DE60224705T2

DE60224705T2 - Verfahren zum erhöhen der weichheit von grundgewebebahnen und daraus hergestellte produkte

Info

Publication number: DE60224705T2
Application number: DE2002624705
Authority: DE
Inventors: Andrew P. Appleton BAKKEN; Troy M. Neenah RUNGE; Kenneth J. Neenah ZWICK
Original assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: US6607635B2; AU2002359475A1; DE60224705D1; US20020112830A1; EP1448362B1; WO2003047847A1; AU2002359475B2; TW200300808A; US20030213574A1; EP1448362A1; US6949166B2; CA2466731A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Aus Grundbahnen hergestellte Produkte, wie zum Beispiel Toilettenpapier, Kosmetiktücher, Papierhandtücher, industrielle Wischtücher, Wischtücher für die Gastronomie und die Cateringindustrie, Servietten, medizinische Einlagen und Polster und ähnliche Produkte, sind gestaltet und bestimmt, um mehrere wichtige Eigenschaften zu umfassen. Zum Beispiel müssen die Produkte einen weichen Griff aufweisen und für die Mehrzahl der Anwendungen stark saugfähig sein. Die Produkte müssen weiterhin gute Dehnungseigenschaften aufweisen und abriebfest sein und dürfen in der Umgebung, in der sie genutzt werden, nicht verschlechtern.
In der Vergangenheit wurden zahlreiche Versuche und Anstrengungen unternommen, um bestimmte physikalische Eigenschaften der Produkte zu verbessern. Wenn Anstrengungen zur Verstärkung einer Eigenschaft der genannten Produkte unternommen werden, können andere Eigenschaften der Produkte jedoch leider nachteilig beeinflusst werden. Zum Beispiel kann die Weichheit von Vliesstoffen, wie zum Beispiel von verschiedenen Papierprodukten, durch verschiedene Verfahren erhöht werden, wie zum Beispiel durch die Auswahl einer bestimmten Faserart oder durch Reduzieren der Zellulosefaserbindung in dem Produkt. Die Erhöhung der Weichheit gemäß einem der oben genannten Verfahren kann jedoch die Festigkeit des Produktes nachteilig beeinflussen. Umgekehrt haben Schritte, die normalerweise unternommen werden, um die Festigkeit eines Faserbahn zu erhöhen, üblicherweise eine nachteilige Wirkung auf die Weichheit, die Steifigkeit oder die Saugfähigkeit der Bahn.
WO 01/85438 legt ein Verfahren zur Erhöhung der Weichheit von Grundbahnen oder von daraus hergestellten Produkten offen.
Die vorliegende Erfindung ist auf Verbesserungen von Grundbahnen und auf Verbesserungen von Verfahren zur Herstellung der Bahnen in einer Art und Weise, die die physikalischen Eigenschaften der Bahnen optimiert, ausgerichtet. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Verbesserung der taktilen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Weichheit und der Steifigkeit, von Grundbahnen ohne wesentliche Verringerung der Festigkeit der Bahnen ausgerichtet.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen von Grundbahnen gemäß dem Anspruch 1 sowie einer einlagigen Papierbahn gemäß dem Anspruch 24 bereit.
Kurzfassung der Erfindung
Wie weiter oben bereits ausgeführt worden ist, ist die vorliegende Erfindung auf weitere Verbesserungen des Aufbaus und der Verfahren nach dem Stand der Technik ausgerichtet, die durch Bereitstellen eines Verfahrens zum Herstellen von Grundbahnen, und zwar von Grundbahnen, die Faserbrei enthalten, erzielt werden. Die Grundbahn kann aus verschiedenen Fasern hergestellt werden und auf verschiedene Arten hergestellt werden und beschaffen sein. Zum Beispiel kann die Grundbahn Stapelfasern enthalten. Weiterhin kann die Grundbahn in einem Nasslegeverfahren, einem Luftformverfahren oder einem ähnlichen Verfahren hergestellt werden.
Nachdem die Grundbahn ausgebildet worden ist, wird die Bahn zwischen einem ersten Förderband und einem zweiten Förderband angeordnet. Das erste Förderband und das zweite Förderband werden danach um eine Scherung erzeugende Walze geführt, während die Grundbahn zwischen den Förderbändern positioniert ist. Die Förderbänder umschlingen die Scherung erzeugende Walze hinreichend und werden einer ausreichenden Spannung unterworfen, um Scherkräfte zu erzeugen, die auf die Grundbahn wirken. Die Scherkräfte trennen die Bahn, wodurch die Weichheit der Bahn erhöht und die Steifigkeit der Bahn verringert werden. Als besonders vorteilhaft wurde festgestellt, dass das Verfahren die normale Festigkeits-Weichheits-Kurve verschiebt, um Bahnen zu erzeugen, die einzigartige Weichheits- und Festigkeitseigenschaften aufweisen.
Wenn sie um die Scherung erzeugende Walze geführt wird, muss die Grundbahn einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als etwa zehn Prozent, vorzugsweise von weniger als etwa fünf Prozent, und stärker vorzugsweise von weniger als etwa zwei Prozent, aufweisen.
Die Scherung erzeugende Walze kann drehbar sein oder eine stationäre Vorrichtung sein. Für die Mehrzahl der Anwendungsfälle muss die Scherung erzeugende Walze einen kleinen Wirkdurchmesser, wie zum Beispiel von weniger als etwa 25,4 cm (zehn Zoll), vorzugsweise von weniger als etwa 17,8 cm (sieben Zoll) und stärker vorzugsweise von etwa 5,08 cm (zwei Zoll) bis etwa 15,24 cm (sechs Zoll), haben. Für die Mehrzahl der Anwendungsfälle müssen die Förderbänder die Scherung erzeugende Walze zu wenigstens 40 Grad und vorzugsweise zu etwa 80 Grad bis etwa 270 Grad umschlingen. Weiterhin muss der Betrag der auf die Förderbänder aufgebrachten Spannung, wenn diese um die Scherung erzeugende Walze geschlungen sind, wenigstens 893 g/cm (fünf Pfund pro Linearzoll) und vorzugsweise von etwa 1786 g/cm (etwa zehn Pfund pro Linearzoll) bis etwa 8930 g/cm (etwa 50 Pfund pro Linearzoll) betragen.
Wie weiter oben bereits beschrieben worden ist, können verschiedene Arten von Grundbahnen gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Grundbahn eine geschichtete Bahn, die eine mittlere Schicht enthält, die zwischen einer ersten Außenschicht und einer zweiten Außenschicht angeordnet ist. In einem Ausführungsbeispiel können die Außenschichten eine Zerreißfestigkeit aufweisen, die größer ist als die der mittleren Schicht. Zum Beispiel können die Außenschichten aus Weichholzfasern bestehen, während die mittlere Schicht aus Hartholzfasern bestehen kann.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine schwache zentrale Schicht aus Zellulosefasern hergestellt, die versteift worden sind oder die dauerhaft gekräuselt und versteift worden sind. Die Zellulosefasern können zum Beispiel mercerisierte Fasern sein oder andere Arten von Fasern sein, die chemisch vernetzt worden sind. Die versteiften Fasern werden eine zentrale Schicht bilden, die eine relativ geringe Scherfestigkeit aufweist. Die Außenschichten andererseits weisen eine Scherfestigkeit auf, die größer ist als die der mittleren Schicht. Zum Beispiel können die Außenschichten aus Weichholzfasern, aus Hartholzfasern, aus Ausschusspapier, aus Holzstoff oder aus Gemischen derselben bestehen. Die kombinierten Außenschichten können von etwa 25% bis etwa 75% Gewichtsprozent des Flächengewichtes der Grundbahn ausmachen.
Grundbahnen, die gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden, können für verschiedene Anwendungsfälle und Einsatzgebiete bestimmt sein. Zum Beispiel können die Bahnen in Toilettenpapier, in Kosmetiktücher, in Papierhandtücher, in industrielle Wischtücher, in Wischtücher für die Gastronomie und die Cateringindustrie, in Servietten, in medizinische Polster und Einlagen, in Windeln, in Damenhygieneprodukte und andere ähnliche Produkte eingearbeitet und in diesen verwendet werden.
