ВОЛОКНИСТЫЙ ЛИСТ С УЛУЧШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ
FIBROUS SHEET WITH IMPROVED PROPERTIES

Большинство бумажной продукции, такой как косметические салфетки, туалетная бумага, бумажные полотенца, коммерческие салфетки и другие подобные продукты производят согласно процессу мокрой укладки. Полотна, полученные мокрой укладкой, получают путем нанесения водной суспензии волокон целлюлозы на формующую сетку и затем удаляют воду из вновь сформованного полотна. Из полотна воду обычно удаляют путем механического выжимания воды из полотна, которое также называется "мокрое прессование". Хотя влажное прессование представляет собой эффективный процесс обезвоживания, во время этого процесса тканевое полотно сжимается, вызывая значительное уменьшение толщины и объема полотна.
Тем не менее, для большинства применений желательно обеспечить конечный продукт как можно большей прочностью без ущерба для других характеристик продукта. Таким образом, специалисты в данной области разработали различные способы и технологии для увеличения прочности полотен, получаемых мокрой укладкой. Один используемый способ известен как «быстрый перенос». Во время процесса быстрого переноса полотно переносится из первой движущейся сетки на вторую движущуюся сетку, при этом вторая сетка перемещается с более низкой скоростью, чем первая сетка. Процессы быстрого переноса увеличивают объем, толщину и мягкость тканевого полотна.
В качестве альтернативы способам мокрого прессования были разработаны способы сквозного высушивания, в которых максимально предотвращается сжатие полотна, чтобы сохранить и увеличить объем полотна. Эти способы обеспечивают поддержку полотна на сетке с крупной ячейкой, при этом нагретый воздух проходит через полотно для удаления влаги и сушки полотна.
Тем не менее, все еще необходимы дополнительные улучшения в уровне техники. В частности, в настоящее время существует потребность в улучшенном способе, который включает содержание уникальных волокон в тканевом полотне для увеличения объема, мягкости, прочности и впитывающей способности полотна без необходимости подвергать полотно процессу быстрого переноса или процессу крепирования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В целом настоящее изобретение направлено на дополнительные улучшения в области производства ткани и бумаги. С помощью технологий и способов настоящего изобретения можно улучшить свойства тканевого полотна, такие как объем, прочность, растяжимость, толщина и/или впитывающая способность. В частности, настоящее изобретение направлено на способ формирования нетканого полотна, в частности, тканевого полотна, содержащего волокна целлюлозы, с помощью процесса пенообразования. Например, вспененную суспензию волокон можно сформовать и распределить на движущийся пористый конвейер для получения начального полотна.
В одном аспекте, например, настоящее изобретение направлено на способ получения вспененной многослойной подложки, включающий получение пены на водной основе, содержащей по меньшей мере 3% по весу непрямых синтетических связующих волокон, при этом непрямые синтетические связующие волокна имеют среднюю длину более 2 мм; совместное образование слоя мокрого листа, полученного из пены на водной основе и слоя из целлюлозных волокон, при этом слой из целлюлозных волокон содержит по меньшей мере 60 процентов по весу целлюлозных волокон; и сушку объединенных слоев с получением вспененной многослойной подложки.
В другом аспекте многослойная подложка содержит первый слой, содержащий по меньшей мере 60 процентов по весу непрямых синтетических связующих волокон, имеющих среднюю длину более 2 мм; и второй слой, содержащий по меньшей мере 60 процентов по весу целлюлозного волокна, при этом первый слой обращен ко второму слою, и при этом многослойная подложка характеризуется соотношением прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии, составляющим по меньшей мере 60%.
В еще одном аспекте многослойная подложка содержит первый слой, содержащий по меньшей мере 60 процентов по весу непрямых синтетических связующих волокон, имеющих среднюю длину более 2 мм, при этом непрямые синтетические связующие волокна характеризуются трехмерной изогнутой или гофрированной структурой и представляют собой двухкомпонентные синтетические связующие волокна по типу «оболочка-ядро», а также второй слой, содержащий по меньшей мере 60 процентов по весу целлюлозного волокна, и при этом многослойная подложка характеризуется соотношением прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии, составляющим по меньшей мере 60%, и при этом многослойная подложка характеризуется более высокой мягкостью и впитывающей способностью, чем гомогенная волокнистая подложка с таким же составом по волокну.
Другие признаки и аспекты настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Вышеизложенные и другие признаки и аспекты настоящего изобретения, а также способ их достижения станут более очевидными, и само изобретение станет более понятным из следующего описания, прилагаемой формулы изобретения и сопутствующих графических материалов, на которых:
на фиг. 1 показано схематическое изображение вспененного мокрого листа, переносимого с формовочной проволоки на сушильную проволоку на линии упрощенной ткани;
на фиг. 2 показана графическая иллюстрация, сравнивающая влияние слоистых и не слоистых подложек на соотношение среднего геометрического прочности на разрыв (GMT) во влажном/сухом состоянии.
Повторное использование ссылочных позиций в настоящем описании и на графических материалах предназначено для представления одинаковых или аналогичных признаков или элементов настоящего изобретения. Графические материалы являются репрезентативными и не обязательно выполнены в масштабе. Некоторые их размеры могут быть чрезмерно увеличены, тогда как другие могут быть уменьшены.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Специалисту в данной области следует понимать, что настоящее рассмотрение представляет собой лишь описание примерных аспектов настоящего изобретения и не предназначено для ограничения более широких аспектов настоящего изобретения.
