CN105764393B - 光滑的大堆积体积纸巾 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了高堆积体积薄页纸产品以及一种用于制造所述产品的设备和方法。本文中所提供的薄页纸产品不仅具有高堆积体积，而且尤其与类似基重的薄页纸产品相比具有改善的表面光滑度。

Description

光滑的大堆积体积纸巾
背景技术
对于例如卫生纸和擦手纸等的卷式薄页纸产品，消费者一般偏爱具有大直径的硬实卷筒。硬实卷筒传达优越的品质并且大直径卷筒传达足够的材料来为消费者提供价值。然而，从薄页纸制造商的立场来看，提供具有大直径的硬实卷筒是一项挑战。为了提供大直径卷筒，同时维持可接受的制造成本，薄页纸制造商必须生产具有更高卷筒堆积体积的成品薄页纸卷筒。一种增加卷筒堆积体积的方式是松散地卷绕薄页纸卷筒。然而，松散卷绕的卷筒具有低硬实度并且容易变形，这使得它们对消费者不具吸引力。因此，需要一种具有高堆积体积以及良好硬实度的薄页纸卷筒。
此外，希望提供一种具有同样柔软的高基重薄页纸片的卷式薄页纸产品。为了提供被感知为柔软的薄页纸产品，薄页纸制造商面对种种选择，包括更改薄页纸产品的表面形貌特征使得其使用者感知其为光滑的。
尽管希望提供一种具有高基重、高堆积体积、良好卷筒硬实度和光滑表面的纸片，但是对这些性质中的一个的改善通常是以牺牲另一个性质为代价。例如，当薄页纸片的基重增加时，实现高卷筒堆积体积变得更具挑战性，尤其是在制造不起绉空气穿透干燥纸幅时，因为薄页纸结构的堆积体积的大部分是通过将纸胚薄页纸幅模制成造纸织物而实现，并且因此堆积体积通过增加纸片的基重而减小。因此，薄页纸制造商必须力求经济地生产一种满足大直径、良好硬实度、高品质纸片和可接受成本这些通常相互矛盾的参数的薄页纸卷筒。
发明内容
现已惊奇地发现使用具有三维设计元件的空气穿透干燥织物形成纹理化薄页纸产品产生一种具有高表面光滑度、低硬度和改善的堆积体积的薄页纸产品。
因此，在一个方面，本公开提供一种单层片薄页纸幅，其基重大于约34克/平方米(gsm)，例如从约34至约40gsm，硬度指数小于约6.0并且几何平均张力(GMT)大于约2000g/3英寸。
在其他方面，本公开提供一种螺旋卷绕成薄页纸卷筒的单薄页纸幅，所述薄页纸幅的基重大于约34gsm、硬度指数小于约6.0并且GMT为从约2000至约3000g/3英寸，所述卷筒的卷筒堆积体积为从约15至约22cc/g并且卷筒硬实度为从约5.0至约8.0mm。
在另外其他方面，本公开提供一种包括螺旋卷绕的薄页纸幅的卷式薄页纸产品，所述薄页纸幅的纸片堆积体积大于约18cc/g，所述卷式薄页纸产品的卷筒结构大于约2.0。
在其他方面，本公开提供一种单层片薄页纸幅，其纸片堆积体积大于约18cc/g并且表面光滑度S90值小于约90.0μm。
在其他方面，本公开提供一种包括螺旋卷绕成卷筒的多层片薄页纸幅的卷式薄页纸产品，所述薄页纸幅的纸片堆积体积大于约18cc/g、表面光滑度Sa值小于约20.0μm并且表面光滑度Sq值小于约30.0μm。
在其他方面，本公开提供一种薄页纸幅，其基重大于约34gsm，纸片堆积体积大于约18cc/g、表面光滑度Sa值小于约20.0μm，表面光滑度Sq值小于约30.0μm并且表面光滑度S90值小于约80.0μm。
附图说明
图1是可用于制造根据本公开的一个实施例的薄页纸幅的织物的视图；
图2是可用于制造根据本公开的一个实施例的薄页纸幅的织物的顶部透视图；
图3是可用于制造根据本公开的一个实施例的薄页纸幅的织物穿过图2的线3-3截取的横截面视图；
图4图示了可用于制造根据本公开的一个实施例的薄页纸幅的连续织物；
定义
如本文所用，术语“薄页纸产品”是指由薄页纸幅制成的产品并且包括卫生纸、面巾纸、擦手纸、工业用纸、餐饮服务用纸、餐巾纸、医用衬垫和其他类似产品。薄页纸产品可包括一个、两个、三个或更多个层片。
如本文所用，术语“薄页纸幅”和“薄页纸片”是指适用于形成薄页纸产品的纤维片材料。
如本文所用，术语“几何平均张力”(GMT)是指纸幅的纵向张力和横向张力的乘积的均方根，其如在测试方法章节中所述进行确定。
如本文所用，术语“纸厚”是根据TAPPI测试方法T402使用EMVECO 200-AMicrogage自动化测微计(EMVECO,Inc.,Newberg,OR)测定的单片的代表性厚度(包括两个或更多个层片的薄页纸产品的纸厚是包括所有层片的单片薄页纸产品的厚度)。测微计具有2.22英寸(56.4mm)的砧直径和132克/平方英寸的砧压力(6.45克/平方厘米)(2.0kPa)。
如本文所用，术语“基重”一般是指薄页纸每单位面积的无水干重并且一般以克/平方米(gsm)表示。使用TAPPI测试方法T-220测量基重。
如本文所用，术语“纸片堆积体积”是指纸厚(μm)除以无水干基重(以克/平方米表示)的商。所得纸片堆积体积以立方厘米/克(cc/g)表示。
