KR102572831B1

KR102572831B1 - 다층 크레이핑 벨트를 사용하여 종이 제품을 제조하는 방법 및 다층 크레이핑 벨트를 사용하여 제조된 종이 제품

Info

Publication number: KR102572831B1
Application number: KR1020227015519A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 에이치. 스즈; 훙 리앙 초우; 시아오린 판
Original assignee: 쥐피씨피 아이피 홀딩스 엘엘씨
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2023-08-30
Also published as: JP2017534772A; CA3136098A1; US20160090698A1; JP7333297B2; US10731301B2; CL2021002337A1; BR112017005250A2; KR102463905B1; CL2017000701A1; MX2023003429A; JP2021001431A; CO2017003340A2; JP2020051021A; JP7160490B2; MX2017003942A; KR20170058982A; US20190078268A1; KR20220066186A; CU20170040A7; WO2016049546A1

Abstract

본 발명은 셀룰로오스 시트를 크레이핑하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 수성 제지 완성 지료로부터 초기 웹을 제조하는 단계; (i) 복수의 개구(506)을 갖는, 중합체 재료로부터 제조된 제1 층(502), 및 (ii) 상기 제1 층의 표면에 부착된 제2 층(504)를 포함하는 다층 크레이핑 벨트 상에 상기 초기 웹을 침착시키고 크레이핑하는 단계로서, 상기 초기 웹은 상기 제1 층 상에 침착되는, 단계; 및 상기 크레이핑 벨트에 진공을 가하여, 상기 초기 웹이 상기 복수의 개구 내로 인출되지만, 상기 제2 층 내로는 인출되지 않도록 하는 단계를 포함한다.

Description

다층 크레이핑 벨트를 사용하여 종이 제품을 제조하는 방법 및 다층 크레이핑 벨트를 사용하여 제조된 종이 제품{METHODS OF MAKING PAPER PRODUCTS USING A MULTILAYER CREPING BELT, AND PAPER PRODUCTS MADE USING A MULTILAYER CREPING BELT}

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2014년 9월 25일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/055,261호 (이는 그 전문이 본원에 참조로 포함됨)를 기초로 한다.

기술분야

본 발명은 제지 공정에서 셀룰로오스 웹(web)을 크레이핑하는 데 사용될 수 있는 다층 벨트에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 제지 공정에서 크레이핑을 위해 다층 벨트를 사용하여 종이 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한 추가로, 본 발명은 우수한 특성을 갖는 종이 제품에 관한 것이다.

종이 제품, 예컨대 티슈 및 타월을 제조하는 방법은 널리 알려져 있다. 이러한 방법에서, 수성 초기 웹(nascent web)은 제지 완성 지료(furnish)로부터 초기에 형성된다. 상기 초기 웹은, 예를 들어 중합체 재료로부터 제조된, 통상적으로 프레스 직물 형태의 벨트-구조체를 사용하여 탈수된다. 일부 제지 공정에서, 탈수 후, 형상 또는 3차원 텍스쳐가 웹에 부여되며, 이에 의해 상기 웹은 구조화된 시트로서 지칭된다. 웹에 형상을 부여하는 하나의 방식은, 웹은 여전히 반고체의 성형가능한 상태로 있으면서 크레이핑 조작을 사용하는 것을 포함한다. 크레이핑 조작은 크레이핑 구조체, 예컨대 벨트 또는 구조화 직물을 사용하고, 크레이핑 조작은 크레이핑 닙(nip)에서 압력 하에 발생하며, 웹은 상기 닙에서 크레이핑 구조체 내 개구 내로 강제 처리된다. 크레이핑 조작에 후속으로, 웹을 크레이핑 구조체 내 개구 내로 추가로 인출하는 데 진공이 또한 사용될 수 있다. 형상화 조작(들)이 완료된 후, 널리 알려진 장비, 예를 들어 양키(Yankee) 건조기를 사용하여 상기 웹을 건조시켜 임의의 남아있는 물을 실질적으로 제거한다.

당업계에 알려진 구조화 직물 및 벨트의 상이한 구성이 존재한다. 제지 공정에서 크레이핑에 사용될 수 있는 벨트 및 구조화 직물의 구체적인 예는 미국 특허 번호 8,152,957 및 미국 특허 출원 공개 번호 2010/0186913 (이들은 그 전문이 본원에 참조로 포함됨)에서 볼 수 있다.

구조화 직물 또는 벨트는 이들을 크레이핑 조작에 사용하기에 적합하게 하는 다수의 특성을 갖는다. 특히, 중합체 재료, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)로부터 제조된 직조 구조화 직물은 강성이고, 치수 안정하며, 직조 구조를 구성하는 방적사들 사이의 공간 및 직조 패턴으로 인하여 3차원 텍스쳐를 갖는다. 따라서, 직물은 제지 공정 동안 제지 기계 상에서의 조작의 응력 및 변형을 견딜 수 있는, 강성일 뿐만 아니라 가요성인 크레이핑 구조체를 제공할 수 있다. 그러나, 구조화 직물은 모든 크레이핑 조작에 이상적으로 적합하지는 않다. 형상화 동안 웹이 그 내부로 인출되는 구조화 직물 내의 개구는 직조 방적사들 사이의 공간으로서 형성된다. 보다 구체적으로, 상기 개구는, 기계 방향 (MD) 및 교차 기계 방향 (CD) 둘 모두에서 특정한 목적하는 패턴으로의 직조 방적사의 "너클(knuckle)" 또는 크로스오버(crossover)가 존재하는 바와 같이 3차원 방식으로 형성된다. 이에 따라, 구조화 직물에 대해 구성될 수 있는 본래 제한된 다양성의 개구가 존재한다. 또한, 방적사를 구성하는 직조 구조인 직물의 성질만으로도, 형성될 수 있는 개구의 최대 크기 및 가능한 형상을 효과적으로 제한한다. 또한, 특정하게 구성된 개구를 갖는 임의의 직물을 설계 및 제조하는 것은 고가이며, 시간-소모적인 공정이다. 따라서, 직조 구조화 직물은 강도, 내구성 및 가요성에 관하여 제지 공정에서의 크레이핑에 구조적으로 매우 적합하지만, 직조 구조화 직물을 사용하는 경우 달성될 수 있는 제지 웹에 대한 형상화 유형에 대한 제한이 존재한다. 결과적으로, 크레이핑 조작을 사용하여 제조된 종이 제품의 보다 높은 두께(caliper) 및 보다 높은 연성을 동시에 달성하는 것은 어렵다.

직조 구조화 직물에 대한 대안으로서, 압출된 중합체 벨트 구조체가 크레이핑 조작에서 웹-형상화 표면으로서 사용될 수 있다. 구조화 직물과 다르게, 상이한 크기 및 상이한 형상의 개구가, 예를 들어 레이저 드릴링 또는 기계적 펀칭에 의해 중합체 구조체에 형성될 수 있다. 그러나, 개구 형성 시 중합체 벨트 구조체로부터의 재료의 제거는 상기 벨트의 강도, 내구성 및 MD 내연신성을 감소시키는 효과를 갖는다. 따라서, 중합체 벨트를 제지 공정에 대해 여전히 실행가능하도록 하면서 상기 벨트에서 형성될 수 있는 개구의 크기 및/또는 밀도에 대한 실제적인 제한이 존재한다. 또한, 벨트 구조체 형성에 잠재적으로 사용될 수 있는 거의 모든 모놀리식 중합체 재료 (즉, 단일 층의 압출된 중합체 재료)는 직조 구조와 비교하여 모놀리식 재료의 성질로 인하여 전형적인 구조화 직물보다 덜 강성이며, 덜 내연신성일 것이다.

제지 조작에서 압출된 중합체 층을 갖는 중합체 벨트 구조체를 사용하기 위한 시도들이 이루어져왔다. 예를 들어, 미국 특허 번호 4,446,187은, 벨트를 강화하기 위해 적어도 직조 직물에 부착된 폴리우레탄 포일(foil) 또는 필름을 포함하는 벨트 구조체를 개시하고 있다. 그러나, 이러한 벨트 구조체는 제지 기계의 형성, 프레스 및/또는 건조 섹션에서의 탈수 조작에 사용되도록 구성된다. 이에 따라, 이러한 벨트 구조체는 크레이핑 조작에서와 같은 웹 구조화를 수행하기에 충분한 크기의 개구를 갖지 않는다.

제지 공정에 사용되는 임의의 크레이핑 벨트 또는 직물에 대한 추가의 제약은, 종이 제품의 제조에 사용되는 셀룰로오스 섬유가 제지 공정 동안 크레이핑 벨트 또는 직물을 통해 통과하는 것을 실질적으로 방지하기 위한, 크레이핑 벨트 또는 직물에 대한 요구사항이다. 크레이핑 벨트 또는 직물을 통해 완전히 통과하는 섬유는 제지 공정에 대해 유해한 효과를 가질 것이다. 예를 들어, 진공 박스로부터의 진공이 웹을 크레이핑 구조체의 개구 내로 인출하는 데 사용되는 경우 웹으로부터의 상당량의 섬유가 크레이핑 벨트 또는 직물을 통해 완전히 인발(pull-through)된다면, 섬유는 결국 상기 진공 박스의 외측 림(rim) 상에 축적될 것이다. 결과적으로, 진공 박스 및 크레이핑 구조체 사이의 밀봉으로부터의 공기 누출로 인하여 종이 제품의 두께는 실질적으로 감소할 것이다. 또한, 종이 제품 특성에서의 원치 않는 변형을 일으키는 상기 축적된 섬유는 또한 진공 박스의 외측 림으로부터 세정 제거되어야 할 것이다. 상기 세정 조작은 제지 기계에 대한 고가의 다운 타임(down time) 및 생산 손실을 유발한다. 일반적으로, 제지 공정 동안 1 퍼센트 미만의 섬유가 크레이핑 벨트 또는 직물을 통해 완전히 통과해야 하는 것이 바람직하다.

일 측면에 따르면, 본 발명은 셀룰로오스 시트를 크레이핑하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 수성 제지 완성 지료로부터 초기 웹을 제조하는 단계, 및 상기 초기 웹을 다층 크레이핑 벨트 상에 침착시키고 크레이핑하는 단계를 포함한다. 상기 크레이핑 벨트는 (i) 복수의 개구를 갖는, 중합체 재료로부터 제조된 제1 층, 및 (ii) 상기 제1 층의 표면에 부착된 제2 층을 포함하며, 상기 초기 웹은 상기 제1 층 상에 침착된다. 상기 크레이핑 벨트에 진공을 가하여, 상기 초기 웹이 상기 복수의 개구 내로 인출되고, 상기 제2 층 내로는 인출되지 않도록 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 크레이핑된 웹은, 수성 제지 완성 지료로부터 초기 웹을 제조하는 단계 및 상기 초기 웹을 다층 벨트 상에서 크레이핑하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된다. 상기 다층 벨트는 (i) 복수의 개구를 갖는, 중합체 재료로부터 제조된 제1 층, 및 (ii) 상기 제1 층에 부착된 제2 층을 포함하며, 상기 초기 웹은 상기 제1 층의 표면 상에 침착된다. 상기 방법은 또한 상기 크레이핑된 웹을 캘린더링 공정 없이 건조 및 인출하는 단계를 포함한다. 상기 초기 웹은 상기 다층 벨트의 제1 층에서의 복수의 개구 내로 인출되지만, 상기 제2 층 내로는 인출되지 않아, 상기 크레이핑된 웹에 복수의 돔(dome) 구조를 제공하도록 한다.

추가의 측면에 따르면, 본 발명은 상부 측 및 하부 측을 갖는 셀룰로오스 섬유의 흡수성 시트를 제공한다. 상기 흡수성 시트는 상기 시트의 상부 측으로부터 돌출되는 복수의 중공 돔 영역을 포함하며, 각각의 상기 중공 돔 영역은, 중공 돔 영역 에지 상의 적어도 하나의 제1 지점으로부터 상기 중공 돔 영역의 대향 측에서의 에지 상의 제2 지점까지의 거리가 적어도 약 0.5 mm이도록 형상화된다. 상기 흡수성 시트는 상기 시트의 중공 돔 영역을 상호연결하는 네트워크를 형성하는 연결 영역을 또한 포함한다. 상기 흡수성 시트는 적어도 약 140 mil/8개 시트의 두께를 갖는다.

또 다른 추가의 측면에 따르면, 본 발명은 상부 측 및 하부 측을 갖는 셀룰로오스 섬유의 흡수성 시트를 제공한다. 상기 흡수성 시트는 상기 시트의 상부 측으로부터 돌출되는 복수의 중공 돔 영역을 포함하며, 각각의 상기 중공 돔 영역은 적어도 약 1.0 mm³의 부피를 한정한다. 상기 흡수성 시트는 상기 시트의 중공 돔 영역을 상호연결하는 네트워크를 형성하는 연결 영역을 또한 포함한다.

또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 상부 측 및 하부 측을 갖는 셀룰로오스 섬유의 흡수성 시트를 제공한다. 상기 흡수성 시트는 상기 시트의 상부 측으로부터 돌출되는 복수의 중공 돔 영역을 포함하며, 각각의 상기 중공 돔 영역은 적어도 약 0.5 mm³의 부피를 한정한다. 상기 흡수성 시트는 상기 시트의 중공 돔 영역을 상호연결하는 네트워크를 형성하는 연결 영역을 또한 포함한다. 상기 흡수성 시트는 적어도 약 130 mil/8개 시트의 두께를 갖는다.

또 다른 추가의 측면에 따르면, 본 발명은 상부 측 및 하부 측을 갖는 셀룰로오스 섬유의 흡수성 시트를 제공한다. 상기 흡수성 시트는 상기 시트의 상부 측으로부터 돌출되는 복수의 중공 돔 영역, 및 상기 시트의 중공 돔 영역을 상호연결하는 네트워크를 형성하는 연결 영역을 포함한다. 상기 흡수성 시트는 적어도 약 145 mil/8개 시트의 두께를 가지며, 상기 흡수성 시트는 약 3500 g/3 in 미만의 GM 인장을 갖는다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상부 측 및 하부 측을 갖는 셀룰로오스 섬유의 흡수성 시트가 제공된다. 상기 흡수성 시트는 상기 시트의 상부 측으로부터 돌출되는 복수의 중공 돔 영역, 및 상기 시트의 중공 돔 영역을 상호연결하는 네트워크를 형성하는 연결 영역을 포함한다. 상기 중공 돔 영역의 기계 방향 (MD)에서의 선단 측(leading side) 상의 섬유 밀도는 상기 중공 돔 영역의 MD 방향에서의 후단 측(trailing side) 상의 섬유 밀도보다 실질적으로 더 작다.

도 1은 본 발명과 함께 사용될 수 있는 제지 기계 구성의 도식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제지 기계의 습식-프레스 이송 및 벨트 크레이핑 섹션을 예시하는 도식도이다.
도 3a는 본 발명의 일 구현예에 따른 다층 크레이핑 벨트의 일부분의 횡단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 상기 일부분의 상면도이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 다층 크레이핑 벨트의 일부분의 횡단면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 상기 일부분의 상면도이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 구현예에 따른 흡수성 셀룰로오스 시트의 벨트-측의 현미경 사진 (50×)의 상면도이다.
도 6a 내지 6c는 도 5a 내지 5c에 도시된 흡수성 셀룰로오스 시트의 다른 측의 현미경 사진 (50×)의 저면도이다.
도 7a(1) 내지 7c(2)는 도 5a 내지 5c에 도시된 흡수성 셀룰로오스 시트에서의 돔 구조의 현미경 사진 (100×)의 상면도 및 저면도이다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 구현예에 따른 흡수성 셀룰로오스 시트의 돔 구조의 현미경 사진 (40×)의 횡단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 종이 제품에서의 돔 영역의 크기의 측정도이다.
도 10은 본 발명에 따른 종이 제품의 돔 영역에서의 섬유 밀도 분포의 표시이다.
도 11은 본 발명에 따른 종이 제품의 돔 영역에서의 섬유 밀도 분포의 표시 (그레이스케일(grayscale))이다.
도 12는 종이 제품에 대한 감각 연성(sensory softness) 및 GM 인장 사이의 관계식의 플롯이다.
도 13은 본 발명에 따른 종이 제품에 대한 두께 및 GM 인장 사이의 관계식의 플롯이다.
도 14는 본 발명에 따른 종이 제품의 두께 및 본 발명에 따른 다층 벨트 구조적 구성에서의 개구의 부피 사이의 관계식의 플롯이다.
도 15는 본 발명에 따른 종이 제품의 두께 및 본 발명에 따른 다층 벨트 구조적 구성에서의 개구의 부피 사이의 관계식의 플롯이다.
도 16은 본 발명에 따른 종이 제품의 두께 및 본 발명에 따른 다층 벨트 구조적 구성에서의 개구의 직경 사이의 관계식의 플롯이다.

일 측면에서, 본 발명은 제지 방법의 부분으로서의 웹 크레이핑에 사용될 수 있는 다층 구조를 갖는 벨트를 사용하는 제지 방법에 관한 것이다. 추가로 본 발명은, 우수한 특성을 가지며, 다층 크레이핑 벨트를 사용하여 형성될 수 있는 종이 제품에 관한 것이다.