В целом настоящее изобретение направлено на образование тканевых или бумажных полотен, имеющих хорошие свойства объема, прочности, впитывающей способности и мягкости. Посредством способа по настоящему изобретению можно получить тканевые полотна, например, характеризующиеся лучшими свойствами растяжения, улучшенными характеристиками впитывающей способности, увеличенной толщиной и/или повышенной мягкостью. В одном аспекте также могут быть образованы полотна с рисунком. В одном аспекте, например, тканевое полотно выполнено в соответствии с настоящим изобретением, в том числе с применением вспененной суспензии волокон.
Большое значение прочности во влажном состоянии важно для полотенец, чтобы иметь достаточную прочность для удержания вместе во время сушки рук или впитывания влаги. Стандартные листы полотенец должны иметь прочность на разрыв во влажном/сухом состоянии, составляющую приблизительно 40%, чтобы обеспечить достаточную прочность во влажном состоянии для успешной работы. Для достижения данного уровня влагопрочности в полотенцах используют химические составы для очистки и прочности во влажном и сухом состоянии. Процесс пенообразования открывает возможность добавления нетрадиционных волокон в процесс производства бумаги. Волокна, которые обычно будут собраны вместе в традиционном процессе мокрой укладки, такие как более длинные синтетические волокна, теперь суспендированы и отделены раздельно пузырьками пены, что обеспечивает возможность процессу пенообразования не только получать новые материалы с нестандартными волокнами, полученными мокрой укладкой, но также и базовыми листами с улучшенными свойствами. Кроме того, пенообразование позволяет использовать непрямые синтетические связующие волокна.
Как используется в данном документе, «непрямые» синтетические связующие волокна подразумевают синтетические связующие волокна (описанные ниже), которые являются изогнутыми, синусоидальными, волнообразными, коротковолнообразными, U-образными, V-образными, если угол больше 15°, но меньше 180°, согнутыми, сложенными, гофрированными, скрученными, подкрученными, складчатыми, флагоообразными, двойными флагообразными, вразброс флагообразными, упорядоченно флагообразными, неупорядоченно флагообразными, расщепленными, двойными расщепленными, в виде множества заостренных зубцов, в виде множества заостренных двойных зубцов, крючкообразными, самоблокирующими, конусообразными, симметрическими, асимметрическими, пальцевидными, рельефными, завитыми, петельчатыми, листообразными, лепесткообразными или шипообразными. Длинные непрямые волокна имеют преимущества, описанные в данном документе, но их может быть сложно применить в обычном процессе мокрой укладки, в котором обычно используют целлюлозное волокно древесной целлюлозы, имеющее длину волокна менее 5 мм и обычно менее 3 мм. Одним примером подходящего непрямого синтетического связующего волокна является синтетическое связующее волокно T-255, доступное от Trevira. Синтетическое связующее волокно T-255 представляет собой непрямое и гофрированное двухкомпонентное волокно с ядром из полиэтилентерефталата (PET) и оболочкой из полиэтилена (PE).
Существует множество преимуществ и выгодных моментов процесса пенообразования, как описано выше. Во время процесса пенообразования воду заменяют пеной (т. е. пузырьками воздуха) в качестве носителя для волокон, которые образуют полотно. Пену, которая представляет собой большое количество воздуха, смешивают с волокнами для производства бумаги. Поскольку для формирования полотна используется меньше воды, требуется меньше энергии для высушивания полотна. Например, высушивание полотна в процессе пенообразования может снизить потребность в энергии на более чем приблизительно 10% или, например, более чем приблизительно 20% относительно традиционных процессов влажного прессования.
Технология пенообразования продемонстрировала многие преимущества для продуктов, в том числе улучшенную однородность волокна, уменьшенное количество воды в процессе, уменьшенный расход энергии при высушивании благодаря как уменьшенному количеству воды, так и поверхностному натяжению, улучшенную способность обработки очень длинного или короткого волокна, что позволяет использование длинного штапельного и/или связующего волокна и очень короткого тонкого волокна в стандартном процессе мокрой укладки, и обеспечивает объем/уменьшенную плотность, таким образом расширяя один процесс до возможности изготовления различных материалов от высокой до очень низкой плотности, чтобы охватить множество применений продукта.
Стендовые опыты с применением высокоскоростного смесителя и поверхностно-активного вещества показали у вспененных волокнистых материалов очень низкую плотность, составляющую от 0,008 до 0,02 г/куб. см. На основании этих результатов нетканый волокнистый материал, полученный с помощью воздушного формования, имеющий 3D структуру, может быть изготовлен с применением низкозатратного, но высокоскоростного процесса мокрой укладки. Предыдущие попытки получения таких волокнистых материалов низкой плотности с применением типичных пенообразующих линий не дают благоприятных результатов. Оба способа имеют ограничения по оборудованию, препятствующие получению вспененного волокнистого материала низкой плотности или высокого объема. В одном процессе отсутствует возможность высушивания, и, следовательно, необходимо использовать пресс с высоким давлением для удаления воды из сформированного мокрого листа для достижения максимальной целостности мокрого листа, чтобы лист можно было наматывать на валик. Кроме того, другой процесс не имеет прижимного валика, но имеет непрерывный сушильный канал. Хотя последний процесс, по-видимому, имеет возможность получения волокнистого материала низкой плотности, вспененный мокрый лист должен быть перенесен из формующей сетки на сушильную металлическую проволоку перед его сушкой внутри сушильного канала. Как и в вышеописанном случае, для получения достаточной целостности мокрого листа для такого переноса вспененный лист должен быть максимально обезвожен при помощи вакуума перед данным переносом. В результате большинство захваченных пузырьков воздуха внутри мокрого листа также удаляют вакуумом, благодаря чему в готовом высушенном листе обеспечивается плотность, аналогичная плотности листа, полученного с помощью обычного процесса мокрой укладки.
