Мягкий бумажный материал, содержащий синтетические волокна
Изобретение относится к продукту на основе бумаги. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги содержит по меньшей мере 10 вес.% целлюлозных волокон с линейной плотностью более 17 мг/100 м, от 1,0 до 10 вес.% синтетических нецеллюлозных волокон и менее 10 вес.% целлюлозных волокон с линейной плотностью менее 17 мг/100 м и средней длиной волокна более 1,2 м. Синтетические волокна выбраны из группы, состоящей из сложных полиэфиров, полиалкиленов, полиакрилонитрилов и полиамидов. При этом продукт характеризуется значением TS7 менее 11 и средним геометрическим прочности при растяжении от 500 до 1200 г/3 дюйма. Обеспечивается повышение прочности продукта на основе бумаги. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 табл.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Производители бумаги, и в частности производители тонкой бумаги, давно пытаются найти баланс между прочностью и мягкостью бумажных продуктов путем обработки или изменения древесной массы для производства бумаги. Например, одной стандартной практикой в изготовлении продуктов на основе бумаги является обеспечение двух древесных масс (или источников) на основе волокна древесной целлюлозы. Иногда применяют систему двух древесных масс, в которой первая древесная масса содержит волокно древесной целлюлозы, характеризующееся относительно небольшой длиной волокна, такое как волокно крафт-целлюлозы из твердой древесины, и вторая древесная масса состоит из волокна древесной целлюлозы, характеризующегося относительно большой длиной волокна, такого как волокно крафт-целлюлозы из мягкой древесины. Древесная масса на основе короткого волокна может применяться для обеспечения конечного продукта с более мягким тактильным ощущением, тогда как древесная масса на основе длинного волокна может применяться для обеспечения конечного продукта с прочностью.
Хотя мягкость поверхности в продуктах на основе бумаги является важным свойством, вторым элементом в общей мягкости является жесткость. Жесткость можно измерить из наклона при растяжении кривой зависимости деформации от напряжения при растяжении. Чем ниже наклон, тем более низкую жесткость и лучшую, в целом, мягкость продемонстрирует продукт. Жесткость и прочность при растяжении положительно коррелируют, однако при заданной прочности при растяжении более короткие волокна продемонстрируют большую жесткость, чем длинные волокна. Не желая ограничиваться теорией, полагают, что данное поведение обусловлено более высоким числом водородных связей, необходимым для обеспечения продукта с заданной прочностью при растяжении, для коротких волокон по сравнению с длинными волокнами. Таким образом, легко деформируемые длинные волокна с низкой линейной плотностью, такие как волокна, представленные волокнами крафт-целлюлозы из мягкой древесины северных видов (NSWK), как правило, обеспечивают лучшую комбинацию долговечности и мягкости продуктов на основе бумаги, в случае когда данные волокна применяют в комбинации с волокнами крафт-целлюлозы из твердой древесины, такими как волокна крафт-целлюлозы из твердой древесины эвкалипта. Хотя волокна крафт-целлюлозы из мягкой древесины северных видов характеризуются более высокой линейной плотностью, чем волокна эвкалипта, их небольшая толщина клеточной стенки относительно диаметра полости вместе с их большой длиной делает их идеальным кандидатом для оптимизации долговечности и мягкости бумажного материала.
К сожалению, обеспечение NSWK находится под значительным давлением как по экономическим, так и экологическим причинам. В связи с этим, цены на волокна NSWK в значительной степени повысились, создавая необходимость в поиске альтернатив для оптимизации мягкости и прочности продуктов на основе бумаги. Другой тип волокна мягкой древесины представляет собой волокно крафт-целлюлозы из мягкой древесины южных видов (SSWK), широко применяемое в содержащих распушенную целлюлозу впитывающих продуктах, таких как подгузники, впитывающие продукты для женщин и продукты, применяемые при недержании. К сожалению, хотя и не под таким же давлением в отношении обеспечения и экологии как NSWK, волокна из SSWK являются слишком грубыми для продуктов на основе бумаги и являются неподходящими для получения мягких продуктов на основе бумаги. Хотя волокна SSWK обладают большой длиной волокна, они характеризуются очень большой шириной клеточной стенки и слишком малым диаметром полости и, таким образом, обеспечивают более жесткие, ощущаемые как более грубые продукты, чем NSWK.
Производители бумажных материалов, которые способны определить волокна, обладающие необходимой комбинацией длины волокна и линейной плотности, из смесей волокон, в общем, считающихся худшими относительно свойств среднего волокна, могут получить значительную экономию затрат и/или улучшения продукта. Например, производители бумажных материалов могут пожелать получить тонкую бумагу превосходной прочности, не вызывая обычного ухудшения мягкости, которое сопровождает более высокую прочность. В качестве альтернативы, производители бумаги могут пожелать более высокой степени связывания с поверхностью бумаги для уменьшения высвобождения свободных волокон, не страдая от обычного уменьшения мягкости, которое сопровождает большее связывание поверхностных волокон. В связи с этим, в настоящее время существует необходимость в продукте на основе бумаги, образованном из волокна, которое улучшит долговечность без отрицательного влияния на другие важные свойства продукта, такие как мягкость.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Недавно было неожиданно обнаружено, что фракция длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью в древесной массе для получения бумажного материала может быть заменена на смесь длинного волокна с высокой линейной плотностью и синтетических волокон без отрицательного влияния на важные свойства бумажного материала, таких как прочность и жесткость. В некоторых случаях свойства продукта на основе бумаги можно фактически улучшить путем замены фракции длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью в древесной массе на основе бумажного материала на смесь длинного волокна с высокой линейной плотностью и синтетических волокон. Например, в настоящем изобретении предусмотрен мягкий и прочный бумажный материал, содержащий менее приблизительно 10 процентов по весу продукта длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью, при этом продукт характеризуется значением TS7, составляющим приблизительно 11,0 или меньше, и средним геометрическим прочности при растяжении (GMT) от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма.
В других вариантах осуществления в настоящем изобретении предусмотрены продукты на основе бумаги, содержащие целлюлозные волокна с высокой линейной плотностью и синтетические волокна, при этом продукт характеризуется значением TS7, составляющим 11,0 или меньше, и GMT от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма. В особенно предпочтительном варианте осуществления продукты на основе бумаги по настоящему изобретению содержат менее приблизительно 10 процентов по весу продукта длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью, как например от приблизительно 0 до приблизительно 10 процентов и больше, предпочтительно от приблизительно 0 до приблизительно 5 процентов. По сравнению с изготовленными подобным образом продуктами на основе бумаги, по сути состоящими из коротких целлюлозных волокон и длинных целлюлозных волокон с высокой линейной плотностью, продукты на основе бумаги по настоящему изобретению характеризуются улучшенным свойством прочности с равной или улучшенной мягкостью.
В еще одних других вариантах осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги, содержащий по меньшей мере одно бумажное полотно, при этом бумажное полотно содержит целлюлозные волокна с высокой линейной плотностью и синтетические волокна, при этом синтетические волокна характеризуются средней длиной волокна менее 6,0 мм и по меньшей мере одним размером поперечного сечения менее приблизительно 20 микрон, как например от приблизительно 10 до приблизительно 20 микрон, при этом продукт на основе бумаги характеризуется GMT более приблизительно 500 г/3 дюйма, удельным объемом листа более приблизительно 10,0 куб. см/г, значением TS7 11,0 или меньше и средним геометрическим прочности на разрыв (GM прочности на разрыв) более приблизительно 10,0 Н. Таким образом, продукты на основе бумаги по настоящему изобретению обладают достаточной долговечностью и прочностью, чтобы выдерживать применение, а также являются мягкими и обладают приятными тактильными ощущениями.
В других вариантах осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги, содержащий по меньшей мере одно высушенное суховоздушным способом бумажное полотно, при этом бумажное полотно содержит целлюлозные волокна с высокой линейной плотностью и синтетические волокна, при этом синтетические волокна, характеризуются средней длиной волокна менее 6,0 мм и по меньшей мере одним размером поперечного сечения менее приблизительно 20 микрон, при этом продукт характеризуются GMT от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма, средним геометрическим наклона (GM наклона) менее приблизительно 7,0 кг и значением TS7 11,0 или меньше.
В других вариантах осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги, содержащий высушенное суховоздушным способом бумажное полотно, содержащее древесную массу на основе волокон, по сути состоящую из целлюлозных волокон с высокой линейной плотностью, коротких целлюлозных волокон и синтетических волокон, при этом продукт характеризуется GMT от приблизительно 500 до приблизительно 1000 г/3 дюйма, средним геометрическим энергии, затраченной при растяжении (GM TEA), более приблизительно 7,0 г*см/см2 и значением TS7 11,0 или меньше.
