专利名称：制造结构纸用的设备与方法以及由此生产的结构纸的制作方法
技术领域：
本发明涉及造纸，特别是涉及生产具有诸如不同的密度、厚度、皱纹、纸幅度等等区域的造纸。
背景技术：
造纸是众所周知的技术。在造纸时纤维素纤维和液体载体被混合在一起。液体载体被吸出并将制成的纤维素纤维的初期纸幅干燥。
干燥一般是以两种方式来进行的空气穿透干燥或惯用的毛毯干燥。空气穿透干燥依赖于吹入的穿透初期纸幅的热空气。惯用的毛毯干燥依赖于通过毛细管作用从纸幅中除去水的压榨毛毯。
空气穿透干燥产生具有不同密度区域的纸。此类纸已被用于商业上成功的产品诸如Bounty毛巾纸和Charmin牌和Charmin Ultra牌面巾纸。然而，存在或可能存在不希望使用空气穿透干燥的情况。
在这些情况中，使用惯用的毛毯干燥。然而，惯用的毛毯干燥并不必然产生结构纸和其伴随的优点。因此，现已希望使用惯用的毛毯干燥来生产结构纸。通过使用压印初期纸幅用的、其上具有带图案的框架的惯用毛毯可已实现上述的希望。现有技术的这些尝试的例子包括1996年9月17日颁发给Trokhan等人的美国专利5556509号；1996年12月3日颁发给Ampulski等人的美国专利5580423号；1997年3月11日颁发给Phan的美国专利5609725号；1997年3月11日颁发给Trokhan等人的美国专利5629052号；1997年6月10日颁发给Ampulski等人的美国专利5637194号；1997年10月7日颁发给McFarland等人的美国专利5674663号；和1998年1月20日颁发给Trokhan等人的美国专利5709775号，这些专利的公开内容被编入于此作为参考文献。
然而，可能存在人们希望使用其上不带图案的框架的惯用毛毯的埸合。本发明提供了这种造纸过程的灵活性。
1983年12月20日颁发给Hostetler等人的美国专利4421600号公开了具有两个毛毯和三个压榨操作的设备。还有，压榨后纸幅在织造的压印织物上输送到扬克烘缸。
现有技术在这方面的尝试被介绍于1982年1月5日颁发给Hulit等人的美国专利4309246号中。Hulit等人介绍了三种形式，其中在两个辊之间形成辊隙。在每种形式中，压印织物和毛毯被置于二辊之间。纸幅被携带在压印织物上并被其所压印。然后从此辊隙中将在压印织物上的纸幅带出。在两种实施方式中，纸幅随后从压印织物输送到扬克烘缸。在第三种实施方式中，Hulit不使用扬克烘缸。
Hulit的发明中布局有若干缺陷。首先，需要二组辊隙，第一组辊隙压印纸幅而在第二组辊处纸幅被输送到扬克烘缸，Hulit认识到多个扬克烘缸能取代或添加到扬克烘缸。然而，Hulit法没有减少花费和基于扬克烘缸的结构要求两个单独的辊隙所带来的不便(现有金属中经常出现)。
此外，通过在第一次操作中压印纸幅与在第二次操作中将纸幅输送到扬克烘缸，Hulit法在操作中产生的厚度在随后的操作中被破坏。Hulit的纸幅的压实必然发生在压缩辊与扬克烘缸之间。这种压实破坏了在第一阶段中压印纸幅所形成的厚度。
另一种尝试被示于1995年4月5日颁发给Erikson等人的欧洲专利0526592 B1中，它公开了另一种的两辊隙方式。在第一辊隙中，纸在压力辊与下压力辊之间被压印。在该处，Erikson等人通过将压榨毛毯直接紧贴纸上而使纸脱水。这使压榨毛毯变形为未被关节(knuckle)所支持的压印织物区，从而减少了由压印织物压缩所引起的不同密度效应。
Erikson压印纸并在下压力辊处将其输送到扬克烘缸。在此点纸被输送到扬克烘缸。然而，第二压力辊再次压印纸。Erikson等人的问题在于其第二辊隙处压印带永不会与在第一辊隙处形成的压印的图案相套准。于是，Erikson过份地压缩纸并破坏了在第一阶段中由压印所形成的厚度。
