专利名称：用于更好地卷绕和支承未加工纸卷的未加工纸卷芯结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于卷绕和支承宽幅连续的重纸卷的纸板芯结构。更确切地说，本发明涉及一种具有较高平面抗压强度和动态强度的、用于卷绕和支承宽度大于100英寸(254厘米)、卷径一般在50英寸(127厘米)以上的多层纸板芯结构。
在高级的终端应用场合如照相凹版印刷中被用来支承宽幅且重的未加工纸卷(paper mill roll)的宽幅重纸板芯是如此构成的，即使其满足包括高平面抗压强度和高动态强度在内的强度要求。这些和其它强度要求是必需的，因为在卷绕和退纸过程中，纸板芯被扩展的夹盘从内部支承在其端部，其中卷绕在卷芯上的纸卷具有超过两吨(1800千克)的重量，一般达到或大于五吨(4500千克)，纸幅宽度一般在约100英寸到140英寸(254厘米到356厘米)之间。在美国，目前这些卷芯是按照三英寸(76．2毫米)和六英寸(152．0毫米)这两种标准内径(ID)尺寸供货的，而在欧洲，是按照150．4毫米的标准内径供货的(对应于美国的六英寸内径未加工纸卷芯(papermill core))。
这些宽幅重纸卷的被称为“中间断裂”故障的问题多年来阻止了造纸工业的发展。尤其是，在卷绕时看起来很好的纸卷随后在印刷期间的退纸过程中因不清楚的原因而断裂。中间断裂故障的迹象是众所周知的并且是始终不变的。卷芯附近的那部分纸卷内的纸以及在退纸夹盘上方的纸卷端部的纸断裂，并且碎纸可能从侧面被挤压出纸卷。这些碎片明显增大了纸幅在印刷过程中断裂的机会，结果导致印刷车间费用高昂的停车时间。碎纸还可能位于残余纸张上面，由此造成错误印刷和质量问题。返回未加工纸供应商处的这种不合格纸卷会对赢利性产生较大的冲击。
人们还没有认识到中间断裂故障的确切原因。例如，对支承出现中间断裂故障缺陷的未加工纸卷的纸板芯的检查没有引起对任何有关的卷芯缺陷的认识。中间断裂故障大约以占未加工纸卷1％-8％的比例出现，并且众所周知，中间断裂故障出现的频率已经增大。这种增大被归因于使用较重、较宽的纸卷。另外，与几十年前的优质纸相比，现在的优质纸通常更薄并具有更低摩擦的表面，并且通常由于更高的回收纤维含量而具有较低的强度。结果，更难保持卷绕张力并且更难在整个纸卷直径范围内形成均匀的结构。针对这些问题，人们已经提出了对未加工纸卷绕设备进行改进，以便在卷绕时随着以使卷绕张力具有理想分布的方式施加转矩而连续地监控纸张张力。这些改进方案在卷好的未加工纸卷中形成了摩擦和挤压，以便尽可能减少由于纸卷各层在装运和随后退纸时打滑而对纸卷造成的损害。尽管如此，中间断裂故障现象仍然存在并且以不可预期的模式和原因继续增多。
本申请的受托者已经研究出了各种纸板芯结构和技术，以便用设计好用于特定最终用途的纸板芯解决特定问题。例如，在1995年2月28日授予Yiming Wang、Monica McCarthy、Terry D．Gerhardt、和Charles G．Johnson的美国专利NO．5，393，582披露了具有更高的平面抗压强度的纸板芯管结构。这种结构涉及到使用如此分布在管壁内的纸板片层或区域，即低强度低密度纸板层位于管壁的内部和外部上，而高密度高强度纸板层位于纸板管壁的中间或中部。在1996年4月9日授予Yanping Qiu和Terry D．Gerhardt的美国专利NO．5，505，395披露了这样的纸板管结构，即它提出了当管被支承在一芯轴上并由于在较高张力下卷绕到卷芯上的线或薄膜容易回缩而受到相当大的径向压缩载荷时所出现的管内径变形的问题。这种卷芯结构牵涉到使用由位于管壁内部和外部上的高强度高密度纸板层构成的区域，其中低强度低密度纸板层位于纸板壁的中间或中央部分。另外，在《工程材料和技术期刊》(卷112，第144-150页，1990)的T．D．Gerhardt所著的“螺旋纸带纸管的外部压力载荷理论和实验”中讨论了影响纸板管径向抗压强度的因素。
尽管人们已经提出了这些和其它管结构及改进方案来对付特定的纸板芯最终应用要求，但是与用于宽幅且重的未加工纸卷的宽幅重纸板芯有关的中间断裂问题看起来不是由任何纸板芯特性或明显的纸板芯缺陷引起的。另外，未加工纸卷的极限重量和纸板芯在卷绕操作时所受的极限动态应力要求这些纸板芯必须显示出高抗压强度和动态强度，由此限制可用于在理想壁厚范围内提出可行的芯结构变形的卷芯修改范围，以便减少中间断裂故障。由于纸板芯内径部分是由极高密度、极高强度纸板层构成的，这是因为卷纸夹盘表面在卷绕时给卷芯内表面施加了所谓的夹盘“咬入”力，所以进一步限制了可行的卷芯修改方案。实际上，由于这些不同的要求，用于宽幅且重的未加工纸卷的纸板芯通常完全由极高强度、极高密度的纸板层构成。通常，纸板层的密度大于0．80g／cc，并且在六英寸(150毫米和152毫米)内径纸板芯的情况下，使用数量足够的层，以达到大约13毫米(0．512英寸)的壁厚，或者在三英寸内径纸板芯的情况下，达到大约16毫米(0．630英寸)的壁厚。
