大きい厚さを有する紙およびその紙を抄造するための抄紙ベルト
【課題】抄紙繊維からなる大きい厚さを有するウェブを抄造するための抄紙ベルトおよびそのベルトによって抄造される紙を提供。
【解決手段】この抄紙ベルトは連続する組織領域およびその上に不連続な複数個の偏向通路を有する強化構造物を備える。この偏向通路はその通路の周辺部に沿って偏向する繊維を最大化するように、大きさならびに形状を設定され、配置される。この偏向通路は平均繊維長に対して大きさを合わせた平均幅を有する、全体的には、長円形である。この偏向通路は単位面積あたりの周辺部および対応する繊維偏向を最大化するように配置される。
【解決手段】この抄紙ベルトは連続する組織領域およびその上に不連続な複数個の偏向通路を有する強化構造物を備える。この偏向通路はその通路の周辺部に沿って偏向する繊維を最大化するように、大きさならびに形状を設定され、配置される。この偏向通路は平均繊維長に対して大きさを合わせた平均幅を有する、全体的には、長円形である。この偏向通路は単位面積あたりの周辺部および対応する繊維偏向を最大化するように配置される。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は低密度で、柔らかく、しかも吸収性のある紙製品を抄造する抄紙機で使用する抄紙ベルトおよびそのベルトによって抄造される紙製品に関する。特に、本発明は模様を付けた樹脂構成物および強化構造物からなる抄紙ベルトおよびそのベルトによって抄造される、大きい厚さで低密度の紙製品に関する。
【０００２】
発明の背景
紙のようなセルロース繊維ウェブはこの技術分野ではよく知られている。この繊維ウェブは、今日、ペーパタオル、トイレット・ティッシュ、化粧ティッシュ、ナプキンおよびその類似物のために普通に使用されている。このような紙製品への膨大な需要が基となって紙製品およびその製造方法を改良することに対する要望が発生している。
【０００３】
消費者の要求に応じるためにはセルロース繊維ウェブは幾つかの特性を呈する必要がある。このためには、通常の使用中、比較的小さい引張り力が作用したとき、紙組織が裂けあるいは切断するのを防ぐのに十分な引張強さを備えていなければならない。このセルロース繊維ウェブは繊維構造によって液体を素早く吸収し、内部に十分に保留するように吸収性でなければならない。
【０００４】
引張り強さとはセルロース繊維ウェブに備わる使用時に物理的な一体性を保持する能力のことである。引張り強さはセルロース繊維ウェブの坪量の関数とみることができる。
【０００５】
吸収性とはセルロース繊維ウェブに備わる、接触させた液体を吸い上げ、保持する性質のことである。吸収性はセルロース繊維ウェブの密度によって影響を受ける。このウェブがあまりにも密であるとき、繊維間の隙間は小さくなり過ぎ、吸収率は意図した用途に応じられるほど十分に大きくならない。この隙間があまりにも大きくなると、接触させた流体の毛管引力は小さくなり、表面張力が制限されるために流体をセルロース繊維ウェブによって保持するのに妨げになる。
【０００６】
このウェブは、また、使用時、触感として心地よく、ざらざらした感じを与えることのないように柔らかくなければならない。柔らかさとはセルロース繊維に備わる触感として使用者の皮膚に特に望ましい感じを与える能力のことである。柔らかさはセルロース繊維ウェブに備わる繊維ウェブの平面と垂直な方向への変形に逆らう能力に例外なく比例する。
【０００７】
厚さとはある機械的な圧力のもとで測定したセルロース繊維ウェブの厚さのことであり、坪量およびウェブ構造の関数とみることができる。強さ、吸収性および柔らかさはセルロース繊維ウェブの厚さによって影響を受ける。
【０００８】
紙製品を製造する工程は、一般に、セルロース繊維を有する水性スラリーを準備し、続いて、初期ウェブを形成するために繊維を再配列する間に、同時発生的に、スラリーから水分を除去する工程を伴う。この脱水工程では、脱水を助ける多様な種類の機器類が利用されている。典型的な製造工程は抄紙スラリーを移動するエンドレスベルトの表面側に供給する長網ワイヤ抄紙機を使用している。このエンドレスベルトは最初の脱水を行い、繊維の再配列を果たす。
【０００９】
初期ウェブを形成した後、紙ウェブはエンドレスベルト形態の乾燥ファブリックと呼ばれる別の織物上で乾燥工程を実施する。この乾燥工程は抄紙ウェブの機械的な圧搾、真空吸引、通気乾燥および他の種類の方法を含む。この乾燥工程中、初期ウェブはセルロース繊維が配列し、偏向して生じる特定の模様または形を帯びる。
【００１０】
トロクハンに付与された１９８５年７月１６日発行の米国特許第４，５２９，４８０号明細書は硬化された感光性樹脂構成物によって周りを囲われる多孔製織部材からなる抄紙ベルトを提案している。この樹脂構成物は偏向通路として知られる、分離している不連続の複数個の通路を備える。この工程で使用される抄紙ベルトは流体に圧力差を生じさせたとき、抄紙繊維が通路内に偏り、そこで再配列するので、偏向部材と呼ばれている。抄紙工程で抄紙ベルトを利用することは強さ、吸収性および柔らかさに関しては望ましい一定の特性を備える紙を抄造できる可能性をもたらした。
【００１１】
米国特許第４，５２９，４８０号明細書に開示された方法を用いて抄造される紙は参照によってここに取り入れられる、トロクハンに付与された米国特許第４，６８７，８５９号明細書に説明されている。この紙は紙面の両側に配分された物理的に区別される２つの領域を備えることに特徴がある。一方の領域は比較的高密度で、大きい固有の強さを有する、連続する組織からなる領域である。他方の領域はその連続する組織によって完全に囲われる複数個のドームからなる領域である。後者の領域にあるドームは連続する組織領域と比べて比較的低密度で、比較的小さい固有の強さを備えている。
【００１２】
このドームは、抄紙工程中、繊維が抄紙ベルトの偏向通路を満たすときに形成される。この偏向通路により紙ウェブが乾燥工程中に加圧されたとき、通路内にある繊維が密集してしまうのを防ぐことができる。結果として、ドームは厚さが増し、ウェブの繊維が密集した領域と比べて低密度で、固有の強さを備えることになる。したがって、紙ウェブの厚さはドームの固有の強さによって制限される。
【００１３】
紙の乾燥が終了すると、直ちに、紙繊維の再配列および偏向が完了する。しかしながら、完成製品の種類に応じて紙はカレンダ処理、柔軟化、特殊加工のような追加工程を経る。これらの工程は紙のドーム領域を密にする傾向があり、厚さを減少させる。それゆえ、物理的に区別される２つの領域を有する紙製品においてはドーム内部に機械的な圧力に対して抵抗力を有するセルロース繊維構造を形成することを求められている。
【００１４】
セルロース繊維ウェブを形成したとき、繊維はウェブのＸ−Ｙ面内に主に配向され、この結果、Ｚ方向の構造的な剛さはとるに足らない値となる。Ｘ−Ｙ面内に配向された繊維が機械的な圧力によって密集したとき、直ちに、これらの繊維は同時に加圧され、紙ウェブは厚みが減少する一方、密度が増加する。
【００１５】
繊維のＺ方向への配向によりウェブのＺ方向の構造的な剛さを高めることができる。したがって、繊維のＺ方向への配向を最大化することにより厚さを最大にすることが可能になる。
【００１６】
偏向通路は繊維を通路の周辺部に沿って偏向させることことによりＺ方向への繊維の配向を生じさせる手段を提供する。繊維全体の偏向は繊維長さに関係のある偏向通路の大きさならびに形状により左右される。
【００１７】
大きい偏向通路は通路開口よりも小さい繊維が通路の底部に蓄積するのを抑えられず、この結果、後から偏向通路内に降りてくる繊維が偏向するのを制限することになる。反対に、小さい通路は大きい繊維が通路開口に架橋してそこを塞いでしまうことから、繊維偏向が最小に留まる。
【００１８】
偏向通路の形状も、また、繊維偏向に影響を及ぼす。たとえば、鋭角のコーナまたは小さい半径を形成している周辺部で構成した偏向通路では繊維偏向を最小にする繊維の架橋が発生する可能性がより大きくなる。繊維の架橋に影響を及ぼす多様な通路形状に関する実例についてはラスクらに付与された１９９７年１０月２１日発行の米国特許第５，６７９，２２２号明細書を参照する。
【００１９】
したがって、本発明は繊維偏向およびＺ方向に一致する繊維配向を最大化する大きさならびに形状に合わせて構成される連続する組織領域および不連続な複数個の偏向通路を備える抄紙ベルトを提供する。
【００２０】
さらに、本発明は本質的に連続し、本質的、かつ巨視的に単一平面からなる組織領域および組織領域全体にわたって分散させた不連続な複数個のドームを備える紙ウェブを提供する。このドームは最適の厚さを生じる大きさならびに形状に合わせて構成される。
【００２１】
発明の概要
本発明は低密度／大きい厚さの紙ウェブを抄造する、模様を付けた構成物を有する抄紙ベルトおよびそのベルトにより抄造される紙ウェブを対象とする。この抄紙ベルトは模様を付けた構成物を有する強化構造物を備える。この模様を付けた構成物は連続する組織領域および不連続な複数個の偏向通路を備える。この偏向通路は連続する組織領域によってお互いから分離している。
【００２２】
この偏向通路は形状が全体的には長円形であり、偏向通路の平均幅ＷがＬ＜Ｗ＜３Ｌの関係になるように、平均ウェブ繊維長さＬに対して大きさを合わせている。この偏向通路は少なくとも約１．０から約２．０の範囲にわたるアスペクト比を有し、平均幅に対する最小半径の比が少なくとも約０．２９から約０．５までの範囲にわたっている。
【００２３】
偏向通路は単位面積あたりの通路の密集を最大化する一方、同時に、連続する組織領域の面積を最小化するように、六角形状に配置されている。この連続する組織領域は少なくとも約０．１７８ｍｍ（０．０００７インチ）から約０．５０８ｍｍ（０．０２０インチ）までの範囲にわたる幅を有するナックル領域を備える。
【００２４】
この抄紙ベルト上で抄造される紙は本質的、かつ巨視的に単一平面の組織領域および連続する組織領域全体にわたって分散し、その組織領域によってお互いから分離している、不連続な複数個のドームを備える。このドームは上述した全体的に長円形の偏向通路と同一の形状および配置を帯びる。
【００２５】
発明の詳細な説明
定義
ここで用いられるとき、次の用語は以下に述べる意味を有する。
ＭＤで示す流れ方向とは抄紙機器を通じて抄紙ウェブの流れる方向と平行な方向のことである。
ＣＤで示す幅方向とはＸ−Ｙ面内において流れ方向と垂直な方向のことである。
領域中心とは偏向通路の周辺部によって境界の定まる薄く均一な分散物集合体中心と一致する、偏向通路内の点のことである。
主軸とは偏向通路の領域中心を横切り、偏向通路の周辺部上の２点を結ぶ最長の軸のことである。
補助軸とは偏向通路の領域中心を横切り、偏向通路の周辺部上の２点を結ぶ最短の軸または幅のことである。
アスペクト比とは主軸長さの補助軸長さに対する比のことである。
偏向通路の平均幅とは偏向通路の領域中心を通り、偏向通路の周辺部上の２点を結んで引く直線の平均長さのことである。
曲率半径とは曲線上の１点に存在するその瞬間の曲率半径のことである。
曲線で囲われるとは曲線に付随することである。
直線で囲われるとは直線と付随することである。
Ｚ方向高さとは強化構造物の抄紙側に向く面から延びる樹脂構成物の部分のことである。
平均繊維長とは重み付き平均繊維長のことである。
【００２６】
明細内容には（１）本発明に係る抄紙ベルトおよび（２）本発明に係る完成紙製品に関する詳細な説明を含む。
【００２７】
（１）抄紙ベルト
