DE69534256T2

DE69534256T2 - Kapillares Entwässerungsverfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE69534256T2
Application number: DE69534256T
Authority: DE
Inventors: Strong C. Chuang; Kenneth Kaufman; Robert H. Schiesser
Original assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Priority date: 1994-11-23
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2015-11-01
Also published as: DE69534256D1; EP1300642B1; US5598643A; EP1300642A3; WO1996016305A1; US5701682A; ID24738A; DE69530754T8; CN1109788C; DE69534726D1; MX9602732A; EP1300641B1; US5699626A; EP0740765A1; CN1148886A; CA2181484A1; AU4100096A; ID27381A; DE69530754T2; EP0740765B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und ein entsprechendes System zur Herstellung von gekreppten Papierprodukten ohne eine wesentliche Gesamtverdichtung der Bahn, wobei beträchtliche Energieeinsparungen verglichen mit der Verwendung von herkömmlichen Durchtrocknern ermöglicht werden.
2. Kurze Beschreibung des Standes der Technik
US-Patentschrift 3,262,840 an Hervey betrifft ein Verfahren und ein System zum Entfernen von Flüssigkeiten aus faserigen Artikeln, wie z. B. Papier und Textilien, unter Verwendung eines porösen Polyamidkörpers. Der poröse Polyamidkörper ist zum Beispiel eine elastische poröse gesinterte Nylonrolle. In diesem Verfahren wird eine nasse Papierfaserbahn durch eine Serie von Druckspalten geführt, von denen jede wenigstens eine poröse Nylonrolle umfasst.
Offensichtlich wird Flüssigkeit von der nassen Papierfaserbahn durch eine Kombination aus dem Druck, der durch die Presswalzen ausgeübt wird, einem gewissen Grad an kapillarer Wirkung an der porösen Rolle und Vakuumunterstützung in die porösen Nylonrollen übertragen. Allerdings ist die Flüssigkeitsübertragung in diesem Verfahren wesentlich beschränkt, da sie während des verhältnismäßig kurzen Zeitraumes stattfinden muss, in dem die Bahn zwischen dem Spalt und den gegenüberliegenden Rollen durchtritt. Hervey offenbart ferner, dass das Wasser, das durch die poröse Nylonrolle aufgenommen wird, dann entweder aus den Poren hinausgeblasen wird, indem eine Kammer innerhalb der Rolle unter Druck gesetzt wird, oder aus den Poren gezogen wird, indem ein externes Vakuum auf die Rolle angelegt wird. Dieses Hinausblasen des Wassers aus den Poren neigt auch dazu, die Poren zu reinigen.
US-Patentschrift Nr. 4,556,450 an Chuang, et al., offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Flüssigkeit aus Bahnen durch die Verwendung von kapillaren Kräften, ohne die Bahn zu verdichten. Die Bahn tritt über ein peripheres Segment eines sich drehenden Zylinders mit einer Abdeckung, die Poren in Kapillargröße enthält. Das innere Volumen des sich drehenden Zylinders ist in wenigstens zwei und bis zu sechs Kammern aufgeteilt, die von einander durch stationäre Teile und Abdichtungen getrennt sind.
Wenigstens eine der Kammern weist ein Vakuum darin angelegt auf, um den kapillaren Fluss des Wassers aus dem Blatt zu verstärken. Eine andere Kammer umfasst einen positiven Druck, um Wasser aus den Poren aus der Abdeckung hinauszudrücken, nachdem das Blatt entfernt worden ist. Vermutlich werden die Poren durch dieses Hinausdrücken des Wassers gereinigt. Das gesamte Wasser, das aus dem Blatt entfernt wird, wird innerhalb oder direkt unter den Poren gehalten und wird bei jeder Umdrehung des Zylinders aus der kapillaren Abdeckung hinausgedrückt. Einige Abdeckungsmaterialien sind besprochen, umfassend ein sinter-gebundenes Double Dutch Twill Weave, wie in US-Patentschrift 3,327,866 an Pall offenbart.
US-Patentschrift Nr. 4,357,758 an Lampinen lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen von Objekten, wie z. B. Papierbahnen, unter Verwendung einer feinen, porösen Saugoberfläche, die mit Flüssigkeit gesättigt und in hydraulischen Kontakt mit einer Flüssigkeit gebracht wird, die unter verringerten Druck bezüglich der Bahn gebracht worden ist, die getrocknet wird. Die feine, poröse Flüssigkeitssaugoberfläche ist auf der Außenseite einer sich drehenden Trommel angeordnet, und Wasser wird aus der Trommel offensichtlich durch die Verwendung von Pumpen abgezogen, die sich mit der Trommel drehen. Lampinen scheint keine Vorkehrungen zum Reinigen der Poren vorzusehen.
US-A-4,584,058 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildung und/oder Entwässerung einer Faserbahn durch hydraulisches In-Kontakt-Bringen der Bahn mit Flüssigkeit, die unter Vakuum innerhalb eines bandähnlichen Elementes vorliegt, mittels einer fein porösen Flüssigkeitssaugoberfläche des Bandes, das mit Flüssigkeit gesättigt wird.
Nach dem Stand der Technik werden das leichte Pressen der Bahn gegen die kapillare Membrane, um einen hydraulischen Kontakt zwischen dem Wasser, das in der Bahn enthalten ist, und dem Wasser in den Poren der kapillaren Membrane ohne eine Gesamtverdichtung der Bahn und das direkte Kreppen der Bahn nicht gelehrt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Herstellung eines gekreppten Papierproduktes ohne eine wesentliche Gesamtverdichtung der Bahn bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 beziehungsweise Anspruch 8 gelöst. Die Erfindung kann durch die Verwendung einer kapillaren Entwässerungsmembrane umgesetzt werden, die eine Verbundstruktur aufweist. Die kapillare Entwässerungsmembrane besteht aus wenigstens zwei und bis zu vier Lagen. Die oberste Lage ist die kapillare Oberfläche selbst, gegen die die nasse Bahn angeordnet wird. Der mittlere Fließporendurchmesser der Poren der kapillaren Membrane sollte etwa zehn Mikron oder weniger sein. Hinter dieser obersten kapillaren Lage sind eine oder mehrere Trägerlagen angeordnet. Zusätzlich zum Tragen und Stabilisieren der kapillaren Membrane ermöglichen diese verhältnismäßig offenen Lagen, dass Wasser leicht dahindurch und ins Innere der perforierten Rolle fließt. Dies ermöglicht, dass das kapillare Vakuum gleichmäßig unter der obersten kapillaren Membrane verteilt wird. Die Tatsache, dass aufeinanderfolgende Lagen immer größere Öffnungen aufweisen, ermöglicht, dass etwaiges verunreinigendes Material, das durch oder in die oberste kapillare Lage tritt, weiter in die Mitte der Entwässerungsrolle gespült wird.
Die kapillare Entwässerungsrolle ist vorzugsweise eine nicht in Sektoren unterteilte Rolle und wird unter einem konstanten Vakuum gehalten, das annähernd der negativen kapillaren Saugkraft C_P entspricht, wobei:
wobei σ die Wasser-Luft-Feststoff-Grenzflächenspannung ist, θ der Wasser-Luft-Feststoff-Kontaktwinkel ist und r der Radius der kapillaren Poren ist. Wenn der Kontaktwinkel sowohl in der kapillaren Pore als auch den Kapillaren des Blattes, das entwässert wird, null ist (perfekt benetzbar), dann ist der Radius der Krümmung der Menisken in der Wasser-Luft-Grenzfläche etwa gleich r. Das wäre sowohl innerhalb der kapillaren Membrane als auch innerhalb des Blattes, das entwässert wird, zutreffend. Wenn ein solcher Gleichgewichtszustand erreicht ist, wird das entwässerte Blatt vom kapillaren Medium wegbewegt. Die Vakuumquelle, die mit dem Inneren der kapillaren Entwässerungsrolle verbunden ist, simuliert die kapillare Saugkraft, C_P, wodurch der Wasserfluss durch die kapillaren Poren gefördert wird, wobei das Wasser auf der Unterseite der kapillaren Membrane ständig entfernt wird.