본원에 사용된 용어 "종이 제품"은 주요 구성성분으로서 셀룰로오스를 갖는 제지 섬유를 포함하는 임의의 제품을 포함한다. 이는, 예를 들어 종이 타월, 화장지, 안면 티슈 등으로서 시판되는 제품을 포함할 것이다. 제지 섬유는 천연 펄프 또는 재활용 (2차) 셀룰로오스 섬유, 또는 셀룰로오스 섬유를 포함하는 섬유 혼합물을 포함한다. 목질 섬유는, 예를 들어 낙엽수 및 침엽수로부터 얻은 목질 섬유, 예컨대 북부 및 남부 침엽수재 크래프트 섬유와 같은 침엽수재 섬유, 및 유칼립투스, 단풍나무, 자작나무, 백양나무 등과 같은 활엽수재 섬유를 포함한다. 본 발명의 웹 제조에 적합한 섬유의 예는 비-목질 섬유, 예컨대 면 섬유 또는 면 유도체, 마닐라삼(abaca), 양마(kenaf), 사바이초(sabai grass), 아마(flax), 에스파르토초(esparto grass), 밀짚, 황마 삼베(jute hemp), 버개스(bagasse), 밀크위드 솜(milkweed floss) 섬유 및 파인애플 잎 섬유를 포함한다. "완성 지료" 및 유사 용어는 종이 제품을 제조하기 위한 제지 섬유 및 임의로 습윤 강도 수지, 탈결합제 등을 포함하는 수성 조성물을 지칭한다.

본원에 사용된 바와 같이, 제지 공정에서 완제품으로 건조되는 초기 섬유 및 액체 혼합물은 "웹" 및/또는 "초기 웹"로서 지칭될 것이다. 제지 공정으로부터 건조된 1겹(ply) 제품은 "베이스시트"로서 지칭될 것이다. 또한, 제지 공정의 제품은 "흡수성 시트"로서 지칭될 수 있다. 이에 관하여, 흡수성 시트는 단일 베이스시트와 동일할 수 있다. 별법으로, 흡수성 시트는 다겹 구조에서와 같이 복수의 베이스시트를 포함할 수 있다. 또한, 흡수성 시트는 초기 베이스시트 형성 공정에서 건조된 후 추가의 가공, 예를 들어 양각화(embossing)을 겪었을 수 있다.

본원에서 본 발명을 설명할 때, 용어 "기계-방향" (MD) 및 "교차 기계-방향" (CD)은 당업계에서 이들의 널리 이해되는 의미에 따라 사용될 것이다. 즉, 벨트 또는 다른 크레이핑 구조체의 MD는 벨트 또는 다른 크레이핑 구조체가 제지 공정에서 이동하는 방향을 지칭하며, CD는 상기 벨트 또는 크레이핑 구조체의 MD를 교차하는 방향을 지칭한다. 유사하게, 종이 제품을 언급하는 경우, 종이 제품의 MD는 상기 제품이 제지 공정에서 이동하는 상기 제품에 대한 방향을 지칭하고, CD는 종이 제품의 MD를 교차하는 상기 제품에 대한 방향을 지칭한다.

제지 기계

본 발명의 벨트를 이용하고, 본 발명의 제품을 제조하는 방법은 임의 분포의 섬유를 갖는 제지 완성 지료를 밀집하여 탈수하여 반고체 웹을 형성하는 단계, 및 이어서 상기 웹을 벨트 크레이핑하여, 목적하는 특성을 갖는 종이 제품을 달성하도록 상기 섬유를 재분포시키고 웹을 형상화하는 단계를 포함할 수 있다. 제지 방법의 이러한 단계는 다수의 상이한 구성을 갖는 제지 기계 상에서 수행될 수 있다. 이러한 제지 기계의 2개의 예가 이제 기재될 것이다.

도 1은 제지 기계(200)의 제1 예를 도시한다. 제지 기계(200)은 크레이핑 조작이 수행되는 프레스 섹션(100)을 포함하는 3종-직물 루프 기계이다. 상기 프레스 섹션(100)의 상류는 형성 섹션(202)이며, 제지 기계(200)의 경우 이는 당업계에서 크레센트 형성기(crescent former)로서 지칭된다. 상기 형성 섹션(202)는, 완성 지료를 롤(208 및 210)에 의해 지지되는 형성 와이어(206) 상에 침착시키며, 이에 의해 초기에 제지 웹을 형성하는 헤드박스(204)를 포함한다. 상기 형성 섹션(202)는, 제지 펠트(102)를 지지하여 웹(116)이 또한 상기 제지 펠트(102) 상에서 바로 형성되도록 하는 형성 롤(212)를 또한 포함한다. 펠트 런(felt run)(214)는 슈 프레스(shoe press) 섹션(216)으로 연장되며, 여기서 습윤 웹은 백킹 롤(backing roll)(108) 상에 침착되고, 웹(116)은 상기 백킹 롤(108)로의 이송과 동시에 습식-프레스된다.

제지 기계(200)의 구성에 대한 대안의 일례는 크레센트 형성 섹션(202) 대신에 트윈-와이어 형성 섹션을 포함한다. 이러한 구성에서, 트윈-와이어 형성 섹션의 하류인 이러한 제지 기계의 성분의 나머지는 제지 기계(200)과 유사한 방식으로 구성 및 배열될 수 있다. 트윈-와이어 형성 섹션을 갖는 제지 기계의 예는 상기 언급된 미국 특허 출원 공개 번호 2010/0186913에서 볼 수 있다. 제지 기계에 사용될 수 있는 별법의 형성 섹션의 또 다른 추가의 예는 C-랩 트윈 와이어 형성기(C-wrap twin wire former), S-랩 트윈 와이어 형성기 또는 흡인 브레스트 롤 형성기(suction breast roll former)를 포함한다. 통상의 기술자는 이러한 형성 섹션 또는 심지어 또한 추가의 별법의 형성 섹션이 어떻게 제지 기계 내로 통합될 수 있는지 알 것이다.

웹(116)은 벨트 크레이프 닙(120)에서 크레이핑 벨트(112) 상으로 이송된 다음, 하기에 보다 상세히 기재될 바와 같이 진공 박스(114)에 의해 진공 인출된다. 이러한 크레이핑 조작 후, 웹(116)은 크레이핑 접착제를 사용하여 또 다른 프레스 닙(216)에서 양키 건조기(218) 상에 침착된다. 상기 양키 건조기(218)로의 이송은, 예를 들어 약 250 선형 인치당 파운드(pound per linear inch) (PLI) 내지 약 350 PLI (약 43.8 kN/미터 내지 약 61.3 kN/미터)의 압력에서 웹(116) 및 양키 표면 사이의 약 4% 내지 약 40%의 가압 접촉 면적을 가지며 일어날 수 있다. 상기 닙(216)에서의 이송은, 예를 들어 약 25% 내지 약 70%의 웹 조도에서 일어날 수 있다. 본원에 사용된 "조도"는, 예를 들어 완전 건조 기본(bone dry basis)에 대해 계산된 초기 웹의 고체의 백분율을 지칭함을 주목한다. 약 25% 내지 약 70%의 조도에서, 웹(116)을 크레이핑 벨트(112)로부터 완전히 제거하기에 충분히 견고하게 상기 웹을 양키 건조기(218)의 표면에 부착시키는 것은 때때로 어렵다. 상기 웹(116) 및 상기 양키 건조기(218)의 표면 사이의 부착력을 증가시키기 위해, 접착제가 상기 양키 건조기(218)의 표면에 도포될 수 있다. 상기 접착제는 시스템의 고속 조작 및 높은 분사 속도의 충돌 공기 건조를 가능하게 할 수 있으며, 또한 양키 건조기(218)로부터의 웹(116)의 후속 박리를 가능하게 할 수 있다. 이러한 접착제의 예는 폴리(비닐 알콜)/폴리아미드 접착제 조성물이며, 이러한 접착제의 예시적인 도포 속도는 약 40 mg/m²(시트) 미만의 속도이다. 그러나, 통상의 기술자는 매우 광범위한 별법의 접착제, 및 추가로 양키 건조기(218)로의 웹(116)의 이송을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있는 접착제의 양을 알 것이다.

웹(116)은 가열된 실린더인 양키 건조기(218) 상에서 그리고 양키 건조기(218) 둘레의 양키 후드에서 높은 분사 속도의 충돌 공기에 의해 건조된다. 상기 양키 건조기(218)이 회전할 때, 웹(116)은 위치(220)에서 상기 건조기(218)로부터 박리된다. 이어서, 웹(116)은 후속으로 테이크-업 릴(take-up reel) (도시되지 않음) 상에 권취될 수 있다. 상기 릴은 웹(116)에 추가의 크레이프를 부여하기 위해 정상-상태에서 상기 양키 건조기(218)보다 더 빠르게 작동될 수 있다. 임의로, 크레이핑 닥터 블레이드(doctor blade)(222)가 웹(116)을 종래 건식-크레이핑하는 데 사용될 수 있다. 임의의 경우에, 세정 닥터(cleaning doctor)가 간헐적 맞물림을 위해 장착되고, 빌드 업(build up)을 제어하는 데 사용될 수 있다.

도 2는 크레이핑이 일어나는 프레스 섹션(100)의 상세사항을 도시한다. 상기 프레스 섹션(100)은 제지 펠트(102), 흡인 롤(104), 프레스 슈(106) 및 백킹 롤(108)을 포함한다. 상기 백킹 롤(108)은, 예를 들어 증기에 의해 임의로 가열될 수 있다. 상기 프레스 섹션(100)은 크레이핑 롤(110), 크레이핑 벨트(112) 및 진공 박스(114)를 또한 포함한다. 상기 크레이핑 벨트(112)는 하기에 상세히 기재될 본 발명의 다층 벨트로서 구성될 수 있다.

크레이핑 닙(120)에서, 웹(116)은 상기 크레이핑 벨트(112)의 상단 측 상으로 이송된다. 상기 크레이핑 닙(120)은 상기 백킹 롤(108) 및 상기 크레이핑 벨트(112) 사이에 한정되며, 상기 크레이핑 벨트(112)는 상기 크레이핑 롤(110)의 표면(172)에 의해 상기 백킹 롤(108)에 대해 프레스된다. 크레이핑 닙(120)에서의 이러한 이송에서, 웹(116)의 셀룰로오스 섬유는 하기 상세히 기재될 바와 같이 재위치 및 배향된다. 웹(116)이 상기 크레이핑 벨트(112) 상으로 이송된 후, 극미한 주름들(minute folds)을 적어도 부분적으로 인출해내기 위해 상기 웹(116)에 흡인을 가하는 데 진공 박스(114)가 사용될 수 있다. 가해진 흡인은 웹(116)을 상기 크레이핑 벨트(112)에서의 개구 내로 인출하며 이에 의해 상기 웹(116)을 추가로 형상화하는 것을 또한 보조할 수 있다. 웹(116)의 이러한 형상화에 대한 추가의 상세사항은 하기에 기재될 것이다.

상기 크레이핑 닙(120)은 일반적으로 어느 곳에서든지의 벨트 크레이핑 닙 거리 또는 폭에 걸쳐, 예를 들어 약 1/8 in. 내지 약 2 in. (약 3.18 mm 내지 약 50.8 mm), 보다 구체적으로 약 0.5 in. 내지 약 2 in. (약 12.7 mm 내지 약 50.8 mm)로 연장된다. 상기 크레이핑 닙(120)에서의 닙 압력은 크레이핑 롤(110) 및 백킹 롤(108) 사이의 하중으로부터 발생한다. 크레이핑 압력은 일반적으로 약 20 내지 약 100 PLI (약 3.5 kN/미터 내지 약 17.5 kN/미터), 보다 구체적으로 약 40 PLI 내지 약 70 PLI (약 7 kN/미터 내지 약 12.25 kN/미터)이다. 10 PLI (1.75 kN/미터) 또는 20　PLI (3.5kN/미터)의, 상기 크레이핑 닙(120)에서의 최소 압력이 종종 필요하지만, 통상의 기술자는 상업적 기계에서 최대 압력은 이용되는 특정한 기계에 의해서만 제한되며 가능한 한 높을 수 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 실용적인 경우 그리고 속도 델타가 유지될 수 있는 한, 100 PLI (17.5 kN/미터), 500 PLI (87. 5 kN/미터) 또는 1000 PLI (175 kN/미터) 이상을 초과한 압력이 사용될 수 있다.

일부 구현예에서, 웹(116)의 섬유간 특성을 재구조화하는 것이 바람직할 수 있지만, 다른 경우에 웹(116)의 평면에서만 특성에 영향을 미치는 것이 목적될 수 있다. 크레이핑 닙 파라미터는 다양한 방향에서 웹(116)에서의 섬유의 분포에 영향을 미칠 수 있으며, 예컨대 z-방향 (즉, 웹(116)의 벌크), 뿐만 아니라 MD 및 CD에서의 변화를 유도한다. 임의의 경우에, 상기 크레이핑 벨트(112)로부터의 이송은, 상기 크레이핑 벨트(112)가 웹(116)이 상기 백킹 롤(108)로부터 벗어나 주행하는 것보다 더 느리게 주행하며, 유의한 속도 변화가 일어난다는 점에서 큰 영향을 받는다. 이에 관하여, 크레이핑의 정도는 종종 크레이핑 비로서 지칭되며, 상기 비는 하기와 같이 계산된다:

크레이핑 비 (%) = S₁/S₂ - 1

여기서, S₁는 상기 백킹 롤(108)의 속도이고, S₂는 상기 크레이핑 벨트(112)의 속도이다. 전형적으로, 웹(116)은 약 5% 내지 약 60%의 비로 크레이핑된다. 사실상, 높은 정도의 크레이프가 이용될 수 있으며, 이는 100%에 도달하거나 또는 심지어 이를 초과한다.

도 1에 도시된 제지 기계는 단지 본원에 기재된 본 발명과 함께 사용될 수 있는 가능한 구성의 일례임을 다시 한번 주목해야 한다. 추가의 예는 상기 언급된 미국 특허 출원 공개 번호 2010/0186913에 기재된 것을 포함한다.

다층 크레이핑 벨트

본 발명은 부분적으로, 전술된 바와 같은 제지 기계에서 크레이핑 조작에 사용될 수 있는 다층 벨트에 관한 것이다. 본원에서의 개시내용으로부터 명백해질 바와 같이, 다층 벨트의 구조는 크레이핑 조작에 특히 적합한 다수의 유리한 특성을 제공한다. 그러나, 상기 벨트가 본원에서 구조적으로 설명된 점을 고려하면, 상기 벨트 구조체는 크레이핑 조작 이외의 용도, 예컨대 엄격하게는 제지 웹에 형상을 제공하는 성형 공정에 사용될 수 있음을 주목해야 한다.

크레이핑 벨트는 전술된 바와 같은 제지 기계에서 만족스럽게 수행되기 위해 다양한 특성을 가져야 한다. 한편으로는, 상기 크레이핑 벨트가 조작 동안 상기 크레이핑 벨트에 가해지는 인장, 압축 및 마찰에 견딜 수 있는 것이 중요하다. 이에 따라, 상기 크레이핑 벨트는 강성이어야 하거나 또는 보다 구체적으로 특히 MD에서 높은 탄성 계수 (치수 안정성)를 가져야 한다. 다른 한편으로는, 상기 크레이핑 벨트는 연장된 기간 동안 높은 속도로 평활하게 (예를 들어, 평탄하게) 운행될 수 있도록 가요성이며 내구성이 있어야 한다. 상기 크레이핑 벨트가 너무 취성으로 제조된 경우, 이는 조작 동안 균열 또는 다른 파쇄에 취약할 것이다. 강성 및 또한 가요성의 조합은 크레이핑 벨트를 형성하는 데 사용될 수 있는 잠재적인 재료들을 제한한다. 즉, 상기 크레이핑 벨트 구조체는 강도 및 가요성의 조합을 달성할 수 있는 능력을 가져야 한다.

강성일 뿐만 아니라 가요성인 것에 더하여, 상기 크레이핑 벨트는 이상적으로는 상기 벨트의 종이-형성 표면 상의 다양한 개구 크기 및 형상을 가능하게 해야 한다. 상기 크레이핑 벨트에서의 개구는 하기에 상세히 기재될 바와 같이 최종 종이 구조에서 두께-생성 돔을 형성한다. 보다 구체적으로 그리고 임의의 특정한 이론에 얽매이지 않으면서, 상기 크레이핑 벨트를 사용하여 생성된 제품의 두께는 상기 벨트에서의 개구의 크기에 직접 비례하는 것으로 믿어진다. 상기 크레이핑 벨트에서의 보다 큰 개구는 완제품에서 궁극적으로 발견되는 돔 구조 내로 보다 큰 양의 섬유가 형성되도록 하고, 상기 돔 구조는 제품에서 추가의 두께를 제공한다. 본 발명을 사용하여 생성될 수 있는 두께를 입증하는 예는 하기에 기재될 것이다. 상기 크레이핑 벨트에서의 개구는 또한 크레이핑되는 웹 및 이에 따라 형성되는 종이 제품 상에 특정한 형상 및 패턴을 부여하기 위해 사용될 수 있다. 개구의 상이한 크기, 밀도, 분포 및 깊이를 사용함으로써, 상기 벨트의 상단 층을 사용하여 상이한 시각적 패턴, 벌크 및 다른 물리적 특성을 갖는 종이 제품을 생성할 수 있다. 요약하면, 상기 크레이핑 벨트 형성에 사용하기 위한 임의의 잠재적인 재료 또는 재료의 조합의 중요한 특징은 크레이핑 조작에서 웹을 지지하는 데 사용되는 재료의 표면에 다양한 개구를 형성하는 능력이다.