図１に図式的に示す代表的な抄紙機では、本発明の抄紙ベルトはエンドレスベルト形態の抄紙ベルトを採用する。この抄紙ベルト１０は紙と接する面１１およびこの紙接触面１１と反対側の背面１２を有する。この抄紙ベルト１０は形成物（初期ウェブ２７および中間ウェブ２９）に関係のある多様な工程で抄紙ウェブ（または“繊維ウェブ”）を搬送する。初期ウェブを形成する工程は、双方の特許明細書が参照によってここに取り入れられる、サンフォードおよびシゾンに付与された１９７４年１月３１日発行の米国特許第３，３０１，７４６号明細書およびモーガンおよびリッチに付与された１９７６年１１月３０日発行の米国特許第３，９９４，７７１号明細書のような、多くの文献に説明されている。この抄紙ベルト１０はリターンロール１９ａ、１９ｂ、加圧ニップロール２０、リターンロール１９ｃ、１９ｄ、１９ｅおよびエマルジョン分配ロール２１を回って方向矢印Ｂで示す方向に移動する。この抄紙ベルト１０が移動するループには真空ピックアップシュー（ＰＵＳ）２４ａおよびマルチスロット真空ボックス２４のような、初期ウェブ２７に対して流体の圧力差を作用させる手段を備える。図１では、抄紙ベルト１０は、また、ブロースルードライヤ２６のようなプレドライヤの周りを移動し、さらに加圧ニップロール２０によって形成されるニップの間およびヤンキー乾燥ドラム２８を通過する。
【００２８】
本発明に係る抄紙ベルト１０の好ましい実施例はエンドレスベルト１０の形態であるが、これは、たとえば、ハンドシートを製造する場合に使用する固定プレートあるいは他の形式の連続工程において使用する回転ドラムを含む、エンドレスベルト以外の数多くの形態にも取り入れることができる。抄紙ベルト１０が請求された本発明を実施するために採用する物理的な形態とは関係なく、一般に、本発明は以下に詳述される一定の物理的特性を有する。本発明の抄紙ベルト１０は、参照によってここに取り入れられる、トロクハンらに付与された米国特許第５，３３４，２８９号明細書に従って製造することができる。
【００２９】
図２に示すように、本発明に従う抄紙ベルト１０は主要な２つの構成要素；構成物３０および強化構造物３２を備える。この構成物３０は、好ましくは、感光性高分子樹脂硬化物からなる。構成物３０および抄紙ベルト１０は抄紙ベルト１０の紙接触面１１を形成する第１の面１１およびこの抄紙ベルト１０を使用する抄紙機の方向に向く第２の面１２を有する。
【００３０】
ここで用いられるとき、本発明の抄紙ベルト１０（またはそのベルト上に置かれた紙ウェブ２７）に関係のあるＸ、ＹおよびＺ方向とはデカルト座標系における方向のことである。本発明に従う抄紙ベルト１０は巨視的に単一平面である。抄紙ベルト１０の平面はそのＸ−Ｙ方向を規定している。抄紙ベルト１０のＺ方向はＸ−Ｙ方向および抄紙ベルト１０の平面と垂直である。同様に、本発明に従う紙ウェブ２７は巨視的に単一平面として考えることができ、Ｘ−Ｙ面内にある。この紙ウェブ２７のＺ方向はＸ−Ｙ面およびウェブ２７の平面と垂直である。
【００３１】
好ましくは、この構成物３０は予め決められた模様の境界を定め、本発明の紙ウェブ２７上にある適切な模様を圧痕形成するナックル域３６を備える。構成物３０のために特に好ましい模様は本質的に連続する組織である。構成物３０のために好ましい本質的に連続する組織からなる模様を選ぶとするならば、不連続の偏向通路３４は抄紙ベルト１０の第１の面１１から第２の面１２にかけて延ばす。この本質的に連続する組織は偏向通路３４を取り囲み、その境界を定める。
【００３２】
この構成物３０は構成物３０の模様と同一の模様をそこに搬送された抄紙ウェブ２７上に圧痕形成する。圧痕を形成するのはどのような場合も抄紙ベルト１０と抄紙ウェブ２７とがそれを刻印するのに十分な間隙を保つ２つの剛体面の間を通過するときに生じる。これは、一般に、２個のロールの間にあるニップで生じ、多くの場合、通常、抄紙ベルト１０が紙をヤンキー乾燥ドラム２８に移動させるときに生じる。圧痕の形成は加圧ロール２０の位置で構成物３０を抄紙ウェブ２７に押し付けることによって生じる。
【００３３】
抄紙ベルト１０の第１の面１１はそこに搬送された紙ウェブ２７と接触する。抄紙の搬送中に抄紙ベルト１０の第１の面は構成物３０に付けた模様と同一の模様を抄紙ウェブ２７に形成する。
【００３４】
抄紙ベルト１０の第２の面１２はその抄紙ベルト１０の抄紙機接触面である。この第２の面は偏向通路３４と異なる通路を有する背面組織で製作されている。この通路は抄紙ベルト１０の第２の面の背面組織に不規則性を与える。この通路は抄紙ベルト１０のＸ−Ｙ面内で抄紙ベルト１０の偏向通路３４を通して必ずしもＺ方向に流動させない空気漏洩を考慮したものである。このような背面組織を取り入れている抄紙ベルト１０はスマルコスキーらに付与された１９９２年３月２４日発行の米国特許第５，０９８，５２２号明細書、スマルコスキーらに付与された１９９４年１１月１５日発行の米国特許第５，３６４，５０４号明細書およびスマルコスキーらに付与された１９９３年１１月９日発行の米国特許第５，２６０，１７１号明細書に従い製作される。これらの特許明細書の開示は参照によってここに取り入れられる。
【００３５】
本発明に従う抄紙ベルト１０の第２の主要な構成要素は強化構造物３２である。構成物３０と同様に、この強化構造物３２は第１の面または紙対向面１３およびこの紙対向面と反対側の第２の面または抄紙機対向面１２を有する。この強化構造物３２は主として抄紙ベルト１０の背中合わせの両面間に配置され、抄紙ベルト１０の背面と面一の面を有する。強化構造物３２は構成物３０に対する支持を与える。この強化要素はこの技術分野でよく知られるように、典型的には、製織して作られている。強化構造物３２の偏向通路３４と重なる部分は抄紙の製造で使用する繊維が偏向通路３４を完全に通り抜けてしまうのを防ぎ、これにより、ピンホールの発生を減少させることができる。仮に、強化構造物３２に製織ファブリックを使用するのを望まないとすれば、不織要素、スクリーン、ネットまたは複数個の孔を有するプレートによって適切な強さおよび本発明の構成物３０に対する支持を与えるようにしてもよい。
【００３６】
図３に示すように、構成物３０は強化構造物３２と結合されている。構成物３０は強化構造物３２の紙対向面１３から外方向に延びている。強化構造物３２は構成物３０に強度を生じさせ、紙製造工程で使用される真空脱水機器が初期ウェブ２７から水分を除去し、除去した水分を抄紙ベルト１０から排出する機能を適切に果たすために突出させた適当な開口域を有する。
【００３７】
本発明による抄紙ベルト１０はその開示が参照によってここに取り入れられる、次の特許明細書のいずれかに従い製造される。これはジョンソンらに付与された１９８５年４月３０日発行の米国特許第４，５１４，３４５号明細書、トロクハンに付与された１９８５年７月９日発行の米国特許第４，５２８，２３９号明細書、スマルコスキーらに付与された１９９２年３月２４日発行の米国特許第５，０９８，５２２号明細書、１９９３年１１月９日発行の米国特許第５，２６０，１７１号明細書、トロクハンに付与された１９９４年１月４日発行の米国特許第５，２７５，７００号明細書、ラスクらに付与された１９９４年７月１２日発行の米国特許第５，３２８，５６５号明細書、トロクハンらに付与された１９９４年８月２日発行の米国特許第５，３３４，２８９号明細書、ラスクらに付与された１９９５年７月１１日発行の米国特許第５，４３１，７８６号明細書、ステルジェス ジュニアらに付与された１９９６年３月５日発行の米国特許第５，４９６，６２４号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年３月１９日発行の米国特許第５，５００，２７７号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年５月７日発行の米国特許第５，５１４，５２３号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年９月１０日発行の米国特許第５，５５４，４６７号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年１０月２２日発行の米国特許第５，５６６，７２４号明細書、トロクハンらに付与された１９９７年４月２９日発行の米国特許第５，６２４，７９０号明細書、エヤースらに付与された１９９７年５月１３日発行の米国特許第５，６２８，８７６号明細書、ラスクらに付与された１９９７年１０月２１日発行の米国特許第５，６７９，２２２号明細書およびエヤースらに付与された１９９８年２月３日発行の米国特許第５，７１４，０４１号明細書である。
【００３８】
ある特定の密集度を有する紙ウェブを抄造する能力はそのウェブの厚さの関数とみることができる。厚さとはある一定の機械的圧力のもとで測定したセルロース繊維ウェブのみかけ上の厚さのことである。厚さはウェブの坪量およびウェブ構造の関数とみることができる。坪量は紙の２７８．７平方メートル（３０００平方フィート）あたり０．４５３６ｋｇ（１．００００２ポンド）単位の重さである。ウェブ構造は抄紙ウェブ２７を構成する繊維の配向および密度に関係がある。
【００３９】
紙ウェブ２７を構成する繊維は、典型的には、Ｘ−Ｙ面内に配向されており、Ｚ方向の構造的な支持は最小に留まる。それゆえ、紙ウェブ２７が模様を付けた構成物３０によって押し付けられると、紙ウェブ２７が密集し、厚みの減少した模様のある高密度の領域を生じる。反対に、紙ウェブ２７の偏向通路３４と重なっている部分は密集することなく、結果として、厚さがより厚く、低密度の領域を生じる。
【００４０】
ドームと呼ばれる低密度領域は紙ウェブ２７にみかけ上の厚さを付与する。典型的なドームを構成する繊維は紙ウェブ２７のＸ−Ｙ面内に主に配向されるので、この繊維によるＺ方向の支持はとるに足りない値である。したがって、ドームは著しく変形し易くなり、後に続く抄紙操作中、厚みが小さくなる。それゆえ、紙ウェブ２７の厚さは、一般に、ドームに備わる機械的圧力に逆う力によって制限される。
【００４１】
しかしながら、偏向通路３４は繊維を周辺部３８に沿ってＺ方向に偏向させる手段を提供する。繊維偏向はＺ方向成分を含む、繊維の配向を生じる。このような繊維配向は抄紙ウェブのみかけ上の厚さを増すだけでなく、紙製造工程全体を通じて紙ウェブ２７がその厚みを維持できる、Ｚ方向の構造的な剛さを一定量増大させる。したがって、本発明の場合、偏向通路３４については繊維が周辺部３８に沿って偏向するのを最大化するように、大きさならびに形状を合わせて構成する。
【００４２】
初期ウェブ２７からの水分の除去は繊維５０が偏向し、偏向通路３４内に入ったときに始まる。この水分の除去は繊維が偏り、再配列した後に、繊維を所定の位置に固定するのに役立つ繊維の流動性を減少させる。偏向通路３４に入る繊維の偏りは初期ウェブ２７に作用させる流体の圧力差によって生じる。圧力差を生じさせる好ましい一つの方法は初期ウェブ２７を偏向通路３４を介して真空にさらすことである。図１では、好ましい方法として真空ピックアップシュー２４ａを使用することを示している。
【００４３】
理論に拘束されることなく、偏向通路３４に係わりのある初期ウェブ２７の繊維の再配列は、一般には、繊維長を含む、多くの要因により左右される、２つのモデルのうち、１つを取ると考える。図４に図式的に示すように、長さの長い繊維５０の両端は繊維５０の中間域が偏向通路３４の内部に十分に偏らないで曲がった状態でナックル３６の上面に拘束されている。それゆえ、偏向通路３４の“架橋”が発生する。これに代わるものでは、図５に示すように、繊維５０（主に、長さが短い繊維）は、偏向が起こるとすれば、少しだけで、繊維５０の山を生じて偏向通路３４内に蓄積され、後から続いて偏向通路３４に降りてくる繊維が偏向するのを最小に留めている。
【００４４】
