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Hintergrund
der Erfindung
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Historisch hat man sich bei der Tissueherstellung
auf Krepptechnologie verlassen, um ein Papierblatt mit angemessener
Weichheit und angemessenem Volumen bereitzustellen. Jetzt sind neue
Verfahren für
die ungekreppte Tissueherstellung mit nicht-kompressiven Trocknungsverfahren,
insbesondere Durchlufttrocknen, entwickelt worden, um weiche, hochvoluminöse, nasselastische
Strukturen mit neuartigen Eigenschaften zu erreichen. Aus praktischen
Gründen
werden bei diesen Verfahren Gewebestoffe zur Papierherstellung verwendet,
um die dreidimensionale Struktur bereitzustellen, die in ungekreppten
Blättern
erforderlich ist, wenn sie ausgezeichnete mechanische Eigenschaften
aufweisen sollen, wie z. B. ein hohes Volumen, eine hohe Dehnbarkeit
in Querrichtung und eine hohe kompressive Nasselastizität.
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Unglücklicherweise sind Gewebestoffe
in Bezug auf Höhendifferenzen
und Muster, die erreicht werden können, beschränkt. Es
gibt physikalische Einschränkungen
dafür,
was auf einer Webmaschine hergestellt werden kann, und es gibt des
Weiteren Einschränkungen
bei der Lauffähigkeit
von allem, was so hergestellt wird. Während eine hohe Oberflächentiefe
(typische Tiefe Spitze-Vertiefung) in vielen Fällen erwünscht sein kann, um einer Papierbahn
Volumen, Dehnbarkeit und Textur zu verleihen, kann praktisch nur
ein enger Bereich von Oberflächentiefen
bei bestehenden Stoffen zur Papierherstellung erreicht werden. Des
Weiteren ist die Oberflächentopografie
von Gewebestrukturen zur Papierherstellung inhärent durch steile Spitzen und
Vertiefungen mit Stufenveränderungen
in der Höhe
charakterisiert, die typischerweise ein vielfaches eines Filamentdurchmessers
ausmachen. Typischerweise weist die Oberfläche eine Serie von Ketten und
Rillen, die in Bezug auf andere Filamente erhöht sind, mit zahlreichen Zwischenräumen zwischen
den Filamenten auf. Ein Testfühler,
der über
eine solche Oberfläche
geführt
wird, erfährt
eine Reihe von plötzlichen
Sprüngen
nach oben und nach unten. Eine Bahn zur Papierherstellung, die gegen
eine solche Oberfläche verformt
wird, wird durch die Physik der Papierverformung geglättet, aber
wenn der darunterliegenden Stoffoberfläche ein hoher Grad an Oberflächentiefe verliehen
wird, können
die großen,
steilen Spitzen und Vertiefungen in dem Stoff zu scharfen Strukturen in
der Papierbahn führen,
was als Schleif- oder Reibelemente von Menschen wahrgenommen wird,
die das Produkt verwenden, insbesondere, wenn das Blatt ungekreppt
bleibt. Viel erstrebenswerter wäre ein
Substrat zur Papierbildung, das einen hohen Grad an Oberflächentiefe
ohne steile Spitzen und Vertiefungen aufweisen könnte, sondern eher weniger
abrupte Strukturen, die eine mehr kissenartige Topografie böten, gegen
die die Papierbahn verformt werden könnte.
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Ein weiteres Problem mit typischen
Gewebestrukturen zur Papierherstellung ist, dass die Filamente und
die Oberflächenstruktur
selbst weitgehend unkomprimierbar sind. In der Folge sind stark texturierte
3-D-Strukturen bei Vorgängen
problematisch, wo eine Oberfläche
eine andere berührt,
wie bei einem Pressvorgang oder einer Blattübertragung zwischen zwei Stoffen,
da die meiste Belastung, Scherspannung oder Reibung während des
Vorganges von einem kleinen Abschnitt der Bahn erzeugt werden, der
auf oder in der Nähe
der höchsten
Filamente ruht, was zu einem Reißen der Bahn in der Nähe von hohen
Punkten des Substrates oder anderen Formen von Beschädigungen
an der Bahn und sogar am darunterliegenden Substrat führen kann.
In manchen Fällen
wäre es
erstrebenswert, wenn die höchsten
Elemente in einem 3-D-Substrat verformbar wären, um zu ermöglichen,
dass sich das 3-D-Substrat in einem Spalt oder Blattübertragungspunkt
besser verhält,
so dass die Einheit der Bahn besser erhalten bleibt oder die Verteilung
von Spannung gleichmäßiger ist,
wenn sich das Substrat verformt. Das ist besonders wichtig, wenn
der Übertragungs- oder Pressvorgang
ein erstes texturiertes Substrat als Stoff zur Papierherstellung
und ein zweites texturiertes Substrat als Stoff oder gemusterte Walze
umfasst, da ein Schaden am Blatt und an den texturierten Substraten
an Berührungspunkten
auftreten kann, an denen verhältnismäßig hohe
Punkte von beiden Substraten beteiligt sind, wenn nicht eines oder
beide derartigen Substrate sich verformen können, um zu ermöglichen,
dass sich gleichmäßigere Belastungs-
oder Spannungsverteilungen ergeben.
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Die Verwendung von Vliessubstraten
bei der Bildung oder Trocknung von Papier ist bis zu einem begrenzten
Maß bekannt,
da über
monoplanare Filme und Membranen für die Herstellung von Tissue gelehrt
worden ist. Bei der Tissueherstellung ergeben diese Strukturen typischerweise
flache, planare Bereiche zum Bedrucken einer Bahn während eines Kompressionsschrittes,
um ein Netzwerk an verdichteten Bereichen, die nicht verdichtete
Bereiche umgeben, bereitzustellen, wobei die verdichteten Bereiche
Festigkeit bereitstellen, und die nicht verdichteten Bereiche Weichheit
und Absorptionsfähigkeit
bereitstellen. Solchen Strukturen und Verfahren fehlt die konturierte,
nicht-planare Dreidimensionalität,
die für
texturierte und nicht-kompressiv getrocknete Materialien höchst erstrebenswert
ist, und auf Grund des Fehlens einer nicht-monoplanaren 3-D-Nassbildeoberfläche sind
sie nicht in der Lage, die hohen Volumengrade der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Solche Verfahren führen
auch zu einem Blatt mit Bereichen hoher Dichte und Bereichen geringer Dichte
im Gegensatz zu den Strukturen von im Wesentlichen gleichmäßiger Dichte,
die im nicht-kompressiven Trocknungsverfahren der vorliegenden Erfindung
bereitgestellt werden. Des Weiteren sind im Wesentlichen planare
Filme inhärent
in ihrer Fähigkeit
beschränkt,
einem Blatt dreidimensionale Strukturen zu verleihen.
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EP-A-0 140 404 betrifft Tissuepapier
und ein Verfahren für
dessen Herstellung. In dem Verfahren wird eine wässrige Lösung aus Fasern zur Papierherstellung
in eine embryonale Bahn auf einem ersten, mit Löchern versehenen Element gebildet.
Die embryonale Bahn ist mit einem zweiten, mit Löchern versehenen Element assoziiert,
das mit einem Muster eines Polymerharzes beschichtet sein kann.
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US-A-4,541,895 betrifft einen Stoff
zur Papierherstellung, der aus einer Mehrzahl an undurchlässigen Vliesblättern besteht,
die in einer laminierten Anordnung miteinander verbunden sind. Die
Materialien, die für
die verschiedenen Lagen verwendet werden, können unter anderem Blätter aus
Polyamid, Stahl und Glasfaser sein, und die oberste Lage kann geprägt sein.
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Daher wäre es erstrebenswert, ein Verfahren zur
Verbesserung des Grades an Nassbilde- und Oberflächentiefe bereitzustellen,
der in einem weichen, nicht-kompressiv getrockneten Tissue erreicht werden
kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist herausgefunden worden, dass
die dreidimensionalen Vliesstrukturen als Substrat zum Nassbilden
oder Durchtrocknen einer Tissuebahn verwendet werden können, wodurch
die möglichen Geometrien
und Texturen, die der Bahn verliehen werden können, stark vermehrt werden
können.
Die Verwendung von dreidimensionalen Vliessubstraten zum Nassbilden
ermöglicht,
dass ein höheres
Volumen des Blattes und eine höhere
Oberflächentiefe erreicht
werden, als es sogar mit fortschrittlichen Gewebesubstraten möglich ist.
