СПОСОБЫ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕПИРУЮЩЕЙ АДГЕЗИВНОЙ ПЛЕНКИ И СПОСОБЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ КРЕПИРУЮЩЕЙ АДГЕЗИВНОЙ ПЛЕНКИ
METHODS FOR EVALUATIG PERFORMANCES OF CREPING ADHESIVE FILM AND METHOD FOR MODIFYING CREPING ADHESIVE FILM

Для данной заявки испрашивается приоритет по предварительной заявке США, озаглавленной «СПОСОБЫ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕПИРУЮЩЕЙ АДГЕЗИВНОЙ ПЛЕНКИ И СПОСОБЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ КРЕПИРУЮЩЕЙ АДГЕЗИВНОЙ ПЛЕНКИ», с номером 61/612645, поданной 19 марта 2012 г. и включенной в описание во всей ее полноте посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к измерению характеристик крепирующей адгезивной пленки.
Уровень техники
Обычный процесс крепирования в целом включает соскабливание высушенного бумажного полотна с сушильного цилиндра (например, с барабана Янки), например, с использованием крепирующего шабера. Процесс крепирования создает очень мелкие складки или гармошку на листе, которая придает листу тонкую, рифленую текстуру, что может увеличить объемные свойства, мягкость и абсорбирующую способность листа.
Адгезия листа к сушильному цилиндру является одним из факторов, определяющих то, как лист крепируется на лезвии шабера. Адгезия листа может регулироваться посредством нанесения адгезивного состава на поверхность сушильного барабана Янки. Процесс крепирования, как правило, включает нанесение крепирующего адгезива, например, в форме водного раствора или дисперсии, на поверхность для сушки полотна. Как правило, такая поверхность является поверхностью вращающегося, нагреваемого крепирующего цилиндра, такого как барабан Янки. Далее бумажное полотно приклеивается к указанной поверхности и затем отрывается от поверхности с использованием крепирующего устройства, например, лезвия шабера. В результате взаимодействия полотна и крепирующего устройства разрушаются некоторые межволоконные связи внутри бумажного полотна, что вызывает образование на его поверхности морщин или складок. В этом отношении волокнистое полотно, в частности, бумажное полотно, обычно подвергают процессу крепирования для придания им желаемых текстурных характеристик, таких как мягкость и объемные свойства. Адгезивные составы могут повышать качество продукта и улучшать контроль процесса производства бумаги.
Сушильные цилиндры, такие как барабан Янки, часто работают в широком диапазоне температурных условий, например, в диапазоне температур от около 90°С до 130°С. Согласно последним тенденциям, условия процесса крепирования изменяются в направлении применения высоких температур и/или низкой влажности листа. В условиях высоких температур на адгезию листа к поверхности сушильного барабана Янки может влиять способность наносимых адгезивов к «повторному смачиванию». Повторное смачивание относится к способности сухой адгезивной пленки на сушильном цилиндре абсорбировать воду, например, при контакте с влажным бумажным листом. Адгезив, как правило, непрерывно распыляется по поверхности барабана Янки. Однако большая часть адгезии происходит благодаря адгезиву, напыленному во время предыдущих проходов. Если адгезив абсорбирует большие количества воды при контакте с листом, этот адгезив будет мягче, что способствует более тесному контакту с листом и обеспечивает повышенную адгезию между листом и поверхностью сушильного барабана.
Растворимость адгезивной пленки в воде является еще одним свойством, влияющим на адгезию. Влажный лист перед сушильным барабаном Янки обычно содержит 60% влаги или больше. При контакте влажного листа и сушильного барабана Янки вода из листа может вымывать часть нанесенного адгезивного покрытия, что может снизить эффективность процесса крепирования. Часто желательным является использование адгезива с низкой растворимостью в воде (высокой нерастворимостью) с тем, чтобы адгезивная пленка могла противостоять такому вымыванию в точке контакта с влажным листом и образовать более долговечное покрытие на поверхности барабана Янки.
Прогнозирование характеристик крепирующих адгезивов на промышленных установках является сложной задачей, частично из-за крайне динамичной сущности процесса крепирования. Основным индикатором эффективности крепирующих адгезивов является испытание на адгезионную прочность. Испытание на адгезионную прочность на отслаивание является широко используемым лабораторным способом определения адгезионных характеристик крепирующих адгезивов.
Адгезия представляет собой сложное явление, на которое влияет множество факторов. При обычном процессе развитие адгезии начинается в зазоре прижимных вальцов, в точке переноса листа с несущей ткани или войлока на сушильный барабан Янки. Влага из влажного листа повторно увлажняет частично или полностью высушенную адгезивное покрытие, делая его мягким и достаточно пластичным для достижения хорошего контакта с листом, но в идеале не настолько мягким, чтобы оно смывалась с поверхности сушильного барабана Янки. Вода является эффективным пластификатором крепирующей адгезивной пленки и может влиять на мягкость адгезивной пленки. Явление повторного смачивания влияет на развитие адгезии. В то же время вода может растворять адгезивную пленку и потенциально делать ее бесполезной и неэффективной. Для развития адгезии требуется определенный уровень нерастворимости. Следовательно, определение характеристик растворимости, повторного смачивания и мягкости может помочь в понимании процесса развития адгезии на поверхности сушильного барабана Янки и прогнозировании характеристик крепирующих адгезивов.