如本文所用，术语“卷筒堆积体积”是指纸张体积除以其在卷绕卷筒上的质量。卷筒堆积体积通过以下方式计算：将π(3.142)乘以通过计算卷筒直径平方(cm2)和芯外径平方(cm2)的差除以4获得的数值，除以片长度(cm)乘以片数乘以片的无水干基重(gsm)得到的数值。
如本文所用，术语“斜率”是指通过将张力对拉伸作图得到的线的斜率并且是MTSTestWorksTM在如在本文的测试方法章节中所述确定张力强度的过程中的输出。斜率以每样品宽度单位(英寸)的克(g)单位报告，并以拟合到落在70与157克(0.687至1.540N)的样本生成力之间的负荷校正应变点的最小平方线的梯度除以样本宽度测定。斜率在本文中一般被报告为具有克/每3英寸样品宽度或g/3英寸的单位。
如本文所用，术语“几何平均斜率”(GM斜率)一般是指纵向斜率和横向斜率的乘积的均方根。
如本文所用，术语“拉伸”一般是指样本在其生成其峰值负荷时的松弛校正伸长除以在任何给定取向上的松弛校正标距的比率。拉伸是MTS TestWorksTM在如在本文测试方法章节中所述确定张力强度的过程中的输出。拉伸被报告为百分比并且可针对纵向拉伸(MDS)、横向拉伸(CDS)报告，或者报告为几何平均拉伸(GMS)，其为纵向拉伸和横向拉伸的乘积的均方根。
如本文所用，术语“卷筒硬实度”一般是指卷式薄页纸产品在被压紧时承受挠曲的能力，其如在测试方法章节中所述进行确定。
如本文所用，术语“卷筒结构”一般是指整体外观和卷式薄页纸产品的品质并且是卷筒堆积体积(以cc/g表示)和纸厚(以cm表示)的乘积除以硬实度(以cm表示)。卷筒结构在本文中所提及时一般不提及单位。
如本文所用，术语“硬度指数”是指几何平均斜率(单位为g/3英寸)除以几何平均张力强度(单位为g/3英寸)的商。
如本文所用，术语“表面光滑度”是指如测试方法章节中所述测得的过滤表面图像形貌特征。表面光滑度被表示为三个不同的值–Sa、Sq和S90，且单位可为毫米(mm)或微米(μm)。
具体实施方式
堆积体积是薄页纸幅和产品的吸收容量和手感的重要性质。然而，增加薄页纸幅和产品的堆积体积常常以牺牲例如表面光滑度的其他性质为代价。传统上，薄页纸制造者需要依靠高形貌特征造纸织物来实现高堆积体积。尽管在给定基重下增加了薄页纸幅的纸厚并因此增加了纸片堆积体积，但是高形貌特征织物的使用常常赋予纸幅不是特别光滑的三维表面。
本发明人现已惊奇地发现某些造纸织物并且具体地讲其上局部设置有图案的空气穿透干燥织物可用于制造既光滑又具有高堆积体积的薄页纸幅和产品。因此，在某些实施例中，本公开提供一种薄页纸幅，其纸片堆积体积大于约15cc/g，例如从约15至约25cc/g，并且表面光滑度S90值小于约90μm。在其他实施例中，本公开提供通过螺旋卷绕薄页纸幅而形成的卷式薄页纸产品，其中所述卷式薄页纸产品具有改善的卷筒堆积体积，例如大于约15cc/g并且在特别优选的实施例中为从约17至约20cc/g；以及改善的卷筒硬实度，例如为从约5至约8mm。
根据某些实施例，使用环形造纸带制造高堆积体积的薄页纸幅，例如其上设置有三维图案的空气穿透干燥(TAD)织物。优选地，所述三维图案被设置在纸幅接触表面上以在制造期间与湿纤维纸幅协作并且结构化湿纤维纸幅。在特别优选的实施例中，接触纸幅的三维结构包括多个升高部，它们横跨带的接触纸幅的表面而分布，并且一起构成从约15％至约35％，在特别优选的实施例中为从约18％至约30％，并且在特别优选的实施例中为约20％至约25％的纸幅接触表面。
除升高部外，接触纸幅的表面优选地包括在升高部之间的多个连续的着落区域。着落区域由升高部限定并且与带的顶面平面共同延伸。
每个升高部在顶面区域的平面中的第一方向(x)上具有第一维度；在顶面区域的平面中的第二方向(y)上具有第二维度，第一和第二方向(x,y)彼此成直角；如在顶面区域的平面中测得的平均高度(h)和面积(a)，这些维度是在带处于未压缩状态时限定的。
一条用来制造根据本公开的高堆积体积薄页纸的带图示于图1中，在一个实施例中，环形带10具有两个主要元件：载体结构30和三维设计元件40(在本文中也称为“升高部”)。载体结构30具有两个相对的表面–接触薄页纸的表面50和接触机器的表面。一般来讲，设计元件40被设置在接触薄页纸的表面50上。当带10包括空气穿透干燥织物时，接触薄页纸的表面50支撑纸胚薄页纸幅，而相对表面，即接触机器的表面接触穿透干燥机。
载体结构30具有两个主要维度–纵向(“MD”)，其为在带10的平面内平行于在制造期间薄页纸幅的主要行进方向的方向；和横向(“CD”)，其大致上正交于纵向。
载体结构优选为织造织物，并且在特别优选的实施例中，为基本上平坦的织造织物，例如多层平纹织造织物30，其将基部经纱32和纬纱34交织成1×1平纹织造图案。示例性多层织物在美国专利号8,141,595中有所公开，该专利的内容以符合本公开的方式并入本文中。在织物30中，平纹织造承载层被构造成使得承载纬纱34和承载经纱32的最高点均与平面70共面并且与平面70重合。
