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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Papierherstellung und
insbesondere auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zum Entfernen
von Wasser aus einer zellulosehaltigen Bahn.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Zellulosehaltige
Faserstrukturen, wie Papiertücher,
Gesichtstissues, Binden und Toilettentissues sind Stapelware des
alltäglichen
Gebrauchs. Die Nachfrage nach solchen Verbraucherprodukten und die
anhaltende Verwendung derselben hat eine Nachfrage nach verbesserten
Versionen dieser Produkte und nach einer Verbesserung bei den Verfahren
zu ihrer Herstellung hervorgerufen. Solchen zellulosehaltigen Faserstrukturen
werden hergestellt, indem ein wässriger
Brei aus einem Stoffauflaufkasten auf einem Fourdrinier-Sieb oder einer
Doppelsiebblatt-Papiermaschine
abgelagert wird. In beiden Fällen
ist ein solches Formungssieb ein endloses Band, durch welches ein
anfängliches
Entwässern
erfolgt und eine Faser-Neuanordnung
statt findet.
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Nach
der anfänglichen
Formation der Bahn, welche später
die zellulosehaltige Faserstruktur wird, transportiert die Papiermachermaschine
die Bahn zum trockenen Ende der Maschine. Am trockenen Ende einer
herkömmlichen
Maschine kompaktiert ein Pressfilz die Bahn in eine einzelne Region,
das heißt,
mit gleichförmiger
Dichte und Flächenmasse,
der zellulosehaltigen Faserstruktur vor einem endgültigen Trocknen.
Das endgültige
Trocknen wird üblicherweise
durch eine erwärmte
Trommel herbei geführt,
wie beispielsweise einer Yankee-Trocknungstrommel.
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Eine
der signifikanten Verbesserungen des Herstellungsverfahrens ist
die Verwendung einer Durchlufttrocknung, mit der eine herkömmliche
Pressfilz-Entwässerung ersetzt
wird. Die Durchlufttrocknung ergibt signifikante Verbesserungen
in den Verbraucherprodukten. Bei der Durchlufttrocknung beginnt,
wie bei der Pressfilz-Trocknung
die Bahn auf einem Formungssieb, welches einen wasserhaltigen Brei
von weniger als einem Prozent Konsistenz (das prozentuale Gewicht
der Fasern im wasserhaltigen Brei) aus einem Stoffauflaufkasten
erhält.
Ein anfängliches
Entwässern
findet auf dem Formungssieb statt. Von dem Formungssieb wird die
Bahn auf ein luftdurchlässiges
Durchluft-Trocknungsband übertragen.
Diese "nasse Übertragung" findet typischerweise
an einem Aufnahme-Schuh (PUS) statt, wobei an diesem Punkt die Bahn
erstmals an die Topographie des Durchluft-Trocknungsbandes angeformt
wird. Diese Anformung ist offenbart in
EP 0 140 404 , veröffentlicht für Trokhan
am 27. April 1988.
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Die
Durchlufttrocknung ergibt ein strukturiertes Papier mit Regionen
unterschiedlicher Dichten. Dieser Papiertyp wurde in wirtschaftlich
erfolgreichen Produkten verwendet, wie beispielsweise Bounty-Papiertüchern und
Badezimmertissues der Marken Charmin und Charmin Ultra. Die traditionelle
herkömmliche
Filztrocknung erzeugt kein strukturiertes Papier und seine damit
zusammenhängenden
Vorteile. Es war jedoch erwünscht, ein
strukturiertes Papier unter Verwendung einer herkömmlichen
Filztrocknung unter Geschwindigkeiten herzustellen, die sich denjenigen
der mit Durchluft trocknenden Systeme annähert.
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Es
wurden Versuche unternommen, ein herkömmliches Filz mit einem gemusterten
Rahmenwerk darauf zum Eindrücken
der embryonischen Bahn zu verwenden. Beispiele dieser Versuche im
Stand der Technik umfassen die allgemein übertragenen US Patente Nrn.
5,556,509, veröffentlicht
am 17. September 1996 für Trokhan
et al.; 5,580,423, veröffentlicht
am 03. Dezember 1996 für
Ampulski et al.; 5,609,725, veröffentlicht am
11. März
1997 für
Phan; 5,629,052, veröffentlicht
am 13. Mai 1997 für
Trokhan et al.; 5,637,194, veröffentlicht
am 10. Juni 1997 für
Ampulski et al.; 5,674,663, veröffentlicht
am 07. Oktober 1997 für
McFarland et al.; und 5,709,775, veröffentlicht am 20. Januar 1998
für Trokhan
et al.
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Weitere
Versuche wurden unternommen, in denen eine Papierbahn auf einem
separaten Prägegewebe
transportiert wurde und die Kombination in einem Kompressionsspalt,
der zwischen zwei Walzen ausgebildet war, komprimiert wurde. Das
US Patent 4,421,600, veröffentlicht
am 20. Dezember 1983 für
Hostetler, offenbart eine Vorrichtung mit zwei Filzen, drei Pressvorgängen und
einem separaten Gewebe-Prägestoff.
Bei Hostetler wird die Bahn auf dem Prägestoff durch die Pressvorgänge transportiert,
bevor es an den Yankee-Trockner abgegeben wird.
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Ein
weiterer solcher Versuch im Stand der Technik ist dargestellt in
US 4,309,246 , veröffentlicht
am 05. Januar 1982 für
Hulit et al. Hulit et al. beschreiben drei Konfigurationen, in welchen
ein Spalt zwischen zwei Walzen gebildet wird. In jeder Konfiguration
wird eine Papierbahn auf einen Prägestoff transportiert, der
Kompaktionselemente aufweist, die durch Höcker gebildet werden, die an Überkreuzpunkten
von Schuss und Kette ausgebildet sind. Der Prägestoff, die Bahn und ein Filz
werden zwischen den Walzen komprimiert.
