen hiiliatomiin. Hiilinanoputki voi olla pituudeltaan jopa millimetrisuuruusluokkaa. Keksinnön eräässä edullisessa suoritusmuodossa partikkelimuotoinen hiili op hiilinanoputki. Tämän suoritusmuodon mukainen kaavinterän 10 rakenne on esitetty osaleikkauksena terän pinnasta kuviossa 4. 30 Koska hiilinanoputket ovat kooltaan hyvin pieniä, riittävän lämmönjohtavuuden aikaansaamiseksi tarvittava hiilimäärä saadaan hiilinanoputkien avulla toteutettua edullisemmin. Hyvin pienikokoiset hiilinanoputket sijoittuvat helpommin matriisissa ja kuiduissa erilaisiin onkaloihin tai vastaaviin, ja siten hiilen määrä on helpompi kasvattaa tarvittavaksi joutumatta tekemään tarpeettomia kompromisseja kuidun tai matriisin määrässä. 35 6

[0028] Keksinnön mukaisessa kaavinterässä hiili on edullisesti hiilipartikkeleiden muodostamina flokkeina, konsentraatiotihentyminä, mikä parantaa merkittävästi lämmön-johtavuutta. Partikkelimuotoinen hiili, hiilinanokuitu ja/tai näiden muodostamat konsent-raatiotihentymät 35 edullisesti suunnattu siten, että niiden pääasiallinen suunta on 5 kaavinterän pituussuunnasta L oleellisesti poikkeava, edullisesti kaavinterän poik-kisuuntainen C. Samoin suoritusmuodossa, jossa partikkelimuotoinen hiili on hii- -linanoputki, on hiilinanoputkien 100 suunta vastaavalla tavalla kaavinterän 10 pituussuunnasta L oleellisesti poikkeava. Tällä tavoin suunnattuna saadaan hiilen lämpöä johtava ominaisuus tehokkaammin käyttöön, ja siten hiilen määrä ei ole tarpeettoman « 10 suuri.

[0029] Kaavinterä voidaan valmistaa esimerkiksi pultruusiomenetelmällä. Kuviossa 5 on esitetty eräs esimerkki keksinnön mukaisesta menetelmästä komposiittisen ja levymäisen terän 10 valmistamiseksi. Keksinnön mukainen terä 10 valmistetaan ainakin 15 osittain pultruusioteknologialla prosessissa 60. Pultruusiomenetelmä 60 on alan ammattimiehelle sinällään tavanomaista tekniikkaa, joten sitä ei tässä yhteydessä ole tarpeen kuvata kovinkaan yksityiskohtaisella tarkkuudella. Menetelmässä kuitumatot tai kudokset 62 vedetään veto-osalla 72 (vetosuunta esitetty nuolella) pultruusiomenetel-mälle ominaisten perusvaiheiden läpi, jonka seurauksena muodostuu teräaihiota 10’, 20 josta lopullinen terä voidaan valmistaa. Kuidut / kuitumatot /-kudokset 62 johdetaan ensin impregnointiosaan 64, jossa kuidut kyllästetään tai kastellaan jossakin valitussa matriisiaineessa, johon on keksinnön mukaisesti lisätty partikkelimuotoinen hiili im-pregnointi osaa edeltävässä käsittävässä matriisiaineen käsittelyosassa 66. Kuituaineen ja vielä kovettamattomaan matriisiin kohdistetaan sähkö- tai magneettikenttä lait-25 teiston yhteyteen järjestetyllä sähkö- tai magneettikentän aikaansaavalla osalla 70. Sähkö- tai magneettikentän vaikutuksesta matriisissa oleva partikkelimuotoinen hiili ja konsentraatiotihentymät, jotka orientoidaan 74 tällä tavoin teräaihion 10’ ja siten myös f kaavinterän 10 pituussuunnasta L poikkeavasta, oleellisesti kaavinterän poikkisuuntai-sesti. Seuraavassa vaiheessa kovetuso'salla 68 komposiitin matriisi kovetetaan. Säh-30 kö- tai magneettikentän aikaansaava osa 70 voi ulottua osin matriisin kovetusosan alueelle. Pultruusio ei ole ainoa valmistusmenetelmä, jolla voidaan valmistaa keksinnön mukaista kaavinterää. Muita kyseeseen tulevia valmistusmenetelmiä ovat esimerkiksi laminointi ja puristus korotetussa paineessa ja lämpötilassa.

