CN1087395A - 具有内含径向定向纤维的分离区域的纤维素纤维结构，它的制造装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种纤维素纤维结构，其中含有单位面积重量彼 此不同的两个区域。第一个区域是基本上连续的高 单位面积重量网状结构。第二个区域由多个分离的 低单位面积重量区域构成。构成多个第二区的纤维 素纤维在各区内一般呈径向定向。纤维素纤维结构 可以由成型带形成，带中含有以特定流动阻力比排列 的具有不同流动阻力的区域，保证了液态载体经过带 中的不同区域以径向流动的形式选择性排液。

Description

本发明涉及纤维素纤维结构，该结构中含有许多在单位面积重量方面有差别的区域。更具体地说，本发明涉及纤维素纤维结构，该结构具有基本上连续的高单位面积重量区和内含径向定向纤维的分离的低单位面积重量区。这种纤维素纤维结构适合用于消费产品。

纤维素纤维结构，例如纸，是本领域众所周知的。这种纤维结构当前常用于纸巾、卫生纸、面巾等中。

为了满足消费者的需要，这些纤维素纤维结构必须平衡几个相互对抗的利害关系。例如，纤维素纤维结构必须有足够的抗拉强度以防止纤维素结构在平常使用时或者当施加相当小的拉力时发生撕裂或粉碎。这种纤维素纤维结构还必须是吸收剂，以便液体能被迅速吸收，并且完全被纤维素纤维结构保留。这种纤维素纤维结构还应具有充分的柔性，以便液体能被迅速吸收，并且完全被纤维素纤维结构保留。这种纤维素纤维结构还应当具有充分的柔性，以便使其触感舒适，使用时不会手感粗糙。纤维素纤维结构应该显示出高度的不透明性，以便使用者不会觉得很薄或者质量低下。以这些相互对抗的利害关系为背景，纤维素纤维结构必须是经济的，以便能够获地制造和销售，而消费者又仍能担负得起。

上述性质之一的抗拉强度是纤维素纤维结构在使用期间保持其物理整体性的能力。抗拉强度由在拉力作用下纤维素纤维结构内的最弱环节控制。纤维素纤维结构显示出的抗拉强度将不大于在拉力负荷作用下的纤维素纤维结构中任何区域的抗拉强度，因为纤维素纤维结构将会从这些最弱的区域断裂或撕破。

纤维素纤维结构的抗拉强度可以通过增加纤维素纤维结构的单位面积重量来提高。但是，增加单位面积重量要求在制造时使用更多的纤维素的纤维，造成消费者花费更大，并且要使用更多的自然资源作为原料。

吸收性是纤维素纤维结构吸引和保留所接触流体的性质。纤维素纤维结构保留的流体的绝对数量和吸收所接触流体的速度必须根据所要求的纤维素纤维结构的最终用途加以考虑。吸收性受纤维素纤维结构的影响。如果纤维素纤维结构太致密，纤维之间的间隙可能太小，而且吸收速度可能对于预定的用途不够大。如果间隙太大，由于表面张力限制，接触流体的毛细吸引减小，纤维素纤维将保留不住流体。

柔软性是纤维素纤维结构给与使用者皮肤一种特别理想的触感的能力。柔软性受体积模量（纤维揉曲性、纤维形态、粘合密度和无载体的纤维长度）、表面结构（起绉频度、各种区域的大小和光滑度）以及摩擦的粘滑表面系数的影响。柔软性与纤维素纤维结构抵抗在与纤维素纤维结构平面相垂的方向上变形的能力成反比。

不透明性是纤维素纤维结构防止或减少光从其中透过的性质。不透明性与纤维素纤维结构的单位面积重量、纤维素结构的纤维分布的密度及均匀性直接有关。单位面积重量较大或纤维分布较均匀的纤维素结构，在指定的密度下不透明性也较高。增加密度将使不透明性提高到某种程度，在此之后进一步致密化会减小不透明性。

兼顾上述各种性质的一个折衷办法是提供一种纤维素纤维结构，它是具有特定单位面积重量的基本上连续的网状结构之中有相互分离的零单位面积重量的小孔。这些分离的小孔代表了单位面积重量比基本上连续的网状结构低的区域，提供了垂直于纤维素纤维结构平面的弯曲性能，并且因此提高了纤维素纤维结构的揉曲性。这些小孔被连续的网状结构围绕，连续的网状结构具有所要求的单位面积重量并且控制着纤维素纤维结构的抗拉强度。

这类带孔的纤维素纤维结构是先有技术中已知的。例如，1962年5月15日授予Greiner等的美国专利3，034，180公开了具有双向交错的小孔和排成直线的小孔的纤维素纤维结构。另外，在先有技术中还公开了有各种形状小孔的纤维素纤维结构。例如，Greiner等公开了方形孔、菱形孔、圆形孔和十字形孔。

但是，带孔的纤维素纤维结构有几个缺点。小孔表示在纤维素纤维结构中透明，可能会使消费者感到结构的质量或强度不理想。由于上述的，薄纸和纸巾产品通常遇到的流体的有限的表面张力，这些小孔一般大得不能吸收和保留任何流体。另外，小孔周围的网状结构的单位面积重量必须增加以得到足够的抗拉强度。

除了零织物单位重量的带孔变性体以外，还曾试图提供一种纤维素纤维结构，它在基本上连续的网状结构之中含有相互分离的非零的低单位面积重量区域。例如，1985年4月30日授予Johnson等的美国专利4，514，345公开了一种纤维素纤维结构，其中含有分离的非零低单位面积重量六角形区域。在1979年3月13日授予Boulton的美国专利4，144，370中公开了在织物中采用的类似形状的图案。

在这些参考文献中公开的无孔的纤维素纤维结构在分离的低单位面积重量区中具有不透明性略有增加和存在一些吸收性等优点，但是没有解决分离的非零低单位面积重量区承受很小的抗拉负荷的问题，从而限制了纤维素纤维结构的整体破裂强度。另外，Johnson等和Boulton都没有提到在分离的低单位面积重量区具有相当高不透明性的纤维素纤维结构。

多单位面积重量的纤维素纤维结构通常是通过将其中夹带着纤维素纤维的液态载体沉积在一个装置上来制备，装置上有一种能阻留纤维、但透过液体的成形元件。该成形元件一般可以是平面，通常是一种环状带。

上述的参考文献和其它做法，例如1967年5月30日授予Osborne的美国专利3，322，617、1962年3月20日授予Griswold的美国专利3，025，585和1964年12月1日授予Heller等的美国专利3，159，530，都公开了适合制造具有分离的低单位面积重量区的纤维素纤维结构的装置。根据这些作法，分离的低单位面积重量区是由连接到用来制造纤维素纤维结构的成型元件上的直立突出物的图案形成的。但是，在上述各个参考文献中，直立的突出物是以规则的重复图案排列的。图案中可以包含与相邻突出物彼此交错或排成直线的突出物。各个突出物（交错的或是排成直线的）一般与相邻的突出物保持等距离。实际上，Heller等用一个编织的长网造纸机的长网作为突出物。

等距排列突出物代表了先有技术的另一缺点。这样排列的装置在用来制造纤维素纤维结构的成形元件整个的可透液体部分形成了基本上均匀和相等的流动阻力（以及因此均匀的排液和纤维素纤维的沉积）。在可透液体区域沉积上了基本上等量的纤维素纤维，因为在相邻的突起物之间的空间里对液态载体排液的流动阻力相等。因此，纤维可以相对均匀地和始终如一地沉积在装置的各个区域里（虽然不一定是无规的或均匀地排列），并且所形成的纤维素纤维结构将含有分布和排列相似的纤维。

先有技术中各突出物与相邻突出物不保持等距的一种做法公开于1905年6月25日授予Motz的美国专利795，719。但是，Mortz公开的突出物是以一般为无规图案的方式分布的，这就不能以有意识地影响上述性质中的任何一种或使其大多数最佳化的方式有利地分布纤维素纤维。

因此，本发明的目的之一是克服先有技术的问题，特别是克服由以下相互对抗的利害关系造成的问题，即，要维持高抗拉强度、高吸收性、高柔软性和高度不透明性，而又不过分牺牲任何其它性能或是需要不经济或不适当地使用自然资源。具体地说，本发明的目的之一是提供制造纤维素纤维结构（例如纸）的方法和装置，在该装置中存在对纤维的液态载体的流动有较高阻力和较低阻力的区域，使这些流动阻力彼此间协调，从而将纤维有利地径向排列在低单位位面积重量区。

利用在装置中存在较高和较低流动阻力区，可以实现对纤维素纤维的沉积取向及图案的更好的控制，并且得到迄今为止在本领域尚属未知的纤维素纤维结构。一般来说，这种可透液体但保留纤维的成形元件中特定区域的流动阻力与最终形成的纤维素纤维结构在相应区域的单位面积重量成反比。因此，流动阻力较低的区域将产生纤维素纤维结构中高单位面积重量的相应区域，反之亦然，当然，条件是纤维被阻留在成形元件上。

更具体地说，流动阻力较低的区域应当是连续的，以便形成一个连续的高单位面积重量的纤维网状结构，而且不损害抗拉强度。流动阻力较高的区域（它产生纤维素纤维结构中单位面积的重量较低的区域并且使纤维定向）最好是分离的，但也可以是连续的。