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Jeder
der vorerwähnten
Ansätze
des Standes der Technik erfordert ein komplexes Spaltsystem, um die
Kombination aus Prägestoff/Papierbahn
in Kontakt mit einer separaten Filzschleife zu bringen. Darüber hinaus
müssen
die Systeme, damit sie die Papierbahn ausreichend entwässern, bei
geringeren Geschwindigkeiten als mit Durchluft trocknende Systeme
arbeiten.
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Das
allgemein übertragene
US Patent 5,637,194, veröffentlicht
am 10. Juni 1997 für
Ampulski et al. offenbart eine alternative Papiermaschinen-Ausführungsform,
in welcher ein erstes Entwässerungsfilz
angrenzend an eine Fläche
des Prägelements
positioniert ist, wenn die geformte Bahn auf dem Prägeelement
von einem ersten Kompressionsspalt, der zwischen zwei Druckwalzen
und einem zweiten Entwässerungsfilz
gebildet ist, zu einem zweiten Kompressionsspalt, der zwischen einer
Druckwalze und einer Yankee-Trocknungstrommel ausgebildet ist, befördert wird.
Das Prägeelement
prägt die
geformte Bahn und befördert
diese zu der Yankee-Trocknungstrommel.
Das Vorhandensein des ersten Filzes angrenzend an das Prä geelement
an den zwei Kompressionsspalten führt zu einer zusätzlichen
Wasserentfernung aus der Bahn vor einer Übertragung auf die Yankee-Trommel
Die vorliegende Erfindung liefert eine Bahn-Musterungsvorrichtung,
die geeignet ist zum Herstellen eines strukturierten Papiers auf
einer herkömmlichen
Papiermachermaschine, ohne dem Erfordernis nach einem zusätzlichen
Entwässerungsfilz
oder Kompressionsspalt. Die Erfindung liefert eine Bahn-Musterungsvorrichtung,
die in der Lage ist, eine Papierbahn unter Verwendung von herkömmlichen Filz-Entwässerungstechniken
zu entwässern,
und zwar mit einem einzigen Kompressionsspaltsystem, während sie
bei Geschwindigkeiten arbeitet, die sich an diejenigen von mit Durchluft
trocknenden Systemen annähern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung umfasst eine Papiermachervorrichtung und ein Verfahren
zum Entfernen von Wasser aus einer zellulosehaltigen Bahn. Die Papiermachervorrichtung
umfasst ein Prägelement
mit einem absoluten Lückenvolumen,
das in der Lage ist, eine hydraulischen Verbindung zwischen einer
Zellulosebahn und einem Kapillar-Entwässerungselement
zu bilden, wenn diese in einem Spalt komprimiert werden. Das absolute
Lückenvolumen
wird basierend auf einer Schätzung
des Wasservolumens vorbestimmt, das aus der zellulosehaltigen Bahn
am Spalt ausgepresst wird. Für
die vorliegende Erfindung beträgt
das Verhältnis
des aus der Bahn ausgetriebenen Wasservolumens zum absoluten Lückenvolumen
des Prägelements
wenigstens etwa 0,5.
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Der
Spalt kann zwischen einer ersten und einer zweiten koaxial nebeneinander
angeordneten Walze ausgebildet sein. Die zellulosehaltige Bahn wird
auf der Deckseite des Prägeelements
befördert.
Die zellulosehaltige Bahn und das Prägeelement sind in dem Spalt
derart angeordnet, dass die obere Oberfläche der zellulosehaltigen Bahn
in einer Kontaktbeziehung mit dem Umfang der ersten Walze steht.
Im Spalt ist die Rückseite
des Prägeelements
in einer Kontaktbeziehung mit der oberen Ober fläche eines Kapillar-Entwässerungselements,
während
die untere Oberfläche
des Kapillar-Entwässerungselements
in einer Kontaktbeziehung mit dem Umfang der zweiten Walze steht.
Der Spalt komprimiert die Papierbahn, das Prägeelement und das Kapillar-Entwässerungselement.
Das aus der Bahn ausgetriebene Wasser gelangt durch das Prägeelement
zu dem Kapillar-Entwässerungselement
und bildet eine hydraulische Verbindung zwischen diesen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Obwohl
die Beschreibung mit den Ansprüchen
zusammenfällt,
welche die vorliegende Erfindung besonders heraus stellen und deutlich
beansprucht, wird die Erfindung aus der folgenden Beschreibung in
Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen besser verständlich,
in welchen ähnliche
Bezeichnungen verwendet werden, um im Wesentlichen identische Element
zu bezeichnen, und in welchen:
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1 eine
hervor gehobene vertikale Seitenansicht einer Papiermachermaschine
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
bruchstückhafte
Draufsicht des in 1 gezeigten Prägeelements
ist;
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3 eine
vertikale Schnittansicht entlang von Linien 3-3 in Fig. ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Definitionen:
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Wie
hier verwendet, haben die folgenden Ausdrücke die folgenden Bedeutungen:
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Eine
hydraulische Verbindung ist eine kontinuierliche Verbindung, die
durch Wasser oder eine andere ähnliche
Flüssigkeit
gebildet wird.
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Ein
Lückenvolumen
(VV) ist der offene Raum, der einen Weg für Fluide bereit stellt.
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Ein
relatives Lückenvolumen
(VVRelativ) ist das Verhältnis VV zum Gesamtvolumen
des Raumes, der von einer gegebenen Probe eingenommen wird.
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Das
absolute Lückenvolumen
(VVAbsolut) ist das volumetrische Maß des VV
pro Einheitsfläche
in
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Die
Maschinenrichtung, als MD bezeichnet, ist die Richtung parallel
zum Weg der zellulosehaltigen Bahn durch die Produkt-Herstellungsanlage.
