具有一层或者多层压花层的缠绕多层管件 【技术领域】
本发明涉及通过以这样一种方式绕着轴缠绕一层或者多层材料制造的管件，即：圆柱形本体壁形成有多层，这些层形成该本体壁的径向厚度。
背景技术
螺旋缠绕和回旋缠绕的管件广泛用于多种目的。通过以给定的螺旋缠绕角将多层材料层缠绕在环形的圆柱形心轴上、这些层(ply)中的一层缠在另一层上且粘接在一起构成圆柱形的多层(layer)管件，从而形成螺旋缠绕管。通过绕着圆柱形(环形或者非环形)心轴缠绕唯一一层材料层，以便绕着该心轴缠绕多圈，并且将这些圈粘结在一起以构成圆柱形多层管件，从而形成回旋缠绕管。
缠绕的多层管件用作卷材的缠绕卷的缠绕芯子，这样的卷材例如有纸张、塑料薄膜、金属板材、纺织品等等。这样的管件也可以用作纱线制造中的纱线承载器，或者用作容器本体，以及用作浇筑混凝土柱地模板。在很多这样的场合，管件的某些强度特性是重要的。
在纸板缠绕芯子的情况下，通常由顾客来确定芯子需要的内径和外径，并且该芯子必须具有某些最小的强度性能，以能够保持在使用中的整体性和尺寸。同时，该芯子的制造商需要将芯子的制造成本降到最小。本申请的受让人已经研发了这些方法，即：通过用多种等级的纸板构成芯子，使各种芯子的强度特性最优，同时使昂贵的高级纸板的使用降到最小。例如，已经发现，即使当管件的某些层由低级纸板(因此强度较低)构成的时候，只要该低级纸板构成的层合适地位于管壁内，那么在螺旋缠绕的纸板管件中就可以获得非常良好的平面抗压强度。受让人已经研发了以有限元件为基础的模型来分析和设计这种多级的芯子，从而将诸如平面抗压、径向抗压、轴向弯曲强度之类的各种性能最优化。
在某些用途中，并不需要高的平面抗压或者径向抗压强度，因此，如果可以得到甚至强度更低的层，那么在构造管件的过程中可以使用这些层。然而，在某些情况下，在市场上可以买到纸板质量等级太好，以致于不能获得最好的最终结果。
众所周知，在螺旋或者回旋缠绕的纸板中包括起皱层。如果起皱层的皱纹或者脊与管件的轴线平行地前进，那么在螺旋缠绕过程中它们能够不被破坏，并且因此能够保持它们的纵向弯曲强度。然而，因为当沿着圆周方向承受剪切负载时该起皱层的皱纹势必降低或者倒塌，所以制成的管件将在扭转时变弱；这样，在实质上圆周剪切负载施加在这些层上的地方，具有皱纹平行于管件轴线延伸的起皱层的管件不能合适地作为缠绕芯子。
初看上去，解决弱的扭转强度这一问题的方案好象是使皱纹的方向不与管件轴线平行。除非采取特殊的步骤(例如，如在Hinde的美国专利663438中例示的那样，使起皱层变湿，在变湿的同时使该层弯曲，以及随后在缠绕之后烘干该层，)然而，作为迫使其螺旋形延伸的结果，这些皱纹将弯曲甚至会被破坏，因此使其显著变弱。众所周知，给这些不平行的皱纹作上记号可以防止在缠绕该层时损坏它们，但是这些记号破坏了起皱层的强度，因此不是该问题好的解决方案。
【发明内容】
本发明通过采用完全不同的方法，达到在缠绕管中减少昂贵的高强度材料用量的一般目的，本发明满足上述需求并且获得其他好处。根据本发明，通过使该层压花，可以有效地增加管件中的一层或者多层的体积，而不会增加任何质量。凸起从该压花层的至少一面上凸出，以增加该层的有效厚度。这些凸起在该压花层的两个不同(例如正交的)方向上间隔开，并且因此在这两个不同方向上提高了该层的抗弯刚度。比较而言，起皱层在沿着弯曲线与皱纹垂直的方向上的抗弯强度较大，而在弯曲线平行于皱纹延伸的正交方向上抗弯强度要弱很多。另外，压花层可以缠绕成带有与管件轴线平行或者不平行延伸的多列凸起，而不会使该层的抗弯强度变弱。
凸起可以包括各种形状，包括但不限于截锥形和截棱锥。这些凸起能够仅从该层的一面或者两面上凸出。在由纸板管构成的优选实施例中，该压花层在湿的或者变湿的状态下被压花，然后在该层与管件结合在一起之前进行干燥。
在本发明的一个实施例中，管件由唯一一层形成。该层被压花且这样缠绕，即：该层的相对边缘形成重叠接头，在此将重叠的边缘粘结在一起。由该压花层提供的增加的抗弯刚度允许该单一层管件相对于由未压花层形成的单一层管具有提高的抗弯刚度。这样的单一层管可以用作卫生纸、纸巾、塑料薄膜、铝箔等卷式消费产品的芯子，或者作为容器本体。
