CN1711395A - 分层纸张的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供制造分层纸张的方法，该方法是利用声辐射波重新分配流浆箱喷嘴内的纸浆悬浮液。声辐射力基于纤维半径来分离纤维。该声辐射波通过将粗和较长纤维向内部推移，而将细小和较小纤维留在外部而对纤维进行分离。这具有与多层的分层流浆箱相似的效果，并且生产有较光滑表面的纸张。
Description
技术领域
本发明涉及造纸机的改进。尤其本发明提出制造分层纸张的新颖的方法，该方法是基于纤维半径、通过声辐射力将位于流浆箱喷嘴内的木质纸浆纤维分离成不同的部分。
背景技术
在造纸过程中，造纸机被用于从纤维悬浮液中制造纤维网，例如卷筒纸。纤维悬浮液典型地以悬浮在水中的纤维的形式存在。将纤维悬浮液导入位于机器湿部的流浆箱。在例如专利号为4,087,321的美国专利中公开了这种类型的流浆箱设备。
纸和形成的纸板的质量显著地依赖于由流浆箱产生的矩形喷射的均匀性。高质量典型地意味着良好的成形、均匀的基本重量分布、均匀的层结构和层的高强度特性。这些参数在不同程度上受到纸张的纤维分布、纤维取向、纤维密度和细小纤维以及填料的分布的影响。因为允许有效使用纤维特性，因而，将纤维分离成按较长或者较短纤维相对富集的两个或者更多部分是造纸过程中的重要步骤。纤维分离允许原材料的最佳使用，增加产品的多功能性，并为减小浪费和能源消耗作出贡献。
在过去的四十年中已经发明了各种技术用于分离木质纸浆纤维。在商业立场上通常认识到基于纤维长度分离纤维的压力屏系统是最成功的技术。为了纤维悬浮液的抗絮凝的目的在流浆箱内放置一个纵向的挡板也是众所周知的。例如，在专利号为4,141,788的美国专利中公开了具有单个流浆箱缩口喷嘴的分层流浆箱或者多层流浆箱，该流浆箱对每一层具有隔开的横过机器分布的通道。在整个流浆箱喷嘴中通过片或者板对每一悬浮液格(层)进行分隔。在多个流浆箱的形成中，多个流浆箱被排列使得形成包含有多层的片。
为了在流浆箱组件，尤其在喷嘴腔中形成均匀的造纸原料流，和改善在输出流浆箱的切片时纸张的纤维取向，也包括使用安装在流浆箱分配器(入口)和流浆箱喷嘴腔(出口)之间的扩散器。扩散器块改善纵向(MD)地横穿流浆箱宽度的造纸原料的均匀流的供应。这种扩散器箱体典型地包括在分配器和喷嘴腔之间的多个导管或者管状元件，该喷嘴腔可以包括逐步的变宽或者突然的开口变化，以针对于纸张纤维原料的抗絮凝或者分散而产生湍流来保证较好的原料浓度。参见实例美国专利号5,792,321、5,876,564、6,153,057、6,303,004、6,406,595、6,368,460、6,425,984、6,475,344和公布的申请号US2002/0117285。
另外，众所周知，为了搅动纤维悬浮液和因此为了纤维悬浮液的抗絮凝的目的，在流浆箱内放置机械装置。例如，在专利号为3,853,694的美国专利中公开了当原料经过流浆箱时在原料内产生纤维的精密湍流的方法。该方法包括在流的通道或者流浆箱的壁内焊接板，其中板具有由于原料流流经板而发生振动的这种材料和厚度，通过振动产生较高的声波和超声波范围。这种振动有助于纤维网状物在经过流浆箱时的分散。也参见公开了包括湍流引入物的流浆箱的美国专利6,136,152。
在专利号为5,803,270和5,979,664的美国专利中公开了利用声波分离作为分离纤维的一种手段的可行性。这些专利公开了用以引起在通道流中流动的纤维悬浮液的横向偏转并且因此将纤维分离成两个独立的流的平面超声波场的使用。