如图2和图3所示，设计元件40接合到载体结构30，并且从其接触纸张的侧50沿着Z方向向外延伸。一般来讲，设计元件40被局部施加于载体结构30。特别合适的局部施加方法为将聚合物材料印刷或挤出到表面上。替代方法包括将浇注或固化膜、织造、刺绣或缝合聚合物纤维施加到表面中而到设计元件。特别合适的聚合物材料包括可被强力粘附到载体结构并且在典型的薄页纸干燥机操作条件下耐热降解并且有适当的柔性的材料，例如硅树脂、聚酯、聚氨酯、环氧树脂、聚苯硫醚和聚醚酮。
设计元件40在载体结构30的平面70上方沿着Z方向(大致上既正交于纵向又正交于横向)延伸。设计元件40可具有笔直侧壁或锥形侧壁，并且可由适于经受在造纸工艺中出现的温度、压力和变形的任何材料制成。如图3所示，设计元件40被相似地设计尺寸并且具有大致笔直的平行侧壁42，从而为元件40提供宽度(w)和高度(h)。对于在本文中所述的实施例，设计元件40的高度优选地介于0.6mm和3.0mm之间、优选地介于0.7mm和1.4mm之间，并且在特别优选的实施例中介于0.8mm和1.0mm之间。高度(h)一般以载体结构的平面和升高部的顶部平面之间的距离来测量。
除了具有高度(h)外，升高部40具有宽度(w)。宽度大致垂直于在给定位置处在带10的平面内的升高部40的主要维度测得。在元件40具有大致正方形或矩形横截面的情况下，宽度(w)一般以形成元件40的两个平坦侧壁42、44之间的距离来测量。在其中所述元件不具有平坦侧壁的情况下，宽度在元件40接触载体30的点处进行测量。
一般来讲，对于本文所述的实施例，设计元件40的宽度为从约0.6至3.1mm，在特别优选的实施例中为从约0.7至约1.5mm，并且在更优选的实施例中为从约0.8至约1.1mm。
在特别优选的实施例中，设计元件40优选地具有平坦侧壁42、44使得元件的横截面具有整体正方形或矩形形状。然而，应当理解所述设计元件可具有其他横截面形状，例如三角形、凸状或凹状，其也可用于生产根据本公开的高堆积体积薄页纸产品。因此，在一个特别优选的实施例中，设计元件40优选地具有平坦侧壁42、44和正方形横截面，其中宽度(w)和高度(h)相等并且从约0.6mm至约3.0mm，在特别优选的实施例中，从约0.7mm至约1.4mm并且还优选地从约0.8mm至约1.0mm变化。
进一步参考图2，图示了优选的实施例，其示出了升高部40的间距和布置方式。一般来讲，升高部40都不彼此相交并且优选地彼此平行布置。因而，在所示实施例中，各个设计元件的相邻侧壁彼此等距间隔开。
对于本文所述的实施例，设计元件沿着大致上正交于这些表面的方向的中心至中心间距(在本文中也称为节距或简称为p)为间隔开约1.7至约20mm，例如间隔开约2.0至约10mm，并且在特别优选的实施例中，间隔开约3.8至约4.4mm。在薄页纸幅由常规纤维素纤维制成时，此间距将导致产生最大纸厚的薄页纸幅。此外，此布置方式提供一种具有三维表面形貌特征而密度相对均匀的薄页纸幅。
如在图2中进一步图示，元件40可以波状图案的形式出现，所述图案被布置为彼此同相使得p大致恒定。在其他实施例中，元件可形成其中相邻元件彼此偏移的波形图案。不管特定元件图案为何，或相邻图案是彼此同相还是异相，所述元件均彼此分开某个最小距离。优选地，元件40之间的距离大于0.7mm，并且在特别优选的实施例中大于约1.0mm并且还优选地大于约2.0mm，例如从约2.0至约6.0mm，并且还优选地从约3.0至约4.5mm。
在设计元件40为波状的情况下，例如图1所示的那些设计元件，所述设计元件具有振幅(A)和波长(L)。振幅的范围可为从约2.0至约200mm，在特别优选的实施例中为从约10至约40mm，并且还优选地从约18至约22mm。相似地，波长的范围可为从约20至约500mm，在特别优选的实施例中为从约50至约200mm，并且还优选地从约80至约120mm。
优选地，多个设计元件被设置在载体结构上并且基本上贯穿其一个维度延伸，并且所述多个设计元件中的每个元件与相邻元件间隔开。这样，所述元件可跨越带的整个横向并且可沿纵向环形地环绕带。例如，如图4所示，元件40被取向成基本上平行于带10的纵向。
聚合物材料或用于形成设计元件40的其他材料可以任何合适方式施加并接合至载体结构。将设计元件附接和接合到载体结构上的一种方式在美国专利申请号10/535,537中有所描述，该专利申请的内容以符合本公开的方式以引用的方式并入本文中。因此，在特别优选的实施例中，所述设计元件通过将聚合物材料挤出或印刷到载体结构上而形成。在其他实施例中，设计元件至少在一些区域中可通过挤出两种或更多种聚合物材料而产生。合适的聚合物材料包括硅树脂、聚酯、聚氨酯、环氧树脂、聚苯硫醚和聚醚酮。
除了设计元件40外，带10还包括着落区域60，其由设计元件40界定。当干燥空气通过在带10上的纸幅时或真空被施加通过带10时，着落区域60允许水通过施加流体差压、通过蒸发机制或两者而从纸幅移除。
设计元件40和着落区域60的布置方式产生具有三维表面形貌特征的造纸织物，当其被用来形成薄页纸幅时，产生具有相对均匀密度，但具有三维表面形貌特征的纸幅。相较于根据现有技术制造的薄页纸幅和产品，所得纸幅还具有改善的堆积体积、更好的柔软度和改善的表面光滑度。相似地，根据本公开制备的卷式产品可具有改善的卷筒硬实度和堆积体积，同时仍然维持表面光滑度和强度性质。