Des Weiteren ist herausgefunden worden, dass einer Tissuebahn ein
hohes Volumen und eine einzigartige dreidimensionale Textur verliehen
werden können
durch richtige Anwendung von Differenzialgeschwindigkeitsübertragung von
einem Trägerstoff
auf ein endloses Band umfassend eine dreidimensionale Vliesoberfläche, gefolgt von
oder gleichzeitig mit einem richtigen Luftdruckdifferenzial über der
Bahn und dem Substrat, um weiter das Formen des Blattes zu steuern.
Die Bahn kann auch hohe Nasselastizitätseigenschaften aufweisen, wenn
das Formen des Blattes stattfindet, während das Blatt noch verhältnismäßig feucht
ist, gefolgt von im Wesentlichen nicht-kompressivem Trocknen der Bahn
auf dem Bildesubstrat auf einen Feststoffgrad von etwa 70% oder
mehr.
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In einer Ausführungsform weist die Vliesoberfläche eine
ausreichende Kompressionskomplianz auf, um sich im Wesentlichen
in einem Spalt oder während
der Blattübertragung
zu verformen, um einen Schaden an einem schwachen nassen Blatt zu vermeiden,
wenn es plötzlich
auf eine hoch texturierte Oberfläche
aufgetragen wird. Eine anpassungsfähige Oberfläche kann auch bei anderen kompressiven Übertragungen
nützlich
sein, wie im Übertragungsspalt
eines Büchsentrockners
oder während anderer
Vorgänge.
Vorzugsweise ist die Vliesoberfläche
strukturiert, um kissenartige Konturen bereitzustellen an Stelle
von scharfen, steilen Spitzen und Vertiefungen, die typisch für dreidimensionale
Gewebestrukturen sind, da solche steilen Strukturen oft zu einer
körnigen
Beschaffenheit im Endprodukt führen. In
einer weiteren Ausführungsform
wird das Vliesmaterial auf eine bestehende poröse Unterlage auf eine Weise
extrudiert, die unerwünschte
Strukturen der Unterlage versteckt oder auffüllt, während zusätzliche erwünschte Strukturen bereitgestellt
werden, wodurch ermöglicht
wird, die Unterlage nach Festigkeit, Lauffähigkeit oder anderen Eigenschaften
auszuwählen
unabhängig
von der Topografie der Unterlage. Solche Unterlagen können andere
Materialien als traditionelle Stoffe zur Papierherstellung umfassen und
können
poröse
Substrate wie Stoffe, Filze, allgemeine Textilien, retikulierte
Schäume,
Metallgitter, dichte extrudierte Plastik- und Vliesmaterialien,
laminierte Verbundstoffe und Mehrkomponenten-Gewebestrukturen oder
Mehrkomponenten-Vliesstrukturen umfassen.
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Daher betrifft die Erfindung in einem
Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines hochvoluminösen Papierblattes
gemäß Anspruch
1. Die abhängigen
Ansprüche
betreffen die bevorzugten Ausführungsformen
davon.
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Die obere Oberflächentiefe (die nachfolgend definiert
wird) ist wenigstens 0,1 mm, vorzugsweise wenigstens 0,5 mm, insbesondere
wenigstens 1,0 mm und noch mehr bevorzugt wenigstens 1,5 mm und
am meisten bevorzugt zwischen 0,8 und 2, 0 mm.
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In einer Ausführungsform wird die Geschwindigkeit
der Bahn während
der Übertragung
auf das Nassbildesubstrat um wenigstens 8% verringert; erwünschterweise
bis zu 80%, vorzugsweise 8 bis 80%, insbesondere 8 bis 60%, noch
bevorzugter zwischen etwa 10 und 60%; und am meisten bevorzugt zwischen
etwa 15 und 50%.
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In einer weiteren Ausführungsform
ereignet sich die Übertragung
auf das Nassbildesubstrat bei einem Feststoffgrad in der Bahn von
weniger als etwa 40%; vorzugsweise weniger als 30%, insbesondere
weniger als 28 %; noch bevorzugter weniger als etwa 25%; und geeigneterweise
zwischen 10 und 30%, Gemäß der Erfindung
wird die Bahn nicht-kompressiv getrocknet auf einen Trocknungsgrad
von wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 60%, noch mehr insbesondere
wenigstens etwa 70%, noch mehr insbesondere wenigstens etwa 75%
und am meisten insbesondere zwischen etwa 70% und 98%.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
können
zwei Stadien des Nassbildens erwünscht
sein, beginnend mit Nassbilden direkt auf dem Formstoff, gefolgt
von Bilden auf einen separaten dreidimensionalen Stoff während des
nicht-kompressiven
Trocknens. Das Zusammenwirken der zwei Bildungsmuster kann das Volumen
und den visuellen Reiz verbessern und die Steifheit verringern. Formen
auf einem dreidimensionalen Formstoff kann eine erstrebenswerte
uneinheitliche Verteilung von Flächengewicht
und Dichte im Blatt bereitstellen, während das Bilden während des
Trocknens auf einem separaten dreidimensionalen Stoff erwünschte Eigenschaften
von gesteigerter Dehnung (insbesondere in Querrichtung), verringerter
Steifheit und erhöhtem
Volumen verleihen kann.
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In einer anderen Ausführungsform
wird die Bahn, vorzugsweise mit Schnellübertragung, auf zusätzliche
Zwischenstoffe übertragen,
bevor die Übertragung
auf das Nassbildesubstrat erfolgen kann. Zusätzliche Schnellübertragungsstadien
können
auch nach der Übertragung
auf das Nassbildesubstrat durchgeführt werden.
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Das Flächengewicht der Bahnen dieser
Erfindung kann etwa 8 Gramm pro Quadratmeter (g/m2) oder
mehr, insbesondere etwa 10 bis etwa 80 g/m2, noch
mehr insbesondere etwa 20 bis etwa 60 g/m2 und
noch mehr insbesondere etwa 30 bis etwa 50 g/m2 sein.
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Alle beliebigen geeigneten Fasern
zur Papierherstellung können
verwendet werden, einschließlich
jener, die durch Kraftaufschlussverfahren (kraft pulping), Sulfitaufschlussverfahren
(sulfite pulping), mechanisches Aufschlussverfahren (mechanical
pulping), einschließlich
TMP, CTMP, und Holzschliff und so weiter hergestellt werden. Sowohl
frische als auch wiederverwertete Fasern können verwendet werden. Zusätzlich zu
Faserquellen auf Holzbasis können
andere Fasern verwendet werden, wie z. B. jene, die von Baumwolle,
Kenaf, Bagasse, Hanf, Wolfsmilch, Abakafaser und ähnlichem
stammen. Die Faserzusammensetzung der Bahnen dieser Erfindung weisen
vorzugsweise etwa 10 bis 100 Prozent Holzzellstofffasern auf, und
enthalten insbesondere etwa 70 Prozent oder mehr, insbesondere etwa 80
Prozent oder mehr, mehr insbesondere etwa 90 Prozent oder mehr und
noch mehr insbesondere etwa 95 Prozent Holzzellstofffasern oder
mehr. Zusätzlich
ist es bevorzugt, dass die Faserzusammensetzung der Bahnen dieser
Erfindung etwa 70 Prozent oder mehr Weichholzfasern umfasst, insbesondere
etwa 80 Prozent oder mehr und noch mehr insbesondere etwa 90 Prozent
oder mehr Weichholzfasern. Das Fasermaterial kann Nassfestigkeits-
und Trockenfestigkeitszusatzstoffe, Rückhaltehilfen, Stärke, chemische
Weichmacher und andere chemische Zusatzstoffe und Füllmittel
umfassen, die im Stand der Technik bekannt sind.
