CN101939241A

CN101939241A - 用于具有高卷制应变能的材料卷筒的卷绕芯以及制造该卷绕芯的方法

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Publication number: CN101939241A
Application number: CN2009801040910A
Authority: CN
Inventors: 大卫·E·罗德; 约翰·F·奥滕; 王一鸣; 维姆·范德·坎普; 特里·杰哈特; 劳伦斯·E·仁克
Original assignee: Sonoco Development Inc
Current assignee: Sonoco Development Inc
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: WO2009099723A1; AU2009210631A1; EP2244964A1; US9212021B2; US20090194625A1; AU2009210631B2; MY183328A; CA2712861C; EP2244964B1; TW200934653A; AR070694A1; CA2712861A1; MX2010008536A; CN101939241B

Abstract

一种用于可弹性伸展或可收缩的材料的卷绕芯被设计成明显地降低卷绕期间形成的卷制应变能的大小。这通过在芯中形成吸能区(220)来实现，在由卷绕材料的卷筒施加的持续的径向向内压力的影响下，该吸能区在较长期间可以以相对受控的方式大量收缩。该吸能区由一个或更多个可收缩层(100)形成，该可收缩层具有重复的微粒区(105)，该微粒区突出到片材的平面外，并且在该微粒区的不同子区域中均限定多个法向矢量(108a，108b，108c，108d)，其中，法向矢量当投影到片材的二维平面上时，在平面中沿着多个不同的方向。

Description

用于具有高卷制应变能的材料卷筒的卷绕芯以及制造该卷绕芯的方法

技术领域

本公开涉及卷绕芯，更具体地涉及用于以下材料的卷绕芯，这些材料包括但不局限于：塑性非收缩膜、塑性收缩膜、纱线以及其它弹性材料，这些材料在张力下卷绕，使得该材料在绕芯卷绕时处于弹性伸展的状态下，并且/或者在绕芯卷绕之后收缩，而导致芯上的大量且持续的径向向内压力。

背景技术

在卷绕该材料时，因张力(膜在该张力下绕芯卷绕)和/或因材料在卷绕之后的收缩，卷绕材料的卷筒存储了本文被称作“卷制应变能(roll strain energy)”的能量。该机理类似于弹簧，即，在变形时存储能量。相反地，当弹簧中的变形减轻时，存储在弹簧中的能量减少。具有高的卷制应变能的卷绕卷筒结构明显地压缩芯OD，致使芯的内径减小，本文称作“ID下降”。附加地，来自卷筒的压缩负载还致使芯的长度增大。这些影响会导致使用时的诸多问题。

已发现，一些卷绕材料(诸如一些塑性膜)在卷绕结束之后一段期间内可在芯上继续施加径向向内的压力，在一些情况下，该压力甚至可在卷绕之后随着时间增大，而导致较大且较多的ID下降。过度的ID下降造成使用时的失败。

尽管卷绕芯已被设计成在该芯壁中包括这样的区域，该区域被设计成较容易被径向压缩，以帮助立即减轻卷绕期间由材料施加的一些径向向内压缩，但申请人已知的该类型的现有卷绕芯在一个或多个方面存在缺陷。首先，在一些这样的卷绕芯中，径向可压缩区域在卷绕开始之后立即或不久就特别突然且以基本非受控的方式收缩。例如，诸如在1974年5月31日公布的瑞士专利文献CH 549 523或在1944年6月6日出版的美国专利No.2,350,369中的描述，已知在卷绕芯中包括一层或多层传统的轧纹纸板层。申请人已发现该类传统的轧纹纸板层在卷绕开始时几乎可立即收缩，这会导致迅速旋转芯的高振动。申请人已发现，需要的是具有可收缩结构的卷绕芯，该可收缩结构较少突然且以更加受控的方式收缩。然而，申请人已知的现有技术的卷绕芯未教导如何实现该目的，并且实际上甚至未教导该目的是所期望的。

第二，在其它这样的卷绕芯中，径向可压缩区域不具有足够的能力来减轻卷制应变能，以明显减轻ID下降问题；换言之，现有技术的结构提供的径向厚度减小太少而无效。例如，1996年4月9日出版的美国专利No.5,505,395描述了具有“强/弱/强”型的壁结构的多级卷绕芯，其中，在所述芯壁的内部中在相对较强的纸板的内层与外层之间布置有一层或多层相对较弱的纸板。该较弱的纸板具有较大的顺应性或压缩性，因此有助于从卷绕材料吸收一些向内压力，由此趋于降低ID下降。然而，该类卷绕芯不具有足够能力来吸收由在较大张力下卷绕的塑性膜施加的较大压力。与十年或几十年以前通用的卷绕实践相比，这在考虑到在较高张力下卷绕较大且较重的卷筒的当前实践中尤其如此。因此，即使现有的卷绕芯可能适应于过去要求较低的卷绕环境，但该芯在当今的要求高的卷绕环境中通常不能可接受地发挥作用。申请人已发现，需要这样的卷绕芯，该卷绕芯具有提供较大程度的径向厚度减小的径向可压缩结构，而同时以与现有技术结构相比不突然并且更受控的方式压缩。然而，申请人已知的现有技术的卷绕芯未教导如何实现该目的，并且实际上甚至未教导该目的是所期望的。

