CN108603339B - 用于制成纸产品的模塑辊 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模塑纤维片材的辊。所述辊包括圆筒形壳体和真空箱。所述圆筒形壳体被构造成被可旋转地驱动并且是可渗透的以允许空气运动通过所述圆筒形壳体。所述圆筒形壳体具有在所述圆筒形壳体的外表面上的可渗透的图案化表面。所述可渗透的图案化表面具有多个凹穴和多个凸起中的至少一者。所述多个凹穴和所述多个凸起中的所述至少一者的密度大于约50个每平方英寸。所述真空箱被定位在所述圆筒形壳体的内侧上，并且所述真空箱被构造成将空气从所述圆筒形壳体的外表面抽吸到所述圆筒形壳体的内表面。所述真空箱相对于所述圆筒形壳体的旋转是静止的。

Description

用于制成纸产品的模塑辊
相关申请的交叉参考
本申请是基于2016年2月8日提交的美国临时申请号62/292,379，其全部内容通过参考包含于此。
技术领域
本发明涉及用于制造诸如纸巾和卫生纸的纸产品的方法和设备。具体地，本发明涉及一种在纸产品的形成过程中模塑纸幅的模塑辊。
背景技术
一般而言，通过将包含有造纸纤维的含水浆料的配料沉积到成形段上以形成纸幅并且继而通过将纸幅脱水以形成纸产品来形成纸产品。使用各种方法和机械来形成纸幅和将纸幅脱水。例如，在制成纸巾和毛巾产品的造纸工艺中，有许多方法来去除工艺中的水，每种方法都具有显著的可变性。结果，纸产品同样在性能上具有较大的可变性。
一种这样的纸幅脱水的方法在本技术领域中被已知为常规的湿压(CWP)。图1示出CWP造纸机100的示例。造纸机100具有成形段110，所述成形段110在这种情况下在本技术领域中被称为新月型成形器。成形段110包括流浆箱112，所述流浆箱112将含水配料沉积在成形织物114与造纸毡116之间，由此初始形成新生幅材102。成形织物114由辊122、124、126、128支撑。造纸毡116由成形辊120支撑。新生幅材102由造纸毡116沿着毡路道(run)118传递，所述毡路道118延伸到加压辊132，在加压辊132处新生幅材102在加压压合部130中被沉积到扬克干燥器(Yankee dryer)段140上。新生幅材102在传递到扬克干燥器段140的同时在加压压合部130中被湿压。结果，幅材102的稠度从恰好在加压压合部130之前的约20％的固体增大到恰好在加压压合部130之后的约30％的固体与约50％的固体之间。扬克干燥器段140包括例如蒸汽填充鼓142(“扬克鼓”)和热空气干燥器罩144、146以进一步干燥幅材102。幅材102可以通过刮刀152从扬克鼓142去除，然后所述幅材102被卷绕在卷轴(未示出)上以形成母辊190。
诸如造纸机100的CWP造纸机典型地具有较低的干燥成本，并且可以以约每分钟三千英尺至超过每分钟五千英尺的速度快速地生产母辊190。使用CWP的造纸是一种成熟的工艺，其提供具有较高的可运行性和正常运行时间的造纸机。由于使用压实来在加压压合部130处对幅材102脱水，所得的纸产品典型地具有较低松厚度(bulk)以及相对应的较高纤维成本。虽然这可以引起诸如纸巾或卫生纸的卷纸产品每卷都具有较高的纸张数，但是纸产品通常具有较低的吸收性并且在触摸时会感觉粗糙。
由于消费者经常期望感觉柔软且具有较高吸收性的纸产品，因此已经开发了其它造纸机和方法。空气穿透干燥(TAD)是一种促使纸产品具有较高松厚度的方法。图2示出TAD造纸机200的示例。该造纸机200的成形段230以本技术领域已知的内容被示出为双线成形段，并且该成形段230产生与图1的新月型成形器110类似的片材。如图2中所示，配料最初通过流浆箱202被供给在造纸机200中。在成形辊208之前，配料由流浆箱202引导到形成在第一成形织物204与第二成形织物206之间的压合部中。第一成形织物204和第二成形织物206在连续的圈中运动并且在经过成形辊208之后发散。可以在发散区中采用诸如真空箱或箔元件(未示出)的真空元件，以便既将片材脱水，又确保片材保持粘附到第二成形织物206。在与第一成形织物204分离之后，第二成形织物206和幅材102穿过额外的脱水区212，在所述脱水区212中抽吸箱214从幅材102和第二成形织物206去除水分，由此将幅材102的稠度从例如约10％的固体增大到约28％的固体。热空气也可以在脱水区212中被使用以改进脱水。然后，幅材102被传递到在传递压合部218处的空气穿透干燥(TAD)织物216，在所述传递压合部218处靴形物220将TAD织物216加压在第二成形织物206上。在某些TAD造纸机中，靴形物220是真空靴形物，其施加真空以帮助将幅材102传递到TAD织物216。另外地，所谓的急速传递会用于将幅材102传递在传递压合部218中以及构造幅材102。当第二成形织物206以比TAD织物216快的速度行进时发生该急速传递。
接下来，运载纸幅102的TAD织物216绕过空气穿透干燥器222、224，在该处热空气被压迫通过幅材以将纸幅102的稠度从约28％的固体增大到约80％的固体。然后，幅材102被传递到扬克干燥器段140，在该处幅材102被进一步干燥。然后，片材通过刮刀152被从扬克鼓142刮下，并且由卷轴(未示出)卷取以形成母辊(未示出)。由于在干燥处理期间的最低程度的压实，所得的纸产品具有较高松厚度以及相对应的较低纤维成本。不幸地，因为通过昂贵的热干燥去除大量的水，所以这种处理操作起来成本较高。另外，在由TAD制成的纸产品中的造纸纤维典型地被不牢固地结合，导致纸产品会是薄弱的。
已经开发出其它方法，如与CWP相比增大纸产品的松厚度和柔软度，同时如与TAD相比仍然保持纸幅中的强度并且具有较低干燥成本。这些方法通常包括对湿幅材进行压实地脱水，以及然后对幅材进行带式起皱(belt creping)，从而重新分配幅材纤维，以便获得期望的性能。该方法在本文中被称为带式起皱并且在例如美国专利No.7,399,378、美国专利No.7,442,278、美国专利No.7,494,563、美国专利No.7,662,257和美国专利No.7,789,995(这些美国专利的整个公开内容通过参考包含于此)中描述。
图3示出用于带式起皱的造纸机300的示例。与图1中所示的CWP造纸机100类似，带式起皱造纸机300使用上面讨论的新月型成形器作为成形段110。在离开成形段110之后，在一个端部上由辊108支撑的毡路道118延伸到靴形加压段310。这里，幅材102从造纸毡116在形成在支承辊312与靴形加压辊314之间的压合部中传递到支承辊312。靴形物316用于在传递的同时加载压合部并且使纸幅102脱水。
然后，幅材102通过带式起皱压合部320的作用在带式起皱压合部320中传递到起皱带322上。起皱压合部320被限定在支承辊312与起皱带322之间，起皱带322通过起皱辊326被加压在支承辊312上。在起皱压合部320处的传递中，幅材102的纤维素纤维被重新定位和取向。幅材102会倾向于粘到支承辊312的相对于起皱带322的较光滑的表面。结果，会期望的是在支承辊312上施加释放油以促进从支承辊312至起皱带322的传递。而且，支承辊312可以是蒸汽加热辊。在将幅材102传递到起皱带322上之后，可以使用真空箱324对幅材102施加真空，以便通过将幅材102拉入起皱带322的形貌中来增大片材厚度(caliper)。
通常期望的是执行将幅材102从支承辊312急速传递到起皱带322，以便促进传递到起皱带322和进一步改进片材松厚度和柔软度。在急速传递期间，起皱带322以比支承辊312上的幅材102慢的速度行进。除此之外，急速传递将纸幅102重新分配在起皱带322上以向纸幅102赋予结构来增大松厚度和增强传递到起皱带322。
在该起皱操作之后，幅材102在较低强度加压压合部328中被沉积在扬克干燥器段140中的扬克鼓142上。如与图1中所示的CWP造纸机100一样，幅材102继而在扬克干燥器段140中被干燥并且继而被卷绕在卷轴(未示出)上。虽然起皱带322赋予幅材102所期望的松厚度和结构，但是起皱带322会难以使用。随着起皱带322运动通过其行程，带弯曲和屈曲，导致起皱带322疲劳。因而，起皱带322易于疲劳失效。另外，起皱带322是定制设计的元件，其没有其它商业模拟。起皱带322被设计成赋予纸幅针对性的结构，并且由于起皱带322是较小体积的元素并且存在较少的先前商业历史，因此起皱带322会难以制造。此外，当幅材102从支承辊312急速传递到起皱带322时，造纸机300的速度因起皱比而减慢。与非带式起皱系统相比，较慢的离开幅材速度导致较低的生产速度。另外地，这种起皱带运行需要大量的占地面积，并且因而增大了造纸机300的尺寸和复杂性。此外，至起皱带322的均匀可靠的片材传递实现起来会是挑战性的。因此，因而期望的是开发出这样的方法和设备，即，所述方法和设备能够在没有起皱带的困难的情况下实现与织物起皱相当的纸张质量。