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Es ist bevorzugt, dass Schnellübertragung bei
der Anordnung der Bahn auf das Vlies-Nassbildesubstrat verwendet
wird. Das Nassbildesubstrat sollte langsamer laufen als der Trägerstoff
(der Stoff, von dem die Bahn übertragen
wird) um einen Faktor, der größer ist
als etwa 8%, vorzugsweise größer als
etwa 10%, mehr vorzugsweise größer als
etwa 20 %, noch mehr vorzugsweise größer als etwa 30% und am meisten
bevorzugt größer als
45%, erwünschterweise
mit einem Bereich von 10 bis 80%, mehr erwünschterweise mit einem Bereich
von 20 bis 50%. Ein nützliches
Verfahren wird von US-Patentschrift Nr. 5,048,589 mit dem Titel
"Non- Creped Hand
oder Wiper Towel", erteilt am 17. September 1991 an Cook et
al., gelehrt. Während
der Schnellübertragung
wird die Bahn von einem Trägerstoff
(zum Beispiel einem Formstoff) zum Nassbildesubstrat übertragen,
vorzugsweise mit Hilfe eines Vakuumübertragungsschuhs, so dass
der Trägerstoff
und das Nassbildesubstrat simultan bei oder in der Nähe der leitenden Kante
des Vakuumschlitzes konvergieren und divergieren. Eine Vakuumwalze
könnte
ebenfalls verwendet werden. Nach der Übertragung der Bahn auf das Nassbildesubstrat
und vor dem nicht-kompressiven Trocknen kann es erwünscht sein,
das Nassbildesubstrat über
einen Saugkasten zu führen,
um die Bahn weiter gegen das Nassbildesubstrat zu formen.
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Für
die Schaffung eines hoch nasselastischen Blattes sollten wenigstens
etwa 10% Ertragsfasern zur Papierherstellung, und vorzugsweise wenigstens
etwa 15 Ertragsfasern zur Papierherstellung verwendet werden, zusammen
mit ausreichend Nassfestigkeitsmitteln, um ein Blatt mit einem Nass- :
Trockenfestigkeitsverhältnis
von wenigstens 0,1 zu erreichen.
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Für
die Schaffung eines weichen Tissueblattes, das für eine Verwendung als Toilettenpapier,
Gesichtstuch oder Papierhandtuch geeignet ist, kann das Verfahren
des Nassbildens auf ein Vliesmaterial, wie oben beschrieben, weiter
modifiziert werden, um die Verwendung von geschichtetem Formen mit
Hartholzfasern auf einer Außenoberfläche oder
Oberflächen
der Bahn, die wahlweise Verwendung von temporären Nassfestigkeitsmitteln,
richtig verteilten und gerollten Fasern, wie z. B. jenen, die von
US-Patentschrift Nr. 5,348,620 mit dem Titel "Method of Treating
Papermaking Fibers For Making Tissue", erteilt am 20. September
1994 an Hermans et al. und US-Patentschrift 5,501,768 mit dem Titel
"Method of Treating Papermaking Fibers For Making Tissue", erteilt
am 26. März
1996 an Hermans et al., gelehrt werden, die Zugabe von bindungsvermindernden
Mitteln und ähnlichem,
aber in Verbindung mit der Verwendung von Schnellübertragung
auf einen Nassbildestoff zu umfassen, der ein Vliesmaterial, das
in Berührung
mit der Papierbahn ist, für
eine verbesserte Textur, ein verbessertes Volumen und andere Eigenschaften
umfasst. Ein nützliches
ungekrepptes Verfahren zur Herstellung von weichem Tissue ist in
der gleichzeitig anhängigen
US-Seriennr. 08/399,277 von Farrington et al. mit dem Titel "Soft
Tissue" beschrieben.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann
in der Lage sein, Blätter
mit einem Volumen von mehr als 9 cm3/g,
vorzugsweise mehr als 10 cm3/g, mehr vorzugsweise
mehr als 16 cm3/g, noch mehr vorzugsweise
mehr als 20 cm3/g und am meisten bevorzugt
mehr als 25 cm3/g herzustellen.
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In einem anderen Aspekt betrifft
die Erfindung einen Stoff zur Papierherstellung gemäß Anspruch
13. Die abhängigen
Ansprüche
betreffen bevorzugte Ausführungsformen
davon.
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Die obere Oberflächentiefe (nachfolgend definiert)
ist wenigstens 0,1 mm, vorzugsweise wenigstens 0,5 mm, mehr vorzugsweise
wenigstens 1,0 mm, noch mehr vorzugsweise wenigstens 1,5 mm und
am meisten bevorzugt zwischen 0,8 und 2, 0 mm.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 stellt
schematisch einen Querschnitt durch ein Nassbildesubstrat dar, das
für die
vorliegende Erfindung verwendbar ist.
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2 stellt
einen Bereich eines hypothetischen Profils der oberen Oberfläche eines
Nassbildesubstrates dar, wobei Höhen
von verschiedenen Bemittelten Elementen entlang des Profils zur
Erfassung von Steilbereichen verglichen werden.
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3 ist
ein gemessenes Höhenprofil
von der Oberfläche
des Papiers, das in Beispiel 1 hergestellt wird.
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Genaue Beschreibung
der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Tissue, wobei die Faserbahn vor
der vollständigen
Trocknung auf ein dreidimensionales, konturiertes (nicht-monoplanares)
Substrat gebildet wird, das wenigstens eine Lage eines porösen synthetischen
polymeren oder keramischen oder metallischen Vliesmaterials, das
mit der Bahn in Berührung
ist, umfasst. Eine repräsentative
Darstellung eines solchen Substrates ist in 1 gezeigt, die einen Querschnitt eines
porösen
oberen Vlieselementes 1 und eines untenliegenden porösen Elementes 2 zeigt,
das gewebt sein kann, wobei das untenliegende poröse Element 2 dem
Substrat Festigkeit und Lauffähigkeit
verleiht, während
die obere Vlieslage 1 die Textur steuert, die einer nassen
embryonalen Faserbahn verliehen werden soll. Jede Lage aus porösem Vliesmaterial
im Vlieselement 1 kann in Form von faserigen Matten oder
Bahnen vorliegen, wie z. B. als gebundene kardierte Bahnen, luftabgelegte Bahnen,
Mull, genadelte Bahnen, extrudierte Netzwerke und ähnliches
oder Schäume,
vorzugsweise offenzellige oder retikulierte Schäume, sowie extrudierte Schäume, einschließlich extrudierte
Polyurethanschäume.
Geeignete Polymere umfassen Polyester, Polyurethan, Vinyl, Akryl,
Polykarbonate, Nylon, Polyamide, Polyethylen, Polypropylen und ähnliches.
Für faserige
Matten kann das Vliesmaterial entweder die oben erwähnten synthetischen
Polymere sein oder wahlweise ein voluminöses keramisches Material, wie
z. B. Glasfaser oder faserige keramische Materialien, die allgemein
als Filter oder als Isoliermaterial verwendet werden, umfassend
Aluminiumoxid- oder
Silikatstrukturen, die von Thermal Ceramics, Inc., Augusta, Georgia
in Form von nassabgelegten oder luftabgelegten Fasermatten hergestellt werden.
Vorzugsweise ist das Vlieselement stabil für Temperaturen von über 115,6 °C (240°F), vorzugsweise über 132°C (270°F), insbesondere über 148,9°C (300°F), mehr
vorzugsweise über
176,7°C (350°F) und am
meisten bevorzugt über
204,4°C (400°F), um eine
geeignete Lebensdauer unter intensiven Trocknungsbedingungen sicherzustellen.
Handelsübliche
Polymerfasern, die für
Temperaturresistenz bekannt sind, umfassen Polyester; Aramide, wie z.
B. Nomex-Fasern, hergestellt von DuPont, Inc., und ähnliches.
Vorzugsweise ist die Vlieslage ausreichend gasdurchlässig über die
gesamte Breite des Substrates, dass kein annähernd runder Bereich größer als
etwa 2,5 mm im Durchmesser, vorzugsweise größer als etwa 1,5 mm im Durchmesser,
mehr vorzugsweise größer als
etwa 0,9 mm und am meisten bevorzugt größer als etwa 0,5 mm im Wesentlichen vom
Luftstrom blockiert ist unter Bedingungen von Differenzialluftdruck über der
Bahn mit einem Druckdifferenzial von 0,69 kPa (0,1 psi) oder mehr
bei einer Temperatur von 25°C.