然而，上述专利中没有一种是教导或者建议一种方法，该方法包括通过在流浆箱内放置至少一个超声波换能器，使得声波横向地穿过纸浆排出口并且因此在分层的纤维悬浮液流中分离纤维来生产分层纸张的方法。
发明内容
本发明提供制造分层纸张的方法，该方法包括将流浆箱内的纤维在一个分层的纤维悬浮液流中连续地分离成两个或者更多部分。所述实现是基于声波场(声辐射力)的使用来引起纤维悬浮液的附聚作用和再取向，导致纤维偏转从而对流浆箱的喷嘴腔内的纤维进行分离，使得根据纤维的相应大小将纤维分离成两个或者更多部分。既然作用于纤维上的声辐射力首先是纤维直径或者半径(也就是，纤维宽度)的函数，所以大半径的纤维比小半径的纤维偏转的要多。
因而，本发明的一个目标在于提供制造三层纸张的方法，其中细小纤维位于纸张的外面而粗纤维夹在纸张的中间。
本发明的另一个目标在于提供制造两层纸张的方法，其中细小纤维位于纸张的一面而粗纤维位于纸张的另一面。
本发明的一个特征在于提供当原料经过流浆箱时将原料中的纤维进行分离的方法和机械装置。
本发明的另一个特征在于提供通过声辐射力对流浆箱喷嘴内的纸浆悬浮液再分配的方法。
本发明的另一个特征在于提供根据不同纤维的相应的纤维大小将稀释的纤维悬浮液分离成多个部分的方法。
本发明的一个特征在于通过在流浆箱的壁的顶部放置至少一个超声波换能器和在流浆箱的壁的底部放置至少另一个超声波换能器，在流浆箱内产生辐射波，从而将纸浆的较大纤维推向中间而将较小纤维留在排出口的外表面。
本发明的一个特征在于通过在流浆箱的壁的顶部或者底部放置至少一个超声波换能器，在流浆箱内产生辐射波，从而将纤维分离成大的和较小的纤维。
本发明的一个特征在于通过用至少一个超声波换能器改装流浆箱，在流浆箱内产生辐射波。
采用本发明原理的教导结合在说明书、权利要求书和附图中优选的实施例的公开，其他的优点和特征以及由此想要涵盖的等价的结构和方法将会变得更加明显。
附图说明
图1示出在流浆箱的壁上有两个换能器的声波分层流浆箱的示意图。
图2示出在流浆箱的壁上有一个换能器的声波分层流浆箱的示意图。
图3A示出使用0W声能的纤维分层。
图3B示出使用5W声能的纤维分层。
图3c总结在确定声波换能器的最有效频率范围中的低和高频率换能器之间的比较结果。
图4示出原料分离刀片的设置以收集处于声辐射压力下的原料。
图5A描述声波分层力的目测研究和它在纤维上的作用。
图5B示出100％硬木纤维的偏转活动。
图5C示出100％软木纤维的偏转活动。
图5D示出包括70％软木纤维和30％硬木纤维的硬木和软木混合的纤维分层。
图5E示出包括30％软木纤维和70％硬木纤维的硬木和软木混合的纤维分层。
图6示出分层深度和纸张厚度之间的关系。
图7示出收集于声辐射压力之下的悬浮液的平均纤维长度小于没有声压力的悬浮液。
图8示出收集于声辐射压力之下的悬浮液的平均纤维长度小于没有声压力的悬浮液。
具体实施方式
这里示出的详细内容是通过实例的方式并且只是为了本发明的直观讨论的目的，和为了提供什么被认为是本发明最有用和最容易理解的原理和概念方面的描述的原因而给出的。关于这一点，没有更详细地说明本发明的结构细节，只是给出了对于理解本发明所必要的基本细节，使本领域技术人员明白本发明的几种形式是怎样的结合附图的描述在实践中是可以实现的。