发明内容

通过根据本公开的卷绕芯至少较大程度地实现这些目的，其中，所述芯被设计成明显降低卷绕期间产生的卷制应变能的量。这通过在芯中形成“吸能区”来实现，在由卷绕材料的卷筒施加的持续的径向向内压力的影响下，该吸能区能够长时间以较大量并且以相对受控的方式收缩。这些设计创新使得效率较好，因为它们降低了芯所需的径向抗压强度。期望这样的芯设计通过降低所需要的材料量来改善产品的支撑能力，并且适用于对当前芯设计要求过多的应用中。

根据本公开的一个方面，描述了一种卷绕芯，该卷绕芯用于卷绕可弹性伸展的或可收缩的材料的连续幅，以形成该材料的卷筒，其中，所述卷筒具有因所述芯上的径向向内压力而形成的卷制应变能。该卷绕芯包括筒状结构，该筒状结构由绕轴线依次卷绕且粘合在一起的多个层形成，其中，所述芯包括：径向内壳，该径向内壳由多个内层形成，每个内层均具有基本平滑且无起伏的两个相反表面；径向外壳，该径向外壳由一个或更多个外层形成，每个外层均具有基本平滑且无起伏的两个相反表面；以及吸能区，该吸能区径向布置在所述内壳与所述外壳之间。所述吸能区包括至少一个由片材形成的可收缩层，该片材构成为使该片材的相反表面的每个表面均限定三维构成的微粒区，该微粒区在整个所述表面上重复，所述微粒区突出到所述片材的平面外，并且在该微粒区的不同子区域中限定多个法向矢量。当投影到所述片材的二维平面上时，这些法向矢量在所述平面中位于多个不同的方向(即，非共线)。

所述重复的微粒区向所述片材的所述二维平面上的投影形成平面瓦(tiling)。

所述吸能区的微粒区构造成使得该吸能区在被径向向内压力P_c径向压缩时，可收缩总量ΔR。所述芯构造成使所述内壳的ID下降小于预定值，只要吸能区处于收缩的过程中即可，并且吸能区构造成使得该吸能区在卷绕所述幅以形成所述卷筒的期间或之后开始收缩。优选的是，所述吸能区在当所述卷筒的卷绕刚好结束时的时刻仍具有附加的可收缩性，该附加的收缩性足以基本吸收在卷绕结束之后由所述卷筒施加的持续的径向向内压力。

如上所述的卷绕芯与全部由无起伏或“平坦”层构成的传统卷绕芯相比具有独特的优点。为了保持该传统卷绕芯的ID下降小于预定值，传统的方法通过提高壁厚和/或利用较坚固的材料来简单地提高芯的径向抗压强度。相比之下，根据本公开的方法形成芯的内壳，该内壳的强度是承受通过吸能区(加上安全裕度)传递到内壳上的压力大小所必需的。该吸能区特别地构造成在卷绕期间或之后在由卷绕材料施加的压力下开始收缩。然而，与诸如在CH 549 523和美国专利No.2,350,369中的描述的现有技术的卷绕芯(其趋于在卷绕开始之后几乎立即收缩)不同，至少在一些实施方式中，本发明的芯的吸能区在卷绕结束之后仍保持附加的收缩性。这很大程度上是因为具有微粒区的可收缩层的具体结构所致。

在一个实施方式中，所述芯的内层包括至少三个内层，或者至少四个内层，或者至少五个内层，或者至少六个内层，或者至少七个内层，或者至少八个内层。

在一个实施方式中，该内层具有从大约0.013英寸至大约0.045英寸范围的跨距。根据一个实施方式，当所述芯的内径大约为1英寸至大约24英寸时，所述内壳的总径向厚度在从大约0.100英寸至大约1.0英寸的范围内。

根据一个实施方式，所述吸能区包括至少两个可收缩层。所述至少两个可收缩层可彼此接触。

在一个实施方式中，每个可收缩层的所述微粒区由所述片材中的折叠的小方格(tessellation)形成。

可选的是，在另一个实施方式中，每个可收缩层的所述微粒区形成为所述片材的不连续的突起区域。例如，每个该微粒区可形成为截锥形或棱锥形，并且可具有最高表面，该最高表面基本平坦，并且具有较大表面积，例如，至少大约为0.05in²(大约32mm²)，或者至少大约为0.1in²(大约64mm²)。在优选的实施方式中，可收缩层的两个相反表面具有微粒区域的该基本平坦的最高表面。这些基本平坦的表面提供了芯的可收缩层与相邻的层的良好粘合性。可选的是，不连续的突起区域具有部分球形或穹顶形状，该部分球形或穹顶形状在其整个表面上具有大体连续的曲率。

在另一实施方式中，至少一个可收缩层的微粒区包括网格图案，该网格图案由沿第一方向延伸的大体线性的第一突起区域和相交的大体线性的第二突起区域形成，该第二突起区域沿与第一方向不同的第二方向延伸。

可收缩层的微粒区与传统的轧纹在许多方面存在差异。首先，通过折叠纸形成轧纹，使得纸以基本不破坏纸中的纤维间的结合键的方式变形。在由根据本发明的一些实施方式的纸板形成的可收缩层的情况下，通过以导致纤维间的结合键基本破坏(并且在一些情况下导致片材中部分撕破)的方式构成纸板来形成微粒区。其次，当投影到片材的二维平面上时，传统轧纹板的褶痕的法向矢量仅位于与褶痕的长度方向垂直的一个方向上(或者，更精确而言，位于两个相反的共线方向上)。相比之下，本发明的可收缩层的微粒区的法向矢量在投影到片材的平面上时，位于多个不同的方向(非跨距)上。这极大地改善了可收缩层的吸能能力。

