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Die vorliegende Erfindung betrifft ein impulsgetrocknetes Papier mit einem dreidimensionalen Muster aus alternierenden erhabenen und eingelassenen Abschnitten, das dem Papier im Zusammenhang mit dem Impulstrocknen erteilt wird.
Feuchte Papierbahnen werden üblicherweise gegen eine oder mehrere erwärmte Rollen getrocknet. Ein Verfahren, das verbreitet für Tissuepapier verwendet wird, ist sogenanntes Yankee-Trocknen. Beim Yankee-Trocknen wird die feuchte Papierbahn gegen einen durch Dampf erwärmten Yankee-Zylinder gepresst, der einen sehr grossen Durchmesser aufweisen kann. Weitere Wärme zum Trocknen wird durch Zublasen von erwärmter Luft zugeführt. Wenn das zu erzeugende Papier weiches Papier ist, wird die Papierbahn üblicherweise gegen den Yankee-Zylinder gekräuselt. Dem Trocknen gegen den Yankee-Zylinder geht ein Vakuumentwässern und ein Feuchtpressen voraus, bei dem Wasser mechanisch aus der Papierbahn gepresst wird.
Ein weiteres Trocknungsverfahren ist das sogenannte Durchlufttrocknen (through-air-drying, TAD). Bei diesem Verfahren wird das Papier mittels heisser Luft getrocknet, die durch die feuchte Papierbahn geblasen wird, oftmals ohne ein vorangehendes Nasspressen. Die Papierbahn, die in den Durchlufttrockner eintritt, wird dann nur vakuumentwässert und weist deshalb einen Trockenanteil von etwa 25 bis 30% auf und wird in dem Durchlufttrockner auf einen Trockenanteil von etwa 65 bis 95% getrocknet.
Die Papierbahn wird zu einem besonderen Trocknungsgewebe übertragen, und wird über einen sogenannten TAD-Zylinder mit einer offenen Gestalt geführt.
Heisse Luft wird durch die Papierbahn während des Durchführens über den TADZylinder geblasen. Das auf diese Weise erzeugte Papier, hauptsächlich weiches Papier, wird sehr weich und voluminös. Das Verfahren ist jedoch sehr energieverbrauchend, da alles Wasser, das entfernt wird, verdunstet
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werden muss. In Verbindung mit dem TAD-Trocknen wird die gemusterte Struktur des Trocknungsgewebes zu der Papierbahn übertragen. Diese Struktur wird im Wesentlichen auch im nassen Zustand des Papiers aufrechterhalten, da es der nassen Papierbahn erteilt wurde. Eine Beschreibung der TAD-Technik kann beispielsweise in der US-A-3 301 746 gefunden werden.
Das Impulstrocknen einer Papierbahn ist in der SE-B-423 118 beispielhaft offenbart und bringt in Kürze mit sich, dass die feuchte Papierbahn durch den Pressspalt zwischen einer Pressrolle und einer erwärmten Rolle geführt wird, die zu einer derart hohen Temperatur erwärmt ist, dass eine schnelle und starke Dampferzeugung in der Zwischenfläche zwischen der feuchten Papierbahn und der erwärmten Rolle auftritt. Das Erwärmen der Rolle wird beispielsweise durch Gasbrenner oder andere Heizvorrichtungen erreicht, beispielsweise mittels elektromagnetischer Induktion. Durch die Tatsache, dass die Wärmeübertragung zu dem Papier im Wesentlichen in einem Pressspalt auftritt, wird eine ausserordentlich hohe Wärmeübertragungsgeschwindigkeit erhalten.
Sämtliches Wasser, das von der Papierbahn während des Impulstrocknens entfernt wird, wird nicht verdunstet, sondern der Dampf trägt auf seinem Weg durch die Papierbahn Wasser von den Poren zwischen den Fasern in der Papierbahn mit sich. Die Trocknungswirksamkeit wird hierdurch sehr hoch.
In der EP-A-0 490 655 ist die Erzeugung einer Papierbahn offenbart, insbesondere von weichem Papier, bei der dem Papier gleichzeitig mit dem Impulstrocknen eine geprägte Oberfläche gegeben wird. Diese Prägung wird durch Pressen eines Musters in das Papier von einer oder beiden Seiten gegen einen harten Gegenhalter ausgeführt. Dies führt zu einer Kompression des Papiers und hierdurch zu einer höheren Dichte in bestimmten Abschnitten gerade entgegengesetzt zu den Eindrückungen, und einer geringeren Dichte in den Zwischenabschnitten.
Die WO 96/09435 betrifft weiches Papier mit einer gewissen Menge von Hochausbeutepulpe, wie zum Beispiel CTMP, um die Nassnachgiebigkeit des Papiers zu verbessern. Es wird festgestellt, dass das Papier, wenn es nass wird, zurückfedern kann, nachdem es in einer Hand verknickt wurde. Das Papier wird durch ein sogenanntes Durchtrocknen getrocknet, was bedeutet, dass heisse Luft durch die nasse Papierbahn geblasen wird. Bei einem derartigen Trocknungsverfahren wird man normalerweise nicht die hohen Temperaturen erreichen, die beim Impulstrocknen vorliegen. Es gibt ferner keinen Hinweis darüber, dass der Papierbahn eine dreidimensionale Struktur
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in Verbindung mit dem Trocknungsvorgang erteilt wird, und es ist deshalb anzunehmen, dass das erzeugte Papier glatt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Herstellung eines impulsgetrockneten Papiers mit einem dreidimensionalen Muster zu schaffen, beispielsweise eines weichen Papiers, das als Toilettenpapier, Küchenrolle, Papiertaschentücher, Tischservietten und ähnliches beabsichtigt ist, und bei dem das Papier aus einer Pulpe erzeugt wird, die insbesondere für Impulstrocknen und die hohen Belastungen in der Form von hohen Drücken und Temperaturen, denen das Papier unterworfen wird, geeignet ist. Daneben sollte das Papier ein hohes spezifisches Volumen und eine hohe Absorptionsfähigkeit aufweisen, und die dreidimensionale Struktur sollte im trockenen sowie im nassen Zustand aufrechterhalten werden.