Wahlweise ist eine Reinigungsdusche bereit gestellt, welche die Oberfläche der kapillaren Entwässerungsrolle zwischen dem Punkt, wo die Bahn die Oberfläche der kapillaren Membrane verlässt, und dem Punkt, wo die Bahn leicht gegen die Oberfläche der kapillaren Membrane gepresst wird, wäscht. Die Reinigungsdusche dient ferner dazu, jegliche Partikel, die in den kapillaren Poren festsitzen, zur Mitte der Rolle zu treiben, wo sie mit dem Wasser weggetragen werden. Die Poren mit dem im Wesentlichen gerade durchlaufenden, nicht-gewundenen Pfad ermöglichen diesen Reinigungsvorgang von außen nach innen.
Gemäß der Erfindung ist das Verfahren, ein Fasermaterial von einem Kopfkasten zu einem Bildestoff zuzuführen, um eine embryonale Papierbahn zu bilden. Die embryonale Papierbahn wird dann vakuumentwässert, während sie auf dem Bildestoff getragen wird, so dass die Bahn in einem Bereich von etwa 6% bis etwa 32% trocken ist. Mehrere Vakuumkästen sind wahrscheinlich nötig, um eine Trockenheit von 32% zu erreichen. Die Bahn wird dann vom Bildestoff zu einem luftdurchlässigen Stoff vakuumübertragen, und während sie auf einem solchen luftdurchlässigen Stoff getragen wird, wird die Bahn leicht gegen die kapillare Membranoberfläche einer kapillaren Entwässerungsrolle gepresst. Als Alternative könnte ein Teil oder die gesamte Vakuumentwässerung durchgeführt werden, während die Bahn auf dem luftdurchlässigen Stoff ist. Die Bahn wird auf einen Bereich von etwa 33% bis etwa 43% Trockenheit durch die kapillare Entwässerungsrolle entwässert. Zusätzliches Trocknen kann durch Anordnen mehrerer kapillarer Entwässerungsrollen in Serie erreicht werden. Die Bahn wird dann von der kapillaren Membrane getrennt und die getrennte Bahn wird durch einen Krepptrockner geführt, ohne die Bahn zuerst durch einen herkömmlichen Durchtrockner zu führen. Dadurch wird das gekreppte Papierprodukt mit beträchtlichen Energieeinsparungen hergestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Diagrammdarstellung eines Abschnittes eines kapillaren Entwässerungssystems, das im Verfahren der Erfindung verwendet wird;
2 ist eine Coulter-Porometer-Verteilungskurve nach Porengrößen eines Probeblattes von Cottonelle^® Markentissue, hergestellt von Scott Paper Company mit einem Flächengewicht von 4,5 kg pro 500 Blatt (10 Pfund pro Ries);
3A, 3B und 3C sind grafische Darstellungen des kontrollierten kapillaren Entwässerungsverfahrens;
4 ist eine bruchstückartige Querschnittsdarstellung einer kapillaren Entwässerungsverbundstruktur;
5A und 5B stellen ideale und realistische Porenformen dar;
6 ist eine grafische Darstellung einer Colter-Porometer-Differentialfließverteilung für eine 5 Mikrometer Nuclepore-Kapillarmembrane;
7 ist eine Darstellung eines bevorzugten kapillaren Vakuumrollenlochmusters;
8 ist eine grafische Darstellung der Auswirkung des Eintritts-Trockenheitsgrades auf die kapillare Entwässerungsrolle;
9 ist eine Diagrammdarstellung einer herkömmlichen Bahn-Papierherstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung mit einer kapillaren Entwässerungsrolle, einem Durchlufttrockner und einem Krepptrockner;
10 ist eine Diagrammdarstellung einer Bahn-Papierherstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung mit einer kapillaren Entwässerungsrolle und einem Krepptrockner, aber ohne Durchlufttrockner;
11 ist eine Diagrammdarstellung einer Bahn-Papierherstellungsvorrichtung gemäß der Erfindung mit einer kapillaren Entwässerungsrolle, einem Hochtemperatur-Oberflächentrockner und einem Krepptrockner; und
12 ist eine Diagrammdarstellung einer herkömmlichen Bahn-Papierherstellungsvorrichtung mit einem Durchlufttrockner und einem Krepptrockner.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme zuerst auf 1 ist die hier offenbarte kapillare Entwässerungstrommel 10 mit einem kapillaren Membranverbundstoff 12 darum gezeigt. Eine nasse Bahn W, die auf einem offenen, Erhebungen umfassenden Trägerstoff 14 getragen wird, wird mit dem kapillaren Membranverbundstoff 12 der sich drehenden kapillaren Entwässerungstrommel 10 in Kontakt gebracht. Eine Presswalze 16 presst die Bahn W leicht gegen den kapillaren Membranverbundstoff 12, so dass die Bahn leicht in den Bereichen der Erhebungen des offenen, Erhebungen umfassenden Trägerstoffes 14 verdichtet wird. "Leichtes Pressen" ist, wie hier definiert, das Pressen mit einer linealen Kraft im Bereich von weniger als 175 N/m (eins) (durch beinahes Ausgleichen des Gewichtes der Presswalze) bis etwa 26,250 N/m (1 bis 150 pli {Pfund Kraft pro linealer Inch}). Insbesondere presst die Presswalze 16 die Bahn W mit einer linealen Kraft gegen den kapillaren Membranverbundstoff 12, die im Wesentlichen im Bereich von 3500–8750 N/m (20–50 pli) liegt. Der Zweck des leichten, Erhebungen umfassenden Pressens der Bahn gegen die kapillare Membrane ist, hydraulischen Kontakt zwischen dem Wasser, das in der Bahn enthalten ist, und dem Wasser in den Poren der kapillaren Membrane sicherzustellen ohne eine Gesamtverdichtung der Bahn. Das fördert eine größere und raschere Entwässerung durch die Verwendung der kapillaren Membrane.
Die Erfindung könnte bei einem höheren linealen Druck, eventuell bis zu 70.000 N/m (400 pli) betrieben werden, obwohl eine unerwünschte Verdichtung der Bahn bei derartigem Druck eintreten könnte.