附图说明

这样大体上描述了本公开，现在将根据附图进行说明，附图不一定按比例绘制，附图中：

图1是示出根据本发明的一个实施方式的、在本发明的实践中使用的可收缩层的照片；

图2是示出具有图1中所示的类型的一个可收缩层的短长度的卷绕芯的照片；

图3是图2的卷绕芯的另一个照片；

图4是示出根据本发明的另一个实施方式的可收缩层的照片；

图4A是图4的放大部分；

图5是示出根据再一实施方式的可收缩层的照片；

图6是示出关于传统芯和根据本发明的卷绕有塑性膜的芯的ID下降测试的结果的图；

图7是示出ID下降如何与测试芯的重量相关的图；

图8是示出芯的长度如何根据由卷绕塑性膜施加的压力而改变的图；以及

图9是示出各种测试层压材料的负载-位移特征的图，这些材料中的一些材料适于构成根据本发明的卷绕芯，一些材料不适于构成根据本发明的卷绕芯。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的部分但不是所有的实施方式。实际上，本发明可以实施成多种不同的形式，并且不应当认为本发明局限于这里所给出的实施方式；相反，提供这些实施方式是为了使得本公开满足适用的法定要求。相同的附图标记在全文中代表相同的元件。

在整个说明书和所附的权利要求中，术语片材的“微粒区(atomicregion)”是指投影到片材的二维平面上的三维(即，非平面)表面结构，其中，当投影到片材的二维平面上时，微粒区表面的法向矢量位于多个不同的非共线方向上。相反，如上所述，传统轧纹纸的褶痕具有位于单一方向上的法向矢量，因此不是如本文使用的微粒区。

“Z向”表示与片材的二维平面正交的方向。

“有效跨距(effective caliper)t_eff”是沿Z向测量的包含最所述层的一侧的最高点的一个表面和包含所述层的相反侧的最高点的另一个表面之间的距离。除非另有说明，否则本文所称的有效跨距利用TAPPI T411om-89测试协议测量。

“可收缩”是指因微粒区被压缩并变平而使层的有效厚度或跨距t_eff由于沿Z向施加在层上的压力而减小。

层的Z向收缩性的“总量ΔR”是有效跨距t_eff可仅因微粒区的变平而减小的最大量。因此，尽管必须认识到，当压缩纸板时，总是不可避免地发生一定程度的纤维压缩，但ΔR基本排除因沿Z向压缩纸板的基本纤维结构(即，减小纤维之间和纤维内空间的体积)而引起的跨距减小。

本公开涉及用于卷绕弹性伸展或可收缩材料的卷筒的卷绕芯和用于制造该卷绕芯的方法。这样的材料包括但不局限于：某些类型的塑性膜、收缩膜、某些类型的纱线或者其它纺织材料等。因卷绕材料的卷筒中存在大量的卷制应变能，因此卷绕这些材料存在卷绕相对无弹性的材料(例如，纸或金属片材料)时所不会遇到的挑战。因张力而形成卷制应变能，在该张力下，膜绕芯卷绕。该机理与当变形时存储能量的弹簧类似。对于卷绕卷筒结构，卷制应变能压缩芯OD，使得内径减小或“ID下降”。

如前所述，如由CH 549 523和美国专利No.2,350,369所述，早已了解在卷绕芯壁结构中包括一种或多种传统的轧纹纸板层，用于吸收因由卷绕材料施加的压力而引起的芯OD的一些变形的大体概念。然而，通过申请人进行的作业，具有轧纹纸板的卷绕芯在一种或多种主要方面存在不足。具体地，如下面进一步的描述，经申请人测试表明：轧纹层几乎可在卷绕材料开始之后立即倾向于断开且基本完全收缩。另外，该收缩绕芯圆周不一定以完全均匀的方式发生，结果芯OD可变成非圆形，而导致需要卷绕处理中断或明显减慢的高振动。另外，从实践角度出发，用于制造CH‘523引用文献中描述的类型的芯的预轧纹纸板的卷筒必须非常大，以避免管制造期间必需的频繁的卷筒变化。可选的是，必须研制列式轧纹(in-line corrugating)装置，但是怀疑的是，制造具有实际的足够小的占地面积、且为了管制造的经济性而必须能够在高速下运行的可靠的列式轧纹机将十分困难。

申请人已研制出可选的可收缩层，该可收缩层基本或完全避免断开和不均匀的收缩，以及其因此而发生的具有轧纹纸板的芯所趋于产生的振动问题。收缩层取决于所构成的微粒区，因此相比传统的轧纹结构具有许多优点：(1)所述层可提供相当程度的Z向收缩性ΔR；(2)尽管收缩性如此大，但所述层还趋于以更受控的方式收缩(即，卷绕后不突然且基本不完全进行传统轧纹方式趋于进行的收缩)；(3)所述层趋于以更均匀的方式绕芯的圆周收缩，并由此避免振动问题；(4)所述层由于它们在多个方向上的纤维破坏较小或无破坏的弯曲的能力，从而在螺旋制管过程中具有相当好的“运行能力”；以及(5)施加在微粒区上的法向力从Z向传递到多个面内方向，而不是如传统轧纹结构一样仅在一个方向上传递。