압출된 중합체 재료는 다양한 개구를 갖는 크레이핑 벨트로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 압출된 중합체 재료는 크레이핑 벨트를 형성하는 데 사용하기에 가능한 재료이다. 특히, 정밀하게 형상화된 개구가, 예를 들어 레이저 드릴링 또는 절삭을 비롯한 다양한 기법에 의해, 압출된 중합체 벨트 구조체에 형성될 수 있다. 모든 다른 고려사항은 동등하며, 주어진 모놀리식 중합체 벨트에 형성될 수 있는 개구의 유형 및 크기의 주요한 제한 인자는 개구를 형성하기 위해 제거될 수 있는 벨트 재료의 총량을 제한하는 것이다. 개구를 형성하기 위해 너무 많은 벨트 재료가 제거되는 경우, 모놀리식 중합체 벨트의 구조는 제지 공정에서 크레이핑 조작의 변형을 견디기에 불충분할 것이다. 즉, 너무 큰 개구를 갖도록 제공된 중합체 벨트는 제지 공정에서 그의 사용 시 조기에 파괴될 것이다.

본 발명에 따른 크레이핑 벨트는 전체 벨트 구조체의 상이한 층에서 상기 벨트에 상이한 특성을 제공함으로써 중합체 크레이핑 벨트의 목적하는 측면 모두를 제공한다. 구체적으로, 상기 다층 벨트는 다양한 형상 및 크기를 갖는 개구가 층에 형성되도록 하는 중합체 재료로부터 제조된 상단 층을 포함한다. 한편, 상기 다층 벨트의 하단 층은 상기 벨트에 강도 및 내구성을 제공하는 재료로부터 형성된다. 하단 층에 강도 및 내구성을 제공함으로써, 상단 층이 상기 벨트의 강도 및 내구성에 기여할 필요가 없기 때문에 상단 중합체 층은 그 외에 중합체 벨트에 제공될 수 있는 것보다 더 큰 개구를 갖도록 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 다층 크레이핑 벨트는 적어도 2개의 층을 포함한다. 본원에 사용된 "층"은 상기 벨트 구조체에서의 또 다른 연속적인 별개 층으로부터 물리적으로 분리된, 상기 벨트 구조체의 연속적인 별개 부분이다. 하기에서 논의될 바와 같이, 본 발명에 따른 다층 벨트에서의 2개의 층의 예는 접착제를 사용하여 직물 층에 결합되는 중합체 층이다. 주목할 만하게는, 본원에서 정의된 바와 같은 층은 그 안에 실질적으로 내장된 또 다른 구조를 갖는 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 번호 7,118,647은 광민감성 수지로부터 제조된 층이 상기 수지에 내장된 보강 요소를 갖는 제지 벨트 구조체를 기재하고 있다. 보강 요소를 갖는 이러한 광민감성 수지는 본 발명에 관하여서는 층이다. 그러나, 동시에, 보강 요소를 갖는 상기 광민감성 수지는 서로 물리적으로 분리된 벨트 구조체의 2개의 연속적인 별개 부분이 아니기 때문에 보강 요소를 갖는 상기 광민감성 수지는 본원에서 사용된 바와 같은 "다층" 구조를 구성하지 않는다.

이제, 본 발명에 따른 다층 벨트에 대한 상단 및 하단 층에 대한 상세사항이 기재된다. 본원에서, 크레이핑 벨트의 "상단" 또는 "시트" 또는 "양키" 측은 크레이핑 조작을 위해 웹이 그 위에 침착되는 상기 벨트 측을 지칭한다. 따라서, "상단 층"은, 크레이핑 조작에서 셀룰로오스 웹이 그 위에 형상화되는 표면을 형성하는 다층 벨트의 부분이다. 본원에 사용된 크레이핑 벨트의 "하단" 또는 "공기" ("기계") 측은 상기 벨트의 반대 측, 즉 크레이핑 롤 및 진공 박스와 같은 가공 장비에 대향하고 이와 접촉하는 측을 지칭한다. 또한, 이에 따라, "하단 층"은 하단 (공기) 측 표면을 제공한다.

상단 층

본 발명에 따른 다층 벨트의 상단 층의 기능 중 하나는 개구가 그 내부에 형성될 수 있는 구조를 제공하는 것이며, 상기 개구는 상기 층의 일측으로부터 다른 측으로 상기 층을 통해 통과하고, 상기 개구는 제지 공정에서 웹에 돔 형상을 부여한다. 상단 층은 그 자체로는 벨트 구조체에 임의의 강도 및 내구성을 부여할 필요가 없는데, 이는 하기에 기재된 바와 같이 이러한 특성은 주로 하단 층에 의해 제공될 것이기 때문이다. 또한, 상단 층에서의 개구는 섬유가 제지 공정에서 상단 층을 통해 인발되는 것을 방지하도록 구성될 필요가 없는데, 이는 하기에 또한 기재될 바와 같이 하단 층에 의해 또한 달성될 것이기 때문이다.

본 발명의 일부 구현예에서, 본 발명의 다층 벨트의 상단 층은 압출된 가요성의 열가소성 재료로부터 제조된다. 이에 관하여, 상기 재료가 일반적으로 본원에 기재된 상단 층에 마찰 (예를 들어, 웹을 형성하는 종이 및 벨트 사이의 마찰), 압축성 및 인장 강도와 같은 특성을 부여하는 한, 상단 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 열가소성 재료의 유형에 대한 특정한 제한이 없다. 또한, 본원의 개시내용으로부터 통상의 기술자에게 명백할 바와 같이, 본원에 구체적으로 논의된 열가소성과 실질적으로 유사한 특성을 제공하도록 사용될 수 있는 다수의 가능한 가요성의 열가소성 재료가 존재한다. 본원에 사용된 용어 "열가소성 재료"는 열가소성 엘라스토머, 예를 들어 고무 재료를 포함하도록 의도됨을 또한 주목해야 한다. 열가소성 재료는 섬유 형태 (예를 들어, 절단(chopped) 폴리에스테르 섬유)의 열가소성 재료 또는 비-소성 첨가제, 예컨대 복합 재료에서 발견되는 것을 포함할 수 있음을 또한 주목해야 한다.

열가소성 상단 층은 임의의 적합한 기법, 예를 들어 성형, 압출, 열성형 등에 의해 제조될 수 있다. 주목할 만하게는, 상기 열가소성 상단 층은, 예를 들어 미국 특허 번호 8,394,239 (이의 개시내용은 그 전문이 참조로 포함됨)에 기재된 바와 같이 나선형 방식으로 측-대-측(side to side)으로 함께 연결된 복수의 섹션으로부터 제조될 수 있다. 또한, 상기 열가소성 상단 층은 임의의 특정한 요구되는 길이로 제조될 수 있으며, 임의의 특정한 제지 기계 구성에 요구되는 경로 길이로 맞춤화될 수 있다.

구체적인 구현예에서, 상기 다층 벨트의 상단 층을 형성하는 데 사용되는 재료는 폴리우레탄이다. 일반적으로, 열가소성 폴리우레탄은 (1) 디이소시아네이트를 단쇄 디올 (즉, 쇄 연장제)과 반응시키고, (2) 디이소시아네이트를 장쇄 이관능성 디올 (즉, 폴리올)과 반응시킴으로써 제조된다. 반응 화합물의 구조 및/또는 분자량을 변화시켜 제조가능한 실제적으로 비제한된 수의 가능한 조합은 매우 다양한 폴리우레탄 제제를 가능하게 한다. 또한, 이는 폴리우레탄이 매우 광범위한 특성을 갖도록 제조될 수 있는 열가소성 재료인 것을 따른다. 본 발명에 따른 다층 크레이핑 벨트에서 상단 층으로서 사용하기 위해 폴리우레탄을 고려할 때, 폴리우레탄의 경도 및 상응하게 폴리우레탄의 표면의 마찰 계수를 조정할 수 있는 것이 매우 유리하다. 하기 표 1은 본 발명의 일부 구현예에서 상기 다층 벨트의 상단 층을 형성하는 데 사용되는 폴리우레탄의 일례의 특성을 나타낸다.

<표 1>

표 1에 나타내어진 범위의 특성을 갖는 폴리우레탄은 본원에 기재된 바와 같은 다층 벨트에서의 상단 층으로서 사용되는 경우 효과적일 것이다. 통상의 기술자가 알 바와 같이, 표 1에 나타내어진 특성의 값은 근사치이며, 따라서 본원에 기재된 특성을 갖는 다층 벨트를 여전히 제공하면서 명시된 범위 외에 어느 정도 달라질 수 있다. 이러한 특성을 갖는 구체적인 폴리우레탄의 예는 샌 디에고 플라스틱스, 인크.(San Diego Plastics, Inc.) (National City, California)에 의해 명칭 MP750, MP850, MP950 및 MP160 하에 판매된다.

폴리우레탄에 대한 대안으로서, 본 발명의 다른 구현예에서 상기 상단 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 구체적인 열가소성 재료의 예는 이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니(E. I. du Pont de Nemours and Company) (Wilmington, Delaware)에 의해 명칭 하이트렐(HYTREL)® 하에 판매된다. 하이트렐®은 본원에 기재된 다층 크레이핑 벨트의 상단 층의 형성에 도움이 되는 마찰, 압축성 및 인장 특성을 갖는 폴리에스테르 열가소성 엘라스토머이다.

열가소성 재료, 예컨대 전술된 폴리우레탄은, 열가소성 재료에서의 상이한 크기 및 구성의 개구를 형성하는 능력을 고려할 때 본 발명의 다층 벨트의 상단 층의 형성에 유리한 재료이다. 상단 층의 형성에 사용되는 열가소성 재료에서의 개구는 다양한 기법을 사용하여 용이하게 형성될 수 있다. 이러한 기법의 예는 레이저 조형(engraving), 드릴링, 절삭 또는 기계적 펀칭을 포함한다. 통상의 기술자가 알 바와 같이, 이러한 기법은 일정-크기의 큰 개구를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 사실상, 대부분의 임의의 구성 (치수, 형상, 측벽 각 등)의 개구는 이러한 기법을 사용하여 열가소성 상단 층에 형성될 수 있다.

상단 층에 형성될 수 있는 상이한 구성의 개구를 고려할 때, 개구가 동일할 필요는 없음을 주목하는 것이 중요하다. 즉, 상단 층에 형성된 개구 중 일부는 상단 층에 형성된 다른 개구와 상이한 구성을 가질 수 있다. 사실상, 제지 공정에서 상이한 기능을 제공하기 위해 상이한 개구가 상단 층에 제공될 수 있다. 예를 들어, 상단 층에서의 개구 중 일부는 크레이핑 조작 동안 제지 웹에 돔 구조를 형성하는 것을 가능하게 하는 크기를 갖고, 형상화될 수 있다 (하기 상세히 기재됨). 동시에, 상단 층에서의 다른 개구는 양각화 조작으로 달성되는 패턴과 동등한 제지 웹에서의 패턴을 제공하도록 훨씬 더 큰 크기 및 가변 형상을 가질 수 있다. 그러나, 상기 패턴은 양각화의 목적하지 않은 효과, 예컨대 시트 벌크 및 다른 목적하는 특성에서의 손실 없이 달성된다.

크레이핑 조작에서 제지 웹에 돔 구조를 형성하기 위한 개구의 크기를 고려할 때, 본 발명의 다층 벨트의 상단 층은 별법의 구조체, 예컨대 직조 구조화 직물 및 모놀리식 중합체 벨트 구조체보다 훨씬 더 큰 크기를 가능하게 한다. 개구의 크기는 상단 층에 의해 제공되는 다층 벨트의 표면의 평면에서의 개구의 단면적에 관하여 정량화될 수 있다. 일부 구현예에서, 다층 벨트의 상단 층에서의 개구는 적어도 약 1.0 mm²의, 형성 (상단) 표면 상의 평균 단면적을 갖는다. 보다 구체적으로, 상기 개구는 약 1.0 mm² 내지 약 15 mm², 또는 보다 더 구체적으로 약 1.5 mm² 내지 약 8.0 mm², 또는 보다 더 구체적으로 약 2.1 mm² 내지 약 7.1 mm²의 평균 단면적을 갖는다. 통상의 기술자가 알 바와 같이, 본 발명에 따른 다층 벨트의 단면적을 갖는 개구를 갖는 모놀리식 벨트를 형성하는 것은 매우 어려울 것이며, 그렇지 않다면 불가능하거나 또는 비실용적일 것이다. 예를 들어, 이러한 크기의 개구는 모놀리식 벨트를 형성하는 재료의 대부분의 제거를 요구하여, 상기 벨트가 제지 벨트 크레이핑 공정의 엄격성(rigor) 및 응력을 견디기에 충분히 내구성이지 않을 것이다. 통상의 기술자가 또한 쉽게 알 바와 같이, 이러한 크기의 개구에 대한 등가물을 갖는 직조 구조화 직물이 제공되지 않을 수 있는데, 이는 상기 직물의 방적사는, 이러한 개구에 대한 등가물을 제공하고, 또한 제지 공정에서 작용할 수 있도록 충분한 구조적 무결성을 제공하도록 (떨어져서 또는 크기를 두고 이격되어) 직조되지 않을 수 있기 때문이다.

개구의 크기는 또한 부피에 관하여 정량화될 수 있다. 여기서, 개구의 부피는 개구가 벨트의 두께를 거쳐 차지하는 공간을 지칭한다. 본 발명에 따른 다층 벨트의 상단 층에서의 개구는 적어도 약 0.2 mm³의 부피를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 개구의 부피는 약 0.5 mm³ 내지 약 23 mm³의 범위일 수 있거나, 또는 보다 구체적으로 개구의 부피는 0.5 mm³ 내지 약 11 mm³의 범위일 수 있다. 통상의 기술자가 알 바와 같이, 개구의 형성 시 제거될 벨트 재료의 양 (질량)으로 인하여 이러한 부피를 갖는 상당한 수의 개구를 갖는 실행가능한 모놀리식 열가소성 벨트를 제조하는 것은 매우 어려울 것이며, 그렇지 않다면 불가능하거나 또는 비실용적일 것이다. 즉, 전술된 바와 같이, 본원에 기재된 부피를 갖는 상당한 수의 개구를 갖는 모놀리식 벨트는 제지 공정의 일부분인 응력을 견디기에 충분히 내구성이지 않을 것이다. 통상의 기술자가 또한 알 바와 같이, 명확히 한정된 본원에 기재된 크레이핑 벨트에서의 개구와 비교하여, 구조화 직물에서 "개구"의 부피는 직조 구조의 성질로 인하여 구조화 직물을 통해 명확히 한정되지 않는다. 임의의 경우에, 직조 구조화 직물은 본 발명에 따른 다층 벨트에서의 개구의 부피에 대한 등가물을 제공할 수 없다.

본 발명에 따른 다층 벨트의 다른 고유한 특성은 상단 층에 의해 제공되는 상기 벨트의 상단 표면에 의해 제공되는 접촉 면적의 백분율을 포함한다. 상기 상단 표면의 접촉 면적의 백분율은 개구가 아닌 상기 벨트의 표면의 백분율을 지칭한다. 상기 접촉 층의 백분율은 직조 구조화 직물 또는 모놀리식 벨트에서보다 더 큰 개구가 본 발명의 다층 벨트에 형성될 수 있다는 사실에 관련된다. 즉, 개구는 사실상 상기 벨트의 상단 표면의 접촉 면적을 감소시키며, 상기 다층 벨트는 보다 큰 개구를 가질 수 있기 때문에 접촉 면적의 백분율은 감소된다. 본 발명의 구현예에서, 상기 다층 벨트의 상단 표면은 약 10% 내지 약 65%의 접촉 면적을 제공한다. 보다 구체적인 구현예에서, 상기 상단 표면은 약 15% 내지 약 50%의 접촉 면적을 제공하며, 보다 더 구체적인 구현예에서 상기 상단 표면은 약 20% 내지 약 33%의 접촉 면적을 제공한다. 또한, 통상의 기술자는 접촉 면적의 이러한 범위의 상한을 상업적 제지 조작을 위한 직조 구조화 직물 또는 모놀리식 벨트에서는 찾아볼 수 없을 수 있다는 것을 알 것이다.

개구 밀도는 본 발명의 다층 벨트의 상단 층에 의해 제공되는 상단 표면에서의 개구의 상대적 크기 및 수의 또 다른 측정치이다. 여기서, 상기 상단 표면의 개구 밀도는 단위 면적당 개구의 수, 예를 들어 cm²당 개구의 수를 지칭한다. 본 발명의 구현예에서, 상기 상단 층에 의해 제공되는 상단 표면은 약 10/cm² 내지 약 80/cm²의 개구 밀도를 갖는다. 보다 구체적인 구현예에서, 상기 상단 층에 의해 제공되는 상단 표면은 약 20/cm² 내지 약 60/cm²의 개구 밀도를 갖고, 보다 더 구체적인 구현예에서 상기 상단 표면은 약 25/cm² 내지 약 35/cm²의 개구 밀도를 갖는다. 본원에서 기재된 바와 같이, 상기 벨트의 개구는 크레이핑 조작 동안 웹에 돔 구조를 형성한다. 본 발명의 다층 벨트는 모놀리식 벨트에서 형성될 수 있는 것보다 더 높은 개구 밀도, 및 직조 구조화 직물로 동등하게 달성될 수 있는 것보다 더 높은 개구 밀도를 제공할 수 있다. 따라서, 상기 다층 벨트를 사용하여 모놀리식 벨트 또는 직조 구조화 직물보다 크레이핑 조작 동안 웹에 더 많은 돔 구조를 형성하도록 할 수 있으며, 이에 따라 상기 다층 벨트를 제지 공정에 사용하여, 구조화 직물 또는 모놀리식 벨트가 할 수 있는 것보다 더 많은 수의 돔 구조를 갖는 종이 제품을 제조할 수 있다.