本发明提供一种制造分层纸张的方法，其包括利用声辐射力在流浆箱喷嘴内重新分配纸浆悬浮液。尤其，该方法包括在流浆箱内的顶部和/或者底部放置至少一个超声波换能器或者可选择地用一个超声波换能器替代流浆箱的壁的一部分。于是在所述流浆箱内的纸浆悬浮液受到声辐射力，致使声波横向地穿过纸浆排出口，并且导致所述纤维悬浮液内的纤维偏转，从而使得根据在分层的纤维悬浮液流中的纤维的相应大小将所述纸浆悬浮液中的所述纤维分离成两个或者更多部分。
通过流体介质传播的面进式声波将在流体中悬浮的微粒上产生声辐射压力。施加在微粒上的力是声波频率、声波幅度、流体中声音速度、流体密度、微粒密度和微粒形状的函数。当分别具有各自的密度和形状的两种不同微粒悬浮在流体中时，存在施加在每种微粒上的声波力可以明显不同的可能性。这些力能够在微粒速度和偏转角中产生充分的不同使得一种类型的微粒从另一种中分离出来。本发明使用声波分层的这种思想，基于纤维的长度和直径来分离纤维从而改善纸页的特性例如光滑度和批量性。
在本发明中声辐射力被用于在分层的纤维悬浮液流中将流浆箱内的纤维分层成两个或者更多部分。最终，使用单层流浆箱获得多层纸张。这导致南方松木纤维的多种应用；具有良好纸张光滑度的批量保留；和填料的优化和细小纤维的分配。从而，最终产品是提供与多层分层流浆箱有相似效果的声波分层流浆箱。
从而，本发明提供声波纤维分层的方法，该方法应用纸浆和纸张工业中的分离思想，使用与在流浆箱内流通的悬浮纤维相互作用的声波场，基于纤维的半径和长度，使用声辐射力将纤维分离成两个或者更多部分。该连续的过程依赖于使用沿着流浆箱表面放置的至少一个换能器，其中当纤维穿过超声波场时换能器选择地使流动的纤维偏转。
典型的造纸机通常包括包含流浆箱的“湿部”、线网(“线网”是快速移动的有小孔的传送带或者屏)和压榨部、干燥部、施胶压榨、压辊部和母轴。
本发明的纤维悬浮液典型地是以悬浮在水中的木质纤维、优选软木例如南方松木纤维或者硬木的形式存在。可用的软木和硬木纤维分别来自国际纸张Texarkana，Hwy 59 South，FM 3129，Texarkana，Texas 75504和Courtland mills，16504 Country Road 150，Courtland，Alabama 35618。纤维悬浮液可以在它被导入流浆箱前被处理。例如，在导入流浆箱之前可以净化和漂白纤维悬浮液。
在本发明的一种实现中，利用声辐射力将粗纤维和较大纤维，例如南方松木纤维分层到纸页形成区的内层，而将细小纤维、填料和较小纤维，例如硬木纤维留在外层，因此形成较小纤维在外层的夹层。在本发明的另一种实现中纤维被分离成大的和小的纤维两层，从而产生一面粗糙而另一面光滑的两层纸幅。
根据造纸机，流浆箱可以是任何宽度。在工业中使用不同类型的流浆箱。然而，在所有这些装置中存在某些共有的特征。纤维悬浮液被导入造纸机湿部的流浆箱。然后由流浆箱排放配料(“配料”主要是水和原料)到用作形成纸张的平台的线网上。当配料沿途移动时，重力和位于线网下面的吸水箱将水吸出。材料的体积和密度以及它流到线网上的速度确定纸张的最后重量。调整流浆箱内的压力来控制喷离流浆箱的喷射速度(或者流浆箱内的流率)。形成的喷射速度对纤维分离效率或者分离深度具有相当大的影响。