Дополнительные эксперименты привели к обнаружению того, что добавление непрямых синтетических связующих волокон снижает конечную плотность волокнистого листа.
Не ограничиваясь какой-либо теорией, полагают, что непрямые синтетические связующие волокна в слоистой структуре способствуют достижению высокого соотношения прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии. Применение гофрированных (несвязующих) волокон в предшествующем уровне техники имело целью достичь высокий объем. Непрямое синтетическое связующее волокно согласно настоящему изобретению не будет хорошо работать для достижения значения высокого объема. Несмотря на то, что в уровне техники необходимо, чтобы гофрированное (несвязующее) волокно имело диаметр волокна по меньшей мере 4 дтекс, для непрямых синтетических связующих волокон согласно настоящему изобретению такое требование отсутствует. Например, одно из непрямых синтетических связующих волокон, используемых в примерах, описанных ниже, имеет диаметр волокна 2,2 дтекс.
Согласно настоящему изобретению процесс пенообразования объединяют со специальным добавлением волокна с получением полотен, имеющих необходимую сбалансированность свойств.
При формировании тканевых или бумажных полотен согласно настоящему изобретению в одном аспекте пену сначала образуют путем объединения воды с пенообразующим средством. Пенообразующее средство, например, может содержать любое подходящее поверхностно-активное вещество. В одном аспекте, например, пенообразующее средство может включать анионное поверхностно-активное вещество, такое как лаурилсульфат натрия, который также известен как лауретсульфат натрия и лаурилэфирсульфат натрия. Другие анионные пенообразующие средства включают додецилсульфат натрия или лаурилсульфат аммония. В других аспектах пенообразующее средство может содержать любое подходящее катионное, неионное и/или амфотерное поверхностно-активное вещество. Например, другие пенообразующие средства включают амины жирных кислот, амиды, аминоксиды, четвертичные соединения жирных кислот, поливиниловый спирт, алкиловый эфир полиэтиленгликоля, алкиловые сложные эфиры полиоксиэтилена соритана, сложные алкиловые эфиры глюкозидов, кокамидопропилгидроксисультаин, кокамидопропилбетаин, фосфатидилэтаноламин и т. п.
Пенообразующее средство объединяют с водой в целом в количестве более приблизительно 0,001% по весу, например, в количестве более приблизительно 0,005% по весу, например, в количестве более приблизительно 0,01% по весу или, например, в количестве более приблизительно 0,05% по весу. Пенообразующее средство можно также объединить с водой в целом в количестве менее приблизительно 0,2% по весу, например, в количестве менее приблизительно 0,5% по весу, например, в количестве менее приблизительно 1,0% по весу или, например, в количестве менее приблизительно 5% по весу. Один или более пенообразующих средств в целом присутствуют в количестве менее приблизительно 5% по весу, например, в количестве менее приблизительно 2% по весу, например, в количестве менее приблизительно 1% по весу или, например, в количестве менее приблизительно 0,5% по весу.
После объединения пенообразующего средства и воды смесь объединяют с непрямыми синтетическими связующими волокнами. В целом могут использоваться любые непрямые синтетические связующие волокна, подходящие для изготовления тканевого или бумажного полотна или другого подобного типа из нетканого материала согласно настоящему изобретению.
Связующее волокно может быть использовано во вспененной волокнистой структуре по настоящему изобретению. Связующее волокно может либо представлять собой термопластичное двухкомпонентное волокно, такое как волокно на основе PE/PET по типу «ядро/оболочка», или водочувствительное полимерное волокно, такое как волокно на основе поливинилового спирта. Коммерческое связующее волокно обычно представляет собой двухкомпонентное термопластичное волокно с двумя различными плавкими полимерами. Два полимера, используемые в этом двухкомпонентном волокне, обычно имеют очень разные температуры плавления. Например, двухкомпонентное волокно на основе PE/PET имеет температуру плавления 120°C для PE и температуру плавления 260°C для PET. Когда это двухкомпонентное волокно используют в качестве связующего волокна, вспененная волокнистая структура, включая волокно на основе PE/PET, может стабилизироваться под воздействием тепловой обработки при температуре немного выше 120°C, так что часть волокна на основе PE будет плавиться и образовывать межволоконные связи с другими волокнами, при этом часть волокна на основе PET передает свою механическую прочность для сохранения сети волокон в неизменном состоянии. Двухкомпонентное волокно может иметь различные формы, когда два полимерных компонента могут быть размещены, например, "бок-о-бок", "ядро-оболочка", "эксцентрическое ядро-оболочка", "островки в море" и т. д. Структура "ядро-оболочка" наиболее часто используется в коммерческих применениях связующего волокна. Коммерческие связующие волокна включают связующее волокно T-255 с длиной волокна 6 или 12 мм и диаметром волокна 2,2 дтекс от Trevia или связующее волокно WL Adhesion C с длиной волокна 4 мм и диаметром волокна 1,7 дтекс от FiberVisions. Пороговое количество связующих волокон, которое необходимо добавить, обычно зависит от минимальной теории перколяции, которая теоретически обеспечит получение сети волокон. Например, порог перколяции составляет приблизительно 3% (по весу) для 6 мм, 2,2 дтекс, волокон T-255.
После объединения пенообразующего средства, воды и волокон смесь перемешивают или иным образом подвергают воздействию сил, способных образовывать пену. Пеноматериал, как правило, относится к пористой матрице, которая представляет собой совокупность полых клеток или пузырьков, которые могут быть взаимосвязаны для образования каналов или капилляров.