新近，本申请的受托者修改了传统的未加工纸卷芯结构以便结合在1995年2月28日授予Yiming Wang、MonicaMcCarthy、Terry D．Gerhardt、和Charles G．Johnson的美国专利NO．5，393，582所披露的最佳平面抗压强度结构。因此，受托者目前的未加工纸卷芯结构采用了位于管壁内部和外部的纸板层区域，其中层密度在高强度范围(0．80g／cc到0．92g／cc)的低数值部分中，而中心区域由密度在高强度范围(0．80g／cc到0．92g／cc)的高数值部分中的纸板层构成。这些卷芯的中间断裂特性一般大于或至少类似于传统的类似未加工纸卷芯的中间断裂特性。
然而，尽管传统纸板芯结构以及受托者的改进卷芯结构具有高强度和高耐用性，并且尽管已将卷绕设备改造成能最佳地形成未加工纸卷，但是中间断裂故障的出现仍然存在并且一直在增加。
本发明提供了可以明显减少或消除宽幅且重的未加工纸卷中的中间断裂缺陷的纸板芯结构。本发明的纸板芯结构基于发现了先前没有认识到的纸板芯断裂故障原因，并且基于纸板芯的新型改进来对付新发现的问题。
特别地，发明人发现，在卷绕过程中所用的夹盘明显地使纸板芯的形状和外径变形。但是，由于在完成卷绕并脱离夹盘后，卷芯通常将恢复其原始尺寸和形状，所以这种变形不明显。由于卷芯的形状和直径在卷绕过程中变形了，所以，在卷绕过程中，在纸卷中形成的压应力和摩擦应力是在卷芯变形的基础上形成的。但是，当夹盘在卷绕后脱离并且卷芯恢复其原始尺寸和形状时，可能会失去在卷绕过程中在纸卷中形成的压应力和摩擦应力的相当大部分的有利效果。纸板芯和纸卷在卷绕过程中产生的变形以及在从卷纸夹盘上取下卷芯时纸卷结构的有关变化通过随后的可变应力而变得复杂，所述可变应力可以在退纸操作过程中通过插入未加工纸卷芯端部中的退纸夹盘而作用在纸卷上。相信在退纸过程中由退纸夹盘的压力造成的纸板芯变形在某些情况下可能加剧了在卷绕时产生的变形应力的有害作用和／或在从卷纸夹盘上取下卷芯时加剧了有利应力的损失，由此增大了卷芯断裂故障的可能性。但是，在其它情况下，由退纸夹盘施加在卷芯端部上的力可以至少部分地抵消有利应力的损失和／或在卷绕过程中变形了的卷芯在纸卷中形成的变形卷绕应力的损失。相信卷芯断裂故障对这些与卷绕和退纸有关的独立过程的依赖关系进一步影响了人们认识中间断裂故障的可能原因。
根据本发明，用于宽幅重纸卷的未加工纸卷绕的纸板芯经过改进而明显地减少了或最大程度地降低了由卷纸夹盘和退纸夹盘作用到卷芯内部的力的向外传递。特别地，本发明的未加工纸卷芯的结构允许卷纸夹盘和退纸夹盘改变卷芯内部体壁的形状和内径，并同时阻碍卷芯外部的变形，即卷芯外部的相应变形明显变小或基本上被减至最小。在如未加工纸卷芯所需要的那样保持较高的平面抗压强度和动态强度性能的同时，可以获得本发明的未加工纸卷芯的改进。
本发明所提供的用于对付中间断裂故障的纸板芯结构在体壁外部70％的范围内(基于总的体壁厚度)包括一个由高强度但较柔软的纸板层构成的多层区域。由较柔软的高强度纸板层构成的区域的厚度至少约为4毫米。另外，纸板芯的整个壁厚最好至少约为15毫米，并因此与传统的高强度宽幅未加工纸卷芯相比而优选地有所提高，所述的传统卷芯完全由极高强度、极高密度且不柔软的纸板层构成。
有利的是，较柔软的高强度纸板层的密度在约0．65g／cc到约0．75g／cc之间，更优选是在约0．67g／cc到约0．73g／cc之间。在六英寸内径卷芯的情况下(包括美国的152毫米和欧洲的150毫米)，由较柔软的高强度纸板层构成的区域最好位于纸板壁的中间部分。在内径约为三英寸(76毫米)的卷芯的情况下，较柔软的高强度纸板层区域最好位于体壁外部的50％范围内，并且目前最优选是，该区域构成体壁的外部40％。
本发明的改进的卷芯结构明显地减小了由卷纸夹盘引起的外径变化，还降低了退纸夹盘将有害作用力传递给纸卷的程度。根据本发明，这是通过依靠一个略微更柔软的纸板层区域而实现的，而不是通过进一步加强卷芯壁而实现的，其原因以后将更详细地解释。优选的增大的卷芯壁厚度有效地加入由更柔软的高强度纸板层构成的区域，以保持纸板芯的总的平面抗压强度和动态强度。而且，优选的壁厚的增大还可以在卷绕和退纸操作时提高可容许的最高卷绕速度(被称为临界速度)。
在本发明的非常优选的实施例中，六英寸(150毫米或152毫米)内径的未加工纸卷芯具有约15毫米以上的总壁厚，更优选是约16毫米以上。因此，与传统上用于宽幅高强度六英寸内径卷芯的13毫米壁厚相比，它具有增大了的壁厚。有利的是，体壁厚度的内部25％-40％是由极致密的高强度纸板层构成的，其中纸板层密度在从约0．80g／cc到约0．92g／cc的范围内。体壁厚度的中部30％-35％最好由高强度但更柔软的纸板层构成，其密度在约0．65g／cc到0．75g／cc之间。卷芯壁的外部30％-35％最好如上面所讨论的那样由用于形成体壁内部区域的极致密的高强度纸板构成。