В еще одних других вариантах осуществления в настоящем изобретении предусмотрен некрепированный высушенный суховоздушным способом продукт на основе бумаги, содержащий древесную массу на основе волокон, по сути состоящую из целлюлозных волокон с высокой линейной плотностью, коротких целлюлозных волокон и синтетических волокон, при этом продукт характеризуется GMT от приблизительно 500 до приблизительно 1000 г/3 дюйма, средним геометрическим энергии, затраченной при растяжении (GM TEA), более приблизительно 7,0 г*см/см2 и значением TS7 11,0 или меньше.
Еще один объект изобретения относится к способу образования мягкого и прочного продукта на основе бумаги, полученного мокрым формованием, включающему стадии:
a. обеспечения первой древесной массы на основе волокон, по сути состоящей из коротких целлюлозных волокон, имеющих среднюю длину менее приблизительно 1,2 мм;
b. обеспечения второй древесной массы на основе волокон, по сути состоящей из синтетических волокон и волокон с высокой линейной плотностью, имеющих линейную плотность более 17 мг/100 м;
c. нанесения первой и второй древесных масс на основе волокон на формующую сетку с образованием влажного бумажного полотна;
d. частичного обезвоживания влажного бумажного полотна;
e. высушивания бумажного полотна и
f. преобразования бумажного полотна в продукт на основе бумаги, где продукт характеризуется GMT более 500 г/3 дюйма и TS7 менее 11,0.
ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фигуре 1 представлен график зависимости TS7 (ось y) от среднего геометрического прочности при растяжении (GMT, ось x) для трех различных продуктов на основе бумаги, изготовленных при трех различных значениях среднего геометрического прочности при растяжении, -●- представляют собой продукты на основе бумаги, имеющие три слоя и содержащие 40% NSWK и 60% EHWK, -์■- представляют собой продукты на основе бумаги, имеющие три слоя и содержащий 40% SSWK и 60% EHWK; и -▲- представляют собой продукты на основе бумаги, имеющие три слоя и содержащие 37% SSWK, 3% синтетического волокна и 60% EHWK, при этом кривая, аппроксимированная с помощью линейной функции, построенная через точки данных, имеет уравнение TS7 = 0,0042*GMT + 6,6367, и значение R2, составляющее 0,997;
на фигуре 2 представлен график зависимости среднего геометрического прочности на разрыв (ось y) от среднего геометрического прочности при растяжении (GMT, ось x) для трех различных продуктов на основе бумаги, изготовленных при трех различных значениях среднего геометрического прочности при растяжении, -●- представляют собой продукты на основе бумаги, имеющие три слоя и содержащие 40% NSWK и 60% EHWK, -■- представляют собой продукты на основе бумаги, имеющие три слоя и содержащие 40% SSWK и 60% EHWK; и -▲- представляют собой продукты на основе бумаги, имеющие три слоя и содержащие 37% SSWK, 3% синтетического волокна и 60% EHWK; и
на фигуре 3 представлен график зависимости среднего геометрического энергии, затраченной при растяжении (ось y), от среднего геометрического прочности при растяжении (GMT, ось x) для трех различных продуктов на основе бумаги, изготовленных при трех различных значениях среднего геометрического прочности при растяжении, -●- представляют собой продукты на основе бумаги, имеющие три слоя и содержащие 40% NSWK и 60% EHWK, -■- представляют собой продукты на основе бумаги, имеющие три слоя и содержащие 40% SSWK и 60% EHWK; и -▲- представляют собой продукты на основе бумаги, имеющие три слоя и содержащие 37% SSWK, 3% синтетического волокна и 60% EHWK.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Применяемый в данном документе термин «средняя длина волокна» означает средневзвешенную по длине длину волокна (LWAFL) волокон, определенную с использованием анализатора качества волокон OpTest, модели FQA-360 (OpTest Equipment, Inc., Хоксбери, Онтарио). В соответствии с процедурой испытания образец волокнистой массы обрабатывают мацерирующей жидкостью для обеспечения отсутствия пучков волокон или костры. Обеспечивают распад каждого образца волокнистой массы в горячей воде и разбавляют до примерно 0,001 процентного раствора. Отдельные испытываемые образцы примерно 50—100 мл порциями отбирают из разбавленного раствора при испытании с применением стандартной процедуры испытания для анализа волокна, разработанной в Kajaani. Средневзвешенную длину волокна можно выразить с помощью следующего уравнения:
,
где k = максимальная длина волокна,
xi = длина волокна,
ni = число волокон с длиной xi,
n = общее число измеренных волокон.
Применяемый в данном документе термин «линейная плотность» означает массу волокна на единицу невзвешенной длины волокна, представленную в единицах миллиграмм на сто метров невзвешенной длины волокна (мг/100 м), измеренную с применением подходящего устройства для измерения линейной плотности волокна, такого как указанный выше анализатор качества волокна OpTest. Линейная плотность волокнистой массы представляет собой среднее трех измерений линейной плотности трех проб волокна, взятых из волокнистой массы. Функционирование анализатора для измерения линейной плотности подобно функционированию для описанного выше измерения длины волокна.
Применяемый в данном документе термин «волокно» означает вытянутые частицы, характеризующиеся кажущейся длиной, значительно превышающей кажущуюся ширину. Более конкретно и как применяется в данном документе, волокно означает такие волокна, которые являются подходящими для способа производства бумаги и более конкретно для способа производства тонкой бумаги.
Применяемый в данном документе термин «целлюлозное волокно» означает волокно, состоящее из целлюлозы или полученное из нее.
Применяемый в данном документе термин «длинные целлюлозные волокна» означает целлюлозное волокно, характеризующееся средней длиной волокна более 1,2 мм, и более предпочтительно более приблизительно 1,5 мм, и еще более предпочтительно более приблизительно 2,0 мм.
Применяемый в данном документе термин «короткие целлюлозные волокна» означает целлюлозное волокно, характеризующееся средней длиной менее приблизительно 1,2 мм, как например от приблизительно 0,4 до приблизительно 1,2 мм, как например от приблизительно 0,5 до приблизительно 0,75 мм и более предпочтительно от приблизительно 0,6 до приблизительно 0,7 мм. Одним примером коротких целлюлозных волокон являются волокна целлюлозы из твердой древесины, которые можно получить из твердых пород дерева, выбранных из группы, состоящей из акации, эвкалипта, клена, дуба, осины, березы, тополя, ольхи, ясеня, вишни, вяза, гикори, тюльпанного дерева, камедного дерева, ореха, рожкового дерева, платана и бука. В других вариантах осуществления короткие целлюлозные волокна можно получить из недревесных растений, таких как багасса, лен, конопля и кенаф.
Применяемый в данном документе термин «целлюлозное волокно с высокой линейной плотностью» означает целлюлозное волокно, характеризующееся линейной плотностью более 17 мг/100 м и более предпочтительно более приблизительно 19 мг/100 м, как например от приблизительно 17 до приблизительно 23 мг/100 м. Волокна с высокой линейной плотностью могут представлять собой волокна целлюлозы из мягкой древесины, полученные из сосны подрода Pinus, в том числе, например, P. taeda, P. elliotti, P. palustris, P. pungens, P. rigida, P. serotina, P. muricata и P. radiate.
Применяемый в данном документе термин «целлюлозное волокно с низкой линейной плотностью» означает целлюлозное волокно, характеризующееся линейной плотностью менее 17 мг/100 м и более предпочтительно менее приблизительно 16 мг/100 м. Волокна с низкой линейной плотностью могут представлять собой волокна целлюлозы из мягкой древесины, полученные из деревьев хвойных пород рода Pseudotsuga, Tsuga, Picea или Thuja.
Применяемый в данном документе термин «синтетическое волокно» означает нецеллюлозное термопластичное волокно.
Применяемый в данном документе термин «термопластичный материал» означает пластмассу, которая становиться податливой или пластичной выше конкретной температуры и возвращается в твердое состояние при охлаждении. Иллюстративные термопластичные волокна, подходящие для вариантов осуществления настоящего изобретения, включают сложные полиэфиры (например, полиалкилентерефталаты, такие как полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT) и т. п.), полиалкилены (например, полиэтилены, полипропилены и т. п.), полиакрилонитрилы (PAN) и полиамиды (нейлоны, например, нейлон-6, нейлон 6,6, нейлон-6,12 и т. п.). Предпочтительными являются волокна из PET.