发明内容
根据一个方面，本发明涉及一种用于模塑纤维片材的辊。所述辊包括圆筒形壳体和真空箱。所述圆筒形壳体被构造成沿着圆周方向被可旋转地驱动并且是可渗透的以允许空气运动通过所述圆筒形壳体。所述圆筒形壳体具有内表面、外表面以及在所述圆筒形壳体的外表面上的可渗透的图案化表面。所述可渗透的图案化表面具有多个凹穴和多个凸起中的至少一者。所述多个凹穴和所述多个凸起中的所述至少一者的密度大于约50个每平方英寸。所述真空箱被定位在所述圆筒形壳体的内侧上，并且所述真空箱被构造成将空气从所述圆筒形壳体的外表面抽吸到所述圆筒形壳体的内表面。所述真空箱相对于所述圆筒形壳体的旋转是静止的。
本发明的该方面和其它方面将从以下公开内容变得显而易见。
附图说明
图1是常规的湿压造纸机的示意图。
图2是空气穿透干燥造纸机的示意图。
图3是与带式起皱一起使用的造纸机的示意图。
图4是本发明的第一优选实施例的造纸机配置的示意图。
图5是本发明的第二优选实施例的造纸机配置的示意图。
图6A和图6B是本发明的第三优选实施例的造纸机配置的一部分的示意图。
图7A和图7B是本发明的第四优选实施例的造纸机配置的一部分的示意图。
图8是本发明的第五优选实施例的造纸机配置的一部分的示意图。
图9A和图9B是本发明的第六优选实施例的造纸机配置的一部分的示意图。
图10A和图10B是本发明的第七优选实施例的造纸机配置的一部分的示意图。
图11A和图11B是本发明的第八优选实施例的造纸机配置的一部分的示意图。
图12是本发明的优选实施例的模塑辊的透视图。
图13是沿着图12的平面13-13截取的图12中所示的模塑辊的剖视图。
图14是沿着线14-14截取的图13中所示的模塑辊的剖视图。
图15A、图15B、图15C、图15D和图15E是示出来自图14的细节15的可渗透的壳体的实施例。
图16是本发明的优选实施例的模塑层的示例。
图17是本发明的优选实施例的模塑层的示例。
图18是本发明优选实施例的模塑辊的透视图。
具体实施方式
本发明涉及使用模塑辊生产纸产品的造纸处理和设备。将在下面参照附图详细地描述本发明的实施例。贯穿本说明书和附图，相同的附图标记将用于指示相同的或类似的部件或特征。
如本文所使用的，术语“纸产品”包括任何含有造纸纤维的产品。这将包括例如作为纸巾、卫生纸、面巾纸等销售的产品。造纸纤维包括原浆或再生(二次)纤维素纤维或包含至少51％的纤维素纤维的纤维混合物。这种纤维素纤维可以包括木纤维和非木纤维两者。木纤维包括，例如，从落叶树和针叶树获得的那些纤维，包括软木纤维和硬木纤维，所述软木纤维例如是北方和南方的软木牛皮纸纤维，所述硬木纤维例如是桉树、枫树、桦树、山杨树或类似树木。适于制成本发明的产品的纤维的示例包括非木纤维，例如，棉纤维或棉衍生物、马尼拉麻、洋麻、印度草、亚麻、茅草、稻草、黄麻、甘蔗渣、乳草属丝绵纤维和菠萝叶纤维。另外的造纸纤维可以包括非纤维素物质，例如，碳酸钙、二氧化钛无机填料和类似物，以及典型的人造纤维，例如，聚酯、聚丙烯和类似物，它们可以当在配料中使用再生纸时被有意地添加到配料或者可以被并入。
“配料”和类似术语指的是包括造纸纤维和任选地包括湿强度树脂、脱粘剂和类似物的用于制成纸产品的含水组合物。在本发明的实施例中可以使用各种配料。在某些实施例中，配料根据在美国专利No.8,080,130(其整个公开内容通过参考包含于此)中描述的规格来使用。如本文所使用的，在造纸处理中被干燥成成品的初始纤维和液体混合物(或配料)将被称为“幅材”、“纸幅”，“纤维素片材”和/或“纤维片材”。成品也可以被称为纤维素片材和/或纤维片材。另外，其它改性剂可以被各种不同地用于描述在造纸机或处理中的特定点处的幅材。例如，幅材也可以被称为“新生幅材”、“潮湿的新生幅材”、“模塑的幅材”和“干燥的幅材”。
当在此描述本发明时，术语“机器方向”(MD)和“横向机器方向”(CD)将根据它们在本技术领域中所熟知的含义被使用。也就是说，织物或其它结构的MD指的是在造纸处理中结构在造纸机上运动的方向，而CD指的是与结构的MD交叉的方向。类似地，当涉及纸产品时，纸产品的MD指的是在造纸处理中产品在造纸机上运动的产品上的方向，并且产品的CD指的是与产品的MD交叉的方向。
当在此描述本发明时，将使用用于造纸机和转换线的操作条件的具体示例。例如，当描述在造纸机上的纸生产时将使用各种速度和压力。本领域的技术人员将认识到，本发明不限于包括本文公开的速度和压力的操作条件的具体示例。
I.造纸机的第一实施例
图4示出根据本发明的第一优选实施例的用于产生纸幅的造纸机400。图4中所示的造纸机400的成形段110是与上面讨论的且在图1和图3中示出的成形段110类似的新月型成形器。新月型成形段110的可替代方案的示例包括图2中所示的双线成形段230。在这种构型中，在双线成形段的下游，这种造纸机的其余部件可以以与造纸机400类似的方式构造和布置。具有双线成形段的造纸机的示例可以在例如美国专利申请公开No.2010/0186913(其整个公开内容通过参考包含于此)中看到。可以用在造纸机中的可替代的成形段的又一些其它示例包括C-卷绕双线成形器、S-卷绕双线成形器或吸乳辊成形器。本领域的技术人员将认识到，这些或甚至又一些其它可替代的成形段如何可以被整合到造纸机中。
然后，新生幅材102沿着毡路道118传递到脱水段410。然而，在某些应用中，不需要与成形段110分离的脱水段，如将例如在下面的第二实施例中所讨论的。脱水段410增大新生幅材102的固体含量以形成潮湿的新生幅材102。潮湿的新生幅材102的优选稠度可以根据期望的应用而变化。在该实施例中，新生幅材102被脱水以形成这样的潮湿的新生幅材102，即，所述潮湿的新生幅材102具有优选地介于约20％的固体与约70％的固体之间的稠度，更优选地介于约30％的固体至约60％的固体之间的稠度，并且甚至更优选地介于约40％的固体至约55％的固体之间的稠度。新生幅材102在从造纸毡116传递到支承辊312的同时被脱水。所示的脱水段410使用靴形加压辊314以将新生幅材102抵靠支承辊312脱水，如以上参照图3并且在例如美国专利No.6,248,210(其整个公开内容通过参考包含于此)中描述的。本领域的技术人员将认识到，新生幅材102可以使用本技术领域中已知的任何合适的方法来脱水，包括例如在本申请人的较早的美国专利No.6,161,303和No.6,416,631中所述的辊压机或置换压机。如下面进一步讨论的，新生幅材102也可以使用抽吸箱和/或热干燥脱水。同样如上面参照图3所讨论的，支承辊312的表面可以被加热以帮助将新生幅材102传递到模塑辊420。支承辊312可以通过使用任何合适的措施被加热，包括例如蒸汽加热辊或感应加热辊，例如由加拿大魁北克省格朗梅尔的Comaintel所生产的感应加热辊。支承辊312的表面优选地被加热到介于约212华氏度至约220华氏度之间的温度。
在脱水之后，潮湿的新生幅材102在模塑区中从支承辊312的表面传递到模塑辊420。在该实施例中，模塑区是形成在支承辊312与模塑辊420之间的模塑压合部430。在模塑压合部430中，造纸纤维通过模塑辊420的图案化表面422重新分配，得到具有可变的图案化的纤维取向以及可变的图案化的基重的纸幅102。尤其，图案化表面422优选地包括多个凹穴(或“凹袋”)，并且在某些情况下包括多个凸起，所述多个凹穴和所述多个凸起在模塑的幅材102中产生相对应的突起和凹穴。模塑辊420沿着模塑辊方向旋转，所述模塑辊方向在图4中为逆时针方向。
模塑辊420的使用赋予造纸处理显著的益处。借助模塑辊420对幅材102湿模塑改进了超越由图1中所示的CWP所生产的纸产品的期望的片材性能，例如，松厚度和吸收性，而没有图2中所示的TAD处理的低效率和成本。另外，如与使用带(例如，图3中所示的起皱带322)来模塑幅材102的处理相比，模塑辊420大大降低了造纸机400和处理的复杂性。带难以制造并且受限于可以用于制成具有图案化表面的带的材料。带要求使用多个辊和许多不同的运动零件，这使得带运行复杂，难以操作，并且引入更多数量的故障点。带运行还需要大量的体积，包括在造纸机和工厂内的占地面积。结果，这种带运行会增加已经较昂贵的资本设备的成本。另一方面，模塑辊420相对地不太复杂并且需要最小的体积和占地面积。现有的CWP机器(参见图1)可以通过添加模塑辊420和支撑辊312而容易地转换成湿模塑造纸处理。因为图案化表面422在模塑辊420上或在模塑辊420的一部分上，所以它不需要设计成承受住对于带所需的弯曲和屈曲。