Geeignete untenliegende poröse
Elemente umfassen bekannte Stoffe und Filze zur Papierherstellung,
insbesondere Trocknungsstoffe, Durchtrocknungsstoffe, und Formstoffe;
retikulierte Schaumstrukturen; Metallsiebe oder -gitter; allgemeine
Textilien; poröse
Bänder;
dichte extrudierte Plastikmaterialien und Vliese; laminierte Verbundstoffe;
und Mehrkomponenten-Gewebe- und -Vliesstrukturen. Das untenliegende
poröse
Element kann auch ein Vliesmaterial sein, wie z. B. das Vlies-Basistuch,
das in GB 2,254,288 mit dem Titel "Papermachine Clothing", erteilt
am 30. November 1994 an Buchanan et al., beansprucht ist. Das untenliegende poröse Element
weist vorzugsweise ausreichende Gasdurchlässigkeit in z-Richtung auf,
um das herkömmliche
Durchtrocknen einer nassen Papierbahn zu ermöglichen. Das Vliesmaterial
oder die Vliesmaterialien werden am untenliegenden porösen Element
befestigt, und das gesamte Substrat wird vorzugsweise in einem Endlosband
gebildet, das für
die Papierherstellung geeignet ist. Die Befestigung einer Vlieslage
am untenliegenden porösen
Element kann durch jedes beliebige Mittel erfolgen, das im Stand der
Technik bekannt ist, einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf Laminieren, Extrudieren, Befestigung mit Haftmittel an bestimmten
Berührungspunkten, Schmelzverbinden,
Verschlingung, Hydroverschlingung, Nähen, Ultraschallschweißen, Heißschmelzkleber,
Vernadeln von Fasern, um Lagen miteinander zu verbinden, oder einfach
Ineinanderlegen oder Legen einer Vlieslage auf den untenliegenden
Stoff zur Papierherstellung.
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Die Vlieslage 1 sollte vorzugsweise
an sich gasdurchlässig
sein, um das Trocknen und Bilden der Papierbahn auf die Vlieslage
durch einen Luftstrom durch das Blatt und die Vlieslage zu ermöglichen.
Die Lagen können
mit Öffnungen
versehen, geschlitzt, geschnitten, gebohrt, gelocht, bindungsvermindert
oder vernadelt sein bei der Schaffung einer geeignet durchlässigen Struktur.
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Das Material oder die Materialien
der Vlieslage sollten ausreichende Elastizität aufweisen, um eine dreidimensionale
Struktur unter Vakuum- oder Druckluftbedingungen aufrecht zu erhalten,
die für Durchtrocknen
oder Aufpralltrocknen typisch sind. Vorzugsweise weist das Material
allerdings auch einen Grad an Kompressibilität auf, um eine Verformung während einer
mechanischen Belastung oder Scheren zu erlauben, so dass hoch erhöhte Elemente
auf der Oberfläche
sich verformen können,
ohne eine Beschädigung
der nassen Bahn während
der Berührung
mit einer anderen Oberfläche
zu verursachen, wie es während
typischer Bahnübertragungsvorgänge, Pressvorgänge, Wasserzeichenaufbringung
oder Übertragung
zu einem Büchsentrockner stattfindet.
Obwohl nicht-kompressives
Trocknen für die
vorliegende Erfindung wichtig ist, wird anerkannt, dass etwas kompressive
Vorgänge
vor dem Trocknen oder während
der normalen Blattbearbeitungsvorgänge eintreten können, die
den Effekt des Pressens oder Scherens einer Bahn haben können. Während solcher
Vorgänge
könnte
ein Blatt auf einem stark konturierten Substrat mit hoher Oberflächentiefe
Schaden erleiden, da nur ein kleiner Teil der Bahn an den am meisten
erhöhten
Punkten erforderlich wäre,
um die Last, Scherspannung oder Reibung des Vorganges zu tragen.
Komprimierbare Elemente können
auch helfen, Spannung in der Bahn während der Behandlung durch
Differenzialluftdruck zu vermindern, da gespannte Bereiche des Substrates
sich verformen und die Spannung auf breitere Bereiche verteilen.
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Niederdruck-Kompressionskomplianz
eines Vliesmaterials kann gemessen werden durch Komprimieren einer
im Wesentlichen flachen Probe des Materials mit einem Flächengewicht
von mehr als 50 g/m2 mit einer gewichteten
Platte mit einem Durchmesser von 7,62 cm (3 Inch), um mechanische
Belastungen von 0,35 kPa (0,05 psi) und dann 1,38 kPa (0,2 psi)
zu verleihen, Messen der Dicke der Probe, während sie unter diesen Kompressionsbelastungen ist.
Subtrahieren des Verhältnisses
der Dicke bei 1,38 kPa (0,2 psi) zur Dicke bei 0,35 kPa (0,05 psi)
von 1 ergibt die Niederdruck-Kompressionskomplianz, oder
die Niederdruck-Kompressionskomplianz
= 1 – (Dicke
bei 1,38 kPa (0,2 psi) /Dicke bei 0,35 kPa (0,05 psi)). Die Niederdruck-Kompressionskomplianz ist
größer als
0,2, vorzugsweise größer als
0,3 und am meisten bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5.
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Hochdruck-Kompressionskomplianz wird
unter Anwendung eines Druckbereiches von 1,38 kPa (0,2) und 13,8
kPa (2,0 psi) gemessen bei der Durchführung der Komplianzbestimmung
und sonst wie für die
Niederdruck-Kompressionskomplianz durchgeführt. Mit anderen Worten ist
Hochdruck-Kompressionskomplianz
= 1 – (Dicke
bei 13,8 kPa (2,0 psi)/ Dicke bei 1,38 kPa (0,2 psi)). Die Hochdruck-Kompressionskomplianz
ist größer als
0,25, vorzugsweise größer als
0,35 und am meisten bevorzugt zwischen 0,1 und etwa 0,5.
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Ein Vliesmaterial, das für die vorliegende
Erfindung geeignet ist, ist der Polyurethanschaum, der auf einen
Stoff zur Papierherstellung aufgetragen wird, wie in US-Patentschrift Nr.
5,512,319, "Polyurethane Foam Composite", erteilt am 30. April 1996
an Cook et al., offenbart. Ebenfalls wichtig für die vorliegende Erfindung
sind die beteiligten Stoffe zur Papierherstellung von Scapa Corporation,
Shreveport, Louisiana, die unter der Handelsbezeichnung "Spectra"
verkauft werden. Die Spectra-Stoffe
beinhalten eine extrudierte Polyurethanschaummembran auf einem untenliegenden
Gewebestoff oder einer Gewebeeinlage zur Papierherstellung. Als
Alternative können
Spectra-Stoffe zur Gänze
aus extrudiertem Schaummaterial bestehen. Die Verkaufsliteratur
zu diesen Verbundstoffen zeigt, dass das Schaumnetzwerk weitgehend
planar ist mit Löchern
oder Öffnungen,
die durch das Extrusionsverfahren verliehen werden. Allerdings könnte das
Herstellungsverfahren modifiziert werden, um eine mehr konturierte,
dreidimensionale Oberfläche
mit variierender Höhe
zu erzeugen, die für
die vorliegende Erfindung besser geeignet ist.
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Nützlichere,
verwandte Scapa-Produkte sind tatsächlich Pressfilze und Formstoffe,
die mit einem "Ribbed Spectra"-Design
hergestellt werden, das zwei Polyurethanbereiche von unterschiedlicher Höhe umfasst.
Diese hergestellten Stoffe haben die Möglichkeit, einen breiten Bereich
von dreidimensionalen Strukturen in einem Stoff zur Papierherstellung zu
erreichen. Diese Stoffe werden für
eine Verwendung beim Pressen und Formen verkauft, können aber
für die
vorliegende Erfindung für
Durchlufttrocknen adaptiert werden. Die Technologie kann auf die Herstellung
von getrennten planaren Bereichen beschränkt sein, die in der Höhe unterschiedlich
sind. Obwohl eine solche Oberfläche
nicht bevorzugt ist, um der Papierbahn eine erwünschte Textur zu verleihen,
können
vorzuziehende Ergebnisse erzielt werden, indem mehrere dreidimensionale
Variationen der Scapa-Strukturen durch Regulieren der Menge an Schaum
geschaffen werden, die auf verschiedene Bereiche des Blattes aufgetragen
werden, um eine heterogene Flächengewichtsverteilung
zu erhalten, um Bereiche mit variierender Schaumhöhe bereitzustellen.
Ein anderes Verfahren ist das Schnitzen oder das weitere Formen
eines bestehenden Verbundstoffes vor oder nach dem Erhärten des
Schaums. Zum Beispiel können
die Schaumstrukturen modifiziert werden, indem sie vor dem vollständigen Erhärten gegen
eine andere texturierte Oberfläche
gepresst werden, oder durch ausgewähltes Abreiben, Schleifen,
Laserbohren oder andere Formen des mechanischen Entfernens der Schaumstruktur
vor oder nach dem Erhärten.
