CN1091821C - 不同密度的纤维素结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明披露了一种纤维素纤维的不同密度的单层纸幅。所述纸幅包含：至少两个以非随机且重复图案排列的多元微观区：许多高密度的第一区和低密度的第二区。高密度区包含：含有潜在的固有的液体聚合物(FLIP)如半纤维素和木素的纤维素纤维。高密度区中的纤维是FLIP键合的，即通过使FLIP软化、流动和固定的方法而在高密度区的纤维素纤维之间键合在一起。所述纸幅的制备方法包括：提供包含FLIP的许多造纸纤维；提供具有面朝纸幅表面(21)和挠曲导管(40)的宏观单平面的造纸网带(20)；将许多纤维素纤维沉积至造纸网带(20)上，以便形成一纸幅；将所述纸幅加热至足以使包含在伴随网带面朝纸幅面的第一部分中的FLIP软化的温度；将网带的纸幅侧表面(21)压印入纸幅中；固定可流动的FLIP并在包含纸幅第一部分的纤维之间产生FLIP键。
Description
发明领域
本发明涉及强韧、柔软、吸收性纤维素纸幅的制备方法。更准确地说，本发明涉及具有高密度微观区和低密度微观区的纤维素纸幅，以及制备所述纤维素纸幅的方法和装置。
发明背景
纸制品可用于多种用途。毛巾纸、搽面纸、卫生纸等通常用于现代工业化社会。对于所述纸制品的大量需求，产生了对制品改进型的要求。如果将所述制品如毛巾纸，搽面纸，卫生纸等用于其预定的用途并得到广泛接受性的话，它们必须具有某些物理特性。在这些特性中，更为重要的特性是强度、柔软度和吸收性。
强度是纸幅在使用期间保持其物理完整性的能力。
柔软度是：当使用者将纸张用于预定用途时，使用者感觉到的令人愉快的触感。
吸收性是：纸张吸收并保持液体、特别是水和水溶液以及悬浮液的特性。重要的不仅是给定量纸张保持的液体绝对量，而且是纸张吸收液体的速率。
在纸幅的强度和密度之间有着非常确定的关系。因此，人们一直在努力生产高度致密化的纸幅。其中一种称之为CONDEBELT技术的这类方法披露于US4,112,586(1978年9月12日授权)；US4,506,456和US4,506,457(均于1985年3月26日授权)；US4,899,461(1990年2月13日授权)；US4,932,139(1990年6月12日授权)；US5,594,997(1997年1月21日授权)，前面的专利均授权于Lehtinen；和US4,622,758(1986年11月18日授权于Lehtinen等人)；US4,958,444(1990年9月25日授权于Rautakorpi等人)。前述专利均转让给了芬兰的Valmet公司，在此引入作为参考。CONDEBELT技术使用一对运动的环状带，以便对在环状带之间进行压榨并与带平行运动的纸幅进行干燥。所述带有着不同的温度。热梯度从相对加热侧驱动水份，并且，在相对冷的一侧，水份冷凝进入织物中。纸幅温度、压力和水份含量的结合，以及停留时间将使包含在纸幅造纸纤维中的半纤维素和木质素软化并流动，借此，使造纸纤维互连并“焊接”在一起。
尽管CONDEBELT技术能生产适合于包装需要的高度致密化的强韧纸张，但该方法却不适于生产出适合于一次性消费制品如搽面纸，毛巾纸，餐巾纸，卫生纸等既强韧又柔软的纸张。现有技术中熟知的是，当增加纸张的密度时，纸张的吸收性和柔软特性将降低。
由本发明受让人目前制得的纤维素结构包含最为通常地由密度差限定的多个微观区。所述不同密度的纤维素结构是这样生产的：首先将真空施加至与模制带相连接的湿纸幅上，借此使部分造纸纤维挠曲，以便产生低密度区；其次是将包含未挠曲造纸纤维的纸幅部分在硬表面如扬克式烘缸的表面上进行压榨，以便产生高密度区。所述纤维素结构的高密度微观区将产生强度，而低密度微观区将有助于柔软性、松密度以及吸收性。
所述不同密度的纤维素结构可以利用穿透干燥造纸网带来生产，所述网带包含增强结构和树脂状骨架，并且描述于普通转让的下述专利中：US4,514,345(1985年4月30日授权于Johnson等人)；US4,528,239(1985年7月9日授权于Trokhan等人)；US4,529,480(1985年7月16日授权于Trokhan)；US4,637,859(1987年1月20日授权于Trokhan)；US5,334,289(1994年8月2日授权于Trokhan等人)。前述专利在此引入作为参考。
正如造纸领域中熟知的那样，通常，在造纸中使用的木材本身包含纤维素(约45％)，半纤维素(约25-35％)，木素(约21-25％)和萃取物(约2-8％)。在此引入G.A.Smook的制浆造纸技术手册，TAPPI，第四次印刷，1987年，第6-7页作为参考。半纤维素是己糖(葡萄糖，甘露糖，和半乳糖)和戊糖(木糖和阿拉伯糖)的聚合物。在前面手册第5页中指出，木素为包含纤维外层的无定形的、高度聚合的物质。在前面手册第6页中指出，萃取物是存在于天然纤维中的多种不同的物质，如树脂酸，脂肪酸，turpenoid化合物和醇。同前，在本发明中使用的、本身存在于纤维素纤维中的半纤维素，木素和聚合萃取物由一般性的术语“潜在的固有的液体聚合物”或“FLIP”来定义。半纤维素，木素和聚合萃取物通常是纤维素纤维的一部分，但如果希望的话，可以作为造纸过程的一部分，独立地添加至许多造纸纤维素纤维或纸幅中。