另外，应当考虑突出物相对于纤维长度的大小和间距。如果突出物间隔太近，则纤维素纤维可能将突出物桥连而不沉积在成形元件的表面上。

根据本发明，成形元件是一种成形带，带中有许多流动阻力彼此不同的区域。液相载体根据成形带中各区域的流动阻力穿过该区排液。例如，如果是不透区（如成形带中的突出物或堵塞处），则没有液态载体能透过这些区域排出，因此在这些区域中很少或者没有纤维沉积。

因此，高流动阻力区与低流动阻力区之间的流动阻力之比对于决定夹带在液态载体中的纤维素纤维的沉积图案将是关键的。一般来说，在成形带中的流动阻力较小的区域内将沉积上更多的纤维，因为有较多的液态载体可以流过这些区域。但是，应该考虑到，成形带上特定区域的流动阻力并不恒定，它会随时间而变。

适当地选择流动阻力高的分离区和流动阻力低的连续区之间的流动阻力之比，可以构成其中的纤维素纤维具有特定优选取向的纤维素纤维结构。具体地说，在分离区域可以以大体上径向排列的型式沉积上纤维素纤维，其单位面积重量与基本上连续的区域相比相对较低。含有径向定向纤维素纤维的分离区，其优点是对于给定的不透明性它的吸收性优于纤维素纤维无规排列或非径向排列的分离区。

为了克服这些问题，已经制成了具有基本上连续的高单位面积重量区和分离的低和中等单位面积重量区的纤维素纤维结构，特别是其中的低单位面积重量区与高单位面积重量区相邻，并且包围住中等单位面积重量区。这类结构的一个实例可以根据1991年6月28日Trokhan等提交的共同转让的美国专利申请07/722，792号中所述制得，此类结构不构成本发明的一部分。

但是，具有分离的中等和低单位面积重量区的多区纤维素纤维结构有某些缺点。特别是，中等单位面积重量区内的纤维对于纤维素纤维结构的承受负荷的能力没有贡献。相反，这些纤维束集在一起形成一个眼状斑点，它虽然对不透明性的有好处，但是没有覆盖住分离的低单位面积重量区，因此不分担所施加的拉力负荷。

本发明包括一种单层纤维素纤维结构，它有至少两个以有规的重复图案分布的区域。第一个区域是单位面积重量较高的区域，由基本上连续的网状结构构成。第二个区域包括许多单位面积重量较低的相互分离的区域，它们被高单位面积重量的第一区包围。这些低单位面积重量区由许多基本上径向定向的纤维组成。

另一方面，本发明包括一种制造单层纤维素纤维结构的方法，该结构中含有两种以有规的重复图案排列的区域。上述方法的步骤包括提供悬浮在液态载体中的大量纤维素纤维，具有液体可透区的阻留纤维的成形元件和向成形元件上沉积纤维素纤维的方法。将纤维素纤维沉积在成形元件上，液压载体以两种同时存在的状态流出：高流速状态和低流速状态。高流速和低流速状态有彼此不同的初始质量流速，借此纤维在低流速区以朝向质心基本上径向定向的形式沉积，从而形成许多的分离的区域，它的单位面积质量与高流速状态形成的区域相比相对较低，在这些分离的低单位面积重量区内含有径向排列的纤维。

一些纤维在定向上同时受两个流动区的影响。这就造成了不可透部分的径向定向桥连，低流速区域提供了这种定向影响，但在该区域上没有过多的纤维累积。

本发明的又一方面包括一种用来形成纤维素纤维结构的装置，所述的纤维素纤维结构有至少两种以有规的重复图案排列的彼此不同的单位面积重量。该装置包括一个可透液体但阻留纤维的成形元件，元件中有夹带纤维的液体可以从中排走的区域，还包括一种设备，用来将纤维素纤维阻留在成形元件上，以有规的重复图案形成单位面积重量彼此不同的两类区域。这两类区域包括基本上是连续的网状结构的高单位面积重量第一区和许多分离的其中有基本上径向定向纤维的低单位面积重量第二区。

阻留设备可以包括一个可透液体的增加结构和连接于其上的以一定图案排列的突出物。这些以一定图案排列的突出物可以有一个可透液体的小孔贯穿在其中，而且/或者可以是径向切断的。

虽然以权利要求结尾的本说明书具体指出和明确提出了本发明的要求，但是，相信以下的说明书结合附图将会更好地理解本发明，在附图中同样的部件用同样的标记数字，类似的部件用一个或几个“，”号标出：

图1是根据本发明的纤维素纤维结构的顶面显微照片，该结构具有内含径向定向纤维素纤维的分离区域;

图2A₁-2D₃是纤维素纤维结构的顶面显微照片，在其中的低和高单位面积重量区的单位面积重量之间有一定范围的差别，在各个按字母排列的一系列图之中，当依次检验时，各系列显示出朝向两类单位面积重量结构发展的渐增趋势，而在每个按字母顺序标记的系列里依照下标数字的次序检验时，径向取向程度渐增;

图3A₁-3D₃是纤维素纤维结构的顶面显微照片，该结构的低单位面积重量区内存在一定程度的径向取向度，在各个按字母顺序标记的一系列图之内，径向度随各系列依次增加，而在各个按字母标记的系列图内检验带下标的图时，显示出朝向两类单位面积重量结构发展的趋势依次增加;

图4是可以用来制造本发明纤维素纤维结构的一种装置的侧面垂直剖面示意图。

图5是取自图4中直线5-5的一个成形元件的局部侧面垂直剖面图，该元件有穿过突出物的小孔;

图6是图5的成形元件的局部顶面图;

图7A和图7B是成形元件的另一实施方案的顶面示意图，该成形元件可以用来制造根据本发明的纤维素纤维结构并且有径向切断的突出物。

产品

如图1所示，根据本发明的纤维素纤维结构20有两个区域：高单位面积重量的第一区24和低单位面积重量的第二区26。区24和26均由近似为线型单元的纤维素纤维组成。低单位面积重量区26中的纤维素纤维以基本上径向的型式排列。

纤维是构成纤维素纤维结构20的组分，有一个尺寸（沿纤维的轴向）比其它两个相对很小的尺寸（相互垂直，均为径向，并且和纤维的长轴垂直）大得多，于是近似为直线。虽然用显微镜检验纤维可以看到比纤维的主尺度小的其它两个尺寸，但是这两个小尺寸不需要基本上相等，也不需要在整个纤维轴长上恒定。重要的只是纤维能绕其轴弯曲，能够与其它纤维粘合，并且能分布在液态载体中。

构成纤维素纤维结构20的纤维可以是合成的，例如聚烯烃或聚酯;最好是纤维素性的，例如棉籽绒、人造纤维成甘庶渣纤维;更为理想的是木浆，例如软木（裸子植物或针叶类植物）或硬木（被子植物或阔叶植物）。正如在本文中所使用的，如果纤维素结构中含有至少约50%重量或者至少约50%体积的纤维素纤维（包括但不限于上面列出的那些纤维），则该纤维素纤维结构被认为是“纤维素性”的。一种木浆纤维的纤维素性混合物含有长约2.5至4.5毫米、直径约25至50微米的软木纤维和长度不到约1毫米、直径约12至25微米的硬木纤维，已发现它对形成这里提到的纤维素纤维结构20效果良好。

如果选择木浆纤维用于纤维素纤维结构20，该纤维可以用任何成浆方法制造，包括化学方法，例如亚硫酸盐、硫酸盐或碱法;以及机械方法，例如石磨木浆法。或者是，可以将化学与机械方法相结合制取或者使纤维再循环使用。所用纤维的类型、组合及制取方法对于本发明并非关键。

根据本发明的纤维素纤维结构20是宏观上二维和平面的，虽然不一定是平的。纤维素纤维结构20可以在第三维上有一定厚度。但是，与头两个的实际尺度相比，或者同制造在头两个尺度上有相当大尺寸的纤维素纤维结构20的能力相比，第三个尺度是很小的。

根据本发明的纤维素纤维结构20包含着单独一层。但是，应该了解，可以将其中的一个或者二个都是根据本发明制得的两个单层以面对面的形式连接，形成单一的层压件。根据本发明的纤维素纤维结构20，如果它以具有一定厚度的单片的形式在干燥前脱离成形元件（下面讨论），则被认为是“单层”，该厚度不会变化，除非向薄片中加入或从中去掉纤维。纤维素纤维结构20随后可以根据需要压花或者不压花。

根据本发明的纤维纤维结构20可以用将各区域彼此区分开的强度性质确定。例如，纤维素纤维结构20的单位面积重量是一种将各区域彼此区分开的强度性质。正如这里所使用的，如果某种性质的数值与在纤维素纤维结构20的平面内数值的集合无关，则被认为是“强度”性质。二维强度性质的实例包括纤维素纤维结构20的密度、毛细管的投影大小、单位面积重量、温度、压缩模量、抗拉模量、纤维定向等。正如这里所使用的，与维素纤维结构20的子系统或组分的各种数值和集合有关的性质，被认为是三维的“广度”性质。广度性质的实例包括纤维素纤维结构20的重量、质量、体积和摩尔数。对于本文所述并提出要求的纤维素纤维结构20，最重要的强度性质是单位面积重量。