图1中示出根据本发明的一个实施方式的可收缩结构100。在图1的照片中，该结构包括构造的纸板片材(该纸板片材例如通过使片材穿过具有呈期望形状的三维结构表面的两个卷筒之间的压区而构成)。可选的是，该结构可由聚合物膜之类的非纸材料形成(例如，通过热塑成形、冷成形等)。为了利用该结构制成的芯的再生性，优选的是，可收缩结构由与芯的其它层相同的材料制成。结构100的微粒区具有“华夫饼干(waffle)”或网格图案。也就是说，该结构包括这样的片材，该片材构成为具有一系列通常呈方形或矩形的第一突出区域102和一系列通常呈方形或矩形的第二突起区域104，第一突起区域102从片材的一侧向外突出，第二突起区域104从片材的相反侧突出。第一和第二区域102、104在片材的二维平面中沿两个不同的正交方向重复。所形成的结构100具有由微粒区105限定的表面，该微粒区在整个片材上重复。更具体而言，微粒区105形成在片材的平面中沿两个正交方向重复的峰和谷。

结构100的特征还在于突起区域102、104具有基本平坦的最高表面106(其中一个最高表面在图1中用线画出)。这些基本平坦的最高表面因此形成在结构100的两侧上，并形成与卷绕管中的相邻层的良好接合点。在优选的实施方式中，每个基本平坦的表面106均具有至少大约0.05in²(32mm²)的表面积，或者至少大约0.1in²(64mm²)的表面积。最高表面106的四个边缘中的每个边缘均与大体为矩形的表面部分结合，该大体矩形的表面部分相对于片材的二维平面倾斜。这四个表面部分的法向矢量在投影到片材的二维平面上时位于不同的方向。因此，一个表面部分的法向矢量108a指向x-y坐标系统的象限Ⅲ(y向与片材的长度或机器方向平行，x向与片材的宽度或机器横向方向平行)。另一个表面部分的法向矢量108b指向象限Ⅱ，再一个表面部分的法向矢量108c指向象限Ⅰ，第四表面部分的法向矢量指向象限Ⅳ。最高表面106的法向矢量大体与Z向平行。

可收缩结构100用在根据本发明的卷绕芯的构造中。例如，图2和3示出了由大体如图1中所示的可收缩纸板层构成的纸板卷绕芯200的样品长度。芯200包括由多个内纸板层形成的内壳210，所述多个内纸板层绕芯轴线依次螺旋地卷绕并且利用粘合剂粘接在一起。在所示的实施方式中，内壳包括11层内纸板层，所有这些层均具有平滑且无起伏的两个相反表面(即，它们为传统的平坦纸板层)。内纸板层的跨距大约为0.025英寸(0.64mm)。芯200还包括由单一平滑且无起伏的纸板层形成的外壳230，该纸板层的跨距大约为0.013英寸(0.33mm)。该芯还包括吸能区220，该吸能区大体由图1中所示的网格类型的单一可收缩纸板层形成。可收缩的纸板层由跨距大约为0.015至0.050英寸(0.38至1.27mm)的纸板片材形成。然而，片材中形成的微粒区使得片材的有效跨距t_eff近似为0.030至0.250英寸(0.76至6.4mm)。通常，可收缩纸板层的有效跨距至少为片材的实际跨距的两倍，或者至少为实际跨距的2.5倍，或者至少为实际跨距的3倍，或者至少为实际跨距的4倍，或者至少为实际跨距的5倍。这些数字仅是示例性的，除了为了充足的ID硬度(即，在径向向内的压缩负载下，芯对ID下降的阻力的测量)、径压强度以及弯曲硬度而内壳通常需要许多纸板层之外，根据本发明的卷绕芯不局限于各种纸板层的任何具体数量或跨距。

图4和4A中示出了在本发明的实践中使用的可收缩层120的第二实施方式。层120具有由折叠的小方格(tessellation)124形成的微粒区122，折叠的小方格沿层的长度或机器方向具有大体之字形形状。层120例如可以是根据美国专利No.7,115,089和美国专利申请公报2006/0148632形成的纸板，它们的公开内容通过引用结合于此。微粒区122具有V形形状，并且由四个基本平坦的表面126a、126b、126c和126d限定(图4A)，这四个平坦表面相对于彼此取向不同。表面126a具有大体平行四边形的形状，并且具有面法向矢量128a，该面法向矢量128a在二维x-y投影中指向象限Ⅲ。表面126b具有大体平行四边形的形状，并且具有面法向矢量128b，该面法向矢量128b在二维x-y投影中指向象限Ⅰ。表面126c具有大体平行四边形的形状，并且具有面法向矢量128c，该面法向矢量128c在二维x-y投影中指向象限Ⅱ。表面126d具有大体平行四边形的形状，并且具有面法向矢量128d，该面法向矢量128d在二维x-y投影中指向象限Ⅳ。这些表面中的每个均倾斜到片材的二维平面外。通常，层120的有效跨距至少为片材的实际跨距的两倍，或者至少为实际跨距的2.5倍，或者至少为实际跨距的3倍，或者至少为实际跨距的3.5倍，或者至少为实际跨距的4倍，或者至少为实际跨距的5倍，或者至少为实际跨距的6倍。在一些情况下，可收缩层120的有效跨距可至少为实际跨距的8倍，或者至少为实际跨距的10倍，或者至少为实际跨距的15倍，或者甚至至少为实际跨距的20倍。

图5中示出了根据本发明的另一实施方式的可收缩结构130。结构130具有网格图案的微粒区132，该微粒区132在片材的平面中沿两个方向重复。具体而言，每个微粒区均具有大体线性的第一突出区域134，该第一突出区域134沿第一方向(图5中的左下至右上方向)延伸并与大体线性的第二突出区域136相交，该第二突出区域136沿第二方向(图1中左右方向)延伸。图5的实施方式中的第一和第二方向彼此非正交。第一突出区域134包括具有法向矢量138a和138b的表面部分，法向矢量138a和138b在二维投影中分别指向象限Ⅱ和象限Ⅳ。第二突出区域136包括具有法向矢量138c和138d的表面部分，法向矢量138c和138d分别指向正y向和负y向。通常，层130的有效跨距至少为片材的实际跨距的两倍，或者至少为实际跨距的2.5倍，或者至少为实际跨距的3倍。