Плотность пены может варьироваться в зависимости от конкретного применения и различных факторов, в том числе от используемой древесной массы на основе волокон. В одном аспекте, например, плотность пены может составлять более приблизительно 200 г/л, например, более приблизительно 250 г/л или, например, более приблизительно 300 г/л. Плотность пены в целом составляет менее приблизительно 600 г/л, например, менее приблизительно 500 г/л, например, менее приблизительно 400 г/л или, например менее приблизительно 350 г/л. В одном аспекте, например, используется пена меньшей плотности, в целом составляющей менее приблизительно 350 г/л, например, менее приблизительно 340 г/л или, например, менее приблизительно 330 г/л. Пена, как правило, характеризуется содержанием воздуха более приблизительно 40%, например, более приблизительно 50% или, например, более приблизительно 60%. Содержание воздуха в целом составляет менее приблизительно 80% по объему, например, менее приблизительно 75% по объему или, например, менее приблизительно 70% по объему.
Для формирования полотна пену объединяют с выбранной древесной массой на основе волокон в сочетании с любыми вспомогательными средствами. Пена может быть образована любым подходящим способом, в том числе описанным в одновременно рассматриваемой заявке на патент США с регистрационным номером 62/437974.
В целом любой способ, с помощью которого можно формировать бумажное полотно, может быть использован в настоящем изобретении. Например, в способе производства бумаги по настоящему изобретению может использоваться крепирование, двойное крепирование, тиснение, прессование в воздушной среде, высушивание воздухом с крепированием, высушивание воздухом без крепирования, технология коформ, водоструйное скрепление, а также другие стадии, известные из уровня техники.
Стандартный процесс включает линию пенообразования, которая спроектирована для обработки длинного штапельного волокна и может обеспечивать хорошую равномерность волокна при смешивании с другими компонентами. Тем не менее, он не предназначен для получения высокообъемного волокнистого материала из-за своих ограничений по оборудованию, как описано выше. На фиг. 1 показана линия упрощенной ткани и сложность использования этого процесса для получения синтетического волокнистого материала, в котором лист переносят между двумя проволоками. На этой линии вспененный волокнистый материал или мокрый лист 20 формуют на формовочной проволоке 30 с помощью напорного ящика 35, при этом мокрый лист 20 имеет три слоя с разными составами волокнистых материалов, когда он просто уложен на формовочной проволоке 30. Мокрый лист 20 затем подвергают воздействию вакуума для удаления как можно большего количества воды, так что, когда мокрый лист 20 проходит к концу первой формовочной проволоки 30, он приобретает достаточную целостность или прочность, чтобы обеспечить возможность перемещения мокрого листа 20 на сушильную проволоку 40.
Имеется контактная точка 50 между формирующими и сушильными проволоками 30, 40, где мокрый лист 20 переносится из формирующей проволоки 30 к сушильной проволоке 40. После переноса мокрого листа 20 на сушильную проволоку 40 мокрый лист 20 сохраняет контакт с сушильной проволокой 40, но может падать с нее, если мокрый лист 20 не обладает достаточным уровнем адгезии для преодоления силы тяжести. После переноса мокрый лист 20 расположен под сушильной проволокой 40. Мокрый лист 20 должен быть приклеен к сушильной проволоке 40 до того, как он достигнет сушилки с воздушной сушкой (TAD) или другой подходящей сушилки (не показана). Если мокрый лист 20 содержит большую часть целлюлозного волокна, мокрый лист 20 имеет способность достаточно впитывать воду, чтобы мокрый лист 20 прилипал к сушильной проволоке 40 без падения с сушильной проволоки 40 под действием силы тяжести. Если мокрый лист 20 содержит слишком много синтетического волокна, например, более 30%, мокрый лист 20 начинает падать или отделяться от сушильной проволоки 40 из-за силы тяжести. В этом способе мокрый лист 20 при содержании более чем 30% синтетического волокна не обладал достаточной адгезией для удержания листа, прикрепленного к сушильной проволоке 40, показанной на фиг. 1.
Следовательно, современные процессы предотвращают производство любого вспененного материала с более чем 30% синтетических волокон. В результате для получения вспененного листа с высоким соотношением прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии требуется модифицированный процесс или новая волокнистая композиция. Настоящее изобретение относится к этому ослаблению путем образования слоистого мокрого листа 20 с двумя наружными слоями, содержащими в большей мере целлюлозные волокна, и средний слой, содержащий в большей мере синтетические связующие волокна. Этим улучшенным способом преодолевают слабую адгезию проволоки и одновременно достигают нескольких преимуществ. Сначала связующее волокно может быть сконцентрировано почти до 100% в среднем слое с образованием полностью связанной волокнистой сети для достижения высокой прочности, при сохранении общего содержания синтетической волокнистой части ниже 50% или даже ниже 30%, так что конечная ткань остается целлюлозным волокном. Неслоистая структура не может достичь этого. Во-вторых, слоистая структура создает неоднородное распределение точек связывания. Большинство связей образованы в пределах среднего слоя между самими связующими волокнами, с незначительным связыванием между целлюлозными волокнами, расположенными в двух наружных слоях. Такое расположение позволяет ткани проявлять высокую прочность, высокое соотношение прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии, высокий объем, высокую впитывающую способность и значительно повышенную общую мягкость.