根据本发明的纤维素纤维结构20至少有两种不同的单位面积重量，由此区分称作纤维素纤维结构20的“区域”的两种可区别的部位。这里所说的“单位面积重量”是在纤维素纤结构20的平面内单位面积纤维素纤维结构的以克力量度的重量。单位面积重量由单位面积测得，它的形状与大小取决于具有不同单位面积重量的区域24和26的相对与绝对形状和大小。

本领域技术人员会认识到，在给定的区域24和26之内，在认为这些区域24和26有某个单位面积重量时，可以存在正常的和预期的单位面积重量的涨落和变化。例如，如果在微观水平上测定纤维之间的间隙的单位面积重量，则会得到表观单位面积重量为零，事实上，除非测量的是纤维素纤维结构中的小孔，这些24或26区域的单位面积重量均大于零。这种涨落和变化是制造方法的正常的和预期的结果。

在相邻的具有不同单位面积重量的区24或26之间不一定有准确的边界或者有完全清晰的分界线。重要的只是纤维素纤维结构20的不同位置处每单位面积的纤维分布不同，而且这种不同的分布以有规的重复图案的形式发生。这种有规的重复的图案与液体可透但阻留纤维的成形元件外形中的有规的重复图案相对应，该成形元件被用来制造纤维素纤结构20。

虽然从不透明性的角度看可能希望整个纤维素纤维结构20有均一的单位面积重量，但是均一单位面积重量的纤维素纤维结构20不能使纤维素纤维结构20的其它性质最优化。根据本发明的纤维素纤维结构20在不同区域24或26具有不同的单位面积重量，从而在各区域24和26内提供了不同的性质。

例如，高单位面积重量区24提供了承受拉力负荷的能力，理想的吸收速度，并且使纤维素结构20具有不透明性。低单位面积重量区26则在高单位面积区24变得饱和时贮存所吸收的液蹋，而且节约纤维。

最好是，这种有规的重图案镶嵌成花纹，以便使相邻区24和26相配合地和有利地排列。作为“有规的”，这些从强度上定义的区域24和26被认为是可预知的，并且可以是在制造过程中所用装置的已知和预定特性的结果。这里所用的“重复的”一词意味着图案在纤维素纤维结构20中形成一次以上。

当然，应当承认，如果纤维素纤维结构20在制造时很大，而区域24和26与制造期间纤维素纤维结构20的尺寸相比很小，即，相差几个数量级，则区域24和26之间的准确分布和图案的绝对可预测性可能很困难，甚至是不可能的，但图案仍被认为是有规的。但是，重要的只是这些从强度上定义的区域24和26基本上按着所要求的形式分布，以便产生能使纤维素纤结构20适合其预定用途的性能。

纤维素纤维结构20的强度上有区别的区域24和26可以是“分离的”，结果是邻近的具有相同单位面积重量的区域24或26不接触。或者是，区域24或26可以是连续的。

对于本领域的技术人员显而易见的是，可以存在小的过渡区，它的单位面积重量处在邻近的区24或26的单位面积重量之间，这些过渡区本身在面积方面可能没有大得足以被认为包含着与相邻的区24或26的单位面积重量有明确区别的单位面积重量。这些过滤区是在制造根据本发明的纤维素纤维结构20时已知的和内在的正常制造偏差之内。

纤维素纤维结构20的尺寸和图案可以以每平方厘米约3到78个分离区26（每平方英寸20到500个分离区）变化，最好是每平方厘米约16个到约47个分离区26（每平方英寸100至300个分离区26）。

对于本领域技术人员显而易见的是，当图案变得细密时（每平方厘米有较多的分离区24或26），可以使用较大百分含量的尺寸较小的硬木纤维，而尺寸较大的软木纤维的百分含量可以相应地减少。如果使用的较大尺寸的纤维太多，这些纤维可能不能适合以下说明的制造纤维素纤维20的装置的形貌。如果纤维不是恰当地适合，这些纤维可能将装置的不同地形区域桥连，结果造成无图案的纤维素纤维结构20。已经发现，含约100%硬木纤维（特别是巴西桉树纤维）的一种纤维素纤维结构对于每平方厘米有约31个分离区26（每平方英寸200个分离区26）的纤维素纤维结构20很合适。

如果用图1所示的纤维素纤维结构20作为消费产品，例如纸巾或薄纸，纤维素纤维20的高单位面积重量区24最好在纤维素纤维结构20的平面内沿两个正交的方向基本上连续。这些正交方向不一定要与完工后产品的边缘平行和垂直，或者与产品的制造方向平行和垂直，而只是把抗拉强度沿两个正交方向赋予纤维素纤维结构，以便使施加的任何拉力负荷都更容易适应，而不会于拉力负荷使产品过早地断裂。上述的连续方向最好与本发明最终产品所预期的拉力负荷方向平行。

高单位面积重量区24对于这里所述的实施方案基本上是连续的，形成基本上连续的网状结构，并且大体上扩展到整个纤维素纤维结构20。相反，低单位面积重量区26彼此分离和隔绝，被高单位面积重量区24分开。

基本上连续的网状结构的一个实例是图1的纤维素纤维结构20的高单位面积重量区24。在1987年1月20日授予Trokhan的共同转让的美国专利4，637，859中公开了具有基本上连续的网状结构的纤维素纤维结构的其它实例，本文中引用作为参考，以说明具有基本上连续的网状结构的另一种纤维素纤维结构。在基本上连续的网状结构之中可以允许有间断，虽然最好不这样，只要这些间断对于该部分纤维素纤维结构20的材料性质没有重大的不利影响。

相反，低单位面积重量区26可以是分离的并且分散在整个高单位面积重量的基本上连续的网状结构24之中。低单位面积重量区26可以认为是被周围的基本上连续的网状结构高单位面积重量区24所围绕的小岛。这些分离的低单位面积重量区26也形成一种有规的重复的图案。

分离的低单位面积重量区26可以沿上述两个正交方向中的一个或两个交错排列或直线排列。最好是，高单位面积重量的基本上连续的网状结构24形成一种围绕分离的低单位面积重量区26的带图案的网状结构，不过正如上面所指出的，可以存在小的过渡区。

高和低单位面积重量区24和26的单位面积重量（在同一纤维素纤维结构20中）之间有至少25%的差别被认为是对于本发明有意义的。如果需定量测量各个区域24和26的单位面积重量，以及因此需要定量测量这些区24和26之间的织物单位重量差别，可以采用诸如1991年6月28日提交的共同转让地美国专利申请07/724，551（Phan等）中公开的软性X射线图象分析等定量方法，该专利申请作为参考文献并入本文，以展示定量测定纤维素纤维结构的20的区24及26的单位面积重量的合适方法。

给定的低或中等单位面积重量区26或25的面积可以通过将这些区26或25的照片与恒定厚度、恒定密度的透明片重叠来定量测定。区域26或25的边界用与照片不同的颜色描出。沿着描迹尽可能准确地切下外缘，然后称重。将此重量与单位面积或其它已知面积的相似薄片的重量相比。薄片的重量之比正比于两个面积之比。

如果需要知道两个区域的相对表面积，例如在低单位面积重量区26之内的中等单位面积重量区25的表面积百分数，可以称量低单位面积重量区26的薄片的重量。然后从薄片上切下描出的中等单位面积重量区25的边界，将此薄片称重。由这些重量比得到面积比。

两区域24和26之间的单位面积重量差别可以用图系列2A至2D分别表示的渐增差别的标度定性和半定量地确定。

图2A₁-2A₃表示低单位面积重量区26是带孔的（如图2A₁所示），或是其中形成了很明显的中等单位面积重量区25（如图2A₂-2A₃所示）。当依次研究图2A₁-2A₃时，其径向度渐增。

图2B₁表示一个仍然有中等单位面积重量区25的纤维素纤维结构20，该中等单位在积重量区25不如图2A₂-2A₃明显。

图2C₁表示仅仅存在初始形成的中等单位面积重量区25。此中等单位面积重量区几乎看不出来，可以认为它或是不存在，或是在单位面积重量方面与低单位面积重量区26如此接近（小于25%），以致于就本发明而言它不存在。

图2D₁-2D₃表示没有中等单位面积重量区25的纤维素纤维结构20。虽然纤维可以从象图2D₁所示的非常无规地定向到图2D₃所示的充分径向地定向，但是在低单位面积重量区26内不存在中等单位面积重量区25、小孔或者明显的单位面积重量不均匀性。

就本发明而言，一般来说，如果存在的任何中等单位面积重量区25小于包括中等单位面积重量区25在内的全部低单位面积重量区表面积的约5%，或者中等单位面积重量区25的单位面积重量与低单位面积重量区26之差在低单位面积重量区单位面积重量的25%以内，则认为纤维素纤维结构20只有区24和26两个区域。

例如，图2C₁中的中等单位面积重量区25约占低单位面积区26总面积的4%左右。对于这里所说明并提出要求的本发明而言，图2C₁-2D₃中所示的纤维素纤维结构20被认为具有所声称的高及低单位面积重量区24和26，符合权利要求中的两区域的标准。

两区域24和26的纤维可以方便地沿不同的方向排列。例如，构成基本上连续的高单位面积重量区24的纤维可以沿一般为单一方向排列，与相邻突出物59之间环形空间65的基本上连续的网状结构及制造过程机械方向的影响相对应，如图1所示。