Die Bahn wird keiner Gesamtverdichtung unterworfen, sondern wird an einzelnen Stellen, wo die Bahn von den Erhebungen des Trägerstoffes 14 berührt wird, leicht verdichtet. Die Bahn W wird, während sie auf dem Trägerstoff 14 getragen wird, um ein peripheres Segment der sich drehenden kapillaren Entwässerungstrommel 10 transportiert. Nach dem Laufen um ein peripheres Segment der kapillaren Entwässerungstrommel 10 wird die Bahn W aus dem Kontakt mit dem kapillaren Membranverbundstoff 12 entfernt, während sie weiter auf dem Übertragungsstoff 14 getragen wird. Es gibt eine Reinigungsdusche 18, die Wasser gegen die Oberfläche der kapillaren Membrane 12 sprüht. Die Reinigungsdusche 18 wäscht die Außenseite der Membrane 12 und treibt sämtliche Partikel, die darin festsitzen, weiter durch die kapillaren Poren der Membrane 12, so dass die Partikel durch den Membranverbundstoff 12 in die Mitte der Trommel getragen werden. Wasser wird aus der Mitte der kapillaren Entwässerungstrommel 10 mittels eines Siphons 20 entfernt. Beim Betrieb wird die kapillare Entwässerungstrommel einem inneren negativen Druck ausgesetzt. Mit anderen Worten wird ein Vakuum an der Innenseite der Trommel 10 durch eine Vakuumquelle erzeugt, die sich dem effektiven kapillaren Durchbruchdruck des mittleren Fließporendurchmessers der Poren der kapillaren Membrane 12 nähert. Der effektive kapillare Durchbruchdruck ist das Druck-(-Vakuum-)niveau, wo der Luftstrom durch die nasse kapillare Membrane 10% des Luftstroms durch eine trockene Membrane bei demselben Druck (Vakuum) nicht übersteigt. Die kapillare Rolle 10 wird im Allgemeinen mit einem Druck (Vakuum) betrieben, wo der Luftstrom 3% bis 5% des Luftstroms durch eine trockene Membrane mit dem selben Druck-(Vakuum-)niveau nicht übersteigt, und kann auch mit einem geringeren Vakuumniveau betrieben werden. 2 ist eine Coulter-Porometer-Verteilungskurve nach Porengrößen eines Probeblattes von Cottonelle^® Markentissue, hergestellt von Scott Paper Company mit einem Flächengewicht von 4,5 kg pro 500 Blatt (10 Pfund pro Ries). Die Kurve zeigt, dass die maximale Frequenzverteilung bei einem Porendurchmesser von etwa 30 Mikron stattfindet. Der mittlere Fließporengrößendurchmesser ist etwa 36 Mikron. Das deutet darauf hin, dass der Großteil des freien Wassers, das in einem solchen nassen Probeblatt enthalten ist, im Porengrößenbereich von 30 Mikron oder größer liegt. Das ist vorstellungsgemäß in der Grafik von 3A dargestellt, die eine schematische Porengrößenverteilungskurve zeigt. Der schattierte Bereich unterhalb dieser Porengrößenverteilungskurve stellt die Menge an freiem Wasser dar, die in solchen Poren eingeschlossen ist. Das kontrollierte kapillare Entwässerungskonzept gemäß der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich, solches freies Wasser zu entfernen, indem das nasse Blatt mit einem trockenen kapillaren Medium in Kontakt gebracht wird, das eine kleinere kapillare Porengröße aufweist, zum Beispiel einem kapillaren Medium mit einer kapillaren Porengrößenverteilungsspitze bei 8 Mikron. Die schematische Porengrößenverteilungskurve für das kapillare Medium ist als gestrichelte Linie in 3A dargestellt. Wenn dieses kapillare Medium mit 8 Mikron genug Porenvolumen aufweist, absorbiert es von den größeren Poren innerhalb des Blattes, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. In einem solchen Gleichgewichtszustand bleibt kein freies Wasser mehr in dem Blatt in Poren mit 8 Mikron Durchmesser oder mehr. In diesem Zustand sind das Wasser innerhalb des kapillaren Mediums mit 8 Mikron Porengröße und ein Teil des Restwassers im Blatt in einer Kontinuumphase. Innerhalb dieser Kontinuumphase gibt es eine negative kapillare Saugkraft, Cp, wobei:
Wie oben erwähnt, ist, wenn der Kontaktwinkel sowohl im kapillaren Medium als auch im Blatt Null ist, der Radius der Krümmungen der Wassermenisken in der Luft-Wasser-Grenzfläche etwa gleich r. Je kleiner daher der Radius r, desto größer ist die Menge an Wasser, die aus dem Blatt in das kapillare Medium absorbiert wird, vorausgesetzt, dass das kapillare Medium genug Volumen aufweist, um das absorbierte Wasser zu halten, oder vorausgesetzt, dass ein Mittel bereitgestellt ist, um das Wasser aus dem kapillaren Medium zu entfernen, während es Wasser aus dem Blatt absorbiert.
Bei Betrachtung von 4 ist die repräsentative Querschnittsansicht gezeigt, die auf der Linie 4-4 von 1 vorgenommen ist. Aus einem solchen Querschnitt ist zu sehen, dass die kapillare Entwässerungsmembrane 12 tatsächlich eine Verbundstruktur ist, die aus wenigstens zwei und vorzugsweise bis zu vier Lagen besteht. Die oberste Lage ist die kapillare Oberfläche 22, gegen die die nasse Bahn W angeordnet wird. Der mittlere Fließporendurchmesser (wie durch ein Coulter Porometer, hergestellt von Coulter Electronics, Inc., Hialeah, FL, gemessen) sollte kleiner als etwa 10 Mikron sein, um ausreichend hohe kapillare Vakuumniveaus einzuleiten, um eine gute Entwässerung zu ermöglichen. Je kleiner der kapillare Porendurchmesser, desto höher sind die Entwässerungsgrade und desto trockener ist das Blatt, wenn es die kapillare Oberfläche 22 verlässt. Hinter der kapillaren Oberflächenlage 22 sind Trägerlagen 24, 26 und 28 angeordnet. Diese Trägerlagen 24, 26 und 28 und die kapillare Membranoberfläche 22 werden um die Außenseite einer perforierten Vakuumrolle 30 gewickelt. Zusätzlich zum Tragen und Stabilisieren der kapillaren Oberflächenmembrane 22 ermöglichen diese verhältnismäßig offenen Lagen 24, 26 und 28, dass Wasser leicht dahindurch ins Innere der perforierten Vakuumrolle 30 fließt, wodurch ermöglicht wird, dass das kapillare Vakuum gleichmäßig über die kapillare Membrane 22 verteilt wird. Die Tatsache, dass die nachfolgenden Lagen 24, 26 und 28 sich öffnen, wobei jede nach innen nachfolgende Lage größere Porengrößenöffnungen aufweist als die vorhergehende Lage, ermöglicht, dass jegliches verunreinigendes Material, das durch die oberste kapillare Lage tritt, weiter in die Mitte der Rolle und nach außen gespült wird.
Die Lagen 22, 24, 26 und 28 werden durch Kombinationen aus Kleben (Plastik) oder Sinter-Bindung (Metalle) zu einem Verbundstoff gebildet. Ein Beispiel (siehe Beispiel A unterhalb) für eine annehmbare Verbundmembranstruktur zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung wäre eine Double Dutch Twill Woven Siebmembrane (wie sie von Tetko Inc., Briarcliff Manor, NY, bezogen werden kann), die an drei nachfolgende, immer gröbere Trägerlagen sinter-gebunden ist. Ein zweites Beispiel (siehe Beispiel B unterhalb) wäre eine Nuclepore-Nukleirungsspurmembrane (wie von Nuclepore Corporation, Pleasanton, CA, hergestellt), die an einen Polyester-Vliesstoff geklebt wird, der wiederum an einen Polyester-Gewebesiebstoff geklebt wird.