Dies wurde gemäss der Erfindung durch die Tatsache gelöst, dass das Papier wenigstens 10 Gew.-%, berechnet anhand des trockenen Fasergewichts, von einer Lignin enthaltenden Hochausbeutepulpe enthält, wie zum Beispiel mechanischer, thermomechanischer (TMP) und chemothermomechanischer (CTMP) Pulpe.
Es wird angenommen, dass die Erweichungstemperatur des Lignins in der Hochausbeutepulpe während des gleichzeitigen Impulstrocknens und Formens erreicht wird, und wenn das Papier dann abgekühlt wird, das Lignin wiederum versteift wird, und zu der dauerhaften Aufrechterhaltung der Struktur beiträgt, die dem Papier erteilt wurde. Dies ist nur eine Theorie, um die Ergebnisse zu erklären, die durch die Erfindung erhalten werden, die nicht auf diese Theorie beschränkt ist. Die dreidimensionale Struktur, die dem Papier erteilt wurde, wird im Wesentlichen auch in seinem nassen Zustand aufrechterhalten, was die Absorptionseigenschaften des Papiers erheblich verbessert.
Das Papier enthält vorzugsweise wenigstens 30 Gewet und insbesondere wenigstens 50 Gew.-% der Hochausbeutepulpe.
Die Erfindung wird nachfolgend im Einzelnen unter Bezugnahme auf einige Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind.
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Figuren 1 bis 3 sind schematische Seitenansichten von Impulstrocknungs-Vorrichtungen gemäss einiger verschiedener Ausführungsformen.
Figuren 4a bis c zeigen in der Form von Balkendiagrammen trockenes und nasses spezifisches Volumen von impulsgetrocknetem Papier, das von unterschiedlichen Arten von Pulpe erzeugt wird.
Fig. 5 zeigt in der Form von Balkendiagrammen die Wirkung von Temperatur auf spezifisches Volumen und Absorption von impulsgetrocknetem Papier, das aus unterschiedlichen Arten von Pulpe erzeugt ist.
Fig. 6 zeigt in der Form von Balkendiagrammen die Wirkung von Temperatur auf die Festigkeitseigenschaften von impulsgetrocknetem Papier, das aus unterschiedlichen Arten von Pulpe erzeugt ist.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Durchführen von Impulstrocknen einer Papierbahn. Die nasse Papierbahn 10, die über (nicht gezeigte) Saugboxen entwässert wird, wird durch einen zusammendrückbaren Pressfilz 11 getragen und wird in einen Pressspalt 12 zwischen zwei drehbare Rollen 13 und 14 gebracht, bei dem die Rolle 13, die in Berührung mit der Papierbahn ist, durch eine Heizvorrichtung 15 auf eine Temperatur erwärmt ist, die hinreichend hoch für das Erreichen von Trocknen der Papierbahn ist.
Die Oberflächentemperatur der erwärmten Rolle kann in Abhängigkeit von derartigen Faktoren, wie dem Feuchtigkeitsgehalt der Papierbahn, der Dicke der Papierbahn, der Berührungszeit zwischen der Papierbahn und der Rolle und dem gewünschten Feuchtigkeitsanteil der fertigen Papierbahn variieren. Die Oberflächentemperatur sollte selbstverständlich nicht so hoch sein, dass die Papierbahn beschädigt wird. Eine geeignete Temperatur sollte im Bereich von 100 bis 400 C, vorzugsweise 150 bis 3500C und insbesondere 200 bis 3500C liegen.
Die Papierbahn wird gegen die erwärmte Rolle 13 mittels der Rolle 14 gepresst. Die Pressvorrichtung kann selbstverständlich auf viele andere Arten und Weisen gestaltet sein. Zwei und mehr Pressvorrichtungen können ebenso nacheinander angeordnet sein. Der Gegenhalter 14 kann ebenso ein Pressschuh sein. Es ist ebenso möglich, dass die Papierbahn 11 in diesen Pressspalt ungetragen eingeführt wird, das heisst nicht durch ein Sieb oder einen Filz getragen.
Eine sehr schnelle, gewaltsame und nahezu explosive Dampferzeugung findet an der Zwischenfläche zwischen der erwärmten Rolle und der feuchten
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Papierbahn statt, bei dem der erzeugte Dampf auf seinem Weg durch die Papierbahn Wasser weg trägt. Für eine weitere Beschreibung der Impulstrocknungs-Technik wird auf die oben genannten SE-B-423 118 und beispielsweise die EP-A-0 337 973 und die US-A-5 556 511 verwiesen.
Das Papier wird nach dem Trocknen auf eine Aufwickelrolle 16 gewickelt.
Wenn gewünscht, kann das Papier vor dem Wickeln gekräuselt werden. Es ist jedoch anzumerken, dass die Notwendigkeit für das Kräuseln des Papiers, um Weichheit und spezifisches Volumen zu erteilen, die für weiches Papier angestrebt werden, reduziert wird, wenn das Impulstrocknungsverfahren gemäss der Erfindung verwendet wird, da dem Papier durch die starke Dampfausdehnung in der Papierbahn spezifisches Volumen und Weichheit und darüber hinaus eine dreidimensionale Struktur erteilt wird.
Die Papierbahn kann, bevor sie in den Impulstrockner gebracht wird, entweder nur über Saugboxen entwässert werden, oder darüber hinaus ein wenig gemäss einem herkömmlichen Vorgang gepresst werden.