这种排列使纤维一般都彼此平行并且有相对较高的粘合度。这种较高的粘合度在高单位面积重量区24内产生了相对较高的抗拉强度。高单位面积重量区内的这种高抗拉强度一般是有利的，因为高单位面积重量区24承受和传送着施加在整个纤维素纤维结构20上的拉力负荷。

低单位面积重量区26含有基本上径向定向并由各低单位面积重量区26的中心向外辐射的纤维。就本发明而言，纤维是否被认为是“基本上径向定向”，由分别示于图系3A至3D的径向度渐增的标度确定。

图3A₁至3A₃图示说明了其中含有的低单位面积重量区26不含大量基本上径向定向纤维的纤维素纤维结构20。具体地说，图3A₁图示说明了一种纤维素纤维结构20，它只有一股径向定向的纤维，因此径向对称性差。图3A₂-3A₃显示出具有一般是无规分布纤维的低单位面积重量区26。当依次研究图3A₁-3A₃时，观察到朝向两种单位面积重量纤维素纤维结构20发展的倾向。

图3B₁图示说明了一种纤维素纤维结构20，它具有稍多的径向纤维分布，但这些纤维的径向对称性仍然很差。

图3C₁-3C₂显示出具有低单位面积重量区26的纤维素纤维结构20，在低单位面积量区26内含有基本上径向定向的纤维。这些径向定向的纤维在所有四个象限里相当均等分布，提高了径向对称性，非径向定向的纤维只占很小的百分数。

参看图3D₁-3D₃，这些图展示了在低单位面积重量区内具有高度径向定向纤维分布的纤维素纤维结构20。虽然在依次研究图3D₁-3D₃时观察到朝向两种单位面积重量纤维素纤维结构发展的渐增倾向，但是图3D₁-3D₃展示的各个纤维素纤维结构20中都只有很少百分含量的非径向定向纤维。图3D₁-3D₃也显示了低单位面积重量区26内的良好的径向对称性。

对于本发明来说，纤维素纤维结构20一般要具有至少象图3C₁-3C₂所示一样大的径向度、最好是至少象图3D₁-3D₃所示的一样大的径向度，才被认为“基本上径向定向的”和符合权利要求中的径向度标准。图1、2C₁、2D₃、3C₁、3C₂、3D₂和3D₃展示的具有低单位面积重量区26的纤维素纤维结构20符合上述的两项标准，因此属于要求权利的本发明之内（而且是图示说明的属于权利要求范围内的仅有的图）。

当然，并非在特定的纤维素纤维结构20内的所有的低单位面积重量区26都符合上述的关于径向度和低单位面积重量这两项标准（或者必要地任何一个）。由于制造过程中预期的正常变化，纤维素纤维结构20中的某些低单位面积重量区26可能象上面提到的那样，被认为没有两个区域，或者象上面提到的那样，没有大量基本上径向定向的纤维，但是其它的（甚至相邻的）低单位面积重量区26仍然可能符合上述两项标准。对于本发明来说，纤维素纤维结构20应当有至少10%，最好是至少20%的低单位面积重量区20是在上面规定的两项标准之内。

因为要研究在给定的纤维素纤维结构内的每个低单位面积重量区26是不实际的，所以可以用以下方确定符合此标准的低单位面积重量区26的百分数。

将纤维素纤维结构20一分为三，得到最好是沿机械方向（如果知道）取向的三等份。在每一份中安排一个直角坐标系统，其单位与机械方向上和垂直机械方向上的低单位面积重量区26的间距相对应。利用任何一个随机数字发生器，对于每个外侧的三等份选择33组坐标点，共产生100个坐标点。每个坐标点对应着一个低单位面积重量区26。如果某个坐标点与低单位面积26不重合，而是与高单位面积重量区24重合，则选择最靠近该坐标点的低单位面积重量区。

象上面提到的那样分析这样指定的100个低单位面积重量区26，如果需要的话，利用放大和显微照相。符合两项标准的低单位面积重量区的百分含量决定了这一特定的纤维素纤维结构20的百分含量。

当然，如果某个特定的纤维素纤维结构20没有100个低单位面积重量区26，或者希望对几个个别的纤维素纤维结构20作代表性取样，上述的100个点可以分布在这几个纤维素纤维结构20之中，将其集合起来确定该次取样的百分含量。

当然，个别的纤维素纤维结构20应当随机选择，以加大实现真正有代表性取样的机会。个别的纤维素纤维结构20可以通过对一包或一卷里的每个纤维素纤维结构20都指定一个顺序的号码来进行随机选择。使用另一个随机数字发生器随机地选择编号的纤维素纤维结构20，于是可以得到1到10个纤维素纤维结构20供分析用。100个直角坐标点尽可能均匀地分散在这1-10个个别的纤维素纤维结构20之间。然后按照上述分析与这些直角坐标点相对应的低织物单位重量区26。

装置

用来制造本发明纤维素纤维结构20的装置的很多部件都是造纸领域中熟知的。如图4所示，此装置可以包括一个装置44，用来将液态载体和其中夹带的纤维素纤维沉积在可透液体但是阻留纤维的成形元件42上。

可透液体但是阻留纤维的成形元件42可以是成形带42，它是此装置的核心，代表着装置中与先有技术不同的一个部件，用来制造本文所述并提出权利要求的纤维素纤维结构20。具体地说，可透液体但阻留纤维的成形元件有形成低单位面积重量区26的突出物59和形成纤维素纤维结构20中高单位面积重量区24的中间的环形空间65。

该装置还可以包括第二条带46，在大部分液态载体已经排走和纤维素纤维已被阻留在或形带42上之后，将纤维素纤维结构20转移到带46上。第二条带46还可以含有接头或凸点的图案，它与纤维素纤维结构20的区24及26不重合。成形带42和第二条带46分别沿箭头A和B所示的方向移动。

在液态载体和所夹带的纤维素纤维沉积在成形带42上之后，将纤维素纤维结构20用已知的干燥设备50a和50b中的一个或两上干燥，例如吹风式干燥机50a和/或扬克式干燥筒50b。另外，装置中可以包括一个设备，例如刮刀68，用来截短纤维素纤维结构20或使其起绉。

如果选择成形带42作为制造纤维素纤维结构20所用装置的成形元件42，则成形带42有两个彼此相对的表面，第一表面53和第二表面55，如图5所示。第一表面53是成形带42与要形成的纤维素结构20的纤维相接触的表面。第一表面53在工艺上被称作成形带42的接触纸面。第一表面53有两类形态上不同的区域53a和53b。53a和53b的不同在于从成型带42的相对的第二面55算起的垂直变化数量不同。这种垂直变化是处在Z方向。这里所说的“Z方向”是指离开并且一般是垂直于成形带42的XY平面的方向，这时把成形带42看作是一个平面的二维结构。

成形带42应当能承受纤维素二维结构进行加工和制造时的所有的已知应力和操作条件。一种特别优选的成形元件42可以根据1985年4月30日授予Johnson等的共同转让的美国专利4，514，345中的做法制造，特别是根据Johnson等的图5制造，该专利作为参考文献并入本文。以便说明一种特别适用于本发明的成形元件42和制造这种成形元件42的一种方法。

成形元件42至少在一个方向，特别是在从带的第一表面53穿过成形带42到成形带第二表面55的方向上，是液体可透的。这里所说的“液体可透”是指纤维浆体的液态载体可以透过成形带42而无明显的阻碍。当然，略施压力差以促进液体透过成形带42并保证成形带42有适当的可透性可能会有好处，甚至是必要的。

但是，成形带42的整个表面积都是液体可透的则无必要，甚至并不理想。必要的只是纤维浆的液态载体容易由浆体中去掉，在成形元件42的第一表面53上留下一个由沉积的纤维构成的初期的纤维素纤维结构20。

成形带42还是阻留纤维的。在本文中一个部件被认为是“阻留纤维的”，只要该部件是以宏观上预定的图案或几何形式阻留了沉积于其上的大部分纤维，不管任何特定纤维的取向或排列如何。当然，并不要求阻留纤维部件会阻留沉积于其上的100%的纤维（特别是当纤维的液态载体从该部件排走时），也不期望这种阻留作用是永久性的。必要的只是纤维被阻留在成形带42上或其它的纤维阻留部件上一段足够的时间，以便使此方法的各步骤能令人满意地完成。

成形带42可以认为具有一个增强结构57和以面对面的形式连接到增强结构57上的成图案排列的突出物59，从而限定了彼此面对的两个表面53和55。增强结构57可以包含一个有孔的元件，例如织造的筛网或其它有孔的组织。增强结构57基本上是液体可透的。一种合适的有孔增强结构57是筛眼号数为每厘米约6至30根单丝筛网。单丝之间的开口一般可为如图所示的方形，或者是所希望的任何其它横截面。长丝可以由聚酯丝、织造或非织造的织物形成。特别是，发现48×52目的双层增强结构很合适。

增强结构57的一个表面55可以基本上是宏观的单平面，并且包含着成形带42向外定向的面53。成形带42的向内取向的面常常称作成形带42的背面，而且如上所述，与在造纸操作中使用的装置的至少一部分其余部分相接触。增强结构57的相对的和朝外取向的面53可以称作成形带42的这一面53上。