Все листы на основе бумаги, описанные в данном документе, изготавливают способом высушивания воздухом без крепирования (UCTAD). В ходе процесса UCTAD используют вакуум для переноса мокрого листа из одного материала на другой, как проиллюстрировано на фиг. 1. Выводы предыдущих испытаний пенообразования показали, что добавление более чем приблизительно 30% синтетического волокна в однородный лист влияет на способность листа перемещаться. Это обусловлено недостаточным количеством воды в листе для работы вакуума. В настоящем изобретении этот недостаток был решен путем изготовления многослойной подложки с целлюлозными волокнами для одного или более наружных слоев с использованием традиционных параметров процесса мокрой укладки (суспензия целлюлозы проходит из машинных бассейнов с использованием стандартных насосов и установок) с образованием среднего слоя в виде пены (проходит из бассейнов распущенной массы, где образуется пенная суспензия из непрямого синтетического связующего волокна путем добавления поверхностно-активного вещества и смеси). Очищенные наружные слои из целлюлозы, поскольку очищенные волокна удерживают больше воды, удерживают достаточное количество воды для переноса листа. Для настоящего раскрытия слой из 80% непрямых синтетических связующих волокон вспенивали для среднего слоя.
В различных аспектах настоящего изобретения многослойная подложка может содержать один наружный слой целлюлозного волокна (посредством мокрой укладки или другим способом) и один средний слой из вспененного синтетического связующего волокна, или два наружных слоя из целлюлозного волокна (посредством мокрой укладки или другим способом) и один средний слой из вспененного синтетического связующего волокна. Один или два наружных слоя также могут быть вспенены, а также содержать низкое количество синтетического волокна в процентах, если могут быть получены дополнительные преимущества. Предпочтительные аспекты включают по меньшей мере один слой, который является вспененным, который содержит высокое процентное содержание синтетического связующего волокна для получения многослойной подложки с высоким соотношением прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии. Предпочтительные аспекты также включают по меньшей мере один наружный слой, который поддерживает непосредственный контакт с сушильной проволокой 40 после переноса листа, где по меньшей мере один наружный слой имеет высокое процентное содержание целлюлозного волокна, чтобы иметь достаточную адгезию листа с проволокой во время обработки. Другие слои, добавленные к многослойной подложке, могут иметь любое сочетание вспененных и полученных мокрой укладкой слоев и могут содержать любое количество целлюлозных и/или синтетических волокон.
Один или более слоев многослойной подложки могут содержать целлюлозные волокна, в том числе те, которые применяются в стандартном производстве бумаги. Волокна, подходящие для изготовления тканевых полотен, включают любые натуральные и/или синтетические целлюлозные волокна. Натуральные волокна могут включать, но без ограничения, недревесные волокна, такие как хлопок, абака, кенаф, трава сабай, лен, эспарто, солома, джут, багасса, волокна из отходов молочая, бамбуковые волокна, волокна из листьев ананаса; и древесные волокна или волокна целлюлозы, такие как полученные из лиственных и хвойных деревьев, в том числе волокна древесины мягких пород, такие как волокна из крафт-массы из северной и южной древесины мягких пород; и волокна древесины твердых пород, таких как эвкалипт, клен, береза и осина. Волокна целлюлозы можно получать в формах с высоким выходом продукта или низким выходом продукта и их можно варить при помощи любого известного способа, в том числе способов крафт-сульфитной варки с высоким выходом продукта и других известных способов варки. Могут также быть использованы волокна, полученные способом органосольвентной варки.
Часть волокон, такая как до 50% или менее по сухому весу, или от приблизительно 5% до приблизительно 30% по сухому весу, может представлять собой синтетические волокна. Типы регенерированного или модифицированного целлюлозного волокна включают в себя целлюлозные химические волокна во всех его разновидностях и другие волокна, полученные из вискозы или химически модифицированной целлюлозы. Можно применять химически обработанные натуральные целлюлозные волокна, такие как мерсеризованная целлюлоза, химически упрочненные или сшитые волокна или сульфированные волокна. Для хороших механических свойств в применении волокон для производства бумаги может быть желательным, чтобы волокна были относительно неповрежденными и в основном неочищенными или только слегка очищенными. Поскольку возможно применение переработанных волокон, натуральные волокна являются в целом применимыми благодаря их механическим свойствам и отсутствию примесей. Можно применять мерсеризованные волокна, регенерированные целлюлозные волокна, целлюлозу, переработанную микроорганизмами, целлюлозные химические волокна и другой целлюлозный материал или производные целлюлозы. Подходящие волокна для производства бумаги также могут включать переработанные волокна, натуральные волокна или их смеси. В определенных аспектах волокна, обладающие высоким объемом и хорошими свойствами сжатия, могут характеризоваться степенью помола по канадскому стандарту, составляющей по меньшей мере 200, более конкретно по меньшей мере 300, еще более конкретно по меньшей мере 400 и наиболее конкретно по меньшей мере 500.
Другие волокна для производства бумаги, которые можно применять в настоящем изобретении, включают волокна с разрывами бумаги или переработанные волокна и волокна с высоким выходом продукта. Волокна целлюлозы с высоким выходом продукта являются такими волокнами для производства бумаги, которые получают с помощью способов варки, обеспечивающих выход приблизительно 65% или более, более конкретно приблизительно 75% или более и еще более конкретно от приблизительно 75% до приблизительно 95%. Выход представляет собой получаемое в результате количество обработанных волокон, выражаемое как процент от исходной массы древесины. С помощью таких способов варки получают беленную химикотермомеханическую древесную массу (BCTMP), химикотермомеханическую древесную массу (CTMP), термомеханическую древесную массу с прикладыванием давления (PTMP), термомеханическую древесную массу (TMP), термомеханическую химическую древесную массу (TMCP), сульфитные древесные массы с высоким выходом продукта и крафт-древесные массы с высоким выходом продукта, все из которых дают в результате волокна с высокими уровнями лигнина. Волокна с высоким выходом продукта хорошо известны благодаря своей прочности как в сухом, так и во влажном состояниях по сравнению с обычными химически превращенными в целлюлозную массу волокнами.