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Mehrere allgemeine Verfahren können angewendet
werden, um dreidimensionale Vliesstrukturen zu schaffen. Wenn das
Vlies an einem untenliegenden Gewebestoff befestigt ist, kann das
dreidimensionale Formen des Vlieses oder der Vlieslagen vor oder
nach der Befestigung an dem Gewebestoff vorgenommen werden. Insbesondere
kann dem Vlies eine dreidimensionale Struktur verliehen werden durch
Einrichten einer heterogenen Flächengewichtsverteilung
während
der Bildung oder durch Nachbearbeitung, wobei Material an gewünschten Stellen
hinzugefügt
oder entfernt wird. Wenn zusätzliches
Material zu einer Vlieslage, wie z. B. einer verhältnismäßig gleichmäßigen oder
planaren Lage, hinzugefügt
wird, um dadurch eine dreidimensionale Oberfläche zu schaffen, kann das hinzugefügte Material
von einer anderen Zusammensetzung oder Natur sein als jenes, das
verwendet wird, um die untenliegende Vlieslage zu schaffen. Solche
dreidimensionalen Verbundvliese sind im Umfang der vorliegenden
Erfindung. Zum Beispiel kann ein solcher Verbundstoff eine erste
Lage einer synthetischen Vliesfasermatte umfassen, die in Kontakt
mit einem untenliegenden Gewebe-Basisstoff ist, wobei eine zweite Vlieslage,
wie z. B. ein Polyurethanschaum oder retikulierter Schaum zu der
exponierten Oberfläche
von ausgewählten
Bereichen der ersten Vlieslage hinzugefügt wird. Der entstehende Verbundstoff
kann heterogenes Flächengewicht,
Dichte und chemische Zusammensetzung aufweisen.
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Das konturierte Vliessubstrat sollte
eine mit dem Papier in Berührung
stehende Oberfläche
aufweisen, die eine Mehrzahl an Erhöhungen bezüglich einer Ebene aufweist,
die parallel zur Ebene des Stoffes und tangential zum höchsten,
sich wiederholenden Element des Vliessubstrates ist. Vorzugsweise
umfasst die Struktur ein sich wiederholendes Elementarzellenmuster.
Das höchste
sich wiederholende Element, das das höchste Element einer sich wiederholenden
Elementarzelle ist, wenn eine sich wiederholende Elementarzellenstruktur
vorliegt, sollte um wenigstens 0,3 mm, erwünschterweise wenigstens 0,5
mm, vorzugsweise wenigstens 0,8 mm, insbesondere wenigstens 1,0
mm und noch mehr vorzugsweise wenigstens 1,2 mm, am meisten bevorzugt
wenigstens 1,5 mm und vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,2 mm höher als
das niedrigste Element sein, das in Kontakt mit dem Papier ist.
Vorzugsweise ist das niedrigste Element des Nassbildesubstrates, das
in Berührung
mit dem Papier ist, ein Vliesmaterial. Offensichtlich können Löcher und Öffnungen
von verschiedenen Größen in der
Vlieslage bereitgestellt werden, aber wenn sie verwendet werden,
sollte das Luftdruckdifferenzial während des Nassbildens und des
Trocknens niedrig genug sein, um ein Durchstoßen der Bahn über den Öffnungen
zu vermeiden.
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Die konturierte, nicht-planare Vliesoberfläche über dem
untenliegenden porösen
Element sollte vorzugsweise eine in Maschinenrichtung dominante
Struktur bieten, bei der erhöhte
Elemente vorzugsweise in Maschinenrichtung laufen, um ein rippenartiges
Querschnittsprofil entlang ausgewählter Wege in Querrichtung
bereitzustellen, um die Dehnung der Bahn in Maschinenquerrichtung
(CD) zu erhöhen.
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wenn zum Beispiel das Profil, das
in 1 gezeigt ist, ein
CD-Profil wäre,
und diese Form in Maschinenrichtung extrudiert wäre, wäre die entstehende Struktur
MD-dominant und hätte
hohe vertikale Variabilität
in Querrichtung. In einer MD-dominanten Struktur weisen CD-Profile
typischerweise eine größere Weglänge auf
als MD-Profile für
Profile einer gegebenen absoluten Länge (lateraler Abstand zwischen
Endpunkten). MD-dominante Strukturen sind wichtig, um ungekreppten
Tissueprodukten eine hohe CD-Dehnung zu verleihen, eine Eigenschaft, die
wichtig ist für
die Weichheit und das mechanische und das Griffverhalten des Tissues.
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Die Vliesoberfläche kann so strukturiert sein, dass
sie kissenartige Konturen bereitstellt und nicht die scharfen, steilen
Spitzen und Vertiefungen, die für 3-D
Gewebestrukturen typisch sind, da solche steilen Strukturen oft
eine sandige Beschaffenheit im Endprodukt hervorrufen. Um eine kissenartige
Struktur zu erreichen sollte das Substrat, das in Berührung mit dem
Papier ist, abrupte, steile Spitzen oder Vertiefungen vermeiden.
Mit anderen Worten sollten Oberflächenprofile des Substrates
keine Steilbereiche aufweisen.
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Steilbereiche können mit Bezug auf 2 beschrieben werden, wo
ein Abschnitt eines Höhenprofils 3 von
einer hypothetischen Vliesoberfläche dargestellt
ist. Mehrere Segmente von fixer Länge (zum Beispiel 100 Mikron)
werden als flache Linien dargestellt in einer Höhe, die der durchschnittlichen Höhe des Profilsegmentes
entspricht, das vom dem Segment mit der flachen Linie überspannt
wird. Segment 4a zum Beispiel ist an der durchschnittlichen Erhöhung des
oberen Abschnittes einer Spitze auf der linken Seite von Profil 3.
Segment 4b beginnt unmittelbar nach Segment 4a und
stellt die durchschnittliche Höhe
entlang des Profilsegmentes dar, das von Segment 4b überspannt
wird. Der Höhenunterschied
zwischen Segment 4a und 4b wird als "nicht steil
bei einer Grenze von 0,5 mm" bezeichnet, wenn der Höhenunterschied
weniger als 0,5 mm beträgt. 2 zeigt zusätzliche
Probensegmente für die
Erfassung von Steilhöhenveränderungen.
Segment 4d, das einer Vertiefung entspricht, wird mit den angrenzenden
Segmenten 4c und 4e verglichen, und Segment 4f auf
einer Spitze wird mit dem angrenzenden Segment 4g verglichen.
Wenn alle Durchschnittshöhensegmente
der festgelegten lateralen Länge
innerhalb der festgelegten Höhengrenze
der unmittelbar angrenzenden Durchschnittshöhensegmente sind, dann ist
das Profil nicht steil bei der festgelegten Grenze. Als verwendbares
Maß für die Steilheit
wird die Verwendung einer Grenze von 0,5 mm und einer Liniensegmentlänge von
300 Mikron erachtet. In Bezug auf Höhenprofile entlang beliebiger
gerader Wege des Substrates tritt ein Steilbereich ein, wenn ein
erhöhtes
Element mit einer Breite von wenigstens 300 Mikron eine durchschnittliche Höhe von mehr
als 0,5 mm mehr als die durchschnittliche Höhe eines unmittelbar angrenzenden
Segmentes mit 300 Mikron Breite aufweist, oder wenn ein beliebiges
gedrücktes
Element mit einer Breite von wenigstens 300 Mikron eine durchschnittliche
Höhe von
mehr als 0,5 mm weniger als die durchschnittliche Höhe eines
beliebigen, unmittelbar angrenzenden Segmentes mit 300 Mikron Breite
aufweist. Als Alternative kann eine strengere Norm eine Grenze von
0,5 mm und eine Segmentlänge
von 100 Mikron verwenden, und somit kann eine Oberfläche, die
im Wesentlichen frei von Steilbereichen ist, alternativ definiert
werden durch Vergleichen der Höhen
von angrenzenden 100 Mikron Segmenten eines Profils an Stelle der
300 Mikron Segmente, die oben beschrieben wurden.
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Eine im Wesentlichen dreidimensionale Struktur
kann auch einem sonst planaren Material verliehen werden durch Erzeugen
von Löchern
oder Schlitzen durch mechanisches Lochen, Schneiden, Stanzen, Bohren
oder ähnliches.
