способ изготовления бумаги с трехмерным рельефом

Формула изобретения

1. Способ изготовления бумаги, имеющей трехмерный рельеф из чередующихся приподнятых и углубленных частей, который образован в процессе импульсной сушки, при которой влажное бумажное полотно (10) пропускают через, по крайней мере, одну зону прессового зазора (12), содержащую вращающийся нагретый валок (13), при этом бумажному полотну при прохождении через прессовый зазор придают трехмерный рельеф из чередующихся приподнятых и углубленных частей или посредством рельефной сетки, ремня или ленты и/или посредством рельефного рисунка на нагретом валке (13), вдавливаемого в бумажное полотно к противоположному средству (11, 14), отличающийся тем, что бумажное полотно (10) после прессового зазора (12) направляют по значительной части окружности нагретого валка (13) для обеспечения дополнительной сушки бумажного полотна в то время, как оно еще находится в соприкосновении с трехмерным рельефным рисунком.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что бумажное полотно (10) охватывает, по крайней мере, 180^o, предпочтительно, по крайней мере, 270^o окружности нагретого валка.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что кроме нагрева, осуществляемого нагретым валком (13), осуществляют дополнительный нагрев бумажного полотна (10) в секции последующей сушки.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что противоположное средство (11, 14) выполняют с нежесткой поверхностью для придания бумажному полотну трехмерной структуры с общей толщиной больше, чем толщина непрессованного бумажного полотна.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что бумажное полотно при прохождении через прессовый зазор (12) поддерживают сжимаемым прессовым сукном (11), образующим нежесткое противоположное средство.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в прессовом зазоре (12) прессовое сукно (11) прижимают к упругой поверхности (14).

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа изготовления бумаги с трехмерным рельефом из чередующихся приподнятых и углубленных частей, который образован посредством импульсной сушки, при которой влажное бумажное полотно пропускают через, по крайней мере, одну зону прессового зазора, содержащую вращающийся нагретый валок, при этом бумажному полотну при прохождении через прессовый зазор придают трехмерный рельеф из чередующихся приподнятых и углубленных частей посредством рельефной сетки, ремня или ленты, и/или посредством рельефного рисунка на нагретом валке, вдавливаемого в бумажное полотно к противоположному средству.

Влажные бумажные полотна обычно сушат на одном или нескольких нагретых валках. Способ, который обычно применяют для тонкой бумаги, - это т.н. сушка типа "Янки". При сушке типа "Янки" влажное бумажное полотно прижимают к обогреваемому паром цилиндру типа "Янки", который может иметь очень большой диаметр. Дополнительное тепло для сушки подводится посредством вдувания нагретого воздуха. Если изготавливаемой бумагой является мягкая бумага, то бумажное полотно обычно крепируют на цилиндре типа "Янки". Сушке на цилиндре типа "Янки" предшествует вакуумное обезвоживание и мокрый отжим, при которых воду механически отжимают из бумажного полотна.

Другой способ сушки - это т.н. сушка сквозным потоком воздуха /ССПВ/. При этом способе бумагу высушивают горячим воздухом, который продувают через влажное бумажное полотно, причем часто без предшествующего мокрого отжима. Бумажное полотно, которое в этом случае перед поступлением в сушилку для сушки сквозным потоком воздуха подвергают только вакуумному обезвоживанию до степени сухости около 25-30%, высушивают в вышеупомянутой сушилке до степени сухости около 65-95%. Бумажное полотно переносят на специальную сушильную ткань и пропускают поверх т.н. цилиндра ССПВ, имеющего открытое строение. Горячий воздух продувают через бумажное полотно во время его прохождения поверх цилиндра ССПВ. Бумага, изготовленная этим способом, главным образом, мягкая бумага, становится очень мягкой и пухлой. Однако этот способ является очень энергоемким, так как необходимо испарять всю удаляемую воду. При сушке ССПВ рельефная структура сушильной ткани переносится на бумажное полотно. Эта структура по существу сохраняется также и при влажном состоянии бумаги она была придана влажному бумажному полотну. Описание способа ССПВ содержится, например, в US-A-3301746.