进行一系列试验以评价各种卷绕芯结构在卷绕有吹制和铸造的80规格的塑性膜的卷筒时在阻止ID下降方面的有效性。所有卷绕芯均具有77.8mm(3.062英寸)的公称ID和21英寸(533mm)的长度。以下的表Ⅰ示出了各种芯的构造。

表Ⅰ

芯标号	芯构造(ID→OD)	芯重量(g)
			控制	1-P4/5-P3/6-P2/1-P4/1-Out	978.3
A30	11-P4/1-G(P5)/1-Out	853.7
			A33	9-P4/1-G(P6)/1-Out	716.7
A34	9-P4/1-G(P6)/1-Out/1-G(P6)/1-Out	863.6
			A35	6-P4/3-P4′/1-G(P6)/1-Out	731.1
A36	11-P5/1-G(P6)/1-Out	818.8
			A37	10-P4/1-G(P6)/1-Out	747.3
A38	8-P4/1-P2/1-G(P6)/1-Out	682.8
			A39	9-P4/1-G(P5)/1-Out	678.6
A40	6-P4/4-P2/1-G(P6)/1-Out	778.8
			A41	5-P4/2-P2′/2-P2/1-G(P6)/1-P4/1-Out	779.8
轧纹1	11-P4/1-Corr/1-Face	694.5
			轧纹1	11-P4/1-Face/1-Corr/1-Face/1-Corr/1-Face	1058

P1＝0.025英寸(0.64mm)跨距的低密度纸板

P2＝0.025英寸(0.76mm)跨距的低密度芯片纸板

P2′＝0.030英寸(0.76mm)跨距的低密度芯片纸板

P4＝0.025英寸(0.64mm)跨距的中密度纸板

P4′＝0.030英寸(0.76mm)跨距的中密度纸板

P5＝0.030英寸(0.76mm)跨距的高密度纸板

P6＝0.045英寸(1.14mm)跨距的低至中密度纸板

Out＝0.013英寸(0.33mm)跨距的纸板

G＝大体在图1中所示的类型的“网格”式可收缩纸板，在P6的情况下，该纸板的有效跨距大约为0.120英寸(3.0mm)，在P5的情况下，该纸板的有效跨距大约为0.150英寸(3.8mm)

Corr＝具有B-褶痕(每纵尺近似47个褶痕)的传统的0.006英寸(0.15mm)的轧纹纸板，有效跨距(包括一个Face片材)大约为0.10英寸(2.5mm)

Face＝用于轧纹层的0.006英寸(0.15mm)的面片材

因此，例如，A37芯具有形成内壳的10层P4纸板、形成吸能区的一层网格式纸板(由P6纸板制成)以及形成外壳的一层0.013英寸(0.33mm)纸板。控制芯代表全部由平坦的无起伏的纸板层构成的“传统”芯。轧纹芯至少一定程度上代表CH 549 523和美国专利No.2,350,369中描述的类型的卷绕芯。

通过用相同长度的塑性膜在相同的卷绕张力下卷绕各芯来测试芯的ID下降。测试具有吹制膜的每种芯类型的16个样品，测试具有铸造膜的每种芯类型的12个样品。从每端测量各芯的内径为7英寸(178mm)，将两个测量值平均，并且从卷绕前的内径的初始值减去两个测量值，而导出ID下降。在下列时间进行这些测量：卷绕之前(BW)；卷绕之后(AW)即刻；卷绕之后20分钟；卷绕之后24小时；卷绕之后48小时；卷绕之后144小时；卷绕之后168小时(一周)；卷绕之后216小时；卷绕之后336小时(两周)。

图6中示出了测量结果。各数据点表示具有吹制膜的16个芯样品和具有铸造膜的12个芯样品的平均值。轧纹芯在高速卷绕期间(近似250英尺/分钟)经受高振动，使得卷绕操作必须中断。推断出，轧纹层的轧纹在卷绕开始之后不久就突然收缩，并且该收缩在周边周围不均匀，从而芯变得不圆并且引起高振动。通过在低速下将膜卷绕在轧纹芯上，可以完成卷绕并且可以测量ID下降。然而，轧纹芯被认为不合格，因为不能实现必须采用的低速卷绕。

在卷绕完成的时刻(时间AW)，测试结果表明，各种芯的ID下降已存在明显差异。轧纹1芯具有最大的ID下降(未在图6中示出，因为如前所述，由于高振动防止高速卷绕，该测试被认为不合格)。在时间AW处的下一个最高的ID下降是控制芯(0.0155英寸)。A37芯在时间AW处具有大约0.009英寸的最低ID下降，与控制芯相比，ID下降减少了大约40％。相信这是因为A37芯通过吸收吸能区中的芯OD的变形而减轻了大量卷制应变能的结果，吸能区由网格式可收缩纸板层形成。

有趣的是，该测试结果表明，在卷绕完成之后相当长的时间内，ID下降持续增大，并且在一些情况下相当大。这是表示卷绕膜卷筒中的卷制应变能在芯上继续施加较大压力。例如，对于控制芯，ID下降从卷绕之后即刻的大约0.0155英寸增大到卷绕之后20分钟的大约0.0196英寸(大约增大26％)。卷绕之后的24小时，控制芯的ID下降增大到大约0.0248英寸(增大大约60％)。控制芯的ID下降继续增大直到卷绕之后的大约168小时(一周)，在大约0.0276英寸达到峰值(比卷绕之后即刻高78％)。