Другие необязательные химические добавки могут быть добавлены к водной древесной массе для производства бумаги или к сформованному начальному полотну для обеспечения дополнительных преимуществ продукту и способу. Следующие материалы включены в качестве примеров дополнительных химических веществ, которые могут быть нанесены на полотно. Химические вещества включены в качестве примеров и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Такие химические вещества можно добавлять на любом этапе в процессе производства бумаги.
Дополнительные типы химических веществ, которые можно добавлять в бумажное полотно, включают, но без ограничения, вспомогательные средства для впитывания обычно в виде катионных, анионных или неионных поверхностно-активных веществ, увлажнителей и пластификаторов, таких как низкомолекулярные полиэтиленгликоли и полигидроксисоединения, такие как глицерин и пропиленгликоль. Материалы, которые обеспечивают благоприятное воздействия для здоровья кожи, такие как минеральное масло, экстракт алоэ, витамин Е, силикон, лосьоны в целом и т. п., также могут быть включены в состав конечных продуктов.
В целом продукты по настоящему изобретению можно применять в сочетании с любыми известными материалами и химическими веществами, которые не являются противодействующими в их целевом применении. Примеры таких материалов включают без ограничения дезодорирующие вещества, такие как вещества, поглощающие запахи, волокна и частицы активированного угля, детская присыпка, сода для выпечки, хелатирующие вещества, цеолиты, ароматизирующие вещества или другие вещества для маскирования запаха, соединения циклодекстрина, окислители и т. п. Также можно применять сверхвпитывающие частицы. Дополнительные варианты включают катионные красители, оптические осветлители, увлажнители, смягчающие вещества и т. п.
Базовый вес тканевых полотен, изготовленных в соответствии с данным изобретением, может варьироваться в зависимости от конечного изделия. Например, способ можно применять для производства туалетной бумаги, косметических салфеток, бумажных полотенец, коммерческих салфеток и подобного. В целом базовый вес бумажной продукции может варьироваться от приблизительно 6 г/м2 до приблизительно 120 г/м2 или, например, от приблизительно 10 г/м2 до приблизительно 90 г/м2. Для туалетной бумаги и косметических салфеток, например, базовый вес может находиться в диапазоне от приблизительно 10 г/м2 до приблизительно 40 г/м2. Для бумажных полотенец, с другой стороны, базовый вес может находиться в диапазоне от приблизительно 25 г/м2 до приблизительно 80 г/м2.
Объем тканевого полотна может также варьироваться от приблизительно 3 см3/г до 30 см3/г или, например, от приблизительно 5 см3/г до 15 см3/г. «Объем» листа вычисляли как частное толщины сухого бумажного листа, выраженное в микронах, деленное на сухой базовый вес, выраженный в граммах на квадратный метр. Полученный «объем» листа выражают в кубических сантиметрах на грамм. Более конкретно, толщину измеряют как общую толщину стопки из десяти иллюстративных листов и деление общей толщины стопки на десять, где каждый лист внутри стопки помещают одной и той же стороной вверх. Толщину измеряют в соответствии с методом испытаний TAPPI T411 om-89 “Толщина (толщина листа) бумаги, плотной бумаги и объединенной доски” с примечанием 3 для уложенных листов. Микрометр, применяемый для проведения T411 om-89, представляет собой прибор для измерения толщины листа бумаги Emveco 200-A (Emveco, Inc., Ньюберг, Орегон). Микрометр имеет нагрузку 2,00 килопаскаля (132 грамма на квадратный дюйм), площадь нажимной лапы 2500 квадратных миллиметров, диаметр нажимной лапы 56,42 миллиметра, время измерения 3 секунды и скорость опускания 0,8 миллиметра в секунду.
В продуктах с несколькими прослойками базовый вес каждого тканевого полотна, присутствующий в продукте, может также варьироваться. Как правило, общий базовый вес продукта с несколькими прослойками будет обычно такой же, как указано выше, например, от приблизительно 15 г/м2 до приблизительно 120 г/м2. Следовательно, базовый вес каждой прослойки может составлять от приблизительно 10 г/м2 до приблизительно 60 г/м2 или, например, от приблизительно 20 г/м2 до приблизительно 40 г/м2.
ПРИМЕРЫ
Для настоящего изобретения базовые листы изготавливали с использованием стандартного трехслойного напорного бака. Эта структура напорного бака позволяет изготавливать как слоистые, так и однородные (все типы волокон, смешанные вместе по всему листу) структуры. Обе листовые структуры были изготовлены для поддержки настоящего изобретения.
Примеры согласно настоящему изобретению включают слоистый лист со 100% целлюлозой для наружных слоев с использованием традиционных параметров процесса мокрой укладки (суспензия целлюлозы проходит из машинных бассейнов с использованием стандартных насосов и установок). Средний слой вспенивали, проходил из машинных бассейнов, где пенообразующую суспензию из 100% синтетического связующего T-255 получали путем добавления поверхностно-активного вещества и смешивания. Слой из 40% синтетического волокна вспенивали для среднего слоя.
Различные коды тканей, полученные для данного изобретения, описаны в таблице 1 вместе с продемонстрированными свойствами каждого кода ткани.
Таблица 1. Составы и свойства ткани
Базовый вес составлял 40,5 г/м2 для кода 1, 42 г/м2 для кода 2 и 40 г/м2 для кодов 3–5. Euc представляет собой эвкалипт. Коды 2 и 5 демонстрируют прямое сравнение между слоистыми и смешанными подложками с использованием тех же самых общих количеств волокон.