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Die
Quermaschinenrichtung, mit CD bezeichnet, ist die Richtung senkrecht
zu der Maschinenrichtung in der gleichen Ebene der zellulosehaltigen
Bahn.
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Ein
Kapillar-Entwässerungselement
ist eine Einrichtung zum Entfernen von Wasser auf dem Wege einer
kapillaren Anziehung.
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Die
Dicke ist die makroskopische Dicke einer Probe, gemessen, wie dies
unten beschrieben wird.
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Die
Flächenmasse
(BW) ist das Gewicht von Zellulosefasern (in Gramm, g) pro Einheitsfläche (cm2) einer Probe einer zellulosehaltigen Bahn,
die in g/cm2 festgehalten wird.
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Eine
Papierbahn ist auch, wie hier verwendet, ein Synonym für eine zellulosehaltige
Bahn.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Entwässern einer
zellulosehaltigen Bahn 20. Mit Bezug auf 1 wird
ein wasserhaltiger Brei mit zellulosehaltigen Fasern und Wasser
von einem Stoffauflaufkasten 10 auf ein Formungssieb 15 abgegeben
und dann auf eine Trocknungsvorrichtung mit einem Prägeelement 30 überführt, das
als Endlosband dargestellt ist. Das Prägeelement 30 beför dert die
zellulosehaltige Bahn 20 mit dem enthaltenden Wasservolumen
zu einem Spalt 38, der zwischen zwei koaxialen Walzen ausgebildet
ist. Die erste Walze 70 kann eine erhitzte Walze sein,
wie beispielsweise eine Yankee-Trocknungstrommel, wie sie in 1 gezeigt
ist. Die zwei Walze 35 kann eine Druckwalze mit einem Umfang
sein, auf dem ein Kapillar-Entwässerungselement 60 angeordnet
ist. Das Kapillar-Entwässerungselement 60 kann
ein Filz sein, und die Druckwalze kann eine Vakuum-Druckwalze sein.
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Das
Kapillar-Entwässerungselement 60 umfasst
eine obere Oberfläche 62 und
eine untere Oberfläche 64.
In dem Spalt 38 ist die untere Oberfläche 64 des Kapillar-Entwässerungselements 60 der
zweiten Walze 35 zugewandt, während die obere Oberfläche 62 einer
Rückseite 32 des
Prägeelements 30 zugewandt
ist, derart, dass die auf der Oberseite 31 des Prägeelements 30 beförderte zellulosehaltige
Bahn 20 der ersten Walze 70 zugewandt ist. Der
Spalt 38 komprimiert das Kapillar-Entwässerungselement 60,
das Prägeelement 30 und die
zellulosehaltige Bahn 20 in Kombination, drückt ein
Volumen von Wasser aus der Bahn, durch das Prägeelement 30 hindurch
in das Kapillar-Entwässerungselement 60.
Zum gleichen Zeitpunkt prägt
das Prägeelement 30 die
zellulosehaltige Bahn, während
diese auf die Yankee-Trocknungstrommel 70 übertragen
wird.
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Bedarfsweise
kann ein Vakuum durch eine zweite Walze 35 an das Kapillar-Entwässerungselement 60 angelegt
werden. Diese Vakuum unterstützt
die Wasserentfernung aus dem Kapillar-Entwässerungselement 60 und
somit aus der zellulosehaltigen Bahn 20. Die zweite Walze 35 kann
eine Vakuum-Druckwalze sein. Ein Dampfkasten ist gegenüber der
Vakuum-Druckwalze 35 angeordnet. Der Dampfkasten stößt Dampf durch
die zellulosehaltige Bahn 20 hindurch. Wenn der Dampf durch
die zellulosehaltige Bahn 20 hindurch geht und/oder in
dieser kondensiert, erhöht
dieser die Temperatur und verringert die Viskosität des darin
enthaltenden Wassers und unterstützt
eine bessere Entwässerung.
Der Dampf und/oder das Kondensat wird durch die Vakuum-Druckwalze 35 gesammelt.
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Natürlich wird
der Fachmann erkennen, dass die gleichzeitigen Präge-, Entwässerungs-
und Übertragungsvorgänge auch
in anderen Ausführungsformen
auftreten können,
als denjenigen, die eine Yankee-Trocknungstrommel 70 benötigen. Zum
Beispiel können
zwei flache Oberflächen
nebeneinander angeordnet sein, um zwischen sich einen länglichen
Spalt 38 auszubilden. Alternativ können zwei Walzen verwendet
werden, von denen keine erhitzt ist. Die Walzen können zum
Beispiel Teil eines Kalanderstapels oder eines Vorgangs sein, welcher
ein funktionales Additiv auf die Oberfläche der Bahn druckt. Funktionale
Additive umfassen: Lotionsemollienten, Dimethicone, Weichmacher,
Parfüme,
Menthole, etc., welche im Stand der Technik allgemein bekannt sind.
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Es
hat sich heraus gestellt, dass für
ein gegebenes Prägeelement 30 die
Menge Wasser, die aus der Zellulosebahn 20 im Spalt 38 entfernt
wird, in direktem Bezug steht zu der hydraulischen Verbindung, die
zwischen der zellulosehaltigen Bahn 20 und dem kapillaren
Entwässerungselement 60 über das
Prägeelement 30 gebildet
wird. Das Prägeelement 30 hat
ein absolutes Lückenvolumen,
welches so ausgebildet sein kann, dass die hydraulische Verbindung
optimiert wird, und eine entsprechende Wasserentfernung maximiert
wird.