Die kapillare Verbundmembrane 12 ist flexibel genug, dass sie um einen perforierten Zylinder 30 gewickelt werden kann, der einen Durchmesser im Bereich von 0,61 m bis 3,66 m (2 Fuß bis 12 Fuß) oder mehr aufweisen kann. Nähte können geklebt, stumpf aneinandergefügt, geklemmt, überlappt und/oder geschweißt werden. Versuche haben gezeigt, dass solange die Naht entweder in Maschinenrichtung oder in Maschinenquerrichtung weniger als etwa 3,2 mm (1/8 Inch) breit ist, und solange die Entwässerungszeit 0,15 s oder mehr beträgt, kein nasser Streifen im Papier zu sehen ist, wenn es von der kapillaren Entwässerungsrolle 10 kommt. Es scheint, dass es über dem Blatt genug Diffusion gibt, um die Entwässerung zu ermöglichen. Nähte, die breiter als etwa 3,2 mm (1/8 Inch) sind können dazu neigen, nasse Stellen zu zeigen. Ähnlich dazu hinterlassen verunreinigte oder verstopfte Punkte von etwa 6,4 mm (1/4 Inch) Durchmesser oder weniger keine nassen Stellen in der Bahn. BEISPIEL A – Blattentwässerung

Unterlagsstoff #1 (24)	150 × 150 mesh, ss quadratische Gewebebindung
Unterlagsstoff #2 (26)	60 × 60 mesh, ss quadratische Gewebebindung
Unterlagsstoff #3 (28)	30 × 30 mesh, ss quadratische Gewebebindung
Kap. Membranoberfläche (22)	Double Dutch Twill Gewebesieb
Type	Gewebtes ss-Sieb, einfacher Pfad
Mesh-Zahl	325 × 2300
Äquivalente Porenlänge	~110 μm
Coulter MFP-Größe	9,19 μm
1/d	12,0
Luftdurchlässigkeit	[1,5–3,0 m³·min^–1/²]
ΔP-127Pa (0,5''H₂O)	(5–10 cfm/ft²)
Fasermaterial	65% Kiefer/35% Eukalyptus
Flächengewicht	6 kg/268 m² (14 lb/2880 ft²)
Liniengeschwindigkeit	2,5 m/s (500 fpm)
Verweilzeit	0,46 s
Presswalzenlast	482 kg/m (27 lbs/Linearinch)
Kapillarrollenvakuum kPa (''H₂O)	28 (111)
Trockenheit vor Kapillartrommel	24,9%
Trockenheit nach Kapillartrommel	38,2%

BEISPIEL B – Blattentwässerung
Bei der kapillaren Entwässerungsrolle 10 wird eine dünne kapillare Membrane 22 verwendet, die feine kapillare Poren enthält, aber nicht viel Volumen oder Dicke. Je länger die Pore, desto länger ist die Zeit, in der das Wasser aus dem Blatt absorbiert werden kann auf Grund von Bremswirkungskräften. Ferner besteht bei längeren feinen kapillaren Poren eine größere Chance für das Verstopfen der Poren durch feine Verunreinigungen oder Schichtbildung, und die Poren sind schwieriger zu reinigen. Da die kapillare Membranoberfläche 22 verhältnismäßig dünn ist und daher nicht die volumetrische Kapazität aufweist, um das Volumen an Wasser zu halten, das aus dem Blatt absorbiert werden soll, ist eine Vakuumquelle mit der Unterseite der kapillaren Membrane verbunden, um die kapillare Saugkraft Cp zu simulieren und den Wasserfluss durch die kapillaren Poren zu fördern. Dies ermöglicht, dass das Wasser, das aus dem Blatt entfernt wird, vollständig durch die kapillare Membranoberfläche 22 und die Trägerlagen 24, 26 und 28 tritt, so dass das Wasser ständig vom Inneren der Trommel 30 entfernt werden kann. Da das Wasser ständig von der kapillaren Membranoberfläche 22 entfernt wird, wird ständig zusätzliches Volumen für mehr Absorption durch die kapillare Membranoberfläche 22 geschaffen. Das Vakuumniveau innerhalb der Vakuumtrommel 30 sollte so nahe wie möglich bei Cp sein, um die maximale Entwässerung des Blattes zu unterstützen. Wenn allerdings das Vakuum größer als Cp ist, wird die kapillare Wasserabdichtung durchbrochen und Luft beginnt durchzutreten. Wenn dies in irgendeinem Ausmaß der Fall ist, wird Vakuumenergie vergeudet, und der kapillare Entwässerungseffekt wird beeinträchtigt.
Je kleiner der kapillare Porendurchmesser, desto höher sind die Entwässerungsgrade und desto trockener ist das Blatt, wenn es von der kapillaren Oberfläche kommt. Je kleiner allerdings der Porendurchmesser ist, desto schwieriger ist es, die Poren davor zu bewahren, verunreinigt oder verstopft zu werden. Dünne kapillare Membranen mit mittleren Fließporendurchmessern von etwa 5 Mikron haben bei Tests ein gutes Ergebnis gebracht. (Mittlerer Fließporendurchmesser bezieht sich auf die äquivalenten Porendurchmesser von Poren mit nicht-rundem Querschnitt.) Kapillare Membranen mit solchen Porengrößen haben hohe Trockenheitsgrade im Blatt ergeben und neigten dazu, sauber zu bleiben. Porengrößen von 0,8 bis 10 Mikron sind mit Vakuumniveaus von 10 kPa bis etwa 51 kPa (3 Inch H_g bis etwa 15 Inch H_g) betrieben worden. Der bevorzugte Porendurchmesser liegt im Bereich von etwa 2 bis etwa 10 Mikron.
Vorzugsweise sollte die kapillare Pore so kurz wie möglich sein und sich dann abwärts rasch über den minimalen Porendurchmesser öffnen (siehe 5A). Auf diese Weise können die kapillaren Kräfte mit verringertem Fließwiderstand erzeugt werden. Außerdem wird eine Verunreinigung der Pore minimiert. Sämtliche Partikel, die durch den minimalen Porendurchmesser treten, würden nicht dazu neigen, sich festzusetzen, und daher ermöglicht diese Art von Porenausführung eine Reinigung der kapillaren Entwässerungsrolle 10 von außen nach innen. In der Praxis soll die bevorzugte Ausführung die Pore so kurz als möglich hinsichtlich ihres Durchmessers halten. Das Verhältnis der tatsächlichen, äquivalenten kapillaren Porenpfadlänge 1 zum äquivalenten Porendurchmesser d sollte klein sein (siehe 5B).
Gemäß der Erfindung liegt das Poren-Aspekt-Verhältnis (1/d) im Bereich von etwa 2 bis etwa 20. Vorzugsweise sollten Poren-Aspekt-Verhältnisse kleiner als 15 sein. Die kapillaren Poren weisen einen im Wesentlichen gerade durchlaufenden, nicht-gewundenen Pfad auf. Je gewundener der Pfad, desto schwieriger ist es, die Pore offen und sauber zu halten. Labyrinthartige Strukturen (z. B. Schaumarten, gesinterte Metalle, Keramik) sind am schwierigsten zum Sauberhalten und sind nicht bevorzugt.
Die Durchlässigkeit der kapillaren Membrane 22 ist ebenfalls wichtig, da sie das Wasservolumen beeinflusst, das in einem gegebenen Zeitraum entfernt werden kann. Die Durchlässigkeit steht in Zusammenhang mit der Porengröße, dem Poren-Aspekt-Verhältnis und der Porendichte und kann durch die Frazier-Zahl charakterisiert werden (Luftstromvolumen pro Flächeneinheit der Oberfläche bei 127 Pa (0,5''H₂O)Δp). Verhältnismäßig hohe Durchlässigkeiten werden angestrebt. Daher sind Frazier-Zahlen über 3 bevorzugt. Es sind aber Membranen mit geringerer Durchlässigkeit (Frazier-Zahl von ungefähr 0,8) auf annehmbare Weise verwendet worden.