成图案排列的突出物59连接到增强结构57上，而且最好是如图5所示，由连接到增强结构57的向内取向的面53上并由其向外伸展的各个突出物59构成。突出物59也被看作是接触纤维的，因为成图案排列的突出物59在纤维浆沉积在成形带42上时容纳此浆体并确实可以被它覆盖。

突出物59可以以任何已知的方式连接到增强结构57上，特别优选的方式是以批量法结合上可固化的聚合物光敏树脂，将大量的突出物59连接到增强结构57上，而不是将成图案排列的各个突出物59逐个地连接到增强结构57上。成图案排列的突出物59最好通过处理大量液体物质形成，以便当固化时，这些物质与突出物59接触并构成它的一部分，而且至少部分地以接触的关系围绕着增强结构57，如图5所示。

如图6所示，成图案排列的突出物59应当排列成有大量的通道沿Z方向从突出物59的自由末端53b延伸到增强结构57向外取向表面53的近侧高度53a，纤维浆的纤维可以在这些通道中转向。这种排列使成形带42具有确定的形态，并且使其中的液态载体和纤维能流动到增强结构57。在相邻的突出物59之间的环形空间65形成了具有确定的流动阻力的通道，此阻力取决于突出物59的图案、大小和间距。

突出物59是分离的，而且最好以规则的间距排列，以便不会在纤维素纤维结构20的基本上连续的网状结构24中形成大量的脆弱点。液态载体可以经过相邻的突出物59之间的环形空间65流到增强结构57上并在其上沉积纤维。最好是，突出物59以有规的重复的图案分布，以便纤维素纤维结构20的基本上连续的网状结构24（它在突出物59的周围和之间形成）更均匀地将外加的拉力负荷分配在整个纤维素纤维结构20上。最好是，突出物59以双向交错的方式排列，以便在所形成的纤维素纤维结构20中，相邻的低织物单位重量区26在沿拉力负荷可能施加的任何一个主方向上都不成直线排列。

再参看图5，突出物59是直立的，以其近侧端53a连接到增强结构57的朝外取向的表面53上，并且从这一表面53向外伸展到远侧端或自由端53b，它限定了成图案排列的突出物59距增强结构57朝外取向的表面53处最远的垂直变化。于是，成形带42的朝外取向的表面53在两个高度被限定。朝外取向表面53的近侧高度由增强结构57的与突出物59的近身端53a相连接的表面限定，这当然要将在固化时包裹住增结构57的任何突出物59的物质的考虑在内。朝外取向表面53的远侧高度由成图案排列的突出物59的自由端53b限定。成形带42的向内取向的对立表面55由增强结构57的另一表面限定，当然要将在固化时包裹住增强结构57的任何突出物59的物质考虑在内，该表面与突出物59的延伸方向相反。

突出物59可以从增强结构57朝外取向表面53的近侧高度，以垂直于成形带42的平面的方式，向外伸展约0.05至1.3毫米（0.002至0.050英寸）。显然，如果突出物59在Z方向的延伸为0，则形成更接近恒定单位面积重量的纤维素纤维结构20。因此，如果希望减小纤维素纤维结构中相邻的高单位面积重量区24和低单位面积重量区26之间在单位面积重量上的差别，一般应采用较短的突出物59。

如图6所示，突出物59最好没有尖锐的边角，特别是在XY平面中，以避免应力集中在图1纤维素纤维结构20最终形成的低单位面积重量区26中。一种特别优选的突出物59的形状是弯曲菱形体，其横截面类似于带有切成圆角的菱形。

不管突出物59的横截面积怎样，突出物59的边通常可以彼此平行并且与成形带42的平面垂直。或者是，突出物59可以是象图5所示地略呈楔形，形成截头圆锥形。

没有必要使突出物59的高度均一，或者各突出物59的自由端56b距增强结构57朝外取向表面53的近侧高度53a的距离相等。如果需要在纤维素纤维结构20中加进比图示的更复杂的图案，本领域的技术人员将会了解，这可以通过使其形貌中的直立突出物59有几种Z方向高度来实现，每一种高度产生的单位面积重量都与纤维素纤维结构20中其它高度的突出物59所限定区域内的不同。另一种作法是，可以用一种成形带42做到这一点，该成形带有一个用其它某种装置形成由两个以上的高度限定的朝外取向的表面53，例如，大小均匀的突出物59连接到增强结构57上，该结构平面相对于突出物59的Z方向延伸有明显的变化。

如图6所示，成图案排列的突出物59的面积，作为成形带42的投影表面积的百分数，在不考虑增强结构57对成形带42的投影表面积的贡献时，最好是从最小为成形带42总投影表面积的约20%，到最大为占成形带42的总投影表面积的约80%。成图案排列的突出物59对成形带42的总投影表面积的贡献由各个突出物59在增强结构57朝外取向表面53上的最大正交投影的投影面积之和得到。

应该认识到，随着突出物59对成形带42的总表面积的贡献减小，前面提到的纤维素纤维结构20中高织物单位重量的基本上连续的网状结构24将增加，降低了原材料的经济使用。另外，成形带42的相邻突出物59的相对两面之间的距离应当随纤维长度的增加而加长，否则纤维可能会将相邻的突出物59桥连，从而不能穿过相邻的突出物59之间的通道到达由近侧高度53a的表面积限定的增强结构57。

成形带42的第二表面55可以具有确定和显著的形貌，也可基本上是宏观上单平面的。这里所说的“基本上宏观上单平面”是指当把成形带42置于二维构型中时它的几何形状，它与绝对平面只有很小和可以容许的偏差，该偏差对于成形带42在制造上述和下面提出权利要求的纤维素纤维结构20方面的性能没有不利的影响。第二表面55的任何一种几何形状，无论是有形貌的或者基本上是宏观上单平面的，都是可接受的，只要成形带42的第一表面53的形貌不被较大尺度的偏离所间断，同时成形带42能用在本文所述方法的步骤中。成形带42的第二表面55可以与制造纤维素纤维结构20的方法中使用的设备相接触，在工艺中被称作成形带42的机械面。

突出物59确定了成形带42的液体可透部分中的环形空间65，它们有多种不同的流动阻力。图6画出了可以形成不同区域的一种方式。图6的成形带的各个突出物59与相邻的突出物59可以基本上等间距，在相邻的突出物59之间形成基本上连续的网状结构环形空间65。

孔63沿Z方向穿过多个突出物59的近似中心或穿过每个突出物59延伸，它在突出物59的自由端53b和增强结构57的朝外取向表面53的近侧高度53a之间形成流体通道。

穿过突出物59的孔63的流动阻力不同于、而且一般是大于相邻突出物59之间环形空间65的流动阻力。因此，通常穿过相邻突出物59之间环形空间65排出的液态载体比穿过在突出物59之间并为其自由端53b所包围的孔63要多。因为穿过孔63排出的液态载体比穿过相邻突出物59之间的环形空间65的要少，所以，与在孔63之下的增强结构57相比，有更多的纤维沉积在相邻突出物59之间的环形空间65下面的增强结构57上。

环形空间65和孔63分别确定了成形带42中的高流速区和低流速区。穿过环形空间65的液态载体的初始质量流速大于穿过孔63的液态载体的初始质量流速。

应该认识到，没有液体穿过突出物59流动，因为突出物59对于液态载体是不可透的。但是，根据突出物59的远侧端53b的高度和纤维素纤维的长度，纤维素纤维可以沉积在突出物59的远端53b上。

这里所说的“初始质量流速”是指液态载体最初进入并沉积在成形带42上的流速。当然，应该认识到，两个流动区的质量流速都随时间减小，因为确定了这些区域的孔63或环形空间65被悬浮在液态载体中并为成形带42阻留的纤维素纤维所堵塞。孔63和环形空间65之间在流动阻力上的差别提供了一种方法，用来将不同织物单位重量的纤维素纤维以图案形式阻留在成形带42的不同区域中。

穿过各区域的流速的这种差别被叫做“分级排液”，这是由于认识到液态载体穿地高和低流速区的初始流速之间存在着阶梯式不连续性。如上所述，分级排液可以方便地用来以花纹图案的形式将不同数量的纤维沉积在纤维素纤维结构20的不同区域24中。

更具体地说，高单位面积重量区24将以有规的重复图案的方式形成，该图案基本上与成形带42的高流速区（环形空间65）和用来制造纤维素纤维结构20的本方法中的高流速状态相对应。低单位面积重量区26将以有规的重复图案的方式形成，该图案基本上与成形带42的低流速区（孔63和突出物59）和用来制造纤维素结构的本方法中低流速状态相对应。

整个成形带42的流动阻力可容易地根据本领域技术人员熟知的技术测定。但是，测定高和低流速区的流动阻力以及它们的流动阻力的差别比较困难，因为高和低流速区的尺寸很小。不过，可以从所考虑区域的流体力学半径推断其流动阻力。一般来说，流动阻力与流体力学半径成反比。

一个区域的流体力学半径定义为该区域的面积除以该区的被润湿的周长。分母中常常包括一个常数，例如4。但是，对于这里的目的来说，因为重要的只是检验各区域的流体力学半径之间的差别，所以上述常数可根据需要包括或省略。在代数上这可以表示成：

流体力学半径＝ (流动面积)/(K×被润湿的周长)