繊維配向は紙ウェブの曲げに対する抵抗の関数とみることができる。ウェブの曲げ剛さは２つの要因；（１）個別の繊維の曲げ剛さおよび（２）繊維同士の結合強さによって左右される。しかしながら、真空ピックアップシュー２４ａの箇所ではウェブは湿潤状態にあり、繊維同士の結合はウェブに含まれる多量の水分によって良好に果たされない。それゆえ、主な要因は個別繊維の曲げ剛さということになる。この繊維の曲げ剛さが大きくなればなるほど、繊維偏向はさらに小さくなる。
【００４５】
繊維の偏向は繊維５０の固有の曲げ剛さに依存するとしても、偏向の大きさは主として繊維５０が偏向通路３４の幅に架橋するのに十分な長さがあるか、否かによって決まる。図６および図７は繊維偏向における２つの可能な背景について示している。図６では、繊維５０は点Ａに固定され、偏向通路３４の開口の上方で片持ちばりの状態にある。この繊維５０に対して真空のような均一な荷重が作用すると、点Ａに高い曲げモーメント、点Ｂに次式によって定まるたわみを生じる。
【００４６】
ｆB＝ＦＬ3／８ＥＩ （１）
ここで、ｆB ：点Ｂにおけるたわみ量
Ｆ ：繊維長さにわたって均一に分布する力
Ｌ ：支持点からの繊維長さ
Ｅ ：縦弾性係数
Ｉ ：慣性モーメント
図７において、繊維セグメント５０は偏向通路の幅よりも長さが長く、この結果、２つの固定点Ａ、Ｂを生じる。繊維セグメント５０が同じ真空圧を受けるとすれば、点Ａ、Ｂ箇所の支持力は偏心曲げモーメントを生じ、点Ｃに次式によって定まる繊維のたわみを生じる。
【００４７】
ｆC＝ＦＬ3／３８４ＥＩ （２）
ここで、ｆC は点Ｃにおける繊維のたわみ量である。
【００４８】
パラメータＦ、Ｌ、ＥおよびＩについて図６および図７に示す繊維に対して同一であると仮定すると、繊維のたわみ量ｆB は繊維のたわみ量ｆC よりも４８倍大きいことは明らかである。
【００４９】
ｆB＝４８ｆC （３）
したがって、繊維偏向は繊維の架橋の発生を最小にするために偏向通路３４について大きさを合わせることによって高めることができる。しかしながら、偏向通路は、また、その大きさについて偏向通路３４の内部に蓄積することのできる、紙料中の小さい繊維の一群、したがって、多量の繊維が偏向通路３４の内部に偏るのを抑えることにより制限する。
【００５０】
紙料は、通常では、広葉樹および針葉樹の双方を含む。広葉樹繊維の一例はユーカリ樹（ＥＵＣ）材であり、一方、針葉樹繊維の一例は ノーザン・ソフトウッド・クラフト（ＮＳＫ）材である。紙料の一例は重量比で針葉樹３０％および広葉樹７０％からなる。針葉樹の平均繊維長は広葉樹の平均繊維長の約３倍であるので、針葉樹の平均繊維長に対して偏向通路の大きさを合わせることは偏向通路がより小さい広葉樹繊維の蓄積に著しく影響され易くなり、このため、より長い繊維の偏向を制限する。したがって、偏向通路の幅Ｗは紙料の平均繊維長Ｌに対して大きさを合わせることが好ましい。
【００５１】
Ｗ≧Ｌ （４）
本発明の場合、平均繊維長は次式によって定まる平均繊維長を比較考量した長さである。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここで、Ｌi：クラスｉの平均繊維長
ｎi：クラスｉの測定された繊維数
本発明の場合、長さ加重平均繊維長は約１．０９２ｍｍ（０．０４３インチ）である。
【００５４】
図９および図１０に示すように、偏向通路３４は可変または一定のどちらかの幅を有する、異なる多様な形状を採用することができる。可変の幅を有する通路形状は主軸４０、補助軸４２および平均幅４６の条件について規定する。主軸４０は偏向通路の領域中心を横切る最長軸または最大幅、補助軸４２は偏向通路の領域中心を横切る最短軸および平均幅４６は偏向通路の領域中心を横切る平均幅として定義する。
【００５５】
この平均幅４６は、初めに、ＣＤ方向に領域中心を通り、偏向通路の周辺部上の２点を結んで引く線の長さを測定することにより決定する。（１５度またはＣＤを表わす０°から１６５°までの範囲よりも小さい角度のような）ＣＤに対して角度Δθの増分を保って方向を定めた類似する線の長さを測定し、平均幅を決めるために平均を求める。
【００５６】
繊維の架橋は補助軸４２に沿って起こることが最も予想されるので、平均繊維長さＬに対して偏向通路３４の最小幅について次のように大きさを合わせることは好ましい。
【００５７】
Ｗmin≧Ｌ （６）
したがって、本発明の場合、好ましい最小通路幅は少なくとも約１．０９２ｍｍ（０．０４３インチ）である。
【００５８】
小さい繊維の蓄積は偏向通路の長軸および短軸４０、４２の双方に沿って起こるので、双方の軸４０、４２のどちらに対しても繊維の蓄積を最小にし、繊維の偏向を最大化する上限を定めることは難しい。しかしながら、本発明の場合、平均幅４６が平均繊維長さＬと平均繊維長さＬを３倍した値との間にあるように偏向通路３４について大きさを合わせたとき、結果的に最大の厚さを得ることができることを見出した。
【００５９】
Ｌ＜Ｗ＜３Ｌ
したがって、本発明の場合、平均通路幅は約１．０９２ｍｍ（０．０４３インチ）から約３．２７７ｍｍ（０．１２９インチ）の範囲にわたるように偏向通路について大きさを合わせることが好ましい。
【００６０】
紙ウェブ２７はほぼ２次元の繊維組織である。理想的な繊維組織は繊維配向が特定の方向に偏らない、ばらばらな分布からなる。このような理想的な繊維の場合、平均繊維長さＬはすべての方向において同一である。
【００６１】
しかしながら、繊維組織は、典型的には、特定の方向に偏っている繊維配向を持つ紙ウェブとして配列されている。このような偏った組織の場合、平均繊維長は紙ウェブ２７のＸ−Ｙ面内で配向角度に見合って変化する。このような平均繊維長Ｌθは次のように表わすことができる。
【００６２】
【数２】
【００６３】
ここで、θ ：ＣＤに対するＸ−Ｙ面内での配向角度
Ｌθi：Ｘ−Ｙ面内で配向角度θである成分の繊維の長さ
Ｌθ ：Ｘ−Ｙ面内で配向角度θであるときの平均繊維長
ｎ ：Ｘ−Ｙ面内で配向角度θで測定された繊維数
本発明の場合、２次元繊維組織を構成している繊維５０は主に流れ方向ＭＤに配向することができる。したがって、流れ方向の平均繊維長は幅方向ＣＤの平均繊維長よりも大きくなる。
【００６４】
【数３】
【００６５】
上記式（４）から次の結果を得ることができる。
【００６６】
ＷMD＞ＷCD （９）
したがって、図１１に示すように、偏向通路３４について主軸４０が抄紙ベルトの流れ方向と平行に移動するように向けることは好ましい。しかし、繊維配向が、典型的には、流れ方向ＭＤに偏っているので、当業者は、図１２に示すように、主軸４０をＭＤに対して２２．５°±２２．５°の傾斜角度を保つように斜めに向けてもよいと理解することができる。
【００６７】
偏向通路の形状は主軸４０と補助軸４２との比として定義する、アスペクト比ＲAの条件について規定する。繊維の最大の偏向を得るために上記式（８）および式（９）からアスペクト比を次のように規定する。
【００６８】
【数４】
【００６９】
しかしながら、繊維が偏向通路３４内にまさに偏る前のウェブ状態においてはＸ−Ｙ面内で抄紙ウェブの特定方向の平均繊維長を測定することは実用的でない。したがって、最大の繊維の偏向をもたらす通路形状に対する好ましいアスペクト比を決定するために繊維長の関数である紙ウェブの固有の物理的特性を考慮する必要がある。
【００７０】
紙ウェブ２７の物理的特性は主として紙ウェブ２７のＸ−Ｙ面内での繊維配向に影響を受ける。たとえば、流れ方向ＭＤに偏った繊維配向を有する紙ウェブ２７においては引張り強さではＣＤよりもＭＤが強く、伸びではＭＤよりもＣＤが大きく、さらに曲げ剛さではＣＤよりもＭＤが大きい。
【００７１】
繊維配向に加えて、紙ウェブの引張り強さはＸ−Ｙ面内で特定の方向に配向された繊維の長さに比例する。したがって、流れ方向ＭＤおよび幅方向ＣＤのウェブ引張り強さはＭＤおよびＣＤの平均繊維長に比例する。
【００７２】
ＴMD、CD（引張り強さ）∝ＬMD、CD （１１）
したがって、式（８）から次の結果を得ることができる。
【００７３】
ＴMD＞ＴCD （１２）
さらに、式（１０）の ＬMD ／ＬCD にＴMD ／ＴCD を代入することによって通路形状を規定する、アスペクト比ＲAを次のように表わすことができる。
【００７４】
【数５】
【００７５】
流れ方向ＭＤおよび幅方向ＣＤの紙ウェブ２７の引張り強さはスイング−アルバート社（Ｔｈｗｉｎｇ−Ａｌｂｅｒｔ Ｃｏ．，ペンシルベニア州、フィラデルフィア）によって製造される、スイング−アルバート インテレクトII標準引張り試験機を用いて測定した。最大の繊維偏向およびＺ方向に一致する厚さの発生をもたらす、好ましい通路形状は１から約２までのアスペクト比を有する。より好ましい通路形状は約１．３から１．７までの範囲のアスペクト比を有する。最も好ましい通路形状は１．４から１．６までの範囲のアスペクト比を有する。
【００７６】
偏向通路３４の形状は通路幅を横切って生じる繊維の架橋を最小化するために重要であるだけでなく、通路壁を備えた周辺部３８に沿って架橋する繊維を最小化するために重要である。繊維を架橋する特別の指定箇所には隙間のない半径または鋭角のコーナを形成する通路壁を備えるようにする。このような目的のために好ましくない通路形状の例は図８ａおよび図８ｂに示されている。
【００７７】
図９および図１０に示すように、本発明にとって好ましい通路形状の一つは、これに限られないが、円形、楕円および６またはそれ以上の面からなる多角形を含む、全体的には、長円形からなる。図９は個別の側壁セグメント４４からなる直線で囲われた周辺部を有する、長円形の偏向通路を示している。このような通路形状の場合、周辺部に沿う繊維の架橋は少なくとも約１２０°の隣接する２つの側壁セグメントのなす夾角３９を与えることによって最小化することができる。
【００７８】
図１０は偏向通路の中心に向けて凹ませた曲線からなる周辺部を有する、長円形の偏向通路を示している。この曲線からなる周辺部は最小半径４８を備える。同様に、周辺部に沿う繊維の架橋は平均通路幅に対する最小半径４８の比が少なくとも０．２９に等しく、０．５０よりも大きくならない形状に制限することで、最小化することができる。
【００７９】
【数６】
【００８０】
図１３に示すように、理想的には、ナックル３６上面の紙ウェブ２７は伸び量が零であり、これに対して、偏向通路３４の上方の紙ウェブ２７は通路内に十分に偏り、次の平均伸び量εを生じる。
【００８１】
【数７】
【００８２】
ここで、ε ：平均伸び量
ＯＢ：Ｚ方向高さ
Ｗ ：通路幅
限界伸び量は抄紙ウェブ２７が破断したときの値に基づいて決定する。伸び量が抄紙ウェブ２７の限界伸び量よりも大きいならば、繊維組織は破断し、ウェブ内にピンホールが発生する。抄紙ウェブ２７の限界伸び量は繊維長さおよび繊維配向のような繊維組織の特性に依存する。面同士の結合は真空ピックアップシューの箇所ではウェブが湿潤状態にあり、面同士の結合が良好に保たれないので、限界伸び量を高めることには殆ど役割を果たせない。
【００８３】
抄紙ウェブ２７が偏向通路３４に偏るときの合計距離はＺ方向高さ６０により左右される。抄紙ウェブの限界伸び量はＯＢ６０に正比例して増減するので、ＯＢ６０は抄紙ウェブ２７の限界伸び量によって制限するという、結論に達する。したがって、式（１５）からＯＢに対する合理的な範囲は次のように表わすことができる。
【００８４】
【数８】
【００８５】
この限界伸び量εcriticalは繊維長、繊維配向および坪量が係わる取り扱いの複雑な関数である。定性的には、この限界伸び量は繊維長および／または坪量が大きくなったとき増加する。本発明の場合、最大のウェブ偏向を得るのに好ましいＺ方向高さは少なくとも約０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）から約０．９９１ｍｍ（０．０３９インチ）までの範囲にわたる。