Andere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detaillierter beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine umfassende und für den Durchschnittsfachmann ermöglichende Offenlegung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart derselben, wird insbesondere in der verbleibenden Patentschrift, einschließlich der Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen, gegeben werden.
Kurze Beschreibung der Figuren:
1 ist eine schematische Darstellung einer Faserbahn-Formmaschine und veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel zum Formen einer Grundbahn, die mehrere Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
2 ist eine schematische Darstellung einer Faserbahn-Formmaschine, die eine Seite der Bahn kreppt.
3 ist eine teilweise aufgeschnittene Perspektivzeichnung einer Faserbahn-Formmaschine, die einen Durchlufttrockner zum Austreiben von Feuchtigkeit aus der Bahn umfasst.
4 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles für ein Verfahren zum Verbessern der taktilen Eigenschaften einer gemäß der vorliegenden Erfindung geformten Bahn.
5 ist eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispieles eines Verfahrens zum Verbessern der taktilen Eigenschaften einer geformten Grundbahn, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
6 ist eine schematische Darstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispieles eines Verfahrens zum Verbessern der taktilen Eigenschaften einer geformten Grundbahn, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
7 ist eine schematische Darstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispieles eines Verfahrens zum Verbessern der taktilen Eigenschaften einer geformten Grundbahn, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; und
Die 8 und 9 sind die Ergebnisse, die in dem unten beschriebenen Beispiel erhalten wurden.
Gleiche oder analoge Merkmale oder Elemente der vorliegenden Erfindung werden in der vorliegenden Patentschrift und in den Zeichnungen wiederkehrend jeweils mit den gleichen Verweisziffern bezeichnet werden.
Ausführliche Beschreibung der Bevorzugten Ausführungsbeispiele
Der Durchschnittsfachmann soll beachten, dass es sich bei der hier vorliegenden Diskussion lediglich um eine Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele handelt und dass dieselbe nicht als Einschränkung der breiter gefassten Aspekte der vorliegenden Erfindung beabsichtigt sind.
Im Allgemeinen ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Verbessern der taktilen Eigenschaften von Grundbahnen ohne nachfolgenden Verlust an Zerreißfestigkeit gerichtet. Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf aus diesem Verfahren hergestellte Bahnen gerichtet. Insbesondere ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung gut geeignet, die Weichheit von Grundbahnen zu erhöhen und die Steifigkeit der Grundbahnen zu reduzieren, wie zum Beispiel von Bahnen, die Papierbrei enthalten. Weiterhin kann bei einigen Anwendungen die Dicke der Bahn reduziert werden, während alle der vorgenannten Vorteile beibehalten werden.
Im Allgemeinen umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Schritte des Platzierens der zuvor geformten Grundbahn zwischen einem Paar Förderbänder. Bei Verwendung in der vorliegenden Schrift bedeutet ein Förderband einen flexiblen Bogen, wie zum Beispiel ein Drahtgewebe, ein Gewebe, ein Filzgewebe oder ähnliches. Nachdem die Grundbahn zwischen den Förderbändern platziert worden ist, werden die Förderbänder um wenigstens eine Scherung erzeugende Walze geführt. Die Scherung erzeugende Walze kann drehbar sein oder stationär sein und weist üblicherweise einen kleinen Wirkdurchmesser auf, wie zum Beispiel von weniger als etwa 25,4 cm (zehn Zoll).
Die Förderbänder weisen einen ausreichenden Betrag von Umschlingung um die Scherung erzeugende Walze auf sowie eine ausreichende Spannung, um Scherkräfte zu erzeugen, die auf die Grundbahn wirken. Insbesondere bewirkt das Führen der Förderbänder über die Scherung erzeugende Walze ein Geschwindigkeitsdifferential in den Förderbändern, das eine Scherkraft erzeugt, die Bindungen innerhalb der Bahn aufbricht oder Faserverflechtungen innerhalb der Bahn trennt, wo die Bahn am schwächsten ist. Durch dieses Verfahren erhöht sich die Weichheit der Bahn, während die Steifigkeit der Bahn reduziert wird. Überraschend haben die Erfinder festgestellt, dass dieses Weichwerden mit wesentlich weniger Verlust an Zerreißfestigkeit auftritt, als dies bei den erzielten Weichheitsniveaus zu erwarten gewesen wäre.
Die Grundbahn, die gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet wird, ist eine geschichtete Bahn, die eine relativ schwache zentrale Schicht im Vergleich zu den Außenschichten aufweist. Die schwache zentrale Schicht wird aus versteiften Fasern hergestellt, wie zum Beispiel aus mercerisierten Fasern, aus chemisch vernetzten Fasern, aus thermisch modifizierten Fasern oder aus Gemischen derselben. Während des oben genannten Verfahrens und wenn Scherung auf gleicher Ebene auf die Bahn aufgebracht wird, verschlechtert oder vermindert sich die schwächere zentrale Schicht. Der Bogen, der geformt wird, weist zweilagige Merkmale auf, während er aus einer einlagigen Schicht hergestellt wird. Das entstehende Produkt ist gut geeignet für die Verwendung bei der Herstellung von Kosmetiktüchern, Toilettenpapier und Papierhandtüchern. Zum Beispiel kann die Grundbahn ein Flächengewicht von weniger als etwa 42,5 g/m² (etwa 25 Pfund pro Ries) zum Formen von Tissueprodukten aufweisen oder sie kann ein Flä chengewicht von mehr als etwa 25,5 g/m² (etwa 15 Pfund pro Ries) zum Formen von Handtuchprodukten aufweisen.
Die Art und Weise, in der die Grundbahn der vorliegenden Erfindung geformt wird, kann von der jeweiligen Anwendung abhängig unterschiedlich sein. In einem Ausführungsbeispiel kann die Bahn Faserbrei enthalten und in einem Nasslegeverfahren gemäß herkömmlicher Papierherstellungsverfahren hergestellt werden. In einem Nasslegeverfahren wird der Fasereintrag mit Wasser kombiniert, um eine wässrige Suspension zu bilden. Die wässrige Suspension wird auf einem Drahtgewebe oder einem Filzgewebe verteilt und getrocknet, um die Bahn auszubilden.
Alternativ dazu kann die Grundbahn der vorliegenden Erfindung luftgeformt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird Luft für den Transport der Fasern und zum Formen einer Bahn verwendet. Luftformverfahren sind üblicherweise in der Lage, längere Fasern als die meisten Nasslegeverfahren zu verarbeiten, was bei einigen Anwendungen einen Vorteil darstellen kann.
Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen einer Grundbahn veranschaulicht, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Das in der Figur veranschaulichte Verfahren stellt ein Nasslegeverfahren dar, wenngleich, wie weiter oben beschrieben worden ist, andere Verfahren zum Formen der Grundbahn der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Wie in 2 gezeigt wird, umfasst das Bahnformsystem einen Stoffauflaufkasten 10 zur Aufnahme einer wässrigen Fasersuspension. Der Stoffauflaufkasten 10 verteilt die wässrige Fasersuspension auf einem Siebgewebe 26, das von einer Vielzahl von Führungsrollen 34 gestützt und angetrieben wird. Ein Sauger 36 ist unter dem Siebgewebe 26 angeordnet und ist angepasst, um Wasser aus dem Fasereintrag zu entfernen, um das Formen einer Bahn zu unterstützen.
Von dem Siebgewebe 26 wird eine geformte Bahn 38 zu einem zweiten Gewebe 40 überführt, das entweder ein Drahtgewebe oder ein Filzgewebe sein kann. Das Gewebe 40 wird von einer Vielzahl von Führungsrollen 42 für Bewegung um eine konti nuierliche Bahn gestützt. Weiterhin ist eine Selbstabnahmewalze 44 enthalten, die ausgelegt ist, um die Übergabe einer Bahn 38 von dem Gewebe 26 auf das Gewebe 40 zu ermöglichen. Die Geschwindigkeit, mit der das Gewebe 40 angetrieben werden kann, ist etwa die gleiche Geschwindigkeit, mit der das Gewebe 26 angetrieben wird, so dass die Bewegung der Bahn 38 durch das System gleichbleibend ist. Alternativ dazu können die beiden Gewebe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen, wie zum Beispiel in einem Schnelltransportverfahren, um die Bauschigkeit der Bahnen zu erhöhen, oder für andere Zwecke.
