生产具有三维图案的纸的方法 【技术领域】
本发明涉及一种生产具有三维图案的纸的方法，所述图案由交替的凸起和凹陷部构成，这些图案是在用脉冲干燥(impulse drying)时设置纸上的；在所述脉冲干燥时，湿纸张通过至少一个压榨辊隙，后者包括一个被加热的旋转辊，并且湿纸张在通过压榨辊隙的过程中、借助于一个带图案的丝网和/或通过加热辊上的图案被赋予一种由交替的凸起和凹陷部构成的三维图案，在加热辊上的所述图案在一个反作用装置上被压入所述纸张。
背景技术
湿纸张通常在一个或者多个加热辊上被干燥。一种通常用于薄棉纸的方法称为Yankee干燥法。在Yankee干燥法中，湿纸张在一个蒸汽加热的Yankee滚筒上被压制，所述滚筒可以具有非常大地直径。用于干燥的进一步的热量是通过吹热空气来供应的。如果要被生产的纸是柔软的纸，所述纸张通常在Yankee滚筒上产生绉褶。用Yankee滚筒的干燥是通过真空脱水和湿挤压进行的，其中水被机械地从纸张中挤压出的。
另一种干燥方法是所谓的穿气干燥法(through-air-drying)(TAD)。在这种方法中，纸通过热空气干燥，所述热空气被吹动穿过湿纸张，通常没有在先的湿挤压。进入穿气干燥器的纸张然后仅通过真空脱水，其干含量约为25％-30％，并且在穿气干燥器中被干燥到干含量约为65％-95％。纸张被传送到一个特定的干燥织物，并通过一个所谓TAD滚筒，所述滚筒具有一个开口结构。在纸张通过TAD滚筒的过程中，热空气被吹动穿过所述纸张。以这种方法生产的纸主要是柔软的纸，变得非常柔软并且膨松。但是因为所有要被去除的水必须得到蒸发，所述方法非常消耗能量。在TAD干燥法中，干燥织物的图案结构被转移到纸张。这种结构在纸的潮湿条件下也基本被保持，因为它已经被印在所述湿纸张上。关于TAD技术的描述能在US-A-3,301,746中找到。
脉冲干燥纸张的方法在例如SE-B-423 118中被公开了，简略地说，包括：湿纸张通过在一个压辊和一个加热辊之间的压榨辊隙，所述加热辊被加热到这样的高温，使在湿纸张和加热辊之间的界面中产生了迅速而强烈的蒸汽。对所述辊的加热例如通过气体燃烧器或者其它加热装置完成，例如借助电磁感应来加热。由于主要在压榨辊隙中将热传递到纸，所以获得了非常高的热传递速度。在脉冲干燥过程中，所有从纸张中去除的水没有被蒸发，但是蒸汽在其通过纸张的路径上从纸张的纤维之间的小孔中带走了水。因此，干燥效率变得非常高。
在EP-A-0 490 655中公开了一种纸张的生产，特别是柔软的纸，其中纸在用脉冲干燥的同时被赋予一种压花表面。这种压花是通过在一个硬保持装置上将一种图案从一侧或者两侧压制到纸上而形成的。这样产生了纸的压缩，并且通过这样一种方法、就在与所述印痕相对的一定部分上具有较高的密度，而在其中间部分上具有较低的密度。
在DE-A-26 15 889中公开了一种热粘合的压花柔软纸。在所述纸张中加入了热塑性纤维，并且在干燥之后，所述纸张被加热到超过热塑性纤维的软化温度的一个温度。在加热的同时，所述纸被压花而赋予一种图案。穿气干燥作为一种干燥方法被提到。
发明目的和最重要的特征
本发明的目的是提供一种生产具有三维图案的脉冲干燥纸的方法，例如用作卫生纸、餐巾纸卷、纸手帕、桌子餐巾等的柔软纸，其中这些纸具有很大的膨松度、很高的弹性和很高的柔性。并且希望在所述纸中、所述方法提供一个受控制的较宽的孔隙体积分布，其目的是优化所述纸的吸湿性能。纸结构应该在潮湿条件下也基本被保持着。根据本发明，这通过这样一种方式来实现，所述湿纸张在进入所述压榨辊隙之前以非随机图案的方式被赋予一种基本重量的变化。
所述基本重量的变化在成形和脱水的过程中被赋予所述纸，并且基本重量的变化在随后的脉冲干燥步骤中被保持下来，在所述脉冲干燥步骤，所述结构在纸的潮湿条件下也基本被保持着。