在根据本发明的三英寸(76毫米)内径纸板芯的情况下，卷芯体壁厚度的内部55％-65％最好如上所述地由极致密的高强度纸板层构成，而三英寸(76毫米)内径卷芯壁厚的外部35％-45％最好如上面所讨论的那样由高强度的更柔软的纸板层构成。与用于三英寸(76毫米)内径未加工纸卷芯的传统的15毫米壁厚相比，三英寸(76毫米)内径卷芯的壁厚最好大约为17毫米-19毫米。
根据本发明的又一个实施例，在卷芯体壁内部30％的范围内，一部分高强度的更柔软的纸板层可以与极高强度的纸板层混合。尽管如此，在此实施例中，在卷芯体壁内部30％的范围内设置足够多的极高强度纸板层，从而该部分体壁中至少一半纸板层是极高强度的纸板层；而所有或基本上所有构成体壁内部15％的层都是极高强度的层。总的体壁厚度大于约15毫米，在低密度高强度但较柔软范围内的层的总厚度大于约5毫米，在极高密度范围内的层的总厚度大于约9毫米。
在构成本发明一部分原始公开范围的附图中
图1以局部透视图示意性地示出了一个以横截面示出的被插入用于支承一部分纸卷的传统未加工纸卷芯端部中的卷纸夹盘，以放大的细部示出了卷纸夹盘的爪使纸板芯形状和外径变形的情况；图2以局部透视图示意性地示出了一个其结构与图1所示卷纸夹盘有所不同的退纸夹盘(以剖视图示出)，它被插入未加工纸卷芯端部中并支承纸卷的一部分，退纸夹盘的爪如图所示地按照相应地不同于图1的卷纸夹盘与卷芯配合的方式而与纸板芯内部配合；图3示出了一种传统的未加工纸纸板芯的透视示意图，并且示出了由传统卷绕设备所施加的力而引起的在沿卷芯长度方向的三个区域内卷芯外径和形状的不同变形；图4是示意性地示出本发明的一种优选纸板芯的局部断开的剖视图；图5是表示图4所示的优选卷芯与卷纸夹盘爪或退纸夹盘爪之间的相互作用的局部剖视图；图6是表示本发明的另一种优选的未加工纸纸板芯的局部断开的剖视图；以及图7是表示本发明的又一种有利的未加工纸纸板芯的局剖横截面视图。
现在将参考附图在下文中更充分地描述本发明，在这些附图中示出了本发明的优选实施例。但是，可以以许多不同的方式来实现本发明，因此不应认为本发明局限于在此所述的实施例，更正确地说，提供这些实施例是为了使本文的公开充分并且完整，并且充分地将本发明的范围传达给本领域的技术人员。相同的数字始终表示相同的部件。
图1示出了一种传统的未加工纸纸芯卷绕过程，其中纸卷10的一部分如图所示地被支承在传统纸板芯12上，而纸板芯12又在其内端部中被一个卷纸夹盘14支承着，所述卷纸夹盘14包括多个沿径向凸出的爪16。如本领域技术人员公知的那样，可以通过各种已知机构(未示出)使爪16沿径向向内、向外地移动，从而允许将纸板芯12装在夹盘14上并使纸板芯12与夹盘14配合。
尤其是，当爪16处于沿径向缩进的状态(未示出)时，可以将纸板芯同轴地装在夹盘14上。爪16在完成卷绕操作时缩进还允许从夹盘14上取下纸板芯12和整个纸卷10。另一方面，当爪16沿径向外伸时，爪有力地接触纸板芯12的内表面，从而夹盘14的转动也使纸板芯12转动起来。
传统的夹盘14只部分地沿轴向伸入纸板芯12的端部中，一般伸入长度在约2英寸(51毫米)到约5英寸(127毫米)之间。由于纸卷10非常重(即，超过两吨(4000磅，1800千克)，更典型的是接近或超过五吨(10000磅，4500千克))，而且由于其长度相当大(一般在约100英寸(2．5米)到142英寸(3．6米)之间)，并且还由于从夹盘14传递给传统纸板芯12的转矩必须相当大，所以夹盘14的爪16被设计成沿径向向外扩展。来自一转矩驱动机构的压力驱使爪16外移，其迫使爪16向外移动一段足以与纸板芯内表面接合的距离。
用于卷绕宽幅且重的未加工纸卷的传统纸板芯12完全由多层极高密度、极高强度的纸板构成。一般地，传统的六英寸内径的纸板芯是由约20-25片极高密度且极高强度的纸板构成的，即由密度一般大于约0．80g／cc且等于或小于约0．92g／cc的纸板构成。
本发明人已经认识到，被用来制作用于传统宽幅重纸卷芯的传统纸板芯的纸板层的极高密度是如此之高，以致于从理论上限制了通过挤压纸板芯12的壁而作用在传统纸板芯12上的卡夹力的吸收。因此，本发明人设计了将多个微应变计用于传统卷绕芯表面上的实验，以便测量例如如图1所示的传统卷纸夹盘14在实时卷绕操作中对传统纸板芯12的作用。这些实验的结果是发现，纸板芯的外部在卷绕过程中明显变形。在图1中示出了纸板芯在其端部的变形。尤其是，爪16与在图1中的区域20内示出的传统纸板芯的相应的重叠部相互作用，结果使纸板芯的这些部分向外弯曲，从而导致纸板芯的形状逐渐向图1所示的正方形(或其它多边形)发展。因此，由于纸板芯的密度极高，由爪16引起的纸板芯内部形状的变形导致了纸板芯12外部的相应变形。而覆盖在纸板芯12的延展区20上面的纸卷10的区域22被迫外移，其外移程度大于不与夹盘14的爪16重叠的纸卷10的区域24。