Gleichzeitig mit dem Impulstrocknen wird dem Papier eine dreidimensionale Struktur erteilt. Dies kann wie gezeigt in Figuren 1 und 2 durch die Tatsache erreicht werden, dass die erwärmte Rolle 13 mit einem Prägemuster, bestehend aus alternierenden erhabenen und eingelassenen Bereichen besteht. In Fig. 1 ist ein Beispiel eines derartigen Prägemusters gezeigt, bei dem erhabene Abschnitte aus einem vorstehenden Relief und die eingelassenen Abschnitte aus gebohrten Nuten bestehen. Diese Struktur wird im Wesentlichen auch in dem späteren genässten Zustand des Papiers aufrechterhalten, da sie der nassen Papierbahn in Verbindung mit deren Trocknung erteilt wurde.
Da der Begriff "Prägen" normalerweise für eine Formung verwendet wird, die an getrocknetem Papier durchgeführt wird, wird im Nachfolgenden Druckformen für das dreidimensionale Formen des Papiers verwendet, das gleichzeitig mit dem Impulstrocknen auftritt. Durch dieses Druckformen werden das spezifische Volumen und die Absorptionsfähigkeit des Papiers vergrössert, die wichtige Eigenschaften von weichem Papier sind.
Das Papier kann gegen eine nicht feste Oberfläche, das heisst einen zusammendrückbaren Pressfilz 11 gepresst werden. Die Rolle 14 kann ebenso eine elastische Ertragsoberfläche, z. B. eine Hülloberfläche aus Gummi aufweisen. Dem Papier wird dadurch eine dreidimensionale Struktur gegeben, deren Gesamtdicke grösser ist als die Dicke des nicht gepressten Papiers.
Hierdurch wird dem Papier ein hohes spezifisches Volumen erteilt, und hierdurch eine hohe Absorptionsfähigkeit und eine hohe Weichheit. Daneben weiter Seite 5, Zeile 13 v. u.
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Gemäss der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform wird die Papierbahn 10 während des Trocknens durch ein Sieb 11 mit einem Muster getragen, das in die Papierbahn druckgeformt wird, wenn sie durch den Pressspalt 12 zwischen den Rollen 13 und 14 tritt. Die Rolle 13 kann entweder glatt sein, wie in Fig. 3 gezeigt ist, oder ein Prägemuster aufweisen. In dem Fall, dass die Rolle 13 glatt ist, wird das druckgeformte Papier eine glatte Oberfläche und eine Oberfläche mit Eindrückungen aufweisen. In dem Fall, dass die Rolle 13 ein Prägemuster aufweist, wird dies auch in das Papier gepresst, das somit an einer Seite ein Muster entsprechend der Gestalt des Siebs 11 und an der entgegengesetzten Seite ein Muster entsprechend dem Prägemuster der Rolle haben wird. Das Muster kann, muss jedoch nicht, zusammenfallen und/oder das Gleiche sein oder unterschiedlich.
Papier kann durch eine Anzahl unterschiedlicher Pulpearten erzeugt werden. Wenn man Wiedergewinnungspulpe ausser acht lässt, die heutzutage zu einem grossen Ausmass im Wesentlichen für Toilettenpapier und Küchenrollen verwendet wird, ist die am meisten verwendete Pulpeart für weiches Papier chemische Pulpe. Diese wird durch Imprägnieren von Holzchips mit Chemikalien und nachfolgendes Kochen erzeugt, so dass das Lignin und die Hemizellulose zu der Flüssigkeit übertragen wird. Nach dem fertigen Kochen wird die Pulpe gescreent und gewaschen, bevor sie gebleicht wird. Der Ligninanteil in einer derartigen Pulpe ist praktisch gleich Null und die Fasern, die im Wesentlichen aus purer Zellulose bestehen, sind relativ dünn und flexibel.
Chemische Pulpe kann sowohl von der lang- als auch kurzfaserigen Art in Abhängigkeit von dem Holz-Rohmaterial, das verwendet wurde, sein, und kann eine Sulfat- oder Sulfitart in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Kochflüssigkeit sein. Chemische Langfaserpulpe (Weichholz), insbesondere der Sulfatart, weist einen vorteilhaften Effekt auf die Festigkeitseigenschaften des weichen Papiers, sowohl die Trocken- als auch die Nassfestigkeit auf.
Chemische Pulpe ist eine Niederausbeute-Pulpe, da sie zu einer Ausbeute von nur etwa 50%, berechnet anhand des Holz-Rohmaterials, das verwendet wurde, führt. Sie ist deshalb vergleichsweise teure Pulpe. Es ist deshalb weit verbreitet, billigere, sogenannte Hochausbeutepulpen zu verwenden, zum Beispiel mechanische oder thermomechanische Pulpe, sowohl bei weichem Papier als auch anderen Arten von Papier, beispielsweise Zeitungspapier, Pappe usw.. Mechanische Pulpe wird durch Mahlen oder Refinermahlung erzeugt, und das Prinzip für die Erzeugung mechanischer Pulpe liegt darin, dass das Holz mechanisch desintegriert wird. Das gesamte Holzmaterial wird verwendet, und das Lignin wird somit in den Fasern gelassen, die vergleichsweise kurz und
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steif sind.
Die Erzeugung von thermomechanischer Pulpe (TMP) wird durch Refinermahlung in einem Scheibenrefiner bei einem erhöhten Dampfdruck erreicht. Auch in diesem Fall wird das Lignin in den Fasern gelassen.