在本发明的其他实施例中，由多层形成管件，除了一层或多层压花层之外还包括至少一层未压花层。较好地，每一层压花层径向邻接未压花层。这些凸起与邻接层邻接，因此使该邻接层和在凸起之间的压花层上的区域隔开。结果，无用体积被有效地引入该管壁中。因此相对于在中间层内不包括凸起的其他同样管件来讲，该管壁在每单位质量上具有增加的体积。不同的表述是，对于给定的管壁体积来讲，可以减小构成管壁的材料的质量，并且由此可以降低单位成本。不过，已经发现，这些管件的某些强度性能(显著的有ID刚度和/或OD刚度)能够比得上没有任何压花层的管件的性能。
作为在管件形成过程中挤压压力施加到压花层上的结果，这些凸起被压下且由此降低高度，由于该层的有效厚度和体积减小，所以这是不理想的。通过将压花层缠绕在缠绕带的下游位置上，和/或以相对较小的螺旋缠绕角(从管件轴线进行测量)来缠绕这些层以便使该层相对于给定的管径来说相对较宽，能够减小上述的这种趋势。例如，该螺旋缠绕角可以小于大约55度。
本发明不限于纸板管件，在一个实施例中，由例如铝板的金属板层来构造管件。如上所述，至少一层被压花。制成的管件能够有利地用作缠绕相同材料的金属板的缠绕芯子，就向用来构造管件一样，因此，由于不必去除废弃的缠绕材料并且引导该废弃的材料和芯子进入分离的再循环流(recycling stream)，所以当废弃的缠绕材料仍然保持在芯子上时可以简化芯子的再循环；从而代替带有附属的废弃缠绕材料的芯子可以被引导进入单一的再循环流。
【附图说明】
已经概括地描述了本发明，现在参考附图，其没有必要按照比例绘出，其中：
图1是形成带有中间压花层的螺旋缠绕管件的装置和方法的示意图；
图2是表示从其一面上凸出的截锥形凸起层的断开的透视图；
图2A示出了形状为截棱锥形的可能的另一替换形式的凸起；
图3是贯穿图2的层的剖面图；
图4是根据本发明一实施例的具有一层压花层的管壁的断开剖面图；
图5是具有从两面凸出的压花层的剖面图；
图6是表示根据本发明对纸板层压花的优选方法和装置的视图；
图7是与图4相似的视图，示出了具有两层压花层的管件的另一实施例；
图8图解说明用相对较小的螺旋缠绕角缠绕相对较宽的压花层从而减小压垮该凸起的趋势；
图9示意性示出了形成多层管件的回旋缠绕过程，该多层管件具有根据本发明的一层或者多层压花的中间层；
图10表示根据本发明的管件的另一替换实施形式；
图11表示根据本发明的再一替换实施形式。
【具体实施方式】
现在参考附图更加详细地描述本发明，这些附图示出了本发明的一些实施例，但没有示出所有的实施例。实际上，可以以许多不同的形式来实现这些发明，并且不应该解释为对在此提出的实施例的限制；更正确的是，提供这些实施例，以便使本公开满足可应用的法律需要。相同的标号始终表示相同的元件。
如上所述，本发明基于这样的原则，即：通过将一层或者多层压花，在多层管件中提高一层或者多层有效厚度和体积。图1表示用来形成根据本发明的螺旋缠绕管的一个例示的方法和装置。通过在具有环形圆柱形式的加长静止心轴20上螺旋缠绕多层10、12、14、16、18而形成管件。例示出5层，但是本发明可以应用到少到一层和多到25层或者更多层的管件。按照顺序将层10和12螺旋缠绕在心轴20上，并且使用粘结剂涂覆器22将粘结剂涂到第二层12面朝内的表面上，从而把层10和12粘结在一起以形成在心轴上的管件。传统的缠绕带24以螺旋方式与该管件接合并且沿着心轴前进，用来把层10、12和随后的缠绕层14、16和18拉拽到心轴或者预先的管件上，这要根据情况而定。在缠绕带24的下游，将层14、16和18螺旋缠绕在预先的管件上，并且由粘结剂涂覆器26、28和30分别将粘结剂涂覆到这些层上，以便将它们彼此并且和层12粘结起来，从而形成一体的管件40。
在该实施例中，层14被压花。图1示出了通过在直线上的压花机32来对该层压花。因此，从供给辊(未示出)拉出普通的未压花层14，并且随着该层在心轴20上前进在压花机32内使其压花。作为替换实施形式，可以预先准备好压花层并且以一卷压花材料的形式来供应，这样，将可以简单地从供给辊上拉出该压花层并且在心轴上前进。