Von dem Gewebe 40 wird die Bahn 38 in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Druckwalze 43 auf die Oberfläche einer drehbaren erwärmten Trockentrommel 46, wie zum Beispiel eines Yankee-Trockners, gedrückt. Die Bahn 38 wird in leichten Eingriff mit der Oberfläche der Trockentrommel 46, an die sie aufgrund des Feuchtigkeitsgehaltes und ihrer Präferenz für die glättere der beiden Oberflächen anhaftet, gedrückt. Wenn die Bahn 38 durch einen Abschnitt der Drehbahn der Trockneroberfläche getragen wird, wird Wärme auf die Bahn aufgebracht, wodurch bewirkt wird, dass der größte Teil der in der Bahn enthaltenen Feuchtigkeit verdampft.
Die Bahn 38 wird dann durch ein Kreppmesser 47 von der Trockentrommel 46 entfernt. Das Kreppen der Bahn 38, während diese geformt wird, reduziert die innere Bindung in der Bahn und erhöht die Weichheit.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Bahn anstelle des Nassdrückens der Grundbahn 38 auf eine Trockentrommel und des Kreppens durchluftgetrocknet werden. Ein Durchlufttrockner bewirkt die Austreibung von Feuchtigkeit aus der Grundbahn durch Durchleiten von Luft durch die Bahn ohne Anwendung von mechanischem Druck.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Grundbahn zur Nutzung in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung mit einem Durchlufttrockner veranschaulicht. Wie gezeigt wird, wird eine verdünnte wässrige Fasersuspension zu einem Faserauflaufkasten 10 zugeführt und über eine Schleuse 11 in gleichmäßiger Verteilung auf ein Siebgewebe 26 abgeschieden, um eine Grundbahn 38 zu bilden.
Nach dem erfolgten Abscheiden auf das Siebgewebe 26 wird Wasser durch Kombinationen aus Schwerkraft, Zentrifugalkraft und Vakuumabsaugung in Abhängigkeit von der Formungskonfiguration aus der Bahn 38 entfernt. Wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt wird und analog zu 2, kann ein Sauger 36 unter dem Siebgewebe 26 angeordnet werden, um Wasser zu entfernen und um das Ausbilden der Bahn 38 zu unterstützen.
Von dem Siebgewebe 26 wird die Grundbahn 38 danach auf ein zweites Gewebe 40 übergeben. Das zweite Gewebe 40 transportiert die Bahn durch eine Durchlufttrocknungsvorrichtung 50. Die Durchlufttrocknungsvorrichtung 50 trocknet die Grundbahn 38 ohne Anwendung einer Druckkraft, um die Bauschigkeit oder das Papiervolumen zu maximieren. Wie zum Beispiel in 3 gezeigt wird, umfasst die Durchlufttrocknungsvorrichtung 50 einen äußeren drehbaren Zylinder 52 mit Perforationen 54 in Kombination mit einer äußeren Haube 56. Insbesondere transportiert das Gewebe 40 die Bahn 38 über einen oberen Abschnitt des äußeren Zylinders 52 des Durchlufttrockners. Warmluft wird durch Perforationen 54 angesaugt, die mit der Bahn 38 in Kontakt kommt und Feuchtigkeit entzieht. In einem Ausführungsbeispiel kann die Temperatur der durch die Perforationen 54 getriebenen Warmluft von etwa 76,7°C (etwa 170°F) bis etwa 260°C (etwa 500°F) betragen.
Nachdem die Grundbahn 38 ausgebildet worden ist, wie zum Beispiel durch eines der in den 2 und 3 veranschaulichten Verfahren oder durch ein beliebiges anderes Verfahren, wird die Bahn zwischen einem Paar Förderbänder platziert und gemäß der vorliegenden Erfindung um eine Scherung erzeugende Walze gedrückt. Zum Beispiel wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Verbessern der taktilen Eigenschaften einer Grundbahn gemäß der vorliegenden Erfindung in 4 veranschaulicht. Wie gezeigt wird, wird die Bahn 38 zwischen einem ersten Förderband 60 und einem zweiten Förderband 62 zugeführt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Förderbänder 60 und 62 bewegen, ist im Allgemeinen nicht kritisch für die vorliegende Erfindung. Für die meisten gewerblichen Anwendungen können sich die Förderbänder mit einer Geschwindigkeit von etwa 304 Metern pro Minute (etwa 1.000 Fuß pro Minute) bis etwa 1829 Metern pro Minute (etwa 6.000 Fuß pro Minute) bewegen.
Nachdem sie zwischen dem ersten Förderband 60 und dem zweiten Förderband 62 positioniert worden sind, werden die Grundbahn und die Förderbänder durch ein Paar Stützrollen 66 und 68 um eine Scherung erzeugende Walze 64 geführt. Im Allgemeinen werden die Förderbänder 60 und 62 mit etwa gleichen Geschwindigkeiten laufen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Förderbänder 60 und 62 unter Spannung gebracht und um in ausreichenden Beträgen um die Scherung erzeugende Walze 64 geschlungen, um Scherkräfte zu erzeugen, die auf die Grundbahn 38 wirken. Um in ausreichendem Maß auf die Grundbahn zwischen ihnen zu wirken, müssen die Förderbänder 60 und 62 einen ausreichenden Reibungskoeffizienten aufweisen, so dass sie in Kontakt mit einem der Förderbänder auf die Oberfläche der Grundbahn wirken. Die Dicke der Förderbänder kann ebenfalls eine Rolle spielen, wenn gesichert werden soll, dass die Förderbänder ausreichende Scherkräfte auf die Grundbahn aufbringen, wenn die Förderbänder um die Scherung erzeugende Walze geschlungen werden, während die Bahn zwischen ihnen angeordnet ist.
Insbesondere, wenn die Förderbänder über die Scherung erzeugende Walze geführt werden, entwickelt sich eine Oberflächen-Differentialgeschwindigkeit zwischen den Oberflächen der Bahn aufgrund der Differenz in der Bahnlänge der beiden Förderbänder um die Scherung erzeugende Walze herum. Die Differenz in der Oberflächengeschwindigkeit erzeugt Scherkräfte, die auf die Grundbahn wirken. Die Scherkraft bricht Bindungen in der Bahn dort auf, wo die Bahn am schwächsten ist, was nachfolgend die Weichheit der Bahn erhöht und die Steifigkeit der Bahn reduziert. Weiterhin haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass diese Verbesserungen ohne wesentliche Verringerung der Zerreißfestigkeit, die normalerweise in anderen Verfahren, die ausgelegt sind, um die Weichheit zu erhöhen, auftritt, erzielt werden können.
Wenn sie um die Scherung erzeugende Walze 64 herum zugeführt wird, muss die Grundbahn 38 im Allgemeinen einen geringen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen. Die Grundbahn 38 weist einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als etwa zehn Gewichtsprozent, vorzugsweise von weniger als etwa fünf Gewichtsprozent und stärker vorzugsweise von weniger als etwa zwei Gewichtsprozent auf.
Wie in 4 gezeigt wird, kann die Scherung erzeugende Walze 64 eine drehende Walze mit einem relativ kleinen Durchmesser sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Scherung erzeugende Walze jedoch eine stationäre Walze sein. Der Wirkdurchmesser der Scherung erzeugenden Walze muss für die meisten Anwendungen kleiner als etwa 25,4 cm (etwa zehn Zoll), vorzugsweise kleiner als etwa 17,8 cm (etwa sieben Zoll) und stärker vorzugsweise von etwa 5,08 cm (etwa zwei Zoll) bis etwa 15,24 cm (etwa acht Zoll) sein.
Der Betrag, um den die Förderbänder 60 und 62 um die Scherung erzeugende Walze 64 umschlungen werden, kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung und dem Betrag von Scherung, der auf die Bahn aufgebracht werden soll, unterschiedlich sein. Für die meisten Anwendungen müssen die Förderbänder jedoch um einen Betrag von etwa 40 Grad bis etwa 270 Grad um die Scherung erzeugende Walze umschlungen werden, vorzugsweise von etwa 80 Grad bis etwa 200 Grad und stärker vorzugsweise von etwa 100 Grad bis etwa 180 Grad. In dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann der Betrag von Umschlingung um die Scherung erzeugende Walze eingestellt werden, indem die Position entweder der Scherung erzeugenden Walze 64 oder der Stützrollen 66 und 68 eingestellt wird. Indem zum Beispiel die Scherung erzeugende Walze 64 nach unten näher an die Stützrollen 66 und 68 heran bewegt wird, werden die Förderbänder die Scherung erzeugende Walze 64 in einem geringeren Maß umschlingen.