Chemomechanische Pulpe (CMP) oder chemothermomechanische Pulpe (CTMP) sind Begriffe für einen thermomechanische Pulpe, die durch die Hinzufügung von kleinen Mengen von Chemikalien, üblicherweise Sulfit, modifiziert ist, die vor der Refinermahlung zugeführt werden. Eine Wirkung der chemischen Behandlung liegt darin, dass die Fasern leichter befreit werden. Eine chemomechanische oder chemothermomechanische Pulpe enthält mehr vollständige Fasern und weniger Schäbe (Faserzusammenballungen und Faserfragmente) als die mechanische oder thermomechanische Pulpe. Die Eigenschaften von CMP und CTMP nähern sich denjenigen für die chemische Pulpe an, aber es gibt wesentliche Unterschiede in Abhängigkeit davon unter anderem, dass bei CMP und CTMP die Fasern rauer sind und einen höheren Anteil von Lignin, Harzen und Hemizellulose enthalten können.
Das Lignin und die Harze geben den Fasern mehr wasserabweisende Eigenschaften und eine verringerte Fähigkeit, Wasserstoffverbindungen auszubilden. Die Hinzufügung einer gewissen Menge von chemothermomechanischer Pulpe bei weichem Papier weist wegen der verringerten Faser-Faser-Verbindung eine vorteilhafte Wirkung auf Eigenschaften wie das spezifische Volumen oder die Absorptionsfähigkeit auf.
Eine besondere Variante von chemothermomechanischer Pulpe (CTMP) ist sogenannte Hochtemperatur-Chemothermomechanische Pulpe (high temperature chemothermomechanical pulp ; HT-CTMP), deren Erzeugung sich von der Erzeugung von CTMP herkömmlicher Art im Wesentlichen durch Verwendung einer höheren
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Beschreibung des Herstellungsverfahrens für HT-CTMP wird auf die WO 95/34711 verwiesen. Charakteristisch für HT-CTMP ist, dass sie eine langfaserige, leicht entwässerte und voluminöse Hochausbeutepulpe ist, mit einem geringen Schäbeanteil und einem geringen Fineanteil.
Es wurde gemäss der Erfindung herausgefunden, dass Hochausbeutepulpe insbesondere für Impulstrocknen geeignet ist, da sie druckunempfindlich, leicht zu entwässern ist und eine offene Struktur aufweist, welche für den erzeugten Dampf zulässt, dass er hindurchtritt. Dies verringert das Risiko dafür, dass das Papier überhitzt und zerstört wird während des Impulstrocknens, das bei erheblich höheren Temperaturen als bei anderen Trockungsverfahren durchgeführt wird. Die Druckunempfindlichkeit und die offene Struktur hängen davon ab, dass die Fasern in der Hochausbeutepulpe
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vergleichsweise rau und steif verglichen mit den Fasern in chemischer Pulpe sind.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die dreidimensionale Struktur, die dem Papier erteilt wurde, im Wesentlichen auch im nassen Zustand des Papiers aufrechterhalten wird, da sie der nassen Papierbahn gleichzeitig mit deren Trocknung erteilt wurde. Impulstrocknen wird ferner bei erheblich höherer Temperatur als beispielsweise Yankee-Trocknen oder Durchlufttrocknen durchgeführt, und gemäss einer Theorie, an welche jedoch die Erfindung nicht gebunden ist, wird die Erweichungstemperatur des Lignins in der Hochausbeutepulpe während des gleichzeitigen Impulstrocknens und Druckformens erreicht. Wenn das Papier dann abkühlt, wird das Lignin wieder steif und trägt zu der dauerhaften dreidimensionalen Struktur bei, die dem Papier erteilt wurde.
Diese Struktur wird deshalb im Wesentlichen auch im nassen Zustand des Papiers aufrechterhalten, was das spezifische Volumen und die Absorptionseigenschaften des Papiers stark verbessert.
Der Anteil von Hochausbeutepulpe sollte wenigstens 10 Gew.-% anhand des
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anderer Pulpe mit guten Festigkeitseigenschaften, wie zum Beispiel mechanischer Pulpe, vorzugsweise langfaseriger Sulfatpulpe oder Wiedergewinnungspulpe, ist ein Vorteil, wenn auf eine hohe Festigkeit des fertigen Papiers abgezielt wird.
Herkömmliche Additive, wie zum Beispiel Nassfestigkeitsmittel, Weichmittel, Füllmittel usw. können selbstverständlich bei dem Papier verwendet werden.
Es wurden in einem Versuchsgerät Versuche durchgeführt, bei denen eine Papierbahn mit einem Trockenanteil von etwa 35 Gew.-% ohne vorheriges Pressen einem Impulstrocknen bei Temperaturen, die zwischen etwa 200 bis 300 C variierten, und einem Druck von etwa 4 MPA unterworfen wurde. Die Impulstrocknungs-Zeit betrug zwischen 3 und 20 Millisekunden. Die Pulpearten, die getestet wurden, waren 100% ungeschlagene chemische Sulfatpulpe, 100% HT-CTMP und 50/50 ungeschlagene chemische Sulfatpulpe/HTCTMP.
In Figuren 4a bis c sind die Ergebnisse von Messungen, die bezüglich des trockenen und nassen spezifischen Volumens von impulsgetrocknetem Papier mit den oben genannten Pulpen durchgeführt wurden, gezeigt. Messungen wurden an nicht geprägtem (eben gepressten) ebenso wie an geprägtem (druckgeformten) Papier durchgeführt. Daneben wurden die Messungen an Papier
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mit und ohne Zufügung von KYMENE (D, ein Polyamid-Amin-Epichlorhydrinharz (PAE), durchgeführt. Das Nassfestigkeitsmittel sollte zu dem Ausgangsstoff oder der Papierbahn vor dem Druckformen zugefügt werden, da bewiesen wurde, dass das Nassfestigkeitsmittel zum dauerhaften Aufrechterhalten der dreidimensionalen Struktur beiträgt, die dem Papier in Verbindung mit dem Druckformen erteilt wurde.
Die hinzugefügte Menge sollte wenigstens 0, 05 Gewet anhand des trockenen Fasergewichts betragen.
Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass impulsgetrocknetes Papier, das gemäss der Erfindung druckgeformt wurde, ein hohes trockenes und nasses spezifisches Volumen aufweist. Besonders gute Ergebnisse wurden für diejenigen Papiere erhalten, die eine Hochausbeutepulpe in der Form von HTCTMP enthielten. Druckgeformtes Papier mit HT-CTMP zeigt auch in nassem Zustand ein hohes spezifisches Volumen von 7 cm3/g und darüber. Eine klare Verbesserung des nassen spezifischen Volumens wurde erzielt, wenn das Papier ein Nassfestigkeitsmittel enthielt.
Um die Wichtigkeit der Temperatur unter dem Impulstrocknen zu untersuchen, das heisst die Oberflächentemperatur der erwärmten Rolle, wurden Tests an drei unterschiedlichen Pulpearten, 100% nicht refinergemahlener chemischer Sulfatpulpe, 100% HT-CTMP und 50/50-Mischung von nicht refinergemahlener chemischer Sulfatpulpe bei zwei unterschiedlichen Temperaturen 2000 und 3000C durchgeführt. Das trockene und nasse spezifische Volumen und die relative Absorption wurden gemessen. Diese Ergebnisse sind in Fig. 5 gezeigt.
Anhand dieser Ergebnisse ist zu erkennen, dass eine Anhebung der Temperatur von 2000 auf 3000C keine wirkliche Wirkung auf diese Eigenschaften für Papier mit 100% chemischer Sulfatpulpe neben einer kleinen Vergrösserung des trockenenen spezifischen Volumens hatte. Für die Papiere mit 100% HT-CTMP und die 50/50-Mischung von chemischer Sulfat/HT-CTMP verkleinerte einerseits das trockene spezifische Volumen etwas, jedoch erhöhte sich andererseits das nasse spezifische Volumen und die relative Absorption bei einer Anhebung der Temperatur von 200 auf 3000C. Die Vergrösserung war am signifikantesten für das Papier mit 100% HT-CTMP.
Diese Ergebnisse stützen die Theorie, dass das Lignin in der Hochausbeutepulpe während des gleichzeitigen Impulstrocknens und des Druckformens (Prägens) aufweicht, was zur dauerhaften Aufrechterhaltung der dreidimensionalen Struktur beiträgt, wenn das Papier gekühlt wird. Je höher die Temperatur ist, desto mehr Lignin hat Zeit, sich während des Impulstrocknens aufzuweichen.
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Der Temperatureinfluss auf die Festigkeitseigenschaften des Papiers wurde auch getestet. Der Trocken- und Nasszugindex (tensile index, TI) für Papier, das bei 200 bzw. bei 3000C impulsgetrocknet wurde, wurde jeweils gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 gezeigt.
Für Papier mit 100% chemischer Sulfatpulpe wurde ein niedrigerer Zugindex bei der höheren Temperatur erhalten. Der Nasszugindex war im Wesentlichen der gleiche nach dem Trocknen bei beiden Temperaturen.
Für Papier mit 100% HT-CTMP trat jedoch eine signifikante Erhöhung sowohl des Trocken- als auch des Nasszugindex bei einer Erhöhung der Impulstrocknungstemperatur von 200 auf 300 C (Oberflächentemperatur der Rolle 13) auf. Eine Erklärung könnte darin bestehen, dass ein höheres Ausmass an Aufweichung bei der höheren Temperatur erreicht wird, was zu einem vermehrten Verbinden der Faserstruktur beiträgt. Für die Mischung 50/50 chemischer Sulfatpulpe/HT-CTMP war der Trockenzugindex im Wesentlichen unverändert, während sich der Nasszugindex etwas bei der höheren Temperatur erhöhte.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Bereichs der Ansprüche verändert werden. Die Lignin enthaltende Hochausbeutepulpe kann, wie vorangehend erwähnt, von vielen unterschiedlichen Arten, wie zum Beispiel mechanische Pulpe, thermomechanische, chemomechanische und chemothermomechanische Pulpe sein und kann frische Fasern ebenso wie Wiedergewinnungsfasern aufweisen.
Die Zumischung einer bestimmten Menge von anderer Pulpe mit guten Festigkeitseigenschaften, wie zum Beispiel chemischer Pulpe, vorzugsweise langfaseriger Sulfatpulpe, ist ein Vorteil, wenn eine hohe Festigkeit des fertigen Papiers angestrebt wird. Auch andere Pulpen einschliesslich Wiedergewinnungspulpe können in dem Papier enthalten sein.
Die Papierbahn kann nach dem Impulstrocknen unterschiedlichen Arten von Behandlungen unterzogen werden, die als solche bekannt sind, wie zum Beispiel die Zufügung von unterschiedlichen Chemikalien, weiteres Prägen, Laminierung usw.. Eine derartige Behandlung kann darin bestehen, dass die Papierbahn, nachdem ihr das dreidimensionale Muster erteilt wurde, in einem nachfolgenden Rollenspalt zusammengedrückt wird, der eine Temperatur aufweist, die geringer ist als diejenige der erwärmten Rolle, wodurch dem Papier das dreidimensionale Muster erteilt wurde. Möglicherweise kann ein weiteres Muster in die Papierbahn während dieses Zusammendrückens gepresst werden. Das Zusammendrücken bringt ein verringertes spezifisches Volumen des
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Papiers mit, was während des Transports und der Lagerung Raum spart.
Die Verformung der Papierbahn, die während dieses Zusammendrückens stattfindet, wird mittels der Faser-zu-Faser-Verbindungen aufrecht erhalten, die im nassen Zustand nicht gleichbleibend sind. Das Papier wird in Berührung mit Wasser oder wässrigen Flüssigkeiten seine dreidimensionale Struktur wiedergewinnen, die ihm bei dem Impulstrocknen gegeben wurde, wodurch durch die Ausdehnung des Papiers eine vergrösserte Wasserabsorptionsfähigkeit erhalten wird.