传统的造纸条件，如在将湿纸幅传递至扬克式烘缸上时纸幅的温度和施加压力的时间(即停留时间)不足以使FLIP在高密度区中软化和流动。
因此，本发明的目的是提供一种制备强韧、柔软且吸收性纤维素结构的新颖的造纸方法，其中所述的纤维素结构包含高密度微观区和低密度微观区，所述高密度微观区至少部分是通过下述过程而形成的：使本身包含在纤维素造纸纤维中的潜在的固有的液体聚合物软化；使潜在的固有的液体聚合物流动，借此连接高密度微观区的相邻造纸纤维；然后使潜在的固有的液体聚合物固定在高密度微观区中。
本发明的另一个目的是提供一种具有许多高密度微观区和许多低密度微观区的纤维素结构，多数高密度微观区包含潜在的固有的液体聚合物结合的纤维素造纸纤维。
发明概述
本发明纤维素纤维的不同密度的单层纸幅包含：至少两个以非随机且重复图案排列的多元的微观区：第一多元高密度微观区和第二多元低密度微观区。所述高密度微观区包含：纤维素纤维，所述纤维素纤维包含潜在的固有的液体聚合物(FLIP)，如半纤维素，木素，和聚合萃取物。所述高密度微观区的纤维是潜在的固有的液体聚合物键合的(FLIP-键合的)，即通过软化至可流动这样的程度，然后在高密度微观区中并置的和相邻的纤维素纤维之间使FLIP固定这样的过程而键合到一起。
在一实施方案中，高密度微观区包含基本连续的、宏观单平面且构图的网状区域；而低密度微观区包含在整个网状区域中分散的、被网状区域包围的、并且彼此被网状区域分开的许多不连续的圆顶。在另一实施方案中，低密度微观区包含：基本连续且构图的网状区域；而高密度微观区包含：被所述网状区域包围并在整个所述网状区域中分散的许多不连续的压节。
本发明一方面涉及制备纤维素纤维的不同密度的单层纸幅的方法，所述方法包含如下步骤：
(a)提供包含潜在的固有的液体聚合物的许多造纸纤维素纤维，所述潜在的固有的液体聚合物包含半纤维素，木素，聚合萃取物或其任意的组合；
(b)提供宏观单平面且透液的造纸网带，所述网带具有限定X-Y平面的纸幅侧表面，与所述纸幅侧表面相反的背面，垂直于所述X-Y平面的Z-方向，以及在所述纸幅侧表面和所述背面之间延伸的挠曲导管；
(c)将包含潜在的固有的液体聚合物的所述许多纤维素纤维沉积至所述造纸网带的所述纸幅侧表面上，以便在所述造纸网带上形成所述纤维素纤维的纸幅，所述纸幅至少包含在该Z-方向相应于所述纸幅侧表面的第一部分，和在所述Z-方向上与所述的挠曲导管相对应的第二部分；
(d)对所述纸幅的至少所述第一部分进行加热，以便使包含在所述第一部分的纤维素纤维中的所述潜在的固有的液体聚合物软化；
(e)将所述造纸网带的所述纸幅侧表面在压力下压印入所述纸幅中，借此使所述纸幅的所述第一部分致密化，并使所述潜在的固有的聚合物流动并将在所述第一部分中相互并置的所述纤维素纤维互连；和
(f)使所述可流动的潜在的固有的液体聚合物固定并在所述第一部分中互连的所述纤维素纤维之间形成潜在的固有的液体聚合物键。
使可流动FLIP固定并产生FLIP-键的步骤可以通过下列步骤之一或结合来完成：至少对所述纸幅的所述第一部分进行干燥，对所述纸幅的至少该第一部分进行冷却，释放对所述纸幅的所述第一部分施加的所述的压力。使可流动FLIP固定并产生FLIP-键的步骤还包括：在低于约70℃的温度下，将所述纸幅干燥至至少约70％的稠度。
将所述造纸网带的所述纸幅侧表面压印入所述纸幅中的所述步骤包括：在第一压榨元件和与所述第一压榨元件相对的第二压榨元件之间对所述纸幅和所述造纸网带进行压榨；所述第一和第二压榨元件分别有第一压榨表面和第二压榨表面，所述第一和第二压榨表面平行于所述的X-Y平面并且在所述Z-方向是相对的，所述纸幅和所述造纸网带被夹在所述第一和第二压榨表面之间，所述第一压榨表面与所述纸幅接触，而所述第二压榨表面与所述造纸网带的所述背面接触，所述第一和第二压榨元件在所述Z-方向相互压榨。优选所述的第一压榨表面包含压榨网带。优选所述的第一压榨表面包含扬克式烘缸的表面。
优选的是，对第一部分的加热步骤和压印步骤同时进行。
所述方法还可以包含：对所述纤维素纤维的所述纸幅施加流体压差，以致使所述纸幅的所述第一部分留在所述造纸网带的所述纸幅侧表面上，而使所述纸幅的所述第二部分挠曲进入所述的挠曲导管中，借此，从所述纸幅中除去部分所述的液体载体；所述将流体压差施加至所述纸幅上的步骤在步骤(c)之后和步骤(d)之前进行。
此外，本发明的方法还可以利用宏观单平面的与成形网带分开的模制带；因此，该方法还包含：将纸幅从成形网带输送至模制带上的步骤。在这种情况下，当纸幅处于模制带上时，优选进行如下步骤：施加流体压差，加热，压印，干燥和冷却。
附图概述
图1是本发明连续造纸方法的一个举例性实施方案的示意侧视图，示出了纸幅通过加热网进行加热和在一对压榨元件之间进行压榨。
图1A是本发明连续造纸方法的另一举例性实施方案的示意侧视图，示出了纸幅通过扬克式烘缸进行加热和在扬克式烘缸和压榨带之间进行压榨。
图1B是本发明方法的局部示意侧视图，示出了纸幅在扬克式烘缸和压辊之间进行压榨。