典型地，当纸张离开造纸机“湿部”后，它仍然包含相当分量的水。因此，纸张进入压榨部，其是一系列沉重的旋转滚筒，把水从纸张中压榨出来，进一步使其紧密并减少它的水含量。在压榨纸张之后进入干燥部。典型地热空气或者蒸气滚筒与纸张的两个面接触，使水蒸发。纸张选择地经过胶料流体使它少孔并且有助于印刷油墨保留在表面上而不透过纸张。纸张可以经过附加干燥机，该干燥机蒸发胶料和成本中的流体。轧光机或者磨光钢辊使得纸张更加光滑和更加紧密。然后纸张被绕到母轴上并且被送离造纸机。
现在描述附图，应该理解的是，为简化陈述，这里只是充分说明了造纸机的流浆箱装置的结构，以致能使本领域技术人员容易地理解本发明优选的原理和思想。图1和2示出声波分层流浆箱10的示意图的设计思想。图1示出本发明的一种实现，其中在流浆箱10的箱壁11和12上安装了两个声波换能器13和14。图2示出本发明的另一种实现，其中沿着流浆箱10的一个外部的壁安装了一个声波换能器13。在另一种实现中多个声波换能器可以被基本均匀地放置在流浆箱的外壁上。流浆箱可以选择地被装配有接收器来吸收声音。在另一种实现中换能器被安装在流浆箱内的顶部和/或者底部。在另一种实现中用超声波换能器替代流浆箱的壁的一部分。而在另一种实现中流浆箱至少有一个换能器和吸收声音的接收器。在另一种实现中可以将换能器和/或者接收器改装成流浆箱的壁。
优选地将换能器安装在横穿机器方向的所有通路上。从而，根据机器的大小可以需要几百个或者几千个这种换能器。优选地将换能器以串联方式顺着流向安装。优选地，声波换能器具有5cm×5cm的尺寸。然而，可以理解的是声波换能器可以具有不同的尺寸。相同的信号发生器和放大器能够驱动每个声波换能器和接收器。能量强度优选地在5W/cm2到100W/cm2的范围内并且尤其优选的是10W/cm2或者更小。声波换能器优选地具有在20kHz到150MHz范围的频率并且尤其优选的是150kHz或者更小。
按照本发明，根据机器宽度至少一个声波换能器被安装在流浆箱10的壁11和12上。接收器也可以选择地被安装在壁11和12上。声波换能器被连接到商业可用的信号发生器和超声波放大器上，并且由它们控制。来自Sonic Concepts、Inc.、20018 163rd Avenue NE、Woodinville、Washington 98072的声波换能器是可用的。
至少四个变量是重要的：声音强度、纸浆流速、纸浆浓度和换能器的频率。优选地，声音强度是在0W/cm2到150W/cm2的范围内，纸浆流速在0m/s到25m/s，纸浆浓度是在0％到2.0％和换能器的频率在20kHz到150MHz。所有上述变量将影响从流浆箱切片中排出的喷射的分层深度，其在厚度方向上将进一步影响覆盖有纤维和短小纤维的纸张或者纸板的百分比。从流浆箱排出的喷射的分层深度随着声音强度而增加，并且随着纸浆悬浮液的流动速率和纸浆浓度而减小。随着频率的增加，声波力将增加并且因而增加分层深度。然而，随着频率的增加，声能的削弱率也增加。这具有减小超声波在纸浆悬浮液中的传播距离并从而减小分层深度的效果。
声波换能器为流浆箱内的纤维悬浮液提供声能使得声波横向地穿过纸浆排出口，从而将纸浆的较大纤维推向中部而将较小纤维留在排出口的外表面。在应用中使用术语“声波”的地方，应该理解的是该术语可以包括术语“超声波”的意思。也就是说，“声波”可能或者可能不包括高于20kHz的频率。声波换能器10优选地是辐射超过20kHz频率的超声能量的超声波换能器，使得较高的能量级被传播到纤维悬浮液中。
试验设置