图2示出了根据本发明可以使用的压花图案的一个实施例。在该实施例中的层14包括多个从该层的一面上凸出的凸起42。正如在此使用的那样，术语“压花”指的是这样的一个过程，即：在例如模具或者辊子的工具表面内迫使该层的局部区域变形成为凹坑或者凹陷，并且在去除该变形力之后仍然能保持这种变形；“凸起”表示这样形成的该层上的局部变形区域。在该层14的平面内，凸起42沿着两个不同的方向间隔开。
在图2中的凸起42具有截锥的形式。图2A示出了凸起42’的另一可能的替换形式，其成形为截棱锥形。也可以使用其他形状的凸起。
图3表示凸起42的剖面图。该凸起的特征在于：在该层的一面上的凸起，以及在该层的相对面上相应的凹陷或者凹坑。
图4表示根据在图1中示出的方法制造的管件40的管壁的剖面。在中间层14内的凸起42与邻近层16邻接。当这些凸起42彼此充分地靠近时，层16将不再趋向于变形进入在凸起之间的间隔，而是改为和位于凸起之间的层14的区域隔开。结果，在层14和16之间且在凸起之间的管壁内形成无用的空间44。另外，因为在层14面朝内的表面上存在相应的凹陷，所以在凸起42的区域内的层12和14之间也形成无用空间。因此，压花层14的有效厚度大于制造压花层的板材的厚度。如图3所示，实质上从凸起42的顶部到层14的底面来测量有效厚度teff(尽管当结合在管件内时，作为在管件缠绕和形成期间挤压该凸起从而使其缩短的结果，该有效厚度有些减小)。因此，压花层14的有效体积得以增加，而该层的质量没有任何增加。
如果需要，从该层的两面可以凸出凸起。图5示出了这样一层14′，该层带有从该层一面上凸出的凸起42(仅示出了一个)和从该层的相对面上凸出的凸起43(仅示出了一个)。相对于具有仅从一面上凸出的凸起的层来讲，这种压花形式在管壁内增加大量的无用空间是有效的。
本发明可以用于由各种材料制成的管件，包括纸板、例如铝或者钢制造的板材以及其他。在纸板的情况下，对干燥纸板层压花可以导致在该凸起区域内的纤维的明显损坏，由此可以削弱该层。因此，优选使用图6概略示出的方法来对纸板层压花。首先在弄湿装置50内使该层14变湿从而使纤维结合变疏松。接着使该变湿层通过压花机，该压花机可以由一对相对的压花辊子52、54构成，它们形成变湿层通过的压区。辊子52在其外表面上限定多个凹陷或者凹坑，辊子54具有多个相应的凸起，它们与辊子52内的凹坑对准并且构造成能够使该变湿层14的局部区域变形成为在辊子52内的凹坑。在从压花机出来之后，在烘缸56内使该层14变干。
本发明不限于具有单一压花层的管件。图7表示管件60的替换实施形式，其具有两层压花层和四层未压花层。具体说来，管壁具有由两层邻近的未压花层62、64构成的径向内部区域。管壁的径向中间区域由三层构成，包括邻接层64的内压花层66、邻近且直接在内压花层66外的中间未压花层68和邻近且直接在层68外的外压花层70。环绕外压花层70缠绕有最外面的未压花层72。这样，每一层压花层均夹在两层未压花层之间。
在如图1所示的螺旋缠绕过程中，作为该层的缠绕张力和缠绕在该层上的多层缠绕张力的结果，每一层都要承受径向向内的压缩。另外，缠绕在缠绕带的心轴上游的那些层也要承受由缠绕带带来的压力。压花层的径向向内的压缩可以导致该层的凸起在一定程度上变平，从而减小该层的有效厚度和体积。通过将压花层缠绕到该缠绕带的下游，该压花层的压缩得以减小，如图1中的压花层14所示。
减小在螺旋缠绕过程中的该凸起变平的另一方法是使用相对较宽并且以相对较小的螺旋缠绕角α(从管件轴线进行测量)，如图8中所示。在大多螺旋缠绕过程中，以至少大约45度的螺旋缠绕角来缠绕层。根据本发明，通过将以小于大约55度的螺旋缠绕角缠绕该层。结果，对于给定的管件直径来讲，这些层较宽；反过来，对于给定的管件长度，这些层绕着管件轴线缠绕相对较少的几圈。已经发现这可以导致层的挤压减小，因此有很小的趋势使压花层的凸起变平。
如上所述，不能将本发明限定为螺旋缠绕管件。通过回旋缠绕方法，也能够制造根据本发明的多层管件，其中具有相应于被制造的管件的需要长度的宽度的唯一材料带绕着心轴缠绕成多层。为了制造带有一层或者多层中间压花层的回旋缠绕管件，通常使用在图9中示出的材料带74。该条带具有没有压花的内端部分78(即，当绕着心轴76缠绕时将形成管壁的径向内部区域的一部分)，还具有压花的中间部分80以及没有压花的外端部分82。当绕着心轴缠绕条带74时，得到的管件因此具有由一层或者多层未压花层构成的径向内部区域、由一层或者多层压花层构成的中间区域以及由一层或者多层未压花层构成的径向外层。