图2是用于本发明方法中的造纸网带的简略顶视图，所述网带有基本连续的纸幅侧网和不连续的挠曲导管。
图2A是沿图2的线2A-2A取的造纸网带的局部简略横截面图，示出了伴随造纸网带的纤维素纸幅在第一压榨元件和第二压榨元件之间进行压榨。
图3是包含骨架的造纸网带的简略顶视图，所述骨架由被挠曲导管的基本连续区域包围的不连续的突起物形成，所述不连续的突起物中有许多不连续的挠曲导管。
图3A是沿图3的线3A-3A取的造纸网带的局部简略横截面图，示出了伴随造纸网带的纤维素纸幅在第一压榨元件和第二压榨元件之间进行压榨。
图4是本发明预期的纸幅的简略顶视图。
图4A是沿图4的线4-4取的纸幅的简略局部横截面图。
发明详述
本发明的造纸方法包括：在如下所述的一般时间顺序中进行的许多步骤或操作。然而，应理解的是，在下面所述的步骤目的是帮助读者理解本发明的方法，本发明并不局限于仅有的一定数目的步骤或一些步骤排列的方法。因此，需指出的是，能将至少一些下面的步骤进行组合，以致使它们同时进行，而且在某些场合这将是优选的。同样地，在不脱离本发明范围的情况下，也能将至少一些下面的步骤分成两个或多个步骤。
图1和1A是本发明连续造纸方法两个实施方案的简化示意图。在其中使用的术语“造纸网带20”或简单地“网带20”是：包括成形网带20a和模制网带20b的一般术语，在图1和2中以优选的环状网带形式示出了这两种网带。本发明可以使用不仅起成形网带20a的作用而且起模制网带20b的作用的单一的造纸网带20(该实施方案没有在本发明的附图中示出，但本领域普通技术人员对此将很容易想象出)。然而，优选的是，单独地使用网带20a和20b。本领域普通技术人员将能理解的是，本发明可以使用多于两个的网带；例如，可以使用不同于成形网带20a和模制网带20b的干燥网带(未示出)。
本发明中使用的术语“X-Y平面”指的是：与造纸网带20的总体宏观单平面平行的平面，而术语“Z-方向”指的是垂直于X-Y平面的方向。
本发明造纸方法的第一步骤是提供：优选悬浮于液体载体中的许多纤维素造纸纤维。更优选的是，悬浮于液体载体中的许多纤维素造纸纤维包含造纸纤维的水分散体。用于制备造纸纤维水分散体的设备在造纸领域中是熟知的因此没在图1和2中示出。将造纸纤维的水分散体送至网前箱15中。在图1和图2中示出了单一的网前箱。然而，应理解的是，在本发明造纸方法其它排列中可以有多个网前箱存在。所述的网前箱以及制备造纸纤维水分散体的设备常用的类型披露于US3,994,771(1976年11月30授权于Morgan和Rich)中，在此引入该专利作为参考。所述水分散体的制备方法及其特性详述于US4,529,480(1985年7月16日授权于Trokhan)，在此引入该专利作为参考。
如上所述，通常在造纸中使用的木浆本身包含纤维素，半纤维素，木素，以及萃取物。由于木材经机械处理和/或化学处理而制得纸浆，因此，部分半纤维素，木素以及萃取物从造纸纤维中被除去。据信，当在造纸过程中使纤维结合在一起时，纤维素羟基基团将通过氢键而连接在一起。参见前面引用的Smook的文献的第8页。由于除去木素将增加纤维的吸收性，因此，在保留绝大多数半纤维素的同时，除去绝大多数木素通常认为是希望的。将除去初生纤维壁的“打浆”或“磨浆”过程也将有助于增加纤维的吸收性(前述文章的第7页)，以及增加纤维的柔韧性。尽管在木材的机械处理和/或化学处理期间从造纸纤维中除去了某一部分如上定义的潜在的固有的液体聚合物，或“FLIP”，但甚至在化学处理之后，造纸纤维仍将保留有一部分FLIP。所要求保护的本发明能有利地使用传统上被认为在造纸过程中是不希望的那些FLIP。当然，如果希望的话，可以在造纸过程中将半纤维素，木素，和聚合的萃取物添加至造纸纤维中或纸幅中。
作为造纸纤维一部分的半纤维素，木素，和聚合萃取物通常以非液体状态存在于纤维素纤维中。然而，在由温度、压力、湿含量限定的某些条件下，FLIP可以软化和流动。术语“FLIP”表示：通常将硬化或固定的，而在某些强制条件下将软化并变得可流动的这些物质的通常质量。
在示于图1的举例性实施方案中，将包含FLIP并由网前箱15提供的造纸纤维的水分散体输送至造纸网带20上，如成形网带20a上，以便进行造纸过程的第二步骤。在图1和图1A中，成形网带20a由胸辊28a和许多如由28b和28c表示的转向辊支撑。成形网带20a沿箭头A指示的方向由本领域普通技术人员熟知并因此没有在图1和1A中示出的常规驱动装置推进。伴随示于图1和1A的造纸过程，还可以有非强制性的辅助机构和装置，这些机构和装置通常伴随造纸机以及与成形网带，它们包括：成形板，案板，真空箱，张紧辊，支承辊，洗网喷头等，这些设施是常规的并且在造纸技术中是熟知的，因此也没有在图1和图1A中示出。
优选的成形网带20a是宏观单平面的透液的网带。成形网带20a可以包含：造纸领域的熟练技术人员熟知的成形网。参考图2-3A，成形网带20a可以包含：透气的增强结构50和连接至增强结构50上的骨架30。骨架30优选是树脂状的。增强结构50有面朝纸幅侧51和与面朝纸幅侧51相反的面朝纸机侧52。面朝纸幅侧51限定成形网带20a的X-Y平面，X-Y平面与Z-方向垂直。骨架30可以包含：连接至增强结构50之上并由此延伸的许多不连续的突起物35，如图3和3A所示。另外，如图2所示，骨架30可以是基本连续的。