例如，本公开提供了单层片薄页纸产品，其相较于市售单层片薄页纸产品具有改善的纸厚和堆积体积，同时还具有减小的硬度。这些改善转变成改善的卷式产品，如下表1中所概述。
表1
因此，在某些实施例中，根据本公开制造的卷式产品可包括螺旋卷绕的单层片或多层片(例如两个、三个或四个层片)薄页纸幅，其基重大于约34gsm，例如从约34至约40gsm并且在特别优选的实施例中为从约36至约40gsm。
包括螺旋卷绕的单层片薄页纸幅的卷式薄页纸产品的卷筒硬实度一般小于约10mm，例如为从约5至约10mm，并且在特别优选的实施例中为从约6至约8mm。在一个具体实施例中，例如，本公开提供了一种包括螺旋卷绕的单层片薄页纸幅的卷式薄页纸产品，所述薄页纸幅的基重为从约34至约40gsm，其中所述卷筒的卷筒硬实度为从约6至约8mm。在上述卷筒硬实度范围内，根据本公开制造的卷筒看起来不像在一些应用中可能被消费者认为是不可取的那样过度柔软和“软踏踏”。
在过去，在上述卷筒硬实度水平下，螺旋卷绕的薄页纸产品趋向于具有低卷筒堆积体积和/或差的纸片柔软度性质。然而，现已发现可生产硬实度为从约5至约10mm并且包括基重大于约34gsm的单层片纸幅的卷式薄页纸产品使得所述产品所具有的卷筒堆积体积大于15cc/g，诸如从约10至约25cc/g，并且在特别优选的实施例中为从约18至约22cc/g，即使在张力下螺旋卷绕也是如此。例如，包括基重为从约35至约40gsm的单层片纸幅的螺旋卷绕产品可具有大于约15cc/g的卷筒堆积体积，同时仍然维持硬实度小于约8mm，例如从约6至约8mm。
为了生产具有令人满意的卷筒堆积体积和硬实度的卷式产品，薄页纸幅本身优选地具有改善的纸片堆积体积。例如，如本文所述制备的单层片基片可被转换成卷式薄页纸产品，同时仍然维持其纸片堆积体积的大部分，其优选地大于约15cc/g，例如从约15至约25cc/g，并且在特别优选的实施例中为从约18至约22cc/g。这样，基片可经受压延等操作以使纸幅软化，同时仍然维持足够量的纸片堆积体积。
在改善了性质的同时，根据本公开制备的薄页纸幅依然足够强以经受消费者的使用。例如，根据本公开制备的薄页纸幅的几何平均张力(GMT)可大于约2200g/3英寸，例如从约2200至约3000g/3英寸，并且在特别优选的实施例中为从约2500至约2800g/3英寸。当本公开的薄页纸幅被转换成卷式薄页纸产品时，它们维持其足够量的张力强度，使得在纸幅至成品的转换期间几何平均张力的减小小于约30％并且在特别优选的实施例中小于约25％，例如从约10％至约30％。因此，成品的几何平均张力强度优选地大于2000g/3英寸，例如从约2000至约3000g/3英寸，并且在特别优选的实施例中为从约2500至约2800g/3英寸。
在另外其他实施例中，本公开提供具有增加的堆积体积、柔软度和耐用性的薄页纸幅。例如增加的纵向和横向拉伸(MDS和CDS)的改善的耐用性，和改善的柔软度可以张力-应变曲线的斜率或硬度指数的减小来测量。例如，如本文所述制备的薄页纸幅的几何平均斜率一般小于约12,000g/3英寸，例如从约9,000至约12,000g/3英寸，并且在特别优选的实施例中为从约10,000至约11,000g/3英寸。
尽管本公开的薄页纸幅与现有技术的纸幅相比，一般具有更低的几何平均斜率，但是所述纸幅维持足够量的张力强度而仍然可供消费者使用。这样，本公开提供了单层片薄页纸产品，其硬度指数小于约7.0，例如从约4.0至约7.0并且在特别优选的实施例中为从约4.0至约5.5。在特别优选的实施例中，本公开提供了单层片薄页纸产品，其无水干基重大于约34gsm，硬度指数为从约4.0至约6.0，并且GMT为从约2200至约2500g/3英寸。
类似地，例如通过压延等操作被转换成成品的薄页纸幅相对于基片一般具有降低的纵向和横向拉伸(分别为MDS和CDS)。然而，对于根据本公开制备的产品而言，CDS和MDS的减小相对最低。例如，在某些实施例中，基片的几何平均拉伸(GMT)可大于约10％，例如从约10％至约20％，并且在特别优选的实施例中为从约12％至约15％。
除了具有改善的堆积体积、硬度、硬实度等外，根据本文所阐述的方法生产的薄页纸幅和产品还具有改善的触觉性质例如改善的表面光滑度。在本领域中已知的是，人指尖中的受体的帕西尼氏(Pacinian)系统在约250Hz的频率下最敏感，其中在或在接近250Hz下的振动被体验为粗糙。因此，薄页纸产品的表面是粗糙还是光滑的感知取决于使用者的手指在表面上经过时的速率以及薄页纸上的任何表面形貌特征的波长。例如，如果使用者的手指是以4cm/s的速率在薄页纸产品的表面上经过，那么具有约0.16mm的波长的表面形貌特征将被帕西尼氏系统体验为粗糙。