제지 공정에 영향을 미치는, 다층 벨트의 상단 층에 의해 형성된 크레이핑 표면의 2가지 다른 측면은 상단 표면의 마찰 및 경도이다. 이론에 의해 얽매이지 않으면서, 보다 연질의 크레이핑 구조체 (벨트 또는 직물)는 크레이핑 닙 내부에서의 보다 양호한 압력 균일성을 제공할 것이라고 믿어진다. 또한, 크레이핑 벨트의 표면 상의 마찰은 크레이핑 닙에서 크레이핑 벨트로의 웹의 이송 동안 웹의 미끄러짐을 최소화한다. 웹의 보다 적은 미끄러짐은 크레이핑 벨트 상에서 보다 적은 마모를 유발하며, 상기 크레이핑 구조체가 상부 및 하부 평량(basis weight) 범위 둘 모두에 대해 잘 작용하도록 한다. 크레이핑 벨트는 웹을 실질적으로 손상시키지 않으면서 웹 미끄러짐을 방지할 수 있음을 또한 주목해야 한다. 이에 관하여, 직조 직물의 표면 상의 너클은 크레이핑 조작 동안 웹을 방해하도록 작용할 수 있기 때문에 상기 크레이핑 벨트가 직조 직물 구조보다 유리하다. 따라서, 다층 벨트 구조는, 웹 방해가 크레이핑 공정에서 유해할 수 있는 낮은 평량 범위에서 보다 양호한 결과를 제공할 수 있다. 낮은 평량 범위에서 작용하는 이러한 능력은, 예를 들어 안면 티슈 제품을 형성하는 경우 유리할 수 있다.

본 발명의 다층 벨트의 상단 층의 형성에 사용하기 위한 재료를 고려할 때, 상기 논의된 바와 같이 폴리우레탄이 매우 적합한 재료이다. 폴리우레탄은, 특별히 모놀리식 크레이핑 벨트의 형성에 사용될 수 있는 재료와 비교하는 경우 크레이핑 벨트에 사용하기 위한 상대적으로 연질인 재료이다. 동시에, 폴리우레탄은 상대적으로 높은 마찰 표면을 제공할 수 있다. 폴리우레탄은 이의 제제에 따라 약 0.5 내지 약 2 범위의 마찰 계수를 갖는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 다층 벨트의 폴리우레탄 상단 표면은 약 0.6의 마찰 계수를 갖는다. 주목할 만하게는, 상단 층의 형성에 매우 적합한 재료인 것으로서 또한 상기 논의된 하이트렐® 열가소성 재료는 약 0.5의 마찰 계수를 갖는다. 따라서, 본 발명의 다층 벨트는, 연질이며 높은 마찰의 상단 표면을 제공할 수 있어 "연질" 시트 크레이핑 조작을 실행할 수 있다.

상단 층의 상단 표면의 마찰 뿐만 아니라 상단 표면의 다른 표면 현상은 상단 표면 상에 대한 코팅의 도포를 통해 변화될 수 있다. 이에 관하여, 코팅이 상단 표면에 첨가되어 상단 표면의 마찰을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 추가로 또는 별법으로, 코팅이 상단 표면에 첨가되어 상단 표면의 이형 특성을 변화시킬 수 있다. 이러한 코팅의 예는 다층 크레이핑 벨트를 사용하고자 하는 구체적인 제지 공정에 따라, 소수성 및 친수성 조성물 둘 모두를 포함한다. 이러한 코팅은 제지 공정 동안 상기 벨트 상에 분무될 수 있거나, 또는 상기 코팅은 다층 벨트의 상단 표면에 부착되는 영구적 코팅으로서 형성될 수 있다.

하단 층

다층 크레이핑 벨트의 하단 층은 강도, MD 내연신성 및 내크리프성(creep resistance), CD 안정성 및 내구성을 상기 벨트에 제공하도록 작용한다. 상기 논의된 바와 같이, 가요성 중합체 재료, 예컨대 폴리우레탄은 상기 벨트의 상단 층에 대한 매력적인 선택권을 제공한다. 그러나, 폴리우레탄은 그 자체로는 상기 벨트에 목적하는 특성을 제공하지 못하는 상대적으로 약한 재료이다. 균질한 모놀리식 폴리우레탄 벨트는 제지 공정 동안 상기 벨트에 부여된 응력 및 변형에 견딜 수 없을 것이다. 그러나, 폴리우레탄 상단 층을 제2 층과 연결시킴으로써, 상기 제2 층은 요구되는 강도, 내연신성 등을 상기 벨트에 제공할 수 있다. 본질적으로, 상단 층으로부터 분리된 별개의 하단 층의 사용은 상단 층에 사용될 수 있는 재료의 잠재적인 범위를 확장시킨다.

상단 층의 경우와 같이, 하단 층은 상기 층의 두께에 거쳐 복수의 개구를 또한 포함한다. 하단 층에서의 각각의 개구는 상단 층에서의 적어도 하나의 개구과 정렬되며, 따라서 개구는 다층 벨트의 두께에 거쳐, 즉 상단 및 하단 층에 거쳐 제공된다. 그러나, 하단 층에서의 개구는 상단 층에서의 개구보다 더 작다. 즉, 하단 층에서의 개구는, 상단 및 하단 층 사이의 계면에 인접한 상단 층의 복수의 개구의 단면적보다 더 작은, 상단 층 및 하단 층 사이의 계면에 인접한 단면적을 갖는다. 따라서, 하단 층에서의 개구는, 예를 들어 벨트 및 제지 웹이 진공에 노출되는 경우 셀룰로오스 섬유가 다층 벨트 구조체를 통해 완전히 인발되는 것을 방지할 수 있다. 상기에 일반적으로 논의된 바와 같이, 상기 벨트를 통해 인발되는 섬유는, 시간 경과에 따라 섬유가 예를 들어 진공 박스의 외측 림 상에 축적되면서 제지 기계에 빌드 업되는 점에서 제지 공정에 유해하다. 섬유의 빌드업은 섬유 빌드업을 세정 제거하기 위해 기계 다운 타임을 필요하게 한다. 따라서, 하단 층에서의 개구는 섬유가 상기 벨트를 통해 인발되는 것을 실질적으로 방지하도록 구성될 수 있다. 그러나, 하단 층은 크레이핑 표면을 제공하지 않으며, 따라서 크레이핑 조작 동안 웹을 형상화하도록 작용하지 않기 때문에, 섬유가 인발되는 것을 방지하도록 하단 층에서의 개구를 구성하는 것은 상기 벨트의 크레이핑 조작에 실질적으로 영향을 미치지 않는다.

본 발명의 일부 구현예에서, 직조 직물이 다층 크레이핑 벨트의 하단 층으로서 제공된다. 상기 논의된 바와 같이, 직조 구조화 직물은 크레이핑 조작의 힘을 견디기 위한 강도 및 내구성을 갖는다. 또한, 이에 따라, 직조 구조화 직물은 그들 자체로 제지 공정에서 크레이핑 구조체로서 사용되어 왔다. 따라서, 직조 구조화 직물은 본 발명에 따른 다층 크레이핑 벨트에 필요한 강도, 내구성 및 다른 특성을 제공할 수 있다.

다층 크레이핑 벨트의 구체적인 구현예에서, 하단 층에 대해 제공된 직조 직물은 그들 자체로 크레이핑 구조체로서 사용된 직조 구조화 직물과 유사한 특성을 갖는다. 이러한 직물은, 사실상 직물 구조를 구성하는 방적사 사이에 형성된 복수의 "개구"를 갖는 직조 구조를 갖는다. 이에 관하여, 직물에서의 개구의 생성은 직물을 통한 기류를 가능하게 하는 공기 투과도로서 정량화될 수 있다. 본 발명에 관하여, 상단 층에서의 개구와 함께 직물의 투과도는 공기가 상기 벨트를 통해 인출되도록 한다. 이러한 기류는 전술된 바와 같이 제지 기계 내 진공 박스에서 상기 벨트를 통해 인출될 수 있다. 직조 직물 층의 또 다른 측면은 섬유가 진공 박스에서 다층 벨트를 통해 완전히 인발되는 것을 방지하는 능력이다. 일반적으로, 제지 공정 동안 1 퍼센트 미만의 섬유가 크레이핑 벨트 또는 직물을 통해 완전히 통과해야 하는 것이 바람직하다.

직물의 투과도는 당업계에서 널리 알려진 장비 및 시험, 예컨대 프래지어 프리시젼 인스트루먼트 캄파니(Frazier Precision Instrument Company) (Hagerstown, Maryland)에 의한 프래지어(Frazier)® 차압 공기 투과도 측정 기기에 따라 측정된다. 본 발명에 따른 다층 벨트의 구현예에서, 직물 하단 층의 투과도는 적어도 약 350 CFM이다. 보다 구체적인 구현예에서, 직물 하단 층의 투과도는 약 350 CFM 내지 약 1200 CFM이며, 보다 더 구체적인 구현예에서 직물 하단 층의 투과도는 약 400 내지 약 900 CFM이다. 또한 추가의 구현예에서, 직물 하단 층의 투과도는 약 500 내지 약 600 CFM이다.

하기 표 2는 본 발명에 따른 다층 크레이핑 벨트에서 하단 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 구조화 직물의 구체적인 예를 나타낸다. 하기 표 2에서 확인되는 직물 모두는 알바니 인터내셔널 코포레이션(Albany International Corporation) (Rochester, NH)에 의해 제조되었다.

<표 2>

하단 층으로서 J5076 직물을 갖는 다층 벨트의 구체적인 예가 하기에 예시된다. J5076은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)로부터 제조되었다.

직조 직물에 대한 대안으로서, 본 발명의 다른 구현예에서 다층 크레이핑 벨트의 하단 층은 압출된 열가소성 재료로부터 형성될 수 있다. 그러나, 상기 논의된 상단 층의 형성에 사용되는 가요성의 열가소성 재료와 다르게, 하단 층의 형성에 사용되는 열가소성 재료는 다층 크레이핑 벨트에 강도, 내연신성, 내구성 등을 부여하도록 제공된다. 하단 층의 형성에 사용될 수 있는 열가소성 재료의 예는 폴리에스테르, 코폴리에스테르, 폴리아미드 및 코폴리아미드를 포함한다. 하단 층의 형성에 사용될 수 있는 폴리에스테르, 코폴리에스테르, 폴리아미드 및 코폴리아미드의 구체적인 예는 상기 언급된 미국 특허 출원 공개 번호 2010/0186913에서 찾아볼 수 있다.

본 발명의 구체적인 구현예에서, 다층 벨트의 압출된 하단 층을 형성하는 데 PET가 사용될 수 있다. PET는 널리 알려진, 내구성이며 가요성인 폴리에스테르이다. 다른 구현예에서, 다층 벨트의 압출된 하단 층을 형성하는 데 하이트렐® (이는 상기 논의됨)이 사용될 수 있다. 통상의 기술자는 하단 층의 형성에 사용될 수 있는 유사한 다른 재료를 알 것이다.

하단 층을 위해 압출된 중합체 재료를 사용하는 경우, 개구는, 예를 들어 레이저 드릴링, 절삭 또는 기계적 천공에 의해 상단 층에 개구가 제공된 바와 동일한 방식으로 상기 중합체 재료를 통해 제공될 수 있다. 하단 층에서의 개구의 적어도 일부는 상단 층에서의 개구와 정렬되며, 이에 의해 직조 직물 하단 층이 다층 벨트 구조체를 통한 기류를 가능하게 하는 바와 동일한 방식으로 다층 벨트 구조체를 통한 기류를 가능하게 한다. 그러나, 하단 층에서의 개구는 상단 층에서의 개구와 동일한 크기일 필요는 없다. 사실상, 직물 하단 층과 유사한 방식으로 섬유 인발을 감소시키기 위해, 압출된 중합체 하단 층에서의 개구는 상단 층에서의 개구보다 실질적으로 더 작을 수 있다. 일반적으로, 하단 층에서의 개구의 크기는 상기 벨트를 통한 특정 양의 기류를 가능하게 하도록 조정될 수 있다. 또한, 하단 층에서의 다수의 개구는 상단 층에서의 하나의 개구와 정렬될 수 있다. 다수의 개구가 하단 층에 제공되는 경우에 보다 큰 기류가 진공 박스에서 상기 벨트를 통해 인출되어, 상단 층에서의 개구 면적에 대하여 하단 층에서의 보다 큰 총 개구 면적을 제공하도록 할 수 있다. 동시에, 보다 작은 단면적을 갖는 다수의 개구의 사용은 하단 층에서의 단일의 보다 큰 개구에 대하여 섬유 인발의 양을 감소시킨다. 본 발명의 구체적인 일 구현예에서, 제2 층에서의 개구는 제1 층과의 계면에 인접한, 350 μm²의 최대 단면적을 갖는다.

이러한 라인을 따라, 압출된 중합체 상단 층 및 압출된 중합체 하단 층을 갖는 본 발명의 구현예에서, 상기 벨트의 특성은 하단 층에 의해 제공되는 하단 표면에서의 개구의 단면적에 대한, 상단 층에 의해 제공되는 상단 표면에서의 개구의 단면적의 비이다. 본 발명의 구현예에서, 상단 및 하단 개구의 단면적의 이러한 비는 약 1 내지 약 48의 범위이다. 보다 구체적인 구현예에서, 상기 비는 약 4 내지 약 8의 범위이다. 보다 더 구체적인 구현예에서, 상기 비는 약 5이다.

전술된 직조 직물 및 압출된 중합체 층에 대한 대안으로 하단 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 다른 재료들이 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 구현예에서, 하단 층은 금속 재료 및 특히 금속 스크린-유사 구조로부터 형성될 수 있다. 금속 스크린은 전술된 직조 직물 및 압출된 중합체 층과 동일한 방식으로 다층 벨트에 강도 및 가요성 특성을 제공한다. 또한, 금속 스크린은 전술된 직조 직물 및 압출된 중합체 재료와 동일한 방식으로, 셀룰로오스 섬유가 상기 벨트 구조를 통해 인발되는 것을 방지하도록 작용한다. 하단 층의 형성에 사용될 수 있는 또 다른 추가의 다른 재료는 초강성 섬유 재료, 예컨대 파라-아라미드 합성 섬유로부터 형성된 재료이다. 초강성 섬유는, 함께 직조되지 않으나 여전히 강성이며 가요성인 하단 층을 형성할 수 있음으로써 전술된 직물과 상이할 수 있다. 통상의 기술자는 본원에 기재된 다층 벨트의 하단 층의 특성을 제공할 수 있는 또 다른 추가의 다른 재료를 알 것이다.

다층 구조

본 발명에 따른 다층 벨트는 전술된 상단 및 하단 층을 연결함으로써 형성된다. 본원에서의 개시내용으로부터 이해될 바와 같이, 상기 층 사이의 연결은 다양한 상이한 기법 (이 중 일부는 하기에 보다 완전히 기재될 것임)을 사용하여 달성될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일 구현예에 따른 다층 크레이핑 벨트(400)의 일부분의 횡단면도이다. 상기 벨트(400)은 중합체 상단 층(402) 및 직물 하단 층(404)를 포함한다. 상기 중합체 상단 층(402)는 제지 공정의 크레이핑 조작 동안 웹이 그 위에 크레이핑되는 상기 벨트(400)의 상단 표면(408)을 제공한다. 전술된 바와 같이 개구(406)이 상기 중합체 상단 층(402)에 형성된다. 상기 개구(406)은 상기 중합체 상단 층(402)의 두께에 거쳐 상기 상단 표면(408)로부터 상기 직물 하단 층(404)를 대향하는 표면으로 연장됨을 주목한다. 상기 직조 직물 하단 층(404)는 특정의 투과도를 갖기 때문에, 진공이 상기 벨트(400)의 직조 직물 하단 층(404) 측에 가해질 수 있고, 이에 따라 상기 개구(406) 및 상기 직조 직물 하단 층(404)를 통해 기류를 인출할 수 있다. 상기 벨트(400)을 사용한 크레이핑 조작 동안, 웹으로부터의 셀룰로오스 섬유가 상기 중합체 상단 층(402)에서의 개구(406) 내로 인출되며, 이는 (하기에 보다 완전히 기재될 바와 같이) 돔 구조가 웹에 형성되도록 할 것이다. 상기 개구(406) 내로 웹을 인출하기 위해 진공이 추가로 사용될 수 있다.

도 3b는 도 3a에 도시된 개구(406)을 갖는 부분을 아래로 내려다 본 상기 벨트(400)의 상면도이다. 도 3a 및 3b로부터 명백한 바와 같이, 상기 직조 직물 하단 층(404)는 진공이 상기 벨트(400)을 통해 인출되도록 하면서, 상기 직조 직물 하단 층(404)는 또한 상기 상단 층에서의 개구(406)을 효과적으로 차단시킨다. 즉, 상기 직조 직물 하단 층(404)는 사실상, 압출된 중합체 상단 층(402) 및 직조 직물 하단 층(404) 사이의 계면에 인접한 보다 작은 단면적을 갖는 복수의 개구를 제공한다. 따라서, 상기 직조 직물 하단 층(404)는 셀룰로오스 섬유가 상기 벨트(400)을 통해 통과하는 것을 실질적으로 방지할 수 있다. 전술된 바와 같이, 상기 직조 직물 하단 층(404)는 또한 상기 벨트(400)에 강도, 내구성 및 안정성을 부여한다.