我们还发现，当完成卷绕操作时以及当从夹盘14上取下被支承在传统卷绕芯12上的完全卷好的纸卷10时，消除了在纸板芯12表面上所观察到的明显的周边应变。实际上，这意味着纸板芯12恢复到其原来的圆形。因此，卷绕在纸板芯12的延展部分20上面的纸卷10的区域22可能失去在卷绕过程中形成的径向应力和摩擦应力的有利作用，而这种有利作用又可能有助于维持纸卷的整体性，直到进行退纸操作。另外，相信在某些情况下，纸卷10的区域22还可能保持在卷绕过程中由于对应于变形的纸板芯外形的压差而产生的有害作用。
参看图2，当最终用户即印刷机使用纸卷10时，先前变形了的纸板芯12在其内端中受到一个退纸夹盘34的支承。但是，在许多情况下，退纸夹盘34的结构和形状与卷纸夹盘14的结构是完全不同的。为了具体说明起见，仅通过示出与卷纸夹盘14中的四个爪16相对的退纸夹盘34中的三个爪36而示出了这一点。
在退纸时，退纸夹盘34的爪36的扩展如力线38所示地将相当大的径向力施加到先前变形了的纸板芯12的内径上并进而施加到其外径上。由于卷纸夹盘结构与退纸夹盘结构不同，或者由于在不同的卷绕和退纸操作中纸卷端部相对于夹盘爪的位置不同，所以，与在卷绕过程中由变形了的纸板芯作用在纸卷上的力相比，端部的纸板芯外部在退纸过程中会将形式明显不同的力传递给纸卷(如图2所示的成三角形分布的力)。
在某些情况下，在如图1所示的卷绕操作过程中向外变形的那部分纸板芯20在退纸时可被定位在一个位于两个延展的爪36之间的以图2中的位置40标出的位置上并且不再象在卷绕时那样覆盖在延展的爪上面，即不再如图1所示地覆盖在爪16上面。因此，在这样的情况下，在纸板芯与覆盖在纸板芯先前延展的部分上面的区域42中的纸卷10的纸之间会出现明显的径向减压。相似地，覆盖在退纸夹盘34的延展的爪36上面的纸卷10的区域44可对应于图1所示的纸卷区域24，区域24位于卷纸夹盘14的延展的爪16之间而不是在这些爪的上面。这可能导致在纸卷上出现以与卷绕应变相比明显不同的方式分布在周边上的应变，从而加剧了由于在卷绕时所施加的变形应力而产生的留在纸卷中的任何有害作用。另一方面，如果退纸夹盘34的爪36按照基本上对应于在卷绕操作过程中卷纸夹盘14的爪16原来对准的方式对准纸卷，则退纸夹盘34作用于纸卷上的应力可能潜在地减轻由于在脱离卷纸夹盘时出现的有利的径向卷绕应力和摩擦卷绕应力的减小而引起的损害(如前所述)。
在卷绕时作用于纸卷端部上的动态应力意味着纸卷端部存在有动态剪切应变(构成纸卷的纸张在层与层之间的轴向滑动)。另外，由于在将100-200毫米的纸在外面卷绕在纸卷上后动态应力明显减小，因此动态剪切应变一般只存在于纸卷内部，即在印刷操作中纸张在纸卷的中间断裂故障中受损的纸卷部分。
现在参看图3，其中示出了纸板芯在卷绕过程中变形了的形状。如图3所示，宽幅纸板芯10沿其长度包括三个区域，其中包括两个末端部分50和一个较长的中间部分52。大致如图3所示，纸板芯的周边变形一般出现在纸板芯的末端部分50中，而由于图1所示的夹盘14仅延伸到图3所示的纸板芯的末端部分50中，因此纸板芯的中间部分52没有变形。另外，大致如图3所示，覆盖在图1所示的卷纸夹盘14的延展的爪16上面的那部分纸板芯20比位于区域20之间的纸板芯末端部分50的区域24更大程度地向外延展。因此，从大致如图3所示的变形了的纸板芯形状可明显看出在卷绕时作用在纸板芯附近的那部分纸卷上的挤压力和摩擦力的复杂性。
图4示出了根据本发明的一种优选的纸板芯结构。图4所示的本发明的纸板芯结构100是用于本发明的六英寸(150或152毫米)内径的未加工纸卷芯的目前优选的结构。如图4所示，芯100的壁包括从芯100的壁的内部到芯100的壁的外部顺序地设置的三个多层区域102、104和106。三个区域102、104和106中的每一个分别包括多个纸板层102a、104a和106a。区域102中的层102a由极高密度、极高强度的纸板构成，即由具有大于约0．80g／cc、最好在约0．80g／cc到约0．92g／cc之间的密度，且优选地具有约0．82g／cc或更高的密度，最优选地具有在约0．82g／cc到约0．90g／cc范围内的密度的纸板构成。
为了实现本发明的目的，根据TAPPI220和TAPPI411标准实验确定纸板密度。根据这些实验，使纸板完全达到在73±1°F并在50％±2％的相对湿度的状态，直到它达到平衡为止。随后，测量至少五个纸板样品的厚度和面积并测量重量。然后，通过用重量(克)除以体积(立方厘米)而确定密度。