由于表面形貌特征和感知的光滑度或粗糙度之间的关系，薄页纸的相对感觉可根据其表面形貌特征预测。可使用轮廓术，例如通过下文阐述的光滑度测试方法测量表面形貌特征。使用轮廓术来生成薄页纸产品表面的数字图像。接着使用具有0.095mm和0.5mm的截止空间频率的带通滤波器过滤数字图像以突显被人指尖体验为最粗糙的空间频率。接着分析已过滤的表面图像以产生表面光滑度值Sa、Sq和S90，其中具有较低值的表面一般被感知为较光滑。
因此，在某些实施例中，本公开的薄页纸产品具有改善的光滑度，例如低Sa、Sq和/或S90值，同时还具有改善的纸片厚度和堆积体积。例如，在一个实施例中，本公开提供一种薄页纸产品，其所具有的表面光滑度Sa值小于约20μm，例如从约15至约20μm，Sq值小于约30μm，例如从约25至约30μm，并且S90小于约80μm，例如从约70至约80μm。在这些表面光滑度值下，单层片薄页纸产品维持相对高的纸片和卷筒堆积体积，这样的纸片堆积体积为从约15至约25cc/g，并且卷筒堆积体积为从约15至约20cc/g。在其他实施例中，本公开提供一种薄页纸产品，其表面光滑度Sa值为从约15至约25μm。在其他实施例中，本公开提供了一种薄页纸产品，其具有从约30至40gsm的基重、从约2200至约2600g/3英寸的GMT，以及光滑表面，使得表面光滑度Sq值为从约25至约40μm并且表面光滑度S90值为从约70至约80μm。
表面光滑度性质以及其他产品性质的比较阐述于下表2中。
表2
因此，在某些实施例中，本公开提供一种单层片薄页纸产品，其纸片堆积体积大于约15cc/g，例如从约15至约20cc/g，并且表面光滑度S90值小于约80μm，例如从约70至约80μm。
除了提供前述有益效果之外，还据信，通过使用具有载体结构和适当选取的设计元件的带形成薄页纸幅，可在纸幅被转换成卷式产品形式时减少嵌套(nesting)。嵌套的减少继而改善卷式产品的某些性质，例如堆积体积和硬实度。通常，嵌套是由使用纹理化的空气穿透干燥织物引起，其赋予薄页纸幅谷和脊。尽管这些脊和谷可对所得纸幅提供许多有益效果，但是在纸幅被转换成最终产品形式时有时会出现一些问题。例如，当纸幅被转换成卷式产品时，一个卷绕的脊和谷被置于下一个卷绕的相应脊和谷的顶部，这导致卷筒变得包装更紧，从而减小卷筒堆积体积(增大密度)并且使产品的卷绕变得不太一致和不太可控。因此，在某些实施例中，本公开提供包括具有三维设计元件的薄页纸幅的薄页纸产品，其中设计元件减少纸幅在被转换成卷式产品时的嵌套。
根据本公开形成的卷筒一般在给定卷筒硬实度下具有更高的卷筒堆积体积。此外，所述卷筒在螺旋卷绕的纸幅的连续缠绕之间具有惊人程度的互锁性，从而改善给定卷筒硬实度下的卷筒结构，更具体地讲，从而允许在缠绕之间不滑移的情况下制造硬实度较低的卷筒。例如，相比于使用具有偏移接缝的空气穿透干燥织物生产的薄页纸产品，本公开的卷式薄页纸产品具有减少的嵌套以及改善的卷筒结构。减少的嵌套和改善的卷筒结构的一个量度(在本文中被称为卷筒结构)是卷筒堆积体积(以cc/g表示)和纸厚(以cm表示)的乘积除以硬实度(以cm表示)。一般来讲，本公开的卷式薄页纸产品具有改善的卷筒堆积体积，例如大于约15cc/g，还具有良好的卷筒结构，例如大于约2.0，并且在特别优选的实施例中大于约2.2，例如从约2.0至约2.4。本发明样品和市售卷式产品的卷筒结构的比较在下表3中提供。
表3
可用于制备根据本公开的螺旋卷绕的薄页纸产品的纸幅可根据具体应用而改变。一般来讲，纸幅可由任何合适类型的纤维制成。例如，基础纸幅可由纸浆纤维、其他天然纤维、合成纤维等制成。适于结合本发明使用的纤维素纤维包括呈任何比例的二次(回收)造纸纤维和原生造纸纤维。这样的纤维包括但不限于硬木和软木纤维以及非木材纤维。也可包括非纤维素合成纤维作为配料的一部分。
根据本公开制造的薄页纸幅可用均匀纤维配料制造或可由分层纤维配料形成，从而在单层片或多层片产品内产生多个层。分层基础纸幅可使用本领域中已知的设备(例如多层流浆箱)而形成。基础纸幅的强度和柔软度均可根据需要被调整为贯穿分层薄页纸，例如由分层流浆箱产生的那些薄页纸。
例如，每个层中可使用不同纤维配料以产生具有所要特性的层。例如，包含软木纤维的层所具有的张力强度大于包含硬木纤维的层。另一方面，硬木纤维可增加纸幅的柔软度。在一个实施例中，本公开的单层片基础纸幅包括主要包含硬木纤维的第一外层和第二外层。如果需要，硬木纤维可与量高达约10重量％的次等纸张和/或量高达约10重量％的软木纤维混合。基础纸幅还包括定位在第一外层和第二外层之间的中间层。所述中间层可主要包含软木纤维。如果需要，例如高产率纤维或合成纤维的其他纤维可与量高达约10重量％的软木纤维混合。
当由分层的纤维配料构造纸幅时，每层的相对重量可根据具体应用而改变。例如，在一个实施例中，当构造包含三个层的纸幅时，每层可为纸幅总重量的约15％至约40％，例如纸幅重量的约25％至约35％。