【００８６】
紙ウェブが偏向通路内で受ける合計偏向量は、また、主に模様を付けた構成物のナックル／通路界面を形成している角度によって決定する。この紙ウェブの偏向角度６２はＺ方向に対するナックル／通路界面地点でのウェブ角度として定義される。図１４に紙ウェブの偏向する様子を示している。ナックル／通路界面で蓄積する繊維５０は繊維が外部の押し付け力に耐えることのできる支持構造を与えるのを可能にする、Ｚ方向成分を備えるように配向される。ナックル／通路界面でＺ方向と平行に配向される繊維は最大の支持を与えることができる。しかしながら、抄紙ウェブ２７は無限には曲がらないので、偏向通路３４の輪郭に完全には従うことができない。そのうえ、製造上の制約のために偏向通路の側壁は傾斜しており、ナックル／通路界面に樹脂角度６４を生じる。さらに、偏向角度６２が樹脂角度６４よりも小さくならないことから、樹脂角度６４はウェブの偏向を制限する。本発明の場合、樹脂角度６４は、好ましくは、５度から１０度の範囲で傾斜させる。このウェブ偏向角度は、典型的には、約２０度から約５０度の範囲である。
【００８７】
多様な工程を通じて紙に外力が作用したとき、ナックル／通路界面にある繊維から支持力に従って反力が生じるので、この領域の繊維数が多くなればなるほど、一段と支持力を高め、厚さを大きくすることができる。この移行域の繊維５０の数はナックル／通路界面の合計周囲長さ３８を最大化することにより最適にすることができる。これは単位面積当たりの偏向通路３４の数を最大化すること、またはナックル３６の割合を最小化することと等価である。理論的には、偏向通路３４は極値まで数を増すことができる。しかしながら、図１１および図１２に示すように、偏向通路３４と分離しているナックル３６は樹脂を第２の要素３２と確実に固着させるための最小幅５２を備えることを求められる。本発明の場合、好ましい最小ナックル幅５２は少なくとも約０．１７８ｍｍ（０．００７インチ）から約０．５０８ｍｍ（０．０２０インチ）までの範囲にわたる。
【００８８】
さらに、単位面積あたりの偏向通路３４の数はこれを効率よく配置し、無駄なく詰めることにより最大化することができる。偏向通路３４の好ましい配置は、図１１および図１２に示すように、六角形状に形成することである。
【００８９】
（２）抄紙
本発明の紙８０は２つの主要な領域を備える。第１の領域は抄紙ベルト１０の構成物３０に当てて圧痕を形成される圧痕形成域８２からなる。この圧痕形成域８２は、好ましくは、本質的に連続する組織からなる。紙８０の第１の領域を構成している連続組織８２は抄紙ベルト１０の本質的に連続する構成物３０上に形成され、そして、紙製造中、所定の位置で、幾何学的には、全体的にそれと一致し、それと極接近して配置される。
【００９０】
紙８０の第２の領域は組織領域８２の全体にわたって分散させた複数個のドーム８４からなる。このドーム８４は、紙製造中、所定の位置で、幾何学的には、抄紙ベルト１０の偏向通路３４と全体的に一致している。ドーム８４内の繊維は、紙製造工程中、構成物３０の紙対向面と強化構造物３２の紙対向面との間で偏向通路３４に従いＺ方向に偏向する。結果として、ドーム８４は紙８０の連続する組織領域８２から外方向に突出する。このドーム８４は、好ましくは、不連続で、連続する組織領域８２によってお互いから分離している。
【００９１】
理論に拘束されることなく、紙８０のドーム８４および本質的に連続する組織領域８２は、一般に、同等の坪量を有すると考える。ドーム８０の密度は偏向通路３４内に偏ることで、本質的に連続する組織領域８２の密度と比べて減少する。さらに、本質的に連続する繊維領域８２（または選択されるような、他の模様）については後工程で、たとえば、ヤンキー乾燥ドラムに当てて圧痕を形成してもよい。このような圧痕形成によりドーム８４の密度と比べて本質的に連続する繊維領域８２の密度をさらに高めることができる。こうして得られる紙８０は後工程において、この技術分野でよく知られるように、エンボス加工する。
【００９２】
本発明に従う紙８０は、その開示が参照によってここに取り入れられる、トロクハンに付与された１９８５年７月１６日発行の米国特許第４，５２９，４８０号明細書、トロクハンに付与された１９８７年１月２０日発行の米国特許第４，６３７，８５９号明細書、スマルコスキーらに付与された１９９４年１１月１５日発行の米国特許第５，３６４，５０４号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年６月２５日発行の米国特許第５，５２９，６６４号明細書、ラスクらに付与された１９９７年１０月２１日発行の米国特許第５，６７９，２２２号明細書に従い製造することができる。
【００９３】
Ｘ−Ｙ面内にあるドーム８４の形状は、これに限られないが、円形、楕円形および６ないしそれ以上の面からなる多角形を含む。好ましくは、ドーム８４は曲線または直線のどちらかで囲う周辺部８６を備える、全体的には長円形からなる。曲線で囲う周辺部８６はドームの平均幅に対する最小半径の比が少なくとも約０．２９から約０．５０までの範囲にわたる最小半径を備える。直線で囲う周辺部８６は隣接する２つの側壁セグメントのなす夾角が少なくとも約１２０度になるように側壁セグメントの数を決めて構成する。
【００９４】
大きい厚さを有する紙８０を提供するにはウェブの単位面積あたりのＺ方向の繊維数を最大化する必要がある。繊維がＺ方向に向くとき、その大部分は繊維配向が起こるドーム８４の周辺部８６に沿って配向する。それゆえ、紙ウェブにおけるＺ方向への繊維配向およびＺ方向に一致する厚さは主に単位面積あたりのドームの数により左右される。
【００９５】
図１５に示すように、単位面積あたりのドーム８４の数はドームを効率よく並ばせ、無駄なく配置することで果たす、隣接するドーム間の距離を最小に保つことにより最大化する。本発明の場合、ドーム８４間の好ましい最小距離８８は少なくとも約０．１７８ｍｍ（０．００７インチ）にであり、０．５０８ｍｍ（０．０２０インチ）よりも大きくない。この好ましいドーム８４の配置は六角形状に形成している配置である。
【００９６】
紙８０の単位面積あたりのドーム８４の数は上述した偏向通路の大きさならびに形状により左右される。本発明の場合、ドーム８４の好ましい平均幅は少なくとも約１．０９２ｍｍ（０．０４３インチ）であり、約３．２７７ｍｍ（０．１２９インチ）よりも小さい。ドームにとって好ましい長円形とは１．０から約２．０までの範囲のアスペクト比を有する長円形である。より好ましい長円形は約１．３から１．７までの範囲のアスペクト比を有する。最も好ましい長円形は１．４から１．６までの範囲のアスペクト比を有する。
【００９７】
紙ウェブの厚さは、典型的には、直径５．０８ｃｍ（２インチ）の円形プレッサフートを使用して６．４５１６ｃｍ2（１平方インチ）あたり９５ｇの圧力を掛け、３秒の静止時間を置いた後に測定した。この厚さはスイング−アルバート社（Ｔｈｗｉｎｇ−Ａｌｂｅｒｔ Ｃｏ．，ペンシルベニア州、フィラデルフィア）によって製造される、スイング−アルバート厚み試験機（モデル８９−１００）を用いて測定することができる。この厚さは米国紙パルプ技術協会（ＴＡＰＰＩ）試験方法の指定温度および湿度条件のもとで測定した。
【００９８】
本発明の場合、厚さは2プライからなる紙ウェブについて測定した。2プライ紙ウェブの厚さは、好ましくは、０．５０８ｍｍ（２０ミル）から１．０１６ｍｍ（４０ミル）の間である。より好ましい2プライ紙ウェブの厚さは０．９６５ｍｍ（３８ミル）から１．１６８ｍｍ（４６ミル）の間である。最も好ましい2層抄紙ウェブの厚さは０．６３５ｍｍ（２５ミル）から０．７６２ｍｍ（３０ミル）の間である。
【００９９】
本発明の特定の実施例が図示され、かつ説明されたが、当業者をもってすれば本発明の範囲および意図したところから離れずに多様な変更ならびに変形がなし得ること明らかである。添付の請求の範囲は本発明の範囲内にあるこうした変更ならびに変形のすべてを含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】図１は本発明に係る抄紙ベルトを使用する抄紙機の一実施例を示す図式的側面図である。
【図２】図２は強化構造物と結合され、かつ長円形に形成される偏向通路の紙側面開口を有する樹脂構成物を表わす、本発明に係る抄紙ベルトの一部を示す平面図である。
【図３】図３は図２の３−３線に沿う抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図４】図４は偏向通路に架橋する繊維を表わす、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図５】図５は偏向通路の底部に集まる繊維を表わす、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図６】図６は繊維偏向を示すために偏向通路の開口の上方で片持ちばりの状態にたわむ繊維を表わす、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図７】図７は繊維偏向を示すために偏向通路に架橋した繊維を表わす、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図８ａ】図８ａは繊維の架橋を生じ易い隙間のない半径または鋭角のコーナを有する通路形状を示す平面図である。
【図８ｂ】図８ｂは繊維の架橋を生じ易い隙間のない半径または鋭角のコーナを有する通路形状を示す平面図である。
【図９】図９は直線で囲われる周辺部を有する、長円形通路を示す図式的平面図である。
【図１０】図１０は曲線で囲われる周辺部を有する、長円形通路を示す図式的平面図である。
【図１１】図１１は抄紙ベルトの流れ方向と平行に向ける主軸を備えた六角形状に配置される偏向通路を示す図式的平面図である。
【図１２】図１２は抄紙ベルトの流れ方向に対して斜めに向ける主軸を備えた六角形状に配置される偏向通路を示す図式的平面図である。
【図１３】図１３は繊維の偏向通路への偏向を表わすと共に、通路幅、通路のＺ方向高さおよびウェブの伸び量についての関係を示す、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図１４】図１４は繊維の偏向通路への偏向を表わすと共に、ウェブ偏向角度およびナックル／通路開口界面を形成している角度の間の関係を示す、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図１５】図１５は六角形状に配置されるドームを有する、抄紙ウェブを示す図式的平面図である。
【図１６】図１６は図１５の１６−１６線に沿う、抄紙ウェブの一部を示す縦断面図である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は低密度で、柔らかく、しかも吸収性のある紙製品を抄造する抄紙機で使用する抄紙ベルトおよびそのベルトによって抄造される紙製品に関する。特に、本発明は模様を付けた樹脂構成物および強化構造物からなる抄紙ベルトおよびそのベルトによって抄造される、大きい厚さで低密度の紙製品に関する。
【０００２】
発明の背景
紙のようなセルロース繊維ウェブはこの技術分野ではよく知られている。この繊維ウェブは、今日、ペーパタオル、トイレット・ティッシュ、化粧ティッシュ、ナプキンおよびその類似物のために普通に使用されている。このような紙製品への膨大な需要が基となって紙製品およびその製造方法を改良することに対する要望が発生している。