另外，如同上述现有技术的尝试一样Erikson等人仍要求复杂的两辊隙体系。Erikson还需要被套在闭合的压印织物外的闭合的压榨毛毯。此种安置产生非常昂贵的改进现用的机械问题，如为了添加分离的毛毯回路，需要另外的空间、驱动装置等。在现用的造纸机中安装这样的分离的毛毯回路的费用估计超过一千万美元。
在此被作为参考文献的具有共同受让人的1997年6月10日颁发给Ampulski等人的美国专利5637194号公开另外一种造纸机的实施形式，其中毛毯位于毗邻压印件的表面。压印件压印成型的纸幅并将其携带到扬克烘缸。Ampulski等人指出，压印件在空气穿过干燥中是有用的并且纸幅被成型成压印件。尽管Ampulski等人对现有技术提出了重要的改进，但是Ampulski等人仍然没有达到纸幅对扬克烘缸的充分接触。
发明概述本发明包括造纸设备。该设备具有在其间形成辊隙的并列的第一与第二刚性表面。一压印件能被插入到此辊隙中并携带纸幅。该压印件具有与纸幅相接触的正面及背面。纸幅与第一刚性表面接触，由此使纸幅能同时被压印和输送到第一刚性表面。
毛细管脱水件也能被插入到辊隙中并与第二刚性表面和压印件的背面相接触。压缩力能同时被施加到穿过辊隙的纸幅、压印件和毛细管脱水件上。
在一种优选的实施方式中，辊隙是由两个同轴的辊形成的。两辊中的一个可以是扬克烘缸，而另一个辊可以是压力辊且更优选为真空压力辊。
附图简介
图1是本发明的造纸机的侧视图。
图2是图1中所示的压印件的局部的顶视图。
图3是沿图1的3-3线立剖图。
图4是本发明的造纸机的另一种实施方式的局部侧视图。
发明详述现参看图1，本发明是从沉积在如现有技术中所熟知的网前箱10中的纤维的水分散体开始的。纤维的水分散体产生可具有恒定的定量或包括多重的定量的纸20。
如果希望的话，纸20可以具有多重的定量。最好，多重定量纸20具有两个或多个可区别的区域较高的定量区与较低的定量区。最好，高定量区包括基本上为连续的网络。低定量区可以是离散的。如果希望的话，本发明的纸20还包括处于低定量区中的中间定量区。这样的纸20可以根据1993年9月14日颁发给Trokhan等人的美国专利5245025号来制造，该专利的公开内容被编入于此作为参考文献。如果纸20仅具有两个不同的定量区，一个为基本上连续的高定量区，而另一个为分布在整个基本上为连续的高定量区中的离散的低定量区，这样的纸20可以根据1996年6月18日颁发给Trokhan等人的美国专利5527428号；1996年7月9日颁发给Trokhan等人的美国专利5534326号；和1997年8月5日颁发给Trokhan等人的美国专利5654076号来制造；这些专利的公开内容在此被编入作为参考文献。
人们还希望压密纸20的选定区域。这样的纸20既可以具有多重的密度区又可以具有多重的定量区。这样的纸20可以根据1994年1月11日颁发给Phan等人的美国专利5277761号和1995年8月22日颁发给Phan等人的美国专利5443691号来制造，它们的公开内容被编入于此作为参考文献。
纸20由成型网15被输送到压印带30。类似于成型网15的压印带30从宏观上看是单一的平面。压印带30的平面限定了其X-Y方向。垂直于X-Y方向和压印带30平面的是压印带30的Z方向。同样，本发明的纸20可被认为是宏观平面且处于X-Y平面中。垂直于X-Y方向和纸20平面的是纸20的Z方向。
压印带30的第一表面31与被携带在其上的纸20接触。在造纸期间，压印带30的第一表面31可以将相应于框架42的图案压印到纸20上。