使用垂直的直通道并且将其暴露于声辐射压力中。将包括流通道、泵、驱动控制器和储存器的流循环系统安装在造纸科学和技术研究所。减小通道的宽度以增加平均速度并且安装小的溢流阀来对声辐射压力下的纤维悬浮液进行采样。采用树脂玻璃制造的流通道用于目测。
使用以50μsec曝光的速度记录高达每秒1000帧的动态事件的柯达高速运动分析器用于目测。记录所有图像并且将其以柯达bay的文件格式存储到光盘。然后将bay文件图像转换成普通图像文件格式。使用有1000W钨丝灯的前灯系统。由于短的曝光时间和高的帧获取率，有必要使用强烈并且直接的前向照明系统。
如表1所总结的，以0.5m/sec、1m/sec和2m/sec三种不同的速度进行试验并且使用浓度为0.25％和0.5％的四种不同类型的配料。
表1
| 配料 | 浓度 | 流速 | 采样 | 成像 | 备注 | |
| 150kHz换能器 | 100％软木 | 0.25％ | 0.5m/sec | - | 是 | |
| 1.0m/sec | - | 是 | ||||
| 2.0m/sec | - | 是 | ||||
| 0.5％ | 0.5m/sec | - | 是 | |||
| 1.0m/sec | - | 是 | ||||
| 2.0m/sec | - | 是 | ||||
| 70％软木和30％硬木 | 0.25％ | 0.5m/sec | 是 | 是 | ||
| 1.0m/sec | 是 | 是 | ||||
| 2.0m/sec | 否 | 是 | ||||
| 0.5％ | 0.5m/sec | 否 | 是 | |||
| 1.0m/sec | 否 | 是 | ||||
| 2.0m/sec | 否 | 是 | ||||
| 30％软木和70％硬木 | 0.25％ | 0.5m/sec | 是 | 是 | ||
| 1.0m/sec | 是 | 是 | ||||
| 2.0m/sec | 否 | 是 | ||||
| 0.5％ | 0.5m/sec | 否 | 是 | |||
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| 1.5MHz换能器 | 70％软木和30％硬木 | 0.25％ | 0.5m/sec | 是 | 是 | |
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| 1.0m/sec | 是 | 是 | ||||
| 2.0m/sec | 否 | 否 |
实例1
高频率和低频率换能器的比较
测定高频率(150kHz)和低频率(1.5MHz)声波换能器。系统地比较高和低频率换能器以确定声波换能器的最有效的频率范围。测定的结果是，较低频率(150kHz)的换能器表现出基于纤维长度和直径的显著分层，而较高频率(1.5MHz)的换能器没有示出较大的分层。目前，只采用150kHz的换能器。该结果总结在图3A-3C中。如图3A-3C所示，在0W声能和5W声能之间没有区别。这表明高频率换能器对于纤维悬浮液的分层和分配是无效的。这可能是由于在流动介质中声能的极高衰减速率的缘故。
实例2
声能分层的目测研究
在该试验中利用下列条件：(1)矩形的通道流(5cm×3m)；(2)高速数字成像设备(以每秒1000帧的速率记录动态事件)；(3)前向照明方法(灯位于相机的前面但是位于被目测的物体的后面)。流速：0.5m/sec(大约100feet/min)；浓度：0.25-0.28％；声能：10W/cm2.