Обычные способы определения характеристик повторного смачивания, растворимости и мягкости крепирующих адгезивных пленок включают подготовку однородных адгезивных пленок толщиной, как правило, несколько миллиметров. Для измерения повторного смачивания и растворимости эти пленки погружают в воду при контроле перемешивания, температуры и времени. Для определения показателя повторного смачивания или процента растворимости подсчитывается прирост и/или потеря массы пленок. При оценке мягкости пленки подвергаются испытаниям с использованием дюрометра для определения относительной твердости или же с помощью более сложного риометра. При измерении реологических характеристик пленка подвергается механическому напряжению при контролируемой температуре и скорости нарастания напряжений. Измеряется стойкость пленки к напряжению для определения, например, модуля сдвига, который может использоваться для характеристики мягкости пленки. Продолжительность испытаний для многих из характеристик составляет более 10 часов, а некоторые испытания длятся более 40 часов. Таким образом, использовать эти испытания для выполнения регулировок в реальном масштабе времени оказывается очень сложно. Кроме этого, эти способы требуют приготовления толстых пленок (толщиной в несколько миллиметров), в то время как толщина типичных адгезивных пленок на сушильном барабане Янки составляет около нескольких микрометров. Явление смачивания и растворимости часто зависит от толщины пленки и поэтому корреляция результатов обычных способов испытаний с условиями процесса может быть относительно слабой. Другим потенциальным недостатком обычных способов повторного смачивания является то, что их использование часто ограничивается нерастворимыми или частично растворимыми адгезивными пленками - для полностью растворимых адгезивных пленок поглощение влаги может отрицательно сказываться на процессе солюбилизации, результатом чего оказываются измерения потери массы, а не роста массы, которое, как правило, определяется при оценке повторного смачивания.
Представленное здесь описание определенных преимуществ и недостатков известных способов и композиций не предназначается для ограничения объема настоящего раскрытия. Фактически, настоящие воплощения могут включать некоторые или все признаки, описанные выше, не страдая при этом указанными недостатками.
Раскрытие изобретения
В свете вышеизложенного, одно или более воплощений включают способы оценки характеристик крепирующей адгезивной пленки, способы модифицирования крепирующей адгезивной пленки и другие подобные.
По меньшей мере одно воплощение обеспечивает способ оценки характеристик крепирующей адгезивной пленки, включающий расположение крепирующей адгезивной пленки на сенсорной подложке, измерение частоты колебаний сенсорной подложки с расположенной на ней крепирующей адгезивной пленкой с помощью методики пьезокварцевого микровзвешивания (QCM) и определение характеристик крепирующей адгезивной пленки.
По меньшей мере одно воплощение обеспечивает способ модифицирования крепирующей адгезивной пленки, расположенной на поверхности сушильного барабана Янки, включающий получение сенсорной подложки с нанесенной на ней крепирующей адгезивной пленкой, при этом указанная крепирующая адгезивная пленка имеет композицию, аналогичную композиции крепирующей адгезивной пленки, расположенной на поверхности сушильного барабана Янки, измерение частоты колебаний сенсорной подложки с размещенной на ней крепирующей адгезивной пленкой с помощью методики пьезокварцевого микровзвешивания (QCM), определение характеристик крепирующей адгезивной пленки и изменение композиции крепирующей адгезивной пленки, расположенной на поверхности сушильного барабана Янки, основываясь на результатах определения этой характеристики.
Краткое описание чертежей
Фигуры 1А и 1В графически иллюстрируют профили толщины пленок, рассчитанные по результатам QCMD-испытаний с модулем потока.
Фигура 2 графически иллюстрирует профиль толщины пленки, рассчитанный по результатам испытания QCMD с модулем влажности.
Фигуры 3А - 3С графически иллюстрируют корреляции между значениями % нерастворимости, коэффициента повторного смачивания и модуля сдвига, измеренными обычным способом и способом QCMD.
Фигуры 4А - 4F графически иллюстрируют корреляции между адгезивными свойствами, измеренными способом QCMD, в испытании на прочность адгезии на отслаивание при двух предельных температурах.
Осуществление изобретения
Прежде чем приступить к подробному описанию воплощений настоящего изобретения, необходимо пояснить, если не указывается иного, настоящее изобретение не ограничивается конкретными материалами, реагентами, вступающими в реакции веществами, производственными процессами или тому подобным, которые могут изменяться. Следует также понимать, что используемая здесь терминология используется лишь для целей описания конкретных воплощений и не предназначается для ограничительных целей. Также в настоящем изобретении допускается, чтобы стадии, где это является логически возможным, могли выполняться в различных последовательностях.
В случаях представления некоторого диапазона величин, понимается (если контекст явным образом не подразумевает иного), что каждая промежуточная величина между верхней и нижней границами такого диапазона, указываемая с точностью до десятой доли величины нижнего предела, и любая другая указываемая или промежуточная величина в установленном таким образом диапазоне также охватывается рамками такого описания. Верхняя и нижняя границы этих меньших диапазонов могут быть независимо включены в меньшие диапазоны и также являются охватываемыми рамками такого описания, за исключением каких-либо особо оговоренных в установленном диапазоне пределов исключения. Когда установленный диапазон включает один или оба из этих пределов, диапазоны, исключающие любой или оба из этих включенных пределов, также включаются в такое описание.
Если не указывается иного, все используемые здесь технические и научные термины имеют те же значения, какие обычно подразумеваются средним специалистом в области, к которой относится изобретение. Хотя в практике или испытаниях настоящего изобретения также могут использоваться или испытываться любые способы и материалы, подобные или эквивалентные здесь описанным, предпочтительными являются именно описанные здесь способы, устройства и материалы.
Все публикации и патенты, упоминаемые в данном описании, являются включенными в него посредством ссылки, как если бы каждая отдельная публикация или патент были специально и по отдельности указаны для включения посредством ссылки, и включаются в описании посредством ссылки для раскрытия и описания способов и/или материалов, в связи с которыми эти публикации цитируются. Ссылка на любую из публикаций предназначена для ее раскрытия до даты подачи заявки и не должна рассматриваться как признание того, что настоящее изобретение не может иметь приоритет перед такой публикацией на основании предшествующего раскрытия. Кроме этого, представленные даты публикации могут отличаться от дат действительной публикации, которые могут нуждаться в независимом подтверждении.