Импульсная сушка бумажного полотна описана, например, в SE-B-423118 и вкратце заключается в том, что влажное бумажное полотно пропускают через прессовый зазор между нажимным валком и нагретым валком, который нагрет до такой высокой температуры, что происходит быстрое и сильное парообразование на границе раздела между влажным бумажным полотном и нагретым валком. Нагрев валка осуществляется, например, газовыми горелками или другими нагревательными устройствами, например, посредством электромагнитной индукции. Благодаря тому, что теплопередача к бумаге происходит, главным образом, в прессовом зазоре, достигается чрезвычайно высокая скорость теплопередачи. Во время импульсной сушки из бумажного полотна испаряется не вся вода, но пар на своем пути через бумажное полотно уносит воду из пор между волокнами в бумажном полотне. Благодаря этому эффективность сушки становится очень высокой.

В ЕР-А-0490655 описывается способ изготовления бумажного полотна, особенно мягкой бумаги, при котором бумаге одновременно с импульсной сушкой придают тисненую поверхность. Это тиснение осуществляют вдавливанием рельефного рисунка в бумагу с ее одной или двух сторон по направлению к поддерживающему средству. Это приводит к сжатию бумаги и тем самым к большей плотности в определенных частях непосредственно против выступов и меньшей плотности в промежуточных частях.

Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления бумаги, которая высушена импульсной сушкой и имеет трехмерный рельеф, например мягкой бумаги, предназначенной для использования в качестве туалетной бумаги, кухонной рулонной бумаги, бумажных носовых платков, настольных салфеток и т. п., и которая имеет большую пухлость, высокую эластичность и большую мягкость. Кроме того, структура бумаги должна по существу сохраняться также и во влажном состоянии. Другой задачей является то, что способ должен обеспечивать по возможности полную сушку бумажного полотна в непосредственной связи с импульсной сушкой, чтобы устранить или уменьшить необходимость в дополнительной стадии сушки. Согласно изобретению это достигается тем, что бумажное полотно после указанного прессового зазора направляют по значительной части окружности нагретого валка для обеспечения дополнительной сушки бумажного полотна, когда оно еще находится в соприкосновении с указанным трехмерным рельефным рисунком.

Согласно предпочтительному варианту воплощения изобретения бумажное полотно охватывает, по крайней мере, 180^o, предпочтительно, по крайней мере, 270^o окружности нагретого валка.

Кроме нагрева, осуществляемого нагретым валком, происходит дополнительный нагрев бумажного полотна в последующей сушильной секции.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения изложены с последующем описании и в прилагаемой формуле изобретения.

Ниже изобретение будет подробнее описано со ссылкой на некоторые варианты его воплощения, показанные на сопровождающих чертежах:

фиг.1 и 2 - схематические виды сбоку устройства для импульсной сушки согласно двум разным вариантам воплощения изобретения.

На фиг.1. схематически показано устройство для проведения импульсной сушки бумажного полотна. Влажное бумажное полотно 10, которое обезвожено во всасывающих коробах /не показаны/, поддерживается сеткой или сукном 11 и вводится в прессовый зазор 12 между двумя вращающимися валками 13 и 14, при этом валок 13, который находится в соприкосновении с бумажным полотном, нагревательным устройством 15, нагрет до температуры, которая является достаточно высокой для обеспечения сушки бумажного полотна. Температура поверхности нагретого валка может варьироваться в зависимости от таких факторов, как влагосодержание бумажного полотна, толщина бумажного полотна, продолжительность контакта между бумажным полотном и валком и желаемое влагосодержание готового бумажного полотна. Конечно, температура поверхности не должна быть настолько высокой, чтобы происходило разрушение бумажного полотна. Подходящая температура должна быть в интервале 100-400^oС, предпочтительно 150-350^oС и наиболее предпочтительно 200-350^oС.

Бумажное полотно прижимают к нагретому валку 13 посредством валка 14. Конечно, прижимное устройство может быть выполнено многими другими способами. Кроме того, два или несколько прижимных устройств могут быть расположены одно после другого. В качестве поддерживающего средства 14 может быть также использована прижимная колодка. В прессовый зазор возможен также ввод неподдерживаемого бумажного полотна 10, т.е. полотна, не поддерживаемого никакой сеткой или сукном.

На границе раздела между нагретым валком 13 и влажным бумажным полотном происходит очень быстрое, интенсивное и почти взрывное парообразование, при котором образовавшийся пар уносит воду на своем пути через бумажное полотно. Дополнительное описание способа импульсной сушки содержится в вышеупомянутой SE-B-423118 и, например, в ЕР-А-0337973 и US-A-5556511.