湿强度树脂可根据需要被添加到配料中以增加最终产品的湿强度。可用的湿强度树脂包括二亚乙基三胺(DETA)、三亚乙基四胺(TETA)、四亚乙基五胺(TEPA)、表氯醇树脂、聚酰胺-表氯醇(PAE)或其任何组合、或被认为是在这些树脂家族中的任何树脂。特别优选的湿强度树脂是聚酰胺-表氯醇(PAE)树脂。通常，PAE树脂通过以下方式形成：首先使聚亚烷基多胺与脂族二羧酸或二羧酸衍生物发生反应。由二亚乙基三胺和己二酸或二羧酸衍生物酯制成的聚氨基酰胺是最常见的。接着，使所得的聚氨基酰胺与表氯醇发生反应。可用的PAE树脂以商品名出售(可从Ashland,Inc.,Covington,KY商购获得)。
相似地，干强度树脂可根据需要被添加到配料中以增加最终产品的干强度。这样的干强度树脂包括但不限于羧甲基纤维素(CMC)、任何类型的淀粉、淀粉衍生物、树胶、聚丙烯酰胺树脂以及其他熟知的树脂。这些树脂的商业供应商和供应上文所论述的湿强度树脂的供应商相同。
如上所述，本公开的薄页纸产品一般可通过本领域中已知的多种造纸工艺中的任一种形成。优选地，薄页纸幅通过空气穿透干燥形成并且可为起绉的或不起绉的。例如，本公开的造纸工艺可利用粘合起绉、湿式起绉、双起绉、压花、湿压、空气加压、空气穿透干燥、起绉空气穿透干燥、不起绉空气穿透干燥以及形成纸幅的其他步骤。这样的技术的一些例子在美国专利号5,048,589、5,399,412、5,129,988和5,494,554中有所公开，所有这些专利以符合本公开的方式并入本文中。当形成多层片薄页纸产品时，分开的层片可根据需要由相同工艺或由不同工艺制成。
优选地，基础纸幅通过不起绉空气穿透干燥工艺形成，举例来说，例如在美国专利号5,656,132和6,017,417中描述的工艺，这两份专利以符合本公开的方式以引用的方式并入本文中。
在一个实施例中，使用双网成形机(twin wire former)来形成纸幅，所述成形机具有造纸流浆箱，其将含水的造纸纤维悬浮液的配料注射或沉积到多个成形织物上，例如外成形织物和内成形织物，从而形成湿薄页纸幅。本公开的成形工艺可为造纸行业中已知的任何常规成形工艺。这样的成形工艺包括但不限于长网造纸机(Fourdrinier)、顶部成形机(例如抽吸胸辊成形机)和夹网成形机(例如双网成形机和新月型成形机)。
湿薄页纸幅随着内成形织物绕着成形辊旋转而形成在内成形织物上。内成形织物用于在湿薄页纸幅被部分脱水至稠度按纤维干重计为约10％时支撑并承载在工艺下游中新形成的湿薄页纸幅。湿薄页纸幅的额外脱水可通过已知的造纸技术进行，例如真空吸水箱，同时内成形织物支撑湿薄页纸幅。湿薄页纸幅可被另外脱水至稠度大于20％、更具体地在约20％与约40％之间，并且更具体地约20％至约30％。
成形织物一般可由任何合适的多孔材料制成，例如金属线材或聚合物长丝。例如，一些合适的织物可包括但不限于：可得自Albany International(Albany,Ny)的Albany84M和94M；全部可得自Asten Forming Fabrics,Inc.(Appleton,WI)的Asten 856、866、867、892、934、939、959或937，Asten Synweve Design 274；以及可得自Voith Fabrics(Appleton,WI)的Voith 2164。
接着将湿纸幅从成形织物转移到转移织物，同时固体稠度在约10％至约35％之间，并且具体地在约20％与约30％之间。如本文所用，“转移织物”是被定位在纸幅制造工艺的成形段和干燥段之间的织物。
可在借助正压和/或负压的情况下进行到转移织物的转移。例如，在一个实施例中，真空靴(vacuum shoe)可施加负压使得成形织物和转移织物同时在真空狭槽的前沿会聚并分开。通常，真空靴供应的压力水平在约10至约25英寸汞柱之间。如上所述，真空转移靴(负压)可通过使用来自纸幅的相对侧的正压进行补充或替换以将纸幅鼓吹到下一织物上。在一些实施例中，也可使用其他真空靴来辅助将纤维纸幅6拉延到转移织物的表面上。
通常，转移织物以低于成形织物的速度行进以增强纸幅的MD和CD拉伸，其一般是指纸幅在其横向(CD)或纵向(MD)上的拉伸(以样品破坏时的伸长百分比表示)。例如，两织物之间的相对速度差可为从约1％至约45％，在一些实施例中从约5％至约30％以及在一些实施例中从约15％至约28％。这通常被称为“匆促转移”。在“匆促转移”期间，纸幅的许多个粘结被认为是断裂的，从而迫使纸片弯曲并折叠到转移织物表面上的凹陷中。对转移织物的表面轮廓的这种模制可增加纸幅的MD和CD拉伸。从一个织物到另一个织物的匆促转移可遵循在以下专利中的任一者中所教示的原理：美国专利号5,667,636、5,830,321、4,440,597、4,551,199、4,849,054，所有这些专利以符合本公开的方式以引用的方式并入本文中。
接着将湿薄页纸幅从转移织物转移到空气穿透干燥织物。通常，转移织物以大致与空气穿透干燥织物相同的速度行进。然而，可在纸幅从转移织物转移到空气穿透干燥织物时执行第二匆促转移。此匆促转移被提及为在第二位置处发生，并且通过以低于转移织物的速度操作空气穿透干燥织物而实现。