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Die
Wassermenge in einer zellulosehaltigen Bahn 20 wird bewertet
durch die Konsistenz, welche das prozentuale Gewicht einer Bahn
aus Fasern bildenden Zellulosefasern und von Wasser ist. Die Konsistenz wird
bestimmt durch den folgenden Ausdruck
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Beim
Eintritt in den Spalt
38 kann eine zellulosehaltige Bahn
20 eine
Eingangskonsistenz von etwa 0,22 haben, mit etwa 4,54 g Wasser/g
Fasern. Die gewünschte
Konsistenz für
eine zellulosehaltige Bahn
20, die aus dem Spalt
38 austritt,
beträgt
etwa 0,40, mit etwa 2,50 g Wasser/g Fasern. So werden etwa 2,04
g Wasser/g Fasern am Spalt entfernt. Mit der Flächenmasse der zellulosehaltigen
Bahn beim Eintritt in den Spalt wird das Volumen des am Spalt ausgetriebenen
Wassers durch die folgende Gleichung bestimmt:
in welcher
BW = Flächenmasse
der aus dem Spalt austretenden Bahn,
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Um
eine Wasserentfernung am Spalt zu maximieren, beträgt das Verhältnis des
Wasservolumens, das von aus der Zellulosebahn 20 ausgetrieben
wird, zu dem absoluten Lückenvolumen
des Prägeelements 30 wenigstens
etwa 0,5. Das Verhältnis
des Wasservolumens, das aus der zellulosehaltigen Bahn 20 ausgetrieben
wird, zum absoluten Lückenvolumen
des Prägeelements 30 kann
wenigstens etwa 0,7 betragen. In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis größer als
1,0 sein.
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Das
Prägeelement
kann einen Gewebestoff umfassen. Gewebestoffe umfassen typischerweise
Kett- und Schussfilamente, wobei die Kettfilamente parallel zur
Maschinenrichtung verlaufen und die Schussfilamente parallel zur
Quermaschinenrichtung verlaufen. Die Kett- und Schussfilamente bilden
diskontinuierliche Höcker,
dort, wo die Filamente übereinander
in Folge kreuzen. Diese diskontinuierlichen Höcker liefern diskret geprägte Flächen in
der zellulosehaltigen Bahn 20 während des Papierherstellungsprozesses.
Wie hier verwendet, wird der Ausdruck "lange Höcker" dazu verwendet, um diskontinuierliche
Höcker
zu definieren, die gebildet werden, wenn die Kett- und Schussfilamente über zwei
oder mehr Kett- bzw. Schussfilamente kreuzen.
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Die
Höcker-Prägefläche des
Gewebestoffes kann verbessert werden durch ein Besanden der Oberfläche der
Filamente an den Kett- und Schuss-Überkreuzungspunkten.
Solche besandeten Gewebestoffe werden hergestellt in U-bereinstimmung mit
den Lehren des US Patent Nr. 3,573,164, veröffentlicht für Friedberg et
al. am 30. März
1991, und US Patent Nr. 3,905,863, veröffentlicht für Ayers
am 16. September 1975.
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Das
absolute Lückenvolumen
des Gewebestoffes kann bestimmt werden, indem die Dicke und das Gewicht
einer Probe eines Gewebestoffes von bekannter Fläche gemessen wird. Die Dicke
wird gemessen, indem die Probe des Gewebestoffes auf eine horizontale
flache Oberfläche
gelegt wird und diese zwischen der flachen Oberfläche und
einem Lastfuß mit
einer horizontalen Belastungsfläche
eingegrenzt wird, wobei die Belastungsfläche des Lastfußes eine
kreisförmige
Oberfläche
von etwa 3,14 Quadratinch (20,26 cm2) hat
und einen Grenzdruck von etwa 15 g/cm2 (0,21
psi) auf die Probe ausübt.
Die Dicke ist die resultierende Lücke zwischen der flachen Oberfläche und
der Belastungsfläche
des Lastfußes.
Solche Messungen können
erhalten werden auf einem VIR Electronic Thickness Tester Model
II, erhältlich
von Thwing-Albert, Philadelphia, Pa.
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Die
Dichte der Filamente wird bestimmt, während die Dichte des Lückenraumes
als 0 g/cm
3 angenommen wird. Zum Beispiel
haben Polyester (PET)-Filamente eine Dichte von 1,38 g/cm
3. Die Probe mit bekannter Fläche wird
ausgewogen, wodurch sich die Masse der Testprobe ergibt. Das absolute
Lückenvolumen
(VV
Absolut) pro Einheitsfläche des
Gewebestoffes wird dann berechnet durch die folgenden Formeln (mit
Umwandlungen von Einheiten, wo dies angesagt ist):
in welcher,
V
Total = Totalvolumen der Testprobe (t × A)
V
Filamente = Feststoffvolumen des Gewebestoffes
gleich dem Volumen der Filamentbestandteile alleine
t = Dicke
der Testprobe
A = Fläche
der Testprobe
m = Masse der Testprobe
r = Dichte der Filamente
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Das
relative Lückenvolumen
wird bestimmt durch die folgende Gleichung
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Für die vorliegende
Erfindung kann eine maximale Wasserentfernung am Spalt für einen
Gewebestoff erreicht werden, bei welchem das VVRelativ im
Bereich von einer unteren Grenze von etwa 0,05, vorzugsweise einer
unteren Grenze von 0,10 bis zu einer oberen Grenze von etwa 0,45,
vorzugsweise einer oberen Grenze von etwa 0,4 liegt. Für einen
besandeten Gewebestoff beträgt
die obere Grenze des VVRelativ etwa 0,30.
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2 zeigt
ein Prägeelement 30,
in welchem der Gewebestoff als eine Verstärkungsstruktur für ein Harzhöckermuster 42 dient. 3 zeigt
einen Querschnitt einer Einheitszelle eines Prägeelements 30 in einem
Kompressionsspalt 38, der zwischen einer Yankee-Trommel 70 und
einer Druckwalze 35 ausgebildet ist. Das Prägeelement 30 hat
eine Oberseite 31 in einer Berührungsbeziehung mit der zellulosehaltigen
Bahn 20 und eine Rückseite 32 in
Berührungsbeziehung
mit einem Kapillar-Entwässerungselement 60.