После указанного прессового зазора 12 бумажное полотно 10 направляют по значительной части окружности нагретого валка 13 для обеспечения последующей сушки бумажного полотна в то время, как оно еще находится в соприкосновении с трехмерным рельефным рисунком на валке 13. Бумажное полотно должно охватывать, по крайней мере, 180^o, предпочтительно, по крайней мере, 270^o окружности нагретого валка 13. Благодаря этому бумажное полотно будет находиться в соприкосновении с рельефным рисунком на валке 13 в течение всего процесса сушки, что означает дальнейшую стабилизацию рельефной структуры бумаги в результате импульсной сушки.

Кроме нагрева, осуществляемого нагретым валком 13, можно также проводить дополнительный нагрев бумаги на участке последующей сушки. Согласно варианту воплощения изобретения, показанному на фиг. 1, этот нагрев осуществляют инфракрасным устройством 17, расположенным по окружности валка 13, тогда как на фиг. 2 валок 13 окружен т.н. высокоскоростным колпаком 18, который является обычным при производстве тонкой бумаги и в котором горячие топочные газы от газовой горелки обеспечивают подвод дополнительной энергии для сушки бумаги.

После сушки бумагу сматывают в рулон 16. Необходимо отметить, что при использовании способа импульсной сушки согласно изобретению уменьшается необходимость в крепировании бумаги для придания ей мягкости и пухлости, что является целью при производстве мягкой бумаги, так как трехмерная структура и выбранный рельеф придают бумаге пухлость и мягкость.

Перед поступлением в импульсную сушилку бумажное полотно может быть подвергнуто или только обезвоживанию во всасывающих коробах, или, кроме того, небольшому отжиму.

Одновременно с импульсной сушкой бумаге придают трехмерную структуру. Это может быть сделано так, как показано фиг.1, где нагретый валок 13 снабжен рельефным рисунком для тиснения, состоящим из чередующихся приподнятых и углубленных частей. Эта структура по существу сохраняется также и при более позднем увлажненном состоянии бумаги, так как она придана влажному бумажному полотну в процессе его сушки. Так как термин "тиснение" обычно используют в отношении формования высушенной бумаги, то заявители в дальнейшем используют термин "прессование" для трехмерного формования бумаги, которое происходит одновременно с импульсной сушкой. Благодаря этому прессованию увеличивается пухлость и абсорбционная способность бумаги, которые являются важными свойствами мягкой бумаги.

Бумагу можно также прессовать на нежесткой поверхности, т.е. на сжимаемом прессовом сукне 11. Кроме того, валок 14 может иметь упруго податливую поверхность, например окружающую поверхность из резины. Посредством этого бумаге придают трехмерную структуру, общая толщина которой больше, чем толщина непрессованной бумаги. Благодаря этому бумага приобретает большую пухлость, а тем самым высокую абсорбционную способность и большую мягкость. Кроме того, бумага будет эластичной. Одновременно достигается локальное изменение плотности бумаги.

Бумагу можно прессовать на жесткой поверхности, например сетке 11 и/или валке 14, имеющем твердую поверхность, при этом рельефный рисунок на нагретом валке 13 впрессовывается в бумажное полотно, сильно сдавливая части бумаги напротив выступов, в то время как части бумаги между этими частями остаются несдавленными.

Рельефная структура бумаги может быть также образована посредством рельефных ремня или ленты, которая обегает валок 13, нагревается им и пропускается через зазор 12 между валком 13 и бумажным полотном 10.

С другой стороны, бумажное полотно 10 может во время сушки поддерживаться сеткой 11 с рельефом, который вдавливается в бумажное полотно при его прохождении через прессовый зазор 12 между валками 13 и 14. Валок 13 может быть либо гладким, либо имеющим рельефный рисунок для тиснения. В случае, если валок 13 будет гладким, прессованная бумага будет иметь одну гладкую поверхность и одну поверхность с оттисками. В случае, если валок 13 будет иметь рельефный рисунок для тиснения, он также будет вдавливаться в бумагу, в результате чего бумага с одной стороны будет иметь рельеф, соответствующий структуре сетки 11, ас другой стороны - рельеф, соответствующий имеющемуся на валке рельефному рисунку для тиснения. Эти рельефы могут, но не должны, совпадать и/или быть одинаковыми или разными.