在包含许多不连续突起物35的成形网带20a中，每个突起物35均有顶表面36，底面37，以及彼此有一定间距且连接顶表面36和底面37的壁38，如图3和图3A所示。许多顶表面36限定成形网带20a的纸幅侧表面21，而许多底面37限定成形网带20a的背面22。这种成形网带20a披露于普通转让的US5,245,025(1993年9月14日授权于Trokhan等人)和US5,527,428(1996年6月18日授权于Trokhan等人)，在此引入这两篇专利作为参考。
如图3所示，由许多不连续突起物35组成的成形网带20有在网带20的纸幅侧表面21和背面22之间延伸的基本连续的导管70。除连续导管70以外，网带20可以有布置在突起物35中并且也在成形网带20a的纸幅侧表面21和背面22之间延伸的许多不连续的挠曲导管75。包含基本连续导管70和不连续导管75的成形网带20a具有：分别被基本连续挠曲导管70和不连续导管75限定的高流速透液区和低流速透液区。当液体载体和所包含的纤维素纤维沉积至所述的成形网带20a上时，液体载体将在两个同时的阶段中通过成形网带20a排出，所述两个阶段为高流速阶段和低流速阶段，其详细内容描述于普通转让的并且在上面参考的US5,245,025中。
包含基本连续骨架30的网带20也可以用作成形网带20a。然而，具有基本连续骨架30的这种网带20应优选用作模制网带20b，如在下面将要详细说明的那样。具有基本连续骨架30的这种网带20披露于上面参考的普通转让的US5,514,345(1985年4月30日授权于Johnson等人)；US4,528,239(1985年7月9日授权于Trokhan)；US4,529,480(1985年7月16日授权于Trokhan)；在此引入这些专利作为参考。
本领域普通技术人员应明白的是，如果成形网带20a包含本领域熟知的并因此没有示出的成形网，那么，接触纸幅的成形网的表面包含：限定X-Y平面的纸幅侧表面21，成形网的反面将包含背面22，并且在成形网长丝之间的空隙包含：在成形网的纸幅侧表面21和背面22之间延伸的挠曲导管。
下一个步骤是：将优选悬浮于液体载体中的许多纤维素造纸纤维沉积至成形网带20a的纸幅侧表面21上，并且优选通过成形网带20a排出液体载体，从而在成形网带20a上形成造纸纤维的纸胚10。在此所使用的“纸胚”指的是：在造纸过程中，在成形网带20上进行重排的纤维素造纸纤维的纸幅。纸胚10的特性以及形成纸胚10的各种可能的工艺描述于上述普通转让的US4,529,480中，在此引入作为参考。
在示于图1和1A的方法中，通过将悬浮于液体载体中的纤维素纤维沉积至成形网带20a上并通过成形网带20a除去液体载体部分，在胸辊28a和转向辊28b之间，由悬浮于液体载体中的纤维素纤维形成纸胚10。没有在图1和1A中示出的常规的真空箱，成形板，案板等用于除去液体载体。
为清楚及一致，在本发明中使用的纸幅10，不管其处理阶段如何，均由相同的标号“10”来表示，即“纸胚10”，“中间纸幅10”，“预干燥纸幅10”等。最终产品纸幅由数字“10w”表示。
如图2A和3A所示，在成形网带20a上形成的纸胚10包含：第一部分纤维素纤维11和第二部分纤维素纤维12。第一部分纤维11是：与网带20的纸幅侧表面21在物理上有联系的部分，或者是相应于Z-方向的纸幅侧表面21的部分。第二部分12是：与网带20的纸幅侧表面21在物理上没有联系的部分，或者当使用带有骨架30的网带20时(所述骨架30包含许多不连续的突起物35)是(1)相应于Z-方向的连续挠曲导管70(图3A)，或者当使用带有基本连续骨架30的网带20时(图2A)是(2)相应于Z-方向的不连续的挠曲导管40。本领域普通技术人员应明白的是，相同的纤维可以(在许多场合将)包含第一部分11和第二部分12，即，至少一部分纤维可以在Z-方向相应于纸幅侧表面21，而另一部分相同的纤维可以在Z-方向相应于挠曲导管。
当使用包含基本连续挠曲导管70的成形网带20a时，纸胚10的第二部分12包含基本连续且构图的网(在Z-方向相应于基本连续导管70的区域)，该网优选具有相对高的定量；而纸胚10的第一部分11包含许多不连续的压节(相应于许多不连续的突起物35)，所述压节优选具有相对低的定量。包含许多不连续压节的第一部分11被第二部分12包围并与之邻接。包含许多不连续压节的第一部分11优选以非随机的重复图案存在，该图案相应于成形网带20a的许多不连续突起物35的优选的非随机图案。
如图3和3A所示，成形网带20a可以具有基本连续的导管70和分布在不连续突起物35中的不连续的导管75。在后者的情况下，纸胚10包含：相对于第一部分11的定量和第二部分12的定量优选具有中间定量的第三部分13。所述第三部分13以相应于不连续导管75的优选的非随机重复图案的形式存在。第三部分13与第一部分11并置，并且优选被第一部分包围。
普通转让的US5,628,876(以Ayers等人的名义于1997年5月13日授权)披露了骨架23的半连续图案，所述骨架也能用于本发明的网带20中。在此引入前述专利作为参考。