GMT представляет собой среднее геометрическое прочности на разрыв, которое учитывает прочность на разрыв в продольном направлении (MD) и прочность на разрыв в поперечном направлении (CD). Для целей, предусмотренных в данном документе, прочность на разрыв может быть измерена с помощью прибора для испытания на разрыв SINTECH с шириной 3 дюйма (ширина образца), размером гребней 2 дюйма (длина петли) и скоростью траверсы, равной 25,4 сантиметра в минуту после удерживания образца согласно условиям TAPPI в течение 4 часов перед испытанием. Прочность на разрыв в MD представляет собой пиковую нагрузку на образец шириной 3 дюйма, когда образец растягивают до разрыва в продольном направлении. Аналогично прочность на разрыв в CD представляет собой пиковую нагрузку на образец шириной 3 дюйма, когда образец растягивают до разрыва в поперечном направлении. GMT представляет собой квадратный корень из продукта прочности на разрыв в MD и прочности на разрыв в CD полотна. «Растяжение CD» и «растяжение MD» представляют собой величину удлинения образца в поперечном направлении и продольном направлении соответственно, в точке разрыва, выраженной в процентах от исходной длины образца.
Более конкретно, образцы для испытания прочности на разрыв получали путем нарезания полосы шириной 3 дюйма (76,2 мм) и длиной по меньшей мере 4 дюйма (101,6 мм) либо в продольном 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). Инструмент, применяемый для измерения значений прочности на разрыв, представлял собой MTS Systems Sintech, серийный номер 1G/071896/116. Программное обеспечение для сбора данных представляло собой MTS TestWorks для Windows версии 4,0 (MTS Systems Corp., Иден-Прери, Миннесота). Датчик нагрузки представляет собой датчик максимальной нагрузки MTS 25 Ньютонов. Длина между захватами при измерении составляла 2±0,04 дюйма (76,2±1 мм). Захваты приводились в действие с использованием пневматического привода и были покрыты резиной. Минимальная ширина поверхности захвата составляет 3 дюйма (76,2 мм), а приблизительная высота щечки составляет 0,5 дюйма (12,7 мм). Чувствительность к разрыву установлена на 40 процентов. Образец помещали в захваты прибора с центрированием как по вертикали, так и по горизонтали. Для того чтобы отрегулировать изначальный провес, для каждого испытательного прогона прикладывают предварительную нагрузку 1 грамм (силу) со скоростью 0,1 дюйма в минуту. Испытание затем начинали и заканчивали, когда усилие упало на 40 процентов от пика. Пиковую нагрузку регистрировали либо как «предел прочности на разрыв MD», либо как «предел прочности на разрыв CD» образца в зависимости от испытуемого образца. Испытали по меньшей мере 3 иллюстративных образца для каждого продукта, взятых как есть, и среднее арифметическое всех испытанных отдельных образцов представляет собой прочность на разрыв в MD или CD для продукта.
Помимо значительно повышенного соотношения прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии, продемонстрированного в таблице 1, данные также указывают на то, что слоистые ткани UCTAD, перечисленные в таблице 1, характеризуются улучшенной мягкостью и впитывающей способностью, как показано в таблице 2.
Два контрольных кода, описанные в таблице 2, состоят из волокнистого листа из однородной смеси, содержащего 100% волокна целлюлозной массы (UCTAD Bath CHF регулирует с января 2015 по сентябрь 2016 г.). PBS расшифровывается как «Premium Bath Score» (надежный показатель раствора) и получен из приведенного ниже состава, состоящего из нескольких испытаний сенсорной панели, проведенных на основе базового листа ткани.
PBS = 5*(Средняя нечеткость + объем – жесткость – средняя шероховатость) + 25
Чем выше значение PBS, тем, как предполагается, мягче ткань. В таблице 2 продемонстрировано, что слоистые структуры с одинаковой прочностью характеризуются улучшенной мягкостью по сравнению с однородными структурами.
Таблица 2. Предполагаемая мягкость ткани
Примечание: *Коды 1 и 2 представляют собой те же материалы, что и коды 1 и 2 в таблице 1, за исключением того, что коды 1 и 2 в таблице 2 были каландрированы. GMT представляет собой среднее геометрическое прочности на разрыв и описано выше более подробно.
Коды 1 и 2 были изготовлены в виде туалетной бумаги. Как показано в таблице 3, туалетная бумага с кодами 1 и 2 со слоистыми структурами демонстрировала такую же или немного лучшую впитывающую способность, чем существующие в настоящее время коммерческие полотенца. Полотенца обычно имеют более высокую впитывающую способность, чем туалетная бумага. Впитывающую способность определяют с использованием образца размером 4 дюйма на 4 дюйма, который первоначально взвешивают. Взвешенный образец затем вымачивают в чашке тестируемой текучей среды (например, парафинового масла или воды) в течение трех минут. Испытуемая текучая среда должна иметь глубину по меньшей мере 2 дюйма (5,08 см) в чашке. Образец извлекают из испытуемой жидкости и оставляют дренировать при нависании в «ромбовидном» положении (т.е. с одним углом в самой нижней точке). Образец оставляли стекать в течение трех минут для воды и в течение пяти минут для масла. По истечении выделенного времени стекания образец помещают в чашу для взвешивания и взвешивают. Впитывающую способность кислот или оснований, имеющих вязкость, более схожую с водой, испытывают в соответствии с процедурой для испытания впитывающей способности воды. Впитывающая способность (г) = вес во влажном состоянии (г)- вес в сухом состоянии (г) и удельная впитывающая способность (г/г) = впитывающая способность (г)/вес в сухом состоянии(г).
Таблица 3. Данные впитывающей способности в качестве удельной впитывающей способности в г/г
Примечание: *Коды 1 и 2 представляют собой те же материалы, что и коды 1 и 2 в таблице 1, за исключением того, что коды 1 и 2 в таблице 2 были каландрированы.