A37芯的ID下降在卷绕之后也继续增大。例如，卷绕之后20分钟，A37芯的ID下降基本与卷绕之后相同。卷绕后24小时，A37芯的ID下降从大约0.009英寸增大到大约0.0125英寸(与控制芯的60％相比，增大大约39％)。A37芯的ID下降继续增大直到卷绕之后的大约168小时(一周)，在大约0.0146英寸达到峰值(比卷绕之后即刻高62％)。因此，即使在卷绕后的一周，尽管A36芯使用比控制芯明显小的纸，A36芯的总ID下降也仍小于控制芯在卷绕后即刻的ID下降。

其它吸能芯也导致比控制芯明显低的ID下降值。例如，A40和A41芯几乎与A37芯一样好。

应注意，ID下降值涉及各芯的重量。在设计用于具体应用的芯时，通常希望使用尽可能小纤维质量的芯，同时仍实现充分的ID硬度。图7示出了卷绕之后两周各种芯的ID下降值，该图相对于芯的重量绘制。最大重量的芯是995.6g的A31芯，该芯仅略大于控制芯(978.3g)。然而，与控制芯的0.027英寸相比，A31的ID下降仅为0.013英寸。因此，在近似相同的重量下，本发明的芯导致ID下降大约50％。最低重量的芯是678.6g的A39芯(相对于控制芯减少30％)，然而与控制芯(0.027英寸)相比，其ID明显下降(0.019英寸)。另外，A36芯实现最低的ID下降(0.011英寸)，但是其需要比控制芯小大约16％的纸质量(A36为818.8g，相对于控制芯的978.3g)。因此，由于控制芯视为具有可接受的ID下降性能，因此，可以明显降低纸质量，同时仍实现充分的ID下降性能。

轧纹-1芯与本发明的芯相比性能差。例如，重量为694.5g的轧纹-1芯在卷绕之后两周的ID下降为0.038英寸(不可接受)。然而，近似相同重量(682.8g)的A38芯的ID下降仅为0.017英寸(可接受)，比轧纹-1芯的ID下降小一半。

测试结果表明，通过适当地选择层的类型和数量以及适当设计吸能区，相对于传统的卷绕芯，对于具体的卷绕应用，可实现目标的最大ID下降，同时降低使用的材料量。

根据本发明的卷绕芯的其它优点和意想不到的特征涉及芯的长度因由卷绕材料的卷筒施加的压缩力而变大的量。已观察到，当卷绕芯的ID降低时，芯的长度变大。在一些应用中长度变大可能是严重的问题。例如，在将多个芯端对端地安装在卷绕轴上以及将多个塑性膜幅同时卷绕在相应的芯上的应用中，芯的长度变大是加成的(例如，如果每个芯的长度增大0.05英寸，并且具有5个芯，则总长度增大0.25英寸)。这会导致给定的芯从其期望位置偏移较大量，从而膜幅不再与芯适当地对准。这会导致非均匀的卷绕卷筒。

然而，根据本发明构成的该芯呈现出比控制芯和轧纹芯低很多的长度增大。图8中示出了卷绕之后大约两周的长度增大测量的盒须图。对于测试每个芯，矩形阴影盒表示长度增大数据点的范围的中间的50％。穿过盒的水平线表示中值。从盒延伸的竖直线(“须”)表示数据范围(除外露层)的上下的25％。外露层由星号(*)表示。每个图上的圆十字叉符号表示数据点的平均数。可以看出，利用根据本发明的网格式可收缩纸板层构成的芯比控制芯和轧纹芯的长度增大明显低。实际上，“轧纹1”芯的最高平均长度增大大约为0.10英寸，控制芯的次最高平均长度增大大约为0.078英寸。相比之下，A38芯的平均长度增大仅大约为0.02英寸。A34芯的平均长度增大大约为0.03英寸。根据本发明的其它芯中的几个的平均长度增大在0.05英寸以下，0.05英寸被视为是最大允许值。

相信这反映了能量从材料的卷绕卷筒到芯的内壳(或者在控制芯的情况下到整个芯)的转换程度。更具体而言，每个本发明的芯的吸能区将卷制应变能转化成不能有助于长度增大的其它能量形式。相反地，卷绕材料的卷制应变能的大部分能够有助于控制芯的长度增大，因为其缺乏任何有效的吸能能力。同样，尽管轧纹芯能够在OD下收缩，如前所述，收缩发生得太突然以至于不能将卷制应变能有效地转换成其它能量形式。

本发明的芯因此提供了明显降低的ID下降，并且卷绕之后长度增大较长时间，在这些方面比无吸能区的传统类型的芯明显较好。另外，甚至更出乎意料的事实在于，本发明的芯在吸收施加到芯OD的变形方面比具有轧纹材料的芯明显较好。

为了能够区分“好的”可收缩结构(例如上述的折叠结构和网格式结构)与“差的”结构(例如传统的轧纹材料)，而在各种类型的材料的大体平坦的样品上进行一系列压缩负载测试，这些样品包括：具有普通平坦纸板的样品；具有一层或两层网格型的可收缩纸板层(例如，如图1)的样品；具有一层或两层折叠型的可收缩纸板层(例如，如图4)的样品；具有一层或两层压花的纸板层的样品；以及具有一层或两层轧纹层的样品。每种样品均包括在如前所述的芯的构造中使用的10层相同中密度P4’(0.030英寸厚)纸板的基部，被测试的主题材料粘附地层压到该基部上。该样品具有近似3英寸×3英寸的长度和宽度尺寸。