在第一实施例中，潮湿的新生幅材102可以通过急速传递从支撑辊312传递到模塑辊420。在急速传递期间，模塑辊420以比幅材102和支承辊312慢的速度行进。就这一点而言，幅材102通过速度差来起皱并且起皱的程度经常被称为起皱比。可以根据以下等式计算该实施例中的起皱比，等式(1)为：
起皱比(％)＝(S1/S2-1)×100％ 等式(1)
其中，S1是支承辊312的速度，并且S2是模塑辊420的速度。优选地，幅材102以约5％至约60％的比率起皱。但是，可以采用较高程度的起皱，逼近或者甚至超过100％。起皱比经常与片材中的松厚度成比例，但是与造纸机的吞吐量成反比，从而与造纸机400的产量成反比。在该实施例中，纸幅102在支承辊312上的速率会优选地是从约每分钟1000英尺至约每分钟6500英尺。更优选地，纸幅102在支承辊312上的速率是与处理所允许的速度一样快，其典型地受干燥段440的限制。对于其中可以适应较慢的造纸机速度的较高松厚度的产品而言，使用较高的起皱比。
还可以加载模塑压合部430，以便实现片材传递和控制片材特性。当使用急速传递或其它方法例如下面在第三实施例中所讨论的真空传递时，能够在模塑压合部430处具有较小压缩或没有压缩。当加载模塑压合部430时，支承辊312优选地将约20磅每线英寸(“PLI”)至约300PLI、更优选地约40PLI至约150PLI的载荷施加到模塑辊420。但是，对于较高强度、较低松厚度的片材而言，本领域的技术人员将理解，在商业机器中，最大压力会尽可能高，仅受所采用的特定机械的限制。因而，如果可行的话，并且当使用急速传递时，假设可以维持支承辊312与模塑辊420之间的速度差并且满足片材性能要求，则可以使用超过150PLI、500PLI或更高的压力。
在模塑之后，模塑的幅材102被传递到干燥段440，在该处幅材102被进一步干燥至约95％的固体的稠度。干燥段440可以主要包括扬克干燥器段140。如上所述，扬克干燥器段140包括例如用于干燥幅材102的蒸汽填充鼓142(“扬克鼓”)。另外，来自湿端罩144和干端罩146的热空气被逆着幅材102引导，以便随着幅材102在扬克鼓142上传送而进一步干燥幅材102。幅材102从模塑辊420在传递压合部450处传递到扬克鼓142。尽管该实施例的造纸机400被示出为具有从模塑辊420到干燥段440的直接传递，但是可以在模塑辊420与干燥段440之间放置其它介入处理而没有偏离本发明的范围。
在该实施例中，传递压合部450也是加压压合部。这里，在扬克鼓142与模塑辊420之间产生优选地具有约50PLI至约350PLI的线载荷的载荷。然后，幅材102将从模塑辊420的表面传递到扬克鼓的表面。在从约25％到70％的稠度下，有时难以将幅材102足够牢固地粘附到扬克鼓142的表面，以便彻底地从模塑辊420去除幅材102。为了增强在幅材102与扬克鼓142的表面之间的粘附以及改进在刮刀152处的起皱，可以将粘合剂施加到扬克鼓142的表面。粘合剂可以允许用于系统的高速操作和高喷射速度冲击空气干燥，并且还允许用于使幅材102随后从扬克鼓142剥离。这种粘合剂的示例是聚(乙烯醇)/聚酰胺粘合剂组合物，这种粘合剂的示例性施用率为小于约40毫克每平方米片材的速率。然而，本领域的技术人员将认识到各种各样的可替代的粘合剂，并且进一步认识到大量的粘合剂，其可以用于促进幅材102传递到扬克鼓142。
幅材102在刮刀152的帮助下从扬克鼓142去除。在从扬克干燥器段140去除之后，幅材由卷轴(未示出)卷取以形成母辊190。本领域的技术人员还将认识到，可以在造纸机400上执行其它操作，尤其是在扬克鼓142的下游和在卷轴(未示出)之前。这些操作可以包括例如压光和拖曳。
在使用时，模塑辊420的图案化表面422会需要清洁。造纸纤维和其它物质会保留在图案化表面422上，并且尤其是凹袋。在操作期间的任何时候，仅图案化表面422的一部分接触并且模塑纸幅102。在图4中所示的辊布置中，模塑辊420的约一半圆周接触纸幅102，并且另一半(以下称为自由表面)不是。然后，清洁段460可以被定位成与模塑辊420的自由表面相对以清洁图案化表面422。可以使用本技术领域中已知的任何合适的清洁方法和装置。在图4中描绘的清洁段460是针式喷射器，例如，由美国马萨诸塞州韦斯特福德的Kadant制造的JN喷雾喷嘴。喷嘴462用于将诸如高压水流和/或清洁溶液的清洁介质沿着与模塑辊420的旋转方向相反的方向朝向图案化表面422引导。清洁介质流动的角度优选地介于在清洁介质撞击图案化表面422的点处与图案化表面422相切的线与在同一点处与图案化表面422垂直的线之间。结果，清洁介质继而凿开并且去除已经在图案化表面422上积聚的任何颗粒物质。喷嘴462和流位于封壳464中以收集清洁介质和颗粒物质。封壳464可以处于真空下以帮助收集清洁介质和颗粒物质。
II.造纸机的第二实施例
图5示出本发明的第二优选实施例。已经发现，当潮湿的新生幅材102在模塑辊420上被模塑时的潮湿的新生幅材102的稠度越低，模塑对诸如松厚度和吸收性的期望的片材性能的影响越大。因此，通常，有利的是将新生幅材102最低程度地脱水以增大片材松厚度和吸收性，并且在某些情况下，在成形期间所发生的脱水可以足以用于模塑。当幅材102被最低程度地脱水时，潮湿的新生幅材102优选地具有介于约10％的固体至约35％的固体之间的稠度，更优选地介于约15％的固体至约30％的固体之间的稠度。就如此低的稠度而言，在模塑之后将发生更多的脱水/干燥。优选地，将使用非压实的干燥处理，以便尽可能多地保留在模塑期间赋予幅材102的结构。一种合适的非压实的干燥处理是使用TAD。在各种实施例之中，潮湿的新生幅材102因而可以在从约10％的固体扩展至约70％的固体的稠度范围上模塑。
在图5中示出使用TAD干燥段540的第二实施例的示例性造纸机500。虽然可以使用任何合适的成形段510来形成幅材102和对幅材102脱水，但是在该实施例中双线成形段510是与以上参照图2所述的成形段类似。然后，幅材102从第二成形织物206在传递压合部514处传递到传递织物512，在所述传递压合部514处靴形物516将传递织物512加压在第二成形织物206上。靴形物516可以是真空靴形物，其施加真空以帮助将幅材102传递到传递织物512。然后，湿幅材102遇到模塑区。在该实施例中，模塑区是由辊532、传递织物512和模塑辊520所形成的模塑压合部530。在该实施例中，模塑辊520和模塑压合部530与以上参照图4讨论的模塑辊420和模塑压合部430类似地构造和操作。例如，如上所述，幅材102可以从传递织物512急速传递到模塑辊520，并且辊532可以被加载到模塑辊520中以控制片材传递和片材特性。当使用速度差时，起皱比使用与等式(1)类似的等式(2)来计算，等式(2)如下：
起皱比(％)＝(S3/S4-1)×100％ 等式(2)
其中，S3是传递织物512的速度，并且S4是模塑辊520的速度。同样，模塑辊520具有与模塑辊420的图案化表面422类似的可渗透的图案化表面522，其优选地具有多个凹穴(或“凹袋”)，并且在某些情况下包括多个凸起，所述多个凹穴和所述多个凸起在模塑的幅材102中产生相对应的突起和凹穴。
或者，新生幅材102可以借助单独的真空脱水区212被最低程度的脱水，在所述单独的真空脱水区212中抽吸箱214从幅材102去除水分以在片材到达模塑压合部530之前获得约10％的固体和约35％的固体的期望的稠度。热空气也可以在脱水区212中使用以改进脱水。
在模塑之后，幅材102将继而从模塑辊520在传递压合部550处传递到干燥段540。如在以上参照图2讨论的造纸机200中，可以使用在传递压合部550中的真空靴形物552施加真空以帮助幅材102从模塑辊520传递到空气穿透干燥织物216。这种传递可以在模塑辊520与TAD织物216之间有或没有速度差的情况下发生。当使用速度差时，起皱比使用与等式(1)类似的等式(3)来计算，等式(3)如下：
起皱比(％)＝(S4/S5-1)×100％ 等式(3)
其中，S4是模塑辊520的速度，并且S5是TAD织物216的速度。当在模塑压合部530和传递压合部550两者中使用急速传递时，总起皱比(通过加上每个压合部中的起皱比来计算)优选地介于约5％到约60％之间。但是如与模塑压合部430(参见图4)一样，可以采用较高程度的起皱，逼近或者甚至超过100％。