Für diese
Ausführungsform
definiert das Höckermuster 42 Umbiegungskanäle 46.
Das Kapillar-Entwässerungselement 60 umfasst
ein Entwässerungsfilz.
Im Spalt 38 komprimiert das Höckermuster 42 die
zellulosehaltige Bahn 20, was die Fasern kompaktiert, während gleichzeitig
das Wasser in die Umbiegungskanäle 46 gedrückt wird.
In den Umbiegungskanälen 46 fließt das Wasser
durch das absolute Lückenvolumen
der Verstärkungsstruktur und
bildet eine hydraulische Verbindung mit dem Kapillar-Entwässerungselement.
Die zellulosehaltigen Fasern werden durch das Feststoffvolumen der
Verstärkungsstruktur 44 zurückgehalten
und bilden Kissenbereiche geringer Dichte in der zellulosehaltigen
Bahn 20.
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Das
VV
Absolut eines Prägeelements
30 mit
einem Harzhöckermuster
42,
wie es in
2 gezeigt ist, wird bestimmt,
indem eine Probe des Prägeelements
30 in
ein Bad aus geschmolzenem Polyethylenglycol 1000 (PEG) in einer
Tiefe eingetaucht wird, welche die Dicke der Probe leicht übersteigt.
Nachdem sicher gestellt worden ist, dass die gesamte Lust aus der
eingetauchten Probe ausgetrieben worden ist, darf sich das PEG wieder
verfestigen. Das PEG über
der Oberseite
31, unterhalb der Unterseite
32 und
entlang der Ränder
der Probe wird von der Probe entfernt, und die Probe wird zurückgewogen.
Die Differenz im Gewicht zwischen der Probe mit und ohne PEG ist
das Gewicht des PEG, welches das absolute Lückenvolumen füllt. Das
absolute Lückenvolumen
und das Feststoffvolumen der Probe werden bestimmt durch die folgenden
Ausdrücke:
in welcher
p
PEG = Dichte des PEG
in welcher
SV
Absolut = Absolutes Lückenvolumen
M
Filamente =
Masse von Filamenten
r
Filamente = Dichte
von Filamenten
M
Harzhöcker = Masse der Harzhöcker
p
Harzhöcker =
Dichte der Harzhöcker
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Für die vorliegende
Erfindung kann die maximale Wasserentfernung am Spalt für eine Verstärkungsstruktur 42 mit
einem darauf angeordneten Harzhöckermuster 44 erreicht
werden, wenn das VVRelativ im Bereich von
einer unteren Grenze von etwa 0,05, vorzugsweise einer unteren Grenze
von 0,10, bis einer oberen Grenze von etwa 0,45, vorzugsweise einer
oberen Grenze von etwa 0,28 liegt. Äußerst bevorzugt beträgt das VVRelativ für
eine Verstärkungsstruktur
mit einem darauf angeordneten Harzhöckermuster etwa 0,19.
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Prägeelement
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Das
Prägeelement 30 kann
ein Prägestoff
sein. Der Prägestoff
ist makroskopisch monoplanar. Die Ebene des Prägestoffes begrenzt seine X-Y-Richtungen.
Senkrecht zu den X-Y-Richtungen und der Ebene des Prägestoffes
liegt die Z-Richtung des Prägestoffes.
Ebenso kann die zellulosehaltige Bahn 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung als makroskopisch monoplanar und in einer X-Y-Ebene liegend
angesehen werden. Senkrecht zu den X-Y-Richtungen und der Ebene
der Bahn liegt die Z-Richtung
der zellulosehaltigen Bahn 20.
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Der
Prägestoff
umfasst eine Oberseite 31, welche die zellulosehaltige
Bahn 20 berührt,
welche darauf befördert
wird, und eine Rückseite 32,
welche das Entwässerungsfilz
berührt.
Der Prägestoff
umfasst einen Gewebestoff, der mit Gewebestoffen vergleichbar ist,
die üblicherweise
in der Papiermacherindustrie zum Prägen von Stoffen verwendet werden.
Solche Prägestoffe,
welche als geeignet für
diesen Zweck bekannt sind, sind dargestellt in den allgemein übertragenen
US Patenten 3,301,746, veröffentlicht
am 31. Januar 1967 für Sanford
et al.; 3,905,863, veröffentlicht
am 16. September 1975 für
Ayers; und 4,239,065, veröffentlicht
am 16. Dezember 1982 für
Trokhan.
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Die
Filamente des Gewebestoffes können
so gewebt und komplementär
serpentinenartig in wenigstens der Z-Richtung der Schicht konfiguriert
sein, dass eine erste Gruppe oder Anordnung von coplanaren Überkreuzungen
in der Ebene der oberen Oberfläche
sowohl der Kett- als auch der Schussfilamente und eine vorbestimmte
zweite Gruppe oder Anordnung von Überkreuzungen unterhalb der
oberen Oberfläche
geschaffen werden. Die Anordnungen sind so eingefügt, dass
Bereiche der Überkreuzungen
in der Ebene der oberen Oberfläche
eine Anordnung von korbartigen Aushöhlungen in der oberen Oberfläche des
Stoffes bilden. Die Aushöhlungen
sind in einer versetzten Beziehung sowohl in der Maschinenrichtung
als auch in der Quermaschinenrichtung angeordnet, derart, dass jede
Aushöhlung
wenigstens eine Überkreuzung
unter der oberen Oberfläche überbrückt. Ein
Gewebestoff mit solchen Anordnungen kann hergestellt werden gemäß den allgemein übertragenen
US Patenten 4,239,065, veröffentlicht
am 16. Dezember 1980 für
Trokhan; und 4,191,069, veröffentlicht
am 04. März
1980 für
Trokhan.