根据本发明的一个优选实施例，所述纸张在一个丝网上成形和/或脱水，所述丝网的脱水能力根据所述非随机图案变化，并且脱水能力的差别意味着纤维一定量的移动，并且由此导致纸张的基本重量的局部变化。
根据本发明的另一个实施例，所述纸张在一个会聚的成形空间中成形和/或脱水，所述成形空间的一侧被一个平坦的固定或者移动壁限定，而在另一侧由一个丝网限定。所述丝网在丝线彼此交叉的点具有凸起部，在所述凸起部处，在会聚的成形空间中脱水的过程中，纤维从所述丝网织物的凸起部转移到了其中间部分，从而导致基本重量的局部变化。
本发明进一步的特征和优点在下述说明书和所附权利要求中被公开。
附图的说明
本发明将在下面参照如图所示的一些实施例进行更进一步的说明。
图1和图2是根据两个不同实施例的脉冲干燥装置的示意侧视图。
图3表示了根据另一个实施例形成纸张的一个装置。
图4表示了纸张的PVD(孔隙体积分布)曲线图的一个例子。
本发明说明
图1示意地表示了用于成形、脱水和干燥纸张的一个装置。所述纸张通过一个调浆箱18在一个丝网11上形成，并且在抽吸箱19上方被脱水。所述丝网11这样设计，其脱水能力根据一定的图案变化，并且在此脱水能力的差别意味着纤维一定的位移，并由此导致纸张基本重量的局部变化。这种丝网由一种粗丝线构成，其中在丝线之间的交叉点形成凸起部和该凸起部之间的凹陷部。在这样一种丝网上脱水时，纤维从所述凸起部位移，并被收集在所述凸起部之间的凹陷部中，并且在此根据对应于丝网11的三维图案的一种图案在所述纸张中获得了基本重量的变化。与此同时，在纸张的不同部位获得了不同的平均孔隙体积，从而在纤维稀疏地分布的部位具有较低的基本重量，并且与较高基本重量的部位相比具有较大的平均孔隙体积。
脱水的湿纸张10被一个丝网11或者毛毡17支撑着，进入两个转动辊13和14之间的压榨辊隙12。在所述压榨辊隙处，所述辊13与所述纸张10接触、并且被一个加热装置15加热到这样一个温度，所述温度足够高以干燥纸张。加热辊13的表面温度能够根据下列因素而改变，例如纸张的水分含量、纸张的厚度、纸张和所述辊的接触时间以及成品纸张的期望水分含量。当然，表面温度不能太高，否则会损坏纸张。适合的温度应该为100℃-400℃，更好为150℃-350℃，并且最好为200℃-350℃。
纸张通过辊14被压靠在被加热的辊13上。加压装置当然可以被设计为其它各种形式。也可以一个接一个地设置两个或者多个加压装置。保持装置14也可以是一个压瓦。毛毡17的功能是提高脱水效果，并延伸所述压榨辊隙。当然可以省略所述毛毡17。
在被加热的辊13和湿纸张之间的界面中产生了一个非常迅速、剧烈的并且几乎爆炸性的蒸汽，在此产生的蒸汽在其通过纸张的路径上带走水。关于脉冲干燥技术的进一步说明可以参照上述SE-B-423118、EP-A-0 337 973和US-A-5,556,511。
纸在被脉冲干燥的同时还被赋予了一种三维结构，这是因为所述被加热的辊13设有一个压花图案，所述图案由交替的凸起和凹陷部构成。这种结构基本上在所述纸随后的潮湿条件下也被保持着，因为其已经在干燥时被印在湿纸张上。由于术语压花通常用于在干燥的纸上成形，在下述描述中将术语压力模制用于纸的三维成形，其与脉冲干燥同时进行。通过压力模制，增加了纸的膨松度和吸湿能力，这些是柔软纸的重要属性。
纸张可以在一个非刚性表面上压制，例如在一个可压缩的压毡17上压制。辊14也可以具有一个柔性表面，例如一个橡胶包裹表面。所述纸在此被赋予三维结构，其总厚度大于未被压缩的纸的总厚度。由此，所述纸被赋予很大的膨松度并且具有很高的吸湿能力和柔软性。另外，所述纸具有弹性。同时，在所述纸中获得了局部可以变化的密度。