接下来，运载纸幅102的TAD织物216绕过空气穿透干燥器222、224，在该处热空气被压迫通过纸幅以将纸幅102的稠度增大到约80％的固体。然后，幅材102被传递到扬克干燥器段140，在该处幅材102被进一步干燥，并且在幅材102通过刮刀152从扬克干燥器段140去除之后，幅材102由卷轴(未示出)卷取以形成母辊(未示出)。
对在模塑辊520上的潮湿的新生幅材102以约10％的固体至约35％的固体的稠度模塑而产生具有与上述TAD的成本相关联的成本的优质产品，但是仍然保留使用模塑辊520的其它优点，包括增大的松厚度和降低的纤维成本。
另外地，这种构型给出一种控制所谓的片材的侧面性(sidedness)的措施。当纸幅102的一侧在纸幅102的一侧上而非另一侧上具有(或被感知到具有)不同的特性时，可以出现侧面性。例如，对于使用CWP造纸机(参见图1)制成的纸幅102而言，可以感知到纸幅102的扬克侧比空气侧柔软，这是因为随着纸幅102通过刮刀152从扬克鼓142拉动，刮刀152使片材在片材的扬克侧上比在片材的空气侧上更多地起皱。在另一个示例中，当纸幅102在一侧上被模塑时，如与非模塑侧相比，与模塑表面接触的侧可以具有增大的粗糙度(例如，更深的凹穴和更高的突起)。另外，当应用扬克鼓142时，与扬克鼓142接触的模塑的纸幅102的侧可以进一步变平滑。
已经发现，赋予纸幅102的模塑的结构会不继续通过纸幅102的整个厚度。因此，在模塑压合部530中的湿纸幅102的传递主要模塑纸幅102的第一侧104，并且在传递压合部550中的传递主要模塑纸幅102的第二侧106。在模塑压合部530和传递压合部550两者处单独地控制压合部参数可以抵消侧面性。例如，模塑辊520的图案化表面522可以设计有凹袋和突起，由所述凹袋和突起分别在纸幅102的第一侧104上赋予的凹穴和突起(在纸幅102被施加到扬克鼓142之前)比由TAD织物216在纸幅102的第二侧106上赋予的凹穴和突起分别更深和更高。然后，当纸幅102的第一侧104被施加到扬克鼓142时，扬克鼓142将通过减小突起的高度而使纸幅102的第一侧104变平滑，以便当纸幅102被刮刀152从扬克鼓142剥离时，纸幅102的第一侧104和第二侧206两者具有基本相同的特性。例如，用户可以感知到所述两侧具有相同的粗糙度和柔软度，或者通常测量的纸特性处于用于纸产品的正常控制公差内。抵消侧面性不限于调节模塑辊520和TAD织物216的图案化结构。侧面性还可以通过控制包括起皱比和/或每个压合部530、550的加载在内的其它压合部参数来抵消。
III.造纸机的第三实施例
图6A和图6B示出本发明的第三优选实施例。如图6A中所示，第三实施例的造纸机600可以具有与图4中所示的第一实施例的造纸机400相同的成形段110、脱水段410和干燥段440。或者，如图6B中所示，第三实施例的造纸机602可以具有与图5中所示的第二实施例相同的成形段510和干燥段540。这里省略了对这些段的描述。如与第一实施例的模塑辊420和第二实施例的模塑辊520(分别参见图4和图5)一样，第三实施例的模塑辊610具有图案化表面612，其优选地具有多个凹穴(“凹袋”)。为了改进片材传递和片材模塑，第三实施例的模塑辊610使用压差来帮助将幅材102从支承辊312或传递织物512传递到模塑辊610。在该实施例中，模塑辊610具有真空段(“真空箱”)614，其与图6A中的支承辊312或图6B中的辊532相对地位于模塑区中。在图6A和图6B中所示的实施例中，模塑区是模塑压合部620。图案化表面612是可渗透的，使得真空箱614可以用于通过将流体抽吸通过可渗透的图案化表面612而在模塑压合部620中建立真空。模塑压合部620中的真空将纸幅102拖曳到模塑辊610的可渗透的图案化表面612上，并且尤其拖曳到可渗透的图案化表面612中的多个凹袋中。因此，真空对纸幅102模塑并且将纸幅102中的造纸纤维重新取向以具有可变的且图案化的纤维取向。
在其它湿模塑处理例如织物起皱(图3中所示)中，在通过真空箱324传递到起皱带322之后施加真空。然而，在该实施例中，随着纸幅102传递，施加真空。通过在传递期间施加真空，在传递期间的纤维的移动性和真空的拉动两方面都增大了纤维渗透到可渗透的图案化表面612的凹袋中的深度。增大的纤维渗透引起改进的片材模塑振幅以及引起由湿模塑对所得幅材特性产生了更大的影响，例如，改进的松厚度。
真空传递的使用允许模塑压合部620利用减小的压合部加载或不利用压合部加载。因此，真空传递可以是不太压实的处理或者甚至是非压实的处理。在图案化表面612的凸起与位于在幅材102中形成的相对应的凹穴中的造纸纤维之间可以减小或避免压实。结果，纸幅102可以具有比由压实处理制成的纸幅更高的松厚度，例如，织物起皱(如图3中所示)或CWP(如图1中所示)。如与图3中所示的支承辊312和起皱带322之间的磨损相比，减小模塑压合部620处的加载或不加载模塑压合部620还可以减少支承辊312或传递织物512与模塑辊610之间的磨损量。减少磨损对于采用急速传递的压合部而言是尤其重要的，这是因为增大起皱比(％)和/或增大起皱辊加载倾向于增加磨损并且因而会导致减少的运行时间。
在传递点处使用真空的另一个优点是在支承辊312或传递织物512上使用脱模剂时具有灵活性。尤其，可以减少或甚至消除脱模剂。如上所述，纸幅102倾向于在传递期间粘到两个表面中的较平滑的一个表面。因此，脱模剂优选地用在织物起皱中以帮助将纸幅102从支承辊312传递到起皱带322(参见图3)。脱模剂需要仔细配制才能起作用。脱模剂也可以积聚在支承辊312上或者可以被保留在纸幅102中。脱模剂的使用向造纸处理添加了复杂性，降低了造纸机当它们不高效时的可运行性，并且会对纸幅102的特性有害。在该实施例中，因而可以通过在从支承辊312或传递织物512到模塑辊610的传递点处使用真空来避免所有这些问题。
如在第二实施例中所讨论的，对于某些应用而言优选的是，当潮湿的新生幅材102非常湿润(例如，在约10％的固体至约35％的固体的稠度下)时对潮湿的新生幅材102湿起皱。具有这些较低固体含量的幅材会难以传递。已经发现，这些非常湿的幅材可以在传递点处使用真空来高效地传递。并且，因而，模塑辊610的又一个优点是能够使用真空箱614对非常湿的潮湿的新生幅材102湿起皱。
模塑压合部620中的真空水平适当地大到足以从支承辊312或传递织物512拖曳纸幅102。优选地，真空是约0英寸汞柱至约25英寸汞柱，并且更优选地约10英寸汞柱至约25英寸汞柱。
同样，模塑辊610的真空区的MD长度大到足以将纸幅102从支承辊312或传递织物512拖曳到模塑表面612中。这样的MD长度可以小至约2英寸或更小。优选的长度可以取决于模塑辊610的旋转速度。幅材102优选地经受了足够时间量的真空以将造纸纤维吸入凹袋中。结果，真空区的MD长度优选地随着模塑辊610的旋转速度增大而增大。真空箱614的MD长度的上限根据期望被驱动以降低能量消耗和最大化模塑辊610内的面积来用于其它部件，例如，清洁段640。优选地，真空区的MD长度为约0.25英寸至约5英寸，更优选地为约0.25英寸至约2英寸。
本领域的技术人员将认识到，真空区不限于单个真空区，而是可以使用多区的真空箱614。例如，会优选的是使用两级真空箱614，其中第一级施加较高水平的真空以从支承辊312或传递织物512拖曳纸幅102，并且第二级施加较低水平的真空以通过逆着可渗透的图案化表面612和其中的凹袋拖曳纸幅102来模塑纸幅102。在这种两级真空箱中，第一级的MD长度和真空水平优选地刚好大到足以实现纸幅102的传递。第一级的MD长度优选地为约0.25英寸至约5英寸，更优选地为约0.5英寸至约2英寸。同样，真空优选地为约0英寸汞柱至约25英寸汞柱，并且更优选地为约10英寸汞柱至约20英寸汞柱。第二级的MD长度优选地大于第一级。因为真空在较长距离上被施加到纸幅102，所以真空可以减小，产生具有较高松厚度的纸幅102。第二级的MD长度优选地为约0.25英寸至约5英寸，更优选地为约0.5英寸至约2英寸。同样，真空优选地为约10英寸汞柱至约25英寸汞柱，并且更优选地为约15英寸汞柱至约25英寸汞柱。
通过在模塑压合部620中抽吸真空，潮湿的新生幅材102可以被有利地脱水。随着纸幅102在可渗透的图案化表面612上行进通过真空区(真空箱614)，真空从潮湿的新生幅材102中抽出水。本领域的技术人员将认识到，脱水的程度是若干考虑因素的函数，包括潮湿的新生幅材102在真空区中的停留时间、真空强度、起皱压合部载荷、幅材的温度以及潮湿的新生幅材102的初始稠度。