Des Weiteren wird die dreidimensionale Struktur erzeugt durch Verändern der
Dichte der Vlieslage, um dicke und dünne Bereiche zu erzeugen, um
dem darauf geformten Blatt Textur und Volumen zu verleihen. Zusätzlich können Kombinationen
aus heterogenem Flächengewicht
und heterogener Dichte verwendet werden, um eine geeignete dreidimensionale
Vlieslage zu erzeugen.
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Bei der Beschreibung der nicht-planaren, konturierten
Natur der Oberflächen,
die bei der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, muss die Topografie
der oberen, in Berührung
mit dem Papier stehenden Elemente im Vlieselement betrachtet werden.
Ein in Berührung
mit dem Papier stehendes Element des Vlieselementes wird definiert
als jeder beliebige Bestandteil des Vlieselementes, der sichtbar ist,
wenn es direkt von oberhalb der mit dem Papier in Berührung stehenden
Seite des Substrates betrachtet wird. Zwischenräume, die durch das Vlieselement
treten, sind keine in Berührung
mit dem Papier stehenden Elemente, sondern das oberste feste Element
des Vlieselementes an jedem Punkt ist das in Berührung mit dem Papier stehende
Element. Die in Berührung
mit dem Papier stehenden Elemente sollten eine beträchtliche
Variation der Oberflächenhöhe bereitstellen,
um erwünschte
dreidimensionale, nassgebildete Strukturen zu erreichen, die in
der Lage sind, eine hohe CD-Dehnung in einem darauf gebildeten Blatt
zu entwickeln.
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Ein Maß für die Unebenheit der mit dem
Papier in Berührung
stehenden Elemente kann erreicht werden durch Messen der oberen
Oberflächentiefe. Um
die obere Oberflächentiefe
zu messen wird eine Linie mit einer geraden Weglänge von 30 mm auf der oberen
Oberfläche
des Substrates gezogen oder dargestellt, und ein Höhenprofil
wird entlang jener Linie unter Anwendung von Moiré-Interferometrie, Tastprofilometrie
oder anderen Methoden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, ermittelt.
Das Höhenprofil
soll zu einer Linie der kleinsten Quadrate passen, und die berechnete
Passlinie der kleinsten Quadrate wird vom Profil subtrahiert, um
jegliche Gesamtschrägstellung
vom Profil zu entfernen. Wenn die einzelnen Fasern oder Elemente,
die einen kleineren Durchmesser als etwa 100 Mikron im angepassten
Profil der kleinsten Quadrate aufweisen, ist die obere Oberflächentiefe
die maximale Spitze-Vertiefung-Höhendifferenz
von in Berührung
mit dem Papier stehenden Elementen im angepassten Profil der kleinsten
Quadrate des oberen Vlieselementes. Nicht-planare Vlieselementstrukturen
sollten eine obere Oberflächentiefe
von wenigstens 0,1 mm, vorzugsweise wenigstens 0,5 mm, mehr vorzugsweise wenigstens
1,0 mm, noch mehr vorzugsweise wenigstens 1,5 mm und am meisten
bevorzugt zwischen 0,8 und 2,0 mm aufweisen.
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Ein bevorzugtes Verfahren zum nicht-invasiven
Messen der Oberflächenprofile
ist ein CADEYES® Moiré-Interferometriesystem
mit 38 mm Bildfeld von Medar, Inc. (Farmington Hills, Michigan). Das
CADEYES®-System
verwendet Weißlicht,
das durch ein Beugungsgitter projiziert wird, um feine schwarze
Linien auf die Probenoberfläche
zu projizieren. Die Oberfläche
wird durch ein ähnliches
Beugungsgitter betrachtet, wodurch Moiréstreifen erzeugt werden,
die durch eine CCD-Kamera betrachtet werden. Geeignete Linsen und
ein Schrittmotor passen die optische Konfiguration für die Feldverschiebung
an (eine Technik, die unterhalb beschrieben wird). Ein Videoprozessor
sendet festgehaltene Streifenbilder zu einem PC zur Verarbeitung,
wodurch ermöglicht
wird, dass Details der Oberflächenhöhe von den
Streifenmustern, die von der Videokamera aufgenommen wurden, rückberechnet
werden.
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Im CADEYES Moiré-Interferometriesystem soll
jedes Pixel im CCD-Videobild zu einem Moiré-Streifen gehören, der
mit einem bestimmten Höhenbereich
assoziiert ist. Das Verfahren der Feldverschiebung, wie von Bieman
et al. beschrieben (L. Bieman, K. Harding und A. Boehnlein, "Absolute Measurement
Using Field-Shifted Moiré",
SPIE Optical Conference Proceedings, Vol. 1614, S. 259–264, 1991)
und wie ursprünglich
von Boehnlein patentiert (
US
5,069,548 ), wird verwendet, um die Streifenzahl für jeden
Punkt im Videobild zu identifizieren (was zeigt, zu welchem Streifen
ein Punkt gehört).
Die Streifenanzahl ist erforderlich, um die absolute Höhe am Messpunkt
in Bezug auf eine Bezugsebene zu bestimmen. Eine Feldverschiebungstechnik
(auf dem Fachgebiet manchmal als Phasenverschiebung bezeichnet)
wird auch verwendet für
die Substreifenanalyse (genaue Bestimmung der Höhe des Messpunktes innerhalb
des Höhenbereiches,
der durch diesen Streifen eingenommen wird). Diese Feldverschiebungsverfahren
gekoppelt mit einem Interferometrieansatz auf Kamerabasis ermöglichen
eine genaue und schnelle absolute Höhenmessung, wodurch eine Messung
trotz möglicher
Höhenunregelmäßigkeiten
in der Oberfläche
vorgenommen werden kann. Die Technik ermöglicht, dass die absolute Höhe von jedem
der ungefähr
250000 einzelnen Punkte (Pixel) auf der Probenoberfläche ermittelt werden
kann, wenn geeignete Optik, Videohardware, Datenerfassungsausrüstung und
Software verwendet werden, die die Prinzipien von Moiré-Interferometrie
mit Feldverschiebung beinhalten. Jeder gemessene Punkt weist eine
Auflösung
von ungefähr
1,5 Mikron in seiner Höhenmessung
auf.
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Das computerisierte Interferometriesystem wird
verwendet, um topografische Daten zu erfassen und dann ein Grauleiterbild
der topografischen Daten zu erzeugen, wobei das Bild nachfolgend
als "Höhenkarte"
bezeichnet wird. Die Höhenkarte
wird auf einem Computermonitor typischerweise in 256 Grauschattierungen
gezeigt und basiert quantitativ auf den topografischen Daten, die
für die
Probe, die gemessen wird, erhalten wurden. Die entstehende Höhenkarte
für den
quadratischen Messbereich mit 38 mm sollte ungefähr 250000 Datenpunkte enthalten, die
ungefähr
500 Pixeln sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung
der gezeigten Höhenkarte entsprechen.
Die Pixeldimensionen der Höhenkarte basieren
auf einer 512 × 512
CCD-Kamera, die Bilder von Moiré-Mustern auf der Probe bereitstellt,
die von der Computersoftware analysiert werden können. Jedes Pixel in der Höhenkarte
stellt eine Höhenmessung
an der entsprechenden x- und y-Stelle auf der Probe dar. Im empfohlenen
System weist jedes Pixel eine Breite von ungefähr 70 Mikron auf, d.h. es stellt einen
Bereich auf der Probenoberfläche
dar, der etwa 70 Mikron lang in beiden orthogonalen Richtungen in der
Ebene ist. Dieser Auflösungsgrad
verhindert, dass einzelne Fasern, die über die Oberfläche hinausragen,
eine signifikante Auswirkung auf die Oberflächenhöhenmessung haben. Die Höhenmessung
in z-Richtung muss eine nominale Genauigkeit von weniger als 2 Mikron
und einen Bereich in z-Richtung von wenigstens 1,5 mm aufweisen.
(Für weitere
Hintergrundinformation über
das Messverfahren siehe CADEYES Product Guide, Medar, Inc., Farmington Hills,
MI, 1994, oder andere CADEYES-Handbücher und Publikationen von
Medar, Inc.)