所述纸张能够在一个刚性表面上压制，例如在一个具有硬表面的丝网11和/或辊14上压制，在此，加热辊13的图案在与印痕相对的对纸的高度压缩下被压制入纸张中，同时在印痕之间的部分没有被压缩。
所述纸在干燥后被卷绕在一个卷取辊16上。如果需要的话，可以在卷绕之前使所述纸绉褶。应当注意到需要使纸绉褶，是为了赋予其柔软纸所需要的柔软性和膨松度，这个需要在利用根据本发明的脉冲干燥方法时被减小，这是因为所述纸通过其三维结构和选择的图案已经被赋予了柔软性和膨松度。
所述纸张在其进入脉冲干燥器之前或者可以仅仅在抽吸箱上方脱水，或者还稍微被加压。
根据图2所示的一个实施例，所述纸张10在一个丝网20上成形和脱水，通过所述丝网20在所述纸张中提供了一个基本重量的变化，然后在其经过辊13和14进行脉冲干燥步骤之前、转移到一个干燥丝网或者毛毡11上。所述干燥丝网或者毛毡11也可以是基本光滑的，而如上所述的辊13具有三维图案。或者，丝网11具有三维图案，所述图案在纸张通过辊13和14之间的压榨辊隙12时被压力模制入纸张中。所述辊13可以是光滑的，如图2所示，或者也可以设有压花图案。在辊13光滑的情况下，压力模制的纸将具有一个光滑的表面和一个具有印痕的表面。在辊13具有压花图案的情况下，该图案也会被压制入纸中，这样所述纸的一个侧面将具有对应于丝网11结构的图案，而在另一侧面具有对应于辊的压花图案的图案。所述图案不必一致，和/或相同或不同。
根据另一个实施例，一带图案的带或者条围绕着所述辊并从而被加热。当所述纸张通过辊13和14之间的压榨辊隙时，所述带或者条的图案被压力模制入所述纸张中。
根据图3所示的一个实施例，纤维供料10′通过一个调浆箱18被供应到一个会聚的成形空间21中，所述成形空间21在一侧被一个平坦的固定或者移动壁22限定，而在另一侧被一个丝网11限定。所述纸张10在所述会聚的成形空间21中成形和脱水。壁22最好是柔性的，其通过一个压力装置23定位，所述压力装置具有静压力。所述丝网11在所述会聚的成形空间21中脱水时为所述纸张提供了一个基本重量的变化，其方式如上所述。根据图3所示的一种成形装置在SE-B-428 575中被详细地公开。
在成形和脱水过程中赋予所述纸张10的基本重量的变化在随后的脉冲干燥步骤被保持着，在此所述结构在当所述纸潮湿时也基本被保持着。
通过结合在所述纸中的局部变化的基本重量的变化和三维图案，提供了较宽的孔隙体积分布，这对于吸湿能力是非常重要的。所述使用的纤维材料的纤维尺寸、在所述压榨辊隙12中通过脉冲干燥赋予所述纸的图案的尺寸应该这样适用，在孔隙体积范围0-100μm的任何部分，使成品纸的测量孔隙体积分布不小于50mm3/μm.g，最好不小于70mm3/μm.g。最好成品纸的孔隙体积分布在孔隙体积范围0-320μm的任何部分不小于15mm3/μm.g。PVD(孔隙体积分布)的一个例子如图4所示。
所述纸张在第一压榨辊隙之后和卷绕于卷取辊16上之前可以通过一个第二压榨辊隙(未图示)，在此进行对纸张的第二次脉冲干燥。这当然意味着纸张在第二压榨辊隙之前没有完全干燥，而是具有至少10％和最好至少20％重量的水分含量。如果在压榨辊隙12中、第一次脉冲干燥步骤中的干燥不完全和/或在第二次脉冲干燥步骤之前纸张被弄湿，则可以实现上述情况。
类似地，通过两次脉冲干燥步骤，纸张被赋予一种三维结构。图案可以从不同两侧被压制入纸张中。也可以从同一侧将不同的图案压制入纸张中。在两次脉冲干燥步骤中被压入纸张中的图案最好不同。
根据本发明的一个实施例，所述纸张从厚度方向看具有一个变化的材料组合物，这样在脉冲干燥过程中、至少将最靠近所述加热辊13的一层或者几层中包含一定量的材料，所述材料在100-400℃的温度范围内能变软、熔化或者硬化。由此，所述纸将获得一个表面层，后者有助于增强纸在潮湿条件下的结构稳定性。在其余纸层中的纸浆组合物在另一方面能够被选择以优化其它性能，例如，柔软性、强度、膨松度和吸音性能。