Применяемый в данном документе термин «продукт на основе бумаги» означает продукты, полученные из бумажных полотен, и включает туалетную бумагу, косметические салфетки, бумажные полотенца, промышленные салфетки, салфетки для предприятий общественного питания, салфетки, медицинские подкладки и другие подобные продукты.
Применяемый в данном документе термин «бумажное полотно» означает волокнистый листовой материал, подходящий для применения в качестве продукта на основе бумаги.
Применяемый в данном документе термин «прослойка» означает отдельный элемент продукта. Отдельные прослойки могут быть расположены в соприкосновении друг с другом. Термин может относиться к множеству подобных полотну компонентов, таких как в косметической салфетке с несколькими прослойками, туалетной бумаге, бумажном полотенце, влажной салфетке или салфетке.
Применяемый в данном документе термин «слой» означает множество из наслоения волокон, химических обработок или подобного в пределах прослойки.
Применяемые в данном документе термины «слоистый», «многослойный» и т. п. относятся к волокнистым листам, полученным из двух или более слоев водной древесной массы для производства бумаги, которые предпочтительно состоят из волокон различных типов. Слои предпочтительно образованы путем нанесения отдельных потоков разбавленных взвесей волокна на одно или более рулонных перфорированных сит. Если отдельные слои изначально образуют на отдельных перфорированных ситах, слои затем объединяют (влажными) с образованием слоистого композитного полотна.
Применяемый в данном документе термин «базовый вес» означает вес абсолютно сухого материала на единицу площади бумажного материала и обычно выражен в граммах на квадратный метр (г/кв. м). Базовый вес измеряют с помощью способа испытаний TAPPI T-220. Хотя базовый вес может изменяться, продукты на основе бумаги, полученные в соответствии с настоящим изобретением и содержащие одну, две или три прослойки, как правило, характеризуются базовым весом более приблизительно 25 г/кв. м, как например от приблизительно 25 до приблизительно 60 г/кв. м и более предпочтительно от приблизительно 30 до приблизительно 45 г/кв. м.
Применяемый в данном документе термин «толщина листа» представляет собой иллюстративную толщину одного листа (толщина листа продуктов на основе бумаги, содержащих две или более прослойки, представляет собой толщину одного листа продукта на основе бумаги, содержащего все прослойки), измеренную в соответствии со способом испытаний TAPPI T402 с применением автоматического микрометра EMVECO 200-A Microgage (EMVECO, Inc., Ньюберг, Орегон). Микрометр имеет диаметр упорной пятки 2,22 дюйма (56,4 мм) и давление упорной пятки 132 грамма на квадратный дюйм (на 6,45 квадратных сантиметров) (2,0 кПа).
Применяемый в данном документе термин «удельный объем листа» относится к отношению толщины листа (как правило, представленной в единицах мкм), деленной на базовый вес абсолютно сухого материала (как правило, представленный в единицах г/кв. м). Полученный удельный объем листа выражают в кубических сантиметрах на грамм (куб. см/г). Высушенные суховоздушным способом продукты на основе бумаги, полученные в соответствии с настоящим изобретением, как правило, характеризуются удельным объемом листа более приблизительно 8 куб. см/г, более предпочтительно более приблизительно 10 куб. см/г и еще более предпочтительно более приблизительно 12 куб. см/г, как например от приблизительно 8 до приблизительно 20 куб. см/г и более предпочтительно от приблизительно 12 до приблизительно 18 куб. см/г. Крепированные полученные мокрым прессованием продукты на основе бумаги, полученные в соответствии с настоящим изобретением, как правило, характеризуются удельным объемом листа более приблизительно 5 куб. см/г, более предпочтительно более приблизительно 7 куб. см/г, как например от приблизительно 5 до приблизительно 12 куб. см/г.
Применяемый в данном документе термин «среднее геометрическое прочности при растяжении» (GMT) относится к квадратному корню произведения прочности при растяжении в машинном направлении и прочности при растяжении в поперечном направлении продукта на основе бумаги. Хотя GMT может изменяться, продукты на основе бумаги, полученные в соответствии с настоящим изобретением, как правило, характеризуются GMT более приблизительно 500 г/3 дюйма, более предпочтительно более приблизительно 600 г/3 дюйма и еще более предпочтительно более приблизительно 800 г/3 дюйма, как например от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма.
Применяемый в данном документе термин «наклон» относится к наклону линии, полученной при построении графика зависимости прочности при растяжении от вытягивания, и является выходными данными MTS TestWorks™ в ходе определения прочности при растяжении, как описано в разделе Способы испытания в данном документе. Наклон приведен в единицах грамм (г) на единицу ширины образца (дюймы) и его измеряют в виде тангенса угла наклона линии, аппроксимированной с помощью метода наименьших квадратов, построенной по поправленных на нагрузку точках для деформации, попадающих в диапазон образованного пробой усилия от 70 до 157 грамм (от 0,687 до 1,540 Н), деленного на ширину пробы. Как правило, в данном документе значения наклона представлены в единицах граммы (г) или килограммы (кг).
Применяемый в данном документе термин «среднее геометрическое наклона» (GM наклона) относится к квадратному корню произведения наклона для машинного направления и наклона для поперечного направления. GM наклона, как правило, выражено в единицах килограммы (кг). Хотя GM наклона может изменяться, продукты на основе бумаги, полученные в соответствии с настоящим изобретением, как правило, характеризуются GM наклона менее приблизительно 15,0 кг, более предпочтительно менее приблизительно 10,0 кг и еще более предпочтительно менее приблизительно 8,0 кг.
Применяемый в данном документе термин «показатель жесткости» относится к GM наклона (в единицах кг), деленному на GMT (в единицах г/3 дюйма), умноженному на 1000. Хотя показатель жесткости может изменяться, продукты на основе бумаги, полученные в соответствии с настоящим изобретением, как правило, характеризуются показателем жесткости менее приблизительно 10,0, более предпочтительно менее приблизительно 8,0 и еще более предпочтительно менее приблизительно 6,0.
Применяемый в данном документе термин «среднее геометрическое энергии, затраченной при растяжении» (GM TEA), относится к квадратному корню TEA в MD и TEA в CD продукта, которые измерены в ходе определения прочности при растяжении, описанного ниже. GM TEA представлен в единицах г*см/см2.
Применяемые в данном документе термины «TS7» и «значение TS7» относятся к выходным данным анализатора мягкости бумажного материала EMTEC (коммерчески доступного от Emtec Electronic GmbH, Лейпциг, Германия), как описано в разделе Способы испытания. TS7 представлен в единицах дБ V2 rms, однако в данном документе TS7 может упоминаться без ссылки на единицы. В некоторых вариантах осуществления в настоящем изобретении предусмотрены высушенные суховоздушным способом продукты на основе бумаги, содержащие синтетические волокна и целлюлозные волокна с высокой линейной плотностью, где продукты характеризуются TS7 менее приблизительно 11,0 и более предпочтительно менее приблизительно 10,0, как например от приблизительно 8,0 до приблизительно 11,0. Вышеуказанных значений TS7, как правило, достигают при значениях среднего геометрического прочности при растяжении от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма.
Применяемый в данном документе термин «по сути не содержит» в случае применения в ссылке на данный слой многослойного волокнистого полотна означает, что данный слой содержит менее приблизительно 0,25 процента указанного волокна по весу слоя. Вышеуказанные количества волокна, как правило, считаются пренебрежимо малыми и не влияют на физические свойства слоя. Более того присутствие пренебрежимо малых количеств указанных волокон в данном слое, как правило, возникает из-за волокон, расположенных в смежном слое, и они не были целенаправленно размещены в данном слое. Например, если данный слой многослойного бумажного полотна указан как слой, по сути не содержащий волокон древесной целлюлозы, данный слой, как правило, содержит менее приблизительно 0,25 процента волокна древесной целлюлозы по весу слоя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении предусмотрены продукты на основе бумаги и полотна, содержащие целлюлозные волокна с высокой линейной плотностью и синтетические волокна. Неожиданно целлюлозные волокна с высокой линейной плотностью и синтетическое волокно могут заменить значительную часть, или в некоторых случаях всю часть, длинного целлюлозного волокна с низкой линейной плотностью в древесной массе без отрицательного влияния на важные свойства бумажного материала, такие как прочность и мягкость. Например, в одном варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен способ изготовления продукта на основе бумаги, включающий стадии обеспечения короткого целлюлозного волокна, синтетического волокна и волокна с высокой линейной плотностью, диспергирования волокон в воде с образованием взвеси волокон, нанесения взвеси волокон на формующую сетку с образованием влажного бумажного полотна, высушивания бумажного полотна и преобразования высушенного бумажного полотна в продукт на основе бумаги, где продукт на основе бумаги характеризуется значением TS7 менее приблизительно 11,0 и средним геометрическим прочности при растяжении (GMT) более приблизительно 500 г/3 дюйма и более предпочтительно более приблизительно 700 г/3 дюйма, как например от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма. В вышеуказанном способе древесная масса может содержать от приблизительно 0 до приблизительно 10 процентов (в пересчете на сухой вес древесной массы) длинного целлюлозного волокна с низкой линейной плотностью, более предпочтительно от приблизительно 0 до приблизительно 5 весовых процентов. В других вариантах осуществления древесная масса, применяемая для образования бумажных полотен и продуктов по настоящему изобретению, может по сути не содержать длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью.