然而，本领域的技术人员将认识到，模塑压合部620不限于该设计。反而，例如，第一实施例的模塑压合部430的特征或第二实施例的模塑压合部530的特征可以与第三实施例的模塑辊610合并在一起。例如，会期望的是甚至通过将具有真空箱614的模塑辊610与急速传递组合来进一步增大纸幅102的松厚度，这进一步使纸幅102起皱并且同时真空对纸幅102模塑。
第三实施例的模塑辊610还可以在传递压合部630处具有鼓风箱616，其中幅材102从模塑辊610的可渗透的图案化表面612传递到扬克鼓142或TAD织物216的表面。虽然鼓风箱616在传递压合部630中提供若干益处，但是如以上参照传递压合部450(参见图4)或传递压合部550(参见图5)所讨论的，幅材可以在没有该鼓风箱616的情况下传递到干燥段440、540。当干燥段是TAD干燥段(参见图6B)时，纸幅102可以使用鼓风箱616、真空靴形物552或两者传递在传递压合部550中。
可以从鼓风箱616通过模塑辊610的可渗透的图案化表面612施加正气压。正气压通过将纸幅朝向扬克鼓142(或TAD织物216)的表面推离模塑辊610的可渗透的图案化表面612而有助于在传递压合部630处传递模塑的幅材102。鼓风箱616中的压力被设定在与片材至干燥段440、540的良好传递一致的水平处，并且取决于箱尺寸和辊构造。横过片材应当有足够的压降以促使压力从图案化表面612释放。鼓风箱616的MD长度优选地为约0.25英寸至约5英寸，更优选地为约0.5英寸至约2英寸。
通过使用鼓风箱616，可以减小或者甚至消除模塑辊610和扬克鼓142或TAD织物216之间的接触压力，从而引起幅材102在接触点处的较少的压实，因此引起较高松厚度。另外，来自鼓风箱616的气压驱策在可渗透的图案化表面612处的纤维与纸幅102的其余部分一起传递到扬克鼓142或TAD织物216，从而减少纤维拾取。纤维拾取会在幅材102中导致小孔(针孔)。
鼓风箱616的另一个优点是鼓风箱616帮助维持和清洁图案化表面612。通过辊的正气压可以帮助阻止纤维和其它颗粒物质积聚在辊上。
如与第一实施例的模塑辊420和第二实施例的模塑辊520一样，清洁段640可以与模塑辊610的自由表面相对地构造(例如，如图4中所示的清洁段460)。可以使用本技术领域中已知的任何合适的清洁方法和装置，包括上面讨论的针式喷射器。作为与自由表面相对地构造的清洁段460的可替代方案或者与所述清洁段460组合，可以在具有自由表面的模塑辊610的段中在模塑辊610内构造清洁段。可渗透的图案化表面612的优点在于清洁装置可以放置在模塑辊的内部上以通过向外引导清洁溶液或清洁介质来清洁。这种清洁装置可以包括迫使加压空气(作为清洁介质)通过可渗透的图案化表面612的鼓风箱(未示出)或气刀(未示出)。另一个合适的清洁装置可以是位于模塑辊610中的淋浴器642、644。淋浴器642、644可以通过可渗透的图案化表面612向外喷洒水和/或清洁溶液。优选地，真空箱646、648与外部上的每个淋浴器642、644相对地定位以收集水和/或清洁溶液。同样地，容器649(其可以为真空箱)封装淋浴器642、644以收集保留在模塑辊610的内部的任何水和/或清洁溶液。
IV.造纸机的第四实施例
图7A和图7B示出本发明的第四实施例。如上所述，可以通过增大造纸纤维在模塑区中的移动性来改进模塑，所述模塑区在该实施例中是模塑压合部710。已经发现，一种增大造纸纤维的移动性的方法是加热潮湿的新生幅材102。第四实施例的造纸机700、702与第三实施例的造纸机600、602(分别参见图6A和图6B)类似，但是包括加热潮湿的新生幅材102的特征部。
在该实施例中，真空箱720是双区真空箱，其具有第一真空区722和第二真空区724。第一真空区722与支承辊312或辊532相对地定位并且用于将潮湿的新生幅材102从支承辊312或传递织物512传递到模塑辊610。第一真空区722优选地比第二真空区724短并且使用比第二真空区724大的真空。第一真空区722优选地小于约2英寸并且优选地抽吸在约2英寸汞柱和约25英寸汞柱之间的真空。
在该实施例中，使用蒸汽淋浴器730在模塑辊610上加热新生幅材102。任何合适的蒸汽淋浴器730可以与本发明一起使用，包括例如由美国华盛顿州西雅图威尔斯企业制造的Lazy Steam喷射器。蒸汽淋浴器730定位成与模塑压合部710接近并且与真空箱720的第二真空区域724相对。蒸汽淋浴器730产生蒸汽(例如，饱和或过热蒸汽)。蒸汽淋浴器730朝向模塑辊610的图案化表面612上的潮湿的新生幅材102引导蒸汽，并且真空箱720的第二真空区724使用真空通过幅材102抽吸蒸汽，从而加热幅材102和其中的造纸纤维。第二真空区724优选地为约2英寸至约28英寸，并且优选地抽吸在约5英寸汞柱和约25英寸汞柱之间的真空。尽管如此，蒸汽淋浴器730可以在没有真空区的情况下被适当地使用。蒸汽的温度优选地为约212华氏度至约220华氏度。蒸汽淋浴器可以喷射任何合适的加热流体，包括例如加热的空气或其它气体。
在模塑压合部710中加热潮湿的新生幅材102不限于从蒸汽淋浴器730喷射的加热的流体。反而，可以使用其它加热潮湿的新生幅材102的技术，包括例如加热的空气，加热的支承辊312，或者加热模塑辊420、520、610自身。模塑辊420、520、610并且尤其第一实施例的模塑辊420和第二实施例的模塑辊520可以如同支承辊312一样通过使用任何合适的措施包括例如蒸汽或感应加热来被加热。例如，通过使用空气，潮湿的新生幅材102可以在第一实施例的模塑辊420和第二实施例的模塑辊520上被模塑的同时被加热和干燥。
V.造纸机的第五实施例
图8示出本发明的第五实施例。第五实施例的造纸机800与第三实施例的造纸机600(参见图6A)类似，但是包括在模塑区820处的刮刀810。刮刀810用于将幅材从支承辊312剥离并且有助于将幅材102传递到模塑辊610。当片材通过刮刀810从支承辊312去除时，片材将起皱引入到幅材，这已知增大片材的厚度和松厚度。因而，该实施例的实现提供了向整个处理添加额外的松厚度的能力。此外，片材传递通过刮刀810消除了对于在支承辊312与模塑辊610之间接触的需要，这是因为真空箱614在模塑辊610中将在没有辊接触的情况下实现片材传递到图案化表面612。通过消除了对于辊到辊的接触以实现片材传递的需要，尤其当辊之间存在速度差时，减少了辊磨损。刮刀810可以振荡以在模塑区820处进一步使幅材102起皱。任何合适的刮刀810可以与本发明一起使用，包括例如在美国专利No.6,113,470(其全部内容通过参考包含于此)中公开的刮刀。
VI.造纸机的第六实施例
图9A和图9B示出本发明的第六实施例。第六实施例的造纸机900、902与第三实施例的造纸机600、602(分别参见图6A和图6B)类似。代替具有图案化外表面的模塑辊(例如，图6A和图6B中的模塑辊610的可渗透的图案化表面612)，使用模塑织物910，并且模塑织物910被图案化以向潮湿的新生幅材102赋予与第三、第四和第五实施例中讨论的可渗透的图案化表面612类似的结构。模塑织物910在一个端部上由模塑辊920支撑并且在另一个端部上由支撑辊930支撑。模塑辊920具有可渗透的壳体922(如下面将进一步讨论的)。可渗透的壳体922允许待使用真空箱614和鼓风箱616，如上面在第三实施例中所讨论的。
与前面的实施例一样，该实施例包括清洁段940。因为由模塑织物910所提供的额外空间，清洁段940可以位于在模塑辊920与支撑辊930之间的织物路道上。可以使用任何合适的清洁装置。与第三实施例类似，封装在容器945中的淋浴器942可以被定位在织物路道的内部以通过模塑织物910向外引导水和/或清洁溶液。真空箱944可以布置成与淋浴器942相对以收集水和/或清洁溶液。与第一实施例和第二实施例类似，也可以在封壳948中使用针式喷射器以与喷嘴946成一角度引导水和/或清洁溶液。封壳948可以处于真空下以收集由喷雾嘴946射出的溶液。
VII.造纸机的第七实施例
图10A和图10B示出本发明的第七实施例。图10A中所示的造纸机1000与第一实施例的造纸机400类似。同样，图10B中所示的造纸机1002与第二实施例的造纸机500类似。在这些造纸机1000、1002中，使用两个模塑辊1010、1020而不是使用一个模塑辊。第一模塑辊1010用于使用图案化表面1012构造纸幅102的一侧(第一侧104)，并且第二模塑辊1020用于使用图案化表面1022构造另一侧(第二侧106)。对幅材102的两个表面模塑可以具有若干优点；例如，这能够仅借助单个片层实现双片层的纸产品的益处，这是由于片材的每一侧都可以由两个模塑辊1010、1020独立地控制。而且，对纸幅102的每一侧单独地模塑也可以帮助减小侧面性。在图10B中所示的造纸机1002中，具有两个模塑辊1010、1020还能够使湿纸幅102从第二成形织物206直接传递到第一模塑辊1010，并且能够使图5的传递织物512省略。