压印带30的第二表面32是带10的机器接触表面。该第二表面32可以由其中具有通道背面网络构成，所说的通道是与穿过压印带30的挠曲导管46不同的。通道提供在压印带30的第二表面32背面上纹理的不规则性。这些通道使在压印带30的X-Y平面中的空气漏泄，这样的空气漏泄不一定是在Z方向上穿过压印带30的挠曲导管46的。
或者，压印带30可以具有不连续的关节。不连续的关节可以是由特定的经纬纱织物制成的。在这样压印带上制成的纸20具有与离散的压印区一样的图案。还可被用于空气穿过干燥且已知适用于本发明的压印带被描述于1967年1月31日颁发给Sanford等人的美国专利3301746号；1975年9月16日颁发给Ayers的美国专利3905863号；1982年12月16日颁发给Trokhan的美国专利4239065号，它们的公开内容被编入于此作为参考文献。
如果希望的话，用于本发明的压印带30可以是在杰克德式织布机上织造的织物。杰克德式织布机被认为具有为所制成的带提供柔软性的优点。在杰克德式织布机上织造的带织物之例子被公开在Farrington的美国专利5672248号中。
最好，本发明的压印带30包括两个主要部分框架42和增强结构44。框架42优选包括聚合物树脂。框架42和压印带30具有第一表面31，第一表面31规定了压印带30的纸接触面和按使用压印带30的造纸机取向的相反的第二表面32。
最好，框架42限定了预定的图案，所说的图案将相同的图案压印到本发明的纸20上。框架42用的特别优选的图案是基本上连续的网络。如果框架42用的优选的基本上连续的网络图案被选定的话，离散的导管46将在压印带30的第一表面31与第二表面32之间延伸。基本上连续的网络围绕并界定了导管46。
本发明的压印带30的第二个摘要部分是增强结构44。与框架42一样的增强结构44具有第一或面向纸的表面和第二或面向机器的表面，第二或面向机器的表面与第一或面向纸的表面相反。增强结构44主要处于压印带30的相反的两表面之间且可以具有与压印带30的背面相重叠的表面。增强结构44提供对框架42的支承。增强结构44通常是如现有技术中所熟知那样织造的。部份的增强结构44与导管46对准以防止造纸中所用的纤维完全穿过导管46并由此减少针眼的发生。如果人们不然希望使用织造织物作为增强结构44的话，非织造件、筛网、网络、或具有贯穿孔的片状物可以为本发明的框架42提供充分的强度与支承。
本发明的压印带30可以根据具有共同受让人的1985年4月30日颁发给Johnson等人的美国专利4514345号；1985年7月9日颁发给Trokhan的美国专利4528239号；1992年3月24日颁发的美国专利5098522号；1993年11月9日颁发给Smurkoski等人的美国专利5260171号；1994年1月4日颁发给Trokhan的美国专利5275700号；1994年7月12日颁发给Rasch等人的美国专利5328565号；1994年8月2日颁发给Trokhan的美国专利5334289号；1995年7月11日颁发给Rasch等人的美国专利5431786号；1996年3月5日颁发给Stelljes，Jr．等人的美国专利5496624号；1996年3月19日颁发给Trokhan等人的美国专利5500277号；1996年5月7日颁发给Trokhan等人的美国专利5514523号；1996年9月10日颁发给Trokhan等人的美国专利5554467号；1996年10月22日颁发给Trokhan等人的美国专利5566724号；1997年4月29日颁发给Trokhan等人的美国专利5624790号；和1997年5月13日颁发给Ayers等人的美国专利5628876号来制造，这些专利的公开内容被编入于此作参考。