Специалистам в данной области из прочтения этого описания будет очевидно, что каждое из отдельных воплощений, описанное и проиллюстрированное здесь, имеет отдельные компоненты и признаки, которые могут быть легко выделены или объединены с признаками любого другого воплощения без отступления от объема или существа настоящего изобретения. Любой указанный способ может выполняться в указанном порядке следования стадий или в любом другом порядке, являющемся логически возможным.
Воплощения настоящего изобретения применяются, если не оговаривается иного, в химической технологии, синтетической органической химии, целлюлозно-бумажной промышленности и других подобных, известных специалистам в данной области. Такие технологии полностью объясняются в справочной литературе.
Представлены примеры с целью снабжения специалистов в данной области полным раскрытием и описанием применения способов, композиций и соединений, описанных и заявленных здесь. Были предприняты меры для обеспечения точности количественных показателей (например, количеств, температур и т.д.), но следует учитывать возможность некоторых ошибок и отклонений. Если не оговаривается иного, доли являются массовыми долями, температура дана в °С, а давление соответствует атмосферному давлению или давлению близкому к атмосферному. Стандартная температура и давление определены на уровне 20°С и 1 атмосферы.
Следует отметить, что при использовании в данном описании и прилагаемой формуле изобретения форм единственного числа включаются также и указания на множественное число, если контекстом явным образом не обуславливается иного. Таким образом, например, ссылка на "опору" включает и некоторое число опор. В следующих далее описании и формуле изобретения будет сделана отсылка к ряду терминов и фраз, которые должны быть определены в качестве имеющих следующие значения, если только явно не указывается иного.
Определения
Для целей настоящего изобретения термины «бумага» или «бумажный продукт» (эти два термина могут здесь использоваться взаимозаменяемо) понимаются как включающие листовой материал, который содержит бумажные волокна, который может содержать и другие материалы. Подходящие бумажные волокна включают натуральные и синтетические волокна, например, разнообразные целлюлозные волокна, древесные волокна, используемые в изготовлении бумаги, другие растительные волокна, такие как хлопковое волокно, волокна, получаемые из переработанной бумаги; и синтетические волокна, такие как вискозные, нейлоновые волокна, стекловолокно или полиолефиновые волокна. Бумажный продукт может состоять только из синтетических волокон. Натуральные волокна могут быть смешанными с синтетическими волокнами. Например, при изготовлении бумажного продукта бумажное полотно или материал бумаги может усиливаться синтетическими волокнами, такими как нейлон или стекловолокно, или же импрегнироваться неволокнистыми материалами, такими как пластмассы, полимеры, смолы или лосьоны. Для целей настоящего изобретения термины «бумажное полотно» и «полотно» понимаются как включающие и материалы для формования, и материалы сформованного бумажного листа, бумагу и бумажные материалы, содержащие бумажные волокна. Бумажный продукт может быть мелованной бумагой, многослойной бумагой или композитным материалом из бумаги. Бумажный продукт может быть беленым или небеленым.
Бумага может включать, не ограничиваясь только ими, писчую бумагу и бумагу для печати (например, немелованную бумагу с содержанием древесной массы, полностью мелованную бумагу, мелованную бумагу, не содержащую древесной массы, мелованную бумагу с содержанием древесной массы, немелованную бумагу, не содержащую древесной массы и подобное), промышленно-техническую бумагу, папиросную бумагу всех видов, картон, тонкий картон, упаковочную бумагу (например, небеленую бумагу из крафт-волокнистой массы, беленую бумагу из крафт-волокнистой массы), оберточную бумагу, бумажную самоклеющуюся пленку, бумажные мешки, бумажную ткань, бумажные полотенца, обои, основы для ковровых покрытий, бумажные фильтры, бумажные маты, декоративную бумагу, одноразовое постельное белье и одежду, и тому подобное.
Бумага может включать бумажную продукцию санитарно-гигиенического назначения. Бумажная продукция санитарно-гигиенического назначения включает тонкую гигиеническую бумагу, тонкую бумагу для бытовых нужд, тонкую техническую бумагу, косметические салфетки и бумагу для косметических нужд, мягкие бумажные ткани, абсорбирующую бумагу, пропитанную лекарственными веществами бумагу, туалетную бумагу, бумажные полотенца, бумажные салфетки, бумажные ткани, бумажное постельное белье и тому подобное. Широко распространенная бумажная продукция включает бумагу типографского класса (например, газетную бумагу, бумагу для каталогов, ротагравюр, печатных изданий, денежных знаков, облигаций, документов, руководств, бухгалтерских книг и канцелярскую бумагу), бумагу промышленно-технического класса (например, мешочную бумагу, облицовочный картон, бумагу для гофрирования, строительный картон, жиронепроницаемую бумагу, пергамин) и бумагу санитарно-гигиенического класса (туалетную бумагу, бумажные полотенца, конденсаторную бумагу, оберточную бумагу).
В одном примере воплощения бумага санитарно-гигиенического назначения может быть войлочной прессованной бумагой, подкладочной уплотненной бумагой или высокообъемной, неуплотненной бумагой. В одном примере воплощения бумага санитарно-гигиенического назначения может быть крепированной или некрепированной, иметь гомогенную или многослойную структуру, быть слоеной или неслоеной (смесовой), а также иметь один слой, два слоя, или три и более слоев. В одном примере воплощения бумага санитарно-гигиенического назначения включает изделия из мягкой и абсорбирующей санитарно-гигиенической бумаги, которые являются санитарно-гигиеническими товарами широкого потребления.
«Картон» - это бумага, которая толще, тяжелее и менее гибкая, чем обычная бумага. Для производства бумажной массы используется множество древесных пород с мягкой и твердой древесиной с применением механических и химических процессов, которые отделяют волокна от древесной матрицы. Картон может включать, но не ограничивается картоном, полученным полухимическим способом, облицовочным картоном, тарным картоном, гофрированной средой для тарного картона, картоном для складных коробок и обыкновенным картоном.