在形成纸胚10期间和形成纸胚10之后，纸胚10与成形网带20a一起沿箭头A指示的方向(图1和1A)被送入模制网带20b的附近。另外，单一网带20不仅可以用作成形网带20a而且可以用作模制网带20b。
下一步骤是：将纸胚10从成形网带20a送至模制网带20b的纸幅侧表面21上。可以使用常规的设备如真空引纸瓦(vacuum pickup shoe)27a(图1和1A)来完成该输送步骤。正如在上面已指出的那样，在本发明方法的一个实施方案中，单一网带20不仅可以用作成形网带20a而且可以用作模制网带20b。正如本领域普通技术人员将容易理解的那样，在后者的情况下，不需要输送步骤。另外，本领域普通技术人员将明白的是，示于图1和1A的真空引纸瓦27a是：将纸幅10从成形网带20a输送至模制网带20b上的一优选装置。为了将纸幅10从成形网带20a输送至模制网带20b上，还可以使用其它的设备，如中间网带或类似物(未示出)。在此引入普通转让的US4,440,579(1984年4月3日授权于Wells等人)作为参考。
优选的模制网带20b是宏观单平面的透液的网带。优选模制网带的一个实施方案示于图2和2A中。示于图2和2A中的模制网带20b优选包含：透气的增强结构50和连接至增强结构50之上并由此延伸的、基本连续的、并优选是树脂状的骨架30。模制网带20b的纸幅侧表面21包含：限定不连续挠曲导管40的纸幅侧开孔的基本连续的纸幅侧网，而模制网带20b的背面22包含：限定导管40背面开孔的背面网。正如上面已解释的那样，纸幅侧网限定X-Y平面，而Z-方向为垂直于X-Y平面的方向。
普通转让的US4,239,065(1980年12月16日授权于Trokhan，并在此引入作为参考)披露了另一种能用于本发明的造纸网带20。前述的网带没有树脂状骨架，该网带的纸幅侧表面21由以预定图案分布在整个网带中的同平面的交叉点来限定。另一能在本发明方法中用作造纸网带20的网带披露于EP-A-0677612A2中(1995年12月4日申请)。
尽管本发明中对于造纸网带20的增强结构25而言优选使用纺织元件，但造纸网带20可将毛毯用作增强结构来进行制备，如US5,556,509(1996年9月17日授权于Trokhan等人)以及下列专利申请所述：US5,629,052，流水号为08/391,372(1995年2月15日以Trokhan等人的名义申请，标题为：“将可固化树脂施加至用于造纸的衬底上的方法”；US5,837,103，流水号为08/461,832(1995年6月5日以Trokhan等人的名义申请，标题为：“包含毛毯层和光敏树脂层的纸幅构图装置”；这些专利和申请均转让给了Procter &Gamble公司，并且在此引入作为参考。
在示于图1，1A和1B的实施方案中，模制网带20b沿箭头B指示的方向运行。在图1中，模制网带20b通过转向辊29c，29d，压区辊29e，转向辊29a和29b。在图1A中，模制网带20b通过转向辊29a，29b，29c，29d，和29g。在图1和1A中，乳液分布辊29f将乳液从乳液浴分布至模制网带20b上。模制网带20b运行的环形线路优选还包括给纸幅10提供流体压差的装置，在本发明优选的实施方案中，所述装置包括：真空引纸瓦27a和真空箱27b。该环路带可以包括预干燥器(未示出)。此外，在本发明的造纸过程中优选使用水喷淋器(未示出)，以便清除在运行通过造纸过程的最后步骤之后仍保留在模制网带20b上的任何纸张纤维，粘合剂等。伴随模制网带20b的且同样也没有在图1和1A中示出的是：各种辅助的支承辊，转向辊，清洁装置，驱动装置等，这些设施常用于造纸机，并且本领域普通技术人员是熟知的。
下一个步骤是：将流体压差施加至纸胚10上，以便使至少一部分造纸纤维挠曲进入模制网带20b的不连续挠曲导管40中并从纸胚10中除去部分水，借此形成中间纸幅10。尽管施加流体压差的步骤是特别优选的，但是非强制性的。挠曲作用起将纸幅10中的造纸纤维重排成理想结构的作用。将流体压差施加至纸幅10上并使纤维挠曲进入模制网带20b的挠曲导管中的步骤详细描述于普通转让的US5,098,522(1992年3月24日授权于Smurkoski等人)中，在此引入作为参考；所述步骤可以在真空引纸瓦27a和真空箱27b处进行。
本发明方法的下一个步骤包括：对纸幅10的第一部分11即相应于网带20的纸幅侧表面21的纸幅10部分进行加热(图2A和3A)。据信，将第一部分11加热至足够的温度保持一段足够的时间将使得包含在第一部分11的造纸纤维中的FLIP软化。然后，在加压下，软化的FLIP将变得可流动并且能连接在第一部分11中相互并置的那些造纸纤维。可通过各种现有技术中已知的方法来完成对第一部分11的加热步骤。例如，如图1中简略示出的那样，可以通过加热网80对第一部分11进行加热。加热网80沿箭头C所指示的方向绕转向辊85a，85b，85c，和85d运行。加热网80与纸幅10的第一部分11接触。所述加热网80由加热装置85加热。所述的基本排列披露于US5,594,997(1997年1月21日授权于Jukka Lehtinen并转让给了Valmet公司(芬兰))中。另外，纸幅10可通过蒸汽加热，如披露于US5,506,456(1985年3月26日授权于Jukka Lehtinen并转让给了Valmet公司(芬兰)中。在此引入这两篇专利作为参考。