如所预料的，声辐射力选择地作用于一定类型的纤维。如图5B所示，对于100％硬木纤维没有观测到的活动。相比较而言，由于声波力(图5C)，100％软木纤维悬浮液被较强地偏转。对于包括70％软木纤维和30％硬木纤维(图5D)以及包括30％软木纤维和70％硬木纤维(图5E)的硬木和软木混合观测到纤维分层。在图5C和5E中描绘为虚线的分层深度是评估该思想可行性的关键参数。
分层深度应该大到足以用硬木纤维层覆盖表面以提高光滑度。图6中的数据是基于下列假设的，即纸板厚度为305μm和流浆箱切片的开口为2.25inch。图6示出分层深度和它对纸张厚度的影响之间的关系。为了获得光滑表面，三或者四层硬木纤维或者细小纤维必须覆盖在纸板表面。换句话说，从分层喷射的顶部得到的纸板厚度应该大约是40μm。参照图6可以推导出喷射的分层深度应该超过10mm，使得有足够的硬木纤维和细小纤维覆盖纸板的表面。
如图4所示，因为原料分离刀片导致在换能器周围压力的累积，所以分层深度的范围是从4到6mm。背面压力的累积减小分层深度。当原料分离片被移开后，分层深度增加到15mm。该试验表明声波力能够产生一个分层的足够深的层使得最终纸产品具有光滑表面。
实例3
加权平均的纤维长度被用作评估分层有效性的一个参数。因为长的软木纤维的数量在声辐射压力下减少，所以总的平均纤维长度应该减小。图7和8采用70∶30(硬木∶软木)的混合，并且不受声能控制(进给悬浮液)。如图7和8所示，收集于声辐射压力下的悬浮液的平均纤维长度比没有声压力的悬浮液要小。这清楚地表明声辐射压力从进给的悬浮液中分离出相当数量的长纤维。该结果与目测的一致。
应该注意的是，提供上述实例仅仅是为了解释的目的，并且在任何情况下都不能解释为本发明的限制。虽然参考优选的实现描述了本发明，但是应该理解的是，这里所使用的词汇是描述和说明的词汇而不是限制的词汇。当前规定的和修正的在附加的权利要求书的权限内可以进行改变，而不会偏离本发明的精神和范围。虽然参照特殊装置、材料和实现对本发明进行了描述，但是本发明不打算限制在这里公开的细节；而是本发明旨在所有在功能上等价的结构、方法和使用，例如在附加的权利要求书的范围内。
Claims (12)
1.制造分层纸张的方法，包括下列步骤：
(a)将纸浆悬浮液导入造纸机的流浆箱，所述造纸机的流浆箱至少具有一个超声波装置；
(b)使所述流浆箱内的所述纸浆悬浮液承受由所述超声波装置产生的声辐射力；
(c)根据纤维的相应大小使得所述纸浆悬浮液分离成两个或者更多部分；
(d)将所述纸浆悬浮液沉积到线网上；
(e)排水所述纸浆悬浮液；和
(f)干燥所述纸浆悬浮液。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述超声波装置是超声波换能器。
3.按照权利要求1所述的方法，其中所述超声波装置被安装在流浆箱内的顶壁。
4.按照权利要求1所述的方法，其中所述超声波装置被安装在流浆箱内的底壁。
5.按照权利要求1所述的方法，其中所述超声波装置被安装在流浆箱内的顶壁和底壁。
6.按照权利要求1所述的方法，其中所述流浆箱的壁由超声波换能器替代。
7.按照权利要求1所述的方法，其中所述纸浆悬浮液形成纸浆流，所述的纸浆流具有较小纤维丰富的一个区域和粗纤维丰富的另一个区域。
8.按照权利要求1所述的方法，其中所述纸浆悬浮液形成纸浆流，所述的纸浆流具有细小纤维丰富的一个区域和夹在细小纤维中间的粗纤维丰富的另一个区域。
9.按照权利要求1所述的方法，另外还包括电能源，所述电能源被连接到所述超声波装置和被配置成供电给所述超声波装置。
10.按照权利要求1所述的方法，另外还包括至少一个接收器。
11.按照权利要求1所述的方法，其中所述声辐射力在0W/cm2到150W/cm2的范围内。
12.按照权利要求2所述的方法，其中所述换能器具有在20kHz到150MHz的范围内的频率。
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