Wie weiter oben beschrieben worden ist, hat neben dem Betrag der Umschlingung der Scherung erzeugenden Walze auch der Betrag der auf die Förderbänder 60 und 62 aufgebrachten Spannung eine Wirkung auf den Betrag von Scherung, der auf die Grundbahn 38 aufgebracht wird. Der Betrag von auf die Förderbänder aufgebrachter Spannung wird von der jeweiligen Anwendung abhängig sein. Für die meisten Anwendungen müssen die Förderbänder jedoch unter Spannung in einem Betrag von etwa 893 g/cm (etwa fünf Pfund pro Linearzoll) bis etwa 16074 g/cm (etwa 90 Pfund pro Linearzoll), vorzugsweise von etwa 1786 g/cm (etwa zehn Pfund pro Linearzoll) bis etwa 8930 g/cm (etwa 50 Pfund pro Linearzoll) und stärker vorzugsweise von etwa 5358 g/cm (etwa 30 Pfund pro Linearzoll) bis etwa 7144 g/cm (etwa 40 Pfund pro Linearzoll) gebracht werden.
Wie weiter oben beschrieben worden ist, entwickelt sich, wenn die Förderbänder 60 und 62 unter einem ausreichenden Betrag von Spannung um die Scherung erzeugende Walze 64 umschlungen werden, ein Oberflächen-Geschwindigkeitsdifferential zwischen den beiden Oberflächen der Bahn, das Scherkräfte erzeugt. Für die meisten Anwendungen muss der Bahnlängenunterschied zwischen den beiden Förderbändern von etwa 0,5% bis etwa 5% und vorzugsweise von etwa 1% bis etwa 3% betragen.
Nachdem die Grundbahn 38 um die Scherung erzeugende Walze 64 geführt worden ist, kann die Bahn nach Bedarf weiter verarbeitet werden. In einem Ausführungsbeispiel, wie in 4 gezeigt wird, kann die Bahn auf einer Rolle 69 zwecks späterer Verpackung gesammelt werden.
Während dieses Vorganges können die taktilen Eigenschaften der Grundbahn wesentlich verbessert werden, ohne dass die Festigkeit der Bahn beeinträchtigt wird. In einigen Anwendungen wurde weiterhin entdeckt, dass die Dicke der Bahn rigoros reduziert werden kann. Eine Reduzierung der Dicke ohne nachteilige Beeinflussung anderer Eigenschaften der Bahn ist dahingehend vorteilhaft, dass mehr Material auf der Rolle 69 platziert werden kann, was verschiedene Verarbeitungsvorteile mit sich bringt. Der Betrag der Dickenreduzierung für eine gegebene Grundbahn wird von der Anwendung abhängig sein. Im Allgemeinen wird die Dicke eines Bogens durch den auf denselben durch die Spannung (T) des Gewebes und den Radius (R) der Rolle aufgebrachten Druck (P) reduziert, was durch die Gleichung P = T/R beherrscht wird.
Der Betrag der erzielten Dickenreduzierung kann gesteuert werden, indem zahlreiche Variablen eingestellt werden. Die Anzahl der Scherung erzeugenden Walzen, der Radius der Walzen, die Verweilzeit in dem Druckspalt, der Spaltdruck, die Art des Förderbandes und die Grundbogenstruktur haben einen Einfluss auf den Betrag der Dicke, der durch das Verfahren eingespart werden kann. Die prozentuale Dickenreduzierung kann mit einer Zunahme der Verweilzeit, der Anzahl der Walzen, des Spaltdruckes und der Gewebemaschenweite zunehmen. Die Verweilzeit kann durch die Sekundärvariablen der Gewebespannung und des Umschlingungswinkels beeinflusst werden. Der Spaltdruck kann durch die Sekundärvariablen der Gewebespannung und des Walzendurchmessers verändert werden. Die Gewebemaschenweite kann verändert werden, indem Gewebe unterschiedlicher Buckelfläche verwendet werden. Bislang ist entdeckt worden, dass die Dicke einer Grundbahn um bis zu 75% und vorzugsweise um von etwa 20% bis etwa 70% reduziert werden kann.
In dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfasst das System eine einzelne Scherung erzeugende Walze 64. In anderen Ausführungsbeispielen können jedoch mehr Scherung erzeugende Walzen verwendet werden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Förderbänder zum Beispiel um zwei Scherung erzeugende Walzen, um drei Scherung erzeugende Walzen und sogar um bis zu zehn Scherung erzeugende Walzen umschlungen werden. Unter Bezugnahme auf 5 wird ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, das fünf Scherung erzeugende Walzen umfasst.
Wie gezeigt wird, wird die Grundbahn 38 zwischen dem ersten Förderband 60 und dem zweiten Förderband 62 zugeführt und wird dann um die Stützrollen 70 und 72 und um die Scherung erzeugenden Walzen 74, 76, 78, 80 und 82 umschlungen. Im Allgemeinen kann die Verwendung von mehr Scherung erzeugenden Walzen mehr Scherung erzeugen, die auf die Grundbahn aufgebracht wird. Wenngleich die in den Figuren veranschaulichten Scherung erzeugenden Walzen gleiche Durchmesser aufweisen, können alternative Ausführungsbeispiele wünschenswert sein, bei denen die Scherung erzeugenden Walzen gegenseitig ungleiche Durchmesser aufweisen.
Weitere Ausführungsbeispiele von Systemen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sind in den 6 und 7 veranschaulicht. Das in 6 veranschaulichte System umfasst eine einzelne Scherung erzeugende Walze 100. Wie gezeigt wird, werden die Förderbänder 60 und 62 durch die Stützrollen 102, 104, 106 und 108 um die Scherung erzeugende Walze 100 geführt.
Das in 7 veranschaulichte System umfasst ebenfalls eine einzelne Scherung erzeugende Walze 110. Es ist jedoch zu beachten, dass mehr Scherung erzeugende Walzen in jedem der veranschaulichten Systeme verwendet werden können. Wie in 7 gezeigt wird, wird die Scherung erzeugende Walze 110 von einer Stützwalze 110 gestützt. Um den Betrag von Umschlingung um die Scherung erzeugende Walze 110 zu ermöglichen, umfasst das System weiterhin die Stützrollen 114 und 116.
Wie weiter oben ausgeführt wurde, können die Grundbahnen, die gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden, aus verschiedenen Materialien und Fasern hergestellt werden. Zum Beispiel kann die Grundbahn aus Faserbrei, aus anderen Naturfasern, aus Kunstfasern und ähnlichem hergestellt werden. Erfindungsgemäß umfasst die Grundbahn Faserbrei.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung enthält die Grundbahn entweder nur Faserbrei oder aber Faserbrei in Kombination mit anderen Arten von Fasern. Der bei der Ausbildung der Bahn verwendete Faserbrei kann zum Beispiel Weichholzfasern, die eine durchschnittliche Faserlänge von größer als 1 mm und vorzugsweise von etwa 2 mm bis 5 mm auf Basis eines längengewichteten Durchschnittes aufweisen, sein. Solche Fasern können Northern-Softwood-Kraftfasern umfassen. Aus recycelten Materialien gewonnene Sekundärfasern können ebenfalls verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel können Stapelfasern (und Fäden) zu der Bahn hinzugegeben werden, um die Festigkeit, die Bauschigkeit, die Weichheit und die Glätte der Bahn zu erhöhen oder zu verbessern. Stapelfasern können unter anderem Polyolefinfasern, Polyesterfasern, Nylonfasern, Polyvinylacetatfasern, Baumwollfasern, Reyonfasern, Nichtholzfasern und Gemische aus denselben sein. Im Allgemeinen sind Stapelfasern länger als Faserbrei. Zum Beispiel weisen Stapelfasern üblicherweise eine Faserlänge von wenigstens 5 mm auf.