如以上在第二实施例中所讨论的，已经发现，由每个模塑辊1010、1020赋予纸幅102的模塑结构会不继续通过纸幅102的整个厚度。因此，幅材102的每一侧的片材特性可以由相对应的模塑辊1010、1020单独地控制。例如，每个模塑辊1010、1020的图案化表面1012、1022都可以具有不同的构造和/或图案以赋予纸幅102的每一侧不同的结构。虽然有利的是以不同的方式构造每个模塑辊1010、1020，但是所述构造不限于此，并且模塑辊1010、1020，尤其图案化表面1012、1022，可以构造成相同的。
通过借助该实施例的两个不同的模塑辊1010、1020单独地控制模塑的纸幅102的每一侧的结构，可以抵消侧面性。例如，第一模塑辊1010的图案化表面1012可以具有比第二模塑辊1020的图案化表面1022更深的凹袋和更高的凸起。这样，纸幅102的第一侧104将具有这样的凹穴和突起，即，所述凹穴和突起在纸幅102被施加到扬克鼓142之前比纸幅102的第二侧106的凹穴和突起更深和更高。然后，当纸幅102的第一侧104被施加到扬克鼓142时，通过减小突起的高度，扬克鼓142将使纸幅102的第一侧104变平滑，以便当纸幅102通过刮刀152从扬克鼓142剥离时，纸幅102的第一侧104和第二侧106两者具有基本相同的特性。例如，用户可以感知到所述两侧具有相同的粗糙度和柔软度，或者通常测量的纸特性处于用于纸产品的正常控制公差内。
在该实施例中，纸幅102从支承辊312或第二成形织物206在第一模塑区中传递，所述第一模塑区在该实施例中是第一模塑压合部1030。适用于第一实施例和第二实施例中的模塑压合部430、530(参见图4和图5)的特征的相同考虑因素适用于该实施例的第一模塑压合部1030。
在纸幅102的第一侧104由第一模塑辊1010模塑之后，纸幅102继而从第一模塑辊1010在第二模塑区中传递到第二模塑辊1020，所述第二模塑区在该实施例中为第二模塑压合部1040。纸幅102可以通过例如急速传递而在两个模塑压合部1030、1040中传递。与等式(1)和等式(2)类似，对于每个压合部1030、1040而言，该实施例中的起皱比可以根据等式(4)和(5)计算如下：
起皱比1(％)＝(S1/S6-1)×100％ 等式(4)
起皱比2(％)＝(S6/S7-1)×100％ 等式(5)
其中，S1是支承辊312或第二成形织物206的速度，S6是第一模塑辊1010的速度，并且S7是第二模塑辊1020的速度。优选地，幅材102在两个模塑压合部1030、1040中的每个中以约5％至约60％的比率起皱。但是，可以采用较高程度的起皱，逼近或者甚至超过100％。两个模塑压合部存在有可以用于进一步修改片材特性的独特的机会。由于每个起皱比都主要影响被模塑的片材的侧，因此两个起皱比可以相对于彼此改变以控制或改变片材的侧面性。控制系统可以用于监测片材特性并且使用这些特性测度来控制各个起皱比以及两个起皱比之间的差异。
纸幅102从第二模塑辊1020在传递压合部1050中传递到干燥段440、540。如图10A中所示，干燥段440包括扬克干燥器段140，并且适用于第一实施例的传递压合部450(参见图4)的相同考虑因素适用于该实施例的传递压合部1050。如图10B中所示，使用TAD干燥段540，并且适用于第二实施例的传递压合部550(参见图5)的相同考虑因素适用于该实施例的传递压合部1050。
VIII.造纸机的第八实施例
图11A和图11B示出本发明的第八实施例。第八实施例的造纸机1100、1102与第七实施例的造纸机1000、1002类似，但是第八实施例的两个模塑辊1110、1120与第三实施例的模塑辊610(参见图6A和图6B)类似地构造，而不是与第一实施例的模塑辊420和第二实施例的模塑辊520类似地构造。第一模塑辊1110具有可渗透的图案化表面1112和真空箱1114。使用第一模塑辊1110的真空箱1114的真空传递、急速传递(参见等式(4))或刮刀810(参见图8)的任何组合，潮湿的新生幅材102从支承辊312或第二成形织物206在第一模塑区中传递，所述第一模塑区在该实施例中是第一模塑压合部1130。第一模塑压合部1130可以与第三实施例的模塑压合部620类似地操作。
在纸幅102的第一侧104在第一模塑辊1110上被模塑之后，使用第二模塑辊1120的真空箱1124的真空传递、使用第一模塑辊1110的鼓风箱1116的压差、急速传递(参见等式(5))的任何组合，纸幅从第一模塑辊1110在第二模塑区中传递到第二模塑辊1120，所述第二模塑区在该实施例中是第二模塑压合部1140。然后，纸幅102的第二侧106在第二模塑辊1120的可渗透的图案化表面1122上被模塑。单独地或组合地使用的传递类型可以被改变以控制片材特性和片材侧面性。适用于第三实施例中的鼓风箱616和真空箱614的考虑因素和参数也适用于第一模塑辊1110的鼓风箱1116和第二模塑辊1120的真空箱1124。
纸幅102从第二模塑辊1120在传递压合部1150中传递到干燥段440、540。如图11A中所示，干燥段440包括扬克干燥器段140。如图11B中所示，使用TAD干燥段540。适用于第三实施例中的传递压合部630的特征的相同考虑因素适用于该实施例的传递压合部1150，包括在第二模塑辊1120中的鼓风箱1126(与鼓风箱616类似)的使用。
IX.用于控制纤维片材特性的处理参数的调节
所得的纤维片材的各种特性(在本文中也称为纸特性或幅材特性)可以通过本技术领域中已知的技术来测量。某些特性可以在处理纸幅102的同时被实时测量。例如，纸幅102的水分含量和基重可以通过定位在母辊190之前和扬克鼓142之后的幅材特性扫描仪来测量。可以使用本技术领域中已知的任何合适的幅材特性扫描仪，例如，由美国新泽西州莫里斯敦的霍尼韦尔制造的MXProLine扫描仪，其用于借助贝他辐射测量水分含量和借助伽马辐射测量基重。诸如拉伸强度(在湿和干两方面)、厚度和粗糙度的其它特性更加适合地被离线测量。可以通过随着在造纸机上生产纸幅102而取得样本并且与生产并行地测量特性来实施这种离线测量，或者通过在已经从造纸机去除母辊190之后从母辊190取得样本并且测量特性来实施这种离线测量。
如以上在第一实施例至第八实施例中所讨论的，可以调节各种处理参数以对所得的纤维片材产生影响。这些处理参数包括例如：在模塑压合部430、530、620、710、1030、1040、1130、1140或模塑区820处的潮湿的新生幅材102的稠度；起皱比；在模塑压合部430、530、620、710、1030、1040、1130、1140处的载荷；由真空箱614、720、1114、1124抽吸的真空；以及由鼓风箱616、1116、1126产生的气压。典型地，用于所得的纤维片材的每种纸特性的测量值都处于对于该纸性能所期望的范围内。期望的范围将根据纸幅102的最终产品变化。如果用于纸特性的测量值落在期望的范围之外，则操作者可以调节本发明的各种处理参数，以便在随后的纸特性的测量中，测量值处于期望的范围内。
由真空箱614、720、1114、1124抽吸的真空和由鼓风箱616、1116、1126产生的气压是在造纸机正在操作的同时可以被容易地且方便地调节的处理参数。结果，本发明的造纸处理，尤其在实施例三至实施例六以及实施例八中描述的那些造纸处理，可以被有利地用于通过对造纸处理进行实时或接近实时的调节来制成一致的纤维片材产品。
X.可渗透的模塑辊的构造
现在，将描述与第三实施例至第六实施例以及第八实施例的造纸机一起使用的可渗透的模塑辊610、920、1110、1120的构造。为简单起见，用于描述上述第三实施例的模塑辊610(图6A和图6B)的附图标记将用于描述以下相对应的特征部。图12是模塑辊610的透视图，并且图13是沿着平面13-13截取的图12中所示的模塑辊610的剖视图。模塑辊610具有径向方向和圆柱形状，所述圆柱形状具有与造纸机600的MD方向相对应的圆周方向C(参见图14)。模塑辊610还具有与造纸机600的CD方向相对应的长度方向L(参见图13)。模塑辊610可以在一个端部即从动端部1210上被驱动。可以使用本技术领域中已知的任何合适的方法来驱动模塑辊610的从动端部1210。模塑辊610的另一个端部即旋转端部1220由轴1230支撑并且围绕轴1230旋转。从动端部1210包括从动端板1212和轴1214，所述轴1214可以被驱动。旋转端部1220包括旋转端板1222。在该实施例中，从动端板1212和旋转端板1222由钢构造，钢是相对便宜的结构材料。尽管，本领域的技术人员将认识到，端板1212、1222可以由任何合适的结构材料构成。旋转板1222通过轴承1224附装到轴1230。可渗透的壳体1310附装到从动端板1212和旋转端板1222中的每个的圆周，在所述从动端板1212与所述旋转端板1222之间形成空隙1320。在可渗透的壳体1310的外部上形成可渗透的图案化表面612。以下将进一步讨论可渗透的壳体1310的细节。