Wie zuvor erwähnt weisen die kapillaren Poren einen im Wesentlichen gerade durchlaufenden, nicht-gewundenen Pfad auf. Direkt durchlaufende kapillare Poren, wie sie durch Nukleierungsspurtechnik hergestellt werden (z. B. Nuclepore oder Poretics), verhalten sich gut als Oberflächenmembrane 22 der vorliegenden Erfindung, um nasse Bahnen zu entwässern. Solche kapillaren Poren weisen ein ausgezeichnetes Poren-Aspekt-Verhältnis (1/d) auf, wodurch sie gut sauber zu halten und gut für das Entwässern sind. Sie weisen auch einen kleinen Porengrößenbereich auf, wie durch das Coulter Porometer gemessen. Mit anderen Worten ist die Porengrößenverteilung für kapillare Poren, die durch Nukleierungsspurtechnik hergestellt werden, verhältnismäßig klein. Das ist in der Grafik von 6 gezeigt, die die Porengrößenverteilung der 5 Mikron Nuclepore-Porenstruktur zum Differentialfließprozentsatz zeigt. Wie zuvor erwähnt kann eine Nukleierungsspurmembran von Nuclepore Corporation bezogen werden. Der Nachteil der Membranen 22, die durch Nukleierungsspurtechnik hergestellt werden, ist, dass die Membranen irgendwie brüchig sind. Allerdings sind diese Arten von Membranen effektiv beim Entwässern von ungepressten nassen Blättern als außenseitige oder kapillare Lage 22 der Verbundmembrane 12.

Kapillare Membranen 22 sind auch erfolgreich unter Verwendung von Polyester-Gewebesiebstoffen verwendet worden, wie z. B. PeCap 7-5/2 (siehe Beispiel C), das erhältlich ist von Tetko Inc., Briarcliff Manor, NY. Außerdem sind die Stahl-Double Dutch Twill Gewebedrahtsiebe, wie in US-Patentschrift Nr. 3,327,866 an Pall et al. beschrieben, als annehmbare kapillare Lage im Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet worden, um nasse Bahnen zu entwässern. Wie im Patent von Pall et al. angemerkt, können diese Gewebedrahtsiebe kalandriert und sinter-gebunden werden, um die Öffnungen an ihrer Stelle zu fixieren und die Oberfläche zu glätten. Andere Membranen können ebenfalls annehmbar sein, solange sie in die Bereiche für bevorzugten Durchmesser, Poren-Aspekt-Verhältnis und Durchlässigkeit fallen. BEISPIEL C – Blattentwässerung

Unterlagsstoff #1 (24)	Polyester Mesh – Albany Nr. 5135 (30 × 36 quadratische Gewebebindung)
Kap. Membranoberfläche (22)	PeCap 7-5/2
Type	Polyester-Monofilamentstoff
Äquivalente Porenlänge	65 μm
Coulter MFP-Größe	6,26 μm
1/d	10,4
Luftdurchlässigkeit	0,3 m³·min^–1/m²
ΔP-127Pa (0,5''H₂O)	(0,9 cfm/ft²)
Fasermaterial	60% Kiefer/40% Eukalyptus
Flächengewicht	6 kg/268 m² (14 lb/2880 ft²)
Liniengeschwindigkeit	2,5 m/s (500 fpm)
Verweilzeit	0,46 s
Presswalzenlast N/m (pli)	5950 kg/m (34)
Kapillarrollenvakuum kPa (''H₂O)	47 (186)
Trockenheit vor Kapillartrommel	32,5%
Trockenheit nach Kapillartrommel	42,8%

Die Anwendung von Verfahren zum Vor-Erwärmen des nassen Blattes (z. B. Dampfduschen), um die Wasserviskosität vor der kapillaren Entwässerungsrolle zu verringern, haben zu höheren Trockenheitsgraden für die Bahn geführt, die die kapillare Entwässerungsrolle verlässt. Ein solches Verfahren zusammen mit der Verwendung von kleineren Poren, höheren Vakuumniveaus und/oder längeren Verweilzeiten auf der kapillaren Entwässerungsrolle könnten zu Trockenheitsgraden beim Verlassen der kapillaren Entwässerungsrolle von ungefähr 50% führen. Trockenheitsgrade von bis zu 52% sind im Labor durch kapillare Entwässerung erreicht worden. Die Verwendung von zwei oder mehreren kapillaren Entwässerungsrollen 10 in Serie kann ein praktisches Mittel zum Erreichen von im Wesentlichen längeren Verweilzeiten bei den hohen Betriebsgeschwindigkeiten von herkömmlichen Papiermaschinen darstellen. Jede Rolle könnte Membranen mit aufeinanderfolgendem kleinerem mittleren Fließporendurchmesser und höhere kapillare Vakuumniveaus aufweisen, um das Reinigen zu ermöglichen.
Die Ausführung des Membranverbundstoffes, insbesondere der obersten kapillaren Porenoberfläche 22, trägt dazu bei, dass sowohl die kapillare Oberfläche 22 als auch der gesamte Membranverbundstoff 12 sauber gehalten werden können. Membranverunreinigung ist ein großes Problem, das bei kapillaren Entwässerungssystemen anzutreffen ist. Poren in Mikronengröße werden leicht verstopft. Wie zuvor erwähnt werden bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise kapillare Poren mit einem Porendurchmesser im Bereich von 2 bis 10 Mikron mit dem kleinen Poren-Aspekt-Verhältnis (1/d) von 20 oder weniger verwendet. Außerdem sind die Poren im Wesentlichen gerade durchlaufend und nicht-gewunden, und die Membrane weist eine hohe Durchlässigkeit mit steigendem Fließbereich nach der minimalen Beschränkung auf, die an der kapillaren Membranoberfläche 22 geboten wird. Sobald die Papierbahn die kapillare Entwässerungsrolle 10 verlassen hat, wird die kapillare Oberfläche intermittierend externen Hochdruckduschen 18 ausgesetzt, die die Verbundmembrane während des Betriebes der kapillaren Entwässerungsrolle 10 reinigen. Hochdruckduschen 18 wirken von der Außenseite des Membranverbundstoffes 12 zur Mitte der Entwässerungsrolle 10 hin. Die Energie und der Impuls in dem Sprühregen treiben sämtliche Partikel, die in den Poren festsitzen, durch die minimale Beschränkung (die im Allgemeinen an der Außenseite des Membranverbundstoffes 12 angeordnet ist) hinaus zur Unterseite der kapillaren Lage 22 und durch die nachfolgend größer werdenden Öffnungen der Verbundlagen 24, 26 und 28. Verunreinigungen werden dadurch mit dem Wasser aus der Dusche und dem Wasser, das aus der Papierbahn absorbiert worden ist, in die Mitte der Rolle gespült. Teilchen, die auf der Oberfläche der kapillaren Membrane zurückbleiben, werden von jenem Teil der Wasserdusche weggespült, der tangential durch den festen Teil der kapillaren Membranoberfläche 22 abgeleitet wird.
Beim Entwerfen einer Dusche mit angemessenem Druck 18 zum Zwecke der Reinigung, wobei die Dusche 18 im Wesentlichen radial zur kapillaren Entwässerungsrolle 10 gerichtet wird, so dass die Dusche die Membranoberfläche 22 im Wesentlichen im rechten Winkel trifft, wird davon ausgegangen, dass, wenn das Wasser nach dem Durchtreten durch die Verbundmembrane 22 immer noch 127 Pa (1/2 Inch Wasserkörper) aufweist, die Dusche stark genug sein sollte, um die Verbundmembrane 12 zu reinigen. Der angesprochene Wasserkörper ist die Höhe der Wassersäule auf der groben Seite (Innenseite der Rolle 10) der Verbundmembrane 12, wenn das Duschwasser vertikal auswärts auf und senkrecht zur feinen kapillaren Seite auf der Membrane (Außenoberfläche der Rolle 10) auftrifft.