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The present invention relates to pulse dried paper having a three-dimensional pattern of alternating raised and embedded sections, which is imparted to the paper in connection with pulse drying.
Moist paper webs are usually dried against one or more heated rolls. One method that is widely used for tissue paper is so-called Yankee drying. In Yankee drying, the moist paper web is pressed against a Yankee cylinder heated by steam, which can have a very large diameter. Additional heat for drying is supplied by blowing in heated air. When the paper to be produced is soft paper, the paper web is usually crimped against the Yankee cylinder. Drying against the Yankee cylinder is preceded by vacuum dewatering and wet pressing, in which water is mechanically pressed out of the paper web.
Another drying process is so-called through-air drying (TAD). In this process, the paper is dried using hot air that is blown through the moist paper web, often without prior wet pressing. The paper web that enters the through-air dryer is then only vacuum-dewatered and therefore has a dry fraction of about 25 to 30% and is dried in the through-air dryer to a dry fraction of about 65 to 95%.
The paper web is transferred to a special drying fabric and is guided over a so-called TAD cylinder with an open shape.
Hot air is blown through the paper web as it passes over the TAD cylinder. The paper produced in this way, mainly soft paper, becomes very soft and voluminous. However, the process is very energy consuming since all of the water that is removed evaporates
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must become. In conjunction with TAD drying, the patterned structure of the drying fabric is transferred to the paper web. This structure is essentially maintained even when the paper is wet since it has been given to the wet paper web. A description of the TAD technique can be found, for example, in US-A-3,301,746.
Pulse drying of a paper web is exemplarily disclosed in SE-B-423 118 and briefly entails that the moist paper web is passed through the press nip between a press roll and a heated roll that is heated to such a high temperature that a rapid and strong steam generation occurs in the interface between the wet paper web and the heated roll. The roller is heated, for example, by gas burners or other heating devices, for example by means of electromagnetic induction. Due to the fact that the heat transfer to the paper essentially occurs in a press nip, an extremely high heat transfer rate is obtained.
All water that is removed from the paper web during pulse drying is not evaporated, but the steam carries water from the pores between the fibers in the paper web on its way through the paper web. The drying efficiency is very high.
EP-A-0 490 655 discloses the production of a paper web, in particular of soft paper, in which the paper is given an embossed surface at the same time as the pulse drying. This embossing is accomplished by pressing a pattern into the paper from one or both sides against a hard backing. This leads to a compression of the paper and thereby to a higher density in certain sections just opposite to the indentations, and a lower density in the intermediate sections.
WO 96/09435 relates to soft paper with a certain amount of high yield pulp, such as CTMP, in order to improve the wet compliance of the paper. It is noted that if the paper gets wet, it may spring back after it is creased in one hand. The paper is dried by so-called through drying, which means that hot air is blown through the wet paper web. Such a drying process will normally not reach the high temperatures that impulse drying has. There is also no indication that the paper web has a three-dimensional structure
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in connection with the drying process, and it can therefore be assumed that the paper produced is smooth.
The object of the present invention is to provide a method for producing a pulse-dried paper with a three-dimensional pattern, for example a soft paper, which is intended as toilet paper, kitchen roll, paper handkerchiefs, table napkins and the like, and in which the paper is produced from a pulp which is particularly suitable for pulse drying and the high loads in the form of high pressures and temperatures to which the paper is subjected. In addition, the paper should have a high specific volume and a high absorbency, and the three-dimensional structure should be maintained in the dry and in the wet state.
This was achieved according to the invention by the fact that the paper contains at least 10% by weight, calculated on the basis of the dry fiber weight, of a high-yield pulp containing lignin, such as mechanical, thermomechanical (TMP) and chemothermomechanical (CTMP) pulp.
It is believed that the softening temperature of the lignin in the high yield pulp is reached during the simultaneous pulse drying and molding, and when the paper is then cooled, the lignin is again stiffened, and contributes to the permanent maintenance of the structure given to the paper. This is only a theory to explain the results obtained by the invention, which is not limited to this theory. The three-dimensional structure imparted to the paper is essentially maintained even in its wet state, which significantly improves the absorption properties of the paper.
The paper preferably contains at least 30% and especially at least 50% by weight of the high yield pulp.
The invention is described in detail below with reference to some embodiments shown in the accompanying drawings.
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Figures 1 to 3 are schematic side views of pulse drying devices according to some different embodiments.
Figures 4a to c show in the form of bar graphs the dry and wet specific volume of pulse dried paper produced by different types of pulp.
Figure 5 shows in the form of bar graphs the effect of temperature on the specific volume and absorption of pulse dried paper made from different types of pulp.
Figure 6 shows in the form of bar graphs the effect of temperature on the strength properties of pulse dried paper made from different types of pulp.
Fig. 1 shows schematically an apparatus for performing pulse drying of a paper web. The wet paper web 10, which is dewatered via suction boxes (not shown), is carried by a compressible press felt 11 and is brought into a press nip 12 between two rotatable rollers 13 and 14, in which the roller 13, which is in contact with the paper web , is heated by a heating device 15 to a temperature which is sufficiently high to achieve drying of the paper web.
The surface temperature of the heated roll can vary depending on such factors as the moisture content of the paper web, the thickness of the paper web, the contact time between the paper web and the roll and the desired moisture content of the finished paper web. Of course, the surface temperature should not be so high that the paper web is damaged. A suitable temperature should be in the range of 100 to 400 C, preferably 150 to 3500 C and in particular 200 to 3500C.
