DE60015580T3

DE60015580T3 - Papiermaschine und verfahren zum entwässern einer zellstoffbahn

Info

Publication number: DE60015580T3
Application number: DE2000615580
Authority: DE
Inventors: Dean Van Phan; Dennis Paul TROKHAN; Graves Peter AYERS
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: JP2003508649A; CA2384241C; EP1212483B2; DE60015580D1; CA2384241A1; US20020179264A1; US7550059B2; AU774933B2; WO2001018307A1; ZA200201448B; AR022651A1; MXPA02002493A; HK1048507A1; AU7117000A; EP1212483B1; CN1314856C; CN1382239A; BR0013841A; EP1212483A1; PE20010767A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
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.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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 Nm. 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.
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.
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.
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.
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.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung umfasst eine Papiermachervorrichtung und ein Verfahren, gemäß den Ansprüchen, 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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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:
1 eine hervor gehobene vertikale Seitenansicht einer Papiermachermaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine bruchstückhafte Draufsicht des in 1 gezeigten Prägeelements ist;
3 eine vertikale Schnittansicht entlang von Linien 3-3 in Fig. ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Definitionen:
Wie hier verwendet, haben die folgenden Ausdrücke die folgenden Bedeutungen:
Eine hydraulische Verbindung ist eine kontinuierliche Verbindung, die durch Wasser oder eine andere ähnliche Flüssigkeit gebildet wird.
Ein Lückenvolumen (VV) ist der offene Raum, der einen Weg für Fluide bereit stellt.
Ein relatives Lückenvolumen (VV_Relativ) ist das Verhältnis VV zum Gesamtvolumen des Raumes, der von einer gegebenen Probe eingenommen wird.
Das absolute Lückenvolumen (VV_Absolut) ist das volumetrische Maß des VV pro Einheitsfläche in cm³/cm².
Die Maschinenrichtung, als MD bezeichnet, ist die Richtung parallel zum Weg der zellulosehaltigen Bahn durch die Produkt-Herstellungsanlage.
Die Quermaschinenrichtung, mit CD bezeichnet, ist die Richtung senkrecht zu der Maschinenrichtung in der gleichen Ebene der zellulosehaltigen Bahn.
Ein Kapillar-Entwässerungselement ist eine Einrichtung zum Entfernen von Wasser auf dem Wege einer kapillaren Anziehung.
Die Dicke ist die makroskopische Dicke einer Probe, gemessen, wie dies unten beschrieben wird.
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.
Eine Papierbahn ist auch, wie hier verwendet, ein Synonym für eine zellulosehaltige Bahn.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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:
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.
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.
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 Übereinstimmung 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 Avers am 16. September 1975.
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.
Die Dichte der Filamente wird bestimmt, während die Dichte des Lückenraumes als 0 g/cm³ angenommen wird. Zum Beispiel haben Polyester (PET)-Filamente eine Dichte von 1,38 g/cm³. 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
Das relative Lückenvolumen wird bestimmt durch die folgende Gleichung
Für die vorliegende Erfindung kann eine maximale Wasserentfernung am Spalt für einen Gewebestoff erreicht werden, bei welchem das VV_Relativ im Bereich von einer unteren Grenze von etwa 0,05, vorzugsweise einer unteren Grenze von 0,10 bis zu einer oberen Grenze von etwa 0,4 liegt. Für einen besandeten Gewebestoff beträgt die obere Grenze des VV_Relativ etwa 0,30.
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.
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
SV_Absolut = Absolutes Lückenvolumen
M_Filamente = Masse von Filamenten
r_Filamente = Dichte von Filamenten
M_Harzhöcker = Masse der Harzhöcker
p_Harzhöcker = Dichte der Harzhöcker
Für die vorliegende Erfindung kann die maximale Wasserentfernung am Spalt für eine Verstärkungsstruktur 42 mit einem darauf angeordneten Harzhöckermuster 44 erreicht werden, wenn das VV_Relativ im Bereich von einer unteren Grenze von etwa 0,05, vorzugsweise einer unteren Grenze von 0,10, bis einer oberen Grenze von etwa 0,4, vorzugsweise einer oberen Grenze von etwa 0,28 liegt. Äußerst bevorzugt beträgt das VV_Relativ für eine Verstärkungsstruktur mit einem darauf angeordneten Harzhöckermuster etwa 0,19.
Prägeelement
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.
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.
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.
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.
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 Kettfilament über zwei Schussfilamente und unter einem Schussfilament in Folge verläuft und jedes Schussfilament über einem Kettfilament und unter zwei Kettfilamenten in Folge verläuft. Der Gewebestoff 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.
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.
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 Nm. 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.
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.
Vorzugsweise bildet das Hockermuster 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.
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.
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.
Der Prägestoff mit dem 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.
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.
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.
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.
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 Nm. 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.
Kapillar-Entwässerungselement
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.
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.
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.
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.
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 Übereinstimmung mit dem 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.
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.
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.
Das Papier
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 dem Prägeelement 30.
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.
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.

