Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum mechanischen Zerfasern von Holz mit einem Kneten von Holz und einem Trennen von Fasern von dem Holz mittels der Konturen von einem in Umfangsrichtung regelmäßigen Wellenmuster der Zerfaserungsoberfläche.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Gerät zum mechanischen Zerfasern von Holz, wobei das Gerät eine Zerfaserungsoberfläche in Kontakt mit dem zu behandelnden Holz aufweist, um das Holz zu kneten und um die Fasern von dem Holz zu trennen, wodurch die Zerfaserungsoberfläche in der Bewegungsrichtung der Oberfläche mit einem Wellenmuster versehen ist, bei dem die Oberteile bei regelmäßigen Abständen angeordnet sind, wobei diese Abschnitte Energie zu dem Holzrohmaterial befördern.

Es gibt einige bekannte Verfahren zum mechanischen Zerfasern von Holz. Von diesen Verfahren werden das Schleifverfahren und das Mahlverfahren bei der industriellen Herstellung angewendet. Diese beiden Verfahren sind auf das Kneten von Holzrohmaterial durch Druckimpulse und auf die mechanische Trennung von Feinstoffen voneinander gegründet, jedoch steht das Schleifverfahren zu der vorliegenden Erfindung in engerer Beziehung. Die Idee des Knetens ist es, das Holzrohmaterial so vorzubereiten, dass das anschließende mechanische Trennen der Fasern einen Halbstoff, der für die Papierherstellung geeignet ist, und nicht nur Holzfasern erzeugt, die voneinander getrennt sind. Das Kneten des Holzrohmaterials besteht aus zwei obligatorischen Teilen: eine Druckschwankung zum Aufbrechen des Holzmatrixaufbaus und ein Verformen zum Erweichen des Holzes durch die Erzeugung von Wärmeenergie. Bei dem Schleifverfahren werden die vorstehend erwähnten Betriebsabfolgen ausgeführt, indem Holzblöcke in Querrichtung gegen einen sich drehenden zylindrischen Schleifstein gepresst werden, wobei die Längsrichtung der Holzblöcke parallel zu der axialen Richtung des Schleifsteins gehalten wird, wie dies in der veröffentlichten schwedischen Beschreibung 309 529 (die der Druckschrift DE-A-14 11 886 entspricht) offenbart ist, die den nächstliegenden Stand der Technik bildet. Die Druckschrift SE 309 529 offenbart eine Lösung, bei der an der Oberfläche des Zerfaserungselementes Zerfaserungssektoren bei gleichmäßigen Abständen mit dazwischen befindlichen Vorsprüngen vorhanden sind. An der Oberfläche der Zerfaserungssektoren sind Wellenmuster mit gleichmäßigen Abständen dazwischen mit gerundeten, höchst geeigneterweise halb rundlich80 en, Oberseiten vorhanden.

Die Oberfläche des Schleifsteins weist außerordentlich verschleißfeste Partikel auf, die aneinander mittels eines weicheren Bindemittels gebunden sind, wodurch sie einen zufälligen Partikelaufbau ausbilden, wie dies in der veröffentlichten finnischen Beschreibung 68 268 und in dem US Patent 2 769 286 offenbart ist. Der Unterschied im Hinblick auf die Höhe in der Umfangsrichtung der Oberfläche, der aufgrund des zufälligen Ortes der Partikel sich ergibt, erzeugt Druckimpulse gegenüber dem Holzrohmaterial und trennt die Fasern von der Oberfläche des Holzrohmaterials mittels der Oberflächenreibung. Der wichtigste Nachteil von diesen beiden mechanischen Zerfaserungsverfahren ist der hohe Energieverbrauch aufgrund der hohen Wärmeerzeugung. Der Verbrauch ist 10 bis 100 mal größer als der theoretische Energieverbrauch bei der Zerfaserung, die vielfach offenbart ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine Papierherstellung geeigneten Halbstoff aus Rohholz durch einen außerordentlich steuerbaren Prozess mit einem relativ geringen Energieverbrauch herzustellen.