도 4a는 압출된 중합체 상단 층(502) 및 압출된 중합체 하단 층(504)를 포함하는, 본 발명의 일 구현예에 따른 다층 크레이핑 벨트(500)의 일부분의 횡단면도이다. 상기 중합체 상단 층(502)는 제지 웹이 그 위에 크레이핑되는 상단 표면(508)을 제공한다. 이러한 구현예에서, 상기 중합체 상단 층(502)에서의 개구(506)은 상기 하단 층에서의 3개의 개구(510)과 정렬된다. 도 4b에 도시된 상기 벨트 부분(500)의 상면도로부터 명백한 바와 같이 (도 4a 참조), 상기 중합체 하단 층(504)에서의 개구(510)은 상기 중합체 상단 층(502)에서의 개구(506)보다 실질적으로 더 작은 단면적을 갖는다. 즉, 상기 중합체 하단 층(504)는, 상기 중합체 상단 층(502) 및 상기 중합체 하단 층(504) 사이의 계면에 인접한 보다 작은 단면적을 갖는 복수의 개구(510)을 포함한다. 이는, 압출된 중합체 하단 층(504)가 전술된 직조 직물 하단 층과 동일한 방식으로 섬유가 상기 벨트 구조체를 통해 인발되는 것을 실질적으로 방지하는 작용을 하도록 한다. 상기 명시된 바와 같이, 별법의 구현예에서 압출된 중합체 하단 층(504)에서의 단일 개구가 압출된 중합체 상단 층(502)에서의 개구(506)과 정렬될 수 있음을 주목해야 한다. 사실상, 상기 중합체 상단 층(502)에서의 각각의 개구에 대해 임의의 수의 개구가 상기 중합체 하단 층(504)에 형성될 수 있다.

상기 벨트(400 및 500) 내 압출된 중합체 층에서의 개구(406, 506 및 510)은 상기 개구(406, 506 및 510)의 벽이 상기 벨트(400 및 500)의 표면에 직교하여 연장되도록 하는 것이다. 그러나, 다른 구현예에서 상기 개구(406, 506 및 510)의 벽은 상기 벨트의 표면에 대하여 상이한 각으로 제공될 수 있다. 상기 개구(406, 506 및 510)의 각은 상기 개구가 레이저 드릴링, 절삭 또는 기계적 천공과 같은 기법에 의해 형성될 때에 선택되고 이루어질 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 측벽은 약 60° 내지 약 90°, 보다 구체적으로 약 75° 내지 약 85°의 각을 갖는다. 그러나, 별법의 구성에서 상기 측벽 각은 약 90° 초과일 수 있다. 본원에서 언급된 상기 측벽 각은 도 3a에서 각 α에 의해 명시된 바와 같이 측정됨을 주목한다.

본 발명에 따른 다층 벨트의 층들은 내구성이 충분한 층들 사이의 연결을 제공하여 다층 크레이핑 벨트가 제지 공정에 사용되도록 하는 임의의 방식으로 함께 연결될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 층들은 접착제를 사용하는 것과 같은 화학적 수단에 의해 함께 연결된다. 층들의 연결에 사용될 수 있는 접착제 구조의 구체적인 일례는 이중 코팅된 테이프이다. 다른 구현예에서, 상기 층들은 후크-앤드-루프 패스너(hook-and-loop fastener)를 사용하는 것과 같은 기계적 수단에 의해 함께 연결될 수 있다. 또한 다른 구현예에서, 상기 다층 벨트의 층들은 열 용접 및 레이저 핵융합과 같은 기법에 의해 연결될 수 있다. 통상의 기술자는 본원에 기재된 층들을 연결하여 다층 벨트를 형성하는 데 사용될 수 있는 다수의 적층 기법을 알 것이다.

도 3a, 3b, 4a 및 4b에 도시된 다층 벨트 구현예는 2개의 별개의 층을 포함하지만, 다른 구현예에서 추가의 층이 상기 도면에 도시된 상단 및 하단 층 사이에 제공될 수 있다. 예를 들어, 추가의 층을 전술된 상단 및 하단 층 사이에 위치시켜, 공기가 상기 벨트를 통해 통과하도록 하면서 섬유가 상기 벨트 구조체를 통해 인발되는 것을 방지하는 추가의 장벽을 제공할 수 있다. 다른 구현예에서, 상단 및 하단 층을 함께 연결하기 위해 이용되는 수단이 추가의 층으로서 구성될 수 있다. 예를 들어, 접착제 층이 상단 층 및 하단 층 사이에 제공되는 제3 층일 수 있다.

본 발명에 따른 다층 벨트의 총 두께는 다층 벨트를 사용하고자 하는 특정한 제지 기계 및 제지 공정에 대해 조정될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 벨트의 총 두께는 약 0.5 내지 약 2.0 cm이다. 직조 직물 하단 층을 포함하는 본 발명의 구현예에서, 다층 벨트의 총 두께의 대부분은 압출된 중합체 상단 층에 의해 제공된다. 압출된 중합체 상단 및 하단 층을 포함하는 본 발명의 구현예에서, 상기 2개의 층의 각각의 두께는 목적에 따라 선택될 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 상기 다층 벨트 구조의 이점은, 상기 벨트의 강도, 내연신성, 치수 안정성 및 내구성이 상기 층들 중 하나에 의해 제공되며, 나머지 층은 이러한 파라미터에 유의하게 기여할 필요가 없다는 것이다. 본 발명에 따른 다층 벨트 재료의 내구성을 다른 잠재적인 벨트 제조 재료의 내구성과 비교하였다. 이러한 시험에서, 벨트 재료의 내구성은 상기 재료의 인열 강도에 관하여 정량화하였다. 통상의 기술자가 알 바와 같이, 양호한 인장 강도 및 양호한 탄성 특성 둘 모두의 조합은 높은 인열 강도를 갖는 재료를 유발한다. 전술된 상단 및 하단 층 벨트 재료의 7종의 샘플의 인열 강도를 시험하였다. 크레이핑 조작에 사용되는 구조화 직물의 인열 강도를 또한 시험하였다. 이러한 시험을 위해, ISO 34-1 (가황 또는 열가소성 고무의 인열 강도(Tear Strength of Rubber, Vulcanized or Thermoplastic)- 파트 1: 트라우저형, 앵글형 및 초승달형(Trouser, Angle and Crescent))에 부분적으로 기반하여 절차를 개발하였다. 인스트론 코포레이션(Instron Corp.) (Norwood, Massachusetts)에 의한 인스트론(Instron)® 5966 듀얼 칼럼 테이블탑 유니버셜 테스팅 시스템(Dual Column Tabletop Universal Testing System) 및 또한 인스트론 코포레이션 (Norwood, Massachusetts)에 의한 블루힐(BlueHill) 3 소프트웨어를 사용하였다. 모든 인열 시험을 1 in.의 인열 연장(tear extension) 동안 2 in./min (이는 4 in./min 속도를 사용하는 ISO 34-1과 상이함)에서 시험하였으며, 평균 하중은 파운드(pound)로 기록하였다.

샘플의 상세사항 및 이들의 각각의 MD 및 CD 인열 강도는 하기 표 3에 나타내어져 있다. 샘플에 대해 "블랭크(blank)"의 표식은 해당 샘플에 개구가 제공되지 않았음을 나타내고, "프로토타입(prototype)"의 표식은 해당 샘플이 무한의 벨트 구조로 제조되지 않았으며, 그 보다는 단지 시험 조각의 벨트 재료임을 의미하는 것을 주목해야 한다. 직물 A 및 B는 제지 공정에서의 크레이핑을 위해 구성된 직조 구조체이다.

<표 3>

표 3에 나타내어진 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 직물 및 하이트렐® 재료는 PET 중합체 재료보다 훨씬 더 큰 인열 강도를 가졌다. 전술된 바와 같이, 직조 직물 또는 압출된 하이트렐® 재료 층은 본 발명에 따른 다층 벨트의 층들 중 하나를 형성하는 데 사용될 수 있다. 다층 벨트 구조체의 전체 인열 강도는 반드시 적어도 층들 중 임의의 층만큼 강성일 것이다. 따라서, 직조 직물 층 또는 압출된 하이트렐® 층을 포함하는 다층 벨트는 다른 층 또는 층들을 형성하는 데 사용된 재료에 관계 없이 양호한 인열 강도가 부여될 것이다.

상기 언급된 바와 같이, 본 발명의 구현예는 압출된 폴리우레탄 상단 층 및 직조 직물 하단 층을 포함할 수 있다. 이러한 조합의 MD 인열 강도를 평가하였고, 또한 크레이핑 조작에 사용된 직조 구조화 직물의 MD 인열 강도에 대해 비교하였다. 전술된 시험의 경우와 동일한 시험 절차를 사용하였다. 이러한 시험에서, 샘플 1은 1.2 mm의 개구를 갖는 0.5 mm 두께의 압출된 폴리우레탄의 상단 층을 갖는 2개-층 벨트 구조체였다. 하단 층은 알바니 인터내셔널에 의해 제조된 직조 J5076 직물이었으며, 이의 상세사항은 상기에서 찾아볼 수 있다. 샘플 2는 1.2 mm의 개구를 갖는 1.0 mm 두께의 압출된 폴리우레탄의 상단 층, 및 하단 층으로서의 J5076 직물을 포함하는 2개-층 벨트 구조체였다. 그 자체로 J5076 직물의 인열 강도를 샘플 3으로서 또한 평가하였다. 이러한 시험의 결과는 하기 표 4에 나타내어져 있다.

<표 4>

표 4에서의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 압출된 폴리우레탄 상단 층 및 직조 직물 하단 층을 갖는 다층 벨트 구조체는 탁월한 인열 강도를 가졌다. 직조 직물의 인열 강도를 단독으로 고려할 때, 벨트 구조체의 인열 강도의 대부분은 직조 직물에 의해 생성되었음을 알 수 있다. 압출된 폴리우레탄은 비례하여 더 적은 다층 벨트 구조체의 인열 강도를 제공하였다. 그럼에도 불구하고, 표 4에서의 결과에 의해 명시된 바와 같이 압출된 폴리우레탄 층 그 자체로는 충분한 강도, 내연신성 및 내구성 (인열 강도에 관하여)을 갖지 않을 것이며, 압출된 폴리우레탄 층 및 직조 직물 층을 갖는 다층 구조체가 사용되는 경우, 충분히 내구성인 벨트 구조체가 형성될 수 있다.

하기 표 5는 본 발명에 따라 구성된 다층 벨트의 8개의 예의 특성을 나타낸다. 벨트 1 및 2는 이의 구조에 대하여 2개의 중합체 층을 가졌다. 벨트 3 내지 8은 폴리우레탄 (PUR)으로부터 형성된 상단 층, 및 알바니 인터내셔널에 의해 제조된 PET 직물 J5076 직물 (전술됨)로부터 형성된 하단 층을 가졌다. 하기 표 5는 각각의 벨트의 상단 층 (즉, "시트 측")에서의 개구의 특성, 예컨대 개구의 단면적, 부피, 및 개구의 측벽 각을 제시한다. 하기 표 5는 또한 하단 층 (즉, "공기 측")에서의 개구의 특성을 제시한다.

<표 5>

방법

본 발명의 또 다른 측면은 종이 제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 크레이핑 조작을 위해 본원에 기재된 다층 벨트를 이용할 수 있다. 이러한 방법에서, 전술된 일반적인 유형의 임의의 제지 기계가 사용될 수 있다. 물론, 통상의 기술자는 본원에 기재된 본 발명의 방법을 수행하기 위해 이용될 수 있는 다수의 변형 및 별법의 구성을 알 것이다. 또한, 통상의 기술자는, 임의의 제지 공정의 일부분인 널리 알려진 변수 및 파라미터가 쉽게 결정될 수 있고, 본 발명의 방법과 함께 사용될 수 있으며, 예를 들어 제지 공정에서 웹을 형성하기 위한 특정한 유형의 완성 지료가 제품의 목적하는 특성을 기초로 선택될 수 있음을 알 것이다.

본 발명에 따른 일부 방법에서, 웹은 크레이핑 벨트 상에 침착될 때 약 15 내지 약 25 퍼센트의 조도 (즉, 고체 함량)를 갖는다. 본 발명에 따른 다른 방법에서, 벨트 크레이핑은 크레이핑 닙에서 압력 하에 발생하며, 웹은 약 30 내지 약 60 퍼센트의 조도를 갖는다. 이러한 방법에서, 제지 기계는, 예를 들어 도 1에 도시되고 전술된 구성을 가질 수 있다. 이러한 방법의 상세사항은 상기 언급된 미국 특허 출원 공개 번호 2010/0186913에서 찾아볼 수 있다. 이러한 방법에서, 웹 조도, 벨트-크레이핑 닙에서 발생하는 속도 델타, 크레이핑 닙에서 이용되는 압력, 및 벨트 및 닙 기하학은 웹은 여전히 구조적 변화를 겪기에 충분히 유연하면서 섬유를 재배열하도록 작용한다. 이론에 의해 얽매이기를 의도치 않으면서, 크레이핑 벨트의 보다 느린 형성 표면 속도는 웹이 크레이핑 벨트에서의 개구 내로 실질적으로 성형되도록 유발하며, 섬유는 크레이핑 비에 비례하여 재정렬되는 것으로 믿어진다. 섬유 중 일부는 CD 배향으로 이동하면서, 다른 섬유는 MD 리본으로 접힌다. 이러한 크레이핑 조작의 결과로서, 높은 두께의 시트가 형성될 수 있다. 본원에 기재된 다층 벨트는 이러한 방법에 매우 적합하다. 특히, 전술된 바와 같이, 다층 벨트는 개구가 넓은 범위의 크기를 갖도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 이러한 방법에 효과적으로 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 추가의 측면은 다층 크레이핑 벨트에 대한 진공의 적용이다. 전술된 바와 같이, 웹이 제지 공정에서 크레이핑 벨트 상에 침착될 때 진공이 가해질 수 있다. 진공은 웹을 크레이핑 벨트에서의 개구, 즉 본 발명에 따른 다층 벨트 내 상단 층에서의 개구 내로 인출하도록 작용한다. 주목할 만하게는, 진공의 사용을 포함하는 공정 및 포함하지 않는 공정 둘 모두에서, 웹은 다층 벨트 구조체의 상단 층에서의 복수의 개구 내로 인출되지만, 웹은 다층 벨트 구조체의 하단 층 내로는 인출되지 않는다. 본 발명의 구현예 중 일부에서, 가해진 진공은 약 5 in. Hg 내지 약 30 in. Hg이다. 상세히 전술된 바와 같이, 상기 다층 벨트의 하단 층은 섬유가 상기 벨트 구조체를 통해 인발되는 것을 방지하기 위한 체로서 작용한다. 이러한 하단 층의 체 기능성은 진공을 생성하는 구조체, 즉 진공 박스로 섬유가 인발되는 것을 방지하기 때문에 진공이 가해질 때 특히 중요하다.

종이 제품

본 발명의 다른 측면은 이전에 알려진 제지 기계 및 당업계에서 알려진 방법을 사용하여 제조될 수 없는 신규한 종이 제품이다. 특히, 본원에 기재된 다층 벨트는 알려진 제지 기계 및 제지 방법으로 제조된 종이 제품에서 이전에 발견될 수 없었던 우수한 특성 및 특징을 입증하는 종이 제품의 형성을 가능하게 한다.

본원에서 언급되는 종이 제품은 모든 등급의 제품을 포함함을 주목해야 한다. 즉, 본 발명의 일부 구현예는 티슈 등급 제품에 관한 것이며, 이는 일반적으로 약 27 lbs/연(ream) 미만의 평량 및 약 180 mil/8개 시트 미만의 두께를 갖는다. 본 발명의 다른 구현예는 타월 등급 제품에 관한 것이며, 이는 일반적으로 약 35 lbs/연 초과의 평량 및 약 225 mil/8개 시트 초과의 두께를 갖는다.

도 5a, 5b 및 5c는 본 발명에 따른 다층 벨트를 사용하여 제조된 베이스시트의 일부분의 현미경 사진 (10×)으로부터의 상면도를 나타낸다. 이러한 도면에서, 상기 벨트에 대하여, 즉 상단 층에 의해 형성된 상단 표면에 대하여 형성된 시트 측이 도시되어 있다. 도 5a에 도시된 베이스시트(600A)는 전술된 바와 같이 벨트 2로 제조되었으며, 도 5b에 도시된 베이스시트(600B)는 전술된 바와 같이 벨트 3으로 제조되었고, 도 5c에 도시된 베이스시트(600C)는 전술된 바와 같이 벨트 7로 제조되었다. 도 1에 도시된 일반적인 구성을 갖는 제지 기계를 사용하여 베이스시트(600A, 600B 및 600C)를 형성하는 크레이핑 조작에 상기 벨트들을 사용하였다. 상기 베이스시트(600A, 600B 및 600C)는 일정한 반복 패턴으로 배열된 복수의 섬유-풍부 돔 영역(602A, 602B 및 602C)을 포함한다. 이러한 돔 영역(602A, 602B 및 602C)는 각각의 시트를 제조하는 데 사용된 다층 벨트의 상단 표면에서의 개구의 패턴에 상응한다. 돔 영역(602A, 602B 및 602C)는 서로 이격되고, 복수의 주변 영역(604A, 604B 및 604C)에 의해 상호연결되며, 이는 통합된 네트워크를 형성하고, 더 적은 텍스쳐를 갖는다.