【０００３】
消費者の要求に応じるためにはセルロース繊維ウェブは幾つかの特性を呈する必要がある。このためには、通常の使用中、比較的小さい引張り力が作用したとき、紙組織が裂けあるいは切断するのを防ぐのに十分な引張強さを備えていなければならない。このセルロース繊維ウェブは繊維構造によって液体を素早く吸収し、内部に十分に保留するように吸収性でなければならない。
【０００４】
引張り強さとはセルロース繊維ウェブに備わる使用時に物理的な一体性を保持する能力のことである。引張り強さはセルロース繊維ウェブの坪量の関数とみることができる。
【０００５】
吸収性とはセルロース繊維ウェブに備わる、接触させた液体を吸い上げ、保持する性質のことである。吸収性はセルロース繊維ウェブの密度によって影響を受ける。このウェブがあまりにも密であるとき、繊維間の隙間は小さくなり過ぎ、吸収率は意図した用途に応じられるほど十分に大きくならない。この隙間があまりにも大きくなると、接触させた流体の毛管引力は小さくなり、表面張力が制限されるために流体をセルロース繊維ウェブによって保持するのに妨げになる。
【０００６】
このウェブは、また、使用時、触感として心地よく、ざらざらした感じを与えることのないように柔らかくなければならない。柔らかさとはセルロース繊維に備わる触感として使用者の皮膚に特に望ましい感じを与える能力のことである。柔らかさはセルロース繊維ウェブに備わる繊維ウェブの平面と垂直な方向への変形に逆らう能力に例外なく比例する。
【０００７】
厚さとはある機械的な圧力のもとで測定したセルロース繊維ウェブの厚さのことであり、坪量およびウェブ構造の関数とみることができる。強さ、吸収性および柔らかさはセルロース繊維ウェブの厚さによって影響を受ける。
【０００８】
紙製品を製造する工程は、一般に、セルロース繊維を有する水性スラリーを準備し、続いて、初期ウェブを形成するために繊維を再配列する間に、同時発生的に、スラリーから水分を除去する工程を伴う。この脱水工程では、脱水を助ける多様な種類の機器類が利用されている。典型的な製造工程は抄紙スラリーを移動するエンドレスベルトの表面側に供給する長網ワイヤ抄紙機を使用している。このエンドレスベルトは最初の脱水を行い、繊維の再配列を果たす。
【０００９】
初期ウェブを形成した後、紙ウェブはエンドレスベルト形態の乾燥ファブリックと呼ばれる別の織物上で乾燥工程を実施する。この乾燥工程は抄紙ウェブの機械的な圧搾、真空吸引、通気乾燥および他の種類の方法を含む。この乾燥工程中、初期ウェブはセルロース繊維が配列し、偏向して生じる特定の模様または形を帯びる。
【００１０】
トロクハンに付与された１９８５年７月１６日発行の米国特許第４，５２９，４８０号明細書は硬化された感光性樹脂構成物によって周りを囲われる多孔製織部材からなる抄紙ベルトを提案している。この樹脂構成物は偏向通路として知られる、分離している不連続の複数個の通路を備える。この工程で使用される抄紙ベルトは流体に圧力差を生じさせたとき、抄紙繊維が通路内に偏り、そこで再配列するので、偏向部材と呼ばれている。抄紙工程で抄紙ベルトを利用することは強さ、吸収性および柔らかさに関しては望ましい一定の特性を備える紙を抄造できる可能性をもたらした。
【００１１】
米国特許第４，５２９，４８０号明細書に開示された方法を用いて抄造される紙は参照によってここに取り入れられる、トロクハンに付与された米国特許第４，６８７，８５９号明細書に説明されている。この紙は紙面の両側に配分された物理的に区別される２つの領域を備えることに特徴がある。一方の領域は比較的高密度で、大きい固有の強さを有する、連続する組織からなる領域である。他方の領域はその連続する組織によって完全に囲われる複数個のドームからなる領域である。後者の領域にあるドームは連続する組織領域と比べて比較的低密度で、比較的小さい固有の強さを備えている。
【００１２】
このドームは、抄紙工程中、繊維が抄紙ベルトの偏向通路を満たすときに形成される。この偏向通路により紙ウェブが乾燥工程中に加圧されたとき、通路内にある繊維が密集してしまうのを防ぐことができる。結果として、ドームは厚さが増し、ウェブの繊維が密集した領域と比べて低密度で、固有の強さを備えることになる。したがって、紙ウェブの厚さはドームの固有の強さによって制限される。
【００１３】
紙の乾燥が終了すると、直ちに、紙繊維の再配列および偏向が完了する。しかしながら、完成製品の種類に応じて紙はカレンダ処理、柔軟化、特殊加工のような追加工程を経る。これらの工程は紙のドーム領域を密にする傾向があり、厚さを減少させる。それゆえ、物理的に区別される２つの領域を有する紙製品においてはドーム内部に機械的な圧力に対して抵抗力を有するセルロース繊維構造を形成することを求められている。
【００１４】
セルロース繊維ウェブを形成したとき、繊維はウェブのＸ−Ｙ面内に主に配向され、この結果、Ｚ方向の構造的な剛さはとるに足らない値となる。Ｘ−Ｙ面内に配向された繊維が機械的な圧力によって密集したとき、直ちに、これらの繊維は同時に加圧され、紙ウェブは厚みが減少する一方、密度が増加する。
【００１５】
繊維のＺ方向への配向によりウェブのＺ方向の構造的な剛さを高めることができる。したがって、繊維のＺ方向への配向を最大化することにより厚さを最大にすることが可能になる。
【００１６】
偏向通路は繊維を通路の周辺部に沿って偏向させることことによりＺ方向への繊維の配向を生じさせる手段を提供する。繊維全体の偏向は繊維長さに関係のある偏向通路の大きさならびに形状により左右される。
【００１７】
大きい偏向通路は通路開口よりも小さい繊維が通路の底部に蓄積するのを抑えられず、この結果、後から偏向通路内に降りてくる繊維が偏向するのを制限することになる。反対に、小さい通路は大きい繊維が通路開口に架橋してそこを塞いでしまうことから、繊維偏向が最小に留まる。
【００１８】
偏向通路の形状も、また、繊維偏向に影響を及ぼす。たとえば、鋭角のコーナまたは小さい半径を形成している周辺部で構成した偏向通路では繊維偏向を最小にする繊維の架橋が発生する可能性がより大きくなる。繊維の架橋に影響を及ぼす多様な通路形状に関する実例についてはラスクらに付与された１９９７年１０月２１日発行の米国特許第５，６７９，２２２号明細書を参照する。
【００１９】
したがって、本発明は繊維偏向およびＺ方向に一致する繊維配向を最大化する大きさならびに形状に合わせて構成される連続する組織領域および不連続な複数個の偏向通路を備える抄紙ベルトを提供する。
【００２０】
さらに、本発明は本質的に連続し、本質的、かつ巨視的に単一平面からなる組織領域および組織領域全体にわたって分散させた不連続な複数個のドームを備える紙ウェブを提供する。このドームは最適の厚さを生じる大きさならびに形状に合わせて構成される。
【００２１】
発明の概要
本発明は低密度／大きい厚さの紙ウェブを抄造する、模様を付けた構成物を有する抄紙ベルトおよびそのベルトにより抄造される紙ウェブを対象とする。この抄紙ベルトは模様を付けた構成物を有する強化構造物を備える。この模様を付けた構成物は連続する組織領域および不連続な複数個の偏向通路を備える。この偏向通路は連続する組織領域によってお互いから分離している。
【００２２】
この偏向通路は形状が全体的には長円形であり、偏向通路の平均幅ＷがＬ＜Ｗ＜３Ｌの関係になるように、平均ウェブ繊維長さＬに対して大きさを合わせている。この偏向通路は少なくとも約１．０から約２．０の範囲にわたるアスペクト比を有し、平均幅に対する最小半径の比が少なくとも約０．２９から約０．５までの範囲にわたっている。
【００２３】
偏向通路は単位面積あたりの通路の密集を最大化する一方、同時に、連続する組織領域の面積を最小化するように、六角形状に配置されている。この連続する組織領域は少なくとも約０．１７８ｍｍ（０．０００７インチ）から約０．５０８ｍｍ（０．０２０インチ）までの範囲にわたる幅を有するナックル領域を備える。
【００２４】
この抄紙ベルト上で抄造される紙は本質的、かつ巨視的に単一平面の組織領域および連続する組織領域全体にわたって分散し、その組織領域によってお互いから分離している、不連続な複数個のドームを備える。このドームは上述した全体的に長円形の偏向通路と同一の形状および配置を帯びる。
【００２５】
発明の詳細な説明
定義
ここで用いられるとき、次の用語は以下に述べる意味を有する。
ＭＤで示す流れ方向とは抄紙機器を通じて抄紙ウェブの流れる方向と平行な方向のことである。
ＣＤで示す幅方向とはＸ−Ｙ面内において流れ方向と垂直な方向のことである。
領域中心とは偏向通路の周辺部によって境界の定まる薄く均一な分散物集合体中心と一致する、偏向通路内の点のことである。
主軸とは偏向通路の領域中心を横切り、偏向通路の周辺部上の２点を結ぶ最長の軸のことである。
補助軸とは偏向通路の領域中心を横切り、偏向通路の周辺部上の２点を結ぶ最短の軸または幅のことである。
アスペクト比とは主軸長さの補助軸長さに対する比のことである。
偏向通路の平均幅とは偏向通路の領域中心を通り、偏向通路の周辺部上の２点を結んで引く直線の平均長さのことである。
曲率半径とは曲線上の１点に存在するその瞬間の曲率半径のことである。
曲線で囲われるとは曲線に付随することである。
直線で囲われるとは直線と付随することである。
Ｚ方向高さとは強化構造物の抄紙側に向く面から延びる樹脂構成物の部分のことである。
平均繊維長とは重み付き平均繊維長のことである。
【００２６】
明細内容には（１）本発明に係る抄紙ベルトおよび（２）本発明に係る完成紙製品に関する詳細な説明を含む。
【００２７】
（１）抄紙ベルト
図１に図式的に示す代表的な抄紙機では、本発明の抄紙ベルトはエンドレスベルト形態の抄紙ベルトを採用する。この抄紙ベルト１０は紙と接する面１１およびこの紙接触面１１と反対側の背面１２を有する。この抄紙ベルト１０は形成物（初期ウェブ２７および中間ウェブ２９）に関係のある多様な工程で抄紙ウェブ（または“繊維ウェブ”）を搬送する。初期ウェブを形成する工程は、双方の特許明細書が参照によってここに取り入れられる、サンフォードおよびシゾンに付与された１９７４年１月３１日発行の米国特許第３，３０１，７４６号明細書およびモーガンおよびリッチに付与された１９７６年１１月３０日発行の米国特許第３，９９４，７７１号明細書のような、多くの文献に説明されている。この抄紙ベルト１０はリターンロール１９ａ、１９ｂ、加圧ニップロール２０、リターンロール１９ｃ、１９ｄ、１９ｅおよびエマルジョン分配ロール２１を回って方向矢印Ｂで示す方向に移動する。この抄紙ベルト１０が移動するループには真空ピックアップシュー（ＰＵＳ）２４ａおよびマルチスロット真空ボックス２４のような、初期ウェブ２７に対して流体の圧力差を作用させる手段を備える。図１では、抄紙ベルト１０は、また、ブロースルードライヤ２６のようなプレドライヤの周りを移動し、さらに加圧ニップロール２０によって形成されるニップの間およびヤンキー乾燥ドラム２８を通過する。
【００２８】
本発明に係る抄紙ベルト１０の好ましい実施例はエンドレスベルト１０の形態であるが、これは、たとえば、ハンドシートを製造する場合に使用する固定プレートあるいは他の形式の連続工程において使用する回転ドラムを含む、エンドレスベルト以外の数多くの形態にも取り入れることができる。抄紙ベルト１０が請求された本発明を実施するために採用する物理的な形態とは関係なく、一般に、本発明は以下に詳述される一定の物理的特性を有する。本発明の抄紙ベルト１０は、参照によってここに取り入れられる、トロクハンらに付与された米国特許第５，３３４，２８９号明細書に従って製造することができる。