本发明不限于具有三层或者多层的管件。例如，图10和11表示具有两层纸板管件的两个实施例。在图10的实施例中，压花纸板层84形成管件的外表面，未压花纸板层86形成管件的内表面，并且层84和86邻接且粘结在一起。在图11的实施例中，层的位置可以颠倒，从而外层为未压花层88，内层为压花层90。
本发明甚至能够用于一层管件。为了形成根据本发明的一层管件，可以如图8所示螺旋地缠绕压花层，该层的一条边缘部分重叠在先前缠在心轴上的先前圈的相对的边缘部分上。将重叠的边缘部分粘结在一起以形成重叠接合。这样的一层管件可以用作卷式的消费产品的芯子，例如卫生纸、纸巾、塑料薄膜、礼品卷、铝箔、蜡纸等等，或者作为容器本体。
在本发明的管件内的压花层有利地具有有效厚度(压花之后)和实际厚度(压花之前)为大约1.2到4的比率，更好地为大约1.5到2.5。
例如，本发明能够使螺旋或者回旋缠绕管件构造为具有规定的内径和外径，同时可以有效地使用比该管件的所有层都未压花时必须使用的材料少一些的材料。例如，如果该压花层的有效厚度是其他相同的未压花层厚度的两倍，那么就需要两层未压花层来凑足一层压花层的相同总厚度。本发明也可以用在这样的场合，即：管件外径满足规定值，但不是特别需要管件的强度。
然而，在测试基础上已经发现，在管件中一层或者多层压花层的结合并非必定明显降低管件的所有强度特性。由5层未压花纸板可以制备具有3英寸内径的螺旋缠绕管件。这些层中的三层是具有15点(0.015英寸，0.38mm)厚度的相对较强等级A的纸板，两层是具有30点(0.03英寸，0.76mm)厚度的相对较弱等级B的纸板。管件从ID到OD的构造是2A/2B/1A。由三层每一层15点厚度等级A的纸板和一层被这样压花的30点厚度等级B的纸板制备相同内径的第二管件，即：被压花的该层在缠绕之前具有大约65点的有效厚度(0.065英寸，1.65mm)。管件从ID到OD的构造是2A/1Bembossed/1A。该被压花层在两面上具有大体为截棱锥形的凸起。在每一根管件上进行平面抗压试验、环圈抗弯刚度试验、径向抗压试验和ID刚度试验。其结果列于下表中。
本体纸 构成 ID OD 压花的 15#A纸板 15#A纸板30#压花的B纸板 15#A纸板 常规的 15#A纸板 15#A纸板 30#B纸板 30#B纸板 15#A纸板 尺寸 ID，英寸 壁，英寸 3.0 0.108 3.0 0.102 强度平面抗压，1bs/4英寸 环圈抗弯， 用于变形的1bs： 0.125英寸 0.250英寸 0.375英寸 0.500英寸 径向抗压，psi ID刚度，psi/0.001英寸 27 14.1 22.8 25.2 27.1 69 15.3 86 39.9 72.6 86.4 81.4 216 15.9
该结果表明，带有压花层的管件具有基本上相同尺寸的规则管件大约三分之一的平面抗压强度和径向抗压强度。带有压花层的管件的抗弯刚度也比规则管件的抗弯刚度低得多。然而，两种管件的ID刚度大约相同。
在另一测试中，多个芯子的每一个制成具有九层宽层，其中一层被压花。在管壁内的压花层的径向位置可以变化，以便评价关于该层特定区域的压花层厚度减小的效果，该压花层厚度减小是在管件形成过程中挤压该层的结果。当该压花层是从管件的最外层开始数的第三层时，那么可以测量到很小的厚度减小量。当该压花层是从外表面开始数的第五层时，厚度减小量较大，但是仍然相对微小。当该压花层是从外表面(即与最里层相邻)开始数的第八层时，厚度减小量最大，但是仍然比较小。
本发明涉及领域内的技术人员能够想到在此提出的发明的许多改进和其他实施形式，它们具有在前面说明书和附图中出现的教导的好处。因此，应该理解，本发明不限于公开的特定实施例，许多改进和其他实施形式势必包括在所附的权利要求内。尽管在此使用特定的术语，但是它们仅用作一般和描述的意义，不是为了限制的目的。