除将湿薄页纸幅从转移织物转移到空气穿透干燥织物以外，湿薄页织物还可在宏观上重新布置成在真空转移辊或真空转移靴的帮助下适形于空气穿透干燥织物的表面。如果需要，空气穿透干燥织物可以按低于转移织物的速度运行以进一步增加所得吸收薄页纸产品的MD拉伸。可在真空辅助下执行所述转移以确保湿薄页纸幅适形于空气穿透干燥织物的形貌特征。
尽管湿薄页纸幅由空气穿透干燥织物支撑，但是其被空气穿透干燥机干燥成最终稠度为约94％或更大。纸幅接着通过卷筒和卷轴之间的卷绕辊隙并且被卷绕成薄页纸卷筒以进行后续转换。
下列实例意在示出本公开的具体实施例，而不限制随附权利要求书的范围。
测试方法
表面光滑度
表面光滑度通过以下步骤测定：首先使用FRTProfile轮廓曲线仪(America,LLC,San Jose,CA的FRT)生成样品的织物接触表面的数字图像，接着使用Ultra软件6.2版(Nanovea Inc.,Irvine,CA)分析所述图像。将样品(基片或成品)切割成尺寸为145×145mm的正方形。接着使用条带将样品固定到轮廓曲线仪的x-y载物台，其中样品的织物接触表面面朝上，确保样品在载物台上铺放平坦并且在轮廓曲线仪视场内不失真。
一旦将样品固定到载物台，就使用轮廓曲线仪来生成样品表面的三维高度图。1602×1602高度值阵列以30μm的间距获得，导致48mm MD×48mm CD视场，其垂直分辨率为100nm并且侧向分辨率为6μm。所得高度图以.sdf(表面数据文件)格式导出。
使用Ultra 6.2版通过执行以下功能来分析各个样品.sdf文件。
(1)使用Ultra软件的“阈值限定”(Thresholding)功能，原始图像(也被称为场)通过将材料比率值设置在0.5％至99.5％而经受阈值限定使得阈值限定将测得的高度截取为在0.5百分率高度和99.5百分率高度之间；
(2)使用Ultra软件的“填充非测量点”(Fill In Non-MeasuredPoints)功能，非测量点由从相邻点计算的光滑形状填充；
(3)使用Ultra软件的“过滤>波度+粗糙度”(Filtering>Wavyness+Roughness)功能，通过应用截止波长为0.095mm的稳健高斯滤波器以及选择“管理端效应”(manage end effects)而对场进行空间低通过滤(波度)；
(4)使用Ultra软件的“过滤-波度+粗糙度”(Filtering–Wavyness+Roughness)功能，使用截止波长为0.5mm的稳健高斯滤波器以及选择“管理端效应”而对场进行空间高通过滤(粗糙度)；
(5)使用Ultra软件的“参数表”(Parameter Tables)研究功能，计算并报告ISO 25178值Sq(均方根高度，以单位mm表示)和Sa(算术平均高度，以单位mm表示)。
(6)使用Ultra软件的“艾伯特-菲尔斯通曲线”(Abbott-FirestoneCurve)研究功能，生成艾伯特-菲尔斯通曲线，从中选择“交互模式”(interactive mode)并生成测得高度的柱状图，从所述柱状图中计算得出S90值(95百分率高度(c2)减去5百分率高度(c1)，以单位mm表示)。
根据前述内容，报告表示表面光滑度的三个值–Sq、Sa和S90，它们的单位都为mm。所述单位已被转换成微米以在本文中使用。
张力
通过使用JDC精确样品切割器(Thwing-Albert Instrument Company,Philadelphia,PA，型号JDC 3-10，序列号37333)沿着纵向(MD)或横向(CD)取向切割3英寸(76.2mm)×5英寸(127mm)长的条带，而制备用于张力强度测试的样品。用于测量张力强度的仪器是MTS Systems Sintech 11S，序列号为6233。数据采集软件是MTS TestWorksTM forWindows Ver.4(MTS Systems Corp.,Research Triangle Park,NC)。根据受测试样品的强度，从50或100牛顿最大值选择测力传感器，使得峰值负荷值的大部分落在测力传感器的全刻度值的10％和90％之间。夹具之间的标距为2±0.04英寸(50.8±1mm)。夹具使用气动式动作来操作并且涂布有橡胶。最小夹面宽度为3英寸(76.2mm)，并且夹具的近似高度为0.5英寸(12.7mm)。夹头速度为10±0.4英寸/分钟(254±1mm/min)，并且断裂灵敏度被设置在65％。将样品置于仪器的夹具中，在垂直和水平方向上均居中。接着开始测试并且在样本断裂时结束。根据受测试的样品，峰值负荷被记录为样本的“MD张力强度”或“CD张力强度”。对“按原样”获取的每个产品测试至少六(6)个代表性样本，所有各个样本测试的算术平均值是产品的MD或CD张力强度。
卷筒硬实度
卷筒硬实度使用如详细描述于美国专利号6,077,590中的Kershaw测试而测定，该专利以符合本公开的方式以引用的方式并入本文中。设备可得自KershawInstrumentation,Inc.(Swedesboro,NJ)并称为RDT-2002型卷筒密度测试仪。
实例