现在回过来看图4，如图4所示地构成芯100的壁的区域或层106的多个层106a也是如在图4的区域102方面讨论过的那样有利地由极高密度、极高强度的纸板构成的。构成纸板芯100的壁的中心或中间区域104的多个层104a由高强度但比较柔软的纸板构成，即由密度在约0．65g／cc到约0．75g／cc之间、最好在约0．67g／cc到约0．73g／cc之间的纸板构成。可选择的最外层110可以是不同于区域102中的极高密度、极高强度的纸板层并且也不同于区域104中的高强度但比较柔软的纸板层的一个片层或多个片层(即，一到三片，一般是一片或两片)。在这方面，要注意的是，通常，为了给芯体的外表面赋予各种表面摩擦或装饰的外观和／或为了改善制造过程例如螺旋卷绕或线性拉拔过程和／或为了改善外部片层的附着性而选择卷绕芯的外片层，这对本领域技术人员来说是显而易见的。相似地，芯体的最内片层111可以根据与片层110有关的上述方式以及上述原因而变化。
由于以下结合图5所讨论的原因，如图4所示的芯壁的区域104的厚度114优选地为至少约4毫米。区域104的厚度114更优选地为大于约4．5毫米，优选是大于约5毫米，更优选是在约4．5毫米到6．5毫米之间。目前，优选的是，区域104的厚度在约5毫米到约6毫米之间，最好为约5．6毫米。由柔软的高强度纸板片层构成的区域104构成纸板芯总壁厚的约25％到40％之间，最好是壁厚的约30％到35％之间，这也是优选的。
由具有极高密度、极高强度的纸板层构成的区域102和106中的每一个分别具有一个厚度116和厚度118，它们构成了芯100总壁厚的约25％到约40％之间。区域102和106中的每一个最好构成芯100总壁厚的约30％到35％之间。目前优选的是，区域102和106中的每一个各自的厚度116和118构成芯100总壁厚的约33％。
图5以放大的细部示出了本发明的卷芯结构是如何与传统夹盘14的沿径向扩展的爪16相互配合的。尤其是如图5所示，爪16沿径向向外伸展导致了由具有极高密度、极高强度的纸板层构成的最内层区域102变形而失去了圆柱形轮廓。于是，芯体壁的区域102的各部分120a被向外推而形成了类似正方形或类似多边形的“角或垂直面”。但是，由于区域104的多个层104a是比较柔软并且不太致密的纸板材料，因此覆盖在爪16上面的区域104部分120b能够吸收掉芯100体壁的内部区域102的部分120a的所有的或相当大一部分的径向外扩。由于区域104吸收了应变能，芯100的壁的外部区域106的部分120c优选地只沿径向向外扩展到最小的程度。
总的来说，特别是在诸如图4和图5所示的六英寸内径的纸板芯结构中，具有极高密度、极高强度纸板的区域即图4中的区域106最好位于比较柔软的高强度纸板区域104外。相信这加强了区域104对由爪16引起的径向伸展的吸收，而不会导致芯体100出现相当大的外部变形。
由于分别构成如图4和图5所示的体壁100内部区域102和外部区域106的纸板层具有极高的密度，所以夹盘14的爪16的径向外扩(如图5所示)没有明显挤压体壁内部区域102的厚度116或外部区域106的厚度118。但是，由于区域104是由比较柔软的低密度纸板构成的，所以区域104的厚度114可以压缩，尤其是在覆盖在夹盘14的向外扩展的爪16上面的区域104的部分120b内。总的来说，选择比较柔软的区域104内的纸板层数目和总厚度以便能够吸收夹盘爪16的扩展距离。因此，与选用优选范围内的高密度纸板材料来制成区域104时的情况相比，在选择优选范围的低值区内的低密度纸板材料以便用来制成区域104的情况下，区域104的总厚度可以小一些。
在一个优选实施例中，用于制造图4和图5所示的芯100的体壁的片层的总数在从约25层到约35层的范围，最好从约28层到约32层。总的来说，高密度片层与低密度片层相比一般具有较小的厚度。例如，芯100的体壁可以有利地由多个具有极高密度、极高强度的纸板层和多个比较柔软的高强度纸板层构成，前者中每一个都具有约0．022英寸(0．56毫米)的厚度，后者具有约0．025英寸(0．64毫米)的厚度。
本领域技术人员可以认识到，纸板层的厚度和密度可以在大范围内变化。优选地，本发明所用的纸板层分别具有约0．65g／cc到约0．92g／cc之间的密度，更优选是在约0．67g／cc到约0．90g／cc之间。一般通过改变纸浆处理、改变压缩挤压的程度、改变制成纸浆的原材料而改变纸板强度和密度。也可以通过在造纸过程中采用各种已知的添加剂和增强剂来改变纸板密度和强度。在此有用的纸板层一般具有在约0．020英寸(0．51毫米)到约0．035英寸(0．89毫米)之间范围内的厚度，更一般是在约0．022英寸(0．56毫米)到约0．030英寸(0．76毫米)之间。
总的来说，本发明提出了许多原先没有认识到的与中间断裂问题有关的问题和起因。显然，极高密度、极高强度的纸板层，诸如通常用于形成宽幅未加工纸卷芯体壁的纸板层的强度大部分来源于高质量纸浆的高压压缩。但是，所获得的高密度高强度纸板留有极小的进一步压缩的能力，即进一步减小厚度的能力。因此，本发明依靠于使用多个比较坚固的纸板层，其中每一个都保留有可进一步压缩和减小厚度的能力。因此，本发明所用的低密度高强度纸板层能够吸收传统夹盘爪的相当大量的径向扩展，由此抵消径向扩展，否则，该径向扩展将以相应的量被传给纸板芯外部。