Die Erfindung ist auf die Verwendung einer Zerfaserungsoberfläche, die in der Umfangsrichtung regelmäßig ist, anstatt einer zufällig verteilten Schleifoberfläche gegründet. Diese Oberfläche erzeugt regelmäßige Druckimpulse, deren Zykluslänge von der angewendeten Umfangsgeschwindigkeit abhängig ist. Die regelmäßige Zerfaserungsoberfläche ist mit einer in kleinerem Maßstab aufgerauten Struktur versehen, die bewirkt, dass die Fasern mechanisch voneinander getrennt werden. Eine derartige Kombination aus Umfangsgeschwindigkeit, regelmäßiger Form und Rauigkeit der Zerfaserungsoberfläche wird gewählt, dass die Hälfte der sich ergebenden Zykluslänge der durchschnittlichen Entspannungszeit des Holzrohmaterials unter Zerfaserungsbedingungen entspricht und dass die durch die aufgeraute Oberflächenstruktur erzeugte Produktion der erwünschten Produktion entspricht. Die Entspannungszeit des Holzes bezieht sich hierbei auf die Zeitspanne, die erforderlich ist, damit das Holzrohmaterial frei sich entspannt, innerhalb der Grenzen der Amplitude der Basiskontur der Oberfläche von einer maximalen Spannung zu einer minimalen Spannung in dem vorgespannten Zustand und Bedingungen, bei denen die Zerfaserung stattfindet. Die Entspannungszeit kann experimentell bei den Zerfaserungsbedingungen gemessen werden. Eine regelmäßige Zerfaserungsoberfläche zum Erzielen des vorstehend beschriebenen Effektes ist neu im Vergleich zu dem Stand der Technik, der beispielsweise in der veröffentlichten schwedischen Beschreibung 309 529 offenbart ist. Die erwünschte Zerfaserungsoberfläche kann in unterschiedlicher Weise hergestellt werden, beispielsweise indem zuerst bearbeitet und dann beschichtet wird.

Um den vorstehend beschriebenen Effekt vorzusehen, ist die vorliegende Erfindung hauptsächlich durch die in den Ansprüchen 1 und 2 offenbarten Merkmale gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung hat wesentliche Vorteile.

Das Verfahren und das Gerät der vorliegenden Erfindung verbrauchen Energie effizienter als die Verfahren, die gegenwärtig in der Industrie angewendet werden. Die Amplitude der Druckschwankung, die durch das herkömmliche Schleifverfahren bewirkt wird, ist bei den Oberflächenlagen des Holzrohmaterials am besten, jedoch ist die Erzeugung von Wärmeenergie in einer sehr dünnen Oberflächenlage hoch. Dies ist der Fall, weil eine zufällig ausgebildete Schleifoberfläche Arbeitszyklen bewirkt, deren Längen eine sehr gleichmäßige Verteilung ausbilden. Andererseits fällt die Entspannungszeit des viskoelastischen und nicht homogenen Holzrohmaterials bei den vorherrschenden Bedingungen in einem relativ engen Bereich. Dies sind die Gründe, weshalb es außerordentlich wahrscheinlich ist, dass der folgende Arbeitszyklus bei einer falschen Phase beginnt, was eine bedeutsame Verformung und Erzeugung von Wärmeenergie in einer sehr dünnen Oberflächenlage bewirkt. Ein relativ geringer Teil der mechanischen Energie wird in potentielle Energie umgewandelt und ein großer Teil von ihr wird direkt in Wärmeenergie umgewandelt. Die potentielle Energie gibt die Innenspannung des Rohmaterials wieder, die die Matrixstruktur aufbricht und beim Entspannen in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Hälfte des Arbeitszyklus, der durch das Verfahren und das Gerät der vorliegenden Erfindung bewirkt wird, entspricht vorzugsweise ungefähr der durchschnittlichen Entspannungszeit des Holzrohmaterials. Es ist somit wahrscheinlich, dass der folgende Betrag an Arbeit zum Beibehalten der Druckschwankung geschieht, wenn die erforderliche Änderung im Hinblick auf das Moment gering ist, und ein großer Teil der Energie kann zunächst in potentielle Energie umgewandelt werden, die als Spannung in der Holzmatrix gespeichert wird. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung nutzt somit so viel Energie wie möglich für das Aufbrechen der Struktur des Rohmaterials, bevor diese in Wärmeenergie umgewandelt wird, was eine effiziente Energieanwendung für ein mechanisches Zerfasern von Holz ermöglicht. Außerdem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem eine Eigenschaft der Zerfaserungsoberfläche hauptsächlich bewirkt, dass das Holzrohmaterial geknetet wird, und die andere Eigenschaft hauptsächlich bewirkt, dass die Fasern getrennt werden, dass diese Teile des Prozesses separat gesteuert werden und diese beiden Arten an Arbeit in einer ausreichenden Höhe aber nicht mehr als erforderlich getätigt werden.