在网格式样品的情况下，研究的附加变量是纸板的密度。更具体而言，三种不同等级的纸板材料(低密度P1、低至中密度P6以及中密度P4)形成网格式可收缩层，并且测试具有每种类型中的一层和两层的样品。

测试包括：在位移控制下将每种样品压缩地加载到材料测试系统模型831液压弹性体测试系统中，并且在测试期间定期地测量力和位移。为了测试所给样品，将该样品放置在机器的测试板上，操作机器的锁定/解锁手柄，以使机器头在样品上施加大约10至40N(2.3至9磅)的小压缩负载。该小负载恰好足以确保样品平放在测试板上；在该条件下，负载被视为“零”，因此，机器的测压元件被清零。然后机器启动，使得测试头以每分钟大约1.6mm的预定速度移动总计5分钟的时间(总行程为8mm)。在测试期间，以0.02秒的间隔记录位移和负载。针对每个数据点计算总应变能(负载乘位移)。

图9示出了输入到每个样品中的总应变能(单位为磅-英寸)与位移的关系。在负载-位移曲线下，通过对面积数值积分来计算应变能，作为[F(X_i+1)+F(X_i)]*(X_i+1-X_i)/2的总和，其中F(X)是作为位移X的函数的负载，并且i＝1至n-1，其中，n是形成曲线的数据点的数量。轧纹和结构纸板的每个样品均大体具有相同的特征，借此，位移初始以每单位能量的较高速率增大。应想到，与纸板材料自身的纤维结构压缩相反，该初始的迅速位移主要由轧纹或微粒区的收缩或变平形成。通过进一步的能量输入，位移增加的速率明显减小。应想到，这表示轧纹或微粒区的变平基本完成，进一步的位移通过纤维结构自身的压缩比微粒区的变平更多地实现。确定的是，44,000磅/英寸的负载位移斜率适当地表示压缩类型从微粒区的变平变成纤维结构的压缩所在的点。斜率等于44,000磅/英寸所在的点在图9中的各曲线上用开圆表示。44,000磅/英寸斜率处的应变能最小可接受水平定为20磅-英寸。因此，20磅-英寸以下的所有材料被视为不可接受，20磅-英寸以上的所有材料被视为可接受。

可以看出，具有一层或两层轧纹材料的两种类型的轧纹样品在14和15.9磅-英寸的较低的能量水平下分别达到44,000磅/英寸的斜率，并且实现较大位移。这与轧纹材料以较小力迅速收缩的前述观测相符。应注意，具有大体如图4中所示的单层的折叠型的可收缩纸板的样品具有大约35磅-英寸的能量。具有由低至中密度P6纸板制成的如图1中的单层网格式材料的层压件具有大约31磅-英寸的能量；具有两层该网格式材料的层压件具有大约50磅-英寸的能量，该能量在测试的结构中是最高的。因此，材料的“宏观”结构在确定在设计的44,000磅/英寸斜率点处的应变能的水平上起着重要作用。

另外，特别注意到，形成网格式结构的纸板的“微观”结构(即，密度)也是重要的参数。具有由中密度P4纸板(0.025英寸跨距)制成的一层或两层网格式材料的层压件在设计斜率点处分别具有9.2磅-英寸和15.9磅-英寸的能量，该能量与轧纹样品的能量水平大致相当。然而，具有由低至中密度P6纸板(0.045英寸跨距)制成的一层或两层网格式材料的层压件分别具有30.7磅-英寸和49.5磅-英寸的能量水平，比P4纸板的能量水平大三倍。具有由低密度P1纸板(0.03英寸跨距)制成的一层或两层网格式材料的层压件分别具有6.1磅-英寸和15.3磅-英寸的低能量水平。因此，尽管P1纸板的跨距比P4纸板的跨距略大，但P4纸板的较大密度看上去抵消了跨距的减小。P6纸板结构的高能量水平还反映出P6的跨距几乎是P4的跨距的两倍。

这些平坦的层压件测试结果可用来引导选择卷绕芯中使用的合适的可收缩吸能区。如前所述，至少相对于可收缩的纸板结构的通用准则在于，吸能区在44,000磅/英寸的负载-位移斜率处的应变能应当至少大约为20磅-英寸。应注意，该下限可用于拉伸膜的卷绕芯。对于诸如收缩膜或其它材料的卷绕芯的其它应用，对于应变能可应用不同下限。

根据本发明，用于设计或构造具体卷绕应用的卷绕芯的方法包括考虑对芯的持续卷制应变能的卷绕后效果，并提供具有吸能区的芯的步骤，该吸能区具有足够的可收缩性，以在卷绕期间和卷绕后较长时间至少吸收大量的卷制应变能。

本文阐述的发明所属技术领域中的普通技术人员通过受益于前面说明书和相关附图中给出的教导，将可以想到这些发明的许多变型和其它实施方式。因此，应理解的是，本发明并不局限于所披露的这些具体实施方式，并且所有变型和其它实施方式都旨在包括在所附权利要求的范围内。虽然在这里采用了特定术语，但是它们只是在一般说明性意义上使用，而不是为了进行限制。

Claims

1.一种卷绕芯，该卷绕芯用于卷绕可弹性伸展的或可收缩的材料的连续幅，以形成该材料的卷筒，其中，所述卷筒具有因所述芯上的径向向内压力而形成的卷制应变能，该卷绕芯包括：