图6示出了如被用于三英寸(76毫米)内径未加工纸卷芯的本发明的一种优选卷芯结构。图6所示的芯包括两个区域，一内部区域202和一外部区域204。内部区域202由多个极高密度、极高强度的纸板层202a构成，而外部区域204由多个高强度但比较柔软的层204a构成。在图6所示的卷芯结构中，将高强度但较柔软的纸板层区域204有利地定位在纸板芯体壁的外部50％。区域204的厚度214最好构成体壁厚度的约30％到约45％，最优选是在壁厚的约35％到45％之间，例如壁厚的约40％。相似地，内部区域202的厚度216构成体壁厚度的约50％到约70％，最优选是在壁厚的约55％到65％之间，例如壁厚的约60％。
当高强度但密度较柔软的纸板层位于在体壁外表面上或附近的一个区域内时，如在图6所示的结构中那样，则该区域的总厚度214最好为至少约5毫米，优选地是从约6毫米到约9毫米。图6所示的三英寸(76毫米)内径纸板芯结构的区域204的优选厚度214为约6．8毫米到约7．2毫米。图6所示的三英寸(76毫米)内径纸板芯的目前优选的总壁厚约为17毫米到约19毫米。
另外，图6的芯200可以有选择地包括不同于区域202中的极高密度、极高强度纸板层并且也不同于区域204中的高强度但较柔软的纸板层的最外层210。外层210(如果有的话)按照以上结合图4的片层110所述的方式和原因而变化，这对于本领域技术人员是显然的。相似地，可以按照所述方式和原因而改变图6中的芯体200的最内层211。
图7示出了本发明的又一个实施例。图7中的未加工纸纸板芯有利地是一个六英寸(150毫米或152毫米)内径的纸板芯。图7所示的芯包括五个区域，一内部区域302、一外部区域312、一中间区域306和分别位于内部区域和中间区域之间以及外部区域和中间区域之间的两个区域304和308。在图7中的未加工纸卷芯结构中，内部区域302由多个极高密度、极高强度的纸板层302a构成，而外部区域312也由多个极高强度的纸板层312a构成。相似地，中间区域306由多个极高密度、极高强度的纸板层构成。区域304和308分别由多个低密度的较柔软的高强度纸板层304a和308a构成。
在图7所示的纸板芯结构中，极高强度、极高密度的内层和外层纸板区域302和312分别大约构成壁结构总厚度的1／6。同样，由低密度的比较柔软的高强度纸板层构成的纸板区域304和308中的每一个大约构成纸板体壁总厚度的1／6。由极高强度、极超高密度纸板层构成的中间区域306的厚度最好是体壁厚度的约1／3。体壁优选地具有至少约为15毫米的总厚度。图7中的芯300可以有选择地包括不同于区域302、312和306中的极高密度、极高强度纸板层并且也不同于区域304和308中的高强度但较柔软的纸板层的最外层310。最外层310(如果有的话)按照以上结合图4和图6的外层所述的方式和原因而变化，这对于本领域技术人员是显然的。相似地，可以按照所述方式和原因来改变图7中的芯体300的最内层311。
图7所示的纸板芯结构目前不是优选的；但是，它提供了很大的强度特性，同时，当给卷芯内部施加相当大的径向力时，明显地减小了纸板芯外部的变形。
本发明的宽幅高强度纸板芯通常具有大于约100英寸的长度，一般大于约120英寸(3米)，更一般是约142英寸(3．6米)或更长。有利的是，纸板芯的最小体壁厚度约为13毫米，优选的是具有至少约15毫米或更大的总壁厚。最优选的是，总壁厚超过具有相应内径的高强度纸板芯所用的传统壁厚。因此，图4和图5所示的六英寸(152毫米)内径纸板芯的体壁厚度最好大于约15毫米，从而大于标准的13毫米的体壁厚度。相似地，图6所示的三英寸(76毫米)内径卷芯的体壁厚度最好大于传统的用于三英寸(76毫米)内径卷芯的15毫米体壁厚度。
采用大于具有相同或类似内径的传统的宽幅高强度纸板芯的体壁厚度的总体壁厚度带来了几个明显优点和有利效果。尤其是，与传统结构相比，增大体壁厚度补偿了使用少量(即少量片层)极高密度、极高强度纸板层的情况，同时还产生了可以与传统结构的平面抗压强度类似或更强的平面抗压强度。通常，本发明的纸板芯将具有至少约为200磅／英寸(3500N／100mm)的极高的平面抗压强度。例如，完全由极高密度、极高强度纸板层构成的传统的六英寸内径的高强度纸板芯具有约200磅／英寸(3500N／100mm)的平面抗压强度。如图4和图5所示的优选的六英寸内径的纸板芯能够轻松地达到16毫米(0．630英寸)的总壁厚，因此比传统结构厚了约3毫米，因此，壁厚增大了23％。但是，在这种情况下，只有总壁厚的约65％-70％是由极高强度、极高密度纸板构成的，因此，图4和图5所示的结构最好由用于制造传统结构的极高密度、极高强度纸板的仅仅约80％构成。尽管如此，图4和图5所示的优选纸板芯结构仍然能够轻松地具有约220磅／英寸(3850N／100mm)的平面抗压强度。另外，图4和图5所示的优选结构与传统卷芯相比减少了用于夹盘配合的纸板芯外径的扩张量。