其中流动面积是穿过突出物59的孔63的面积，或是在相邻突出物59之间的流动面积，如下面更充分定义的一样，被润湿的周长是与液态载体接触区域的周边的线性长度。几种普通形状的流体力学半径是众所周知的，可以在，参考资料中找到，例如Mark的“机械工程师标准手册”（Standard  Handbook  for  Mechanical  Engineers），第8版，该文献作为参考文献并入本文中，以说明几种常见形状的流体力学半径和如何求得不规则形状的流体力学半径的一种作法。

一个给定的成形元件42的流体力学半径，或是它的一部分，可以通过考虑任何单位单元，即最小重复单元来计算，该单元限定了一整个突出物59和包围此突出物59的环形空间65。当然，此单位单元应当在突出物59和环形空间65的流动阻力最大的高度处量度流体力学半径。例如，光敏性树脂的突出物59离增强结构57的高度可能影响其流动阻力。如果突出物59是是楔形的，可以象下面对表1的讨论那样，通过考虑成形元件的42的空气可透性，对计算出的流体力学半径加以校正。

若不加校正，下面讨论的流体力学半径的表观比可能比成形元件42上实际存在的要小。在以下实施例中给出的流体力学半径比是未校正的，但对于这些实施例使用良好。

参看图6，用虚线C-C画出了成形元件42的一个可能的单位单元。当然，由此单位单元产生的任何边界如果不构成流动途径的被润湿的周边，则在计算流体力学半径时不予考虑。

用来计算流体力学半径的流动面积没有考虑突出物59下面的增强结构57产生的任何阻力。当然，应该认识到，随着孔63的尺寸减小（或是由于选择了更小尺寸的图案，或是由于孔63的直径减小），可能形成一种纤维素纤维结构20，它在低单位面积重量区内没有所要求的径向度，甚至有三个单位面积重量不同的区域。这种偏离可能是由于增强结构57产生的流动阻力。

对于图6所示的成形元件42，所关心的两个区域按以下方式确定。所选择的区域由围绕突出物59的环形周界构成。对于给定的某个突出物，它在XY方向中环形周界的范围是从突出物59到相邻的突出物59之间径向距离的一半。因此，相邻的突出物59之间的区域69将有一个位于该区中心处的边界，它与相邻的突出物59之间限定环形空间65的环形周界相邻接。

另外，因为突出物59沿Z方向伸展到高于增强结构57其余部分的某个高度，所以在突出物59上面的区域里沉积上的纤维较少，因为沉积在增强结构57中与孔63和相邻突出物之间环形空间65相对应的区域上的纤维必须累积到突出物59的自由端53b的高度之后，才能有额外的纤维保留在突出物59的顶上而不流入孔63或相邻突出物59之间的环形空间65中。

一种已发现根据本发明工作良好的成形带42的一个非限制性实例有一个52目双重网增强结构57。此增强结构57是由经纱直径约0.15毫米（0.006英寸）、纬纱直径约0.18毫米（0.007毫米）的长丝制成，开口面积约为40%-50%。此增强结构57在约12.7毫米（0.5英寸）水柱压差下，每分钟可流过空气约36，300标准升（1，280标准立方英尺）。将在成形带42的两个面53和55之间的编织图带形成的结点考虑在内，增强结构57的厚度约为0.76毫米（0.03英寸）。

在成形带42的增强结构57上连接着许多双向交错排列的突出物59。各突出物59与相邻突出物在机械方向上间隔约2.4毫米（0.096英寸），在垂直于机械的方向上间隔约1.3毫米（0.052英寸）。突出物59的密度约为每平方厘米47个突出物59（每平方英寸200个突出物59）。

各突出物59在垂直于机械的方向上对角之间的宽度约为0.9毫米（0.036英寸），在机械方向上对角之间的长度约为1.4毫米（0.054英寸）。突出物59从增强结构57的朝外取向表面的53的近侧高度53a到突出物59的自由端53b沿Z方向伸展约0.1毫米（0.004英寸）。

各突出物59都在其中心有一小孔63，该孔由突出物59的自由端53b延伸到突出物59的近侧高度53a，于是突出物的自由端与增强结构57以流体相连。突出物59中心处的各个孔63一般是椭圆形的，可以是长轴约为0.8毫米（0.030英寸）、短轴约为0.5毫米（0.021英寸）。带着连接在增强结构57上的突出物59，成形带42在约12.7毫米（0.5英寸）水柱的压差下，空气透过率和空气流动约为每分钟17，300标准升（610标准立方英尺/分）。突出物伸出增强结构57的面53a之上约0.1毫米（0.004英寸）。此成形带42形成示于图1的纤维素纤维结构20。

如图4所示，此装置还含有一个设备44，用来将液态载体和所夹带的纤维素纤维沉积在成形带42上，更具体地说，沉积在具有分离的直立突出物59的成形带42的面53上，以便用纤维浆完全盖住增强结构57和突出物59。为此可以方便地使用本领域中熟知的高位箱44。本领域中已知有几种高位箱44，已发现一种效果良好的高位箱44是常规的双长网高位箱44，它通常连续地将纤维浆施加和沉积在成形带42的朝外取向的表面53上。

用来沉积纤维浆的设备44和成形带42彼此相对移动，以便可以将一般是始终一致数量的液态载体和夹带的纤维素纤维以连续的方式沉积在成形带42上。或者是，可以以间歇方式将液态载体和夹带的纤维素纤维沉积在成形带42上。最好是，用来将纤维浆沉积在可透的成形带上的设备44可以调节，以便随着成形带42和沉积设备44之间差动速度的增加或减小，每单位时间里可以在成形带42上分别沉积较多或较少数量的液态载体及所夹带的纤维素纤维。

另外，可以安装一个设备50a和/和50b，用来将初期的纤维素纤维结构20中的纤维浆干燥成浓度至少为约90%的二维的纤维素纤维结构20。造纸工业中熟知的任何方便的干燥设备50a和/50b均可用来干燥纤维浆的初期纤维素纤维结构20。例如，压毡、热罩、红外辐射、吹风式干燥50a和扬克式干燥筒50b，无论是单独使用或是组合使用，都是令人满意的，而且是工艺中众所周知的。一种特别优选的干燥方法顺序使用吹入式干燥机50a和扬克式干燥筒50b。

如果需要，本发明的装置中还可以包括一个乳液辊66，如图4所示。在上述的本方法实施期间，乳液辊66将有效数量的一种化合物分送给成形带42，或者如果需要，分送给第二条带46。此化合物可以起防粘剂的作用，防止纤维素纤维结构20与成形带42或第二条带46之间的不希望发生的粘结。另外，乳液辊66可以用来沉积一种化合物，以便处理成形带42或第二条带46，籍此延长其使用寿命。最好是当成形带42不与纤维素纤维结构20相接触时将乳液加到成形带42的朝外取向的有形貌的表面53上。通常这是在纤维素纤维结构20已经从成形带42转移走之后、而成形带处在返回的途径中时进行。

优选的乳液化合物包括称作Regal油的含水和高速透平油的组合物，它由Texaco石油公司（Houston，Texas）销售，产品编号R&068，编码702;Sherex化学公司（Rolling  Meadows，Illinois）以AOGEN  TA100名称销售的二甲基二硬脂酰氯化铵;Proater  &  Gamble公司（Cincinnati，Ohio）制造的十六烷醇;和一种抗氧化迹，例如American  Cyanamid公司（Wayne，New  Jersey）销售的Cyanox  1790。此外，如有需要，可以使用清洗喷淋或喷雾装置（未画出）清洗纤维的成形带42和在纤维素纤维结构20自成形带42上移走之后保留的其它残余物。

在形成本发明的纤维素纤维结构的方法中一个任意选用、但是极其优选的步骤是缩小干燥后的纤维素纤维结构20。这里所说的“缩小”是指利用重新排列纤维和打断纤维之间的结合来减小纤维素纤维结构20的长度的步骤。缩小可以用几种已知的方式来完成，最常用和最优选的方法是起绉。

起绉的步骤可以利用上述的扬克式干燥筒50b与干燥步骤一起完成。在起绉操作中，将纤维素纤维结构20粘合到一个表面上，最好是扬克式干燥筒50b上，然后用一把刮刀68，利用刮刀68和纤维素纤维结构20粘于其上的表面的相对运动，将它从表面上取下。刮刀68以一个分量与表面和刮刀68之间相对运动方向相垂直的方式取向，最好是基本上与该方向垂直。

另外，可以构成一种装置，用来向纤维素纤维结构20的选定部分施加差压。这一差压可以引起纤维素纤维结构20中区域24和26的增密或减密作用。可以在本方法中有太多的液态载体流走之前的任何阶段向纤维素纤维结构20施加差压，最好是在纤维素纤维结构20仍处在初期的纤维素纤维结构20时施加。如果在施加压差前已有过多的液态载体流走，则纤维可能会太硬，不能完全适合成图案排列的突出物59的形貌，从而使形成的纤维素纤维结构20没有所述的不同密度的区域。

如果需要，可以根据密度将纤维素纤维结构20的区域24和26进一步细分。具体地说，一些高单位面积重量区24或一些低单位面积重量区26可以被增密或减密。这可以通过将纤维素纤维结构20从成形带42转移到其凸出物与成形带42的分离的突出物59不相重合的第二条带46上来做到。在转移期间之后，第二条带46的凸出物压缩纤维素纤维结构20的区24和26的某些部位，使得这些部位致密化。当然，与低单位面积重量区26中的部位相比，高单位面积重量区24中的部位发生更大程度的致密化。