Возможно, что бумажное полотно после первого прессового зазора и перед намоткой в рулон 16 может быть пропущено через второй прессовый зазор /не показан/, где осуществляется вторая импульсная сушка бумажного полотна. Конечно, подразумевается, что бумажное полотно перед вторым прессовым зазором не является совершенно сухим, а имеет влажность, по крайней мере, 10 мас. % и предпочтительно, по крайней мере, 20 мас.%. Это может быть достигнуто, если сушка на первой стадии сушки в прессовом зазоре 12 является неполной и/или если бумажное полотно увлажнено перед второй стадией импульсной сушки.

Одновременно с двумя стадиями импульсной сушки бумажному полотну придают трехмерную структуру. Рельефные оттиски могут быть выдавлены с обеих сторон бумажного полотна. Конечно, могут быть также выдавлены разные рельефные оттиски на одной и той же стороне бумажного полотна. На двух стадиях импульсной сушки в бумажном полотне предпочтительно выдавливают разные рельефные оттиски.

Согласно одному варианту воплощения изобретения в бумажное полотно может быть введен материал, который размягчается или плавится в интервале температур 100-400^oС. В качестве указанного материала могут быть использованы синтетические или природные полимеры с термопластическими свойствами, химически модифицированный лигнин и/или синтетические или природные полимеры в присутствии пластификаторов. Материал может быть в виде порошка, хлопьев, волокон или водной суспензии, например латексной дисперсии. Примерами термопластичных полимеров являются полиолефины, как, например, полиэтилен и полипропилен; сложные полиэфиры и т.д. Материал может быть введен во все бумажное полотно или только в те его части, которые предназначены быть расположенными ближе всего к нагретому валку 13.

Благодаря введению в бумажное полотно указанного материала, который доводят до размягчения или плавления, достигается увеличение количества мест связывания в бумажном полотне. Таким образом, фактически остаются стабильными изменение основного веса и трехмерная структура, которая была придана бумажному полотну в результате совместных импульсной сушки и прессования. Эта структура сохраняется также и при влажном состоянии бумаги.

Бумага может быть изготовлена из ряда различных видов волокнистой массы. Если не учитывать волокнистую массу, которую получают из макулатуры и которую в настоящее время в большой степени используют для изготовления, главным образом, туалетной бумаги и кухонной рулонной бумаги, наиболее широко используемым видом волокнистой массы для изготовления мягкой бумаги является целлюлоза. Содержание лигнина в такой волокнистой массе практически равно нулю, а волокна, которые состоят в основном из чистой целлюлозы, являются сравнительно тонкими и гибкими. Целлюлоза - это волокнистая масса с низким выходом, так как выход в расчете на используемую сырьевую древесину составляет около 50%. Следовательно, она является сравнительно дорогой волокнистой массой.

Поэтому для изготовления мягкой бумаги, а также других видов бумаги, например газетной бумаги, картона и т.п. обычно используют более дешевые, т.н. древесные массы с высоким выходом, например механическую древесную массу, термомеханическую древесную массу, химико-механическую древесную массу /ХМДМ/ или химико-термомеханическую древесную массу /ХТМДМ/. В древесных массах с высоким выходом волокна крупнее и содержат большое количество лигнина, смол и гемицеллюлозы. Лигнин и смолы придают волокнам более гидрофобные свойства и пониженную способность образовывать водородные связи. Введение определенного количества химико-термомеханической древесной массы в мягкую бумагу оказывает положительное влияние на такие свойства, как пухлость и абсорбционная способность, вследствие ослабленного сцепления между волокнами.

Особой разновидностью химико-термомеханической древесной массы/ХТМДМ/ является т. н. высокотемпературная химико-термомеханическая древесная масса /ВТ-ХТМДМ/, производство которой отличается от производства ХТМДМ обычного типа, главным образом, применением более высокой температуры для пропитки, предварительного нагрева и рафинирования, предпочтительно не ниже чем 140^oС. За более подробным описанием способа изготовления ВТ-ХТМДМ отсылаем к WO 95/34711. ВТ-ХТМДМ отличается тем, что она является длинноволокнистой, легкообезвоживаемой и пухлой древесной массой с высоким выходом и низким содержанием пучков и обрывков волокон.