Die zu der Grundbahn zugegebenen Stapelfasern können auch Bikomponentenfasern enthalten. Bikomponentenfasern sind Fasern, die zwei Materialien enthalten können, wie zum Beispiel unter anderem in einer nebeneinanderliegenden Anordnung oder in einer Kern/Mantel-Anordnung. In einer Ken-Mantel-Faser weist das Mantelpolymer im Allgemeinen eine niedrigere Schmelztemperatur auf als das Kernpolymer. Zum Beispiel kann das Kernpolymer in einem Ausführungsbeispiel Nylon oder ein Polyester sein, während das Mantelpolymer ein Polyolefin, wie zum Beispiel Polyethylen oder Polypropylen, sein kann. Solche handelsüblichen Bikomponentenfasern sind unter anderem CELBOND-Fasern, die von der Hoechst Celanese Company erhältlich sind.
Die in der Grundbahn der vorliegenden Erfindung verwendeten Stapelfasern können auch gekräuselt sein. Die Fasern können zum Beispiel gekräuselt werden, in dem ein chemischer Wirkstoff zu den Fasern zugegeben wird oder indem die Fasern einem mechanischen Verfahren unterworfen werden. Gekräuselte Fasern können stärkere Faserverflechtung und Porenvolumen in der Bahn erzeugen und die Menge der Fasern weiter erhöhen, die in einer Z-Richtung ausgerichtet sind, sowie die Festigkeitseigenschaften der Bahn verstärken.
In einem Ausführungsbeispiel können die Stapelfasern zu der Bahn in einer Menge von etwa fünf Gewichtsprozent bis etwa 30 Gewichtsprozent und vorzugsweise von etwa fünf Gewichtsprozent bis etwa 20 Gewichtsprozent zugegeben werden, wenn Papierprodukte, die Faserbrei enthalten, ausgebildet werden.
Wenn die Grundbahn der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird, um Papierprodukte herzustellen, sondern anstelle dessen in andere Produkte, wie zum Beispiel Windeln, Frauenhygieneprodukte, Kleidungsstücke, persönliche Hygieneartikel und verschiedene andere Produkte eingearbeitet wird, kann die Grundbahn aus größeren Mengen von Stapelfasern hergestellt werden.
Neben Faserbrei und Stapelfasern kann auch thermomechanischer Holzstoff zu der Grundbahn hinzugegeben werden. Wie dem Durchschnittsfachmann bekannt ist, bezieht sich der Ausdruck thermomechanischer Holzstoff auf Faserbrei, der während des Einstampfens nicht in dem gleichen Ausmaß wie herkömmlicher Faserbrei gekocht wird. Thermomechanischer Holzstoff enthält steife Fasern und weist höhere Gehalte an Lignin auf. Thermomechanischer Holzstoff kann zu der Grundbahn der vorliegenden Erfindung zugegeben werden, um eine offene Porenstruktur zu erzeugen und um somit die Bauschigkeit und die Saugfähigkeit zu erhöhen und die Beständigkeit gegen Nasszusammenbruch zu verstärken.
Wenn dieser vorhanden ist, kann thermomechanischer Holzstoff zu der Grundbahn in Mengen von etwa zehn Gewichtsprozent bis etwa 30 Gewichtsprozent zugegeben werden. Bei Verwendung von thermomechanischem Holzstoff wird während der Ausbildung der Bahn weiterhin vorzugsweise ein Benetzungsmittel zugegeben. Das Benetzungsmittel kann in einer Menge von weniger als etwa einem Prozent zugegeben werden und kann in einem Ausführungsbeispiel sulfuriertes Glykol sein.
In einigen Ausführungsbeispielen ist es wünschenswert, den Betrag der inneren Faser-zu-Faser-Bindung zu begrenzen. In dieser Hinsicht kann der Fasereintrag, der verwendet wird, um die Grundbahn auszubilden, mit einem chemischen Debondingmittel behandelt werden. Das Debondingmittel kann während des Einstampfens zu der Faserschlämme zugegeben werden oder es kann direkt in den Stoffauflaufkasten zugegeben werden. Die Menge des zu den Fasern zugegebenen Debondingmittels ist abhängig von der jeweiligen Anwendung. Zum Beispiel kann das Debondingmittel in einer Menge von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa zehn Gewichtsprozent, vorzugsweise von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa fünf Gewichtsprozent und stärker vorzugsweise von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa einem Gewichtsprozent auf Basis des Gesamtfasergewichtes in Kontakt gebracht werden.
Geeignete Debondingmittel, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind unter anderem kationische Debondingmittel, wie zum Beispiel fetthaltige quaternäre Dialkylaminsalze, fetthaltige tertiäre Mono-Alkylaminsalze, primäre Aminsalze, quaternäre Imidazolinsalze und ungesättigte fetthaltige Alkylaminsalze. Andere geeignete Debondingmittel werden in dem auf Kaun erteilten US-Patent Nr. 5,529,665 offengelegt.
In einem Ausführungsbeispiel kann das in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete Debondingmittel ein organisches quaternäres Ammoniumchlorid sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Debondingmittel in einer Menge von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa einem Gewichtsprozent auf Basis des Gesamtfasergewichtes der in der Schlämme vorliegenden Fasern zu der Faserschlämme zugegeben werden.
Die Grundbahn der vorliegenden Erfindung weist eine Mehrschichtstruktur auf. In Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Bahn aus einem geschichteten Fasereintrag, der wenigstens drei Hauptschichten aufweist, hergestellt.
Es ist durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt worden, dass verschiedene einzigartige Produkte durch die Verarbeitung einer geschichteten Grundbahn gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden können. Wie weiter oben beschrieben worden ist, bewirkt das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Beispiel Trennung der Bahn in dem Bereich, in dem die Bahn am schwächsten ist.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine geschichtete Grundbahn ausgebildet, die Außenschichten aufweist, die eine geringere Scherfestigkeit als eine mittlere Schicht aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel können Bindungen in der mittleren Schicht bei Aufbringen von Scherkräften, die durch das Verfahren der Erfindung erzeugt werden, versagen, jedoch kann die Unversehrtheit der Außenschichten aufrecht erhalten werden. Der entstehende Bogen gleicht in verschiedener Hinsicht den Eigenschaften eines zweilagigen Bogens.
Es stehen verschiedene Verfahren zur Herstellung von geschichteten Grundbahnen zur Verfügung. Unter Bezugnahme auf 1 wird zum Beispiel eine Vorrichtung zum Ausbilden eines mehrschichtigen geschichteten Fasereintrages veranschaulicht. Wie gezeigt wird, kann ein dreilagiger Stoffauflaufkasten 10 im Allgemeinen eine obere Stoffauflaufkastenwand 12 und eine untere Stoffauflaufkastenwand 14 umfassen. Der Stoffauflaufkasten 10 kann weiterhin eine erste Trennwand 16 und eine zweite Trennwand 18 umfassen, die drei Faserstoffschichten trennen. Eine jede der Faserstoffschichten 24, 20 und 22 umfasst eine verdünnte wässrige Fasersuspension.
Ein endloses sich bewegendes Siebgewebe 26, das durch die Rollen 28 und 30 auf geeignete Weise gestützt und angetrieben wird, nimmt den geschichteten Faserstoff auf, der aus dem Stoffauflaufkasten 10 ausgegeben wird. Nachdem sie auf dem Gewebe 26 zurückbehalten wird, läuft die geschichtete Fasersuspension wie durch die Pfeile 32 gezeigt durch das Gewebe hindurch. Wasserentzug wird durch Kombinationen aus Schwerkraft, Zentrifugalkraft und Vakuumabsaugung in Abhängigkeit von der Formungskonfiguration erzielt.
Das Formen von mehrschichtigen Bahnen wird auch in dem auf Farrington. Jr. erteilten US-Patent Nr. 5,129,988 und in dem auf Edwards et al. erteilten US-Patent Nr. 5,494,554 beschrieben und offengelegt.
Bei dem Formen von geschichteten Grundbahnen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, um Schichten herzustellen, die unterschiedliche Scherfestigkeiten und/oder Zerreißfestigkeiten aufweisen. Zum Beispiel können Debondingmittel wie weiter oben beschrieben genutzt werden, um die Festigkeit einer jeweiligen Schicht zu verändern.