【００２９】
図２に示すように、本発明に従う抄紙ベルト１０は主要な２つの構成要素；構成物３０および強化構造物３２を備える。この構成物３０は、好ましくは、感光性高分子樹脂硬化物からなる。構成物３０および抄紙ベルト１０は抄紙ベルト１０の紙接触面１１を形成する第１の面１１およびこの抄紙ベルト１０を使用する抄紙機の方向に向く第２の面１２を有する。
【００３０】
ここで用いられるとき、本発明の抄紙ベルト１０（またはそのベルト上に置かれた紙ウェブ２７）に関係のあるＸ、ＹおよびＺ方向とはデカルト座標系における方向のことである。本発明に従う抄紙ベルト１０は巨視的に単一平面である。抄紙ベルト１０の平面はそのＸ−Ｙ方向を規定している。抄紙ベルト１０のＺ方向はＸ−Ｙ方向および抄紙ベルト１０の平面と垂直である。同様に、本発明に従う紙ウェブ２７は巨視的に単一平面として考えることができ、Ｘ−Ｙ面内にある。この紙ウェブ２７のＺ方向はＸ−Ｙ面およびウェブ２７の平面と垂直である。
【００３１】
好ましくは、この構成物３０は予め決められた模様の境界を定め、本発明の紙ウェブ２７上にある適切な模様を圧痕形成するナックル域３６を備える。構成物３０のために特に好ましい模様は本質的に連続する組織である。構成物３０のために好ましい本質的に連続する組織からなる模様を選ぶとするならば、不連続の偏向通路３４は抄紙ベルト１０の第１の面１１から第２の面１２にかけて延ばす。この本質的に連続する組織は偏向通路３４を取り囲み、その境界を定める。
【００３２】
この構成物３０は構成物３０の模様と同一の模様をそこに搬送された抄紙ウェブ２７上に圧痕形成する。圧痕を形成するのはどのような場合も抄紙ベルト１０と抄紙ウェブ２７とがそれを刻印するのに十分な間隙を保つ２つの剛体面の間を通過するときに生じる。これは、一般に、２個のロールの間にあるニップで生じ、多くの場合、通常、抄紙ベルト１０が紙をヤンキー乾燥ドラム２８に移動させるときに生じる。圧痕の形成は加圧ロール２０の位置で構成物３０を抄紙ウェブ２７に押し付けることによって生じる。
【００３３】
抄紙ベルト１０の第１の面１１はそこに搬送された紙ウェブ２７と接触する。抄紙の搬送中に抄紙ベルト１０の第１の面は構成物３０に付けた模様と同一の模様を抄紙ウェブ２７に形成する。
【００３４】
抄紙ベルト１０の第２の面１２はその抄紙ベルト１０の抄紙機接触面である。この第２の面は偏向通路３４と異なる通路を有する背面組織で製作されている。この通路は抄紙ベルト１０の第２の面の背面組織に不規則性を与える。この通路は抄紙ベルト１０のＸ−Ｙ面内で抄紙ベルト１０の偏向通路３４を通して必ずしもＺ方向に流動させない空気漏洩を考慮したものである。このような背面組織を取り入れている抄紙ベルト１０はスマルコスキーらに付与された１９９２年３月２４日発行の米国特許第５，０９８，５２２号明細書、スマルコスキーらに付与された１９９４年１１月１５日発行の米国特許第５，３６４，５０４号明細書およびスマルコスキーらに付与された１９９３年１１月９日発行の米国特許第５，２６０，１７１号明細書に従い製作される。これらの特許明細書の開示は参照によってここに取り入れられる。
【００３５】
本発明に従う抄紙ベルト１０の第２の主要な構成要素は強化構造物３２である。構成物３０と同様に、この強化構造物３２は第１の面または紙対向面１３およびこの紙対向面と反対側の第２の面または抄紙機対向面１２を有する。この強化構造物３２は主として抄紙ベルト１０の背中合わせの両面間に配置され、抄紙ベルト１０の背面と面一の面を有する。強化構造物３２は構成物３０に対する支持を与える。この強化要素はこの技術分野でよく知られるように、典型的には、製織して作られている。強化構造物３２の偏向通路３４と重なる部分は抄紙の製造で使用する繊維が偏向通路３４を完全に通り抜けてしまうのを防ぎ、これにより、ピンホールの発生を減少させることができる。仮に、強化構造物３２に製織ファブリックを使用するのを望まないとすれば、不織要素、スクリーン、ネットまたは複数個の孔を有するプレートによって適切な強さおよび本発明の構成物３０に対する支持を与えるようにしてもよい。
【００３６】
図３に示すように、構成物３０は強化構造物３２と結合されている。構成物３０は強化構造物３２の紙対向面１３から外方向に延びている。強化構造物３２は構成物３０に強度を生じさせ、紙製造工程で使用される真空脱水機器が初期ウェブ２７から水分を除去し、除去した水分を抄紙ベルト１０から排出する機能を適切に果たすために突出させた適当な開口域を有する。
【００３７】
本発明による抄紙ベルト１０はその開示が参照によってここに取り入れられる、次の特許明細書のいずれかに従い製造される。これはジョンソンらに付与された１９８５年４月３０日発行の米国特許第４，５１４，３４５号明細書、トロクハンに付与された１９８５年７月９日発行の米国特許第４，５２８，２３９号明細書、スマルコスキーらに付与された１９９２年３月２４日発行の米国特許第５，０９８，５２２号明細書、１９９３年１１月９日発行の米国特許第５，２６０，１７１号明細書、トロクハンに付与された１９９４年１月４日発行の米国特許第５，２７５，７００号明細書、ラスクらに付与された１９９４年７月１２日発行の米国特許第５，３２８，５６５号明細書、トロクハンらに付与された１９９４年８月２日発行の米国特許第５，３３４，２８９号明細書、ラスクらに付与された１９９５年７月１１日発行の米国特許第５，４３１，７８６号明細書、ステルジェス ジュニアらに付与された１９９６年３月５日発行の米国特許第５，４９６，６２４号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年３月１９日発行の米国特許第５，５００，２７７号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年５月７日発行の米国特許第５，５１４，５２３号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年９月１０日発行の米国特許第５，５５４，４６７号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年１０月２２日発行の米国特許第５，５６６，７２４号明細書、トロクハンらに付与された１９９７年４月２９日発行の米国特許第５，６２４，７９０号明細書、エヤースらに付与された１９９７年５月１３日発行の米国特許第５，６２８，８７６号明細書、ラスクらに付与された１９９７年１０月２１日発行の米国特許第５，６７９，２２２号明細書およびエヤースらに付与された１９９８年２月３日発行の米国特許第５，７１４，０４１号明細書である。
【００３８】
ある特定の密集度を有する紙ウェブを抄造する能力はそのウェブの厚さの関数とみることができる。厚さとはある一定の機械的圧力のもとで測定したセルロース繊維ウェブのみかけ上の厚さのことである。厚さはウェブの坪量およびウェブ構造の関数とみることができる。坪量は紙の２７８．７平方メートル（３０００平方フィート）あたり０．４５３６ｋｇ（１．００００２ポンド）単位の重さである。ウェブ構造は抄紙ウェブ２７を構成する繊維の配向および密度に関係がある。
【００３９】
紙ウェブ２７を構成する繊維は、典型的には、Ｘ−Ｙ面内に配向されており、Ｚ方向の構造的な支持は最小に留まる。それゆえ、紙ウェブ２７が模様を付けた構成物３０によって押し付けられると、紙ウェブ２７が密集し、厚みの減少した模様のある高密度の領域を生じる。反対に、紙ウェブ２７の偏向通路３４と重なっている部分は密集することなく、結果として、厚さがより厚く、低密度の領域を生じる。
【００４０】
ドームと呼ばれる低密度領域は紙ウェブ２７にみかけ上の厚さを付与する。典型的なドームを構成する繊維は紙ウェブ２７のＸ−Ｙ面内に主に配向されるので、この繊維によるＺ方向の支持はとるに足りない値である。したがって、ドームは著しく変形し易くなり、後に続く抄紙操作中、厚みが小さくなる。それゆえ、紙ウェブ２７の厚さは、一般に、ドームに備わる機械的圧力に逆う力によって制限される。
【００４１】
しかしながら、偏向通路３４は繊維を周辺部３８に沿ってＺ方向に偏向させる手段を提供する。繊維偏向はＺ方向成分を含む、繊維の配向を生じる。このような繊維配向は抄紙ウェブのみかけ上の厚さを増すだけでなく、紙製造工程全体を通じて紙ウェブ２７がその厚みを維持できる、Ｚ方向の構造的な剛さを一定量増大させる。したがって、本発明の場合、偏向通路３４については繊維が周辺部３８に沿って偏向するのを最大化するように、大きさならびに形状を合わせて構成する。
【００４２】
初期ウェブ２７からの水分の除去は繊維５０が偏向し、偏向通路３４内に入ったときに始まる。この水分の除去は繊維が偏り、再配列した後に、繊維を所定の位置に固定するのに役立つ繊維の流動性を減少させる。偏向通路３４に入る繊維の偏りは初期ウェブ２７に作用させる流体の圧力差によって生じる。圧力差を生じさせる好ましい一つの方法は初期ウェブ２７を偏向通路３４を介して真空にさらすことである。図１では、好ましい方法として真空ピックアップシュー２４ａを使用することを示している。
【００４３】
理論に拘束されることなく、偏向通路３４に係わりのある初期ウェブ２７の繊維の再配列は、一般には、繊維長を含む、多くの要因により左右される、２つのモデルのうち、１つを取ると考える。図４に図式的に示すように、長さの長い繊維５０の両端は繊維５０の中間域が偏向通路３４の内部に十分に偏らないで曲がった状態でナックル３６の上面に拘束されている。それゆえ、偏向通路３４の“架橋”が発生する。これに代わるものでは、図５に示すように、繊維５０（主に、長さが短い繊維）は、偏向が起こるとすれば、少しだけで、繊維５０の山を生じて偏向通路３４内に蓄積され、後から続いて偏向通路３４に降りてくる繊維が偏向するのを最小に留めている。
【００４４】
繊維配向は紙ウェブの曲げに対する抵抗の関数とみることができる。ウェブの曲げ剛さは２つの要因；（１）個別の繊維の曲げ剛さおよび（２）繊維同士の結合強さによって左右される。しかしながら、真空ピックアップシュー２４ａの箇所ではウェブは湿潤状態にあり、繊維同士の結合はウェブに含まれる多量の水分によって良好に果たされない。それゆえ、主な要因は個別繊維の曲げ剛さということになる。この繊維の曲げ剛さが大きくなればなるほど、繊維偏向はさらに小さくなる。
【００４５】
繊維の偏向は繊維５０の固有の曲げ剛さに依存するとしても、偏向の大きさは主として繊維５０が偏向通路３４の幅に架橋するのに十分な長さがあるか、否かによって決まる。図６および図７は繊維偏向における２つの可能な背景について示している。図６では、繊維５０は点Ａに固定され、偏向通路３４の開口の上方で片持ちばりの状態にある。この繊維５０に対して真空のような均一な荷重が作用すると、点Ａに高い曲げモーメント、点Ｂに次式によって定まるたわみを生じる。
【００４６】
ｆB＝ＦＬ3／８ＥＩ （１）
ここで、ｆB ：点Ｂにおけるたわみ量
Ｆ ：繊維長さにわたって均一に分布する力
Ｌ ：支持点からの繊維長さ
Ｅ ：縦弾性係数
Ｉ ：慣性モーメント
図７において、繊維セグメント５０は偏向通路の幅よりも長さが長く、この結果、２つの固定点Ａ、Ｂを生じる。繊維セグメント５０が同じ真空圧を受けるとすれば、点Ａ、Ｂ箇所の支持力は偏心曲げモーメントを生じ、点Ｃに次式によって定まる繊維のたわみを生じる。
【００４７】
ｆC＝ＦＬ3／３８４ＥＩ （２）
ここで、ｆC は点Ｃにおける繊維のたわみ量である。
【００４８】
パラメータＦ、Ｌ、ＥおよびＩについて図６および図７に示す繊維に対して同一であると仮定すると、繊維のたわみ量ｆB は繊維のたわみ量ｆC よりも４８倍大きいことは明らかである。