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Für einen
Gewebestoff wird der Ausdruck "fachig" verwendet, um die
Anzahl von Kettfilamenten zu definieren, die in einer minimalen
Wiederholungseinheit enthalten sind. Der Ausdruck "quadratische Webart" ist als eine Webart
von n-Fächern
definiert, in welchen jedes Filament eines Satzes von Filamenten
(z.B. Schüsse
oder Ketten), abwechselnd über
einem und unter n–1
Filamenten des anderen Satzes von Filamenten (z.B. Schüsse oder
Ketten) kreuzen und jedes Filament des anderen Satzes von Filamenten
abwechselnd unter einem über
n–1 Filamenten
des ersten Satzes von Filamenten verlaufen.
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Der
Gewebestoff der vorliegenden Erfindung wird benötigt, um die zellulosehaltige
Bahn 20 zu bilden und zu unterstützen und Wasser zu erlauben,
durch sie hindurch zu gelangen. Der Gewebestoff für den Prägestoff
kann "Halb-Köper" umfassen, der ein
Fach von 3 aufweist, in welchem jedes Kettfilamnent über zwei Schussfilamente
und unter einem Schussfilament in Folge verläuft und jedes Schussfilament über einem
Kettfilament und unter zwei Kettfilamenten in Folge verläuft. Der
Gewebe stoff für
den Prägestoff
kann auch eine "quadratische
Webart" umfassen,
die ein Fach von 2 umfasst, in welchem jedes Kettfilament über ein
Schussfilament und unter einem Schussfilament in Folge verläuft und
jedes Schussfilament in Folge über
einem Kettfilament und unter einem Kettfilament verläuft.
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Die
Dicke des Gewebestoffes kann variieren, um jedoch die hydraulische
Verbindung zwischen der zellulosehaltigen Bahn 20 und dem
kapillaren Entwässerungselement 60 zu
erleichtern, sollte die Dicke des Prägestoffes im Bereich von etwa
0,011 Inch (0,279 mm) bis etwa 0,026 Inch (0,660 mm) liegen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der Prägestoff einen mehrlagigen Stoff
mit wenigstens zwei Lagen von miteinander verwobenen Fäden aufweist,
und zwar eine der zellulosehaltigen Bahn 20 zugewanden
ersten Lage ist, und einer einem Entwässerungsfilzzugewandten zweiten Lage,
gegenüber
der ersten Lage. Jede Lage der miteinander verwobenen Fäden umfasst
ferner miteinander verwobene Kett- und Schussfäden. Für diese Ausführungsform
umfasst die erste Schicht ferner Verbindungsfäden, die mit jeweiligen Fäden der
Schicht, die der zellulosehaltigen Bahn 20 zugewandt ist
und der Schicht, dem Entwässerungsfilz
zugewandt ist, verwoben sind. Beispielhafte Bänder mit mehreren Schichten
aus miteinander verwobenen Fäden
sind zu finden in den allgemein übertragenen
US Patenten Nrn. 5,496,624, veröffentlicht
am 05. März
1996 für
Stelljes et al., 5,500,277, veröffentlicht
am 19. März
1996 für
Trokhan et al. und 5,566,724, veröffentlicht am 22. Oktober 1996
für Trokhan
et al.
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Der
Gewebestoff des Prägestoffes
kann als eine Verstärkungsstruktur 44 für das Band
dienen und eine Abstützung
für ein
Höckermuster 42 liefern,
wie dies in 2 dargestellt ist. Ein solches
Höckermuster umfasst
vorzugsweise ein ausgehärtetes
polymeres lichtempfindliches Harz, das auf der die Verstärkungsstruktur 42 berührenden
Oberfläche
der zellulosehaltigen Bahn 20 angeordnet ist.
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Vorzugsweise
bildet das Höckermuster 42 ein
vorbestimmtes Muster, welches ein solches Muster in das Papier einprägt, welches
darauf befördert
wird. Ein besonders bevorzugtes Muster für das Höckermuster 42 ist
ein im Wesentlichen kontinuierliches Netzwerk. Falls das bevorzugte
im Wesentlichen kontinuierliche Netzwerkmuster als Höckermuster 42 ausgewählt wird,
werden sich diskrete Umbiegekanäle
zwischen der ersten Oberfläche
und der zweiten Oberfläche
des Prägestoffes
erstrecken. Das im Wesentlichen kontinuierliche Netzwerk umgibt
die Umbiegekanäle
und bildet diese.
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Der
projizierte Oberflächenbereich
der oberen Oberfläche
des kontinuierlichen Netzwerkes kann etwa 5 bis etwa 80 Prozent
der projizierten Fläche
der die zellulosehaltige Bahn 20 berührenden Oberfläche 22 des Prägestoffes
liefern und beträgt
vorzugsweise etwa 25 Prozent bis etwa 75 Prozent der bahnberührenden Oberfläche 22 und
noch bevorzugter etwa 50 bis etwa 65 Prozent der bahnberührenden
Oberfläche 22.
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Die
Verstärkungsstruktur 44 liefert
eine Abstützung
für das
Höckermuster 42 und
kann verschiedene Konfigurationen umfassen, wie sie vorher beschrieben
wurden. Bereiche der Verstärkungsstruktur 44 verhindern,
dass Fasern, die in der Papierherstellung verwendet werden, vollständig um
die Kanäle
hindurch gehen, und verhindert dadurch das Auftreten von Nadellöchern. Falls
es nicht erwünscht
ist, einen Gewebestoff als Verstärkungsstruktur
zu verwenden, kann ein Vliesstoffelement, ein Sieb, ein Netz oder
eine Platte mit einer Mehrzahl von Löchern darin eine adäquate Festigkeit
und Abstützung
für das
Höckermuster 42 der
vorliegenden Erfindung liefern.