Alternativ dazu können verschiedene Fasereinträge für eine jede Schicht verwendet werden, um eine Schicht mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Zum Beispiel können Weichholzfasern in eine Schicht eingearbeitet werden, um Festigkeit zu verleihen, während Hartholzfasern in eine angrenzende Schicht eingearbeitet werden können, um eine schwächere Schicht zu bilden.
Insbesondere ist bekannt, dass Schichten, die Hartholzfasern enthalten, üblicherweise eine geringere Zugfestigkeit und Scherfestigkeit aufweisen als Schichten, die Weichholzfasern enthalten. Hartholzfasern weisen eine relativ kurze Faserlänge auf. Zum Beispiel können Hartholzfasern eine Länge von weniger als etwa zwei Millimeter und vorzugsweise von weniger als etwa 1,5 Millimeter aufweisen.
In einigen Ausführungsbeispielen umfassen die in eine Schicht der Grundbahn eingearbeiteten Hartholzfasern Eukalyptusfasern. Eukalyptusfasern weisen üblicherweise eine Länge von etwa 0,8 Millimetern bis etwa 1,2 Millimetern auf. Wenn sie zu der Bahn zugegeben werden, erhöhen Eukalyptusfasern die Weichheit, verstärken die Helligkeit, erhöhen die Opazität und die Abtransportfähigkeit der Bahn.
Neben Eukalyptusfasern können auch andere Hartholzfasern in die Grundbahn der vorliegenden Erfindung eingearbeitet werden. Solche Fasern sind unter anderem Ahornholzfasern, Birkenholzfasern und gegebenenfalls recycelte Hartholzfasern.
Im Allgemeinen können die oben beschriebenen Hartholzfasern in einer beliebigen geeigneten Menge in der Grundbahn vorliegen. Zum Beispiel können die Fasern von etwa fünf Gewichtsprozent bis etwa 100 Gewichtsprozent einer Schicht der Bahn umfassen.
Die Hartholzfasern können in der Schicht der Bahn mit der geringeren Zugfestigkeit entweder allein oder in Kombination mit anderen Fasern, wie zum Beispiel mit anderen Zellulosefasern, vorliegen. Zum Beispiel können die Hartholzfasern mit Weichholzfasern, mit Hochsaugaktivpolymeren und mit thermomechanischem Holzstoff kombiniert werden.
Neben Hartholzfasern kann eine relativ schwächere Schicht unter Verwendung von Kunstfasern erzeugt werden. Insbesondere bilden Kunstfasern keine Bindungen untereinander wie Zellulosefasern und können daher verwendet werden, um schwächere Schichten auszubilden.
In einer weiteren alternativen Anordnung kann eine schwächere Schicht unter Verwendung von Fasern mit aufgespalteten Bindungen ausgebildet werden. Der Ausdruck Fasern mit aufgespalteten Bindungen bezieht sich dabei auf Fasern, die mit einem Debondingmittel wie oben beschrieben behandelt worden sind.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Hartholzfasern sind andere Fasern, die besonders gut für Verwendung in der Schicht mit der geringeren Zugfestigkeit und/oder der geringeren Scherfestigkeit der Grund bahn geeignet sind, Zellulosefasern, die dauerhaft gekräuselt oder versteift worden sind, um Verbindung zu verringern. Erfindungsgemäß enthält die mittlere Schicht Zellulosefasern, die versteift worden sind. Bei Verwendung in dieser Schrift bedeuten dauerhaft gekräuselte Fasern Fasern, die einem von mehreren möglichen Verfahren zur Erhöhung der Gesamtkrümmung einer Länge der Faser unterzogen worden sind, und versteifte Fasern sind Fasern, die behandelt worden sind, damit die Fasern eine geringere Biegesteifigkeit aufweisen.
Ein mögliches Verfahren zur Herstellung dauerhaft gekräuselter Zellulosefasern oder von versteiften Fasern ist ein Mercerisierungsverfahren, bei dem Fasern mit einem Alkali, üblicherweise Natriumhydroxid, behandelt werden, um die Zellulose in eine stärker thermodynamisch stabile, weniger kristalline Form umzuwandeln. Löschen des Alkalis, während die Fasern verdreht sind, stabilisiert die neue Form bei einem niedrigeren pH-Wert.
Ein weiteres Verfahren zum dauerhaften Kräuseln und Versteifen von Zellulosefasern ist ein Verfahren mittels chemischer Vernetzung. Diese Behandlung wird durch Zugabe eines chemischen Vernetzungsmittels entweder zu einer Lösung, die Holzzellulosefasern enthält, oder direkt in die aufgeschwemmten Zellulosefasern selbst durchgeführt. Einige Beispiele von Vernetzungsmitteln, die verwendet werden können, sind unter anderem Polycarbonsäuren, Glykole, Formaldehydmittel und ähnliche. Die Fasern werden dann getrocknet und in einer vornehmlich individualisierten Form gehärtet, um Faservernetzungen zwischen den Fasern zu unterstützen. Dies stabilisiert die Faser in einem stark verdrillten Zustand. Zusätzlich erhöht die Vernetzung die Steifigkeit der Fasern durch erhöhte Bindung zwischen den Fasern.
Ein weiteres mögliches Verfahren zum Herstellen dauerhaft gekräuselter oder versteifter Fasern ist ein Verfahren mittels mechanischer Vorrichtungen. Wenn Holzzellulosefasern mechanisch behandelt werden, indem sie einer großen Scherkraft und/oder hohen Temperaturen ausgesetzt werden, werden die Fasern zu verdrehten, gekräuselten Formen gedreht werden. Lignin, das Fasern enthält, ist besonders anfällig gegenüber Kräuselung der beschriebenen Art und Weise aufgrund der geringeren Glasübergangstemperatur von Lignin.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden versteifte Fasern durch Wärmeänderung hergestellt. Insbesondere werden Zellulosefasern auf Temperaturen erwärmt, die Aldehydgruppen erzeugen, die vernetzen, wodurch Versteifung der Fasern bewirkt wird. Dieses Verfahren wird mitunter auch als Hornbildung bezeichnet.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung sind versteifte Zellulosefasern in der mittleren Schicht einer Grundbahn enthalten, die gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden, um eine relativ schwache zentrale Schicht auszubilden. Die versteiften Zellulosefasern können in der mittleren Schicht entweder allein oder in Verbindung mit anderen Fasern, wie zum Beispiel Hartholzfasern, enthalten sein.
Die Außenschichten der Grundbahn müssen eine Scherfestigkeit größer als die der mittleren Schicht, die die versteiften Zellulosefasern enthält, aufweisen. Zum Beispiel können die Außenschichten der Bahn aus reinen Weichholzfasern, Hartholzfasern, Ausschusspapier oder Holzfaserstoff oder aus Gemischen derselben hergestellt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Außenschichten der oben beschriebenen Fasern in Kombination mit Stapelfasern, wie zum Beispiel Kunststofffasern, enthalten.
Das Gewicht einer jeden Schicht einer versteiften Grundbahn im Verhältnis zu dem Gesamtgewicht der Bahn ist im Allgemeinen nicht kritisch. In der Mehrzahl der Aus führungsbeispiele wird das Gewicht einer jeden Außenbahn jedoch von etwa 12,5% bis etwa 40% des Gesamtgewichtes der Bahn, vorzugsweise von etwa 25% bis etwa 35% des Gewichtes der Bahn, betragen.
Ein Verfahren der Quantifizierung der Eigenschaften und Merkmale einer Bahn (wie zum Beispiel einer Schicht einer geschichteten Bahn) ist das Messen der Scherfestigkeit. Die Scherfestigkeit ist die Spannung oder Beanspruchung, der ein Material standhalten kann, ohne zu reißen, wobei die Spannung oder Beanspruchung in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des Materials aufgebracht wird. Wie in der vorliegenden Schrift beschrieben wird, kann die Scherfestigkeit durch die folgende Methode bestimmt werden:
Eine Probe einer Bahn (die eine Schicht einer Bahn darstellen kann) wird zuerst unter den Versuchsbedingungen der TAPPT (Association of the Pulp and Paper Industry, Vereinigung der Zellstoff- und Papierindustrie) (50% relative Luftfeuchtigkeit und 73°F) vier Stunden lang konditioniert. Die Probe wird danach zu einem 5,08 cm (zwei Zoll) langen (in der Maschinenrichtung) und 2,54 cm (ein Zoll) breiten (in der Querrichtung) Teil zugeschnitten.