В одном примере воплощения бумага относится к бумажному продукту, такому как полученный сухим способом строительный картон, высокосортная (из чистой волокнистой массы) бумага, бумажные полотенца, папиросная бумага и газетная бумага. Применения из полученного сухим способом картона включают гладкий картон для выстилания картонных ящиков, гофрированную среду для тарного картона, беленый и небеленый полученный сухим способом картон.
В одном воплощении бумага может включать простой картон, тарный картон и специальный картон или бумагу. Бумага может включать коробочный картон, картон для складных коробок, небеленый картон из крафт-волокнистой массы, макулатурный картон, картон для упаковки пищевых продуктов, мелованный макулатурный картон с верхним белым лайнером, сплошной беленый картон, сплошной небеленый картон, водонепроницаемый картон, облицовочный картон (для наружных слоев гофрированного картона), гофрированный картон, картон для изготовления гильз, основу обоев, листы для сухой штукатурки, переплетный картон, картон из древесной массы, тарный (мешочный) картон, мелованный картон, гипсокартонный лист и тому подобное.
«Волокнистая масса» (пульпа) относится к волокнистому целлюлозному материалу. Подходящими волокнами для производства волокнистых масс являются все волокна обычного качества, например, древесная волокнистая масса, беленая и небеленая целлюлозная масса, макулатурное сырье и бумажная масса, получаемая из однолетних растений. Древесная масса включает, например, древесное волокно, термомеханическую древесную массу (ТМР), хемотермомеханическую древесную массу (СТМР), дефибрерную древесную массу, получаемую посредством дефибрирования под давлением, полуцеллюлозу, целлюлозу с высоким содержанием альфа-волокнистой массы и рафинерную механическую массу (RMP). Примерами подходящих видов волокнистой массы являются сульфатная, сульфитная и натронная целлюлоза. В частности, может использоваться небеленая целлюлоза, которая также упоминается как небеленая крафт-целлюлоза.
«Суспензия волокнистой массы» относится к смеси волокнистой массы и воды. Суспензия волокнистой массы на практике готовится с использованием воды, которая может быть полностью или частично рециркуляционной водой после бумагоделательной машины. Это может быть обработанная или необработанная оборотная вода или смесь вод такого качества. Суспензия волокнистой массы может содержать интерферирующие вещества (например, наполнители). Содержание наполнителей в бумаге может составлять до около 40 мас.%. Подходящими наполнителями являются, например, глина, каолин, натуральный или осажденный мел, диоксид титана, тальк, сульфат кальция, сульфат бария, оксид алюминия, смесь гидроксида алюминия, извести и сульфата кальция или смеси указанных наполнителей.
«Процесс производства бумаги» является способом изготовления бумажных продуктов из волокнистой массы, содержащим, среди прочего, получение водной суспензии волокнистой массы, которая может содержать целлюлозное волокно, осушение суспензии волокнистой массы для формования листа и высушивание листа. Данные стадии получения композиции бумажной массы для изготовления бумаги, отвода воды и сушки могут выполняться любым обычным способом, широко известным специалистам в данной области.
Общее обсуждение
В различных описанных здесь примерах воплощений могут использоваться методики испытаний с использованием пьезокварцевого микровзвешивания (QCM) и пьезокварцевого микровзвешивания с контролем диссипации энергии (QCMD) для оценки характеристик крепирующей адгезивной пленки, аналогичной крепирующей адгезивной пленке, которая создается на сушильном барабане Янки в процессе производства санитарно-гигиенических бумажных изделий и бумажных полотенец. Кроме этого, обсуждаемые здесь примеры воплощений могут включать эти способы для прогнозирования характеристик крепирующих вспомогательных веществ, используемых для создания крепирующей адгезивной пленки. Кроме того, примеры воплощений настоящего изобретения могут прогнозировать характеристики крепирующих вспомогательных веществ, используемых для создания крепирующей адгезивной пленки, на основе условий (например, температура, влажность и тому подобное) процесса производства санитарно-гигиенических бумажных изделий и бумажных полотенец. Помимо этого, описанные здесь примеры воплощений могут использоваться для модифицирования одной или более характеристик крепирующей адгезивной пленки в оперативном порядке для интенсифицирования и улучшения процесса производства санитарно-гигиенических бумажных изделий и бумажных полотенец.
Кварцевые микровесы (QCM) являются устройством для измерения массы и пригодны для измерения очень небольших изменений массы с использованием кварцевого резонатора в реальном масштабе времени. Чувствительность QCM приблизительно в 100 раз выше, чем у электронных точных весов с чувствительностью до 0,1 мг. Это означает, что QCM способны измерять такие малые изменения массы, которые соответствуют фракциям монослоя или одного слоя молекул. В QCM используется напряжение, прикладываемое к пьезорезонатору (пластина из кристалла кварца), которое вызывает его колебания на соответствующей частоте, при этом различные значения напряжения соответствуют различным частотам. Изменения массы на поверхности кварцевого резонатора соотносятся с изменениями частоты колебаний кристалла через уравнение Зауэрбрея (Sauerbrey). Более подробную информацию по теоретическим и практическим аспекты QCM можно найти в публикации Applications of Piezoelectric Quartz Crystal Microbalances («Применение пьезокварцевых микровесов») С. Lu, A.W. Czanderna, ed., Amsterdam: Elsevier 1984, которая включена в описание посредством ссылки.
Уравнение Зауэрбрея действительно для жестких, равномерно распределенных и достаточно тонких адсорбированных слоев (например, сухой крепирующей адгезивной пленки). Однако для мягких или вязкоэластичных пленок (например, влажная крепирующая адгезивная пленка), которые не полностью сцепляются с колеблющимся пьезокристаллом, уравнение Зауэрбрея может давать заниженную оценку массы.