도 6a, 6b 및 6c는 각각 도 5a, 5b 및 5c에 도시된 베이스시트(600A, 600B 및 600C)의 반대 측을 나타낸다. 도 7a(1), 7a(2), 7b(1), 7b(2), 7c(1) 및 7c(2)는 각각 베이스시트(600A, 600B 및 600C) 각각에 대한 돔 영역의 확대도 (100×)를 나타낸다. 다양한 도면에서, 극미한 주름들이 돔 영역(602A, 602B 및 602C) 상의 리지(ridge) 및 시트의 돔 측에 대향하는 측 상의 고랑(furrow) 또는 구화(sulcation)를 형성함을 알 것이다. 다른 현미경 사진에서, 돔 영역에서의 평량은 한 지점에서 다른 지점으로 상당히 달라질 수 있음이 명백할 것이다. 베이스시트(600A, 600B 및 600C)의 영역에서의 섬유 배향을 상기 도면에서 또한 볼 수 있다. 정성적으로 말하자면, 상당한 양의 섬유가 돔 영역(602A, 602B 및 602C)에 형성되었음을 알 수 있다. 이는, 다층 벨트에서 발견되는 보다 큰 개구 크기로 인하여 돔 영역(602A, 602B 및 602C)가 다른 크레이핑 구조체로 제조된 베이스시트에서 발견될 돔 영역보다 더 큰 것을 고려할 때 특히 주목할 만하다.

도 8a, 8b 및 8c는 본 발명의 구현예에 따라 제조된 베이스시트(900A, 900B 및 900C)에서의 돔 영역의 횡단면도이며, 상기 횡단면은 상기 베이스시트의 MD를 따라 취하였다. 도 8a에 도시된 베이스시트(900A)는 전술된 바와 같이 벨트 3으로 제조되었으며, 도 8b에 도시된 베이스시트(900B)는 전술된 바와 같이 벨트 6으로 제조되었고, 도 8c에 도시된 베이스시트(900C)는 전술된 바와 같이 벨트 7로 제조되었다. 각각의 도 8a 및 8c에서, 베이스시트가 제조된 방향에 관하여, 선단 에지는 상기 도면들의 우측 상에 도시되고, 후단 에지는 상기 도면들의 좌측 상에 도시되어 있다. 도 8b에서, 선단 에지는 상기 도면의 좌측 상에 도시되어 있고, 후단 에지는 상기 도면의 우측에 도시되어 있다. 상기 도면들은 상당한 양의 섬유가 시트의 돔 영역에서 발견됨을 다시 한번 입증한다. 돔 영역의 선단 및 후단 에지의 각을 또한 주목한다. 선단 에지는 상대적으로 급격한 후단 에지보다 훨씬 더 얕은 각을 나타낸다.

도 5a 내지 5c, 6a 내지 6c, 7a(1) 내지 7c(3), 및 8a 내지 8c에 도시된 돔 영역(602A, 602B 및 602C)는 시트의 측 중 한 측으로부터 보았을 때 실질적으로 원형의 형상을 갖는 것을 주목해야 한다. 그러나, 본원에서의 개시내용에 의해 명시된 바와 같이, 본 발명에 따른 종이 제품에서의 돔 구조의 형상은, 개구를 형성하는 데 사용되는 크레이핑 구조체, 즉 크레이핑 벨트 또는 구조화 직물에서의 개구의 상응하는 형상을 달라지게 하면서 임의의 다른 형상으로 달라질 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 다층 벨트 구성을 사용하는 것의 이점 중 하나는, 상기 벨트의 내구성을 실질적으로 감소시키지 않고, 상당한 양의 섬유가 제지 공정 동안 상기 벨트를 통해 인발되는 것을 여전히 방지하면서 크레이핑 표면을 제공하는, 상기 벨트의 상단 층에 큰 개구를 형성하는 능력이다. 사실상, 다층 벨트 구조체는 직물의 포켓(pocket) 또는 모놀리식 벨트에서의 개구로는 가능하지 않을 개구의 형성을 가능하게 한다. 결과는, 다층 벨트로 형성된 제품에서의 돔 영역, 예컨대 도 5a 내지 5c, 6a 내지 6c, 7a(1) 내지 7c(3), 및 8a 내지 8c에 도시된 돔 영역이 다른 크레이핑 구조체, 예컨대 모놀리식 벨트 및 구조화 직물로 형성된 종이 제품에서의 돔 영역보다 훨씬 더 큰 크기를 갖도록 형성된 것이다.

본 발명에 따른 종이 제품의 돔 영역의 크기를 정량화하기 위해, 돔의 에지 상의 한 지점으로부터 상기 돔의 대향 측에서의 에지 상의 또 다른 지점까지의 거리를 측정할 수 있다. 이러한 측정의 일례는 도 9에서 라인 A 및 B에 의해 나타내어져 있다. 이러한 측정은, 예를 들어 종이 제품의 돔을 거의 현미경 하의 스케일로 봄으로써 취해질 수 있다. (이러한 기법에 사용될 수 있는 현미경의 일례는 키엔스 코포레이션(Keyence Corporation) (Osaka, Japan)에 의해 제조된 키엔스(Keyence) VHX-1000 디지털 현미경이다.) 본 발명에 따른 종이 제품의 구현예에서, 중공 돔 영역의 에지 상의 적어도 한 지점으로부터 상기 중공 돔 영역의 대향 측에서의 에지 상의 지점까지의 거리는 적어도 약 0.5 mm이다. 보다 구체적인 구현예에서, 상기 측정된 거리는 약 1.0 mm 내지 약 4.0 mm이며, 보다 더 구체적인 구현예에서 상기 측정된 거리는 약 1.5 mm 내지 약 3.0 mm이다. 특정한 구현예에서, 중공 돔 영역의 에지 상의 적어도 한 지점으로부터 상기 중공 돔 영역의 대향 측에서의 에지 상의 지점까지의 거리는 약 2.5 mm이다. 통상의 기술자가 또한 알 바와 같이, 이러한 크기의 돔은 당업계에 알려진 다른 크레이핑 구조체, 예컨대 모놀리식 벨트 및 구조화 직물로 형성될 수 없었다.

본 발명에 따른 종이 제품에서의 돔 영역을 특성화하는 또 다른 방식은 돔 구조의 부피이다. 이에 관하여, 본원에서 돔 영역의 "부피"에 대한 지칭은 돔 영역 뿐만 아니라 상기 돔 영역에 의해 한정되는 중공 영역인 종이 제품의 부분의 부피를 나타낸다. 이러한 부피는 상이한 기법을 사용하여 측정될 수 있음을 통상의 기술자는 알 것이다. 이러한 한 기법의 예는 디지털 현미경을 사용하여 종이 제품에서의 복수의 층의 부피를 측정한다. 이어서, 돔 영역을 구성하는 영역에서의 층의 총합을 계산하여, 이에 의해 돔 영역의 총 부피를 계산할 수 있다.

본 발명의 구현예에서, 돔 영역은 적어도 약 0.1 mm³의 부피를 갖고, 때때로 상기 돔 영역은 적어도 약 1.0 mm³의 부피를 갖는다. 구체적인 구현예에서, 상기 돔 영역은 약 1.0 mm³ 내지 약 10.0 mm³의 부피를 갖는다. 본 발명에 따른 종이 제품의 다른 구체적인 예는 약 0.1 mm³ 내지 약 3.5 mm³, 보다 구체적으로 약 0.2 mm³ 내지 약 1.4 mm³의 부피를 갖는 돔 영역을 갖는다. 또한 다시, 이러한 크기의 돔 영역은 당업계에 알려진 크레이핑 구조체, 예컨대 모놀리식 벨트 및 구조화 직물을 사용하여서는 제조될 수 없었음을 주목해야 한다.

본 발명에 따른 종이 제품에서 형성된 큰 돔 영역은 상기 종이 제품의 두께에 유의하게 영향을 미친다. 하기 제시된 실험적 결과에서 입증될 바와 같이, 보다 큰 돔 영역은 제지 공정에서 매우 바람직한, 보다 큰 두께를 갖는 종이 제품을 유발할 것이다. 도 5a 내지 5c, 6a 내지 6c, 7a(1) 내지 7c(3), 및 8a 내지 8c에 도시된 특정한 베이스시트는 적어도 약 140 mil/8개 시트의 두께를 가졌으며, 이는 상대적으로 높은 양의 두께이다. 또한, 상기에서 입증된 바와 같이, 베이스시트에서의 돔 영역은 상당한 양의 섬유를 함유하였다. 이는, 적어도 본 발명에 따른 종이 제품에서의 상응하는 양의 두께를 형성하기 위해 필요한 것보다 실질적으로 더 많은 섬유를 사용하지 않고서는 종래의 크레이핑 구조체 및 크레이핑 방법을 사용하여 달성될 수 없었던 것으로 믿어진다. 구체적인 예에서, 돔을 횡단하는 거리 및 상기 돔의 부피 둘 모두에 관하여 상기 언급된 돔 크기를 갖는 종이 제품은 적어도 약 130 mil/8개 시트, 약 140 mil/8개 시트, 약 145 mil/8개 시트, 또는 심지어 약 245 mil/8개 시트의 두께를 갖는다. 이러한 종이 제품의 구체적인 예는 하기에 기재될 것이다. 또한, 상기 두께가 종래의 크레이핑 구조체 및 크레이핑 방법을 사용하여 생성된다고 할지라도, 섬유 분포는 본 발명에 따른 종이 제품에서의 섬유 분포 (예를 들어, 섬유가 종래-제조된 종이 제품의 돔 영역에서 발견될 만큼의 많은 양이 결코 아님)와 상이하다.

본 발명에 따른 종이 제품의 돔 구조의 또 다른 신규한 측면은 돔 구조의 상이한 부분에서 발견되는 섬유 밀도를 포함한다. 본 발명의 이러한 측면을 이해하기 위해, 싱크로트론(synchrotron) 또는 실험실 기기로부터 얻은 3차원 X-선 마이크로-컴퓨팅된 단층 촬영(three dimensional X-ray micro-computed tomographic) (XR-μCT) 표식의 기본 해상도 규모(order)의 해상도의 종이 제품에서의 국부적 섬유 밀도의 근사치, 예컨대 본 발명의 것을 제공하기 위해 한 기법을 사용할 수 있다. 이러한 실험실 기기의 일례는 엑스라디아, 인크.(XRadia, Inc.) (Pleasanton, CA)에 의한 마이크로XCT-200이다. 구체적으로, 하기 기재된 기법을 사용하여, 종이 제품의 중간 표면(center surface)에서의 수직 (법선) 섬유 밀도가 결정될 수 있다. 섬유 밀도는 양각, 크레이핑, 건조 특징 등으로 인하여 평면외(out-of-plane) 방향에서 달라질 수 있음을 주목한다.

섬유 밀도 결정 기법을 사용하여, XR-μCT 데이터 세트는 라돈 변환(Radon Transform) 또는 존 변환(John Transform)을 겪어 방사상으로 투사된 X-선 이미지를 2차원 그레이 레벨(gray level) 이미지의 스택으로 이루어진 3차원 데이터 세트로 전환시킨 후 수신된다. 예를 들어, 유럽 싱크로트론 방사 시설(European Synchrotron Radiation Facility) (Grenoble, France)에서의 싱크로트론으로부터 수신된 종이 제품 데이터는 각각이 8 비트 그레이 레벨 값을 갖는 2000 x ~800 픽셀의 치수를 갖는 2000개의 슬라이스로 이루어진다. 그레이 레벨 값은 질량의 감쇠를 나타내며, 이는 상대적으로 일정한 분자 질량의 재료의 경우, 질량 또는 형성물의 3차원 분포에 근접한 근사치이다. 종이 제품은 주로 셀룰로오스 섬유로 이루어지며, 따라서 일정한 X-선 감쇠 계수의 추정 및 이에 따라 그레이 레벨 및 질량 사이의 직접적인 관계식은 유효하다.

라돈 또는 존 변환으로부터 생성된 XR-μCT 데이터 세트는 유한한 그레이 레벨 값으로서의 공극 공간 및 0 내지 255 범위의 보다 높은 그레이 레벨 값의 질량을 나타낸다. 슬라이스 이미지는, 종이 제품 샘플이 노출 동안 이동할 때, 또는 회전 또는 z-위치결정 스테이지의 비정밀한 이동으로부터 기원하는 시각적 아티팩트(artifact)를 또한 나타낸다. 이러한 아티팩트는 다양한 방향으로 질량으로부터 투사되는 라인으로서 나타난다. 종이 제품 샘플이 종이 제품 샘플의 주요한 평면에 대해 수직인 축 상의 X-선 빔 내에서 회전하는 경우, 이는 "링잉(ringing)" 아티팩트, 및 종이 제품 샘플에 존재하지 않는 질량을 나타내기 때문에 해결되어야 하는 보다 높은 그레이 레벨의 중앙 "핀(pin)"을 또한 함유할 수 있다. 특히, 이는 싱크로트론으로부터 수신된 XR-μCT 데이터 세트에 대한 경우일 수 있다.

세그먼트화 공정은 종이 제품 샘플에 함유된 상이한 상태의 재료의 분리를 지칭한다. 이는 단지 고체 셀룰로오스 섬유 및 공기 (공극 공간) 사이의 구별이다. 표시되는 단층 촬영 데이터 세트를 얻기 위해, 미국 국립 보건원(United States National Institute of Health)에서 개발한 공용 도메인의 이미지 처리 프로그램인 이미지제이(ImageJ)로 불리는 공개 소프트웨어를 사용하는 하기의 세그먼트화 공정이 이용될 수 있다. 먼저, 슬라이스는 2개의 "스펙클-제거(de-speckle)" 필터링 공정 처리되며, 여기서 각각의 픽셀은 3 × 3 주변 이웃에 대한 중앙값에 의해 대체된다. 이는 점잡음(salt and pepper noise) (높고 낮은 값), 특별히 전술된 아티팩트를 제거하며, 무시할 만한, 셀룰로오스 섬유의 에지에서의 선 확산 함수(line spread function)를 증가시키는 효과를 갖는다. 다음으로, 공극 공간은 0의 값 (블랙)에 고정되고, 질량에 대한 그레이 레벨 값은 나머지 그레이 레벨 히스토그램에 걸쳐지도록, 보다 낮은 값 (블랙)을 임계화함으로써 그레이 레벨 히스토그램이 조정된다. 너무 높은 값에서 임계점을 설정하지 않도록 주의해야 할 수 있는데, 그렇지 않으면 섬유 에지에서의 질량이 공극 공간으로 전환될 것이고, 섬유는 단면적을 손실하는 것으로 나타날 것이다. 모든 슬라이스는, 데이터 세트가 섬유 질량 및 공극 공간 사이에 명백히 구별되며 생성되도록 동일한 방식으로 처리된다.

종이 제품 샘플의 상대적인 밀도는, 먼저 샘플의 상부 및 하부 경계에 근사한 표면을 생성한 다음, 그 둘 사이의 중간 표면을 계산함으로써, 사전처리된 XR-μCT 데이터 세트로부터 계산될 수 있다. 이어서, 상기 중간 표면 내의 각각의 위치에서 결정되는 표면 법선 벡터를 사용하여, 표면 법선 벡터를 따라 상부 및 하부 표면 사이의 거리를 곱한 1 × 1 픽셀 (픽셀)인 실린더 내 부피당 질량을 결정한다. 모든 계산은 매스웍스, 인크.(MathWorks, Inc.) (Natick, Massachusetts)에 의한 매트랩(MATLAB)®을 사용하여 실행할 수 있다. 구체적인 절차는 이제 기재될 바와 같이 표면 결정, 표면 법선 및 3차원 두께, 3차원 밀도, 및 3차원 밀도 표식을 포함한다.

표면 결정에 대해, XR-μCT 데이터 세트에서의 슬라이스는 X-Z 투사물이며, 여기서 X-Y 평면이 샘플의 주요한 평면이고, MD 또는 CD에 의해 형성된 동일한 평면이다. 따라서, Z-축은 X-Y 평면에 수직이며, 각각의 슬라이스는 Y 방향에서 단위 구간을 나타낸다. 각각의 슬라이스 내의 각각의 X 위치에 대해, 그레이 레벨 값이 제한 임계치 (전형적으로 20)를 초과하는 가장 높고 가장 낮은 Z 위치가 확인된다. 따라서, 각각의 슬라이스는 슬라이스에 표시된 섬유의 최대 (상부) 및 최소 (하부) 위치를 연결하는 곡선을 생성할 것이다.

Z-축을 따라 질량을 발견할 수 없는, 즉 쓰루-홀(through-hole)이 재료 내에 존재하는 이러한 영역은 연속적인 중간 표면을 생성하는 문제를 제시할 수 있다. 이를 극복하기 위해, 주변부 둘레의 2개의 픽셀에 의해 홀을 확장시킴 (홀 크기를 증가시킴)으로써 홀이 채워질 수 있고, 조정되는 표면에 따라 최대, 최소 또는 중간에 대한 유한한 Z 값을 갖는 주변 위치에 대해 평균 값이 결정될 수 있다. 이어서, 불연속성이 발생하지 않도록 그리고 표면 평활화가 공극 공간에 의해 불리하게 영향을 받지 않도록 홀은 평균 Z-위치 값으로 채워질 수 있다.

이어서, 견고한 3차원 평활 스플라인 함수(robust three-dimensional smoothing spline function)를 각각의 표면에 적용할 수 있다. 이러한 함수를 수행하기 위한 알고리즘은 문헌 [D. Garcia, Computational Statistics & Data Analysis, 54:1167-1178 (2010)] (이의 개시내용은 그 전문이 참조로 포함됨)에 기재되어 있다. 평활 파라미터는 개별 섬유 상세사항을 보다 크거나 또는 보다 적은 정도로 제시하는 표면 평활도의 범위를 제공하는 일련의 파일들을 생성하도록 달라질 수 있다.