相似地，与传统的15毫米壁厚结构相比，图6所示的用于3英寸(76毫米)内径卷芯的优选结构可以轻松地具有25％的卷芯抗断裂强度的提高(减少了用于夹盘配合的纸板芯外径扩张量)。尽管如此，与大约为300磅／英寸(5250N／100mm)的用于15毫米体壁厚度三英寸(76毫米)内径卷芯的传统平面抗压强度相比，图6所示的优选结构的平面抗压强度仍然可以轻松地为约312磅／英寸(5425N／100mm)。另外，图6所示纸板芯的动态强度性能最好可以与传统的类似内径卷芯的动态强度类似或更强。
利用本发明的较大壁厚还能够达到更高的可容许转速或“临界速度”。因此，本发明的优选纸板芯可以以比传统卷芯结构的临界转速大约高3％-5％的转速转动。在本发明的任何一个实施例中，转速增大最好是通过采用大于约15毫米的总体壁厚度而实现的。与优选结构有关的较大壁厚增大了卷芯的外径。增大的外径在卷绕和退纸时导致了纸幅速度的较低转速。因此，临界速度性能得到改善。
目前举例描述的本发明的优选未加工纸卷芯具有以下所述的结构。
结构1
内径150．4mm外径182．4mm壁厚(预测)16mm层 密度(g／cc) 厚度(微米)内层* 约0．78 600层2-100．9 550层11-18 0．72 620层19-27 0．9 550层28** 0．68 740外层 NA 220*内层是为制造考虑而设置的**层28和外层是为制造和装饰考虑而设置的结构2内径78．7mm外径110．7mm壁厚(预测)17mm层 密度(g／cc)厚度(微米)内层*约0．72 620层2-18 0．9 550层19-290．72 620层30** 0．68 740外层 NA 220*内层是为制造考虑而设置的**层30和外层是为制造和装饰考虑而设置的结构3内径3英寸外径(预测)3．72英寸壁厚(预测)0．717英寸层 密度(g／cc)厚度(英寸)内层*0．760．025层2-21 0．820．022层22-32 0．680．025外层** NA0．013
*内层是为制造考虑而设置的**外层是为制造和装饰考虑而设置的结构4内径6英寸外径(预测)6．63英寸壁厚(预测)0．633英寸层 密度(g／cc) 厚度(英寸)内层*0．76 0．025层2-110．9 0．022层12-31 0．76 0．025层32-37 0．9 0．022层38** 0．76 0．025外层** NA 0．013*内层是为制造考虑而设置的**层38和外层是为制造和装饰考虑而设置的结构5内径6英寸外径(预测)6．63英寸壁厚(预测)0．633英寸层 密度(g／cc) 厚度(英寸)内层* 0．760．025层2-11 0．820．022层12-31 0．680．025层32-37 0．820．022层38** 0．760．025外层** 0．650．013*内层是为制造考虑而设置的**层38和外层是为制造和装饰考虑而设置的本发明所属领域的技术人员在得益于上述说明书和有关附图所述的教导后将会想起本发明的许多改动和其它实施例。因此，应该理解的是，本发明不局限于所公开的特定实施例，改动和其它实施例被认为包括在附后的权利要求书的范围内。尽管在此采用了特定的术语，但是它们只是用于概括和描述的意义，而不是为了限定。
权利要求
1．一种用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，它包括一个多层纸板芯结构，其长度大于约100英寸(255厘米)，并且由厚度至少为约15毫米的大致成圆柱形的体壁限定而成；所述体壁包括一个沿径向靠内的多层区域，其构成体壁总厚度的至少约25％且主要由纸板层构成，每一个纸板层的密度大于约0．80g／cc；以及一个在体壁总厚度沿径向靠外70％范围内的第二多层区域，其主要由密度都在约0．65g／cc到约0．75g／cc之间的纸板层构成，所述第二区域的厚度至少为约4毫米。
2．如权利要求1所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，在所述内部多层区域内的所述纸板层中的每一个都具有在约0．82g／cc到约0．90g／cc之间的密度。
3．如上述权利要求之一所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，在所述第二多层区域内的所述纸板层中的每一个都具有在约0．67g／cc到0．73g／cc之间的密度。
4．如上述权利要求之一所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，所述的内部多层区域构成体壁总厚度的约30％到35％。
5．如上述权利要求之一所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，所述的第二多层区域的厚度是体壁总厚度的约40％到约50％。