Согласно изобретению обнаружено, что древесная масса с высоким выходом особенно подходит для импульсной сушки, так как она не чувствительна к давлению, легко обезвоживается и имеет открытую структуру, которая допускает прохождение через нее образовавшегося пара. Это сводит к минимуму риск перегрева и разрушения бумаги во время импульсной сушки, которая проводится при значительно более высоких температурах, чем при других способах сушки. Нечувствительность к давлению и открытая структура объясняются тем, что в древесной массе с высоким выходом волокна являются относительно крупными и жесткими по сравнению с волокнами в целлюлозе.

Другим преимуществом является то, что трехмерный рельеф, приданный бумаге, по существу сохраняется также и при влажном состоянии бумаги, так как этот рельеф придается влажному бумажному полотну одновременно с его сушкой. Кроме того, импульсная сушка проводится при значительно более высокой температуре, чем, например, сушка типа "Янки" или сушка сквозным потоком воздуха, при этом согласно теории, с которой, однако, изобретение не связано, при одновременных импульсной сушке и прессовании достигается температура размягчения лигнина, присутствующего в древесной массе с высоким выходом. Когда бумага становится холоднее, лигнин снова затвердевает и способствует хранению стабильности трехмерной структуры, которая была придана бумаге. Поэтому она по существу сохраняется и при влажном состоянии бумаги, что намного улучшает пухлость и абсорбционные свойства бумаги.

Согласно одному варианту воплощения изобретения бумага содержит определенное количество древесной массы с высоким выходом, и указанное количество в расчете на сухой вес волокон должно быть равным, по крайней мере, 10 мас. %, предпочтительно, по крайней мере, 30 мас.% и более предпочтительно, по крайней мере, 50 мас.%. Примешивание определенного количества другой волокнистой массы с высокими прочностными свойствами, как, например, целлюлозы, предпочтительно длинноволокнистой крафт-целлюлозы или волокнистой массы, полученной из макулатуры, является преимуществом, если целью является высокая прочность бумаги. Однако изобретение не ограничено использованием определенного вида волокнистой массы в бумаге, а может быть применено с любым произвольным видом волокнистой массы или со смесью из разных видов волокнистой массы.

Согласно другому варианту воплощения изобретения бумажному полотну 10 посредством формования и обезвоживания может быть придан упорядоченно изменяющийся основной вес. Это может быть достигнуто, например, посредством формования и обезвоживания бумажного полотна на сетке, ленте или ремне, обезвоживающая способность которых изменяется согласно определенному порядку, и при этом различия в обезвоживающей способности вызывают определенное смещение волокон и тем самым локальное изменение основного веса бумажного полотна.

Изменение основного веса, придаваемое бумажному полотну 10 посредством формования и обезвоживания, остается стабильным на последующей стадии импульсной сушки, причем эта структура по существу сохраняется также и при влажном состоянии бумаги.

Согласно другому варианту воплощения изобретения бумажное полотно имеет состав, изменяющийся по его толщине таким образом, что, по крайней мере, слой /слои/, который будет расположен ближе всего к нагретому валку 13 при импульсной сушке, содержит определенное количество материала, который размягчается, плавится или затвердевает в интервале температур 100-400^oС. Благодаря этому бумага будет приобретать поверхностный слой, который способствует усилению структурной стабильности бумаги также и во влажном состоянии. С другой стороны, может быть выбран состав волокнистой массы в остальных слоях бумаги для оптимизации других свойств, как, например, мягкости, прочности, пухлости и формуемости.

В качестве указанного материала, который может размягчаться, плавиться или затвердевать при импульсной сушке, могут быть использованы вещества для придания влагопрочности, синтетические или природные полимеры с термопластическими свойствами, химически модифицированный лигнин и/или синтетические или природные полимеры в присутствии пластификаторов или лигнинсодержащая древесная масса с высоким выходом.

Конечно, в бумаге могут быть также использованы обычные добавки, как, например, вещества для придания влагопрочности, пластификаторы, наполнители и т. п. После импульсной сушки бумажное полотно может быть подвергнуто различным известным процессам обработки, как, например, введению различных химических веществ, последующему тиснению, ламинированию и т.п. Кроме того, бумажное полотно можно передавать между двумя разными сетками, например от обезвоживающей сетки к сушильней сетке, с образованием разности скоростей между сетками, чтобы происходило замедление бумажного полотна при передаче. В этом случае бумажное полотно будет сжиматься до определенной степени, что еще более увеличит мягкость.