Возможность изготовления бумажных полотен и продуктов, обладающих приемлемой прочностью и мягкостью, с применением небольшого количества длинного целлюлозного волокна с низкой линейной плотностью или без него, частично обеспечивается путем применения умеренных количеств синтетического волокна, как например менее приблизительно 10 процентов по весу бумажного полотна или продукта. В связи с этим, бумажные полотна и продукты по настоящему изобретению, как правило, содержат по меньшей мере приблизительно 1,0 процент по весу бумажного полотна или продукта синтетических волокон и более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 2,0 процента, как например от приблизительно 1,0 до приблизительно 10 процентов и более предпочтительно от приблизительно 1,5 до приблизительно 8,0 процентов и еще более предпочтительно от приблизительно 2,0 до приблизительно 5,0 процентов. В особенно предпочтительных вариантах осуществления продукты на основе бумаги по настоящему изобретению содержат от приблизительно 2,0 до приблизительно 5,0 процентов по весу продукта на основе бумаги синтетических волокон, но по сути не содержат длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью.
Подходящие синтетические волокна для применения в настоящем изобретении включают сложные полиэфиры (например, полиалкилентерефталаты, такие как полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT) и т. п.), полиалкилены (например, полиэтилены, полипропилены и т. п.), полиакрилонитрилы (PAN) и полиамиды (нейлоны, например, нейлон-6, нейлон 6,6, нейлон-6,12 и т. п.). Предпочтительно синтетические волокно является нефибриллированным, и более предпочтительно синтетическое волокно представляет собой нефибриллированное волокно из PET.
В особенно предпочтительных вариантах осуществления синтетические волокна, пригодные в настоящем изобретении, могут характеризоваться по меньшей мере одним размером поперечного сечения, составляющим менее приблизительно 20 микрон, более предпочтительно менее приблизительно 10 микрон и еще более предпочтительно менее приблизительно 15,0 микрон, как например от приблизительно 1,0 до приблизительно 20 микрон и более предпочтительно от приблизительно 5,0 до приблизительно 15,0 микрон. В других вариантах осуществления синтетические волокна могут характеризоваться средней длиной волокна менее 10,0 мм, и более предпочтительно менее приблизительно 8,0 мм, и еще более предпочтительно менее приблизительно 6,0 мм, как например от приблизительно 1,0 до приблизительно 10,0 мм и более предпочтительно от приблизительно 4,0 до приблизительно 6,0 мм.
Хотя синтетические волокна, пригодные в настоящем изобретении, могут характеризоваться по меньшей мере одним размером поперечного сечения, составляющим менее приблизительно 20 микрон, они могут обладать любой из различных форм поперечного сечения, в том числе иметь круглую, плоскую и клиновидную форму. В одном особенно предпочтительном варианте осуществления бумажные полотна и продукты по настоящему изобретению содержат синтетические волокна, характеризующиеся по сути круглым поперечным сечением и диаметром от приблизительно 1,0 до приблизительно 5,0 микрон и более предпочтительно от приблизительно 2,0 до приблизительно 5,0 микрон. Иллюстративные синтетические волокна, имеющие по сути круглое поперечное сечение, включают волокна, коммерчески доступные под торговым названием CYPHREX™ 10001 и 10002 (Eastman Chemical Co., Кингспорт, Теннесси). В других вариантах осуществления синтетическое волокно может обладать плоским поперечным сечением, где по меньшей мере один из размеров волокна составляет менее приблизительно 10 микрон, и более предпочтительно менее приблизительно 5,0 микрон, как например от приблизительно 1,0 до приблизительно 5,0 микрон. Иллюстративные синтетические волокна, имеющие плоское поперечное сечения, включают волокна, коммерчески доступные под торговым названием CYPHREX™ 10101 (Eastman Chemical Co., Кингспорт, Теннесси).
Бумажные полотна и продукты, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, могут быть получены с помощью однородной древесной массы на основе волокон или могут быть образованы из слоистой древесной массы на основе волокон с обеспечением слоев в полотне или продукте. Слоистые базовые полотна могут быть образованы с применением оборудования, известного из уровня техники, такого как напорный ящик для формования многослойной бумаги. Например, в определенных вариантах осуществления продукты на основе бумаги можно получать из многослойных полотен, содержащих первый наружный слой, средний слой и второй наружный слой. В одном варианте осуществления первый и второй наружные слои могут в основном содержать короткое целлюлозное волокно, такое как волокна целлюлозы из твердой древесины. При необходимости короткие целлюлозные волокна можно смешивать с листовым браком от производства бумаги в количестве не более приблизительно 10 процентов по весу и/или длинным целлюлозным волокном в количестве не более приблизительно 10 процентов по весу. Средний слой, который, как правило, расположен между первым наружным слоем и вторым наружным слоем, может содержать смесь волокон с высокой линейной плотностью и синтетических волокон и более предпочтительно смесь длинных волокон древесной целлюлозы с высокой линейной плотностью, таких как волокна крафт-целлюлозы из мягкой древесины южных видов (SSWK), и синтетических волокон, таких как синтетическое волокно, характеризующееся по меньшей мере одним размером поперечного сечения, составляющим менее приблизительно 20 микрон, и средней длиной волокна, составляющей менее приблизительно 10,0 мм. В особенно предпочтительном варианте осуществления средний слой по сути не содержит длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью.
В других вариантах осуществления в настоящем изобретении предусмотрены многослойные полотна, содержащие первый наружный слой, средний слой и второй наружный слой, при этом синтетическое волокно расположено в одном или более наружных слоях и необязательно в среднем слое. Например, многослойное бумажное полотно может содержать первый слой, содержащий древесную массу, по сути состоящую из короткого целлюлозного волокна и синтетического волокна, при этом синтетическое волокно составляет менее приблизительно 5,0 процентов по весу слоя и более предпочтительно менее приблизительно 3,0 процента, средний слой, содержащий древесную массу, по сути состоящую из волокон с высокой линейной плотностью и синтетических волокон, и второй наружный слой, содержащий древесную массу, по сути состоящую из короткого целлюлозного волокна.
Хотя в определенных вариантах осуществления предпочтительно, чтобы бумажное полотно содержало несколько слоев, следует понимать, что продукты на основе бумаги, полученные из вышеуказанного многослойного полотна, могут включать любое число прослоек, и прослойки могут быть образованы из различных комбинаций одно- и многослойных бумажных полотен. Дополнительно, бумажные полотна, полученные в соответствии с настоящим изобретением, могут быть включены в продукты на основе бумаги, которые могут содержать одну или несколько прослоек, где одна или более прослоек могут быть образованы с помощью многослойного бумажного полотна с целлюлозными волокнами с высокой линейной плотностью и синтетическими волокнами, выборочно включенными в один из его слоев.
Неожиданно, в определенных вариантах осуществления длинные целлюлозные волокна с высокой линейной плотностью и синтетическое волокно могут заменить всю фракцию длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью в древесной массе для производства бумажного материала и все еще обеспечивать продукт на основе бумаги, обладающий удовлетворительными свойствами. Например, продукт на основе бумаги может содержать от приблизительно 10 до приблизительно 50 процентов по весу продукта на основе бумаги целлюлозных волокон с высокой линейной плотностью и от приблизительно 1,0 до приблизительно 5,0 процентов синтетических волокон и по сути не содержать длинного целлюлозного волокна с низкой линейной плотностью. Несмотря на содержание целлюлозного волокна с высокой линейной плотностью и по сути отсутствие длинного целлюлозного волокна с низкой линейной плотностью продукт может характеризоваться значением TS7 менее приблизительно 11,0 и средним геометрическим прочности при растяжении (GMT) более приблизительно 500 г/3 дюйма и более предпочтительно более приблизительно 700 г/3 дюйма, как например от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма.