Verschiedene Kombinationen aus Düsengrößen, Formen, Abständen und Druck können den gewünschten minimalen Wasserkörper von 127 Pa (1/2 Inch) herstellen. Ein Sprühverteiler, von dem herausgefunden wurde, dass er gut auf einer Versuchs-Papiermaschine mit einer kapillaren Entwässerungsrolle 10 funktioniert, bestand aus Düsen von Spraying Systems Company, Modell Nr. 1506, die mit 48 bav (690 psig) 63,5 mm (2,5 Inch) von der Oberfläche der Membrane 22 entfernt angeordnet arbeiteten. Diese Anordnung durchdrang eine 325 × 2300 mesh Double Dutch Twill Verbundmembrane mit einer Wassersäule von 16,5 mm (0,65 Inch). Die entsprechende Durchtrittsbreite der Verbundmembrane 12 war 38,1 mm (1,5 Inch). Da der Abstand zwischen benachbarten Düsen von Mittellinie zu Mittellinie 76,2 mm (3 Inch) war, während die effektive Reinigungsbreite pro Düse nur 38,1 mm (1,5 Inch) war, wurde die Dusche in Maschinenquerrichtung geschwungen, um eine 100%ige Abdeckung der Verbundmembrane 12 sicherzustellen. Die Schwingungsfrequenz wurde mit der Liniengeschwindigkeit variiert, um die maximale Zwischenzeit, in der eine bestimmte Fläche der Membrane 12 nicht von dem Sprühregen getroffen wurde, bei 14 Sekunden zu halten. Das führte dazu, dass jeder Abschnitt der Membrane 12 nur 0,2% der gesamten Zeit gewaschen wurde. Werte von 0,04 sind erreicht worden. Zum Beispiel wurden auf der Versuchspapiermaschine, die eine kapillare Entwässerungsrolle 10 umfasste, die Sprühdüsen in Maschinenquerrichtung mit einer Geschwindigkeit von 5,4 mm/s (0,214 Inch/s) geschwungen. Eine solche Versuchspapiermaschine wird mit einer Liniengeschwindigkeit von 2,5 m/s (500 fpm) betrieben, und die kapillare Entwässerungsrolle 10 auf einer solchen Versuchspapiermaschine weist einen Durchmesser von 0,61 m (2 Fuß) auf.
Es sollte angemerkt werden, dass verschiedene Membranausführungen verschiedene Duschkombinationen erfordern. Zum Beispiel scheint es, dass die Nuclepore 5 Mikron kapillare Oberfläche einen Druck von nur etwa 690 bis 1380 kPa (100 bis 200 psi) erfordern würde, um eine angemessene Reinheit aufrechtzuerhalten, wenn sie als kapillare Oberflächenlage 22 für die kapillare Entwässerungsrolle 10 der Versuchspapiermaschine verwendet würde, die im vorhergehenden Absatz besprochen wurde.
Der perforierte Vakuumzylinder 30 muss aus einem nicht-korrosiven Material hergestellt sein. Rostfreier Stahl ist bevorzugt, obwohl auch Bronze verwendet werden kann. Die Lochgröße und -verteilung sollte so sein, dass ein gleichmäßiges Vakuum für alle Bereiche auf der Unterseite des kapillaren Membranverbundstoffes 12 bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann die Vakuumrolle 30 Löcher mit 3,2 mm (1/8 Inch) Durchmesser auf versetzten Mittelpunkten mit 12,7 mm (1/2 Inch) aufweisen, wie in 7 dargestellt. Wenn gewünscht könnten Kerben in die Oberfläche geschnitten werden, um Wasserdrainage und gleichmäßiges Vakuum zu ermöglichen.
Das Vakuum wird durch einen stationären Mittellagerzapfen in die kapillare Entwässerungsrolle 10 eingeführt. Es gibt keine mehrfachen inneren Kammern in einer kapillaren Entwässerungsrolle 10, die mit verschiedenen Niveaus von Druck oder Vakuum betrieben wird. Solche mehrfachen inneren Kammern, die bei verschiedenen Druck- oder Vakuumniveaus betrieben werden, können wesentliche Betriebsprobleme erzeugen, wie z. B. Ausströmen von Kammer zu Kammer, Verschleiß der Zylinderlagerzapfen und unausgeglichene Belastungen im rotierenden Zylinder. Das einzige Ausströmen von Luft in die Rolle kommt durch die mechanischen Abdichtungen an den Mittellagerzapfen und jene größere Poren, wo der effektive kapillare Durchbruchdruck überschritten wird. Dieser Luftstrom ist verhältnismäßig gering und ist im Wesentlichen kleiner als der Luftstrom in einem entsprechenden Vakuum-Entwässerungskasten.
Da das gesamte Innere des kapillaren Entwässerungszylinders 10 auf einem gleichmäßigen Vakuumniveau hinsichtlich der Atmosphäre gehalten wird, wird die Hülle dem gleichmäßigen Druckdifferential ausgesetzt. Die Hüllendicke wird daher durch normale Spannungsanalysetechniken bestimmt. Bei der nicht in Sektoren unterteilten Vakuumrolle 30 gibt es keine größeren unausgeglichenen Kräfte, und daher sind Traglasten minimal. Die Hülle sollte für ein Differential von (max.) 85 kPa (25'' Hg) ausgeführt sein.
Wie zuvor erwähnt kann Wasser vom Inneren der Rolle 10 mittels eines Siphons 20 entfernt werden, der an oder nahe der inneren Wand des Zylinders 30 endet. Es ist bevorzugt, Wasser ständig von unterhalb der Verbundmembrane 12 durch die Vakuumtrommelhülle 30 zu entfernen. Es ist kein ständiger Wasserfilm unter der kapillaren Oberflächenmembrane 22 oder unter der Verbundmembrane 12 erforderlich. Jeder Wasserfilm stellt eine erhöhte Zentrifugalkraft bei höheren Geschwindigkeiten der Papiermaschine her, mit denen die kapillare Entwässerungsrolle 10 betrieben wird; das muss durch eine entsprechende Erhöhung des kapillaren Vakuums aufgehoben werden. Es gibt viele alternative Arten, dieses Wasser zu entfernen, einschließlich eines Wasserbehälters.
Die Presswalze 16 soll hydraulischen Kontakt zwischen dem Wasser in der Bahn W und dem Wasser in den kapillaren Poren der Membranoberfläche 22 herstellen. Etwas Wasser wird aus der Bahn in den Bereich der Erhebungen auf dem Übertragungsstoff 14 gedrückt. Dieses Wasser füllt jedes Hohlraumvolumen in der kapillaren Membranoberfläche 22 und verringert den Grenzflächenwiderstand gegen eine Wasserbewegung von der Bahn W in die Poren der kapillaren Membranoberfläche 22. Außerdem wird das Fasernetzwerk der Bahn W in engeren Kontakt mit der kapillaren Oberfläche 22 gebracht, und etwas eingeschlossene Luft kann aus der Bahn W entfernt werden. Diese Faktoren sollten beim Entwässern der Bahn W helfen.
Die Presswalze 16 sollte eine sehr kleine Last auf das Blatt ausüben, das zwischen dem offenen, Erhebungen umfassenden Trägerstoff 14 und der kapillaren Membranoberfläche 22 gehalten wird. Die Presswalze 16 sollte vorzugsweise eine verhältnismäßig weiche Abdeckung aufweisen. Ein weicher Gummiüberzug mit einer P&J-Härte von etwa 150 wird erfolgreich verwendet. Kräfte von etwa 1751 bis 7881 N/m (10 bis 45 pli) sind durch die Presswalze 16 ausgeübt worden, wodurch durchschnittliche Werte von etwa 76 bis 262 kPa (11 bis 38 psi) im Spalt zwischen der Presswalze 16 und der kapillaren Entwässerungsrolle 10 erzeugt wurden. Werte von etwa 3500 N/m (20 pli) (etwa 138 kPa (20 psi) im Spalt) oder weniger scheinen ausreichend zu sein, um die vorteilhaften Faktoren zu fördern, die oben erwähnt wurden. Je geringer der Druck im Spalt, desto geringer ist die Möglichkeit, die gesamte Bahn zu verdichten. Ein sehr breiter, weicher Spalt ist bevorzugt, wodurch ermöglicht wird, dass das Papier nur im Erhebungsbereich des Übertragungsstoffes 14 leicht gepresst wird, um sicherzustellen, dass es keine wesentliche Gesamtverdichtung der Bahn W gibt. Die Verwendung der Presswalze 16 erhöht die Trockenheit aus der kapillaren Entwässerungstrommel 10 um etwa 2 bis 7 Prozentpunkte (z. B. Beispiel B). Das ist eine große Menge Wasser und ein großer Vorteil des Systems der vorliegenden Erfindung.