Nachstehend ist die vorliegende Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt eine Schnittdarstellung der Zerfaserungsoberfläche in der Umfangsrichtung und das Kneten der Oberfläche des Holzrohmaterials bei der Zerfaserung.

2 zeigt einen Strukturteil der Zerfaserungsoberfläche.

Eine regelmäßige Zerfaserungsoberfläche 1 ist als ein Querschnitt in einer Querrichtung in Bezug auf die Achse des Zerfaserungszylinders gezeigt. Holzrohmaterial 2 wird gegen die Zerfaserungsoberfläche 1 in einer derartigen Weise gepresst, dass die Faserrichtung des Holzes parallel zu der axialen Richtung des Zerfaserungszylinders ist. Die Zerfaserungsoberfläche bewegt sich bei einer Umfangsgeschwindigkeit 3 in Bezug auf das Holzrohmaterial 2. Jede Welle der Zerfaserungsoberfläche besteht aus einem ansteigenden Abschnitt 4 und einem abfallenden Abschnitt 5. Die Zerfaserungsoberfläche 1 hat eine glatte Grundstruktur, ist jedoch mit einer aufgerauten Struktur (die nicht in 1 gezeigt ist) mit einer Größe versehen, die der Breite der Holzfasern entspricht. Die Wellen bei dem Wellenmuster sind in einer derartigen Weise geformt, dass bei dem ansteigenden Abschnitt, das heißt von dem Boden zu dem Oberteil der Welle die Neigung der Tangente zunächst zu dem maximalen Wert ansteigt, woraufhin sie abnimmt. Ein Modellbeispiel eines derartigen Wellenmusters ist die Sinuswelle. Ein derartiges Wellenmuster, das im Hinblick auf den Energieverbrauch vorteilhaft ist, unterscheidet sich beispielsweise von der regelmäßigen Struktur der Zerfaserungsoberfläche, die in der vorstehend erwähnten schwedischen veröffentlichten Beschreibung 309 529 offenbart ist, wobei es gemäß dieser Veröffentlichung das Ziel ist, lediglich die zufällig geformten verschleißfesten Partikel zu ersetzen, und wobei ebene Flächen zwischen den halbzylindrischen oder halbkugelartigen Partikeln vorhanden sind.

Ein Strukturteil 6 der Zerfaserungsoberfläche kann beispielsweise durch ein Laserschneiden der Grundform der Zerfaserungsoberfläche aus einer Stahlplatte hergestellt werden. Die Zerfaserungsoberfläche eines gesamten Zylinders wird erhalten, indem eine Vielzahl an Strukturteilen 6 benachbart zum Ausbilden einer Packung montiert wird und beispielsweise eine aufgeraute Struktur aus hartem Metall an der Oberfläche gesintert wird. Alternativ kann die Zerfaserungsoberfläche aus Segmenten gestaltet werden, deren bogenförmige Außenkante bearbeitet ist und die aufeinanderfolgend und benachbart rund um den die Mitte des Schleifsteins ausbildenden Zylinder montiert werden.

Die Höhe (Amplitude) der Wellen und der Abstand zwischen ihnen ist in einer derartigen Weise bestimmt, dass es stets möglich ist, eine derartige Oberflächengeschwindigkeit zu wählen, dass eine korrekte Zykluslänge für das zu zerfasernde Holz erhalten wird. Die Amplitude kann in der Größenordnung von 0,5 mm sein und der Abstand zwischen den Wellen kann in der Größenordnung von 3 mm sein, jedoch sind dies lediglich beispielartige Werte.