Для вязкоэластичных пленок лучше подходит способ с использованием кварцевых микровесов с контролем диссипации энергии (QCMD). Способ QCMD измеряет как частоту, так и диссипацию энергии пьезоэлектрического резонатора. Диссипация энергии происходит при отключении возбуждающего напряжения пьезоэлектрического резонатора, в результате чего энергия колебаний пьезокристалла рассеивается из системы. Частота колебаний кварцевого резонатора изменяется при изменении массы на датчике. Когда молекулы абсорбируются на кварцевом резонаторе, вода (или другая жидкость) сцепляется с адсорбированным материалом (например, крепирующим адгезивным слоем) в качестве дополнительной динамической массы посредством прямой гидратации и/или удержания в адсорбирующей пленке. Таким образом, этот слой выступает в качестве вязкоупругого «гидрогеля», состоящего из молекул и связанной воды. Посредством измерения диссипации можно определить, является ли адсорбированная пленка жесткой или вязкоэластичной (мягкой), что не является возможным, если исходить только из частотного отклика.
Измерения диссипации энергии позволяют выполнять качественный анализ структурных свойств адсорбированных молекулярных слоев. Можно легко сравнивать различные материалы и можно установить, точно ли уравнение Зауэрбрея аппроксимирует адсорбированную массу или нет. Помимо этого, технология QCMD позволяет выполнять количественный анализ массы, толщины, вязкости и комплексного модуля сдвига, например, адсорбированных пленок (таких как крепирующий адгезивный слой) в тех случаях, когда эти измерения оказываются далеко за пределами условий Зауэрбрея. Это достигается посредством объединения измерений частоты и диссипации энергии из множественных гармоник (обертоны) и применения моделирования с использованием вязкоупругой модели Фойгта. QCMD позволяет выполнять в реальном масштабе времени измерения массы и структурных свойств молекулярных слоев. Измерение параметра диссипации энергии позволяет выполнять точный анализ мягких пленок, которые не удовлетворяют линейной зависимости между изменением частоты и изменением массы. Базовое объяснение технологии QCMD представлено в публикации Energy Dissipation Kinetics for Protein and Antibody-Antigen Adsorption under Shear Oscillation on a Quartz Crystal Microbalance («Кинетика диссипации энергии при абсорбции белков и системы антитело-антиген в режиме колебаний по срезу на кварцевых микровесах») (Langmuir 1998, 14, 729-734, Hook и др.), которая включена в описание посредством ссылки. Интерпретация данных QCMD и применение вязкоупругой модели хорошо описаны в публикации Analysis of Interpenetrating Polymer Networks via Quartz Crystal Microbalance with Dissipation monitoring («Анализ взаимопроникающих полимерных сеток с помощью кварцевых микровесов с контролем диссипации»), Langmuir, 7 июня 2005; 21(12):5529-36, Irwin и др.), которая включена в описание посредством ссылки.
В одном примере воплощения методики QCM и/или QCMD могут использоваться для определения характеристик одного или более свойств крепирующей адгезивной пленки. Крепирующие адгезивные пленки обычно являются жесткими, когда они полностью высушены, но при абсорбции влаги они размягчаются (становятся вязкоэластичными). QCM, QCMD или их комбинация могут предоставлять ценную информацию о влиянии влажности на адгезивные пленки и характеристики их вязкоупругих свойств. В одном примере воплощения методика с применением QCM может использоваться для оценки жестких пленок, а методика с применением QCMD может использоваться для оценки мягких пленок. Эта информация может использоваться для модифицирования одного или более компонентов или свойств крепирующих адгезивных пленок, температуры окружающей среды для крепирующих адгезивных пленок, влажности окружающей среды для крепирующих адгезивных пленок или других подобных параметров, а также их комбинаций.
В одном примере воплощения данная крепирующая адгезивная пленка может быть нанесена (например, поливом) на поверхность кварцевого кристаллического датчика с помощью любого из известных, ранее разработанных способов. Примеры способов осаждения пленок включают, например, нанесение покрытия окунанием, металлизацию напылением, термовакуумное испарение, нанесение покрытия способом центрифугирования и/или другой соответствующий способ. В одном примере воплощения данная крепирующая адгезивная пленка может иметь толщину от около 1 нанометра до 1000 микрометров, что совпадает с толщиной крепирующей адгезивной пленки на сушильном барабане Янки. В одном примере воплощения длина и/или ширина крепирующей адгезивной пленки может варьировать в зависимости от размеров датчика.
2
2
3
3
2
2
3
В целом, кварцевые датчики, используемые в QCM и QCMD, являются хорошо известными специалистам в данной области. В одном примере воплощения кварцевые датчики могут иметь диаметр около 14 мм и толщину около 0,3 мм. В одном примере воплощения такой датчик может иметь металлический слой, слой оксида металла и/или полимерный слой, напыленный на участки датчика и/или вокруг датчика. В одном примере воплощения этот оксид металла может включать: SiO, AlO, Ti, Pt, Ag, W, Cu, Cr, Ir, Та, FeC, TaN, CeO, Fe, Zn, ZnO, FeO, ZnS, FeS, нержавеющую сталь и тому подобное. В одном примере воплощения такой полимер может включать полистирол (PS), поликарбонат (PC), полиметилметакрилат (РММА), фторполимер, полиэтилен (РЕ), полипропилен (РР) и тому подобное. Кроме того, кварцевый датчик включает соответствующие контакты для соединения с устройством для возбуждения и контроля частоты и измерения изменений частоты колебаний. Данные по частоте колебаний могут передаваться на такое устройство, как компьютер, где эти данные могут быть последовательно проанализированы, а также могут быть определены различные характеристики крепирующей адгезивной пленки.
В одном примере воплощения данная крепирующая адгезивная пленка может быть нанесена на поверхность кварцевого кристалла способом центрифугирования. В одном воплощении нанесение покрытия способом центрифугирования может использоваться для создания на датчике крепирующей адгезивной пленки толщиной около нескольких нанометров или менее. В одном воплощении эти ультратонкие пленки могут быть приготовлены в течение нескольких минут, что значительно ускоряет процесс подготовки пленок в сравнении с классическими способами, описанными выше.