最好，框架42从增强结构44向外延伸一段小于约0．15毫米的距离，更优选为小于约0．10毫米的距离，在优选的是小于约0．05毫米的距离。还有，最好带图案的框架42约与增强结构44的高度相等。由于带图案的框架42具有从增强结构44向外延伸这样小距离的缘故，可以生产出更柔软的产品。更具体地说，这为没有纸的偏移或将纸模塑成压印带30创造了条件，如现有技术中所发生的那样。于是，所制成的纸20将具有平滑的表面与不易触觉的糙度。
此外，由于具有从增强结构44向外延伸一段这样短距离的框架42，增强结构44将在分布于挠曲导管46中的顶表面关节处与纸接触。这种排列使在紧贴扬克烘缸70的对准关节的各点处进一步压实纸20，从而减少了压实区之间的X-Y间隙。
于是，在纸20与扬克烘缸70发生更紧密的接触。如以上所指出的，本发明的一个优点在于纸的压印与输送到扬克烘缸70是同时发生的，从而消除了现有技术的多操作步骤。由于输送基本上是在纸20与扬克烘缸70充分地接触下进行的-而不是如在现有技术中所发生那样只是压缩关节-从而能达到充分接触的干燥。而且，由于同时压印纸20和将它输送到扬克烘缸70，因此厚度被保持住。
现有技术尝试在一个操作中进行压印而在第二个操作中进行向扬克烘缸70输送。第二个操作，使用其自身单独的辊隙压缩纸20，从而破坏了在第一辊隙中赋予压缩纸20的厚度。本发明的操作同时进行压印与输送，从而避免了此问题。
纸20还可以如现有技术中那样缩短。缩短能通过由刚性表面、优选由圆柱体起皱纸20来实现。扬克烘缸70是实现此目的所常用的。起皱是像现有技术一样用刮刀来实现。起皱可根据1992年4月24日颁发给Sawdai的美国专利4919756号来实现，该专利的公开内容被编入于此作参考。另一种方案或作为附加的，缩短可以通过具有共同受让人的1984年4月3日颁发给Wells等人的美国专利4440597号中所述的湿微压缩法来实现，该专利的公开内容被编入于此作参考。起皱刮刀选择性地且有差别地起皱纸20的压缩的与相对未压缩的区域。
在本发明中，惯用的毛毯60与压印带30的背面相并置。惯用的毛毯60具有小于5旦尼尔、优选为小于3旦尼尔的表面植绒(surface batting)。在造纸期间此表面植绒与压印带30相接触。毛毯60的定量为200-1400克／平方米。优选的是，毛毯60其上不具有单独的图案，以致毛毯60的第一表面31直接和完全接触压印带30的背面。这种接触有助于从压印带30除去水并由此从纸20除去水。然而，如果希望的话，毛毯60可在其上有带图案的框架，如在此处作为参考文献的上述专利中所公开的那样。
重要的是液压连接本身也可形成在纸20、压印带30和毛毯60之间。液压连接能在几个方面得到改进。首先，能压榨毛毯60。压榨毛毯60减少压榨毛毯60孔的平均体积。最好，毛毯60具有平均为小于50微米的平均孔隙容量分布。
适用的压榨毛毯60是Appleton Mills Company of Appleton，Wisconsin制造的Ampfix2。这样的毛毯60具有约2-5毫米的厚度，定量为800-2000克／平方米，平均密度为0．16-1．0克／立方厘米。毛毯60可具有空气渗透率为约5-约300SCFM／平方英尺，而就本发明而言，空气渗透率为小于50 SCFM／平方英尺的毛毯被优选使用。