35 [0030] Keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaisesti hiilipartikkeleita järjeste tään komposiittirakenteeseen konsentraatiotihentyminä, joiden orientaatio on oleelli- 7 sesti kaavinterän pituussuunnasta poikkeava, siten, että ainakin osa käytettävästä kuitumateriaalista on ennen matriisin impregnointia pinnoitettu partikkelimuotoisella hiilellä, ja niin että tämä kuitumateriaalin pinnoitettujen kuitujen orientaatio on pääasiassa sellainen, että se asettuu kaavinterään puitruusiossa poikkisuunteisesti kaavinterän 5 pituussuuntaan nähden.

[0031] On huomattava, että edellä on esitetty vain muutamia keksinnön edullisimpia suoritusmuotoja. Siten on selvää, että keksintö ei ole rajoitettu edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan soveltaa monin tavoin oheisten vaatimusten määrit-10 tämissä puitteissa. Eri suoritusmuotojen yhteydessä esitettyjä piirteitä voidaan keksinnön perusajatuksen puitteissa niin ikään käyttää muiden suoritusmuotojen yhteydessä ja/tai yhdistellä esitetyistä piirteistä erilaisia kokonaisuuksia, mikäli niin halutaan ja tekniset mahdollisuudet tähän ovat olemassa.

Claims (11)

1. Kuiturainakoneen kaavinterä (10), joka on komposiittirakenteinen käsittäen kuitumateriaalia (50) lujitteena ja sideainetta (40), tunnettu siitä, että komposiittiraken- « 5 teen lujite muodostuu oleellisesti hiilikuituvapaasta kuitumateriaalista ja että kaavinte-rän lämmönjohtavuuden parantamiseksi komposiittirakenne käsittää partikkelimuotois-ta hiiltä (30) järjestettyinä konsentraatiotihentyminä siten, että konsentraatiotihentymi-en orientaatio on oleellisesti kaavinterän pituussuunnasta poikkeava.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaavinterä, tunnettu siitä, että oleellisesti hiilikuituvapaan kuitumateriaalin (50), sideaineen (40) ja partikkelimuotoisen hiilen (30) muodostaman komposiittirakenteen lämmönjohtavuus oleellisesti kaavinterän poikki-suunnassa on vähintään 100 W/mK.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaavinterä, tunnettu siitä, että partikkeli- muotoinen hiili (30) on järjestetty komposiittirakenteeseen kuitumateriaalin kuitujen pinnoitteena.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaavinterä, tunnettu siitä, että sideaine 20 (40) on korkean lasittumislämpötilan omaava polymeeri.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaavinterä, tunnettu siitä, että partikkeli-muotoinen hiili (30) käsittää hiilinanoputkia (100).

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kaavinterä, tunnettu siitä, että hiilikuitu- vapaa kuitumateriaali (50) käsittää basalttikuitua.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kaavinterä, tunnettu siitä, että hiilikuitu-vapaa kuitumateriaali (50) muodostuu basaltti- ja/tai lasikuidusta. 30

8. Menetelmä kuiturainakoneen kaavinterän (10) valmistamiseksi, jossa kaavinterän komposiittirakenteeseen käytettävää kuituainetta (50) impregnoidaan matriisi-aineella (40) ja tämän jälkeen komposiittirakenne kovetetaan, tunnettu siitä, että kuituaine on oleellisesti hiilikuituvapaata kultua ja että komposiittirakenteeseen lisätään 35 partikkelimuotoista hiiltä (30), joka saatetaan orientoitumaan oleellisesti kaavinterän pituussuunnasta poikkeavaan suuntaan ennen komposiittirakenteen kovettamista. g

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että partikke-limuotoinen hiili (30) saatetaan orientoitumaan pääsiassa kaavinterän poikkisuunnassa ennen matriisin kovettamista. 5

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, partikkelimuo-toinen hiili saatetaan orientoitumaan pääsiassa kaavinterän poikkisuunnassa siten, että komposiittirakenteeseen kohdistetaan suunnattu magneettikenttä ennen matriisin kovettamista. 10

11. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, partikkelimuo-toinen hiiti saatetaan orientoitumaan pääsiassa kaavinterän poikkisuunnassa siten, että komposiittirakenteeseen kohdistetäan suunnattu sähkökenttä ennen matriisin ko- 15 vettamista. 20 25 30 35 11