После отверждения при высокой температуре (например, от 50 до 150°С) в течение некоторого периода времени (например, в течение около 60 минут, около 30 минут или менее) крепирующая адгезивная пленка может быть повергнута анализу с использованием QCM и/или QCMD на одной частоте или на большем числе частот. Кроме этого, данная крепирующая адгезивная пленка может подвергаться воздействию либо потока воды (также упоминается в Примере как модуль потока), либо влажного воздуха (также упоминается в Примере как модуль влажности) в ячейке QCM и/или QCMD и изменения частоты колебаний могут регистрироваться на одной или большем количестве частот. Эти частотные данные могут затем анализироваться с использованием достоверных моделей. В одном примере воплощения эти частотные данные могут использоваться для получения одной или большего количества характеристик крепирующей адгезивной пленки (например, может быть вычислено изменение массы, процент растворимости, коэффициент повторного смачивания, вязкость пленки, упругость пленки, модуль сдвига, процент нерастворимости, коэффициент набухания, мягкость пленки, жесткость пленки и их комбинации), каждая из которых может быть проанализирована как функция воздействия влажности (например, модуль потока и/или модуль влажности), температуры (например, от около 10 до 100°С), скорости потока воды, относительной влажности (например, от около 10 до 100%), условий изготовления пленки (время отверждения, температура отверждения, толщина пленки и т.д.) и комбинаций этих характеристик. Переменные воздействия температуры и/или влажности могут быть предусмотрены таким образом, чтобы соответствовать фактическим условиям, которые воздействуют на крепирующую адгезивную пленку во время производства бумаги, с тем, чтобы изменения могли выполняться в реальном масштабе времени. В одном воплощении растворимость пленки, коэффициент повторного смачивания, изменение массы и/или модуль сдвига крепирующих адгезивных пленок могут измеряться по отдельности или одновременно, в зависимости от типа крепирующего адгезива и конфигурации измерительного устройства. В одном воплощении эти данные и характеристики могут использоваться для прогнозирования характеристик адгезивных свойств и могут использоваться для модифицирования в оперативном порядке композиции компонентов в крепирующем адгезивном слое в целях улучшения характеристик крепирующего адгезивного слоя.
В одном примере настоящего воплощения способ измерения характеристик крепирующей адгезивной пленки включает нанесение крепирующей адгезивной пленки на подложку датчика, используя один из описанных здесь способов. Одна частота или большее количество частот могут использоваться для возбуждения подложки датчика, а частота колебаний подложки датчика может быть измерена с помощью методик QCM и/или QCMD. Полученные данные могут использоваться для определения одной или большего количества характеристик крепирующей адгезивной пленки. В одном воплощении при использовании методик QCM и/или QCMD к подложке датчика может прикладываться одна или более частот в различных условиях (например, с изменением температуры, воздействия влажности (до и после), воздействия воды (до и после), и тому подобного), и в этом случае могут быть предусмотрены условия, сходные с фактическими условиями обработки, действию которых подвергается крепирующая адгезивная пленка во время производства санитарно-гигиенических бумажных изделий и бумажных полотенец.
Данные примеры воплощений могут использоваться для определения характеристик крепирующего адгезива. В одном воплощении крепирующая адгезивная пленка может изготавливаться с использованием одного или большего количества следующих компонентов: крепирующий адгезив, разделительное вспомогательное вещество, модификатор, пластификатор, увлажнитель, фосфат, крепирующая добавка, минеральное вещество, гемицеллюлоза, волокно, порошок, фрагменты волокон, умягчитель, разрыхлитель, ингибитор пенообразования, смола прочности во влажном состоянии, смола прочности в сухом состоянии, вещество, контролирующее заряд, удерживающая добавка, биоцид, краситель и их комбинации. В одном воплощении крепирующий адгезив может содержать поливиниловый спирт, полиамин-эпигалогидриновую смолу (например, смолы типа полиамид-полиамин-эпихлоргидрин (РАЕ)), полиакриламид, карбоксиметилцеллюлозу, поливинилацетат и другие подобные. Компоненты для изготовления крепирующей адгезивной пленки известны специалистам в данной области. Воплощения настоящего изобретения не ограничиваются компонентами крепирующей адгезивной пленки.
Один пример воплощения настоящего изобретения позволяет выполнять измерение характеристик крепирующей адгезивной пленки как функции одного или более компонентов, используемых для изготовления крепирующей адгезивной пленки и/или с которыми данная крепирующая адгезивная пленка, или часть такой пленки, вступает в контакт (например, волокна, химические вещества из суспензии волокнистой массы и тому подобное). Кроме этого, один пример воплощения настоящего изобретения обеспечивает информацию для специалистов в данной области о характеристиках крепирующей адгезивной пленки для обеспечения возможности модифицирования количеств и/или типов компонентов крепирующей адгезивной пленки в целях достижения желаемых результатов. В одном примере воплощения в отличие от других способов модифицирования могут выполняться в реальном масштабе времени (например, за период времени менее около 1 часа) или в близком к реальному масштабе времени (например, от около 1 до 8 часов или от около 1 до 4 часов). В одном примере воплощения модифицирование может быть выполнено до его внедрения в производственный процесс, и это модифицирование может быть оценено с помощью методики QCM и/или QCMD, чтобы гарантировать реализацию желаемых характеристик с использованием модифицированной крепирующей адгезивной пленки. Таким образом, один пример воплощения настоящего изобретения дает возможность разработать и испытать крепирующую адгезивную пленку до осуществления производственного процесса.