Ein 12,7 cm (fünf Zoll) großes Stück von Klebeband Scotch^® 810D wird auf eine Seite der Probe dergestalt aufgebracht, dass ein Ende des Klebebandes auf gleicher Höhe mit einem Ende der Probe ist und dass 7,62 cm (drei Zoll) des Klebebandes über das andere Ende der Probe hinausragen. Der Überstand von 7,62 cm (drei Zoll) des Klebebandes wird danach auf sich selbst gefaltet, so dass man ein 3,81 cm (1½ Zoll) langes Teil doppelten Klebebandes als „Handgriff" erhält, das über das Ende der Probe hinausragt. Diese gleiche Verfahrensweise wird mit einem weiteren Stück Klebeband auf der anderen Seite der Probe entsprechend wiederholt, jedoch so, dass sich der Klebeband-Handgriff der zweiten Seite in die gegenüberliegende Richtung weg von der Probe von dem ersten Klebeband-Handgriff erstreckt. Das Klebeband muss mit Druck fest an beiden Seiten des Probe befestigt werden. Die Probe wird danach auf die Breite des Klebebandes zugeschnitten, so dass die endgültige Probe für Versuchszwecke 5,08 cm (zwei Zoll) lang (in der Maschinenrichtung) und 1,9 cm (0,75 Zoll) breit (in der Querrichtung) ist und sich die „Klebeband-Handgriffe" um 3,81 cm (1½ Zoll) über beide Enden hinaus erstrecken.
Die Probe wird in eine Zugversuchsanordnung MTS Synergie Tensile Test Frame mit 5,08 cm (zwei Zoll) breiten laborblattförmigen Griffen eingebaut. Die Spannweite zwischen den Griffen beträgt 10,16 cm (vier Zoll), und die Griffe sind an beiden Enden der Probe an den Klebeband-Handgriffen befestigt.
Der Prüfling wird mit einer Rate von 1,27 cm/min. (0,5 Zoll/min.) bis zum Bruch gedehnt. Der Prüfling muss nach dem Bruch untersucht werden, um sicher zu gehen, dass die Probe noch immer fest an den beiden Stücken des Klebebandes befestigt ist. Wenn dies nicht der Fall ist, hat das Klebeband versagt, nicht jedoch die Probe, und die Probe muss verworfen werden.
Die Bruchlast ist die Belastungsgrenze. Die Scherfestigkeit in Pa wird bestimmt als:
Die Soll-Scherfestigkeit einer Grundbahn ist von dem Endprodukt abhängig. Für ein Toilettenpapier-Produkt kann die Scherfestigkeit geringer als 10 kPa sein, vorzugsweise geringer als 5 kPa, stärker vorzugsweise geringer als 2 kPa. Für ein Handtuch-Produkt kann die Scherfestigkeit geringer als 20 kPa, vorzugsweise geringer als 15 kPa, stärker vorzugsweise geringer als 10 kPa, sein.
Neben der Scherfestigkeit kann auch die Zugfestigkeit eine wichtige Eigenschaft zur Messung in geschichteten Bahnen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sein. Ein Verfahren zum Messen der Zugfestigkeit einer Bahn wird in dem nun folgenden Beispiel beschrieben.
Das Flächengewicht von gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Grundbahnen kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung unterschiedlich sein. Im Allgemeinen kann das Flächengewicht für die meisten Anwendungen von etwa 8,5 g/m² (etwa 5 Pfund pro 2.880 Quadratfuß (Ries)) bis etwa 136 g/m² (etwa 80 Pfund pro Ries) und vorzugsweise von etwa 10,2 g/m² (etwa 6 Pfund pro Ries) bis etwa 51 g/m² (etwa 30 Pfund pro Ries) betragen. Einige der Anwendungsfälle der Grundbahnen umfassen die Nutzung als ein Wischprodukt, als Serviette, als medizinische Einlage oder Polster, als saugfähige Schicht in einem Laminatprodukt, als Platzdeckchen, als Abdecktücher, als Abdeckmaterial, als Kosmetiktücher, als Toilettenpapier oder für beliebige Produkte, die saugfähig in Bezug auf Flüssigkeiten sein müssen.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele besser verständlich werden.
BEISPIEL
Das folgende Beispiel, das nicht erfindungsgemäß ist, sondern das zum besseren Verständnis der Erfindung angeführt wird und die Vorteile und Nutzen derselben veranschaulichen soll, wurde durchgeführt.
In diesem Versuch wurden Papierbahnen hergestellt, zwischen zwei Geweben platziert und danach um wenigstens eine Scherung erzeugende Walze herum geführt. Insbesondere wurden geschichtete Bahnen untersucht, die drei Schichten enthielten. Die beiden Außenschichten der Bahn wurden aus Eukalyptusfasern hergestellt. Die mittlere Schicht enthielt jedoch Weichholzfasern. Die Bahnen wurden unter Verwendung eines Durchlufttrockners ähnlich dem in 3 veranschaulichten System hergestellt. Die Grundbahnen hatten ein durchschnittliches Flächengewicht von etwa 32,1 g/m² (etwa 18,9 Pfund pro Ries).
Nachdem sie ausgebildet worden waren, wurden die Bahnen zwischen ein Paar Geweben platziert und um wenigstens eine Scherung erzeugende Walze, ähnlich der in 4 veranschaulichten Form, herumgeführt.
In der ersten Versuchsreihe wurde die zwischen den Geweben angeordnete Grundbahn mit einem Druck von 4465 g/cm (25 Pfund pro Linearzoll) um drei Scherung erzeugende Walzen umschlungen. Die Gewebe wurden zu einem Betrag von etwa 45 Grad um die Scherung erzeugenden Walzen umschlungen.
Während der ersten Versuchsreihe wurde der Durchmesser der Scherung erzeugenden Walzen zwischen 5,08 cm (zwei Zoll), 11,43 cm (4,5 Zoll) und 26,7 cm (10,5 Zoll) verändert. Weiterhin wurde auch der Gehalt der Bahn an Weichholzfasern (die mittlere Schicht der Bahn) von 28 Gewichtsprozent auf 31% Gewichtsprozent verändert.
Mathematische lineare Regressionsmodelle wurden für die Festigkeit und die Weichheit entwickelt, um Festigkeits- und Weichheitskurven zu erzeugen. Die Ergebnisse der ersten Versuchsreihe werden in 8 veranschaulicht. Für Vergleichszwecke wurde auch eine Kontrollkurve erzeugt. Die Kontrollkurve wurde erzeugt, indem die Grundbahn bei einem Druck von 26790 g/cm (150 Pfund pro Linearzoll) kalandert wurde anstelle die Bahn den Scherung erzeugenden Walzen auszusetzen, und danach eine Kurve geschätzt wurde.
Während dieser Versuche wurde die Weichheit unter Verwendung eines Handklassifizierungsversuchs (IHR) bestimmt. Die Prüfer erhielten sechs Proben und wurden gebeten, diese nach ihrer Weichheit auf Basis subjektiver Kriterien zu klassifizieren. Insbesondere erhielten die Prüfer unterschiedliche Gruppen von Proben mehrere Male. Eine jede Probe war codiert. Replikate wurden verglichen, um Fehlerschätzungen vorzunehmen. Die Antwortdaten der Prüfer wurden mit logistischer Regression modelliert, um paarweise Auswertungen zu bestimmen und Quoten zu protokollieren.
Die Festigkeit wurde unter Verwendung eines sogenannten GMT-Versuches (zur Bestimmung des geometrischen Mittels der Zugfestigkeit) bestimmt. Insbesondere wurde die Zugfestigkeit von Proben in der Maschinenrichtung und in der Maschinenquerrichtung ermittelt. Während des Versuches wurde ein jedes Ende einer Probe in einer gegenüberliegenden Klemmbacke eingespannt. Die Klemmbacken hielten das Material in der gleichen Ebene und bewegten sich mit einer Dehnungsrate von zehn Zoll pro Minute. Die Klemmbacken fuhren auseinander, bis Bruch auftrat, um die Bruchfestigkeit der Probe zu bestimmen. Das geometrische Mittel der Zugfestigkeit wird danach berechnet, indem die Quadratwurzel der Zugfestigkeit der Probe in der Maschinenrichtung mit der Zugfestigkeit der Probe in der Querrichtung multipliziert wird.