В других вариантах осуществления значение TS7 продуктов на основе бумаги, полученных в соответствии с примерами по настоящему изобретению, может быть выражено в виде функции от GMT в соответствии с формулой:
TS7 ≤ 0,0042 * GMT + 6,6367,
где GMT представлен в единицах грамм на три дюйма. Соответственно, в одном предпочтительном варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги, образованный из древесной массы на основе волокон, содержащей по меньшей мере приблизительно 20 процентов волокон с высокой линейной плотностью и от приблизительно 1,0 до приблизительно 5,0 процентов синтетических волокон и менее приблизительно 10 процентов длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью, как например от приблизительно 0 до приблизительно 10 процентов, при этом продукт характеризуется значением TS7, которое меньше или равняется 0,0042, умноженному на среднее геометрическое прочности при растяжении (представленное в единицах г/3 дюйма) плюс 6,6367, и средним геометрическим прочности при растяжении от приблизительно 700 до приблизительно 1100 г/3 дюйма.
В других вариантах осуществления применение целлюлозных волокон с высокой линейной плотностью и синтетических волокон обеспечивает продукты на основе бумаги, обладающие неожиданно хорошей мягкостью при заданной прочности при растяжении и хорошей долговечностью. Например, в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги, образованный из древесной массы на основе волокон, содержащей по меньшей мере приблизительно 20 процентов волокон с высокой линейной плотностью и от приблизительно 1,0 до приблизительно 5,0 процентов синтетических волокон и менее приблизительно 10 процентов длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью, как например от приблизительно 0 до приблизительно 10 процентов, при этом продукт характеризуется значением TS7 менее приблизительно 11,0, и средним геометрическим прочности при растяжении от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма, и GM TEA более приблизительно 7,0 г*см/см2, как например от приблизительно 7,0 до приблизительно 18 г*см/см2.
Комбинация длинных волокон с высокой линейной плотностью и синтетических волокон не только обеспечивает мягкость, прочность и долговечность, они также могут быть включены в продукт для обеспечения хорошей гибкости. Например, в одном варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги, образованный из древесной массы на основе волокон, содержащей по меньшей мере, приблизительно 20 процентов волокон с высокой линейной плотностью и от приблизительно 1,0 до приблизительно 5,0 процентов синтетических волокон и менее приблизительно 10 процентов длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью, как например от приблизительно 0 до приблизительно 10 процентов, при этом продукт характеризуется значением TS7 менее приблизительно 11,0 и GM наклона менее приблизительно 10,0 кг, как например от приблизительно 4,0 до приблизительно 10,0 кг и более предпочтительно от приблизительно 4,0 до приблизительно 7,0 кг. Вышеуказанные значения GM наклона, как правило, достигают при значениях среднего геометрического прочности при растяжении от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма и более предпочтительно от приблизительно 700 до приблизительно 1000 г/3 дюйма. При вышеуказанных значениях GM наклона и GMT продукты на основе бумаги могут характеризоваться показателем жесткости менее приблизительно 8,0, как например от приблизительно 4,0 до приблизительно 8,0 и более предпочтительно от приблизительно 4,0 до приблизительно 6,0.
Продукты на основе бумаги по настоящему изобретению, как правило, можно образовывать с помощью любого из разнообразных способов производства бумаги, известных из уровня техники. Предпочтительно бумажное полотно образуют либо с помощью традиционного мокрого прессования, либо с помощью высушивания суховоздушным способом и оно является либо крепированным, либо некрепированным. Например, в способе производства бумаги по настоящему изобретению может использоваться крепирование с применением клея, влажное крепирование, двойное крепирование, тиснение, мокрое прессование, прессование в воздушной среде, высушивание суховоздушным способом, высушивание суховоздушным способом с крепированием, высушивание суховоздушным способом без крепирования, а также другие стадии при образовании полотна бумаги. Некоторые примеры таких методик раскрыты в патентах США №№ 5048589, 5399412, 5129988 и 5494554, все из которых включены в данный документ без противоречия настоящему изобретению. При формировании продуктов на основе бумаги с несколькими прослойками отдельные прослойки могут быть образованы в результате одного и того же способа или различных способов по желанию.
В особенно предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере одно полотно продукта на основе бумаги образовано посредством высушивания суховоздушным способом без крепирования, такого как способ, описанный, например, в патентах США №№ 5656132 и 6017417, оба из которых, таким образом, включены в данный документ посредством ссылки без противоречия настоящему изобретению.
В одном варианте осуществления полотно образовано с применением двухсеточного формующего устройства с напорным ящиком для производства бумаги, которое вводит или наносит древесную массу на основе водной суспензии волокон для производства бумаги на несколько формующих сеток, таких как наружная формующая сетка и внутренняя формующая сетка, за счет чего обеспечивается образование влажного бумажного полотна. Способ образования по настоящему изобретению может представлять собой любой традиционный способ образования, известный в бумажной промышленности. Данные способы образования включают без ограничения применение плоскосеточных машин, формирующих устройств с выпускными щелями, таких как формующие устройства с выносными валками с отсасывающим действием, и формующих устройств с зазором, такие как двухсеточные формующие устройства, и формующих устройств с сеточной частью.
Влажное бумажное полотно образуется на внутренней формующей сетке по мере того, как внутренняя формующая сетка вращается вокруг формующего цилиндра. Внутренняя формующая сетка служит для поддержки и переноса недавно образованного влажного бумажного полотна ниже по потоку в способ по мере того, как влажное бумажное полотно частично обезвоживается до консистенции приблизительно 10 процентов в пересчете на сухой вес волокон. Дополнительное обезвоживание влажного бумажного полотна можно проводить с помощью известных в области производства бумаги методик, таких как вакуумный отсасывающий ящик, тогда как внутренняя формующая сетка поддерживает влажное бумажное полотно. Можно осуществлять дополнительное обезвоживание влажного бумажного полотна до консистенции более 20 процентов, более конкретно от приблизительно 20 до приблизительно 40 процентов и еще более конкретно от приблизительно 20 до приблизительно 30 процентов.
Формующая сетка, как правило, может быть изготовлена из любого подходящего пористого материала, такого как металлические проволоки или полимерные нити. Например, некоторые подходящие сетки могут включать без ограничения Albany 84M и 94M, доступные от Albany International (Олбани, Нью-Йорк); Asten 856, 866, 867, 892, 934, 939, 959 или 937; Asten Synweve Design 274, все из которых доступны от Asten Forming Fabrics (Аплтон, Висконсин); и Voith 2164, доступный от Voith Fabrics (Аплтон, Висконсин).
Влажное полотно затем переносят с формующей сетки на сетку для переноса, при консистенции твердых веществ от приблизительно 10 до приблизительно 35 процентов и в частности от приблизительно 20 до приблизительно 30 процентов. Применяемый в данном документе термин «сетка для переноса» представляет собой сетку, которая расположена между формующей частью и высушивающей частью в способе изготовления полотна.
Перенос на сетку для переноса можно проводить с помощью давления выше атмосферного и/или ниже атмосферного. Например, в одном варианте осуществления вакуумный наконечник может прикладывать давление ниже атмосферного так, что формующая сетка и сетка для переноса одновременно сходятся и расходятся на передней кромке щели вакуумного наконечника. Как правило, вакуумный наконечник обеспечивает давление на уровнях от приблизительно 10 до приблизительно 25 дюймов ртутного столба. Как указано выше, вакуумный наконечник для переноса (давление ниже атмосферного) может быть дополнен или заменен применением давления выше атмосферного с противоположной стороны полотна для литья полотна на следующую сетку. В некоторых вариантах осуществления также можно применять другие вакуумные наконечники для способствования вытягиванию волокнистого полотна на поверхность сетки для переноса.
Как правило, сетка для переноса движется с более медленной скоростью, чем формующая сетка с увеличением растяжения полотна в MD и CD, которое как правило относится к растяжению полотна в его поперечном (CD) или машинном направлении (MD) (выраженном в виде процентного вытягивания при разрыве образца). Например, относительная разность скорости между двумя сетками может составлять от приблизительно 30 до приблизительно 70 процентов и более предпочтительно от приблизительно 40 до приблизительно 60 процентов. Это обычно называют «быстрым переносом». Полагают, что во время быстрого переноса множество связей в полотне разрушаются, тем самым заставляя лист изгибаться и складываться в углубления поверхности сетки для переноса. Такое формование по контурам поверхности сетки для переноса может увеличивать растяжение полотна в MD и CD. Быстрый перенос с одной сетки на другую может следовать принципам, изложенным в любом из следующих патентов: патенты США №№ 5667636, 5830321, 4440597, 4551199, 4849054, все из которых, таким образом, включены посредством ссылки в данный документ без противоречия настоящему изобретению.