Die Erfindung funktioniert wie folgt. Wenn die Zerfaserungsoberfläche 1 sich bei einer Umfangsgeschwindigkeit 3 in Bezug auf das Holzrohmaterial 2 bewegt, wird das Holzrohmaterial 2 einer regelmäßigen Behandlung unterworfen, deren Zykluslänge durch die Kontur der Zerfaserungsoberfläche 1 und der Umfangsgeschwindigkeit 3 bestimmt wird. Die ansteigenden Abschnitte 4 der Zerfaserungsoberfläche komprimieren das Holzrohmaterial, wohingegen die abfallenden Abschnitte 5 ein Expandieren des Holzrohmaterials 2 ermöglichen. Wenn eine derartige Kombination aus der Umfangsgeschwindigkeit 3 und der regelmäßigen Form der Zerfaserungsoberfläche 1 gewählt wird, dass die Hälfte der sich ergebenden Zykluslänge der durchschnittlichen Entspannungszeit des Holzrohmaterials entspricht, ist es wahrscheinlich, dass der folgende ansteigende Abschnitt 4 an der Oberfläche des Holzrohmaterials 2 dann aufschlägt, wenn die für das Beibehalten der Schwingung erforderliche Momentänderung gering ist, wie dies in 1 gezeigt ist. In diesem Fall wird soviel wie möglich von der verbrauchten Energie zunächst in potentielle Energie umgewandelt, die als die Spannung der Holzmatrix gespeichert ist, was eine effiziente Energieanwendung zum Aufbrechen der Holzmatrixstruktur ermöglicht. Wenn die Spannungen aufgebaut werden und entspannt werden, wird ein Teil der Energie in Wärme aufgrund der Innenreibung des Holzrohmaterials umgewandelt. In der Praxis kann diese Zykluslänge in gewissem Maße schwanken, wobei daher die Länge des gesamten Arbeitszyklus ein- bis dreimal die Entspannungszeit des Holzes unter den vorherrschenden Schleifbedingungen betragen kann. Dies ist hauptsächlich auf den Umstand gegründet, dass eine lange Zeitspanne erforderlich ist, bis das Holz annähernd vollständig wiederhergestellt ist, und es ist nicht möglich, ein ausreichendes Schwingungs- und Aufwärmphänomen mit einer derartigen Verzögerung mit sich zu bringen. Da der Entspannungsprozess zunächst schnell ist und danach langsamer wird, ist es nicht ratsam, den letzten Teil der Entspannung zu nutzen. In der Praxis wird somit der schnellste Teil der Entspannung genutzt; wobei in diesem Teil das Holz schnell zu seinem Ausgangszustand zurückkehrt, und wenn die Wiederherstellung in wesentlichem Maße sich zu verlangsamen beginnt, beginnt eine neue Kompression. Eine an der Grundzerfaserungsoberfläche 1 vorgesehene aufgeraute Struktur trennt die Fasern, die bereits von der Oberfläche der Holzmatrix geknetet worden sind, und somit wird sich neues Holzrohmaterial konstant an der Oberfläche der Holzmatrix darbieten und dadurch dem Kneten ausgesetzt. Da das Kneten und das Trennen ziemlich unabhängig voneinander sind, kann das Verhalten der zerfaserung gesteuert werden, indem die Grundkontur und Rauigkeit der Zerfaserungsoberfläche 1 variiert wird.

Ein Wellenmuster einer Zerfaserungsoberfläche und ein Verfahren zum Herstellen derselben sind vorstehend beschrieben. Das Wellenmuster und das Herstellverfahren können natürlich abgewandelt werden; jedoch muss die sich ergebende Zykluslänge ein- bis dreimal so groß wie die durchschnittliche Entspannungszeit des Holzrohmaterials sein, das heißt die Hälfte von ihr entspricht ungefähr der durchschnittlichen Entspannungszeit. Der abfallende Abschnitt des Wellenmusters insbesondere muss sich ändern, um einen ausreichenden Schutzraum für die gelösten Fasern zu erreichen. Die gestrichelten Linien in 1 zeigen einen Fall, bei dem die Wellen aufgrund einer an dem abfallenden Abschnitt vorgesehene Vertiefung asymmetrisch sind. Sofern dies erwünscht ist, kann die Grundkontur der Zerfaserungsoberfläche, die das Kneten ausführt, und die an der glatten Oberfläche vorgesehene aufgeraute Struktur außerdem als separate Zonen aufeinanderfolgend in der Umfangsrichtung angeordnet sein. Das Wellenmuster von einem ganzen Zylinder kann außerdem bei verschiedenen Winkeln in Bezug auf die Umfangsgeschwindigkeit vorgesehen sein. Ein alternatives Herstellverfahren gegenüber dem Laserschneiden kann beispielsweise ein ausreichend genaues mechanisches Bearbeiten sein, das beispielsweise zum Herstellen von Schleifsegmenten mit einer größeren Oberfläche als dünne Platten verwendet werden kann.