正如本领域普通技术人员将理解的那样，模制网带20b优选应具有足够的空隙体积，以便吸收从纸幅10中置换出的液体。另外，模制网带20b可以被另一网带“支撑”，该另一网带单独或与模制网带20b一起确实有足够的空隙体积。
可以分区域地将温度施加至纸幅10上(未示出)。例如，在第一区中，将纸幅快速加热至足以使包含在纸幅10的第一部分中的FLIP软化和流动的温度T1；而在第二区中，只将纸幅10保持在温度T1。所述的“分区”施加温度能更好地控制FLIP处于软化和可流动条件期间的时间，并且可以节省能量。
图1A和1B示出了本发明方法的实施方案，其中加热步骤在扬克式烘缸14上完成。在图1A和1B示出的实施方案中，扬克式烘缸14的表面为加热表面。
下一步骤为：将网带20的纸幅侧表面21压入纸幅10中。压印步骤优选通过使伴随网带20的纸幅10和网带20在两个相互对立的压榨元件之间进行压榨而完成；所述压榨元件分别为第一压榨元件61和第二压榨元件62，如图2A和3A中所示。第一压榨元件61和第二压榨元件62分别有第一压榨表面61w和第二压榨表面62w。第一压榨表面61w和第二压榨表面62w平行于X-Y平面，并且在Z-方向相互对立。纸幅10和网带20被夹在第一压榨表面61w和第二压榨表面62w之间，以致使第一压榨表面61w至少接触纸幅10的第一部分11，而第二压榨表面62w接触模制网带20b的背面22。当然，在本发明的某些实施方案中(具体地说，在未发生第二部分12的造纸纤维挠曲进入挠曲导管的实施方案中)，第一压榨表面61w可以接触纸幅10的第一部分11和第二部分12，如图3A中简略示出的那样。
第一压榨元件61和第二压榨元件62在Z-方向相互对着压榨(在图2A和3A中，通过箭头P简略地示出了压力)。在压力P之下，第一压榨表面61w将第一部分11对着网带20的纸幅侧表面21进行压榨，借此使第一部分11致密化，使第一部分11的造纸纤维素纤维相互适应。由于施加压力P的结果，所得到的在第一部分11的纤维之间的接触区域将增加，并且包含在第一部分11的纤维中的软化的FLIP将变成可流动的，并将相邻的且相互并置的第一部分11中的纤维互连。
在图1A和1B中示出的另外的实施方案中，压印步骤在扬克式烘缸14处完成。在这种情况下，扬克式烘缸14的表面包含：第一压榨表面61w。在传统的造纸条件下，当利用压区辊29e(图1)将纸幅10输送至扬克式烘缸14上时，纸幅10处于扬克式烘缸14和压印辊29e的表面之间的压力下的停留时间太短，以致使不能十分有利的对第一部分11的纤维施加压力并有效地使之致密化，即使第一部分11包含软化的FLIP也是如此。在图1A的1B示出的实施方案能使纸幅10压榨长得多的时间，并且能完全接收软化且可流动FLIP的优点。
在图1A中，纸幅10和模制网带20b在扬克式烘缸14的表面和压榨网带90之间压榨，所述压榨网带90有第一侧91和与第一侧91相反的第二侧92。扬克式烘缸14的表面包含：与纸幅10的第一部分11接触的第一压榨表面61w；而压榨网带90的第一侧91包含：与模制网带20b的背面22接触的第二压榨表面62w。压榨网带90优选是简略示于图1A中的沿箭头D指示的方向绕转向辊95a，95b，95c和95d运行的环状网带。
图1B示出了示于图1A中实施方案的变更。在图1B中，纸幅10和模制网带20b在扬克式烘缸14的表面和一系列压榨辊60之间进行压榨。类似于图1A示出的实施方案，在图1B中示出的实施方案中，扬克式烘缸14的表面是：与纸幅10的第一部分11接触的第一压榨表面61w。压榨辊60的表面是：与模制网带20b的背面22接触的第二压榨表面62w。优选的是，每个压榨辊60均是：在向扬克式烘缸14的表面施加压力的条件下可弹性变形的弹性辊。每个压榨辊60均沿箭头E指示的方向旋转。优选的是，在每个压榨辊60处的压力垂直地施加至扬克式烘缸14的表面上，即对着扬克式烘缸14的旋转中心施加压力。
图1B示出了第二压榨表面62w，所述压榨表面62w由将压力施加至模制网带20b背面22上的三个顺序的压榨辊60组成：第一压榨辊60a施加压力P1，第二压榨辊60b施加压力P2，而第三压榨辊60c施加压力P3。使用多个压榨辊60能以独立的阶段施加不同的压力(图1B)，例如P1＜P2＜P3或P1＞P2＞P3，或者P1，P2，P3任何希望的组合。本领域普通技术人员将理解的是，压榨辊60的数量可以不同于为说明本发明方法一种可能实施方案而在图1B中示出的压榨辊的数量。类似于上面解释的“分区”施加温度，使用多个压榨辊60在独立的阶段中施加不同的压力，将增加使FLIP软化并流动的条件最佳化的灵活性。
优选的是，对纸幅10的加热和压榨步骤同时进行。在后者的情况下，第一压榨表面61w优选包含或伴随有加热元件。在图2A和3A中，例如，第一压榨表面61w包含：根据图1中示出的方法的实施方案的加热网80。在图1A和1B中，第一压榨表面61w包含扬克式烘缸14的加热表面。据信，对纸幅10的第一部分11同时进行压榨和加热将有利于包含在第一部分11的纤维素纤维中的FLIP的软化和流动性，并改善纸幅10的第一部分11的致密化作用。