The paper web is pressed against the heated roll 13 by means of the roll 14. The press device can of course be designed in many other ways. Two and more pressing devices can also be arranged one after the other. The counter holder 14 can also be a press shoe. It is also possible for the paper web 11 to be introduced into this press nip without being worn, that is to say not being carried by a sieve or a felt.
A very fast, violent and almost explosive steam generation takes place at the interface between the heated roller and the moist one
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Paper web instead, in which the steam generated carries water away on its way through the paper web. For a further description of the pulse drying technique, reference is made to the aforementioned SE-B-423 118 and, for example, EP-A-0 337 973 and US-A-5 556 511.
The paper is wound on a take-up roll 16 after drying.
If desired, the paper can be crimped before wrapping. It should be noted, however, that the need to curl the paper to give the softness and specific volume desired for soft paper is reduced when using the pulse drying method according to the invention because the paper expands due to the high vapor expansion in the Paper web specific volume and softness and in addition a three-dimensional structure is given.
Before being brought into the pulse dryer, the paper web can either only be dewatered via suction boxes or, in addition, can be pressed a little according to a conventional process.
At the same time as the impulse drying, the paper is given a three-dimensional structure. This can be achieved, as shown in FIGS. 1 and 2, by the fact that the heated roller 13 consists of an embossed pattern consisting of alternating raised and recessed areas. 1 shows an example of such an embossing pattern, in which raised sections consist of a protruding relief and the recessed sections consist of drilled grooves. This structure is essentially maintained in the later wetted state of the paper, since it was given to the wet paper web in connection with its drying.
Since the term "embossing" is normally used for a shaping which is carried out on dried paper, printing forms are subsequently used for the three-dimensional shaping of the paper which occurs simultaneously with the impulse drying. This form of printing increases the specific volume and absorbency of the paper, which are important properties of soft paper.
The paper can be pressed against a non-solid surface, that is to say a compressible press felt 11. The roller 14 may also have an elastic yield surface, e.g. B. have an envelope surface made of rubber. This gives the paper a three-dimensional structure, the total thickness of which is greater than the thickness of the non-pressed paper.
This gives the paper a high specific volume, and thereby a high absorbency and high softness. Next to it page 5, line 13 v. u.
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According to the embodiment shown in FIG. 3, the paper web 10 is supported during drying by a screen 11 with a pattern which is compression molded into the paper web as it passes through the nip 12 between the rollers 13 and 14. The roller 13 can either be smooth, as shown in Fig. 3, or have an embossed pattern. In the event that the roller 13 is smooth, the compression molded paper will have a smooth surface and a surface with indentations. In the event that the roll 13 has an embossed pattern, this is also pressed into the paper, which will thus have a pattern corresponding to the shape of the screen 11 on one side and a pattern corresponding to the embossed pattern of the roll on the opposite side. The pattern may, but need not, coincide and / or be the same or different.
Paper can be produced by a number of different types of pulp. If you neglect recovery pulp, which is now largely used for toilet paper and kitchen rolls, the most common type of pulp for soft paper is chemical pulp. This is created by impregnating wood chips with chemicals and then boiling them so that the lignin and hemicellulose are transferred to the liquid. After cooking is complete, the pulp is screened and washed before bleaching. The lignin content in such a pulp is practically zero and the fibers, which consist essentially of pure cellulose, are relatively thin and flexible.
Chemical pulp can be of either the long or short fiber type depending on the wood raw material used, and can be a sulfate or sulfite type depending on the composition of the cooking liquid. Chemical long fiber pulp (softwood), in particular of the sulfate type, has an advantageous effect on the strength properties of the soft paper, both dry and wet strength.
Chemical pulp is a low yield pulp because it results in a yield of only about 50% calculated from the wood raw material that was used. It is therefore a comparatively expensive pulp. It is therefore widespread to use cheaper, so-called high-yield pulps, for example mechanical or thermomechanical pulp, for both soft paper and other types of paper, for example newsprint, cardboard, etc. Mechanical pulp is produced by grinding or refining, and the principle for the production of mechanical pulp is that the wood is mechanically disintegrated. All of the wood material is used, and the lignin is thus left in the fibers, which are comparatively short and
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are stiff.
The generation of thermomechanical pulp (TMP) is achieved by refiner grinding in a disc refiner at an increased vapor pressure. In this case too, the lignin is left in the fibers.
Chemomechanical pulp (CMP) or chemothermomechanical pulp (CTMP) are terms for a thermomechanical pulp that is modified by the addition of small amounts of chemicals, usually sulfite, that are added prior to refining. One effect of the chemical treatment is that the fibers are freed more easily. A chemomechanical or chemothermomechanical pulp contains more complete fibers and fewer shavings (fiber aggregations and fiber fragments) than the mechanical or thermomechanical pulp. The properties of CMP and CTMP approximate those for chemical pulp, but there are significant differences depending on, among other things, that the fibers of CMP and CTMP are rougher and can contain a higher proportion of lignin, resins and hemicellulose.
The lignin and resins give the fibers more water repellency and a reduced ability to form hydrogen compounds. The addition of a certain amount of chemothermomechanical pulp to soft paper has a beneficial effect on properties such as specific volume or absorbency because of the reduced fiber-fiber bond.
A special variant of chemothermomechanical pulp (CTMP) is so-called high temperature chemothermomechanical pulp (HT-CTMP), the production of which differs from the production of conventional CTMP essentially by using a higher one
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Description of the production process for HT-CTMP is made to WO 95/34711. Characteristic of HT-CTMP is that it is a long-fiber, slightly dewatered and voluminous high-yield pulp with a low proportion of shavings and a low proportion of fin.
It has been found according to the invention that high-yield pulp is particularly suitable for pulse drying, since it is insensitive to pressure, easy to drain and has an open structure which allows the steam generated to pass through. This reduces the risk of the paper overheating and being destroyed during pulse drying, which is carried out at significantly higher temperatures than with other drying processes. The insensitivity to pressure and the open structure depend on the fibers in the high yield pulp
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are comparatively rough and stiff compared to the fibers in chemical pulp.