所述在脉冲干燥过程中可以软化、熔化或者硬化的材料可以包括湿强度剂、具有热塑性的合成或天然聚合物、具有柔性剂或者包含木质素的高屈服纸浆的化学改性的木质素和/或合成或者天然聚合物。
在高温下能够硬化的湿强度剂可以包括聚酰胺胺表氯醇树脂、聚丙烯酰胺树脂、丙烯酸乳液、脲醛树脂、聚乙烯亚胺树脂、改性淀粉和/或改性纤维素衍生物。湿强度剂在用于最靠近所述加热辊13的所述纸层中的含量、以干纤维重量计算、应该至少重0.05％。
所述在100-400℃的温度范围内可以软化或者熔化的材料是具有热塑性的合成或天然聚合物、具有柔性剂的化学改性的木质素和/或合成或者天然聚合物。所述材料可以或者是粉末、薄片、纤维的形式，或者是一种水悬浮液，例如胶乳弥散液。热塑性聚合物的例子是聚烯烃，例如聚乙烯和聚丙烯、聚酯等。
通过为所述纸张添加所述材料，所述材料能被软化或熔化，在纸张中获得了增加量的粘结点。由此，通过组合的脉冲干燥和压力模制赋予所述纸张的基本重量变化和三维结构可以有效地被保持。这种结构在纸的潮湿条件下也被保持着。
根据本发明可以在一个或者同一步骤中，即，脉冲干燥步骤中进行干燥、热粘合和压力模制，在此，通过较低程度的内部应力获得了一个更加稳定的纸结构。如果所述纸在热粘合之前被干燥而使纤维结构被锁定，则很容易使内部应力升高。
如上所述，根据本发明的软化或者熔化材料可以由包含木质素的高屈服纸浆构成，这将在下面更详细地描述。
所述纸可以通过许多种不同形式的纸浆生产。如果不用回收纸浆，后者在今天、在很大程度上主要用于卫生纸和餐巾纸卷，用于柔软纸的最普遍的纸浆是化学纸浆。在这种纸浆中的木质素含量实际上为零，而主要由纯纤维素纤维构成的纤维相当细并且柔软。化学纸浆是低屈服纸浆，因为其屈服度仅为大约50％，这是在使用的木制原材料的基础上计算出的。因此，这是相对昂贵的纸浆。
因此，通常使用更便宜的所谓高屈服纸浆，例如，在柔软的纸以及其它类型的纸例如新闻纸、纸板等中的、例如机械的、热机械的纸浆、化学机械(chemomechanical)的纸浆(CMP)或者CTMP纸浆(chemothermomechanical pulp)。在高屈服纸浆中，纤维更粗糙并且包含大量的木质素、树脂和半纤维素。木质素和树脂给予纤维更大的疏水性能和降低的形成氢键的性能。在柔软纸中增加一定量的CTMP纸浆由于降低了纤维对纤维的连接，对膨松度和吸湿性能具有积极的效果。
CTMP纸浆的一个特别的变形是所谓高温HT-CTMP纸浆，其生产不同于传统类型的CTMP的生产，其主要使用用于浸渍、预热、和精炼的较高温度，该温度最好不小于140℃。关于HT-CTMP的生产方法的详细描述，可以参照WO95/34711。HT-CTMP的特征在于，它是一种长纤维、容易脱水并且体积膨松的高屈服纸浆，其具有较低的碎片和碎屑含量。
根据本发明已经发现，高屈服纸浆特别适合脉冲干燥，这是因为其对压力不敏感、容易脱水并且具有开口结构，这种结构允许产生的蒸汽通过。这减小了纸被过热的危险和在脉冲干燥的过程中被坡坏，与其它干燥方式相比，脉冲干燥是在相当高的温度下进行的。所述对压力的不敏感性和开口结构是由于在高屈服纸浆中的纤维比化学纸浆中的纤维相对粗糙和硬。
脉冲干燥发生的温度比Yankee干燥和穿气干燥高得多，本发明并不受限于后述两种方法所根据的理论，在高屈服纸浆中木质素的软化温度在脉冲干燥和压力模制的同时被达到。当纸变冷时，木质素再次硬化并且会保持赋予纸的三维结构。因此在纸的潮湿条件下也能保持该三维结构，这极大地提高了纸的膨松度和吸湿性能。