真空箱614和鼓风箱616位于空隙1320中并且由轴1230和旋转连接件1352通过支撑结构1354支撑到从动端板1212。支撑结构1354允许真空和加压空气两者分别通过轴1230传送到真空箱614和鼓风箱616。真空箱614和鼓风箱616两者是静止的，并且可渗透的壳体1310围绕静止的箱614、616旋转。虽然图13示出这些箱是在辊上彼此相对的，但是认识到这些箱可以根据需要围绕辊圆周以任何角度布置来执行它们的功能。通过使用作为箱支撑结构1354的一部分的真空管线1332而在真空箱614中抽吸真空。因而，真空泵1334能够经由真空管线1332向真空箱614施加真空。类似地，泵或鼓风机1344用于将空气加压通过压力管线1342以在鼓风箱616中产生正压力。
图14示出沿着图13中的线14-14截取的可渗透的壳体1310和真空箱614的剖视图。鼓风箱616以与真空箱614基本相同的方式构造。如图14中所示，真空箱614是基本U形的，其具有第一顶端部1420和第二顶端部1430。开口部分在两个顶端部1420、1430之间延伸，所述两个顶端部1420、1430在模塑辊610的圆周(MD)方向C上具有距离D。开口部分的距离D形成以上讨论的真空区。在该实施例中，真空箱614由不锈钢构成，所述真空箱614的壁厚到足以容纳在腔1410中产生的真空并且承受住辊操作的严密性。本领域的技术人员将认识到，任何合适的结构材料可以用于真空箱，但是优选地是耐受会从幅材通过真空抽出的水分所引起的腐蚀的结构材料。在该实施例中，真空箱614被描绘为具有沿着模塑辊610的长度(CD)方向L延伸的单个腔1410。为了沿着长度(CD)方向L抽吸横过的均匀真空，会期望的是将真空箱614细分成多个腔1410。本领域的技术人员将认识到，可以使用任何数量的腔。同样地，会期望的是将真空箱614沿着圆周(MD)方向C细分成多个腔以形成例如以上讨论的两级真空箱。
在真空箱614的每个端部1420、1430与可渗透的壳体1310的内表面之间形成密封。在该实施例中，管1422被定位在形成于真空箱614的第一顶端部1420中的腔中。施加压力以使其管1422胀大并且将密封块1424压靠在可渗透的壳体1310的内表面上。同样地，两个管1432被定位在形成于第二顶端部1430中的腔内并且用于将密封块1434压靠在可渗透的壳体1310的内表面上。另外，内辊淋浴器1440可以定位在真空箱的上游以将诸如水的润滑材料施加到可渗透的壳体1310的底表面，从而减小密封块1424、1434与可渗透的壳体1310之间的摩擦力和磨损。类似地，真空箱614和鼓风箱616的沿着CD方向的每个端部都被密封。如可以在图13中看到，管1362被定位在形成于真空箱614和鼓风箱616的端部中的腔中并且被胀大以将密封块1364压靠在可渗透的壳体1310的内表面上。诸如聚丙烯或聚四氟乙烯浸渍聚合物的任何合适的磨损材料可以用作密封块1364、1424和1434。诸如橡胶的任何合适的可胀大的材料可以用于管1362、1422、1432。
图15A至图15E是可渗透的壳体1310的实施例，其示出图14中的细节15。图15A、图15B和图15C示出可渗透的壳体1310的两层构造。内层是结构层1510，并且外层是模塑层1520。
结构层1510为可渗透的壳体1310提供支撑。在该实施例中，结构层1510由不锈钢制成，但是可以使用任何合适的结构材料。壳体的厚度被设计成承受住在纸生产期间所施加的力，包括例如当在第三实施例中模塑压合部620是压力压合部时所施加的力。结构层1510的厚度被设计成承受住在辊上的载荷以避免疲劳和其它失效。例如，厚度将取决于辊的长度、辊的直径、所使用的材料、通道1512的密度以及所施加的载荷。如果需要的话，有限元分析可以用于确定实际的辊设计参数和辊凸度。结构层1510具有多个通道1512。多个通道1512将可渗透的壳体1310的外层与模塑辊610的内侧连接。当从真空箱614或鼓风箱616中的任一个抽吸真空或施加压力时通过多个通道1512牵引或推动空气。
如上所述，模塑层1520被图案化以将幅材102的纤维重新分配和取向。在第三实施例中，例如，模塑层1520是模塑辊610的可渗透的图案化表面612。如上所述，本发明尤其适用于生产吸收性纸产品，例如，纸巾和毛巾产品。因而，为了增强在松厚度和吸收性中的益处，模塑层1520优选地以适于将幅材102的纤维取向的精密标度被图案化。模塑层1520的凹袋和凸起中的每个的密度都优选地大于约50个每平方英寸，并且更优选地大于约200个每平方英寸。
图16是可以用作模塑层1520的优选的塑料机织织物的示例。在该实施例中，机织织物围绕结构层1510收缩。织物作为模塑层1520被安装在设备中，使得其MD结节(knuckles)1600、1602、1604、1606、1608、1610等沿着造纸机(例如，图6A中的600)的机器方向延伸。织物可以是多层织物，其具有在织物的MD结节之间的起皱凹袋1620、1622、1624等。还设置有多个CD结节1630、1632、1634等，其可以优选地相对于起皱织物的MD结节1600、1602、1604、1606、1608、1610稍微凹陷。CD结节1630、1632、1634可以相对于MD结节1600、1602、1604、1606、1608、1610凹陷了约0.1mm至约0.3mm的距离。如上所述，当幅材102从支承辊312或传递织物512湿模塑时，该几何形状产生独特的纤维分配。在意欲不受理论约束的情况下，认为，具有较大凹陷“袋”以及在CD上的有限结节长度和高度的所示结构在高冲击起皱时重新分配纤维以产生片材，这尤其适合于回收配料和提供令人惊讶的厚度。在第六实施例中，模塑层1520未附装到结构层1510，并且是图9A和图9B中所示的模塑织物910。
然而，模塑层1520不限于编织结构。例如，模塑层1520可以是已经通过滚花、激光钻孔、蚀刻、机械加工、压花等而被图案化的塑料或金属的层。塑料或金属的层可以在将其施加到模塑辊610的结构层1510之前或之后被适当地图案化。
返回参照图15A，多个通道1512的间距和直径优选地被设计成在模塑层1520的辊表面处提供较均匀的真空或气压。为了帮助施加均匀的压力，从多个通道1512延伸或辐射的凹槽1514可以在结构层1510的外表面中切割。但是，可以使用其它合适的通道设计来帮助在模塑层1520的下方散布抽吸或气压。例如，每个通道1512的顶部边缘都可以具有倒角1516，如图15B中所示。另外，通道1512的几何形状不限于直圆柱体。反而，可以使用其它合适的几何形状，包括例如正梯形圆柱体，如图15C中所示，其可以当通过激光钻孔产生多个通道1512时形成。
多个通道1512优选地具有与可渗透的壳体1310的结构需求一致的构造以及均匀地将真空或压力施加到模塑表面以实现片材传递和模塑的能力。在图15A、图15B和图15C中所示的实施例中，多个通道1512优选地具有约0.02英寸至约0.5英寸的平均直径，更优选地具有约0.062英寸至约0.25英寸的平均直径。在计算平均直径时，可以排除凹槽1514和倒角1516的直径。每个通道1512都优选地与下一个最近的通道1512间隔了约0.064英寸至约0.375英寸，更优选地约0.125英寸至约0.25英寸。另外地，结构层1510优选地具有介于约50个通道每平方英寸至约500个通道每平方英寸之间的密度。更近间隔的通道和更高的通道密度可以实现更好的且更均匀的空气分配。