Как упоминалось выше, один пример воплощения настоящего изобретения включает способ модифицирования крепирующей адгезивной пленки, нанесенной на сушильный барабан Янки (например, в реальном или близком к реальному масштабе времени). В одном примере воплощения данный способ включает получение подложки датчика с нанесенной на нее крепирующей адгезивной пленкой. В одном воплощении крепирующая адгезивная пленка имеет такую же композицию или сходную композицию с композицией крепирующей адгезивной пленки, нанесенной на сушильный барабан Янки. Затем, к подложке датчика могут прикладываться одна частота или большее количество частот, и с использованием методик QCM и/или QCMD может быть измерена частота колебаний подложки датчика. Полученные данные могут использоваться для определения одной или большего количества характеристик крепирующей адгезивной пленки. В одном воплощении с помощью методик QCM и/или QCMD к подложке датчика могут прикладываться одна или более частот в различных условиях (например, при изменении температуры, воздействия влажности (до и после), воздействия воды (до и после) и тому подобного), и в этом случае могут быть предусмотрены условия, сходные с фактическими производственными условиям, действию которых подвергается крепирующая адгезивная пленка. После анализа данных композиция крепирующей адгезивной пленки, нанесенной на сушильный барабан Янки, может быть модифицирована (например, как описано ниже) на основе анализа характеристик крепирующей адгезивной пленки. Этот процесс может быть при необходимости повторен для получения желаемой адгезивной пленки и конечного продукта в виде санитарно-гигиенической бумаги или бумажных полотенец. Как указывалось выше, данный анализ может включать модифицирование композиции крепирующей адгезивной пленки и ее испытание до внедрения в производство этой модифицированной крепирующей адгезивной пленки. Таким образом, пример воплощения настоящего изобретения дает возможность разработать и испытать эту крепирующую адгезивную пленку до начала ее производства, что может быть выполнено в реальном масштабе времени или масштабе времени, близком к реальному.
Примеры
Далее после общего описания воплощений представлены примеры, описывающие некоторые дополнительные воплощения. При том, что воплощения описываются применительно к примерам и с соответствующими текстовыми и цифровыми данными, нет никаких намерений ограничить воплощения настоящего изобретения этими описаниями. Напротив, ставится цель охватить все альтернативы, модификации и эквиваленты в рамках существа и объема иллюстративных воплощений.
Примеры
Экспериментальные данные.
Крепирующие адгезивы.
В этих исследованиях использовались коммерческие полиамидоамин-эпихлоргидриновые смолы, обозначенные как Образец А и Образец В.
Обычные испытания
В ходе объединенного испытания оценивались нерастворимость пленки и ее способность к повторному смачиванию. Для каждого образца адгезива в лабораторном мерном стакане была приготовлена адгезивная пленка фиксированной толщины посредством высушивания при температуре 90°С в течение 1 часа с последующим высушиванием в течение 4 часов при температуре 110°С. Была взвешена сухая пленка (начальная масса сухой пленки), покрыта дистиллированной водой и перемешивалась в шейкере при комнатной температуре. Были отделены нерастворенные твердые вещества, пленка взвешивалась (масса влажной пленки после перемешивания в воде), высушивалась и вновь взвешивалась (масса сухой пленки после солюбилизации). Процент нерастворимости и коэффициент повторного смачивания рассчитывался следующим образом:
Процент нерастворимости = [(Масса сухой пленки после солюбилизации)/(Начальная масса сухой пленки)] × 100
Коэффициент повторного смачивания = (Масса влажной пленки после перемешивания в воде)/(масса сухой пленки после солюбилизации)
С помощью реометра Anton Рааг MCR 300 Rheometer измерялся модуль сдвига пленки. Адгезивные пленки (толщиной 1 мм) были получены способом полива и высушиванием при температуре 90°С градусов в течение 5-8 часов. Из адгезивных пленок с помощью штампа были вырублены небольшие диски диаметром 8 мм. Перед выполнением испытания диски были повторно высушены при температуре 90°С. В испытании на отсутствие самовозбуждения использовались две параллельные пластины. Динамический модуль упругости при сдвиге и модуль механических потерь при сдвиге определялись при температуре 110°С, частоте 100 Гц и 1% напряжении. Из данных по динамическому модулю упругости и модулю потерь был рассчитан комплексный модуль сдвига, упоминаемый также как «модуль сдвига».
Испытание QCMD
Крепирующий адгезивный раствор был нанесен способом центрифугирования на кварцевый датчик с золотыми электродами. Покрытые адгезивом датчики высушивались и отверждались в сушильном шкафу при температуре 110°С в течение 15 минут. В зависимости от адгезивного раствора и его вязкости толщина сухих пленок находилась в диапазоне около 20-150 нм.
Для выполнения QCMD измерений в целях исследования в реальном масштабе времени изменений массы или толщины, а также вязкоупругих свойств крепирующих адгезивных пленок, подвергнутых воздействию влажности, использовалась Система Q-Sense Е4 system (Biolin Scientific AB, Västra Frölunda, Швеция). Применялись два модуля QCMD. Для измерения параметров нерастворимости пленки и коэффициента повторного увлажнения использовался модуль потока. В этом модуле вода протекает по поверхности крепирующей адгезивной пленки. Модуль влажности использовался для измерений коэффициента повторного увлажнения и модуля сдвига. В модуле влажности крепирующие адгезивные пленки подвергались контролируемому воздействию влажного воздуха. С помощью различных солевых растворов, которые проходили через ячейку, разделенную газопроницаемой мембраной, обеспечивались различные уровни относительной влажности. Эта мембрана защищала датчик с нанесенным на него покрытием от контакта с жидкостью, но позволяла проникать влажному воздуху для создания контролируемого уровня относительной влажности (RH) на поверхности датчика. В обоих модулях температура могла регулироваться в диапазоне от комнатной температуры до 50°С. В данном примере все QCMD измерения выполнялись при комнатной температуре.
В QCMD испытании с модулем потока толщина сухой адгезивной пленки вначале измерялась с помощью QCMD. Затем через ячейку с помещенным в нее датчиком, на который был нанесен адгезив, пропускалась вода. Изменения частоты колебаний регистрировались до достижения равновесия, на что требовался приблизительно 1 час. Моделирование с использованием программного обеспечения Q-Sense позволило рассчитать изменения толщины и массы пленки. После выполнения цикла QCMD датчик с оставшимся пленочным покрытием был повторно высушен и повторно измерена толщина пленки. На основе результатов испытания QCMD были построены две типичные кривые, показанные на Фигурах 1А и 1В; одна - для относительно нерастворимой пленки, такой как Образец А, а другая - для растворимой адгезивной пленки, такой как Образец В.