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Das CADEYES-System kann bis zu 8
Moiré-Streifen
messen, wobei jeder Streifen in 256 Tiefenzählungen (Substreifen-Höhenzuwächse, der kleinste auflösbare Höhenunterschied)
unterteilt ist. Es gibt 2048 Höhenzählungen über den
Messbereich. Das bestimmt den gesamten Bereich in z-Richtung, was ungefähr 3 mm
in dem Instrument mit 38 mm Bildfeld ist. Wenn die Höhenvariation
im Bildfeld mehr als acht Streifen bedeckt, findet ein Bildumlaufeffekt
statt, wobei der neunte Streifen so bezeichnet wird, als wäre er der
erste Streifen, und der zehnte Streifen als zweiter bezeichnet wird,
usw. Mit anderen Worten wird die gemessene Höhe um 2048 Tiefenzählungen
verschoben. Eine genaue Messung ist auf das Hauptfeld von 8 Streifen
beschränkt.
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Das Moiré-Interferometriesystem kann,
sobald es installiert und im Herstellerwerk kalibriert wurde, um
die oben angegebene Genauigkeit und den oben angegebenen z-Richtungsbereich
bereitzustellen, genaue topografische Daten für Materialien wie z. B. Papierhandtücher bereitstellen.
(Fachleute können
die Genauigkeit der Kalibrierung durch das Herstellerwerk bestätigen durch
Durchführung
von Messungen auf Oberflächen
mit bekannten Dimensionen). Die Tests werden durchgeführt in einem
Raum unter Tappi-Bedingungen (73 °F,
50% relative Feuchtigkeit). Die Probe muss flach auf einer Oberfläche angeordnet
werden, so dass sie mit der Messebene des Instrumentes ausgerichtet
oder fast ausgerichtet ist, und sollte in einer solchen Höhe sein,
dass sowohl der niedrigste als auch der höchste Bereich von Interesse
innerhalb des Messbereiches des Instrumentes liegen.
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Sobald die Probe richtig angeordnet
ist, wird die Datenerfassung begonnen unter Verwendung von PC-Software
von Medar, und eine Höhenkarte von
250000 Datenpunkten wird erfasst und dargestellt, typischerweise
innerhalb von 30 Sekunden von dem Zeitpunkt, an dem die Datenerfassung
begonnen wurde. (Bei Verwendung des CADEYES®-Systems
wird das "Unterschiedsschwellenniveau" für Lärmrückweisung auf 1 gestellt, wodurch
etwas Lärmrückweisung
ohne übermäßige Rückweisung von
Datenpunkten bereitgestellt wird.) Datenverdichtung und -anzeige
werden erreicht unter Verwendung von CADEYES®-Software
für PCs,
die eine anpassungsfähige
Schnittstelle auf der Basis von Microsoft Visual Basic Professional
for Windows (Version 3.0) beinhaltet. Die Visual Basic Schnittstelle
ermöglicht, dass
Anwender kundenspezifische Analysewerkzeuge hinzufügen.
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Fachleute können dann Profillinien entlang der
topografischen Höhenkarte
ermitteln, um. charakteristische obere Oberflächentiefenwerte der Struktur
zu bestimmen. Linien mit etwa 30 mm Länge können händisch oder automatisch auf
die Höhenkarte
gezogen werden, um topografische Daten auszuwählen, die den ausgewählten Linien
entsprechen. Die Profildaten werden extrahiert, einer Anpassung der
kleinsten Quadrate unterworfen, um sicherzustellen, dass die Linie
flach ist (die Quadratanpassung wird von den Profildaten subtrahiert),
und die maximale Spitze-Vertiefung-Höhendifferenz wird dann bestimmt,
wobei einzelne Strukturen mit einem Durchmesser von etwa 100 Mikron
ausgeschlossen werden, die losen Fasern oder Nadellöchern entsprechen
könnten.
Das Ziel ist, die charakteristische Tiefe der Oberfläche zu berechnen,
die die Topografie des Papiers bestimmen wird.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Ein verdünnter wässriger Brei mit einer Konsistenz
von ungefähr
1% wurde aus 100% gebleichter chemithermomechanischer Pulpe (BCTMP)
aus Fichte hergestellt. Die Fichten-BCTMP ist im Handel erhältlich als
Tembec 525/80, hergestellt von Tembec Corp., Temiscaming, Quebec,
Kanada. Das Nassfestigkeitsmittel Kymene 557LX, hergestellt von
Hercules, Inc., Wilmington, Delaware, wurde zu dem wässrigen
Brei in einer Dosierung von etwa 20 Pfund Kymene pro Tonne (10 kg/MT)
Trockenfasern hinzugefügt.
Der Brei wurde dann auf einem Formstoff abgelegt und durch Saugkästen entwässert, um
eine Bahn mit einer Konsistenz von etwa 12% zu bilden. Die Bahn
wurde dann auf einen Übertragungsstoff
unter Verwendung eines Vakuumschuhs an einem ersten Übertragungspunkt übertragen.
Der Stoff wurde weiter vom Übertragungsstoff
auf einen gewebten Durchtrocknungsstoff an einem zweiten Übertragungspunkt
unter Verwendung eines zweiten Vakuumschuhs übertragen. Der verwendete Durchtrocknungsstoff
war ein Lindsay Wire T-116-3
Design (Lindsay Wire Division, Appleton Mills, Appleton, Wisconsin),
basierend auf den Lehren von US-Patentschrift
Nr. 5,429,686, erteilt an Chiu et al. Am zweiten Übertragungspunkt
lief der Durchtrocknungsstoff langsamer als der Übertragungsstoff mit einem
Geschwindigkeitsdifferenzial zwischen 2,8 und 10%. Die Bahn wurde
dann über
einen Durchtrockner mit Haube geführt, wo das Blatt getrocknet wurde.
Das getrocknete Blatt wurde dann aufgewickelt. Die Pilot-Papiermaschine
für die
Herstellung von ungekrepptem Papier wurde mit einer geringen Geschwindigkeit
von ungefähr
9,14 m/min (30 Fuß pro
Minute) betrieben, um die Demonstration der Erfindung zu ermöglichen,
wie sofort anschließend
beschrieben. Das Flächengewicht
des trockenen Blattes betrug ungefähr 39 g/m2 (Gramm
pro Quadratmeter).
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Um die Verwendung einer Vliesstruktur
zum Nassbilden einer Papierbahn zu demonstrieren, wurde ein Abschnitt
einer größtenteils
Polyolefin-gebundenen, kardierten Bahn von einer Materialrolle mit 10,16
cm (4 Inch) Breite und 45 g/m2, hergestellt
von Kimberly-Clark Corporation, genommen. Dieses Material war eine
Mischung aus Hülle-Kern-Polyethylen und Propylen,
wobei Polyethylen auf der äußeren Oberfläche der
Faser war, und etwa 40% Polyesterfasern. Die Dicke des Materials
betrug etwa 1,7 mm, wenn es mit einem Dickemessinstrument auf Plattenbasis
bei einer Last von 0,35 kPa (0,05 psi) gemessen wurde, und 1,04
mm bei einer Last von 1,38 kPa (0,2 psi), gemessen mit einer ähnlichen
Platte mit 3 Inch Durchmesser, wodurch eine Niederdruck-Kompressionskomplianz
von 0,39 entstand. Das gebundene kardierte Bahnmaterial wurde auf
eine Länge von
etwa 50,8 cm (20 Inch) geschnitten. Die Struktur wurde geformt,
indem einfach ein versetztes Gitter von Löchern mit 0,64 cm (0,25 Inch) über einen
Bereich des Streifens mit 50,8 cm (20 Inch) gelocht wurde, wobei
jedes Loch etwa 1,27 cm (0,5 Inch) entfernt (Mittelpunkt zu Mittelpunkt)
von seinen nächsten Nachbarn
in der Anordnung war. Nach dem Lochen und nach der Verwendung bei
der Papierherstellung gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde die Dicke des gelochten Bereiches bei 1,28 mm unter
einer Last von 0,35 kPa (0,05 psi) und 0,73 mm unter einer Last
von 1,38 kPa (0,2 psi) wieder mit einer Messingplatte mit 7,62 cm
(drei Inch) Durchmesser gemessen. Um einen Teil der Bahn gegen den
gebundenen kardierten Bahnabschnitt zu bilden, wurde die gebundene
kardierte Bahn händisch
direkt vor dem zweiten Übertragungspunkt
auf den Durchtrocknungsstoff gelegt, so dass das Vliesmaterial in
den Übertragungspunkt
getragen wurde, um als texturiertes Substrat zu dienen, auf das
der entsprechende Abschnitt der nassen Bahn übertragen wurde. Vakuumansaugung
am Übertragungspunkt
und Ansaugung in der Durchtrocknerwalze dienten dazu, die Bahn auf
die Vliesoberfläche
zu verformen. Nach dem Trocknen blieb das Vliesmaterial am Papier
befestigt und es folgte die Trennung des Blattes vom Durchtrocknungsstoff.