【００４９】
ｆB＝４８ｆC （３）
したがって、繊維偏向は繊維の架橋の発生を最小にするために偏向通路３４について大きさを合わせることによって高めることができる。しかしながら、偏向通路は、また、その大きさについて偏向通路３４の内部に蓄積することのできる、紙料中の小さい繊維の一群、したがって、多量の繊維が偏向通路３４の内部に偏るのを抑えることにより制限する。
【００５０】
紙料は、通常では、広葉樹および針葉樹の双方を含む。広葉樹繊維の一例はユーカリ樹（ＥＵＣ）材であり、一方、針葉樹繊維の一例は ノーザン・ソフトウッド・クラフト（ＮＳＫ）材である。紙料の一例は重量比で針葉樹３０％および広葉樹７０％からなる。針葉樹の平均繊維長は広葉樹の平均繊維長の約３倍であるので、針葉樹の平均繊維長に対して偏向通路の大きさを合わせることは偏向通路がより小さい広葉樹繊維の蓄積に著しく影響され易くなり、このため、より長い繊維の偏向を制限する。したがって、偏向通路の幅Ｗは紙料の平均繊維長Ｌに対して大きさを合わせることが好ましい。
【００５１】
Ｗ≧Ｌ （４）
本発明の場合、平均繊維長は次式によって定まる平均繊維長を比較考量した長さである。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここで、Ｌi：クラスｉの平均繊維長
ｎi：クラスｉの測定された繊維数
本発明の場合、長さ加重平均繊維長は約１．０９２ｍｍ（０．０４３インチ）である。
【００５４】
図９および図１０に示すように、偏向通路３４は可変または一定のどちらかの幅を有する、異なる多様な形状を採用することができる。可変の幅を有する通路形状は主軸４０、補助軸４２および平均幅４６の条件について規定する。主軸４０は偏向通路の領域中心を横切る最長軸または最大幅、補助軸４２は偏向通路の領域中心を横切る最短軸および平均幅４６は偏向通路の領域中心を横切る平均幅として定義する。
【００５５】
この平均幅４６は、初めに、ＣＤ方向に領域中心を通り、偏向通路の周辺部上の２点を結んで引く線の長さを測定することにより決定する。（１５度またはＣＤを表わす０°から１６５°までの範囲よりも小さい角度のような）ＣＤに対して角度Δθの増分を保って方向を定めた類似する線の長さを測定し、平均幅を決めるために平均を求める。
【００５６】
繊維の架橋は補助軸４２に沿って起こることが最も予想されるので、平均繊維長さＬに対して偏向通路３４の最小幅について次のように大きさを合わせることは好ましい。
【００５７】
Ｗmin≧Ｌ （６）
したがって、本発明の場合、好ましい最小通路幅は少なくとも約１．０９２ｍｍ（０．０４３インチ）である。
【００５８】
小さい繊維の蓄積は偏向通路の長軸および短軸４０、４２の双方に沿って起こるので、双方の軸４０、４２のどちらに対しても繊維の蓄積を最小にし、繊維の偏向を最大化する上限を定めることは難しい。しかしながら、本発明の場合、平均幅４６が平均繊維長さＬと平均繊維長さＬを３倍した値との間にあるように偏向通路３４について大きさを合わせたとき、結果的に最大の厚さを得ることができることを見出した。
【００５９】
Ｌ＜Ｗ＜３Ｌ
したがって、本発明の場合、平均通路幅は約１．０９２ｍｍ（０．０４３インチ）から約３．２７７ｍｍ（０．１２９インチ）の範囲にわたるように偏向通路について大きさを合わせることが好ましい。
【００６０】
紙ウェブ２７はほぼ２次元の繊維組織である。理想的な繊維組織は繊維配向が特定の方向に偏らない、ばらばらな分布からなる。このような理想的な繊維の場合、平均繊維長さＬはすべての方向において同一である。
【００６１】
しかしながら、繊維組織は、典型的には、特定の方向に偏っている繊維配向を持つ紙ウェブとして配列されている。このような偏った組織の場合、平均繊維長は紙ウェブ２７のＸ−Ｙ面内で配向角度に見合って変化する。このような平均繊維長Ｌθは次のように表わすことができる。
【００６２】
【数２】
【００６３】
ここで、θ ：ＣＤに対するＸ−Ｙ面内での配向角度
Ｌθi：Ｘ−Ｙ面内で配向角度θである成分の繊維の長さ
Ｌθ ：Ｘ−Ｙ面内で配向角度θであるときの平均繊維長
ｎ ：Ｘ−Ｙ面内で配向角度θで測定された繊維数
本発明の場合、２次元繊維組織を構成している繊維５０は主に流れ方向ＭＤに配向することができる。したがって、流れ方向の平均繊維長は幅方向ＣＤの平均繊維長よりも大きくなる。
【００６４】
【数３】
【００６５】
上記式（４）から次の結果を得ることができる。
【００６６】
ＷMD＞ＷCD （９）
したがって、図１１に示すように、偏向通路３４について主軸４０が抄紙ベルトの流れ方向と平行に移動するように向けることは好ましい。しかし、繊維配向が、典型的には、流れ方向ＭＤに偏っているので、当業者は、図１２に示すように、主軸４０をＭＤに対して２２．５°±２２．５°の傾斜角度を保つように斜めに向けてもよいと理解することができる。
【００６７】
偏向通路の形状は主軸４０と補助軸４２との比として定義する、アスペクト比ＲAの条件について規定する。繊維の最大の偏向を得るために上記式（８）および式（９）からアスペクト比を次のように規定する。
【００６８】
【数４】
【００６９】
しかしながら、繊維が偏向通路３４内にまさに偏る前のウェブ状態においてはＸ−Ｙ面内で抄紙ウェブの特定方向の平均繊維長を測定することは実用的でない。したがって、最大の繊維の偏向をもたらす通路形状に対する好ましいアスペクト比を決定するために繊維長の関数である紙ウェブの固有の物理的特性を考慮する必要がある。
【００７０】
紙ウェブ２７の物理的特性は主として紙ウェブ２７のＸ−Ｙ面内での繊維配向に影響を受ける。たとえば、流れ方向ＭＤに偏った繊維配向を有する紙ウェブ２７においては引張り強さではＣＤよりもＭＤが強く、伸びではＭＤよりもＣＤが大きく、さらに曲げ剛さではＣＤよりもＭＤが大きい。
【００７１】
繊維配向に加えて、紙ウェブの引張り強さはＸ−Ｙ面内で特定の方向に配向された繊維の長さに比例する。したがって、流れ方向ＭＤおよび幅方向ＣＤのウェブ引張り強さはＭＤおよびＣＤの平均繊維長に比例する。
【００７２】
ＴMD、CD（引張り強さ）∝ＬMD、CD （１１）
したがって、式（８）から次の結果を得ることができる。
【００７３】
ＴMD＞ＴCD （１２）
さらに、式（１０）の ＬMD ／ＬCD にＴMD ／ＴCD を代入することによって通路形状を規定する、アスペクト比ＲAを次のように表わすことができる。
【００７４】
【数５】
【００７５】
流れ方向ＭＤおよび幅方向ＣＤの紙ウェブ２７の引張り強さはスイング−アルバート社（Ｔｈｗｉｎｇ−Ａｌｂｅｒｔ Ｃｏ．，ペンシルベニア州、フィラデルフィア）によって製造される、スイング−アルバート インテレクトII標準引張り試験機を用いて測定した。最大の繊維偏向およびＺ方向に一致する厚さの発生をもたらす、好ましい通路形状は１から約２までのアスペクト比を有する。より好ましい通路形状は約１．３から１．７までの範囲のアスペクト比を有する。最も好ましい通路形状は１．４から１．６までの範囲のアスペクト比を有する。
【００７６】
偏向通路３４の形状は通路幅を横切って生じる繊維の架橋を最小化するために重要であるだけでなく、通路壁を備えた周辺部３８に沿って架橋する繊維を最小化するために重要である。繊維を架橋する特別の指定箇所には隙間のない半径または鋭角のコーナを形成する通路壁を備えるようにする。このような目的のために好ましくない通路形状の例は図８ａおよび図８ｂに示されている。
【００７７】
図９および図１０に示すように、本発明にとって好ましい通路形状の一つは、これに限られないが、円形、楕円および６またはそれ以上の面からなる多角形を含む、全体的には、長円形からなる。図９は個別の側壁セグメント４４からなる直線で囲われた周辺部を有する、長円形の偏向通路を示している。このような通路形状の場合、周辺部に沿う繊維の架橋は少なくとも約１２０°の隣接する２つの側壁セグメントのなす夾角３９を与えることによって最小化することができる。
【００７８】
図１０は偏向通路の中心に向けて凹ませた曲線からなる周辺部を有する、長円形の偏向通路を示している。この曲線からなる周辺部は最小半径４８を備える。同様に、周辺部に沿う繊維の架橋は平均通路幅に対する最小半径４８の比が少なくとも０．２９に等しく、０．５０よりも大きくならない形状に制限することで、最小化することができる。
【００７９】
【数６】
【００８０】
図１３に示すように、理想的には、ナックル３６上面の紙ウェブ２７は伸び量が零であり、これに対して、偏向通路３４の上方の紙ウェブ２７は通路内に十分に偏り、次の平均伸び量εを生じる。
【００８１】
【数７】
【００８２】
ここで、ε ：平均伸び量
ＯＢ：Ｚ方向高さ
Ｗ ：通路幅
限界伸び量は抄紙ウェブ２７が破断したときの値に基づいて決定する。伸び量が抄紙ウェブ２７の限界伸び量よりも大きいならば、繊維組織は破断し、ウェブ内にピンホールが発生する。抄紙ウェブ２７の限界伸び量は繊維長さおよび繊維配向のような繊維組織の特性に依存する。面同士の結合は真空ピックアップシューの箇所ではウェブが湿潤状態にあり、面同士の結合が良好に保たれないので、限界伸び量を高めることには殆ど役割を果たせない。
【００８３】
抄紙ウェブ２７が偏向通路３４に偏るときの合計距離はＺ方向高さ６０により左右される。抄紙ウェブの限界伸び量はＯＢ６０に正比例して増減するので、ＯＢ６０は抄紙ウェブ２７の限界伸び量によって制限するという、結論に達する。したがって、式（１５）からＯＢに対する合理的な範囲は次のように表わすことができる。
【００８４】
【数８】
【００８５】
この限界伸び量εcriticalは繊維長、繊維配向および坪量が係わる取り扱いの複雑な関数である。定性的には、この限界伸び量は繊維長および／または坪量が大きくなったとき増加する。本発明の場合、最大のウェブ偏向を得るのに好ましいＺ方向高さは少なくとも約０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）から約０．９９１ｍｍ（０．０３９インチ）までの範囲にわたる。
【００８６】
紙ウェブが偏向通路内で受ける合計偏向量は、また、主に模様を付けた構成物のナックル／通路界面を形成している角度によって決定する。この紙ウェブの偏向角度６２はＺ方向に対するナックル／通路界面地点でのウェブ角度として定義される。図１４に紙ウェブの偏向する様子を示している。ナックル／通路界面で蓄積する繊維５０は繊維が外部の押し付け力に耐えることのできる支持構造を与えるのを可能にする、Ｚ方向成分を備えるように配向される。ナックル／通路界面でＺ方向と平行に配向される繊維は最大の支持を与えることができる。しかしながら、抄紙ウェブ２７は無限には曲がらないので、偏向通路３４の輪郭に完全には従うことができない。そのうえ、製造上の制約のために偏向通路の側壁は傾斜しており、ナックル／通路界面に樹脂角度６４を生じる。さらに、偏向角度６２が樹脂角度６４よりも小さくならないことから、樹脂角度６４はウェブの偏向を制限する。本発明の場合、樹脂角度６４は、好ましくは、５度から１０度の範囲で傾斜させる。このウェブ偏向角度は、典型的には、約２０度から約５０度の範囲である。
【００８７】
多様な工程を通じて紙に外力が作用したとき、ナックル／通路界面にある繊維から支持力に従って反力が生じるので、この領域の繊維数が多くなればなるほど、一段と支持力を高め、厚さを大きくすることができる。この移行域の繊維５０の数はナックル／通路界面の合計周囲長さ３８を最大化することにより最適にすることができる。これは単位面積当たりの偏向通路３４の数を最大化すること、またはナックル３６の割合を最小化することと等価である。理論的には、偏向通路３４は極値まで数を増すことができる。しかしながら、図１１および図１２に示すように、偏向通路３４と分離しているナックル３６は樹脂を第２の要素３２と確実に固着させるための最小幅５２を備えることを求められる。本発明の場合、好ましい最小ナックル幅５２は少なくとも約０．１７８ｍｍ（０．００７インチ）から約０．５０８ｍｍ（０．０２０インチ）までの範囲にわたる。