当选定的部位被第二条带46的凸出物压缩时，这些部位变密，并且有更多的纤维之间的结合。这种结合提高了这些部位的抗拉强度，而且通常会提高整个纤维素结构20的抗拉强度。最好是在有过多的液态载体流走和纤维变成硬得不能适合成图案排列的突出物59的形貌之前，进行这种致密化。

或者是，各区域24和26的选定部位可以通过增加这些部位的厚度和吸收度而减密。减密可以利用将纤维素结构20从成形带42转移到第二条带46上来进行，第二条带46有可透的空白区，它们与突出物59或者纤维素纤维结构20中的各个区域24和26不相重合。在将纤维素纤维结构20转移到第二条带46上之后，在第二条带46的空白可透区施加一个正的或负的流体压差。此流体压差使与可透空白区重合的各部位的纤维在与第二条带46垂直的平面内发生偏置。由于受到流体差压的部位内纤维的偏转，纤维离开纤维素纤维20的平面，从而增大了该部位的厚度。

方法

本发明的纤维素纤维结构20可以根据包括以下步骤的方法制造。第一步是提供夹带在液态载体中的大量纤维素纤维素。纤维素纤维在液态载体中不溶解，而只是悬浮于其中。还提供一个液体可透、但阻留纤维的成形元件42，例如成形带42。成形元件42中有流体可透区63和65以及直立的突出物59。还提供一个装置44，用来将液态载体和夹带的纤维素纤维沉积在成形元件42上。

成形带42中有分别被环形空间65和孔63确定的高流速和低流速液体可透区。成形带42还有直立的突出物59。

将液态载体和所夹带的纤维素纤维沉积在图6所示的成形带42上。液态载体以两种同时存在的状态流过成形带，一种高流速状态和一种低流速状态。在高流速状态中，液态载体以给定的初始流速流过可透液体的高流速区，直到发生堵塞（或者液体载体不再进入成形带42的这一部分）。在低流速状态中，液态载体以给定的初始流速流过成形元件42的低流速区，该初始流速低于高流速区的初始流速。

当然，由于预料的堵塞，成形带42中的高流速与低流速区的流速都将随时间而减小。不管理论上如何，低流速区可能在高流速区之前发生堵塞。

不管理论上如何，最先发生的区域堵塞可能是由于该区的流体力学半径较小和流动阻力较大，这与诸如流动面积、润湿周长、低流动区的形状及分布等因素有关，也可能是由于这些区域的较大流速伴随着较多的纤维沉积。例如，低流速区可以包括穿过突出物59的孔63，这些孔63的流动阻力比相邻突出物59之间的液体可透的环形空间65大。

在两种排液状态中，某些纤维的定向同时受高流速区和低流速区的影响。这些影响造成了纤维横跨突出物59的表面径向定向桥连，突出物59则有无限大的流动阻力。这种径向桥连穿过各个低单位面积重量区26跨接在高单位面积重量区上。低流速区提供了定向影响，使得这种桥连得以发生，而又没有过多的纤维积累在低流速区的质心，并且减小和防止中等单位面积重量区25的发生。

孔63和环形空间65之间的流动阻力比值适当很重要。如果穿过孔63的流动阻力太小，则可能形成中等单位面积重量区25，而且一般处在低单位面积重量区24的中央。这种排列将形成一个三区域的纤维素纤维结构20。相反，如果流动阻力太大，则形成的低单位面积重量区可能具有无规的或者其它非径向的纤维分布。

孔63和环形空间65的流动阻力可以如上所述用流体力学半径确定。根据以下分析的实施例，环形空间65与孔63的流体力学半径之比，对于每平方厘米有约5至31个突出物59（每平方英寸30至200个突出物59）的成形元件42，应该至少约为2。可以预料，较低的流体力学半径比，例如至少约1.1，适合每平方厘米有多于31个突出物59（每平方英寸200个突出物59）直到约78个突出物59（每平方英寸500个突出物59）的成形元件42。

表1说明了用来形成纤维素纤维结构20的实施例的五种成形元件42的几何形状，该纤维素纤维结构在后面将更详细地分析。参照表1的第1栏，环形空间65的面积占成形元件42的总表面积的百分数为30%或50%。如第二栏所示，孔63的表面积作为成形元件42的总表面积的百分数是从10%至20%。第三栏列出了突出物59高出增强结构57之上的距离。在第四栏中，如上所述地计算了环形空间65与孔63的流体力学半径的理论比值。在第五栏中，按照下述计算了流体力学半径的实际比值。

实际的流体力学半径，以及因此它们的比值，是从有或没有突出物的成形元件42的空气透过率用迭代计算法得到的。虽然突出物59的理论尺寸以及因此它的流体力学半径容易从用来构成成形元件42的图样得到，但是由于在制造过程中固有的变化，实际尺寸会有某些变化。

突出物59以及因此环形空间65和孔63的实际尺寸可以通过将没有突出物59的增强结构57的空气透过率与有突出物59的带42的空气透过率相比较来近似得到。实际的空气透过率容易用已知技术测得。而且小于从增强结构57的流动面积中理论上扣除掉突出物59后所得的数值。

知道了带有突出物59的成形元件42的理论与实际空气透过率之间的差别，假定突出物59的各壁面朝向环形空间65和孔63相等地逐渐减小，用常规的数学方法以迭代方式可以发现为产生实际的空气流动所必需的突出物的实际大小。

表1

环形空间  孔开口  突出物  环形空间流体力  环形空间流体力学

开口面积  面积  尺寸  学半径与孔的流  半径与孔的流体

(%)  (%)  (英寸)  体力学半径的理  学半径的实际比值

论比值

50  10  4.6  2.15  2.05

50  15  8.3  1.76  1.50

50  20  2.2  1.52  1.27

30  10  2.7  1.10  0.77

30  20  2.9  0.78  0.52

每个成形元件42每平方厘米有31个突出物59（每平方英寸200个突出物59）。当然，流体力学半径之比与突出物59及环形空间65的尺寸无关，因为考虑的只是单位单元的流动面积对润湿周长之比，此比例在单位单元的尺寸放大或缩小时保持恒定。

用来构成下面的表Ⅱ中给出的纤维素纤维结构20各实施例的成形元件42，采用范围在0.52至1.27之间的流体力学半径比。一种流体力学半径比为2.05的成形元件被用来构成下面表Ⅲ中示出的各个纤维素纤维结构20的实施例。

自这些实施例可见，发现流体力学半径比至少约为2的成形元件42效果良好。当然，质量流速比与流体力学半径比的至少两次方有关，预期一个至少为2、很可能大于4（取决于雷诺数）的质量流速比将会效果良好。

预计，根据本发明的成形元件42可以采用低至1.25的流体力学半径比，只要调节其它的因素以补偿这一较低的比值。例如，成形元件42的绝对速度可以增加，或者成形元件42和液态载体之间的相对速度可以匹配成接近1.0速度比。另外，使用长度较短的纤维，例如巴西桉树纤维，会有助于制造根据本发明的纤维素纤维结构20。

例如，使用流体力学半径比为1.50的成形元件已制得一种合适的本发明的纤维素纤维结构20。成形元件42的绝对速度约为每分钟262米（每分800英尺），液态载体和成形元件42之间的速度比约为1.2。成形元件42每平方米厘米上有31个突出物59（每平方英寸200个突出物59）。突出物59占据了成形元件42总表面积的约50%，穿过其中的孔63占据成形元件42表面积的约15%。所形成的纤维素纤维结构20是由约60%的北方软木牛皮纸浆和约40%的CTMP纸浆（预渍预热木片磨木浆）制成的，两种纸浆的纤维素长度均为约2.5至约3.0毫米。所形成的纤维素纤维结构20有约25%的低单位面积重量区26，符合上述的两项标准。

说明性实施例

使用表Ⅱ所示的不同的参数制得几个非限性的示例说明用纤维素纤维结构20。所有的样品均在一台双网拉张成型机上制得并且常规干燥，使用35.6×35.6厘米（14×14英寸）的样品成形元件42，该元件叠合在经由夹持点送入的常规的84M四梭道缎绉组织成形网上。所有这些纤维素纤维结构20都用速度为约244米/分（8000英R/分）的成形元件42和以比成形元件高出约20%的速度冲击在成形元件42上的液态载体制成。所形成的纤维素纤维结构20的单位面积重量均为约每平方米19.5克（每3000平方英寸12磅）。

第二栏表示，表Ⅱ中的实施例是用大小为每平方厘米5个突出物59（每平方英寸30个突出物59）或每平方厘米31个突出物59（每平方英寸200个突出物59）的突出物59构成的。第三栏说明，在相邻突出物59之间的环形空间65中，开口面积的百分数为10%或20%。第四栏表示了孔63横截面积的大小作为突出物59横截面积的百分数。第五栏表示，突出物59的远侧端53b高出增强结构57的距离约为0.05毫米（0.002英寸）到0.2毫米（0.008英寸）。第六栏表示，纤维的类型或是纤维长度的为2.5毫米的北方软木牛皮纸浆，或是纤维长度约为1毫米的巴西桉树纸浆。