Процент нерастворимости и коэффициент повторного смачивания высчитывались следующим образом:
В испытании с модулем влажности для обеспечения заданных уровней относительной влажности (например, RH1, RH2, RH3 и т.д.) через ячейку пропускали жидкость с раствором соли. Показанные на Фигуре 2 изменения толщины вычислялись с помощью программного обеспечения для моделирования Q-sense. Наблюдалась типичная кривая для испытанного адгезива в зависимости от изменения RH.
Коэффициент повторного смачивания рассчитывался следующим образом:
Коэффициент повторного смачивания  для изменения от RH1 до RH2.
Коэффициент повторного смачивания  для изменения от RH1 до RH3.
Коэффициент повторного смачивания модуля влажности отличается от коэффициента смачивания модуля потока, поскольку один измеряется во влажном воздухе, а второй в воде, но оба могут быть полезными индикаторами характеристик крепирующего адгезива.
Модуль сдвига, соответствующий каждому уровню относительной влажности (RH), был рассчитан с помощью программного обеспечения для моделирования Q-sense.
Испытание на прочность адгезии на отслаивание.
Адгезивная пленка была нанесена поливом на горячую металлическую пластину с помощью спирального валка. Пленка была отверждена за некоторое время до вдавливания в нее влажной полоски хлопчатобумажной ткани. После высушивания полоски и пленки в течение некоторого времени измерялась сила отслаивания в испытании на отслаивание под углом 180 градусов при контролируемой температуре и скорости отслаивания. При моделировании предельных условий отверждения использовались два значения температуры: (1) низкая температура (LT) - 90°С в течение 30 секунд и (2) высокая температура (НТ) - 110°С в течение 5 минут.
Измерение характеристик крепирующего адгезива.
В Таблице 1 обобщены характеристики двух коммерческих адгезивов, Образца А и Образца В, и их смесей, измеренные с использованием обычной методики и методики QCMD. Фигуры 3А - 3С иллюстрируют превосходную линейную корреляцию между процентом нерастворимости, коэффициентом повторного смачивания и модулем сдвига, которые были измерены обычным способом и способом QCMD.
Точки данных для 100% Образца В не использовались в корреляциях для процента нерастворимости и коэффициента повторного смачивания, поскольку Образец В полностью солюбилизируется в обычном испытании, в то время как в испытании с использованием QCMD растворимые адгезивные пленки могут быть, тем не менее, полностью охарактеризованы.
Данные в Таблице 2 демонстрируют, что время, требующееся для измерений с использованием QCMD, значительно меньше необходимого при обычных способах.
Таблица 2. Время, требующееся для измерения характеристик крепирующего адгезива при использовании обычных способов и QCMD.
Кроме того, данные QCMD могут использоваться для прогнозирования характеристик адгезии крепирующих адгезивов. В Таблице 3 обобщаются данные по характеристикам крепирующих адгезивов, измеренные способом QCMD, и соответствующие данные испытаний на прочность адгезии при двух различных температурах испытаний. Эти две температуры испытаний на отслаивание (испытания на прочность адгезии) иллюстрируют предельные условия на сушильном барабане Янки, которые могут потребовать различных характеристик адгезивной пленки в том, что касается растворимости, повторного смачивания и модуля сдвига.
Фигуры 4А - 4F иллюстрируют корреляцию между силой отслаивания и характеристиками, измеренными с помощью QCMD. Способы с использованием QCMD прогнозируют, что адгезив, с помощью которого получают малорастворимую пленку с низким коэффициентом повторного смачивания и большим модулем сдвига (жесткая пленка), должен обеспечивать сильную адгезию при снижении температуры сушильного барабана Янки. Это согласуется с результатами практических наблюдений, которые требуют более жесткого и менее чувствительного покрытия для обеспечения требуемых функциональных характеристик при крепировании в условиях низких температур. Наоборот, для условий высоких температур в сушильном барабане Янки способ QCMD прогнозирует, что мягкая пленка (малый модуль сдвига) с более высокой растворимостью и высокой повторной смачиваемостью является предпочтительной для обеспечения сильной адгезии. Аналогичным образом это согласуется с желанием получить мягкое и повторно смачиваемое покрытие для крепирования в условиях высокой температуры.
Следует заметить, что отношения, концентрации, количества и другие числовые данные могут представляться в описании в формате диапазонов. Следует понимать, что такой формат диапазонов используется для удобства и краткости и, вследствие этого, должен интерпретироваться универсальным образом как включающий не только численные величины, явно указываемые в границах данного диапазона, но также и как включающий все индивидуальные численные величины или поддиапазоны, охватываемые данным диапазоном, как если бы каждая такая численная величина и поддиапазон указывались бы явным образом. В качестве иллюстрации: диапазон концентраций «от около 0,1% до около 5%» следует интерпретировать как включающий не только явно указываемую концентрацию от около 0,1 мас.% до около 5 мас.%, но также и индивидуальные концентрации (например, 1%, 2%, 3% и 4%) и поддиапазоны (например, 0,5%, 1,1%, 2,2%, 3,3% и 4,4%) внутри обозначенного диапазона. В одном воплощении термин «около» может включать общепринятое округление в соответствии с численной величиной и измеряемой величиной. Кроме того, фраза «от около 'х' до 'y'» включает «от около 'х' до около 'y'».
Следует отметить, что вышеописанные воплощения настоящего изобретения являются лишь примерами возможных воплощений и представлены исключительного для более ясного понимания принципов данного изобретения. В данное изобретение(-я) без существенного отклонения от принципов и существа изобретения может быть внесено множество различных изменений и модификаций. Предусмотрен охват всех таких модификаций и изменений рамками объема данного изобретения и защищенность в соответствии со следующей далее формулой изобретения.