【００８８】
さらに、単位面積あたりの偏向通路３４の数はこれを効率よく配置し、無駄なく詰めることにより最大化することができる。偏向通路３４の好ましい配置は、図１１および図１２に示すように、六角形状に形成することである。
【００８９】
（２）抄紙
本発明の紙８０は２つの主要な領域を備える。第１の領域は抄紙ベルト１０の構成物３０に当てて圧痕を形成される圧痕形成域８２からなる。この圧痕形成域８２は、好ましくは、本質的に連続する組織からなる。紙８０の第１の領域を構成している連続組織８２は抄紙ベルト１０の本質的に連続する構成物３０上に形成され、そして、紙製造中、所定の位置で、幾何学的には、全体的にそれと一致し、それと極接近して配置される。
【００９０】
紙８０の第２の領域は組織領域８２の全体にわたって分散させた複数個のドーム８４からなる。このドーム８４は、紙製造中、所定の位置で、幾何学的には、抄紙ベルト１０の偏向通路３４と全体的に一致している。ドーム８４内の繊維は、紙製造工程中、構成物３０の紙対向面と強化構造物３２の紙対向面との間で偏向通路３４に従いＺ方向に偏向する。結果として、ドーム８４は紙８０の連続する組織領域８２から外方向に突出する。このドーム８４は、好ましくは、不連続で、連続する組織領域８２によってお互いから分離している。
【００９１】
理論に拘束されることなく、紙８０のドーム８４および本質的に連続する組織領域８２は、一般に、同等の坪量を有すると考える。ドーム８０の密度は偏向通路３４内に偏ることで、本質的に連続する組織領域８２の密度と比べて減少する。さらに、本質的に連続する繊維領域８２（または選択されるような、他の模様）については後工程で、たとえば、ヤンキー乾燥ドラムに当てて圧痕を形成してもよい。このような圧痕形成によりドーム８４の密度と比べて本質的に連続する繊維領域８２の密度をさらに高めることができる。こうして得られる紙８０は後工程において、この技術分野でよく知られるように、エンボス加工する。
【００９２】
本発明に従う紙８０は、その開示が参照によってここに取り入れられる、トロクハンに付与された１９８５年７月１６日発行の米国特許第４，５２９，４８０号明細書、トロクハンに付与された１９８７年１月２０日発行の米国特許第４，６３７，８５９号明細書、スマルコスキーらに付与された１９９４年１１月１５日発行の米国特許第５，３６４，５０４号明細書、トロクハンらに付与された１９９６年６月２５日発行の米国特許第５，５２９，６６４号明細書、ラスクらに付与された１９９７年１０月２１日発行の米国特許第５，６７９，２２２号明細書に従い製造することができる。
【００９３】
Ｘ−Ｙ面内にあるドーム８４の形状は、これに限られないが、円形、楕円形および６ないしそれ以上の面からなる多角形を含む。好ましくは、ドーム８４は曲線または直線のどちらかで囲う周辺部８６を備える、全体的には長円形からなる。曲線で囲う周辺部８６はドームの平均幅に対する最小半径の比が少なくとも約０．２９から約０．５０までの範囲にわたる最小半径を備える。直線で囲う周辺部８６は隣接する２つの側壁セグメントのなす夾角が少なくとも約１２０度になるように側壁セグメントの数を決めて構成する。
【００９４】
大きい厚さを有する紙８０を提供するにはウェブの単位面積あたりのＺ方向の繊維数を最大化する必要がある。繊維がＺ方向に向くとき、その大部分は繊維配向が起こるドーム８４の周辺部８６に沿って配向する。それゆえ、紙ウェブにおけるＺ方向への繊維配向およびＺ方向に一致する厚さは主に単位面積あたりのドームの数により左右される。
【００９５】
図１５に示すように、単位面積あたりのドーム８４の数はドームを効率よく並ばせ、無駄なく配置することで果たす、隣接するドーム間の距離を最小に保つことにより最大化する。本発明の場合、ドーム８４間の好ましい最小距離８８は少なくとも約０．１７８ｍｍ（０．００７インチ）にであり、０．５０８ｍｍ（０．０２０インチ）よりも大きくない。この好ましいドーム８４の配置は六角形状に形成している配置である。
【００９６】
紙８０の単位面積あたりのドーム８４の数は上述した偏向通路の大きさならびに形状により左右される。本発明の場合、ドーム８４の好ましい平均幅は少なくとも約１．０９２ｍｍ（０．０４３インチ）であり、約３．２７７ｍｍ（０．１２９インチ）よりも小さい。ドームにとって好ましい長円形とは１．０から約２．０までの範囲のアスペクト比を有する長円形である。より好ましい長円形は約１．３から１．７までの範囲のアスペクト比を有する。最も好ましい長円形は１．４から１．６までの範囲のアスペクト比を有する。
【００９７】
紙ウェブの厚さは、典型的には、直径５．０８ｃｍ（２インチ）の円形プレッサフートを使用して６．４５１６ｃｍ2（１平方インチ）あたり９５ｇの圧力を掛け、３秒の静止時間を置いた後に測定した。この厚さはスイング−アルバート社（Ｔｈｗｉｎｇ−Ａｌｂｅｒｔ Ｃｏ．，ペンシルベニア州、フィラデルフィア）によって製造される、スイング−アルバート厚み試験機（モデル８９−１００）を用いて測定することができる。この厚さは米国紙パルプ技術協会（ＴＡＰＰＩ）試験方法の指定温度および湿度条件のもとで測定した。
【００９８】
本発明の場合、厚さは2プライからなる紙ウェブについて測定した。2プライ紙ウェブの厚さは、好ましくは、０．５０８ｍｍ（２０ミル）から１．０１６ｍｍ（４０ミル）の間である。より好ましい2プライ紙ウェブの厚さは０．９６５ｍｍ（３８ミル）から１．１６８ｍｍ（４６ミル）の間である。最も好ましい2層抄紙ウェブの厚さは０．６３５ｍｍ（２５ミル）から０．７６２ｍｍ（３０ミル）の間である。
【００９９】
本発明の特定の実施例が図示され、かつ説明されたが、当業者をもってすれば本発明の範囲および意図したところから離れずに多様な変更ならびに変形がなし得ること明らかである。添付の請求の範囲は本発明の範囲内にあるこうした変更ならびに変形のすべてを含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】図１は本発明に係る抄紙ベルトを使用する抄紙機の一実施例を示す図式的側面図である。
【図２】図２は強化構造物と結合され、かつ長円形に形成される偏向通路の紙側面開口を有する樹脂構成物を表わす、本発明に係る抄紙ベルトの一部を示す平面図である。
【図３】図３は図２の３−３線に沿う抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図４】図４は偏向通路に架橋する繊維を表わす、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図５】図５は偏向通路の底部に集まる繊維を表わす、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図６】図６は繊維偏向を示すために偏向通路の開口の上方で片持ちばりの状態にたわむ繊維を表わす、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図７】図７は繊維偏向を示すために偏向通路に架橋した繊維を表わす、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図８ａ】図８ａは繊維の架橋を生じ易い隙間のない半径または鋭角のコーナを有する通路形状を示す平面図である。
【図８ｂ】図８ｂは繊維の架橋を生じ易い隙間のない半径または鋭角のコーナを有する通路形状を示す平面図である。
【図９】図９は直線で囲われる周辺部を有する、長円形通路を示す図式的平面図である。
【図１０】図１０は曲線で囲われる周辺部を有する、長円形通路を示す図式的平面図である。
【図１１】図１１は抄紙ベルトの流れ方向と平行に向ける主軸を備えた六角形状に配置される偏向通路を示す図式的平面図である。
【図１２】図１２は抄紙ベルトの流れ方向に対して斜めに向ける主軸を備えた六角形状に配置される偏向通路を示す図式的平面図である。
【図１３】図１３は繊維の偏向通路への偏向を表わすと共に、通路幅、通路のＺ方向高さおよびウェブの伸び量についての関係を示す、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図１４】図１４は繊維の偏向通路への偏向を表わすと共に、ウェブ偏向角度およびナックル／通路開口界面を形成している角度の間の関係を示す、図３に示す抄紙ベルトの一部を示す縦断面図である。
【図１５】図１５は六角形状に配置されるドームを有する、抄紙ウェブを示す図式的平面図である。
【図１６】図１６は図１５の１６−１６線に沿う、抄紙ウェブの一部を示す縦断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均繊維長Ｌをもつ抄紙繊維を有するウェブを搬送する紙ウェブ接触面と前記紙ウェブ接触面に反対側の抄紙機接触面とを有する抄紙ベルトであって、前記抄紙ベルトが、
連続する組織領域と不連続な複数個の偏向通路とからなる模様を付けた構成物を有する強化構造物を備え、前記偏向通路が、前記連続する組織領域によって互いに隔離されており、前記偏向通路が、全体的に長円形を形成している側壁セグメントからなる、直線で囲われた周辺部を有し、Ｌ＜Ｗ＜３Ｌの関係にある平均幅Ｗと、少なくとも１．０から２．０までの範囲にわたるアスペクト比と、少なくとも１２０度の隣接する側壁セグメントのなす夾角とを備えてなる抄紙ベルト。
【請求項１】
平均繊維長Ｌをもつ抄紙繊維を有するウェブを搬送する紙ウェブ接触面と前記紙ウェブ接触面に反対側の抄紙機接触面とを有する抄紙ベルトであって、前記抄紙ベルトが、
連続する組織領域と不連続な複数個の偏向通路とからなる模様を付けた構成物を有する強化構造物を備え、前記偏向通路が、前記連続する組織領域によって互いに隔離されており、前記偏向通路が、全体的に長円形を形成している側壁セグメントからなる、直線で囲われた周辺部を有し、Ｌ＜Ｗ＜３Ｌの関係にある平均幅Ｗと、少なくとも１．０から２．０までの範囲にわたるアスペクト比と、少なくとも１２０度の隣接する側壁セグメントのなす夾角とを備えてなる抄紙ベルト。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−７２２４（Ｐ２０１０−７２２４Ａ）
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９６３３４（Ｐ２００９−１９６３３４）
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【分割の表示】特願２０００−５７２４５２（Ｐ２０００−５７２４５２）の分割
【原出願日】平成１１年９月２１日（１９９９．９．２１）
【出願人】（５９０００５０５８）ザ プロクター アンド ギャンブル カンパニー (2,280)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【分割の表示】特願２０００−５７２４５２（Ｐ２０００−５７２４５２）の分割
【原出願日】平成１１年９月２１日（１９９９．９．２１）
【出願人】（５９０００５０５８）ザ プロクター アンド ギャンブル カンパニー (2,280)
【Ｆターム（参考）】
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