筒状结构，该筒状结构由绕轴线依次卷绕且粘合在一起的多个层形成，其中，所述芯包括：

径向内壳，该径向内壳由多个内层形成，每个内层均具有基本平滑且无起伏的两个相反表面；以及

吸能区，该吸能区布置在所述内壳的径向外侧，并且包括至少一个由片材形成的可收缩层，该片材构成为使该片材的两个相反表面中的每个表面均限定三维构成的微粒区，该微粒区在整个所述表面上重复，所述微粒区突出到所述片材的平面外，并且在该微粒区的不同子区域中限定多个法向矢量，其中，这些法向矢量当投影到所述片材的二维平面上时，在所述平面中沿着多个不同的方向。

2.根据权利要求1所述的卷绕芯，其中，每个可收缩层和每个内层均由纸板形成。

3.根据权利要求2所述的卷绕芯，其中，每个可收缩层均具有大约0.013英寸至大约0.050英寸的实际跨距和大约0.030英寸至大约0.250英寸的有效跨距。

4.根据权利要求2所述的卷绕芯，其中，所述吸能区在44,000磅/英寸的负载-位移斜率处具有至少大约20磅-英寸的应变能。

5.根据权利要求1所述的卷绕芯，其中，每个可收缩层的所述微粒区由所述片材中的折叠的小方格形成。

6.根据权利要求2所述的卷绕芯，其中，所述内壳包括两种或更多种不同级别的内纸板层。

7.根据权利要求6所述的卷绕芯，其中，所述内壳具有一种或更多种较高级别的内纸板层，所述内纸板层定位到一种或更多种较低级别的内纸板层的径向内侧。

8.根据权利要求1所述的卷绕芯，该卷绕芯还包括外壳，该外壳由至少一个外层形成，该至少一个外层绕所述吸能区卷绕并粘附到该吸能区。

9.根据权利要求1所述的卷绕芯，其中，一个可收缩层的所述微粒区包括不连续的突起区域，这些突起区域在所述片材的所述二维平面中沿两个不同的方向间隔开。

10.根据权利要求9所述的卷绕芯，其中，所述不连续的突起区域大体为穹顶形。

11.根据权利要求2所述的卷绕芯，其中，所述至少一个可收缩层的所述微粒区形成图案，使得所述可收缩层容易绕所述轴线以螺旋方式弯曲，而不发生任何明显的纤维破坏。

12.一种卷绕芯，该卷绕芯用于卷绕可弹性伸展的或可收缩的材料的连续幅，以形成该材料的卷筒，其中，所述卷筒具有因所述芯上的径向向内压力而形成的卷制应变能，该卷绕芯包括：

筒状结构，该筒状结构由绕轴线依次卷绕且粘合在一起的多个纸板层形成，其中，所述芯包括：

径向内壳，该径向内壳由多个内纸板层形成，每个内纸板层均具有基本平滑且无起伏的两个相反表面；以及

吸能区，该吸能区布置在所述内壳的径向外侧，并且包括至少一个由片材形成的可收缩纸板层，该片材构成为使该片材的两个相反表面中的每个表面均限定三维构成的微粒区，该微粒区在整个所述表面上重复，所述微粒区突出到所述片材的平面外，并且在该微粒区的不同子区域中限定多个法向矢量，其中，这些法向矢量当投影到所述片材的二维平面上时，在所述平面中沿着多个不同的方向；

其中，所述吸能区构成为使该吸能区在卷绕所述幅以形成所述卷筒的期间或之后开始收缩，但是所述吸能区在当所述卷筒的卷绕刚好结束时的时刻仍具有附加的可收缩性，所述附加的可收缩性足以基本吸收在卷绕完成之后由所述卷筒施加的持续的径向向内压力。

13.根据权利要求12所述的卷绕芯，其中，所述吸能区在44,000磅/英寸的负载-位移斜率处具有至少大约20磅-英寸的应变能。

14.一种用于制造卷绕芯的方法，该卷绕芯用于卷绕可弹性伸展的或可收缩的材料的连续幅，以形成该材料的卷筒，其中，在所述卷筒中绕所述芯存在卷制应变能，而在所述芯上形成径向向内的压力，该方法包括以下步骤：

通过绕轴线依次卷绕多个内层并将所述内层粘合在一起来形成内壳，所述内层具有基本平滑且无起伏的两个相反表面；以及

绕所述内壳卷绕至少一个可收缩层，以绕该内壳形成吸能区，所述至少一个可收缩层由片材形成，该片材构成为使该片材的两个相反表面中的每个表面均限定三维构成的微粒区，该微粒区在整个所述表面上重复，所述微粒区突出到所述片材的平面外，并且在该微粒区的不同子区域中限定多个法向矢量，其中，这些法向矢量当投影到所述片材的二维平面上时，在所述平面中沿着多个不同的方向。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述吸能区构造成使该吸能区的可收缩性在所述芯的整个外表面上基本均匀。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述吸能区构成为使该吸能区在卷绕所述幅以形成所述卷筒的期间或之后开始收缩，但是所述吸能区在当所述卷筒的卷绕刚好结束时的时刻仍具有附加的可收缩性，所述附加的可收缩性足以基本吸收在卷绕完成之后由所述卷筒施加的持续的径向向内压力。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述吸能区在径向向内的压力P_c下基本完全收缩，并且其中，所述内壳构造成具有超过P_c大约10％至大约50％的安全裕度的额定径向抗压强度。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述吸能区构造成在44,000磅/英寸的负载-位移斜率处具有至少大约20磅-英寸的应变能。