Das Vliesmaterial wurde dann vor dem Aufwickeln händisch vom
Papier entfernt. Während des
Durchtrocknens wurde die Bahn durch Vakuumansaugung tief genug in
die Löcher
des Vliesmaterials gezogen, um das Drahtmuster auf die Bahn, die über den
Löchern
lag, zu übertragen,
während der
Rest des Blattes, der über
dem Vliesmaterial lag, verhältnismäßig glatt
blieb. Da Polyolefine Teil der Polymermischung waren, waren niedrigere
Haubentemperaturen als normal erforderlich, um das Risiko des Schmelzens
auszuschalten. Daher wurde die Haubentemperatur für die Demonstrationsdurchgänge um 93,3°C (200°F) gehalten.
Die langsamere Trocknerrate erforderte wiederum eine verringerte Geschwindigkeit
(ca. 9,14 m/min (30 Fuß/min)),
um ein ordentlich trockenes Blatt zu erhalten. In vielen Fällen war
der Teil des Blattes, der gegen ein Vliesmaterial gebildet worden
war, feuchter als die umgebenden Bereiche und war während des
Durchtrocknens weniger geschrumpft, was zu einer leichten makroskopischen
Knitterbildung auf Grund der Uneinheitlichkeit des Trocknens und
Schrumpfens führte. Dieses
Problem könnte
ausgeschaltet werden durch Verwendung einer Endlosschleife des Vliesmaterials, um
einheitlichere Trocknungsbedingungen bereitzustellen. Vorzugsweise
ist das Vlies aus einem temperaturresistenten Polymer, wie z. B.
Polyester oder jedem beliebigen anderen Polymer, das auf dem Fachgebiet der
Trocknerstoffe bekannt ist, das ausgewählt wird, um höhere Trocknertemperaturen
zu ermöglichen.
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Zwei Grade von Schnellübertragung
am zweiten Übertragungspunkt
wurden ausprobiert, nämlich
2,8% und 10 %, während
ungefähr
0% Schnellübertragung
am ersten Übertragungspunkt erhalten
blieb. Nach dem Aufwickeln des Papiers und Lagern der Rolle bei
empfohlenen TAPPI-Bedingungen
für über 5 Tage,
wurden die texturierten Segmente der Bahn untersucht. Es wurde beobachtet,
dass Schnellübertragung
das Bilden der Bahn auf die Vliesoberfläche unterstützte, wobei 10% Schnellübertragung
eine bessere Sichtbarkeit und Differenzierung des Vliesmusters ergab,
als es bei langsamerer Differenzialgeschwindigkeit der Fall ist.
Von den zwei untersuchten Graden hat sich 10% Schnellübertragung
als nützlicher
beim Erreichen einer guten Definition und Klarheit des Oberflächenmusters
herausgestellt, obwohl Schnellübertragung
nicht nötig
für erfolgreiche
Ergebnisse erscheint. 3 stellt
ein Oberflächenprofil 7 von
einem Probenabschnitt dar, der gemäß Beispiel 1 hergestellt
worden war, bei einem Schnellübertragungsgrad
von 10%. Der gemessene Abschnitt war während des Durchtrocknens mit dem
Vliesmaterial in Berührung,
und zwei erhöhte Bereiche
sind sichtbar, die die zwei Eindrücke zeigt, die durch die Ansaugung über zwei
der gelochten Löcher
gemacht wurden. Ein vertikaler Abstand von 0,57 mm besteht zwischen
zwei parallelen horizontalen Linien 6a und 6b,
die den 10% und 90% Materialoberflächenlinien entsprechen (10%
des Profils sind über
der Linie 6a und 90% sind über der Linie 6b). Der
vertikale Anstieg von über
0,5 mm ist ein Anzeichen für
die signifikante dreidimensionale Struktur, die durch die vorliegende
Erfindung verliehen werden kann. Die feine Struktur, die in den
erhöhten
Bereichen (jeweils mit 8 und 9 bezeichnet) zu sehen ist, hängt weitgehend
von der Struktur der untenliegenden Durchtrocknungsbahn ab, die
den Bereichen, die in die Löcher
des Vliesmaterials eingedrückt
wurden, zusätzliche
Textur verlieh und die den Bereichen überall sonst auf dem Vliesmaterial
ein kleines Maß an
Textur verlieh, da sie zum Teil mit der Durchtrocknungsstoffstruktur
angepasst war. Die Verwendung eines Vlieses mit hoher Elastizität könnte verhindern, dass
jede beliebige untenliegende Struktur durch das Vlies "durchscheint",
wenn gewünscht.
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Die Dicke des Bereiches, der gegen
das gelochte Vlies gebildet wurde, betrug 0,89 mm, gemessen mit
einer festen Platte mit 7,62 cm (3 Inch) Durchmesser, die mit 0,35
kPa (0,05 psi) beladen war, und einer Mitutoyo-Dickenmessvorrichtung. Eine Dicke von
0,89 mm für
ein Blatt mit 39 g/m2 entspricht einem Volumen
von 22,9 cm3/g, einem ausgesprochen hohen
Wert für
Tissue. Die umgebenden Papierbereiche, die auf den untenliegenden
Lindsay Wire T-116-3
Durchtrocknungsstoff, einen hoch texturierten Stoff, gebildet wurden,
wiesen eine Dicke von etwa 0,73 mm und einen Volumenwert von 18,7 cm3/g auf. Für Proben, die mit einer Schnellübertragung
von 2,8% hergestellt wurden, war der Zuwachs bei der Blattdicke
weniger. Der Bereich, der gegen das gelochte Vlies gebildet wurde,
wies eine Dicke von etwa 0,73 mm auf, verglichen mit 0,64 mm für das umgebende
Papier, das nur in Kontakt mit dem Durchtrocknungsstoff gewesen
war.
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Beispiel 2
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Die selben Verfahren und die selbe
Ausrüstung
wie in Beispiel 1 wurden verwendet mit der Ausnahme, dass das Vliesmaterial
ein handelsübliches ScotchBriteTM Reinigungskissen war (Type A, "sehr fein"),
hergestellt von 3M Company, St. Paul, Minnesota. Gemessen mit einer
Plattendickenmessvorrichtung bei 0,35 kPa (0,05 psi) ist die Kissendicke 9,7
mm. Allerdings wurde das Kissen händisch abgeschält, um seine
Dicke auf einen Wert von etwa 4 mm zu verringern, um seine Lauffähigkeit
zu verbessern, wenn es in die Pilot-Papiermaschine eingeführt wurde.
Mehrere Löcher
mit 0,95 cm (3/8 Inch) Durchmesser wurden auf das ScotchBrite-Kissen
gelocht. Das Kissen wurde auf den zweiten Übertragungsbereich aufgetragen,
wie oben beschrieben. Das Kissen erwies sich als immer noch zu dick,
was zu einigem Reißen
des nassen Papiers um die Kanten des Kissens und über den
Löchern
führte.
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Beispiel 3
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Die selben Verfahren und die selbe
Ausrüstung
wie in Beispiel 1 wurden verwendet mit der Ausnahme, dass das Vliesmaterial
ein zweilagiges gebundenes kardiertes Bahnmaterial mit einer gesamten
Dicke von etwa 4,8 mm bei 0,35 kPa (0,05 psi) Plattenlast und 3,0
mm bei 1,38 kPa (0,2 psi) Plattenlast war. Die obere Hälfte des
Vlieses wurde geschnitten, um sie mit Schlitzen von etwa 0,51 cm
(0,2 Inch) Breite und 7,62 cm (3 Inch) Länge zu versehen. Papier, das
auf dem geschlitzten Vlies gebildet worden war, trug dünne, erhabene
Markierungen, die den geschlitzten Bereichen des Substrates entsprachen.
Die verringerte Menge an Luftstrom durch das Vlies auf Grund der
Dicke der unteren Lage von Vlies führte zu einer geringeren Definition
der Markierungen im Muster.
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Man wird verstehen, dass die vorhergehenden
Beispiele, die zum Zwecke der Veranschaulichung angegeben wurden,
nicht so verstanden werden dürfen,
dass sie den Umfang dieser Erfindung beschränken, der durch die folgenden
Ansprüche
definiert ist.