3차원 표면 법선은 매트랩® 함수 "surfnorm"을 사용하여 평활 중간 표면 내의 각각의 정점에서 계산될 수 있다. 알고리즘은 x, y 및 z 매트릭스의 큐빅 핏(cubic fit)을 기초로 한다. 대각선 벡터가 컴퓨팅 및 교차되어 법선을 형성할 수 있다. 각각의 정점을 통과하고 상부 및 하부 평활 표면에서 종결되는, 표면 법선에 평행한 라인 세그먼트를 사용하여, 중간 표면에 대해 수직인 방향에서의 종이 제품 샘플의 두께를 결정할 수 있다.

3차원의 상대적 섬유 밀도는, 하나의 픽셀인 2차원, 및 정점을 통해 2개의 외부 평활 표면으로부터 연장되는 라인 세그먼트의 길이로서의 제3의 차원을 갖는 직사각형 프리즘(right rectangular prism)을 추정함으로써 중간 표면에 대해 수직인 경로를 따라 결정된다. 상기 부피 내에 함유된 질량은 복셀이 단층 촬영 데이터 세트로부터의 그레이 레벨 값에 의해 나타내어진 바와 같은 유한한 질량을 가질 때 결정된다. 따라서, 정점에서의 최대의 상대적 밀도는 함유된 라인 세그먼트를 따른 복셀 모두가 255의 그레이 레벨 값을 갖는 경우의 것과 동등하다. 셀룰로오스 섬유의 셀(cell) 벽에 대한 최대 값은 1.50 g/cm³인 것으로 취해진다.

샘플에 대한 평면외 변형의 정도를 나타내기 위해 평활 중간 표면을 사용하여 섬유 밀도를 4차원으로 맵핑하고, 3차원 밀도를 맵 내의 각각의 위치에서의 값을 갖는 스펙트럼 플롯으로서 나타냄으로써 3차원 섬유 밀도의 편리한 표시가 이루어질 수 있다. 이러한 맵은 1의 최대 값을 갖는 상대적 밀도로서 나타내어질 수 있거나, 또는 명시된 바와 같이 1.50 g/cm³의 최대 값을 갖는 셀룰로오스의 밀도로 표준화될 수 있다. 이러한 섬유 밀도 맵의 일례가 도 10에 나타내어져 있다.

전술된 기법에 따라 이루어진 그레이 스케일 섬유 밀도 맵은 도 11에 나타내어져 있다. 이러한 도면에서, 박스 A는 돔 구조의 하류 MD 측, 즉 돔 구조의 "선단 측" 상에 형성된 돔 구조의 일부분의 윤곽을 표시하도록 그려졌다. 또한, 박스 B는 돔 구조의 상류 MD 측, 즉 돔 구조의 "후단 측"에 형성된 돔 구조의 일부분의 윤곽을 표시하도록 그려졌다. 밀도 맵이 전술된 기법에 따라 형성될 때, 보다 어두운 음영 영역은 보다 높은 밀도를 나타내고, 보다 밝은 음영 영역은 보다 낮은 밀도를 나타낸다. 밀도 프로파일 맵을 구축하는 데 사용된 데이터로부터, 박스 A 및 B로 윤곽 표시된 영역에 대한 중앙 밀도를 결정하고, 비교할 수 있다.

본 발명에 따른 종이 제품의 돔 구조는 돔 구조의 상이한 영역에서의 섬유 밀도의 상당한 분산을 나타내는 것이 발견되었다. 특히, 보다 높은 섬유 밀도는, 돔 구조의 선단 측에 형성된 섬유 밀도보다 돔 구조의 후단 측에 형성된다. 이는 도 11에 나타내어진 예에서 알 수 있으며, 여기서 후단 측 상에 형성된 돔 구조 부분 (박스 B)은 돔 구조의 선단 측에 형성된 돔 구조 부분 (박스 A)보다 시각적으로 보다 높은 밀도를 갖는다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 돔 구조의 대향 측에서의 이러한 밀도 차이는 전술된 x-선 단층 촬영 기법을 사용하여 결정 시 약 70%이다. 즉, 돔 구조의 선단 측은 돔 구조의 후단 측보다 70% 더 작은 섬유 밀도를 갖는다. 또 다른 구현예에서, 본 발명에 따른 종이 제품에서의 밀도 차이는 이의 돔 구조의 후단 및 선단 측 사이에 약 75%의 밀도 차이를 갖는다.

이론에 의해 얽매이지 않으면서, 본원에 기재된 기법은 돔 구조의 대향 측 상에서의 비정상적인 밀도 차이를 가능하게 하는 것으로 믿어진다. 특히, 전술된 다층 벨트에서의 대형-크기의 개구를 갖는 바와 같은 보다 큰 돔의 형성은, 보다 많은 섬유가 크레이핑 조작 동안 개구 내로 유동하도록 한다. 이러한 섬유의 유동은 돔 구조의 선단 측에서의 보다 많은 섬유 분열(fiber disruption) 및 이에 따라 보다 낮은 섬유 밀도를 유발한다. 또한, 돔 구조의 측벽의 다른 부분에서의 보다 높은 밀도는 보다 높은 두께를 유발하며, 측벽의 보다 낮은 밀도 부분으로 인하여 다소 보다 연성인 제품을 또한 유발할 수 있는 것으로 믿어진다.

종이 제품의 연성 및 두께

임의의 종이 제품의 중요한 특성은 종이의 지각 연성(perceived softness)이다. 그러나, 종이 제품의 지각 연성을 개선하기 위해, 종이 제품의 다른 특성의 품질을 희생시키는 것이 종종 필요하다. 예를 들어, 종이의 지각 연성을 개선하도록 종이 제품의 파라미터를 조정하는 것은 종이 제품의 두께를 감소시키는, 목적하지 않은 부작용을 종종 가질 것이다.

종이 제품의 지각 연성은 종이 제품의 기하 평균 (GM) 인장 탄성율(Tensile Modulus)과 매우 상관관계가 있을 수 있다는 것이 발견되었다. GM 인장은 종이 제품의 MD 인장 및 CD 인장의 제곱근으로서 정의된다. 도 12는 전술된 벨트 1 및 3 내지 6으로 제조된 베이스 시트 및 제지 공정에서 크레이핑 조작에 사용하기 위한 당업계에 알려진 직물의 경우의 감각 연성 및 GM 인장 사이의 상관관계를 입증한다. 감각 연성은 표준화된 시험 기법을 사용하여 숙련된 평가자에 의해 결정되는 바와 같은 종이 제품의 지각 연성의 측정치이다. 즉, 감각 연성은 연성 결정에 능숙한 평가자에 의해 측정되며, 평가자는 종이를 파지(grasping)하고, 그 종이의 지각 연성을 알아내기 위한 구체적인 기법을 따른다. 감각 연성 숫자가 높을수록, 지각 연성이 높다. 도 13에 도시된 베이스 시트에 관련된 데이터에 의해 입증된 바와 같은, 종이 제품에서의 분명한 경향은, 종이 제품의 GM 인장이 감소할수록 종이 제품의 감각 연성은 증가하고, 그 반대도 마찬가지라는 것이다.

본 발명에 따른 종이 제품은 GM 인장 및 두께의 탁월한 조합을 입증한다. 즉, 본 발명의 종이 제품은 탁월한 연성 (낮은 GM 인장) 및 벌크성 (높은 두께)을 갖는다. 특성의 이러한 조합을 입증하기 위해, 벨트 1 및 3 내지 6을 사용하여 제품을 제조하고, 보이쓰 게엠베하(Voith GmbH) (Heidenheim, Germany)에 의해 제조된 구조화 직물 44G 폴리에스테르 직물을 사용하여 제조된 종이 제품과 비교하였다. 상기 44G 직물은 제지 공정에서의 크레이핑을 위한 널리 알려진 직물이다.

벨트 1의 경우, 하기 표 6에 제시된 조작 조건으로의 2개의 시험을 도 1에 제시된 기계와 유사한 제지 기계 상에서 수행하였다. 북부 침엽수재 크래프트 (NSWK), 침엽수재 크래프트 (SWK) 습윤 강도 수지 (WSR), 카복시메틸 셀룰로오스 (CMC) 및 폴리비닐 알콜 (PVOH)은 명시된 바와 같이 약어로 표시될 수 있다.

<표 6>

벨트 3으로 2개의 시험을 수행하고, 벨트 4로 2개의 시험을 수행하였다. 벨트 3 및 4에 대한 시험 조건은 하기 표 7에 명시되어 있고, 시험은 도 1에 도시된 기계와 유사한 제지 기계로 수행하였다.

<표 7>

도 1에 도시된 것과 유사한 제지 기계 구성의 벨트 5를 사용하여 2개의 시험을 또한 수행하였다. 시험 1의 경우, 100% NSWK 완성 지료를 균질 모드로 사용하였다. 평량은 16.8 lb/rm이도록 표적화되었다. 총 3.0 lb/ton의 탈결합제를 공기측 스톡(stock)에 첨가하였고, 양키-측 스톡에는 탈결합제를 첨가하지 않았다. 적절한 양키 접착력을 보장하기 위해, KL506 PVOH를 양키 코팅 접착제의 부분으로서 사용하였다. 가장 높은 가능한 비캘린더링된 두께를 생성한 다음, 결과가 125 mil/8겹이도록 캘린더링함으로써 표적 베이스시트 두께를 달성하였다. 습윤 강도 및 카복시메틸 셀룰로오스 (CMC)의 정제 및 추가물의 균형을 맞추어 550 g/in³의 CD 습식 인장을 달성하였다. 초기 정제 세팅은 45 HP였으며, 습윤 강도 수지 및 CMC의 초기 사용량은 각각 25 및 5 lb/ton이었다. 벨트 5를 사용한 시험 2는 100% 나헤올라(Naheola) SWK의 완성 지료를 사용한 것을 제외하고는 시험 1과 동일하였다.

벨트 5의 경우 시험 1 및 2 각각에서 10개의 캘린더링된 롤 및 2개의 비캘린더링된 롤을 수집하였다. 벨트 5를 사용하는 시험에 대한 조작 조건 및 가공 파라미터는 하기 표 8에 나타내어져 있다.

<표 8>

도 1에 도시된 것과 유사한 제지 기계 구성을 사용하는 벨트 6을 사용하여 4세트의 시험을 수행하였다. 제1 세트의 시험의 경우, 80% 나헤올라 SSWK/20% 나헤올라 SHWK를 균질 모드로 사용하였다. 평량은 시험 1의 경우 16.8 lb/rm, 시험 2의 경우 21.0 lb/rm, 및 시험 3의 경우 25.5 lb/rm으로 표적화되었다. 스톡에 탈결합제를 첨가하지 않았다. 직물 크레이프 및 릴 크레이프는 20% 및 2%로 설정하였으며, 흡인 박스 이전의 시트 습도는 정상 조건에서의 것이었다 (즉, 약 57%). 적절한 양키 접착력을 보장하기 위해, 양키 코팅 접착제의 부분으로서 KL506 PVOH를 사용하였다. 습윤 강도 수지 및 CMC의 정제 및 추가물의 균형을 맞추어 표적 베이스시트 CD 습식 인장 (600 g/in³)을 달성하였다. 초기 정제 세팅은 45 HP로 설정되었으며, 습윤 강도 수지 및 CMC의 초기 사용량은 각각 25 및 5 lb/ton이었다. 표적 CD 습식 인장 강도를 달성하기 위해, 정제를 조정하였다. 비캘린더링된 두께가 160 mil/8겹 미만으로 하락하고, 증가된 정제에 의해 표적 CD 습식 인장이 여전히 달성되지 않는 경우, 표적 CD 습식 인장 강도를 달성하기 위해 보다 많은 습윤 강도 수지 및 CMC (2:1의 비)를 첨가하였다. 건식 인장 강도는 부동(float)되도록 하였다. 각각의 시험에서 2개 (2)의 비캘린더링된 롤을 수집하였다.

벨트 6을 사용하는 그 다음 세트의 시험은 크레이핑 속도에 관한 것을 제외하고는 제1 세트의 시험과 유사하였다. 평량은 25.5 lb/rm 또는 보다 높은 베이스시트 두께를 산출한 평량으로 고정되었다. 스톡에 탈결합제를 첨가하지 않았다. 직물 크레이프 표적값은 시험 4의 경우 10%, 시험 5의 경우 15%, 및 시험 6의 경우 20%였다. 릴 크레이프는 2%로 설정하였으며, 흡인 박스 이전의 시트 습도는 정상 조건으로 설정하였다 (즉, 약 57%). 적절한 양키 접착력을 보장하기 위해, 양키 코팅 접착제의 부분으로서 PVOH를 사용하였다. 습윤 강도 수지 및 CMC의 정제 및 추가물의 균형을 맞추어 표적 베이스시트 CD 습식 인장 (600 g/3")을 달성하였다. 초기 정제 세팅은 45 HP로 설정되었으며, 습윤 강도 수지 및 CMC의 초기 사용량은 각각 25 및 5 lb/ton이었다. 표적 CD 습식 인장 강도를 달성하기 위해, 먼저 정제를 조정하였다. 비캘린더링된 두께가 160 mil/8겹 미만으로 하락하고, 증가된 정제에 의해 표적 CD 습식 인장이 여전히 달성되지 않는 경우, 표적 CD 습식 인장 강도를 달성하기 위해 보다 많은 습윤 강도 수지 및 CMC (2:1의 비)를 첨가하였다. 건식 인장 강도는 부동되도록 하였다. 각각의 시험에서 2개의 비캘린더링된 롤을 수집하였다.

벨트 6을 사용하는 그 다음 세트의 시험은 시트 습도에 관한 것을 제외하고는 제1 세트의 시험과 유사하였다. 평량은 25.5 lb/rm 또는 가장 높은 베이스시트 두께를 산출한 평량으로 고정되었다. 스톡에 탈결합제를 첨가하지 않았다. 직물 크레이프 및 릴 크레이프는 각각 20% 및 2%로 설정하였다. 흡인 박스 이전의 시트 습도는 정상 조건으로 설정하였다 (즉, 시험 7의 경우 약 57%, 시험 8의 경우 59%, 및 시험 9의 경우 61% (표 3)). 시트 습도는 멧초(Metso Oyj) (Helsinki, Finland)에 의한 어드밴티지(ADVANTAGE)^TM 비스코닙(VISCONIP)^TM 하중 (즉, 550 psi, 325 psi 및 200 psi)을 설정하거나 또는 물 분무를 추가 (크레이핑 롤 전에)하여 조정하였다. 적절한 양키 접착력을 보장하기 위해, 양키 코팅 접착제의 부분으로서 PVOH를 사용하였다. 습윤 강도 수지 및 CMC의 정제 및 추가물의 균형을 맞추어 표적 베이스시트 CD 습식 인장 (600 g/3")을 달성하였다. 초기 정제 세팅은 45 HP였으며, 습윤 강도 수지 및 CMC의 초기 사용량은 각각 25 및 5 lb/ton이었다. 표적 CD 습식 인장 강도를 달성하기 위해, 먼저 정제를 조정하였다. 비캘린더링된 두께가 160 mil/8겹 미만으로 하락하고, 증가된 정제에 의해 표적 CD 습식 인장이 여전히 달성되지 않는 경우, 표적 CD 습식 인장 강도를 달성하기 위해 보다 많은 습윤 강도 수지 및 CMC (2:1의 비)를 첨가하였다. 건식 인장 강도는 부동되도록 하였다. 각각의 시험에서 2개의 비캘린더링된 롤을 수집할 것이다.

벨트 6을 사용하는 최종 세트의 시험에서, 평량, 직물 크레이프 및 흡인 박스 이전의 시트 습도의 최상의 조합을 선택하여, 160 mil/8겹의 두께, 600 g/in³의 CD 습식 인장, 20%의 MD 연신을 갖는 최상의 1겹 베이스시트를 제조하였다. 1겹 타월로 전환시키기 위해 10개의 모체 롤을 수집하였다.

벨트 6을 사용하는 시험에 대한 조작 조건 및 가공 파라미터는 하기 표 9에 나타내어져 있다.

<표 9>

벨트 1 및 3 내지 6 및 구조화 직물을 사용한 시험으로부터의 데이터가 도 13에 나타내어져 있다. 결과는 다층 벨트를 사용한 시험에서 제조된 종이 제품에 대한 GM 인장 및 두께의 탁월한 조합을 입증한다. 구체적으로, 결과는 벨트 3 내지 5를 사용하여 제조된 제품은 적어도 약 245 mil/8겹의 두께를 가졌음을 나타낸다. 벨트 3 내지 6에 의해 제조된 제품은 약 3500 g/3 in 미만의 GM 인장을 가졌다. 추가로, 벨트 3을 사용하여 제조된 제품은 약 270 mil/8겹 초과의 두께, 및 약 3100 g/3 in. 미만의 GM 인장을 가졌고, 이에 따라 두께 및 연성 둘 모두에 관하여 특히 양호한 제품을 제공함을 주목한다. 도 14에 나타내어진 결과는 또한, 두께 및 GM 인장의 조합에 관하여, 직물을 사용하여 제조된 제품과 비교하여 다층 벨트를 사용하여 제조된 종이 제품의 우수성을 입증한다. 직물을 사용하여 제조된 종이 제품은 다양한 GM 인장을 가졌으며, 직물-제조된 종이 제품 중 어떠한 것도 약 240 mil/8겹보다 유의하게 더 큰 두께를 갖지 않았다. 상기에 상세히 논의된 바와 같이, 다층 벨트를 사용하여 제조된 종이 제품은 구조화 직물을 사용하여 제조될 수 있는 것보다 더 큰 돔 구조의 형성을 가능하게 한다. 보다 큰 돔 구조는 결국 종이 제품에서의 보다 큰 두께를 제공한다. 따라서, 도 14에 도시된 바와 같이, 다층 벨트 제조 제품은 직물을 사용하여 제조된 제품보다 더 높은 두께를 가졌다.