根据本发明的一个实施例，所述纸在其脉冲干燥过程中最靠近所述被加热的辊13的一层或者几层中含有一定量的高屈服纸浆，其含量按干纤维重量计算至少重10％，较好至少重30％，并且最好至少重50％。为了获得期望的性能，例如柔性、强度、膨松度等，则其它几层可以包含几种任选的纸浆或者不同类型纸浆的结合。例如化学纸浆，最好是长纤维牛皮纸浆来提供高强度纸。当然在纸中也可以包含回收纸浆。本发明当然不局限于在纸中使用一种类型的纸浆，而是可以应用各种任选类型的纸浆或者其混合物。
在本情况下，或者通过一个双层调浆箱或者通过一个接一个设置的单独的调浆箱，所述纸张至少形成单独两层，在此在至少两层中的纸浆组合物是不同的。
当然也可以组合不同类型的上述材料，例如包含木质素的高屈服纸浆和湿强度剂，并分别熔化各能够软化的材料，以进一步增强所述纸的图案结构的稳定效果。
所述纸张也可以由至少单独的三层形成，其中外面的两层各包含一定量的在100-400℃能够软化、熔化或者硬化的所述材料，例如包含木质素的高屈服纸浆、湿强度剂、具有热塑性的合成或者天然聚合物、具有柔性剂的化学改性的木质素和/或合成或天然聚合物。
普通添加剂、例如湿强度剂、柔性剂、填充物当然也可以在纸中使用。纸张在脉冲干燥之后进行不同形式的已知处理，例如添加不同的化学制品，再压花、层压等。也可以在两个不同丝网之间转移纸张时、例如从一个脱水丝网转移到一个干燥丝网时，在两个丝网之间具有速度差，这样在转移时纸张减速。然后将纸张压实到一定程度，这进一步增加了柔软性。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1．一种生产具有三维图案的纸的方法，所述图案由交替的凸起和凹陷部构成，所述图案是在脉冲干燥过程中形成的，在脉冲干燥过程中，湿纸张通过至少一个压榨辊隙(12)，所述辊隙包括一个转动辊(13)，所述转动辊被加热，并且所述纸张在通过压榨辊隙时、借助于一个带图案的丝网(11)和/或通过在所述加热辊(13)上设置一种图案、被赋予一种由交替的凸起和凹陷部构成的三维图案，在所述加热辊(13)上的图案在一个保持装置(11,14)上被压制入所述纸张中，
其特征在于，所述纸张(10)在进入所述压榨辊隙(12)之前以非随机的图案被赋予一种基本重量的变化。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纸张(10)在一个丝网(11；20)上成形和/或脱水，所述丝网的脱水能力根据所述非随机的图案变化，并且所述脱水能力的差别意味着纤维的一定量的移动，并由此导致所述纸张的基本重量的局部变化。
3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纸张(10)在一个会聚的成形空间(21)中成形和/或脱水，所述成形空间(21)的一侧被一个平坦的固定或者移动壁(22)限定，而在另一侧被一个丝网(11)限定，所述丝网在其丝线彼此交叉的点具有凸起部，由此，在所述会聚的成形空间中脱水的过程中，纤维从所述丝网的凸起部转移到其中间部分，从而导致所述基本重量的局部变化。
4．根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所使用的纤维材料的纤维尺寸、所述纸的基本重量根据其变化的图案尺寸以及在脉冲干燥过程中赋予所述压榨辊隙(12)中的所述纸的三维图案的尺寸这样适用，使所述生产的纸的孔隙体积分布在孔隙体积范围0-100μm的任何部分不小于50mm3/μm.g，最好不小于70mm3/μm.g。
5．根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所使用的纤维材料的纤维尺寸、所述纸的基本重量根据其变化的图案尺寸以及在脉冲干燥过程中赋予所述压榨辊隙(12)中的所述纸的三维图案的尺寸这样适用，使所述生产的纸的孔隙体积分布在孔隙体积范围0-320μm的任何部分不小于15mm3/μm.g。