Claims

Verfahren zur Entfernung von Wasser aus einer Zellstoffbahn (20), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen einer ersten Walze (70) und einer zweiten Walze (35), die benachbart zueinander angeordnet sind, um einen Walzenspalt dazwischen zu bilden; Bereitstellen eines Prägeelementes (30) mit einer Oberseite (31) zum Prägen der Bahn (20) und einer zu dieser gegenüberliegenden Unterseite (32), wobei das Prägeelement ein Absolut-Hohlraumvolumen aufweist; Platzieren der Zellstoffbahn (20) auf der Oberseite (31) des Prägeelementes (30); Bereitstellen eines Kapillar-Entwässerungselementes (60) mit einer Oberseite (62) und einer Unterseite (64), wobei die Oberseite (62) benachbart zu der Unterseite (32) des Prägeelementes (30) ist; Einführen der Zellstoffbahn (20), des Prägeelementes (30) und des Kapillar-Entwässerungselementes (60) in den Walzenspalt, wobei die Zellstoffbahn (20) mit der ersten Walze (70) in Kontakt steht und die Unterseite (64) des Kapillar-Entwässerungselementes (60) mit der zweiten Wake (35) in Kontakt steht, wobei die Wassermenge aus der Zellstoffbahn (20) und durch das Prägeelement (30) hinausgedrängt wird, das eine Strömungsverbindung zwischen der Zellstoffbahn (20) und dem Kapillar-Entwässerungselement (60) derart bildet, dass das Verhältnis der aus der Bahn (20) hinausgedrängten Wassermenge zu dem Absolut-Hohlraumvolumen des Prägeelementes (30) mindestens ungefähr 0,5 beträgt, wobei das Prägeelement (30) ein Relativ- Hohlraumvolumen aufweist, das von ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,4 reicht.
Vorrichtung zur Entwässerung einer Zellstoffbahn (20) umfassend ein Kapillar-Entwässerungselement (60) mit einer Oberseite (62) und einer Unterseite (64) sowie ein Prägeelement (30) mit einer Oberseite (31) und einer Verstärkungsstruktur (44) mit einer zu der Oberseite (62) des Kapillar-Entwässerungselementes (60) benachbarten Unterseite (32), und eine erste Walze (70) und eine zweite Walze (35), die benachbart zueinander angeordnet sind, um einen Walzenspalt zwischen diesen zu bilden, und wobei die Unterseite (64) des Kapillar-Entwässerungselementes (60) in Kontakt mit der zweiten Wake (35) steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägeelement (30) ein Relativ-Hohlraumvolumen aufweist, das von ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,4 reicht, und dass die Bahn (20) auf der Oberseite (31) des Prägeelementes (30) platziert werden kann und mit der ersten Walze (70) in Kontakt stehen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Prägeelement (30) ferner eine Oberseite (31) mit einer harzigen Höckerfläche (42) aufweist, die darauf vorgesehen ist, wobei das Prägeelement (30) ein von ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,28 reichendes Relativ-Hohlraumvolumen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Höckerfläche (42) von der Verstärkungsstruktur (44) eine Strecke von weniger als ungefähr 0,15 mm nach außen verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Prägeelement (30) ferner ein Gewebe aufweist, wobei das Prägeelement ein Relativ-Hohlraumvolumen aufweist, das kleiner als ungefähr 0,3 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Gewebe gesanded ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Gewebe nicht gesanded ist, wobei das Prägelement ein Relativ-Hohlraumvolumen aufweist, das kleiner als ungefähr 0,4 ist.