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Der
Prägestoff
mit dein darauf angeordneten Höckermuster 42 gemäß der vorliegenden
Erfindung kann hergestellt werden gemäß einem der allgemein übertragenen
US Patente: 4,514,345, veröffentlicht
am 30. April 1985 für
Johnson et al.; 4,528,239, veröffentlicht
am 09. Juli 1985 für
Trokhan; 5,098,522, veröffentlicht
am 24 März
1992; 5,260,171, veröffentlicht
am 09. November 1993 für
Smurkoski et al.; 5,275,700, veröffentlicht
am 04. Januar 1994 für
Trokhan; 5,328,565, veröffentlicht
am 12. Juli 1994 für
Rasch et al.; 5,334,289, veröffentlicht
am 02. August 1994 für
Trokhan et al.; 5,431,786, veröffentlicht
am 11. Juli 1995 für Rasch
et al.; 5,496,624, veröffentlicht
am 05. März
1996 für
Stelljes, Jr. et al.; 5,500,277, veröffentlicht am 19. März 1996
für Trokhan
et al.; 5,514,523, veröffentlicht
am 07. Mai 1996 für
Trokhan et al.; 5,554,467, veröffentlicht
am 10. September 1996 für
Trokhan et al.; 5,566,724, veröffentlicht
am 22. Oktober 1996 für
Trokhan et al.; 5,624,790, veröffentlicht
am 29. April 1997 für
Trokhan et al; und 5,628,786, veröffentlicht am 13. Mai 1997 für Ayers
et al.
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Vorzugsweise
erstreckt sich das Höckermuster 42 von
den Höckern
der Verstärkungsstruktur
um eine Strecke von weniger als etwa 0,15 Millimeter (0,006 Inch),
noch bevorzugter weniger als etwa 0,10 Millimeter (0,004 Inch) und
noch bevorzugter weniger als etwa 0,05 Millimeter (0,002 Inch) nach
außen.
Das Höckermuster 42 kann
etwa mit der Erhebung der Höcker
der Verstärkungsstruktur 44 zusammenfallen.
Dadurch, dass sich das Höckermuster 42 um
eine solche kurze Strecke von der Verstärkungsstruktur nach außen erstreckt, kann
ein weicheres Produkt hergestellt werden. Insbesondere sorgt die
kurze Strecke für
das nicht Vorhandensein einer Umbiegung oder Formung des Papiers
in die Prägeoberfläche des
Prägestoffes,
wie dies im Stand der Technik auftritt. So wird das resultierende
Papier eine glattere Oberfläche
und eine geringe taktile Rauhigkeit haben.
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Ferner
wird, indem sich das Höckermuster 42 von
der Verstärkungsstruktur
nur um eine kurze Strecke nach außen erstreckt, die Verstärkungsstruktur
das Papier an der oberen Oberfläche
der Höcker
berühren,
die in den Umbiegungskanälen
angeordnet sind. Diese Anordnung kompaktiert das Papier an den Stellen,
die mit den Höckern
zusammenfallen weiter gegen die Yankee-Trocknungstrommel, was den
X-Y-Abstand zwischen den
kompaktierten Regionen vermindert.
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So
ergibt sich ein häufiger
und enger Kontakt zwischen der zellulosehaltigen Bahn 20 und
der Yankee-Trommel. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung
ist, dass das Prägen
der Bahn die Übertragung auf
die Yankee-Trommel gleichzeitig erfolgt, was multioperative Schritte,
die separate Kompressionsspalte des Standes der Technik beinhalten,
beseitigt. Auch durch ein Übertragen
bei im Wesentlichen vollem Kontakt des Papiers auf die Yankee-Trommel
-anstatt nur des eingeprägten
Bereichs, wie dies im Stand der Technik erfolgt -kann ein Trocknungsvorgang
bei vollem Kontakt erhalten werden.
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Bedarfsweise
kann anstelle eines Prägestoffes
mit einem Höckermuster 42,
wie es oben beschrieben ist, ein Band mit einer Jacquard-Webart
oder einer Schaftwebart verwendet werden. Ein solches Band kann als
ein Prägeelement 30 oder
als eine Verstärkungsstruktur
verwendet werden. Beispielhafte Bänder mit einer Jacquard-Webart oder einer
Schaftwebart sind zu finden in den US Patenten Nrn. 5,429,686, veröffentlicht
am 04. Juli 1995 für
Chiu et al., und 5,672,248, veröffentlicht
am 30. September 1997 für
Wendt et al.
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Kapillar-Entwässerungselement
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Das
Kapillar-Entwässerungselement 60 kann
ein entwässerndes
Filz sein. Das entwässernde
Filz ist makroskopisch monoplanar. Die Ebene des entwässernden
Filzes bildet seine X-Y-Richtungen. Senkrecht zu den X-Y-Richtungen
und der Ebene des entwässernden
Filzes erstreckt sich die Z-Richtung der zweiten Schicht.
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Ein
geeignetes entwässerndes
Filz umfasst eine Vliesstoffmasse aus natürlichen oder synthetischen Fasern,
die, wie beispielsweise durch Vernadelung, mit einer sekundären Basis,
die aus Gewebefilamenten gebildet wird, verbunden sind. Die sekundäre Basis
dient als eine Stützstruktur
für die
Fasermasse. Geeignete Materialien, aus welchen die Vliesstoffmasse
gebildet werden kann, umfassen, sind aber nicht beschränkt darauf,
natürliche
Fasern, wie Wolle und synthetische Fasern, wie Polyester und Nylon.
Die Fasern, aus welchen die Masse gebildet wird, kann ein Denier
von zwischen etwa 3 und etwa 20 Gramm pro 9000 Meter (33–222 dtex)
Filamentlänge
haben.
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Das
entwässernde
Filz kann eine geschichtete Konstruktion haben und kann ein Gemisch
aus Fasertypen und -größen umfassen.