正如上面所指出的那样，在传统造纸条件下，当纸幅10传递至扬克式烘缸14上时，纸幅10处于扬克式烘缸14和压区辊29e的表面之间的压力(图1)下期间的停留时间太短，以致使不能有效地使FLIP软化。尽管某些致密化作用确实在纸幅10传递至扬克式烘缸表面上时在扬克式烘缸14的表面和压区辊29e表面之间的压区处发生，但传统的造纸条件不能使纸幅10在加压条件下保持长于约2-5毫秒。同时，据信，为了使软化的FLIP流动并使第一部分11中的纤维互连，优选的停留时间至少约0.1秒(100毫秒)。
与传统造纸方法相反，示于图1A和1B的实施方案能明显增加停留时间，在停留期间，纸幅将经受足以使FLIP变得可流动并使纸幅10第一(加压)部分11中造纸纤维互连的湿度和压力的组合作用。根据本发明的方法，更优选的停留时间大于约1.0秒。最优选的停留时间在约2秒和约10秒之间。本领域普通技术人员将容易理解的是，在造纸网带20的给定速度下，停留时间将与纸幅10处于加压状态下的通道的长度成正比。
尽管纸幅10的第一部分11在第一压榨元件61和网带20的纸幅侧表面21之间经受压榨，但纸幅10的第二部分12却不经受压榨，因此，将保持基本未致密化纸幅的吸收性和柔软性。正如上面已指出的那样，如果不使第二部分12的造纸纤维挠曲进入挠曲导管中，那么，第一压榨表面61w可能会接触纸幅10的第一部分11和第二部分12。另外，如图2A和3A所示，甚至在后者的情况下，当第一部分11经受压榨时，第二部分12也不经受压榨。
可以预期的是，使FLIP软化并变得可流动以便使相邻造纸纤维互连的优选的举例性条件包括：将水含量约30％或更大(即约70％的稠度或更小)的纸幅10的第一部分11加热至至少70℃保温至少0.5秒钟并且优选在至少1巴(14.7PSI)的压力下。更优选的是，水含量至少约50％，停留时间至少约1.0秒，而压力至少约5巴(73.5PSI)。如果通过第一压榨表面61w对纸幅10进行加热，第一压榨表面61w的优选温度至少约150℃。
下一个步骤包括：固定可流动的FLIP，并在纸幅10第一部分11中软化且互连的纤维素纤维之间产生潜在的固有的液体聚合物键(或FLIP键)。可通过对纸幅10第一部分11进行冷却，或对纸幅第一部分11进行干燥，或释放已施加至纸幅10第一部分11上的压力，而完成FLIP的固定步骤。这三个前述的步骤可以交替进行，或组合进行，同时进行或顺序进行。例如，在本发明方法的一个实施方案中，单独的干燥步骤，或单独地冷却步骤将足以使FLIP固定。在另一实施方案中，例如，冷却步骤可以与释放压力的步骤相结合。当然，这三个步骤可以结合起来同时进行，或以任何次序顺序进行。
本发明的造纸方法还可以包括：对中间纸幅10的非强制性的预干燥步骤，以便形成预干燥纸幅10，该预干燥步骤在加热步骤之前进行。可以使用造纸领域中任何常规的装置(未示出)对中间纸幅10进行预干燥。例如，径流干燥器(flow-through dryers)，非加热的毛细管脱水装置，以及扬克式烘缸单独使用或结合使用，均将是令人满意的。
下一个步骤是：将纸幅10干燥至大于约70％的稠度。优选的是，干燥步骤在纸幅被加热并在第一和第二压榨元件61和62之间压榨时进行。
本发明造纸方法的下一个步骤是：使干燥纸幅10的非强制性的缩短步骤。在本发明中使用的缩短指的是：当以使纸幅10的长度减小并使纸幅10中纤维伴随某些纤维-纤维键的断裂而进行重排的方式将能量施加至干燥纸幅10上时，干燥纸幅10长度的减小。可以若干熟知方式的任一种方式完成缩短作用。最常用且优选的方法是简略示于图1A和1B中的起皱。在起皱操作中，将干燥纸幅10粘结至一表面上，然后利用刮刀16从该表面上除去。纸幅10通常粘结至其上的表面还起干燥表面，通常是扬克式烘缸14的表面的作用。通常，只将与干燥网带20的纸幅侧表面21联系的纸幅10的第一部分11直接粘结至扬克式烘缸14的表面上。纸幅10的第一部分11的图案以及其相对于刮刀16的取向将主要地决定赋予最终纸幅10w的起皱程度和起皱特性。如普通转让的US4,440,597(1984年4月3日授权于Wells等人并在此引入作为参考)中所披露的，纸幅10也可以是湿微起皱的。
图4和4A示出了最终纸幅10w预期的实施方案，所述纸幅10w是：利用简略示于图2和2A中的带有基本连续骨架30的造纸网带20通过本发明的方法制得的。示于图4和4A的纸幅10w包含：许多高密度的第一微观区和许多低密度的第二微观区。高密度微观区包含潜在的固有的液体聚合物键合的(或FLIP键合的)纤维素纤维。确定是否已形成FLIP键的一种方法描述于：Leena Kunnas等人的文章中，“Condebelt干燥对纤维键结构的影响”，TAPPI杂志，Vol.76，No.4，1993年4月，在此引入该文作为参考，并作为附件结合至本发明中。