Um die in 8 veranschaulichte Kurve aufstellen zu können, wurden lineare Regressionsmodelle für die Festigkeit und die Weichheit berechnet. Insbesondere wur de ein Modell Y = f (x) für die Festigkeit und die Weichheit aufgestellt. Ein Kalkulationsbogen wurde erarbeitet und gab Weichheitswerte und Festigkeitswerte für unterschiedliche Gehalte an Weichholz in der Bahn für einen jeden der drei interessierenden Walzendurchmesser von 5,08 cm (zwei Zoll), 11,43 cm (4,5 Zoll) und 26,7 cm (10,5 Zoll) an. Für einen jeden Punkt in dem Kalkulationsbogen wurde ein Wert für die Festigkeit und für die Weichheit anhand der Regressionsmodelle berechnet. Die in 8 gezeigte Kurve wurde danach durch Plotten der Weichheit auf einer Achse und der Festigkeit auf der anderen Achse, jeweils nach Walzendurchmessern, erzeugt.
Wie in 8 gezeigt wird, verschiebt das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Festigkeits-/Weichheits-Kurve hin zu der Erzeugung weicherer und festerer Bahnen. Weiterhin führt die Reduzierung des Durchmessers der Scherung erzeugenden Walze zu einer weiteren Erhöhung der Weichheit der Bahnen bei einer gegebenen Festigkeit.
Während der Versuche wurde weiterhin festgestellt, dass eine Reduzierung der Dicke um zwischen fünf Prozent und 15% sicher und ohne negative Auswirkung auf Produktattribute erzielt wurde.
Unter Verwendung mathematischer Modelle wurde eine weitere Gruppe von Kurven aus einer weiteren Versuchsreihe erzeugt. Insbesondere wurde in dieser Versuchsreihe nur eine einzelne Scherung erzeugende Walze verwendet. Die Ergebnisse werden in 9 gezeigt.
Wie gezeigt wird, hat eine Reduzierung des Durchmessers der Scherung erzeugenden Walze im Vergleich zu der Kontrolle eine größere Auswirkung auf die Grundbahnen.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Grundbahnen, die folgenden Schritte umfassend: Bilden einer geschichteten Grundbahn (38), die Faserbrei enthält, wobei die Grundbahn eine mittlere Schicht (20), angeordnet zwischen einer ersten Außenschicht (22) und einer zweiten Außenschicht (24), enthält und die erste und die zweite Außenschicht eine größere Scherfestigkeit als die mittlere Schicht (20) aufweisen, Platzieren der Grundbahn zwischen einem ersten Förderband (60) und einem zweiten Förderband (62) und Führen des ersten Förderbandes (60) und des zweiten Förderbandes (62) um eine Scherung erzeugende Walze (64), während die Grundbahn zwischen den Förderbändern positioniert ist, wobei die Grundbahn (38), wenn sie um die Scherung erzeugende Walze (64) geführt wird, einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 10 Gew.-% hat und die mittlere Schicht Zellulosefasern enthält, die versteift worden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Scherung erzeugende Walze (64) einen Durchmesser von weniger als ungefähr 25,4 cm (ungefähr 10 Zoll) hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Scherung erzeugende Walze (64) einen Durchmesser von weniger als ungefähr 17,8 cm (ungefähr 7 Zoll) hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundbahn (38) ein Flächengewicht von ungefähr 8,5 g/m² (ungefähr 5 Pfund pro Ries) bis zu ungefähr 153 g/m² (ungefähr 90 Pfund pro Ries) hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die geschichtete Bahn ein Flächengewicht von ungefähr 42,5 g/m² (ungefähr 25 Pfund pro Ries) hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Förderband (60) und das zweite Förderband (62) unter einer Spannung von wenigstens 893 g/cm (5 Pfund pro Linearzoll) sind, während sie um die Scherung erzeugende Walze (64) geführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste und das zweite Förderband (60, 62) unter einer Spannung mit einem Wert von ungefähr 1786 g/cm (ungefähr 10 Pfund pro Linearzoll) bis zu ungefähr 8930 g/cm (ungefähr 50 Pfund pro Linearzoll) sind, während sie um die wenigstens eine Scherung erzeugende Walze geführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Förderband (60, 62) die wenigstens eine Scherung erzeugende Walze (64) ausreichend umschlingen und mit einem ausreichenden Wert von Spannung um die Scherung erzeugende Walze (64) herum angeordnet sind, um Scherkräfte zu erzeugen, die auf die Grundbahn (38) wirken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Förderband (60, 62) die Scherung erzeugende Walze (64) wenigstens 40° umschlingen.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren das Führen des ersten Förderbandes (60) und des zweiten Förderbandes (62) um wenigstens eine Scherung erzeugende Walze (64) umfassend, während die Grundbahn zwischen den Förderbändern angeordnet ist und während die Grundbahn einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 5 Gew.-% hat, die wenigstens eine Scherung erzeugende Walze einen Durchmesser von weniger als ungefähr 17,8 cm (ungefähr 7 Zoll) hat und das erste und das zweite Förderband die Scherung erzeugende Walze wenigstens 80° umschlingen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das erste Förderband (60) und das zweite Förderband (62) um wenigstens zwei Scherung erzeugende Walzen geführt werden und die Förderbänder jede der Scherung erzeugenden Walzen wenigstens 80° umschlingen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei wenigstens eine Scherung erzeugende Walze (64) einen Durchmesser von ungefähr 5,08 cm (ungefähr 2 Zoll) bis ungefähr 12,7 cm (ungefähr 5 Zoll) hat und wobei das erste und das zweite Förderband (60, 62) die Scherung erzeugende Walze wenigstens 100° umschlingen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das erste und das zweite Förderband (60, 62) unter einer Spannung mit einem Wert von wenigstens 5358 g/cm (30 Pfund pro Linearzoll) sind, während sie die wenigstens eine Scherung erzeugende Walze (64) umschlingen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste und das zweite Förderband wenigstens zwei Scherung erzeugende Walzen umschlingen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste und das zweite Förderband wenigstens drei Scherung erzeugende Walzen umschlingen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste und das zweite Förderband wenigstens fünf Scherung erzeugende Walzen umschlingen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grundbahn ein Tissueprodukt umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittlere Schicht mercerisierte Fasern umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die mittlere Schicht vernetzte Fasern umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die versteiften Zellulosefasern thermisch modifizierte Fasern umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mittlere Schicht von ungefähr 25% bis zu ungefähr 35% des Gewichts der Bahn umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die mittlere Schicht von ungefähr 12% bis zu ungefähr 40% des Gesamtgewichts der Bahn umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Außenschicht Weichholzfasern enthalten.
Einlagige Papierbahn, umfassend: eine geschichtete Grundbahn, die eine mittlere Schicht (20), angeordnet zwischen einer ersten Außenschicht (22) und einer zweiten Außenschicht (24), enthält, wobei die erste und die zweite Außenschicht eine größere Scherfestigkeit als die mittlere Schicht aufweisen und wobei die geschichtete Grundbahn äußeren Scherkräften in einem Ausmaß ausgesetzt wird, das ausreichend ist, um die mittlere Schicht zu schwächen, und die mittlere Schicht versteifte Zellulosefasern enthält.
Papierprodukt nach Anspruch 24, wobei die versteiften Zellulosefasern mercerisierte Fasern umfassen.
Papierprodukt nach Anspruch 24, wobei die versteiften Zellulosefasern chemisch vernetzt sind.
Papierprodukt nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei das Papierprodukt ein Papierhandtuch oder ein Toilettenpapier umfasst.
Papierprodukt nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die erste Außenschicht und die zweite Außenschicht Weichholzfasern enthalten.
Papierprodukt nach einem der Ansprüche 24 bis 28, wobei die Grundbahn ein Flächengewicht von ungefähr 8,5 g/m² (ungefähr 5 Pfund pro Ries) bis zu ungefähr 153 g/m² (ungefähr 90 Pfund pro Ries) hat.