Die Schichten des Filzes sind so geformt, dass sie den Transport
von Wasser, das aus von der bahnberührenden Oberfläche des
Prägeelements 30 erhalten
wurde, weg von einer ersten Filzoberfläche und in Richtung einer zweiten
Filzoberfläche
unterstützen.
Die Filzschicht kann eine relativ hohe Dichte und eine relativ kleine
Porengröße angrenzend
an die Filzoberfläche
in Kontakt mit der Rückseite 32 des
Prägeelements 30 haben,
dies im Vergleich zu der Dichte und der Porengröße der Filzschicht, die an
die Filzoberfläche
in Kontakt mit der Druckwalze 35 angrenzt.
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Das
entwässernde
Filz kann ein Luftdurchlässigkeit
von zwischen etwa 5 und etwa 300 Kubikfuß pro Minute (cfm) (0,002 m3/s – 0,142
m3/s) haben, wobei eine Luftdurchlässigkeit
von weniger als 50 cfm (0,24 m3/s) für die Verwendung
mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt wird. Die Luftdurchlässigkeit
in cfm ist ein Maß der
Anzahl von Kubikfuß Luft
pro Minute, die durch eine Fläche
von einem Quadratfuß einer
Filzschicht hindurch geht, und zwar bei einer Druckdifferenz über der
entwässernden
Filzdicke von etwa 0,5 Inch (12,7 mm) Wasser. Die Luftdurchlässigkeit
wird gemessen unter Verwendung einer Messeinrichtung für die Durchlässigkeit
mit der Bezeichnung Valmet (Modell Wigo Taifun Type 1000), erhältlich von
der Valmet Corp. aus Helsinki, Finnland.
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Bedarfsweise
können
andere Kapillar-Entwässerungselemente
anstelle des oben beschriebenen Filzes 60 verwendet werden.
Zum Beispiel kann ein schaumartiges Kapillar-Entwässerungselement
ausgewählt werden.
Ein solcher Schaum hat eine mittlere Porengröße von weniger als 50 Micron.
Geeignete Schäume können in
Ubereinstimmung mit dein allgemein übertragenen US Patent Nr. 5,260,345,
veröffentlicht
am 09. November 1993 für
DesMarais et al. und 5,625,222, veröffentlicht am 22. Juli 1997
für DesMarais
et al. hergestellt werden.
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Alternativ
kann ein Trocknungsmedium mit begrenzender Öffnung als Kapillar-Entwässerungselement verwendet
werden. Ein solches Medium kann hergestellt werden aus verschiedenen
Schichten, die in einer seitenweisen Beziehung übereinander angeordnet sind.
Die Schichten haben einen Lücken-Fließbereich,
der kleiner als derjenige der Lückenbereiche
zwischen Fasern in dem Papier. Ein geeignetes Trocknungselement mit
beschränkender Öffnung kann
hergestellt werden in Übereinstimmung
mit den allgemein übertragenen
US Patenten 5,625,961, veröffentlicht
am 06. Mai 1997 für
Ensign et al. und 5,274,930, veröffentlicht
am 04. Januar 1994 für
Ensign et al.
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Die
zellulosehaltige Bahn 20 kann auch vorgekürzt sein,
wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Ein Vorkürzen kann
herbei geführt
werden, indem die Bahn 20 von einer steifen Oberfläche gekreppt
wird, und vorzugsweise von einem Zylinder. Eine Yankee-Trocknungstrommel 70 wird üblicherweise
für diesen
Zweck verwendet. Das Kreppen wird mit einer Abstreifklinge herbei
geführt,
wie sie im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Das Kreppen
kann herbei geführt
werden gemäß dem allgemein übertragenen
US Patent 4,919,756, veröffentlicht
am 24. April 1992 für
Sawdai, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Alternativ
oder zusätzlich
kann ein Vorkürzen
auf dem Wege einer nassen Mikrokontraktion herbei geführt werden,
wie dies gelehrt wird im allgemein übertragenen US Patent 4,440,597,
veröffentlicht
am 03. April 1984 für Wells
et al.
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Das Papier
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Das
Tissuepapier, das gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wird, ist makroskopisch monoplanar, wobei
die Ebene des Papiers seine X-Y-Richtungen bildet und senkrecht
dazu eine Z-Richtung hat. Das Tissuepapier der vorliegenden Erfindung
hat zwei Regionen. Die erste Region umfasst eine geprägte Region, welche
gegen das Höckermuster 42 des
Prägeelements 30 geprägt wird.
Die zweite Region des Papiers umfasst eine Mehrzahl von Wölbungen,
die über
die geprägte
Region verteilt sind. Die Wölbungen
entsprechen im Allgemeinen in ihrer Geometrie, und während der
Papierherstellung, in ihrer Position, den Umbiegungskanälen 46 in
dein Prägeelement 30.
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Die
erste Region kann eine Mehrzahl von geprägten Regionen umfassen. Die
erste Mehrzahl von Regionen liegt in einer X-Y-Ebene; und die zweite
Mehrzahl von Regionen erstreckt sich von der X-Y-Ebene nach außen. Die
zweite Mehrzahl von Regionen hat eine geringere Dichte als die erste
Mehrzahl von Regionen. Die Dichte der ersten und der zweiten Region
kann gemessen werden gemäß dem US
Patent Nr. 5,277,761, veröffentlicht
für Phan
et al. am 11. Januar 1994 und US Patent Nr. 5,443,691, veröffentlicht
für Phan
et al. am 22. April 1995.
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Während des
Vorkürzens,
wie es oben beschrieben wurde, wird wenigstens ein Vorkürzungsrücken in der
zweiten Mehrzahl von Regionen hergestellt. Ein solcher wenigstens
ein Vorkürzungsrücken liegt
im Abstand zu der Ebene in der Z-Richtung.