优选的是，低密度微观区不含FLIP键合的纤维素纤维。许多高密度的第一微观区包含：基本连续、宏观单平面且构图的网状区11w(由纸幅10的第一部分11的纤维形成)。许多低密度的第二微观区包含：许多不连接的圆顶12w(由纸幅10第二部分12的纤维形成)。基本上所有圆顶12w均彼此独立地分布在整个网状区11w中，并被网状区11w包围。圆顶12w在Z-方向上由网状区11w的主体平面延伸。优选的是，圆顶区12w以非随机且重复的图案排列，所述图案相应于网带20的树脂状骨架30的不连续导管40的图案。
虽然没有说明利用造纸网带20根据本发明方法制得的纸幅，所述网带具有包含简略示于图3和3A的不连续突起物35的骨架30；但通过将其设想在图4中将容易地想像出；其中由标号11w表示的基本连续的区域是由第二(低密度)部分的纤维形成的区域；而由标号12w表示的不连续的区域是由第一(高密度)部分的纤维形成的区域。然后，在造纸网带20上制得的纸幅将具有：包含许多不连续压节的许多高密度的第一区，和包含基本连续的且构图的网状区域的许多低密度的第二区；其中所述的造纸网带20具有包含不连续突起物35的骨架30。所述压节被网状区域包围并分散在其中。
如图3所示，如果骨架30的不连续突起物35中有不连续的挠曲导管40，那么，可以预期的是，纸幅还将包含：许多第三微观区，所述第三微观区相应于不连续的导管40并由第三部分13(图3A)的纤维形成。许多第三微观区将包含低密度区，这些区基本上都与许多高密度的第一区并置，并且彼此分开。
Claims (10)
1.一种包含潜在的固有的液体聚合物的纤维素纤维的不同密度的单层纸幅，所述纸幅至少有两个以非随机且重复图案排列的多元微观区，所述纸幅包含：
第一多元高密度微观区，该区包含潜在的固有的液体聚合物键合的纤维素纤维；和
第二多元低密度微观区，该区不含所述潜在的固有的液体聚合物键合的纤维素纤维。
2.根据权利要求1的纸幅，其中所述的潜在的固有的液体聚合物包含：半纤维素，木素，聚合萃取物或其任意的组合。
3.根据权利要求1或2的纸幅，其中所述的第一多元高密度微观区包含：基本连续的，宏观单平面的且构图的网状区域；而所述的第二多元低密度微观区包含：许多不连续的圆顶，基本上所有所述的圆顶均分布在整个所述的网状区中，被所述网状区包围，并且彼此被所述网状区分开。
4.一种不同密度的单层纤维素纸幅的制备方法，所述纸幅至少包含：第一多元高密度微观区和第二多元低密度微观区；所述方法包含如下步骤：
(a)提供包含潜在的固有的液体聚合物的许多造纸纤维素纤维，所述潜在的固有的液体聚合物包含半纤维素，木素，聚合萃取物或其任意的组合；
(b)提供宏观单平面且透液的造纸网带，所述网带具有限定X-Y平面的纸幅侧表面，与所述纸幅侧表面相反的背面，垂直于所述X-Y平面的Z-方向，以及在所述纸幅侧表面和所述背面之间延伸的挠曲导管；
(c)将包含潜在的固有的液体聚合物的所述许多纤维素纤维沉积至所述造纸网带的所述纸幅侧表面上，以便在所述造纸网带上形成所述纤维素纤维的纸幅，所述纸幅至少包含在该Z-方向相应于所述纸幅侧表面的第一部分，和在所述Z-方向上与所述的挠曲导管相对应的第二部分；
(d)对所述纸幅的至少所述第一部分进行加热，以便使包含在所述第一部分的纤维素纤维中的所述潜在的固有的液体聚合物软化；
(e)将所述造纸网带的所述纸幅侧表面在压力下压印入所述纸幅中，借此使所述纸幅的所述第一部分致密化，并使所述潜在的固有的聚合物流动并将在所述第一部分中相互并置的所述纤维素纤维互连；和
(f)使所述可流动的潜在的固有的液体聚合物固定并在所述第一部分中互连的所述纤维素纤维之间形成潜在的固有的液体聚合物键。
5.根据权利要求4的方法，其中所述的使所述可流动的潜在的固有的液体聚合物固定并形成潜在的固有的液体聚合物键的步骤包括：至少对所述纸幅的所述第一部分进行干燥，或对所述纸幅的至少该第一部分进行冷却，或释放对所述纸幅的所述第一部分施加的所述的压力，或其任意的组合。
6.根据权利要求5的方法，其中所述的使所述可流动的潜在的固有的液体聚合物固定并形成潜在的固有的液体聚合物键的步骤包括：在低于70℃的温度下，将所述纸幅干燥至至少70％的稠度。
7.根据权利要求4，5或6的方法，其中，将所述造纸网带的所述纸幅侧表面压印入所述纸幅中的所述步骤包括：在第一压榨元件和与所述第一压榨元件相对的第二压榨元件之间对所述纸幅和所述造纸网带进行压榨；所述第一和第二压榨元件分别有第一压榨表面和第二压榨表面，所述第一和第二压榨表面平行于所述的X-Y平面并且在所述Z-方向是相对的，所述纸幅和所述造纸网带被夹在所述第一和第二压榨表面之间，所述第一压榨表面与所述纸幅接触，而所述第二压榨表面与所述造纸网带的所述背面接触，所述第一和第二压榨元件在所述Z-方向相互压榨。
8.根据权利要求7的方法，其中所述的第一压榨表面包含压榨网带。
9.根据权利要求7的方法，其中所述的第一压榨表面包含扬克式烘缸的表面。
10.根据权利要求6的方法，另外还包括：对所述纤维素纤维的所述纸幅施加流体压差，以致使所述纸幅的所述第一部分留在所述造纸网带的所述纸幅侧表面上，而使所述纸幅的所述第二部分挠曲进入所述的挠曲导管中，借此，从所述纸幅中除去部分所述的液体载体；所述将流体压差施加至所述纸幅上的步骤在步骤(c)之后和步骤(d)之前进行。
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