Typischerweise ist der offene, Erhebungen umfassende Übertragungsstoff 14 eine gewebter Polyesterstoff, der normalerweise in Durchtrocknungsverfahren zu finden ist (z. B Albany 5602, hergestellt von Albany International, Albany, NY). Andere Arten von Übertragungsstoffen können annehmbar sein, umfassend Metall- oder Plastikgitter, bildeartige Stoffe, Vliesstoffe oder sogar bestimmte Differential-Nasspress-Papierherstellungsfilze. Der offene, Erhebungen umfassende Übertragungsstoff 14 kann für Luft durchlässig sein und darf das Blatt nicht wesentlich verdichten, wenn es gegen die kapillare Membranoberfläche 22 gepresst wird. Typischerweise sollten die Erhebungs- oder Pressbereiche des Übertragungsstoffes 14 kleiner als etwa 35% der Oberfläche des Stoffes 14 sein und am meisten bevorzugt im Bereich von 15% bis 25% der Oberfläche des Stoffes 14.
Die Verweilzeit, während derer die nasse Bahn W und die kapillare Membranoberfläche 22 in Kontakt miteinander sind, ist eine Funktion der Menge an Bewicklung um die kapillare Entwässerungstrommel 10, des Durchmessers der kapillaren Entwässerungstrommel 10 und der Betriebsgeschwindigkeit. Verweilzeit kann durch folgende Gleichung definiert werden:
t = 0,5236 DA/V, wobei:
t = Verweilzeit (s)
D = Rollendurchmesser m (ft.)
A = Wickelungswinkel in Grad
V = Tangentialgeschwindigkeit m/s (fpm)
Wickelungswinkel von etwa 200° bis 315° werden erwartet. Je größer der Wickelungswinkel, desto mehr Entwässerung kann durchgeführt werden. Verweilzeiten von wenigstens 0,15 Sekunden sind erwünscht und bis zu 0,35 Sekunden sind bevorzugt. Obwohl das Blatt bei längerer Verweilzeit trockener wird, ist die Änderungsrate bei mehr als 0,15 Sekunden sehr langsam. Ein Testdurchgang mit einer Dutch Twill-Verbundmembrane zeigte eine Abnahme der Trockenheit von nur etwa 1% (von 39% auf 38%), als eine Verweilzeit von 0,46 Sekunden auf 0,24 Sekunden verringert wurde.
Das hier beschriebene kapillare Entwässerungssystem hat die Möglichkeit gezeigt, ungepresste nasse Bahnen auf Trockenheitsniveaus von beinahe 43% zu entwässern. Für ausgezeichnete Tissue-Fasermaterialien haben das Entwässerungsverfahren und die Entwässerungsvorrichtung, die hier beschrieben sind, Trockenheitsniveaus von etwa 36% bis etwa 42% Trockenheit erreicht. Die Trockenheit aus der kapillaren Entwässerungstrommel 10 ist eine Funktion des Fasermaterials, des Flächengewichtes, des Verfeinerungsgrades, der Porengröße und Durchlässigkeit der Membrane, des kapillaren Vakuumniveaus, der Presswalze und der Verweilzeit.
Während des kapillaren Entwässerungsschrittes bleiben die Dichte und Dicke des Tissues gleich wie oder besser als bei einer entsprechenden durchgetrockneten und gekreppten Tissuebahn erhalten (siehe Produktbeispiel 1A, 1B, 2A und 2B). Es hat keine Gesamtverdichtung der Bahn stattgefunden, was die Herstellung einer voluminösen Bahn geringer Dichte ermöglichte. Produktbeispiel 1A und 2A sind standardmäßige durchluftgetrocknete, gekreppte Scott-Tissueprodukte. Produktbeispiel 1B und 2B sind kapillar entwässerte, durchluftgetrocknete Tissueprodukte. Das Fasermaterial für Produktbeispiel 1A und 1B war eine homogene Mischung aus 65% Kiefer und 35% Eukalyptus. Das Fasermaterial für Produktbeispiel 2A und 2B war eine homogene Mischung aus 70% NSWK (Nord. Weichholzkraftzellstoff) und 30% Eukalyptus.
PRODUKTBEISPIEL 1A UND 1B Einlagige Tissueprodukte
PRODUKTBEISPIEL 2A UND 2B Einlagige Tissueprodukte
Ein anderer Vorteil des kapillaren Entwässerungssystems ist, dass die Trockenheit aus der kapillaren Entwässerungstrommel 10 verhältnismäßig unabhängig von der Trockenheit der Bahn W beim Hineinkommen ist. Für jede beliebige Zusammensetzung von Bedingungen variiert die Trockenheit der Bahn W aus der kapillaren Entwässerungstrommel 10 heraus nicht um mehr als 1%, während die Trockenheit der Bahn W drinnen von etwa 14% bis etwa 30% (z. B. in 8) variiert. Die Trockenheit der Bahn W neigt dazu, leicht anzusteigen, wenn die Trockenheit beim Hineinkommen sich über etwa 30% erhöht. Das hat mehrere Vorteile. Erstens ist es dadurch möglich, extrem große Volumen an Wasser zu entfernen (z. B. 14% Trockenheit drinnen zu 38% Trockenheit draußen entspricht 4,51 gw pro gf entfernt), die Anzahl von energieintensiven Vakuum-Entwässerungsstationen, die im gesamten Papierherstellungsverfahren verwendet werden, kann verringert oder sogar eliminiert werden. Zweitens dient das kapillare Entwässerungssystem als Glättvorrichtung für Feuchtigkeitsstreifen.
Unregelmäßigkeiten bei der Feuchtigkeit beim Hineinkommen in die kapillare Entwässerungsrolle 10 sind beim Herauskommen weitgehend verringert oder geglättet.
Ein weiterer Vorteil des kapillaren Entwässerungssystems ist seine relative Unabhängigkeit vom Flächengewicht. Veränderungen des Flächengewichtes von etwa 5,4 kg pro 500 Blatt (12 Pfund pro Ries) bis etwa 11,3 kg pro 500 Blatt (25 Pfund pro Ries) scheinen zu keinen größeren Änderungen in der Trockenheit nach der kapillaren Entwässerungsrolle zu führen. Ein Test ergab weniger als 1 Prozentpunkt Unterschied. Diese Eigenschaft neigt dazu, unerwünschte Effekte, die mit Unregelmäßigkeiten im Flächengewicht zu tun haben, zu verringern und ermöglicht, dass ein großer Bereich von Produkten (von leichten Gesichtstissues bis schweren Handtüchern) auf derselben Papiermaschine verarbeitet werden können.