Затем влажное бумажное полотно переносят с сетки для переноса на сетку для высушивания суховоздушным способом. Как правило, сетка для переноса движется с примерно такой же скоростью, что и сетка для высушивания суховоздушным способом. Однако второй быстрый перенос можно осуществлять по мере того, как полотно переносят с сетки для переноса на сетку для высушивания суховоздушным способом. Данный быстрый перенос называется как происходящий во втором положении и достигается за счет работы сетки для высушивания суховоздушным способом при более низкой скорости, чем сетка для переноса.
В дополнение к быстрому переносу влажного бумажного полотна с сетки для переноса на сетку для высушивания суховоздушным способом, влажное бумажное полотно может быть макроскопически перестроено, чтобы соответствовать поверхности сетки для высушивания суховоздушным способом с помощью вакуумного валика для переноса или вакуумного наконечника для переноса. При необходимости, сетку для высушивания суховоздушным способом можно приводить в действие при скорости более низкой, чем скорость сетки для переноса для дополнительного увеличения растяжения в MD полученного впитывающего продукта на основе бумаги. Перенос можно проводить с помощью вакуума для обеспечения соответствия влажного бумажного полотна топографии сетки для высушивания суховоздушным способом.
При поддержании сетки для высушивания суховоздушным способом влажное бумажное полотно высушивают до конечной консистенции приблизительно 94 процента или больше с помощью сушилки с применением суховоздушного способа. Затем полотно проходит через прижимный элемент для наматывания между цилиндром наката и катушкой и наматывается в рулон бумажного материала для последующего преобразования. Преобразование может включать, например, печать, тиснение, каландрирование, разрезание, складывание, наматывание, объединение с другими бумажными полотнами и т. п. Преобразование полотна, как правило, приводит к получению продукта на основе бумаги, который предназначен для применения потребителем.
СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЯ
Мягкость бумажного материала
Мягкость бумажного материала измеряли с применением анализатора мягкости бумажного материала EMTEC («TSA») (Emtec Electronic GmbH, Лейпциг, Германия). TSA содержит ротор с вертикальными лопатками, которые вращаются, касаясь образца для испытания, с приложением определенного давления контакта. Контакт между вертикальными лопатками и образца для испытания создает вибрации, которые регистрируются датчиком вибрации. Датчик затем передает сигнал на ПК для обработки и отображения. Сигнал отображается в виде спектра частоты. Для измерения значений TS7 лопатки прижимают к образцу с нагрузкой 100 мН, и скорость вращения лопаток составляет 2 оборота в секунду.
Анализ частоты в диапазоне от примерно 200 до 1000 Гц предоставляет информацию о гладкости поверхности или текстуры образца для испытания. Пик с высокой амплитудой соответствует более шероховатой поверхности. Дополнительный пик в диапазоне частоты между 6 и 7 кГц предоставляет информацию о мягкости образца для испытания. Пик в диапазоне частоты между 6 и 7 кГц в данном документе называется значением мягкости TS7 и выражается в дБ V2 rms. Чем ниже амплитуда пика, возникающего между 6 и 7 кГц, тем мягче образец для испытания.
Испытываемые образцы получают путем вырезания круглого образца с диаметром 112,8 мм. Обеспечивают уравновешивание всех образцов в условиях стандартных температуры и влажности для TAPPI по меньшей мере на 24 часа до завершения испытания TSA. Подвергают испытанию только одну прослойку бумажного материала. Образцы с несколькими прослойками разделяют на отдельные прослойки для испытания. Образец помещают в TSA с более мягкой (сушилка или янки-цилиндр) стороной образца, обращенной вверх. Образец закрепляют и начинают измерения через ПК. ПК записывает, обрабатывает и хранит все данные согласно стандартному протоколу TSA. Указанные значения представляют собой среднее из пяти повторов, каждый с новым образцом.
Прочность на разрыв
Испытание на разрыв проводили в соответствии со способом испытания TAPPI T-414 «Внутреннее сопротивление разрыву бумаги (способ типа Элмендорфа)» с применением инструмента типа падающего маятника, такого как модель SE 009 Lorentzen & Wettre. Прочность на разрыв зависит от направления, и разрыв в MD и CD измеряют независимо.
Более конкретно, испытываемую пробу прямоугольной формы образца, подлежащего испытанию, вырезают из продукта на основе бумаги или базового листа бумажного материала так, чтобы размеры испытываемой пробы составляли 63 ± 0,15 мм (2,5 ± 0,006 дюйма) в направлении, подлежащем испытанию (таком как направление MD или CD) и от 73 до 114 миллиметров (от 2,9 до 4,6 дюйма) в другом направлении. Края пробы должны быть разрезаны параллельно и перпендикулярно направлению испытания (не скошены). Можно применять любое подходящие режущее устройство, способное достичь указанной точности и правильности. Испытываемую пробу необходимо взять с участков образца, которые не содержат складок, заломов, линий обжатия, перфораций или любых других искажений, которые могут привести к отклонению испытываемой пробы от остальной части материала.
Число прослоек или листов, подлежащих испытанию, определяют на основе числа прослоек или листов, необходимых для того, чтобы результаты испытания попадали в диапазон от 20 до 80 процентов на линейном участке шкалы устройства для испытания на разрыв и более предпочтительно от 20 до 60 процентов линейном участке шкалы устройства для испытания на разрыв. Образец предпочтительно должен быть разрезан не ближе чем 6 мм (0,25 дюйма) от края материала, из которого будет вырезана проба. В случае если для испытания необходимо более одного листа или прослойки, листы размещают в одном и том же направлении.
Испытываемую пробу затем помещают между зажимами аппарата типа падающего маятника, при этом край пробы был выровнен по переднему краю зажима. Зажимы замыкают и вырезают 20 миллиметровый разрез в переднем крае пробы обычно с помощью режущего ножа, присоединенного к инструменту. Например, в модели SE 009 Lorentzen & Wettre разрез образуют путем нажатия на рычаг режущего ножа до тех пор, пока он не достигнет своего упора. Разрез должен быть чистым без разрывов или засечек, поскольку данный разрез будет служить началом разрыва во время последующего испытания.
Маятник высвобождают и записывают значение прочности на разрыв, которая представляет собой силу, необходимую для полного разрыва испытываемой пробы. Испытание повторяют в общем десять раз для каждого образца и среднее десяти считываний, записывают как прочность на разрыв. Прочность на разрыв приведена в единицах грамм-сила (гс). Среднее значение прочности на разрыв представляет собой прочность на разрыв для испытываемого направления (MD или CD). «Среднее геометрическое прочности на разрыв» представляет собой квадратный корень произведения средней прочности на разрыв в MD и средней прочности на разрыв в CD. В модели SE 009 Lorentzen & Wettre имеется настройка для установки числа прослоек, подлежащих испытанию. Некоторые устройства для испытания на разрыв могут приводить прочность на разрыв, умноженную на некоторый коэффициент, с получением прочности на разрыв. Для базовых листов, предназначенных для продуктов с несколькими прослойками, результаты прочности на разрыв приведены как прочность на разрыв продукта с несколькими прослойками, а не листа основы с одной прослойкой. Это осуществляют путем умножения значения прочности на разрыв для базового листа с одной прослойкой на число прослоек конечного продукта. Подобным образом, данные для конечного продукта с несколькими прослойками для прочности на разрыв представлены в виде прочности на разрыв для листа конечного продукта, и не для отдельных прослоек. Для расчета можно применять разнообразные средства, но в целом это осуществляют путем ввода числа листов, подлежащих испытанию, а не числа прослоек, подлежащих испытанию, в измерительное устройство. Например, два листа будут представлять собой два листа с 1 прослойкой для продукта с 1 прослойкой и два листа с 2 прослойками (4 прослойки) для продуктов с 2 прослойками.