除了改进液压连接外，压印带30可以具有针剌穿透的植绒。植绒可以从压印带30的面向机器面32和面向纸页面31向外延伸。更优选是植绒从压印带30的背面向外延伸，以致与毛毯60形成紧密接触。如果希望的话，其上具有植绒的压印带30可被压缩而减少其平均孔隙容量分布。
减少植绒的压印带30或毛毯60的孔隙容量分布的压缩能通过砑光辊隙来实现，如现有技术那样。最好，平均孔隙容量分布从纸20到被添加的压印件30到毛细管毛毯60单调地减少。这样的单调地减少形成热动力吸引，这有助于从被干燥的纸20中除去水。
如果希望的话，其他毛细管脱水件可被用来取代上述的毛毯60。例如，泡沫毛细管脱水件可被选用。最好，这样的泡沫具有平均孔径为小于50微米。适用的泡沫可以按照具有共同受让人的1993年11月9日颁发给DesMarais等人的美国专利5260345号和1997年7月22日颁发给Trokhan等人的美国专利5625222号来制造，此处将它们的公开内容编入作参考文献。
或者，可以使用限制孔干燥介质作为毛细管脱水件。这样的介质可以由各种面对面叠置的薄层来制造。薄层具有比纸中各纤维间间隙小的隙间流动区。合适的限制孔干燥介质可以根据具有共同受让人的1997年5月6日颁发给Ensign等人的美国专利5625961号和1994年1月4日颁发给Ensign等人的美国专利5274930号来制造，此处将它们的公开内容编入作参考文献。
毛毯60、压印带30和纸20被插入到辊隙中。最好，辊隙被形成在两同轴辊之间。更优选的是两个辊之一被加热，再更优选的是包括被加热的扬克烘缸70。另一个辊可以是真空压力辊。
毛毯60、压印带30和纸20被插入到辊隙中，使得纸20靠近加热的辊，优选为加热的烘缸，更优选的是扬克加热烘缸。压印带30与纸20并置且处于接触关系。毛毯60与压印带30的背面和另一或第二个辊35的周界处于并置和相接触的关系。
如果希望的话，可以穿过第二个辊35施加真空到毛毯。此真空有助于从毛毯60中脱去水，由此而从纸20中脱去水。第二辊35可以是真空压力辊。最好，蒸汽箱被置于真空辊35的相对面。蒸汽箱喷出穿过纸20的蒸汽。随着蒸汽穿过纸20，它降低了被含在其中的水之粘度，从而促进更好地干燥。蒸汽被真空压力辊35所收集。
如果还希望的话，真空箱可以取代真空压力辊35。真空箱可以正向抽吸空气，并由此在纸20被输送到扬克烘缸70的位置穿过纸20而抽吸水。
当然，熟练的技术人员懂得，同时压印、脱水和输送操作可以发生在不需要扬克烘缸的实施方式中。例如，两个平表面能被并置在一起而在其间形成细长的缝隙。另外，可以使用两个未被加热的辊。辊可以是，例如，砑光机组的部件，或者是将功能性添加剂印刷到纸幅表面的操作。功能性添加剂包括润肤洗剂、聚二甲基硅氧烷、软化剂、香料、薄荷醇等等，它们均是本技术领域中所公知的。
现参看图4，如果希望的话，毛细管脱水件60可以包括扩展的环路。扩展的环路与压印件30套起来，如图1中所示。然而，图4的扩展的被套的环路提供能在第一辊隙中进行脱水的优点随后的脱水和输送在第而辊隙发生。然而，图4的实施方案所需的造纸设备的总数不会增加而超过图1中所示的数目。
熟练的技术人员知道，许多其他的变型与改进是可能的。例如，单一的辊和细长的平表面能被结合而形成处在其间的隙缝。然而，只有本发明能同时进行三种操作通过压缩使纸幅和／或毛细管脱水件脱水、压印纸幅、和从压印件输送纸幅。所有这样的设备与方法均属于权利要求书的范围之内。
权利要求