9 stellt allerdings auf Grund der Verwendung eines Durchtrockners keine Ausführungsform gemäß der Erfindung dar. Die Bahn W wird vakuumentwässert mit Hilfe von Vakuumkästen 54. Die Bahn W wird dann mit Hilfe eines Vakuum-Aufnehmers 58 zu einem Erhebungen umfassenden Durchtrocknerstoff 56 übertragen, wenn die Bahn W in einem Bereich von etwa 10% bis etwa 32% trocken ist. Wenn gewünscht kann das Blatt durch den Vakuumkasten 59 weiter entwässert und geformt werden, obwohl dieser Kasten nicht erforderlich ist. Der Erhebungen umfassende Durchtrocknerstoff 56 trägt die Bahn W zur kapillaren Entwässerungsrolle 10, wobei die Trockenheit der Bahn W im Bereich von etwa 12% bis etwa 32% trocken ist, wenn sie in die kapillare Entwässerungsrolle 10 eintritt. Die Presswalze 16 presst die Bahn W und den Erhebungen umfassenden Durchtrocknerstoff 56 gegen die kapillare Membrane 12 der kapillaren Entwässerungsrolle 10. Die Trockenheit aus der kapillaren Entwässerungsrolle heraus ist im Bereich von etwa 33% bis etwa 43%. Der Durchtrocknerstoff 56 trägt dann die Bahn W durch einen Durchtrockner 60. Die Bahn W mit einer Trockenheit im Bereich von etwa 65% bis etwa 95% wird dann auf den Yankee-Trockner 62 übertragen und wird durch die Presswalze 64 darauf gepresst. Die Bahn wird dann vom Yankee-Trockner 62 gekreppt, wenn die Bahn eine Trockenheit von etwa 95% bis etwa 99% aufweist, und dann durch Kalandrierwalzen 66 geführt.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die kapillare Entwässerungstrommel 10 verwendet wird, ist in 10 dargestellt. Die Komponenten, die in einem solchen Verfahren verwendet werden, sind praktisch identisch zu jenen, die in 9 gezeigt und beschrieben sind. Dementsprechend sind gleiche Komponenten in 10 so beziffert wie in 9. Der einzige Unterschied im Verfahren, das in 10 gezeigt ist, ist, dass der Durchtrockner entfernt worden ist. Wenn daher die kapillare Entwässerungsrolle 10 eine Bahn W mit einer Trockenheit von 12% bis etwa 32% aufnimmt, und die Bahn W die Rolle 10 mit einer Trockenheit von etwa 33% bis etwa 43% verlässt, ist die Bahn W im Bereich von nur etwa 33% bis etwa 43% trocken, wenn sie zur Yankee-Trockneroberfläche übertragen wird. Das Kreppen findet bei 95% bis 99% Trockenheit statt. Tissue, das unter Verwendung der kapillaren Entwässerungsrolle auf diese Weise (10) hergestellt wurde, wies Werte für Dicke, Dichte und Griff auf, die gleich oder besser als jene eines Tissueproduktes mit vergleichbarem Flächengewicht waren, das mit durchgetrockneten und gekreppten Verfahren und ohne kapillare Entwässerung hergestellt worden war (siehe Produktbeispiel 3A, 3B, 4A und 4B). Produktbeispiel 3A wurde mit einem ganz durchgetrockneten Verfahren, gefolgt von einem Yankee-Krepptrockner hergestellt. Produktbeispiel 3B wurde mit dem kapillaren Entwässerungsverfahren, gefolgt von Trocknen mit einem Durchlufttrockner und dann einem Yankee-Krepptrockner hergestellt. Produktbeispiel 4A ist ein gekrepptes Produkt und wurde mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von kapillarer Entwässerung hergestellt, wobei das Trocknen nur auf einem Yankee-Trockner ohne Durchtrockner vollendet wurde. Produktbeispiel 4B ist ein herkömmliches filz-gepresstes und trocken gekrepptes Tissueprodukt. Das Fasermaterial, das verwendet wurde, um Produktbeispiel 3A, 3B, 4A und 4B herzustellen, war eine homogene Mischung aus 70% NSWK (Nord. weichholzkraftzellstoff) und 30% Eukalyptus.
PRODUKTBEISPIEL 3A UND 3B Zweilagige Tissueprodukte
Zweilagige Eigenschaften
PRODUKTBEISPIEL 4A UND 4B Zweilagige Tissueprodukte
Zweilagige Eigenschaften

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gekreppten Papierproduktes, umfassend folgende Schritte, wobei Schritt (b) und (c) in keiner besonderen Reihenfolge sind: (a) Zuführen eines Stoffstrahls aus einem Auflaufkasten auf einen Bildestoff, um eine embryonale Papierbahn zu bilden; (b) Entwässern der embryonalen Bahn, so dass die embryonale Bahn im Bereich von etwa 6% bis etwa 32% trocken ist; (c) Übertragen der Bahn von dem Bildestoff auf einen luftdurchlässigen Stoff; (d) leichtes Pressen der Bahn zwischen dem luftdurchlässigen Stoff und einer kapillaren Membrane einer sich drehenden kapillaren Entwässerungsrolle, wobei die kapillare Membrane kapillare Poren dahindurch hat, welche einen im Wesentlichen gerade durchlaufenden, nicht-gewundenen Pfad haben, wobei die kapillaren Poren ein Poren-Aspekt-Verhältnis von etwa 2 bis etwa 20 haben; (e) Trennen der Bahn von der kapillaren Membrane; und (f) Führen der getrennten Bahn durch einen Krepptrockner, um die Bahn zu kreppen, ohne die Bahn zuerst durch einen herkömmlichen Durchtrockner zu führen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die kapillaren Poren einen Durchmesser im Bereich von 0,8 Mikron bis 10 Mikron aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die kapillaren Poren einen Durchmesser im Bereich von 2 Mikron bis 10 Mikron aufweisen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend folgenden Schritt: In-Kontakt-Halten der Bahn mit der kapillaren Membrane für im Wesentlichen mindestens 0,15 s.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kapillare Entwässerungsrolle eine nicht in Sektoren unterteilte Rolle ist, so dass der Vakuumdruck innerhalb der kapillaren Entwässerungsrolle im Wesentlichen überall der selbe ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt (f) umfasst: Übertragen der Bahn auf eine Yankee-Trockner-Oberfläche, wenn die Bahn eine Trockenheit von etwa 33% bis etwa 43% hat; und Kreppen der Bahn von der Yankee-Trockner-Oberfläche, wenn die Bahn eine Trockenheit von etwa 95% bis etwa 99% hat.
System zur Herstellung eines gekreppten Papierproduktes, umfassend: eine sich drehende kapillare Entwässerungsrolle, die eine kapillare Membrane mit kapillaren Poren dahindurch hat, welche einen im Wesentlichen gerade durchlaufenden, nicht-gewundenen Pfad haben, wobei die kapillaren Poren ein Poren-Aspekt-Verhältnis von etwa 2 bis etwa 20 haben; und Mittel zum leichten Pressen einer Bahn auf die kapillare Membrane, um einen hydraulischen Kontakt zwischen dem in der Bahn enthaltenen Wasser und dem Wasser in den Poren der kapillaren Membrane ohne eine Gesamtverdichtung der Bahn zu gewährleisten, und einen Krepptrockner, wobei das System keinen Durchtrockner umfasst.
System gemäß Anspruch 7, wobei die Pressmittel gestaltet und angeordnet sind, die Bahn gegen die Membrane mit einer linealen Kraft zu pressen, welche im Wesentlichen im Bereich von weniger als 175 bis 26250 N/m (weniger als 1 bis 150 pli) liegt.
System gemäß Anspruch 8, wobei die Pressmittel gestaltet und angeordnet sind, die Bahn gegen die Membrane mit einer Streckenkraft zu pressen, welche im Wesentlichen im Bereich von 3500 bis 8750 N/m (20–50 pli) liegt.
System gemäß Ansprüchen 7 bis 9, wobei die Entwässerungsrolle nicht in Sektoren unterteilt ist.