使用空气穿透干燥造纸工艺来制造基片，所述空气穿透干燥造纸工艺通常被称为“不起绉空气穿透干燥”(“UCTAD”)并且大致描述于美国专利号5,607,551中，该专利的内容以符合本公开的方式并入本文中。生产目标无水干基重为约37克/平方米(gsm)的基片。接着将基片转换并螺旋卷绕成卷式薄页纸产品。
在所有情况下，使用分层流浆箱由包括北方软木牛皮纸和桉树牛皮纸的配料制造基片，所述分层流浆箱由三个储料槽进料使得形成具有三个层(两个外层和一个中间层)的纸幅。所述两个外层包括桉树(每层按纸幅总重量计占30重量％)并且所述中间层包括北方软木牛皮纸浆(按纸幅的总重量计占40重量％)。湿强度(Ashland,Inc.,Covington,KY)以每公吨配料9千克的添加水平添加到所有配料层。干强度(羧甲基纤维素)以每公吨配料3千克的添加水平添加到所有配料层。
将薄页纸幅形成在Voith Fabrics TissueForm V成形织物上，真空脱水至大约25％的稠度，接着在转移到转移织物时接受匆促转移。转移织物为在美国专利号7,611,607中被描述为“Fred”的织物(从可Voith Fabrics,Appleton,WI商购获得)。
纸幅接着被转移到空气穿透干燥织物，所述空气穿透干燥织物包括设置在纸片接触侧上的印刷硅树脂图案(在下文中被称为“Fozzie”)。硅树脂形成织物的纸片接触侧上的波状图案。图案性质概述于下表4中。
表4
在转移时使用大于10英寸汞柱的真空水平进行至空气穿透干燥织物的转移。接着在卷绕之前将纸幅干燥成大约98％固体。
表5示出了工艺条件并且表6概述了基片纸幅的物理性质。
表5
表6
基片纸幅被转换成各种卫生纸卷筒。具体地讲，使用一台或两台常规聚氨酯/钢压延机压延基片，所述压延机在基片的空气侧上包括4或40P&J聚氨酯辊并且在织物侧上包括标准钢辊。在下表7中提供工艺条件。所有卷式产品包括单层片基片。
表7
表8
成品接受表面光滑度分析，如在上述测试方法章节中所述。表面光滑度分析的结果概述于下表9中。
表9
虽然本发明已经就其具体实施例进行了详细描述，但是将领会的是，本领域技术人员在获得前述内容的理解后可以容易地设想出这些实施例的替代形式、变型形式和等同方案。因此，本公开的范围应被评估为所附权利要求及其任何等同方案的范围。

Claims (18)

1.一种卷式薄页纸产品，其包括螺旋卷绕成卷筒的薄页纸幅，其中所述薄页纸产品使用具有波状图案的、包括谷和脊的三维表面形貌特征的空气穿透干燥织物形成，所述纸幅的基重大于约34克/平方米(gsm)，几何平均张力大于约2000g/3英寸，以及表面光滑度S90小于约75.0μm，其中所述卷绕卷筒的卷筒堆积体积大于约15cc/g。
2.根据权利要求1所述的薄页纸产品，其中所述薄页纸幅的纸片堆积体积为从约15至约25cc/g。
3.根据权利要求1所述的薄页纸产品，其中所述卷绕卷筒的卷筒硬实度小于约8.0mm。
4.根据权利要求1所述的薄页纸产品，其中所述卷绕卷筒的卷筒堆积体积大于约18cc/g，并且所述卷筒硬实度为从约5.0至约8.0mm。
5.根据权利要求1所述的薄页纸产品，其中所述薄页纸幅的几何平均斜率小于约12,000g/3英寸。
6.根据权利要求1所述的薄页纸产品，其中所述薄页纸幅的几何平均拉伸大于约10％。
7.根据权利要求1所述的薄页纸产品，其中所述薄页纸幅包括一个层片。
8.根据权利要求1所述的薄页纸产品，其中所述薄页纸幅的几何平均张力为从约2200至约2700g/3英寸，并且硬度指数为从约4.0至约6.0。
9.根据权利要求1所述的薄页纸产品，其中所述薄页纸幅包括空气穿透干燥纸幅。
10.根据权利要求1所述的薄页纸产品，其中所述脊的宽度为从约0.7至约1.5mm，振幅为从约18至22mm，并且波长为从约80至约120mm。
11.根据权利要求10所述的薄页纸产品，其中所述脊通过宽度大于约0.7mm的谷而彼此分开。
12.一种单层片薄页纸产品，其中所述薄页纸产品使用具有波状图案的、包括谷和脊的三维表面形貌特征的空气穿透干燥织物形成，其基重为从约30至约40克/平方米(gsm)，纸片堆积体积大于约20cc/g，以及表面光滑度S90为从约70.0至约80.0μm，并且几何平均张力大于约2000g/3英寸。
13.根据权利要求12所述的单层片薄页纸产品，其几何平均斜率小于约12,000g/3英寸。
14.根据权利要求12所述的单层片薄页纸产品，其几何平均拉伸大于约10％。
15.根据权利要求12所述的单层片薄页纸产品，其中所述单层片薄页纸幅的表面光滑度S90值为从约70.0至约73.8μm。
16.根据权利要求12所述的单层片薄页纸产品，其中所述单层片薄页纸幅的表面光滑度Sa值为从约15.0至约25.0μm。
17.根据权利要求12所述的单层片薄页纸产品，其中所述单层片薄页纸幅的表面光滑度Sq值为从约25.0至约40.0μm。
18.根据权利要求12所述的单层片薄页纸产品，其中所述单层片薄页纸幅包括不起绉空气穿透干燥纸幅。
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