然而，会难以实现多个通道1512的足够大的密度以向模塑层1520施加均匀的气压和仍然具有提供足够的结构支撑的结构层，如图15A中所示的实施例。为了缓解该问题，如图15D中所示，空气分配层1530可以用作中间层。空气分配层1530优选地由可渗透的材料形成，所述可渗透的材料允许通过多个通道1512推动或抽吸空气以使空气散布在模塑层1520的下方，从而产生大致均匀的拖拉或压力。可以使用任何合适的材料，包括例如多孔烧结金属、烧结聚合物和聚合物泡沫。优选地，空气分配层1530的厚度为约0.1英寸至约1英寸，更优选地为约0.125英寸至约0.5英寸。当使用空气分配层1530时，多个通道1512的密度可以散开并且直径增大。在图15D中所示的实施例中，多个通道1512具有优选地为约0.02英寸至约0.5英寸的直径，更优选地具有约0.05英寸至约0.25英寸的直径。每个通道1512都优选地与下一个最近的通道1512间隔了约0.05英寸至约1英寸，更优选地约0.1英寸至约0.5英寸。另外地，结构层1510优选地具有介于约50个通道1512每平方英寸至约300个通道1512每平方英寸之间的密度。
如图15E中所示，单独的模塑层1520会是不必要的。反而，结构层1510的外表面1518可以被纹理化或图案化以形成可渗透的图案化表面612。在图15E中所示的实施例中，外表面1518通过滚花而被图案化，但是本技术领域中已知的任何合适的方法，包括例如激光钻孔、蚀刻、压花或机械加工，可以用于对外表面1518纹理化或图案化。虽然图15E示出在钻孔的壳体的顶部上的图案化，但是也能够通过对空气分配层1530或模塑层1520的外表面进行滚花、激光钻孔、蚀刻、压花或机械加工来施加图案化，如上所述。
图17示出滚花的外表面1518的俯视图，并且图15E中所示的剖视图是沿着图17中所示的线15E-15E截取的。虽然可以使用任何合适的图案，但是滚花的表面具有多个凸起1710，所述多个凸起1710在该实施例中是金字塔形。该实施例的金字塔形凸起1710具有沿着模塑辊610的MD方向延伸的长轴和沿着模塑辊610的CD方向延伸的短轴。长轴比短轴长，使得金字塔形凸起1710的基部1712具有菱形形状。金字塔形凸起1710具有四个侧面1714，其从尖峰1716向下倾斜且延伸到基部1712。因而，由四个不同的金字塔形凸起1710的四个顶点所聚集在一起的区域形成凹穴或凹袋1720。滚花的外表面1518的金字塔形凸起1710和凹袋1720将造纸纤维重新分配以在纸幅102上模塑和形成反向凹穴和突起。
金字塔形凸起1710由凹槽1730分开。滚花的外表面1518的凹槽1730与以上参照图15A描述的凹槽1514类似。凹槽1730从通道1512向外辐射以将通过通道1512被推动或牵引的空气横过滚花的外表面1518分配并且帮助将空气均匀地横过滚花的外表面1518分配。
XI.非渗透的模塑辊的构造
现在，将描述与第一实施例、第二实施例和第七实施例的造纸机一起使用的非渗透的模塑辊420、520、1010、1020的构造。为简单起见，用于描述上述的第一实施例的模塑辊420的附图标记将用于描述下面的相对应的特征部。图18是非渗透的模塑辊420的透视图。与上述的可渗透的模塑辊610一样，非渗透的模塑辊420具有径向方向和圆柱形状，所述圆柱形状具有与造纸机400的MD方向相对应的圆周方向。模塑辊420也具有与造纸机400的CD方向相对应的长度方向。
非渗透的模塑辊420具有第一端部1810和第二端部1820。第一端部1810和第二端部1820中的任一个或两者可以通过本技术领域中已知的任何合适的措施驱动。在该实施例中，两个端部分别具有轴1814、1824，所述轴1814、1824分别连接到端板1812、1822。端板1812、1822支撑上面形成有图案化表面422的壳体(未示出)的每个端部。辊可以由本技术领域中已知的任何合适的结构材料制成，包括例如钢。壳体形成用于图案化表面422的结构支撑，并且可以构造为不锈钢圆柱体，与上述的但没有通道1512的可渗透的壳体1310类似。然而，模塑辊420不限于该构造。可以使用本技术领域中已知的任何合适的辊构造来构造非渗透的模塑辊420。
图案化表面422可以与上述的模塑层1520类似地形成。例如，图案化表面422可以由机织织物(例如，以上参照图14讨论的织物)形成，该织物围绕非渗透的模塑辊的壳体收缩。在另一个示例中，壳体的外表面可以被纹理化或图案化。可以使用本技术领域中已知的任何合适的方法，包括例如滚花(例如，以上参照图17讨论的滚花)、蚀刻、压花或机械加工，来对外表面纹理化或图案化。图案化表面422也可以通过激光钻孔或蚀刻形成，并且在这种情况下优选地由弹性塑料形成，但是可以使用任何合适的材料。
虽然已经在某些特定的示例性实施例中描述了本发明，但是根据本公开，对于本领域的技术人员而言，许多额外的修改方案和变型方案将是显而易见的。因此，应当理解，本发明可以用除了具体描述的方式以外的方式实践。因此，本发明的示例性实施例应当在各个方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明的范围由本申请可支持的任何权利要求及其等同物确定，而非由前面的描述来确定。
工业实用性
本发明可以用于生产期望的纸产品，例如，纸巾和卫生纸。因此，本发明可适用于纸产品工业。

Claims (20)

1.一种用于模塑纤维片材的辊，所述辊包括：
(A)圆筒形壳体，所述圆筒形壳体被构造成沿着圆周方向被可旋转地驱动，所述圆筒形壳体包括：
(a)内表面；
(b)外表面；
(c)在所述圆筒形壳体的外表面上的能渗透的图案化表面，所述能渗透的图案化表面具有多个凹穴和多个凸起中的至少一者，所述多个凹穴和所述多个凸起中的所述至少一者的密度大于50个每平方英寸；以及
(d)多个通道，所述多个通道从所述外表面延伸到所述内表面，以允许空气移动通过所述圆筒形壳体，所述多个通道中的每个通道具有外端部和内端部；和
(e)多个凹槽，所述多个凹槽中的每个凹槽流体连接到所述多个通道的相应通道的外端部并从相应通道向外延伸；和
(B)真空箱，所述真空箱被定位在所述圆筒形壳体的内侧上，并且所述真空箱被构造成将空气从所述圆筒形壳体的外表面抽吸到所述圆筒形壳体的内表面，所述真空箱相对于所述圆筒形壳体的旋转是静止的。
2.根据权利要求1所述的辊，还包括(C)连接到所述真空箱的真空泵，其中，所述真空泵用于将空气从所述圆筒形壳体的外表面抽吸到所述圆筒形壳体的内表面。
3.根据权利要求1所述的辊，还包括(C)鼓风箱，所述鼓风箱被定位在所述圆筒形壳体的内侧上并且被构造成将空气从所述圆筒形壳体的内表面推动到所述圆筒形壳体的外表面，所述鼓风箱相对于所述圆筒形壳体的旋转是静止的。
4.根据权利要求3所述的辊，还包括(D)连接到所述鼓风箱的泵，其中，所述泵用于将空气从所述圆筒形壳体的内表面推动到所述圆筒形壳体的外表面。
5.根据权利要求1所述的辊，其中，所述多个凹穴和所述多个凸起中的所述至少一者的密度大于200个每平方英寸。
6.根据权利要求1所述的辊，其中，所述能渗透的图案化表面通过对所述圆筒形壳体的外表面进行滚花、激光钻孔、蚀刻、压花和机加工中的至少一者来形成。
7.根据权利要求1所述的辊，其中，所述圆筒形壳体还包括(f)结构层，所述多个通道延伸穿过所述结构层的厚度，所述多个通道被构造成允许空气运动通过所述结构层。
8.根据权利要求7所述的辊，其中，所述能渗透的图案化表面是形成在所述结构层的外表面上的模塑层，所述多个凹槽在所述模塑层的下方延伸。
9.根据权利要求8所述的辊，其中，所述模塑层包括能够用于增强片材特性的编织结构。
10.根据权利要求7所述的辊，其中，所述能渗透的图案化表面是由所述结构层支撑的织物。
11.根据权利要求1所述的辊，还包括清洁段，所述清洁段被定位在所述圆筒形壳体的内侧上并且被构造成将清洁介质从所述圆筒形壳体的内表面引导到所述圆筒形壳体的外表面。
12.根据权利要求11所述的辊，其中，所述清洁段包括淋浴器，并且所述清洁介质包括水和清洁溶液中的至少一者。
13.根据权利要求1所述的辊，其中，所述能渗透的图案化表面包括多个凸起，并且其中，所述多个凸起中的一个凸起借助于所述多个凹槽中的一个凹槽与所述多个凸起中的另一个凸起分开。
14.根据权利要求1所述的辊，其中，在所述外端部处的横截面面积大于在所述内端部处的横截面面积。
15.根据权利要求14所述的辊，其中，所述多个通道中的每个通道在所述外端部处具有倒角。
16.根据权利要求14所述的辊，其中，所述多个通道中的每个通道是正梯形圆柱体。
17.根据权利要求14所述的辊，其中，所述圆筒形壳体还包括(f)结构层，所述多个通道延伸通过所述结构层的厚度并且构造成允许空气移动通过所述结构层。
18.根据权利要求17所述的辊，其中，所述能渗透的图案化表面是形成在所述结构层的外表面上的模塑层。
19.根据权利要求18所述的辊，其中，所述模塑层包括能够用于增强片材特性的编织结构。
20.根据权利要求17所述的辊，其中，所述能渗透的图案化表面是由所述结构层支撑的织物。
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