Следует отметить, что хотя примеры в настоящем изобретении были изготовлены с применением процесса пенообразования, настоящее изобретение не должно ограничиваться таким процессом. Процесс пенообразования применяют благодаря его способности обращаться с длинными волокнами, таким как связующее волокно 6 мм или 12 мм. И наоборот, если используется короткое связующее волокно (например, 2 мм или более), то такая же слоистая структура может быть изготовлена с использованием стандартного процесса водоструйного формования.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Как показано в таблицах 1-3, слоистая структура с двумя наружными слоями с избытком целлюлозного волокна и одним средним слоем с избытком непрямого синтетического связующего волокна проявляет значительное улучшение соотношения прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии по сравнению с подложкой, имеющей тот же самый состав по волокну, но однородно перемешанный (т. е. неслоистую структуру). Это можно лучше увидеть при сравнении кодов 2 и 5 в таблице 1. Дополнительные данные представлены на фиг. 2, демонстрируя улучшение соотношения прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии в слоистых и неслоистых подложках, имеющих одинаковые составы по волокну.
В первом конкретном аспекте способ получения вспененной многослойной подложки включает получение пены на водной основе, содержащей по меньшей мере 3% по весу непрямых синтетических связующих волокон, при этом непрямые синтетические связующие волокна имеют среднюю длину более 2 мм; совместное образование слоя мокрого листа, полученного из пены на водной основе и слоя из целлюлозных волокон, при этом слой из целлюлозных волокон содержит по меньшей мере 60 процентов по весу целлюлозных волокон; и сушку объединенных слоев с получением вспененной многослойной подложки.
Второй конкретный аспект включает первый конкретный аспект, где вспененный слой имеет плотность в сухом состоянии от 0,008 г/куб.см до 0,1 г/куб.см.
Третий конкретный аспект включает первый и/или второй аспект, где непрямые синтетические связующие волокна имеют длину от 4 мм до 60 мм.
Четвертый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1–3, где непрямые синтетические связующие волокна имеют среднюю длину от 6 мм до 30 мм.
Пятый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1–4, где непрямые синтетические связующие волокна имеют диаметр по меньшей мере 1,5 дтекс.
Шестой конкретный аспект включает один или более из аспектов 1–5, где непрямые синтетические волокна имеют трехмерную изогнутую структуру.
Седьмой конкретный аспект включает один или более из аспектов 1–6, где непрямые синтетические связующие волокна имеют трехмерную гофрированную структуру.
Восьмой конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—7, где непрямые синтетические связующие волокна представляют собой двухкомпонентные волокна.
Девятый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—8, где двухкомпонентные волокна представляют собой двухкомпонентные волокна по типу «оболочка-ядро».
Десятый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—9, где оболочка представляет собой полиэтилен, а ядро представляет собой сложный полиэфир.
Одиннадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1–10, где получение предусматривает использование по меньшей мере 10% по весу непрямых синтетических связующих волокон.
Двенадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—11, где многослойная подложка характеризуется соотношением прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии, составляющим 60% или выше.
Тринадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 1—12, где целлюлозные волокна представляют собой волокна эвкалипта.
В четырнадцатом конкретном аспекте многослойная подложка содержит первый слой, содержащий по меньшей мере 60 процентов по весу непрямых синтетических связующих волокон, имеющих среднюю длину более 2 мм; и второй слой, содержащий по меньшей мере 60 процентов по весу целлюлозного волокна, при этом первый слой обращен ко второму слою, и при этом многослойная подложка характеризуется соотношением прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии, составляющим по меньшей мере 60%.
Пятнадцатый конкретный аспект включает четырнадцатый конкретный аспект, где многослойная подложка характеризуется более высокой мягкостью и впитывающей способностью, чем гомогенная волокнистая подложка с таким же составом по волокну.
Шестнадцатый конкретный аспект включает четырнадцатый и/или пятнадцатый аспект, где непрямые синтетические связующие волокна характеризуются средней длиной от 6 мм до 30 мм и средним диаметром по меньшей мере 1,5 дтекс.
Семнадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 14–16, где непрямые синтетические связующие волокна имеют трехмерную изогнутую или гофрированную структуру.
Восемнадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 14—17, где непрямые синтетические связующие волокна представляют собой двухкомпонентные волокна по типу «оболочка-ядро».
Девятнадцатый конкретный аспект включает один или более из аспектов 14—18, где оболочка представляет собой полиэтилен, а ядро представляет собой сложный полиэфир.
В двадцатом конкретном аспекте многослойная подложка содержит первый слой, содержащий по меньшей мере 60 процентов по весу непрямых синтетических связующих волокон, имеющих среднюю длину более 2 мм, при этом непрямые синтетические связующие волокна характеризуются трехмерной изогнутой или гофрированной структурой и представляют собой двухкомпонентные волокна по типу «оболочка-ядро», и второй слой, содержащий по меньшей мере 60 процентов по весу целлюлозного волокна, при этом первый слой обращен ко второму слою, при этом многослойная подложка характеризуется соотношением прочности на разрыв во влажном/сухом состоянии, составляющим по меньшей мере 60%, и при этом многослойная подложка характеризуется более высокой мягкостью и впитывающей способностью, чем гомогенная волокнистая подложка с таким же составом по волокну.
Эти и другие модификации и изменения настоящего изобретения могут быть осуществлены на практике специалистами в данной области техники без отклонения от идеи и объема настоящего изобретения, более конкретно изложенных в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, следует понимать, что аспекты различных аспектов настоящего изобретения могут быть полностью или частично взаимозаменяемыми. Кроме того, специалистам в данной области техники будет понятно, что вышеизложенное описание приведено только в качестве примера и не предназначено для ограничения изобретения, описанного далее в указанной формуле изобретения.