요약하면, 도 13에 나타내어진 결과는, 다층 벨트를 사용하여 제조될 수 있는 본 발명의 종이 제품은 구조화 직물을 사용하여 제조된 베이스 시트보다 더 큰 두께 및 더 큰 연성을 가졌음을 입증한다. 통상의 기술자가 분명히 알 바와 같이, 두께 및 연성은 둘 모두 다수의 종이 제품의 중요한 특성이다. 따라서, 본 발명에 따른 종이 제품은 특성들의 매우 매력적인 조합을 포함한다.

베이스시트 및 전환된 종이 특성

벨트 5 및 6으로부터 추가의 베이스시트 및 완제품을 제조하고, 이러한 베이스시트 및 완제품의 특성을 결정하였다. 이러한 시험에 대해, 전술된 벨트 5 및 6을 사용한 연성 및 두께 시험에 사용된 바와 동일한 일반적인 작업 절차를 사용하였다. 완성 지료 및 캘린더링을 이러한 일련의 시험에서 달라지게 하였고, 형성된 베이스시트의 특성은 하기 표 10에 나타내어져 있다. 표 10에서, T1 완성 지료는 100% NSWK 완성 지료를 지칭하고, T2 완성 지료는 80% 나헤올라 SSWK/20% 나헤올라 SHWK 완성 지료를 지칭함을 주목한다.

<표 10>

이러한 일련의 시험의 추가의 측면으로서, 표 10에 나타내어진 베이스시트를 완성 종이 타월 제품으로 전환시켰다. 전환 공정은 52의 시트 계수 및 0.14 인치의 시트 길이로 THVS 모드에서 미국 디자인 특허 번호 648,137 (이의 개시내용은 그 전문이 참조로 포함됨)에 제시된 양각 패턴을 사용하는 양각화를 포함하였다. 4/1로 표시된 시험에 대해, 양각 침투는 약 0.065 내지 약 0.072 인치로 달라졌다. 표 10에서의 다른 시험에 대해, 양각 침투는 0.070 인치로 설정하였다. 결합 롤 닙(marrying roll nip) 폭은 시험 모두에 대해 13 mm로 설정하였고, 27 결합/블레이드에 의한 0.019 in.의 결합 폭을 갖는 천공 블레이드를 사용하여 시험 베이스시트를 제조하였다. 전환된 완제품의 특성은 하기 표 11에 나타내어져 있다.

<표 11>

표 11에 나타내어진 완성 종이 타월 제품의 특성 대부분은 현재-이용가능한 종이 타월의 특성과 등가이거나 또는 이를 초과한다. 그러나, 종이 타월의 두께는 일반적으로 현재 제공되는 종이 타월의 두께를 크게 초과하는 것을 주목하였다. 상기에 일반적으로 논의된 바와 같이, 종이 제품의 두께는 연성에 반비례한다. 감각 연성, GM 인장 및 SAT 용량에 의해 명시된 바와 같은, 표 11에 나타내어진 완성 종이 타월 제품의 연성 및 흡수성은 다른 종이 타월 제품의 연성보다 약간 더 작았지만, 제품의 매우 큰 두께를 고려할 때 그럼에도 불구하고 연성은 매우 양호하였다. 완성 종이 타월 제품의 GM 파단 신율을 또한 주목하였다. 종이 제품의 GM 파단 신율은 제품의 강도의 양호한 지시자이다. 표 9에 나타내어진 종이 타월 제품은 탁월한 GM 파단 신율을 나타내었다.

벨트 특성에 관한 종이 특성

또 다른 일련의 시험에서, 종이 제품에 대한 벨트 재료의 다양한 특성의 효과를 결정하였다. 제1의 일련의 시험에서, 타월 등급 제품에서 생성된 두께에 대한, 본 발명에 따른 다층 벨트 재료에서의 개구의 부피의 효과를 결정하였다. 결과를 또한, 타월 등급 제품의 형성 시 모놀리식 (중합체) 벨트 구성에서의 개구의 부피의 효과와 비교하였다. 상기 언급된 바와 같이, 타월 등급 제품은 일반적으로 약 33 lbs/연의 평량 및 약 225 mil/8개 시트의 두께를 가졌다. 이러한 시험에 대해, 본 발명에 따른 다층 벨트 재료를 사용하여 베이스시트를 형성하였고, 모놀리식 벨트 재료를 사용하여 종이 타월 등급 베이스시트를 형성하였다. 상기 다층 벨트 재료는 약 2.0 mm³ 내지 약 9.0 mm³ 범위의, 상단 층의 상단 표면에서의 개구를 가졌다. 상기 모놀리식 벨트 재료는 약 1.0 mm³ 미만의 개구를 가졌다. 상기 다층 벨트 재료 및 모놀리식 벨트 재료에서의 개구의 크기는 다층 벨트 구조체가 모놀리식 벨트 구조체보다 더 큰 개구를 가능하게 함을 나타내는 상기 개시내용과 일치함을 주목한다. 즉, 제지 공정에서 실제로 사용되는 모놀리식 벨트 구조체에서 큰 개구가 형성될 수 없었음을 고려할 때 다층 벨트 재료에서의 개구는 더 크게 제조되었다. 이러한 일련의 시험을 상기 일반적으로 기재된 바와 같은 가공 조건으로 실험실 내 파일럿(pilot) 종이 기계 상에서 수행하였다.

도 14는 다층 및 모놀리식 벨트의 상단 층에서의 개구의 부피에 대한, 생성된 타월 등급 베이스 시트의 두께에 관한 시험의 결과를 나타낸다. 상기 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 모놀리식 벨트 재료를 사용하여 생성된 두께보다 더 높은 두께가 다층 벨트 재료를 사용하여 생성되었다. 이러한 결과는, 벨트 구조체에서의 개구의 큰 부피는 타월 등급 제품에서 보다 큰 두께를 유발할 수 있음을 입증한다. 약 9.0 mm³의 개구를 포함하는 구성을 갖는 다층 벨트 재료는 약 220 mil/8개 시트의 두께를 생성하였으며, 이는 모놀리식 벨트를 사용하여 생성된 임의의 두께보다 거의 100 mil/8개 시트 더 컸음을 특히 주목한다. 통상의 기술자가 분명히 알 바와 같이, 이러한 다층 벨트 재료에 의해 생성된 매우 큰 두께를 사용하여 매우 매력적인 타월 제품을 제조할 수 있었다.

또 다른 일련의 시험에서, 티슈 등급 제품에서 생성된 두께에 대한, 본 발명에 따른 다층 벨트에서의 개구의 부피의 효과를 결정하였다. 결과를 또한, 티슈 등급 제품의 형성 시 모놀리식 (중합체) 벨트 구성에서의 개구의 부피의 효과와 비교하였다. 상기 언급된 바와 같이, 티슈 등급 제품은 일반적으로 약 27 lbs/연의 평량 및 약 140 mil/8개 시트의 두께를 갖는다. 이러한 시험에 대해, 본 발명에 따른 다층 벨트 재료를 사용하여 실험실에서 베이스시트를 형성하였고, 모놀리식 벨트 재료를 사용하여 실험실에서 종이 티슈 등급 베이스시트를 형성하였다. 상기 다층 벨트 재료는 약 1.5 mm³ 내지 약 5.5 mm³ 범위의, 상단 층의 상단 표면에서의 개구를 포함하는 구성을 가졌다. 상기 모놀리식 벨트 재료는 약 1.0 mm³ 미만의 개구를 포함하는 구성을 가졌다. 상기 다층 벨트 재료 및 모놀리식 벨트 재료에서의 개구의 크기는 다층 벨트 구조체가 모놀리식 벨트 구조체가 허용하는 것보다 더 큰 개구를 허용함을 나타내는 상기 개시내용과 일치하였음을 주목한다. 이러한 일련의 시험을 상기 일반적으로 기재된 바와 같은 가공 조건으로 실험실 내 파일럿 종이 기계 상에서 수행하였다.

이러한 실험의 결과는 도 15에 나타내어져 있다. 상기 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 보다 큰 개구를 가진 다층 벨트 재료는, 모놀리식 층 벨트 재료를 사용하여 제조된 티슈 등급 베이스 시트에서 발견된 두께에 상응할 만한 두께를 갖는 티슈 등급 베이스 시트를 제조할 수 있었다. 다층 벨트 재료는 타월 등급 시험 (도 14)으로 볼 수 있는 바와 같은 증가된 두께를 제공하지 않았지만, 상기 다층 벨트 재료는 그럼에도 불구하고 티슈 등급 제품의 형성 시 유리할 수 있다. 예를 들어, 상기 언급된 바와 같이, 다층 벨트 구성에 의해 제공될 수 있는 보다 큰 개구는 제품에서의 돔 구조 내의 보다 큰 섬유 밀도를 가능하게 한다. 또한, 다층 벨트 구조체는 모놀리식과 상응할 만한 티슈 등급 두께를 생성하지만, 상기 논의된 모든 이유들로 모놀리식 구조체보다 더 강성이며 더 내구성이 있을 수 있다. 따라서, 다층 벨트 구조체를 사용하여 생성된 티슈 등급 두께가 모놀리식 벨트 구조체를 사용하여 생성된 두께와 동일한 범위일지라도, 다층 벨트 구조체는 그럼에도 불구하고 티슈 등급 제지 공정에 사용하는 경우 특정의 이점들을 가질 수 있다.

또 다른 일련의 시험에서, 상이한 개구 크기를 갖는 상이한 다층 크레이핑 벨트 재료를 사용하여 타월 등급 제품을 생성하였다. 4종의 벨트 재료를 시험하였으며, 상기 벨트 재료들은 전술된 방식으로 상단 층에서의 원형 개구를 가졌다. 벨트 재료 A는 0.5 mm의 PET 하단 층에 부착된 1.0 mm의 폴리우레탄 상단 층을 가졌고, 벨트 재료 B는 0.5 mm의 PET 하단 층에 부착된 0.5 mm의 폴리우레탄 상단 층을 가졌으며, 벨트 재료 C는 0.5 mm의 폴리우레탄 상단 층 및 직물 하단 층을 가졌고, 벨트 재료 D는 1.0 mm의 폴리우레탄 상단 층 및 직물 하단 층을 가졌다. 각각의 유형의 벨트 재료에 대해, 상이한 크기의 개구를 갖는 구성을 시험하였으며, 개구는 약 0.75 mm 내지 약 2.25 mm 범위의 직경을 가졌다. 이러한 일련의 시험을 (크레이핑 조작을 실제적으로 수행하지 않으면서) 제지 공정을 자극하는 진공 시트 성형을 사용하여 실험실에서 수행하였다.

이러한 시험의 결과는 도 16에 나타내어져 있으며, 이는 각각의 벨트 재료에 대해 생성된 두께 및 상단 개구 (홀) 직경 사이의 관계식을 나타낸다. 상기 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 벨트 재료에서의 개구 크기가 증가할수록, 벨트 재료를 사용하여 제조된 생성 종이 제품의 두께가 증가하였다. 이는, 다층 벨트의 상단 층에서의 개구 크기가 증가할수록, 보다 큰 두께가 생성될 수 있음 (적어도 타월 등급 제품에 관하여)을 나타내는 상기 개시내용과 또한 일치한다. 상기 도면에서의 데이터는, 다층 벨트 구조체에 대한 상이한 두께는 종이 제품에서 상대적으로 상응할 만한 두께를 생성할 수 있음 (1.0 mm의 상단 층은 때때로 0.5 mm의 상단 층이 생성하는 것보다 약간 더 큰 두께를 생성함)을 또한 입증한다.

본 발명이 특정의 구체적인 예시적 구현예로 기재되었지만, 다수의 추가의 수정 및 변형이 본 개시내용을 고려하여 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 이에 따라, 본 발명은 구체적으로 기재된 바와 달리 실시될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 예시적인 구현예는 예시적이며 제한적이지 않은 것이고, 본 발명의 범주는 상기 설명에 의해서보다는 본원에 의해 지지가능한 임의의 청구범위 및 이의 등가물에 의해 결정되는 것으로 모든 측면에서 간주되어야 한다.

산업적 이용가능성

본원에 기재된 장비, 방법 및 제품은 상업적 종이 제품, 예컨대 화장지 및 종이 타월의 제조에 사용될 수 있다. 따라서, 상기 장비, 방법 및 제품은 종이 제품 산업과 관련된 다수의 용도를 갖는다.

Claims

상부 측 및 하부 측을 갖는 셀룰로오스 섬유의 흡수성 시트로서,
상기 흡수성 시트의 상부 측으로부터 돌출되는 복수의 중공 돔 영역; 및
상기 흡수성 시트의 중공 돔 영역을 상호연결하는 네트워크를 형성하는 연결 영역을 포함하며,
여기서 상기 중공 돔 영역의 주행의 기계 방향 (MD)에서의 선단 측(leading side) 상의 섬유 밀도는 상기 중공 돔 영역의 MD에서의 후단 측(trailing side) 상의 섬유 밀도보다 더 작고,
상기 중공 돔 영역의 MD에서의 선단 측 상의 섬유 밀도가, 상기 중공 돔 영역의 MD에서의 후단 측 상의 섬유 밀도보다 70% 이상 더 작은, 흡수성 시트.
삭제
제1항에 있어서, 상기 중공 돔 영역의 MD에서의 선단 측 상의 섬유 밀도가 상기 중공 돔 영역의 MD에서의 후단 측 상의 섬유 밀도보다 75% 더 작은, 흡수성 시트.
제1항에 있어서, 상기 흡수성 시트의 1겹(single-ply)이 적어도 140 mil/8개 시트의 두께를 갖는, 흡수성 시트.
제1항에 있어서, 상기 흡수성 시트의 1겹이 적어도 145 mil/8개 시트의 두께를 갖는, 흡수성 시트.
제1항에 있어서, 상기 흡수성 시트는 3500 g/3 in 미만의 기하 평균 (GM) 인장 강도를 갖는, 흡수성 시트.
제1항에 있어서, 상기 흡수성 시트의 1겹이 적어도 245 mil/8개 시트의 두께를 갖고, 상기 흡수성 시트는 3100 g/3 in 미만의 기하 평균 (GM) 인장 강도를 갖는, 흡수성 시트.
제1항에 있어서, 상기 중공 돔 영역 각각이, 중공 돔 영역의 에지 상의 적어도 하나의 제1 지점으로부터 상기 중공 돔 영역의 대향 측에서의 에지 상의 제2 지점까지의 거리가 적어도 0.5 mm이도록 형상화된, 흡수성 시트.
제8항에 있어서, 상기 중공 돔 영역의 에지 상의 상기 적어도 하나의 제1 지점으로부터 상기 중공 돔 영역의 대향 측 상의 상기 제2 지점까지의 거리가 1.0 mm 내지 4.0 mm인, 흡수성 시트.
제8항에 있어서, 상기 중공 돔 영역의 에지 상의 상기 적어도 하나의 제1 지점으로부터 상기 중공 돔 영역의 대향 측 상의 상기 제2 지점까지의 거리가 1.5 mm 내지 3.0 mm인, 흡수성 시트.
제8항에 있어서, 상기 중공 돔 영역의 에지 상의 상기 적어도 하나의 제1 지점으로부터 상기 중공 돔 영역의 대향 측 상의 상기 제2 지점까지의 거리가 2.5 mm인, 흡수성 시트.
제8항에 있어서, 상기 복수의 중공 돔 영역의 에지가 원형이며, 상기 중공 돔 영역의 에지 상의 상기 적어도 하나의 제1 지점으로부터 상기 대향 측 상의 에지 상의 상기 제2 지점까지의 거리가 상기 원형 에지의 직경인, 흡수성 시트.
제8항에 있어서, 상기 중공 돔 영역의 상기 적어도 하나의 제1 지점에 인접한 상기 연결 영역에서의 국부 평량이 상기 중공 돔 영역의 상기 제2 지점에 인접한 상기 연결 영역에서의 국부 평량보다 더 큰, 흡수성 시트.
제4항에 있어서, 상기 흡수성 시트의 1겹이 적어도 145 mil/8개 시트의 두께를 갖고, 상기 흡수성 시트가 3500 g/3 in 미만의 기하 평균 (GM) 인장 강도를 갖는, 흡수성 시트.
제14항에 있어서, 상기 흡수성 시트의 1겹이 적어도 245 mil/8개 시트의 두께를 갖고, 상기 흡수성 시트가 3100 g/3 in 미만의 기하 평균 (GM) 인장 강도를 갖는, 흡수성 시트.
제1항에 있어서, 상기 복수의 중공 돔 영역 각각이 적어도 0.1 mm³의 부피를 한정하는, 흡수성 시트.
제16항에 있어서, 상기 복수의 중공 돔 영역 각각이 0.1 mm³ 내지 3.5 mm³의 부피를 한정하는, 흡수성 시트.
제17항에 있어서, 상기 복수의 중공 돔 영역 각각이 0.2 mm³ 내지 1.4 mm³의 부피를 한정하는, 흡수성 시트.