6．根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述保持装置(11,14)设有一个非刚性表面，从而使所述纸张被赋予一种三维结构，所述三维结构的总厚度大于未被压缩的纸张的厚度。
7．根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述纸张被一个可压缩压毡(11)支撑着通过压榨辊隙(12)，所述压毡构成所述非刚性保持装置。
8．根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述压毡(11)在压榨辊隙(12)中被压向一个弹性非刚性表面(14)。
9．根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，按干纤维重量计算，所述纸包含至少重10％，较好至少重30％，并且最好至少重50％的包含木质素的高屈服纸浆。
10．根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述纸张中加入一定量的材料，所述材料在100-400℃的温度软化、熔化或者硬化，或者以其它方式来稳定赋予所述纸的图案结构。
11．根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述材料包括具有热塑性的合成或者天然聚合物、具有柔性剂的化学改性的木质素和/或合成或者天然聚合物。
12．根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述材料包括一种湿强度剂。
13．根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述湿强度剂是包括聚酰胺胺表氯醇树脂、聚丙烯酰胺树脂、丙烯酸乳液、脲醛树脂、聚乙烯亚胺树脂、改性淀粉和/或改性纤维素衍生物。
14．根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述纸张(10)在厚度方向具有变化的材料组合物，这样至少将最靠近所述加热辊(13)的一层或者几层中包含一定量的材料，所述材料在100-400℃的温度范围内能软化、熔化或者硬化，或者以其它方式来稳定赋予所述纸的图案结构，所述材料例如包含木质素的高屈服纸浆、湿强度剂、具有热塑性的合成或者天然聚合物、具有柔性剂的化学改性的木质素和/或合成或者天然聚合物。
15．根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述湿纸张通过至少另一个压榨辊隙(12)，该压榨辊隙包括一个旋转加热辊，并且所述纸张在脉冲干燥过程中通过所述另一压榨辊隙时被赋予一种三维图案，所述三维图案由交替的凸起和凹陷部构成。
16．根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，其用于生产吸湿性柔软纸。
17．脉冲干燥的纸，其具有一种由交替的凸起和凹陷部构成的三维图案，所述图案在脉冲干燥过程中被赋予所述纸，
其特征在于，所述纸的孔隙体积分布在孔隙体积范围0-100μm的任何部分不小于50mm3/μm.g，最好不小于70mm3/μm.g。
18．根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述纸的孔隙体积分布在孔隙体积范围0-320μm的任何部分不小于15mm3/μm.g。