6．如上述权利要求之一所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，所述芯具有150-152毫米的内径，所述沿径向靠内的多层区域构成了体壁总厚度的约25％到约35％，所述芯还包括一个沿径向位于所述第二区域外的第三多层区域，所述第三区域主要由密度大于约0．80g／cc的纸板层构成，并且构成体壁总厚度的约30％到约35％，在所述区域内的所述层构成体壁总厚度的约35％到约45％。
7．如权利要求6所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，所述的内部多层区域构成体壁总厚度的约33％。
8．一种用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，它包括一个多层纸板芯结构，其长度大于约100英寸(255厘米)，并且由厚度至少为约15毫米、内径大约为3英寸(76．2毫米)的大致成圆柱形的体壁限定而成；所述体壁包括一个沿径向靠内的多层区域，其构成体壁总厚度的至少约50％，且主要由纸板层构成，其中每个纸板层密度大于约0．80g／cc；以及一个在体壁厚度沿径向靠外50％范围内的第二多层区域，其主要由密度都在约0．65g／cc到约0．75g／cc之间的纸板层构成，所述第二区域的厚度至少为约5毫米。
9．如权利要求8所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，在所述沿径向靠内的多层区域内的所述纸板层都具有约0．82g／cc到0．90g／cc之间的密度。
10．如权利要求8-9之一所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，在所述第二多层区域内的所述纸板层都具有约0．67g／cc到0．73g／cc之间的密度。
11．如权利要求8-10之一所述的用于支承宽幅连续卷筒纸卷的多层纸板芯，其特征在于，所述内部多层区域构成体壁总厚度的约55％到约65％。
12．如权利要求11所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，所述的第二多层区域的厚度为体壁总厚度的约35％到约45％。
13．如权利要求8-12之一所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷卷的多层纸板芯，其特征在于，所述体壁具有约为16毫米或更大的总厚度。
14．一种用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，它包括一个多层纸板芯结构，其长度大于约100英寸(255厘米)，并且由厚度至少为约15毫米、内径为150-152毫米的大致成圆柱形的体壁限定而成；所述体壁包括一个沿径向位于内部的多层区域，其构成体壁总厚度的约25％到约35％，并且主要由纸板层构成，其中纸板层密度是这样的，即至少基本上所有构成体壁沿径向靠内15％的层都具有大于约0．80g／cc的密度，而在所述沿径向位于内部的多层区域中的基本上所有的其它层都具有约0．67g／cc到0．73g／cc之间的密度；在体壁总厚度沿径向靠外70％范围内的一个第二多层区域，其主要由密度都在约0．65g／cc到约0．75g／cc之间的纸板层构成，所述第二区域的厚度至少为约4毫米，并且体壁总厚度大于约15毫米；以及所述纸板芯包括由密度在约0．67g／cc到0．73g／cc之间的纸板层构成的大于5毫米的总厚度，以及由密度大于约0．80g／cc的纸板层构成的大于9毫米的总厚度。
15．如权利要求14所述的用于支承宽幅连续的未加工纸卷的多层纸板芯，其特征在于，它还包括一个沿径向位于所述第二区域外的第三多层区域，其构成体壁总厚度的约25％到约35％，并且主要由具有这样密度的纸板层构成，即至少基本上所有构成体壁沿径向靠外15％的层都具有大于约0．80g／cc的密度，而在所述沿径向靠外的多层区域内的基本上所有的其它层都具有约0．67g／cc到0．73g／cc之间的密度。
全文摘要
构成本发明的未加工纸卷芯,以允许卷纸和退纸夹盘在抵抗卷芯外部变形的同时使卷芯内壁形状和内径改变以防止中间断裂故障。该卷芯在体壁靠外70%的范围内(基于体壁总厚度)包括由高强度柔软纸板层构成的多层区,壁厚至少约4毫米。由极高强度极高密度纸板层构成占总壁厚至少约25%的内部区。卷芯总壁厚最好至少约15毫米,因此,与完全由极高强度极高密度且不柔软纸板层构成的传统高强度宽幅卷芯壁厚相比,优选地增大了卷芯总厚度。
文档编号B65H75/04GK1290645SQ00117938
公开日2001年4月11日 申请日期2000年6月1日 优先权日1999年10月4日
发明者特丽·格哈特, 维姆·范德坎普, 查尔斯·G·约翰逊 申请人:索诺科开发公司