1．一种造纸设备，包括被并置而在其间形成辊隙的第一与第二刚性表面；能插入到所述的辊隙并在其上携带纸幅的压印件，所述的压印件具有造纸期间接触纸幅的正面和与此相反的背面；所述的纸幅与所述的第一刚性表面处于相接触的关系，由此所述的纸幅能同时被压印和被输送到所述的第一刚性表面；和能被插入到所述的辊隙中的毛细管脱水件，与所述的第二刚性表面处于接触关系，所述的毛细管脱水件被置于与所述的压印件的所述的背面相接触的关系，由此在所述的辊隙中压力能被施加到所述的纸幅、所述的压印件、和所述的毛细管脱水件上。
2．根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的辊隙是通过两个并置而在其间形成辊隙的同轴的辊而形成的，且优选其中所述的辊之一是扬克烘缸。
3．根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述的辊之一施加真空到所述的毛细管脱水件。
4．根据权利要求1、2和3所述的设备，其特征在于，所述的毛细管脱水件包括织造毛毯且优选所述的毛细管脱水毛毯的旦尼尔数小于约5。
5．根据权利要求1、2、3和4的设备，其特征在于，所述的压印件包括具有杰克德式织纹的织造毛毯。
6．根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述的压印件包括增强结构和处于其上的带图案的框架，所述的带图案的框架是朝所述的纸幅取向的而所述的纸幅与所述的压印件处在所述的辊隙中。
7．根据权利要求＿所述的设备，其特征在于，所述的带图案的框架从所述的带孔的带向外延伸一段小于0．15毫米的距离，且优选为一段小于0．05毫米的距离。
8．一种造纸设备，包括被并置而在其间形成辊隙的扬克烘缸与压力辊，能插入到所述的辊隙中的压印件，所述的压印件包括从其向外延伸的具有带图案框架的增强件，在所述的辊隙中所述的带图案的框架与所述的纸幅相接触并压印所述的纸幅，在所述的辊隙中所述的纸幅同时接触并被输送到所述的扬克烘缸；和毛毯，在所述的辊隙中所述的毛毯与所述的压力辊并置，由此在所述的辊隙中所述的毛毯能脱除所述的压印带的水。
9．一种从纸幅中除去水的方法，所述的方法包括以下步骤提供被并置在一起而在其间形成辊隙的第一个辊与第二个辊；提供被干燥的纤维素纸幅；提供具有压印所述的纸幅的正面和与之相反的背面的压印件；将所述的纤维素纸幅放置在所述的压印件上；提供毛细管脱水件；并置所述的毛细管脱水件与所述的压印件的所述的背面；将所述的纸幅、所述的毛细管脱水件和所述的压印件插入到所述的辊隙中，由此所述第一个辊在所述的辊隙中插入所述的纸幅、所述的毛细管脱水件和所述的压印件，所述的第一个辊与所述的纸幅相接触，同时使所述的毛细管脱水件与所述的第二个辊相接触；由此通过毛细管作用使水可从所述的压印件中被除去；用所述的压印件压印所述的纸幅；并同时将所述的纸幅输送到所述的第一个辊。
10．根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的纸是被具有与所述的框架相当的高密度图案的带图案框架压印的，所述的带图案框架与所述压印件结合的，优选包括基本上连续的网络。
全文摘要
一种压印纸幅的设备与方法。扬克烘缸(70)与压力辊(35)被并置而形成辊隙。压印件(30),例如空气穿透干燥带或其他图案带被插入到辊隙中。毛毯(60)也被插入到该辊隙中,并与压印件的背面相接触。压印件携带纸幅(32)。纸幅在辊隙中被压印并同时被输送到扬克烘缸。辊隙可以由与毛毯并置的真空辊形成。真空辊可从毛毯中除去水和由此从纸幅中除去水。
文档编号D21F3/08GK1292836SQ99803816
公开日2001年4月25日 申请日期1999年3月15日 优先权日1998年3月17日
发明者保罗·D·特罗克汉, 迪安·V·法恩, 罗伯特·S·安普尔斯基 申请人:宝洁公司