Прочность при растяжении
Испытание прочности при растяжении проводили в соответствии со способом испытаний TAPPI T-576 «Механические свойства при растяжении бумажных полотенец и продуктов на основе бумаги (с применением постоянной скорости растяжения)», при этом испытание проводят на машине для испытания прочности при растяжении, поддерживающей постоянную скорость растяжения, и ширина каждой испытываемой пробы составляет 3 дюйма. Более конкретно, образцы для испытаний прочности при растяжении в сухом состоянии получали путем нарезания широкой полосы 3 ± 0,05 дюйма (76,2 ± 1,3 мм) либо в машинном направлении (MD), либо в поперечном направлении (CD) с помощью инструмента для точной нарезки образцов JDC (Thwing-Albert Instrument Company, Филадельфия, Пенсильвания, № модели JDC 3-10, серийный номер 37333) или аналогичного. Инструмент, применяемый для измерения значений прочности при растяжении, представлял собой MTS Systems Sintech 11S, серийный номер 6233. Программное обеспечение для сбора данных представляло собой MTS TestWorks® для Windows версии 3.10 (MTS Systems Corp., Research Triangle Park, Северная Каролина). Датчик нагрузки выбрали с максимумом либо 50 ньютон, либо 100 ньютон в зависимости от прочности испытываемого образца так, чтобы большинство пиковых значений нагрузки попадали в диапазон от 10 до 90 процентов полного диапазона измерений датчика нагрузки. Рабочая длина между захватами составляла 4 ± 0,04 дюйма (101,6 ± 1 мм) для косметической салфетки и бумажных полотенец и 2 ± 0,02 дюйма (50,8 ± 0,5 мм) для туалетной бумаги. Скорость ползуна составляла 10±0,4 дюйма/мин. (254±1 мм/мин.), а чувствительность к разрыву устанавливали на 65 процентов. Образец помещали в захваты инструмента, отцентрированного как вертикально, так и горизонтально. Затем начинали испытание и завершали его, когда проба рвалась. Пиковую нагрузку фиксировали как либо «прочность при растяжении в MD», либо «прочность при растяжении в CD» пробы в зависимости от направления испытываемого образца. Для каждого продукта или листа испытывали по десять иллюстративных проб и записывали среднее арифметическое для всех отдельных испытаний проб в виде соответствующей прочности при растяжении в MD или CD продукта или листа в единицах грамм-сила на 3 дюйма образца. Рассчитывали среднее геометрическое прочности при растяжении (GMT) и выражали как грамм-силы на 3 дюйма ширины образца. С помощью устройства для испытания на растяжение также рассчитывали энергию, затраченную при растяжении (TEA), и наклон. TEA приведена в единицах г*см/см2. Наклон представлен в единицах кг. Как TEA, так и наклон зависят от направления, и поэтому направления MD и CD измеряли независимо. Среднее геометрическое TEA и среднее геометрическое наклона определяли как квадратный корень произведения иллюстративных значений в MD и CD для данного свойства.
Продукты с несколькими прослойками испытывали как продукты с несколькими прослойками, и результаты представляют собой прочность при растяжении всего продукта. Например, продукт с 2 прослойками испытывали как продукт с 2 прослойками и записывали как таковой. Базовый лист, предназначенный для применения в продукте с 2 прослойками, испытывали в виде двух прослоек и прочность при растяжении записывали как таковую. В качестве альтернативы, можно подвергать испытанию одну прослойку и результат умножать на число прослоек в конечном продукте с получением прочности при растяжении.
ПРИМЕРЫ
Базовые листы получали с применением суховоздушного способа высушивания для производства бумаги, обычно называемого «суховоздушный способ высушивания без крепирования» («UCTAD») и в целом описанного в патенте США № 5607551, содержание которого включено в данный документ без противоречия настоящему изобретению. Базовые листы по настоящему изобретению получали из древесной массы, содержащей волокна крафт-целлюлозы из мягкой древесины северных видов (NSWK), крафт-целлюлозы из твердой древесины эвкалипта (EHWK), крафт-целлюлозы из мягкой древесины южных видов (SSWK) и/или синтетических волокон, с применением напорного ящика для получения слоистого материала, в который подают сырье три массные чаны так, чтобы образовывались полотна с тремя слоями (два наружных слоя и один средний слой). Синтетические волокна представляли собой Cyphrex™ 10001 (Eastman Chemical Co., Кингспорт, Теннесси) и обладали следующими свойствами.
ТАБЛИЦА 1
Продукты, представляющие собой свернутую в рулон туалетную бумагу, образовывали из трехслойного полотна с целевым базовым весом приблизительно 40 г/кв. м. Распределение слоев по весу полотна подробно изложено в таблице 2 ниже.
ТАБЛИЦА 2
Бумажное полотно образовывали на формующей сетке Voith Fabrics TissueForm V, подвергали вакуумному обезвоживанию до консистенции примерно 25 процентов и затем подвергали быстрому переносу при переносе на сетку для переноса. Распределение слоев по весу полотна подробно изложено в таблице 2 выше. Сетка для переноса представляла собой сетку, описанную как t1207-11 (коммерчески доступную от Voith Fabrics, Аплтон, Висконсин). Полотно затем переносили на сетку для высушивания суховоздушным способом. Перенос на сетку для высушивания суховоздушным способом осуществляли с применением уровней вакуума, составляющих более 10 дюймов ртутного столба при переносе. Затем полотно высушивали до примерно 98 процентов твердых веществ перед наматыванием.
Полотна из базового листа преобразовывали в продукты, представляющие собой свернутую в рулон туалетную бумагу, путем каландрирования с применением традиционного полиуретанового/стального каландра, содержащего 4 P&J полиуретановый валик на стороне листа, контактирующей с воздухом, и стандартный стальной валик на стороне, контактирующей с сеткой. Конечный продукт содержал одну прослойку из базового листа. Конечные продукты подвергали физическому испытанию, результаты которого кратко изложены в таблице 3 и таблице 4 ниже.
ТАБЛИЦА 3
ТАБЛИЦА 4
Вышеуказанное представляет собой несколько примеров продуктов на основе бумаги по настоящему изобретению, полученных в соответствии с настоящим изобретением. В других вариантах осуществления, таких как первый вариант осуществления, в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги, содержащий по меньшей мере приблизительно 10 весовых процентов волокон с высокой линейной плотностью, от приблизительно 1,0 до приблизительно 10,0 весовых процентов синтетических волокон и менее приблизительно 10 весовых процентов длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью, при этом продукт характеризуется значением TS7 менее приблизительно 11,0 и среднее геометрическое прочности при растяжении от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма. Предпочтительно продукт на основе бумаги содержит по меньшей мере одно полученное мокрым формованием бумажное полотно.
Во втором варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно первому варианту осуществления, где продукт на основе бумаги по сути не содержит длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью.
В третьем варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно первому или второму вариантам осуществления, где бумажное полотно содержит от приблизительно 1,0 до приблизительно 5,0 процентов синтетического волокна по весу продукта на основе бумаги.
В четвертом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — третьего вариантов осуществления, где синтетическое волокно представляет собой нефибриллированное волокно из полиэтилентерефталата (PET).
В пятом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен, продукт на основе бумаги согласно любому из первого — четвертого вариантов осуществления, где синтетический волокно характеризуется по сути круглым поперечным сечением и диаметром от приблизительно 0,5 до приблизительно 10 микрон.
В шестом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — пятого вариантов осуществления, характеризующийся GMT от приблизительно 800 до приблизительно 1200 г/3 дюйма и GM наклона от приблизительно 5,0 до приблизительно 8,0 кг.
В седьмом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — шестого вариантов осуществления, характеризующийся GMT от приблизительно 800 до приблизительно 1200 г/3 дюйма и показателем жесткости от приблизительно 4,0 до приблизительно 6,0.
В восьмом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — седьмого вариантов осуществления, где продукт на основе бумаги содержит от приблизительно 10 до приблизительно 50 процентов по весу продукта волокна с высокой линейной плотностью.
В девятом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — восьмого вариантов осуществления, где волокно с высокой линейной плотностью характеризуется линейной плотностью более приблизительно 20 мг/100 м и средней длиной волокно более приблизительно 2,0 мм.
В десятом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — девятого вариантов осуществления, где продукт на основе бумаги характеризуется GM TEA более приблизительно 7,0 г*см/см2.
В одиннадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно первому — десятому вариантам осуществления, где продукт характеризуется GM растяжения более приблизительно 12,0 процентов.
В двенадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — одиннадцатого вариантов осуществления, где продукт характеризуется GM наклона менее приблизительно 10,0 кг, как например от приблизительно 4,0 до приблизительно 10,0 кг.
В тринадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — двенадцатого вариантов осуществления, где продукт характеризуется GM прочности на разрыв более приблизительно 10 Н, как например от приблизительно 10 до приблизительно 22 Н.
В четырнадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — тринадцатого вариантов осуществления, где продукт на основе бумаги характеризуется значением TS7, которое равняется или меньше 0,0043 * GMT + 6,6367, где GMT представлено в единицах грамм на три дюйма, и GMT от приблизительно 700 до приблизительно 1100 г/3 дюйма.
В пятнадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из первого — четырнадцатого вариантов осуществления, где продукт характеризуется значением TS7 менее приблизительно 10 и GMT прочности на разрыв от приблизительно 12 до приблизительно 18 Н.
В шестнадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги, содержащий по меньшей мере одно многослойное бумажное полотно, содержащее по меньшей мере приблизительно 10 весовых процентов волокон с высокой линейной плотностью, от приблизительно 1,0 до приблизительно 10,0 весовых процентов синтетических волокон и менее приблизительно 10 весовых процентов длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью, при этом продукт на основе бумаги характеризуется TS7 менее приблизительно 11,0 и GMT от приблизительно 500 до приблизительно 1200 г/3 дюйма. Предпочтительно по меньшей мере одно многослойное бумажное полотно представляет собой полученной мокрым формованием бумажное полотно.
В семнадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно шестнадцатому варианту осуществления, где синтетический волокно выборочно размещено в среднем слое, и два наружных слоя по сути не содержат синтетического волокна.
В восемнадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно шестнадцатому или семнадцатому вариантам осуществления, где многослойное полотно содержит от приблизительно 1,0 до приблизительно 5,0 весовых процентов синтетических волокон и от приблизительно 0 до приблизительно 10 весовых процентов длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью.
В девятнадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из шестнадцатого — восемнадцатого вариантов осуществления, где синтетическое волокно характеризуется по меньшей мере одним размером поперечного сечения менее приблизительно 20 микрон и средней длиной волокна от приблизительно 1,0 до приблизительно 6,0 мм.
В двадцатом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из шестнадцатого — девятнадцатого вариантов осуществления, где продукт на основе бумаги характеризуется GM TEA более приблизительно 7,0 г*см/см2.
В двадцать первом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из шестнадцатого — двадцатого вариантов осуществления, где продукт на основе бумаги характеризуется GM растяжения более приблизительно 12,0 процентов.
В двадцать втором варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из шестнадцатого — двадцать первого вариантов осуществления, где продукт на основе бумаги характеризуется GM наклона менее приблизительно 10,0 кг, как например от приблизительно 4,0 до приблизительно 10,0 кг.
В двадцать третьем варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из шестнадцатого — двадцать второго вариантов осуществления, где продукт на основе бумаги характеризуется GM прочности на разрыв более приблизительно 10 Н, как например от приблизительно 10 до приблизительно 22 Н.
В двадцать четвертом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из шестнадцатого — двадцать третьего вариантов осуществления, где продукт на основе бумаги характеризуется значением TS7 от приблизительно 8,0 до приблизительно 10,0.
В двадцать пятом варианте осуществления в настоящем изобретении предусмотрен продукт на основе бумаги согласно любому из шестнадцатого — двадцать четвертого вариантов осуществления, где продукт на основе бумаги характеризуется значением TS7 менее приблизительно 10 и GMT прочности на разрыв от приблизительно 12 до приблизительно 18.
1. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги, содержащий по меньшей мере 10 весовых процентов целлюлозных волокон с высокой линейной плотностью, характеризующихся линейной плотностью более 17 мг/100 м, от 1,0 до 10 весовых процентов нецеллюлозных синтетических волокон, выбранных из группы, состоящей из сложных полиэфиров, полиалкиленов, полиакрилонитрилов и полиамидов, и менее 10 весовых процентов длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью, характеризующихся линейной плотностью менее 17 мг/100 м и средней длиной волокна более 1,2 мм, при этом продукт характеризуется значением TS7 (выходные данные анализатора мягкости бумажного материала EMTEC) менее 11,0 и средним геометрическим прочности при растяжении от 500 до 1200 г/3 дюйма.
2. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где продукт на основе бумаги по сути не содержит целлюлозных волокон, характеризующихся линейной плотностью менее 17 мг/100 м и средней длиной волокна более 1,2 мм.
3. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где продукт на основе бумаги содержит от 1,0 до 5,0 процентов нецеллюлозных синтетических волокон по весу продукта на основе бумаги.
4. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где нецеллюлозное синтетическое волокно характеризуется по сути круглым поперечным сечением и диаметром от 0,5 до 10 микрон.
5. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где продукт на основе бумаги характеризуется средним геометрическим прочности при растяжении (GMT) от 700 до 1200 г/3 дюйма и средним геометрическим наклона (GM наклона) от 5,0 до 8,0 кг.
6. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где продукт на основе бумаги характеризуется GMT от 700 до 1200 г/3 дюйма и показателем жесткости от 4,0 до 6,0.
7. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где продукт содержит от 10 до 50 весовых процентов целлюлозного волокна с высокой линейной плотностью.
8. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где целлюлозное волокно с высокой линейной плотностью характеризуется линейной плотностью более 20 мг/100 м и средней длиной волокна более 2,0 мм.
9. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где продукт на основе бумаги характеризуется средним геометрическим энергии, затраченной при растяжении (GM TEA) более 7,0 г*см/см2 и средним геометрическим прочности на разрыв (GM прочности на разрыв) более 10 Н.
10. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где продукт на основе бумаги характеризуется средним геометрическим растяжения (GM растяжения) более 12 процентов.
11. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где продукт на основе бумаги характеризуется значением TS7, которое равняется или меньше 0,0042 * GMT + 6,6367, где GMT приведено в единицах грамм на три дюйма и GMT составляет от 700 до 1100 г/3 дюйма.
12. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 1, где нецеллюлозное синтетическое волокно представляет собой нефибриллированное волокно из полиэтилентерефталата (PET), характеризующееся по сути круглым поперечным сечением и диаметром от 0,5 до 10 микрон.
13. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги, содержащий по меньшей мере одно многослойное бумажное полотно, содержащее по меньшей мере 10 весовых процентов целлюлозных волокон с высокой линейной плотностью, характеризующихся линейной плотностью более 17 мг/100 м, от 1,0 до 10 весовых процентов нецеллюлозных синтетических волокон, выбранных из группы, состоящей из сложных полиэфиров, полиалкиленов, полиакрилонитрилов и полиамидов, и менее 10 весовых процентов длинных целлюлозных волокон с низкой линейной плотностью, характеризующихся линейной плотностью менее 17 мг/100 м и средней длиной волокна более 1,2 мм, при этом продукт на основе бумаги характеризуется TS7 менее 11,0 и GMT от 500 до 1200 г/3 дюйма.
14. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 13, где нецеллюлозное синтетическое волокно выборочно размещено в среднем слое, и два наружных слоя по сути не содержат синтетического волокна.
15. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 13, где по меньшей мере одно многослойное бумажное полотно содержит от 1,0 до 5,0 весовых процентов синтетического волокна.
16. Полученный мокрым формованием продукт на основе бумаги по п. 13, где синтетическое волокно представляет собой нефибриллированное волокно из полиэтилентерефталата (PET), характеризующееся по сути круглым поперечным сечением и диаметром от 0,5 до 10 микрон.
17. Способ образования мягкого и прочного продукта на основе бумаги, полученного мокрым формованием, включающий стадии:
a) обеспечения первой древесной массы на основе волокон, по сути состоящей из коротких целлюлозных волокон, имеющих среднюю длину менее приблизительно 1,2 мм;
b) обеспечения второй древесной массы на основе волокон, по сути состоящей из синтетических волокон и волокон с высокой линейной плотностью, имеющих линейную плотность более 17 мг/100 м;
c) нанесения первой и второй древесных масс на основе волокон на формующую сетку с образованием влажного бумажного полотна;
d) частичного обезвоживания влажного бумажного полотна;
e) высушивания бумажного полотна и
f) преобразования бумажного полотна в продукт на основе бумаги, где продукт характеризуется GMT более 500 г/3 дюйма и TS7 менее 11,0.
18. Способ по п. 17, где стадия преобразования выбрана из группы, состоящей из печати, тиснения, каландрирования, разрезания, складывания, наматывания и их комбинаций.
19. Способ по п. 17, где синтетическое волокно представляет собой нефибриллированное волокно из полиэтилентерефталата (PET), характеризующееся по сути круглым поперечным сечением и диаметром от 0,5 до 10 микрон.
20. Способ по п. 17, где волокно с высокой линейной плотностью характеризуется средней длиной волокна более 2,0 мм и линейной плотностью более 20 мг/100 м.