Another advantage is that the three-dimensional structure that was given to the paper is essentially maintained even when the paper is wet, since it was given to the wet paper web at the same time as it was dried. Pulse drying is also carried out at a significantly higher temperature than, for example, Yankee drying or through-air drying, and according to a theory, to which the invention is not however bound, the softening temperature of the lignin in the high-yield pulp is reached during the simultaneous pulse drying and pressure molding. When the paper cools down, the lignin becomes stiff again and adds to the permanent three-dimensional structure that has been imparted to the paper.
This structure is therefore essentially maintained even when the paper is wet, which greatly improves the specific volume and the absorption properties of the paper.
The proportion of high yield pulp should be at least 10% by weight based on the
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other pulp with good strength properties, such as mechanical pulp, preferably long fiber sulfate pulp or recovery pulp, is an advantage when aiming for high strength of the finished paper.
Conventional additives such as wet strength agents, softeners, fillers, etc. can of course be used in the paper.
Experiments were carried out in a test device in which a paper web with a dry fraction of approximately 35% by weight was subjected to pulse drying at temperatures which varied between approximately 200 to 300 ° C. and a pressure of approximately 4 MPA without prior pressing. The pulse drying time was between 3 and 20 milliseconds. The pulp types that were tested were 100% undefeated chemical sulfate pulp, 100% HT-CTMP and 50/50 undefeated chemical sulfate pulp / HTCTMP.
FIGS. 4a to c show the results of measurements which were carried out with regard to the dry and wet specific volume of pulse-dried paper with the pulps mentioned above. Measurements were carried out on non-embossed (just pressed) as well as on embossed (pressure-formed) paper. In addition, the measurements on paper
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with and without the addition of KYMENE (D, a polyamide-amine-epichlorohydrin resin (PAE). The wet strength agent should be added to the stock or paper web prior to press molding, as it has been proven that the wet strength agent helps to maintain the three-dimensional structure permanently issued to the paper in connection with the printing form.
The amount added should be at least 0.05 wets based on the dry fiber weight.
It is clear from the results that pulse-dried paper which has been pressure-molded according to the invention has a high dry and wet specific volume. Particularly good results were obtained for those papers which contained a high yield pulp in the form of HTCTMP. Print-formed paper with HT-CTMP shows a high specific volume of 7 cm3 / g and above even when wet. A clear improvement in wet specific volume was achieved when the paper contained a wet strength agent.
In order to investigate the importance of the temperature under the impulse drying, i.e. the surface temperature of the heated roll, tests were carried out on three different types of pulp, 100% non-refiner-ground chemical sulfate pulp, 100% HT-CTMP and 50/50 mixture of non-refiner-ground chemical sulfate pulp two different temperatures 2000 and 3000C. The dry and wet specific volume and the relative absorption were measured. These results are shown in FIG. 5.
From these results it can be seen that an increase in temperature from 2000 to 3000C had no real effect on these properties for paper with 100% chemical sulfate pulp besides a small increase in the dry specific volume. For the papers with 100% HT-CTMP and the 50/50 mixture of chemical sulfate / HT-CTMP, on the one hand the dry specific volume decreased somewhat, but on the other hand the wet specific volume and the relative absorption increased when the temperature was raised by 200 at 3000C. The enlargement was most significant for the paper with 100% HT-CTMP.
These results support the theory that the lignin in the high yield pulp softens during the simultaneous pulse drying and the pressure molding (embossing), which contributes to the permanent maintenance of the three-dimensional structure when the paper is cooled. The higher the temperature, the more lignin has time to soften during impulse drying.
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The influence of temperature on the strength properties of the paper was also tested. The dry and wet tensile index (TI) for paper that was pulse dried at 200 and 3000C, respectively, was measured. The results are shown in Fig. 6.
A lower tensile index at the higher temperature was obtained for paper with 100% chemical sulfate pulp. The wet tensile index was essentially the same after drying at both temperatures.
For paper with 100% HT-CTMP, however, there was a significant increase in both the dry and wet tensile index with an increase in the impulse drying temperature from 200 to 300 C (surface temperature of roll 13). One explanation could be that a higher degree of softening is achieved at the higher temperature, which contributes to an increased connection of the fiber structure. For the 50/50 chemical sulfate pulp / HT-CTMP blend, the dry draft index was essentially unchanged, while the wet draft index increased somewhat at the higher temperature.
The invention is of course not limited to the embodiments described above and the embodiments shown in the drawings, but can be changed within the scope of the claims. The high yield pulp containing lignin, as mentioned above, can be of many different types, such as mechanical pulp, thermomechanical, chemomechanical and chemothermomechanical pulp, and can have fresh fibers as well as recovery fibers.
The addition of a certain amount of other pulp with good strength properties, such as chemical pulp, preferably long-fiber sulfate pulp, is an advantage when high strength of the finished paper is sought. Other pulps including recovery pulp may also be included in the paper.
After impulse drying, the paper web can be subjected to various types of treatments which are known as such, for example the addition of different chemicals, further embossing, lamination, etc. Such a treatment can consist in that the paper web, after it has the three-dimensional Pattern has been given, is compressed in a subsequent roll nip having a temperature lower than that of the heated roll, thereby giving the paper the three-dimensional pattern. Another pattern may be pressed into the paper web during this compression. The compression results in a reduced specific volume of the
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Paper, which saves space during transport and storage.
The deformation of the paper web that takes place during this compression is maintained by means of fiber-to-fiber connections, which are not constant when wet. The paper, in contact with water or aqueous liquids, will regain its three-dimensional structure that was given to it during the impulse drying, whereby the expansion of the paper results in an increased water absorption capacity.