所形成的所有纤维素纤维结构20都以不放大和放大50及100倍的方式检验。样品按两项标准作定性判断：（1）存在两个区24和26;三个区，24、26和通常位于低单位面积重量区26中心的中等单位面积重量区25;和2）纤维的径向度。判断径向度的基础是纤维分布的对称性以及存在或不存在非径向定向的（切向或环形）纤维。

最后一栏表示所形成的纤维素纤维结构20的分类。利用上述标准，将示于表Ⅱ中的各实施例的每种纤维素纤维结构20主观地分成以下几类：

2区域纸，在低单位面积重  （2区）

量区26区内有径向定向的

纤维（图3D₃）

不明确的3区域纸，在低  （不明确的3区）

单位面积重量区26内有

径向定向的纤维（图2B₂或3C₁）

纸的低单位面积重量区26内  （不明确的无规）

有不明确的无规分布的纤维

（图2D₂或3B₂）

有3个不同的单位面积重量  （3区）

区的纸（图2A₂或2A₃）

两种单位面积重量的纸，在  （无规）

低单位面积重量区26内有无

规定向的纤维（图3A₃）

在低单位面积重量区26内有  （有孔）

孔的纸（图2A₁）

由于乳化不充分，在规定条件  （未制得）

下不能制得所要求的纸

当然，一个示例性的纤维素纤维结构20可以放在一个以上的类别中，这取决于采用的标准。如果只列出一个标准，则在符合本发明的纤维素纤维的结构20的条件时，认为另一条件已被满足。

参看表Ⅲ，在同样的双网成形机上制得另外的示例性纤维素纤维结构20，使用原尺寸的成形网和空气干燥。成形元件42每平方米厘米有大约31个突出物59（每平方英寸200个突出物），每个伸出增强结构57之上约0.1毫米（0.004英寸）。突出物59占据成形元件42表面积的约50%，孔63占成形元件42表面积的约10%。

如在第二栏中所示，液态载体的速度与成形元件42的速度之比为1.0或1.4。如第三栏所示，液态载体以其表面积的约0%或20%冲击到支承成形元件42的转辊上。如第四栏所示，所形成的纤维素纤维结构20的单位面积重量为每平方米约19.5或25.4克（每3000平方英尺12.0或15.6磅）。如第五栏所示，使用的是对以上表Ⅱ讨论的同样的纤维。如第六栏所示，成形元件42的速度为每分钟230或295米/分（700或900英尺/分）。如最后一栏所示，采用在对所形成的纤维素纤维结构20分类时用的同一标准。

在检查表Ⅲ时可见，一般来说，液态载体的速度与成形元件42的速度之比是决定所形成的这些纤维素纤维结构20的类别的最重要的因素。通常，对于桉树纤维，速度比1.0一般合适，而对于北方软木牛皮纸浆纤维，速度比1.4一般合适。成形元件42的速度在决定所形成的纤维素纤维结构20的类别方面是较次要的因素。一般来说，随着成形元件42的速度减小，低单位面积重量区内的纤维无规分布的倾向也减小。

另外，显然所形成的纤维素纤维结构20受所用纤维类型的很大影响。一般来说，含有桉树纤维的纤维素纤维结构20对于液态载体相对于成形元件42的速度更为敏感，结果形成良好的两区纤维素纤维结构20，在它的低单位面积重量区26内含有径向定向的纤维;或是形成不合格的三区纤维素纤维结构20。在使用北方软木牛皮纸浆时，更多的纤维素纤维结构20有不明确的三区形成或在其中的低单位面积重量区26内纤维呈不明确的无规分布。

变型

不在其中的突出物59有孔穿过其中的成形元件42上制备纤维素纤维结构20，也可以在图7A和7B中所示的成形带42上制成预定的纤维素纤维结构20，它具有其中含径向定向纤维的低单位面积重量区。在这种成形元件42中，突出物59’是径向切断的，并且限定了介于径向定向的片断59″之中的环形空间65″。

如图7A所示，径向的片断59″可以与质心连接或靠近，以有助于防止中等单位面积重量区25的形成。这种排列使得纤维素纤维能以径向形式流过介于径向片断59″之间的环形空间65″，并且将径向片断59″的质心桥连。

或者是象图7B所示，径向片断59″可以在质心小孔63′处分开，以便可以不受阻碍地朝低流速面积区的质心流动。这种排列的好处是不必用这种变型将突出物59′的径向片断59″的质心桥连，而是可以进行无阻碍的径向流动。

在一项特定的实施方案中，如图7A和7B所示，径向片断59″可以由圆的扇形组成。或者是，径向片断59″集合起来可以是非圆形，但是随着接近低流速区的质心而会聚在一起。

对于本领域的技术人员，显然可以在本申请的本发明的范围之内作出许多其它的变动和组合。所有这些变动和组合都包括在所附权利要求的范围之内。

Claims (19)

1、一种单层的纤维素纤维结构，其中含有至少两个以有规的重复图案排列的区域，该纤维素纤维结构的特点在于其中含有：单位面积重量较高的第一区，它由基本上连续的网状结构组成；和许多彼此分离的第二区，其单位面积重量较低并且被上述第一区包围，此第二区由大量的基本上径向定向的纤维组成。

2、根据权利要求1的纤维素纤维结构，其中所述的许多低单位面积重量区构成所述纤维素纤维结构中低单位面积重量区总数的至少约10%。

3、根据权利要求2的纤维素纤维结构，其中所述的许多低单位面积重量区构成所述纤维素纤维结构中低单位面积重量区总数的至少约20%。

4、根据权利要求2的纤维素纤维结构，其中所述高单位面积重量区的单位面积重量比所述低单位面积重量区的单位面积重量至少高出约25%。

5、根据权利要求4的纤维素纤维结构，它含有至少三个区域，其中所述的单位面积重量较高的第一区含有一个以上的密度彼此不同的高单位面积重量区。

6、根据权利要求2的纤维素纤维结构，其中所述的低单位面积重量区的径向定向的纤维排列在所述低单位面积重量区的至少四个象限中。

7、一种单层的纤维素纤维结构，其中含有以有规的重复图案排列的至少两个区域：基本上连续的承受负荷的网状结构第一区;和许多彼此分离的第二区，其中每单位面积的纤维比所述的第一区少，在每个所述的第二区内的所述较少的纤维径向地桥连在所述第二区和所述第一区上。

8、一种制造单层纤维素纤维结构的方法，该结构有两个以有规的重复图案排列的区域，所述的方法包括的步骤有：

提供悬浮在液体载体中的大量的纤维素纤维;

提供一种具有可透液体区的阻留纤维的成形元件;

提供一种用来将纤维素纤维和载体沉积到成形元件上的装置;

将纤维素纤维和载体沉积到成形元件上;

使液态载体以两种同时存在的状态流过成形元件：高流速状态和低流速状态，所述的高流速状态和低流速状态有彼此不同的初始质量流速，借此，使所述低流速状态中的所述纤维以基本上径向朝向质心定向的图案排列，从而形成大量的分离区域，这些区域被所述高流速状态形成的区域所包围，而且单位面积重量相对较小。

9、根据权利要求8的方法，其中以所述低流速状态排出所述液态载体的所述步骤由于所选定的区域被所述径向定向的纤维素纤维阻塞而随时间变化。

10、权利要求9的方法，其中所述高流速状态的初始质量流速比所述低流速状态的初始质量流速至少大2倍。

11、一种用来形成纤维素纤维结构的装置，该结构具有以有规的重复图案排列的至少两种单位面积重量彼此不同的区域，所述装置的特征在于：它包括一个可透液体、但阻留纤维的成形元件，所述元件中含有能使携带纤维素纤维的液体从中排走的区域;以及将纤维素纤维以有规的两区域重复图案的形式阻留在所述成形元件上的装置，其中所述两个区域有两种不同的单位面积重量，这两个区域包括作为基本上连续的网状结构的高单位面积重量第一区和大量分离的低单位面积重量第二区，后者含有基本上径向定向的纤维。

12、根据权利要求11的装置，其中所述的阻留装置含有具有不同流体力学半径的区域，携带所述纤维素纤维的所述液体可以穿过这些区域流走。

13、根据权利要求12的装置，其中的阻留装置包括一个带孔的可透液体的增强结构和成图案排列的突出物，这些突出物以各自的近侧端连接到增强结构上并向外延伸到各突出物的自由端，所述的大量突出物有至少一个可透液体的孔贯穿其中，于是与孔对齐的那部分增强结构以液体与该突出物的自由端连通，各突出物均为可透液体的环形空间所包围。

14、根据权利要求12的装置，其中阻留装置包括一个带孔的可透液体的增强结构和成图案排列的突出物，这些突出物以各自的近侧端与增强结构连接，并且向外延伸到各突出物的自由端，其中各突出物被径向分割，因此限定了许多介于所述的部分之间的径向定向的环形空间。

15、根据权利要求14的装置，其中所述径向定向的突出物的径向部分会聚在或者靠近突出物的质心。

16、根据权利要求14的装置，其中所述的径向定向的突出物的径向部分在突出物的质心处是断开的。

17、一种用来形成纤维素纤维结构的装置，该结构具有以有规的重复图案的形式排列的至少两种彼此不同的单位面积重量，所述的装置包括：

一个可透液体但阻留纤维的成形元件，该元件具有使携带纤维素纤维的液体可以从中流过的区域;和成图案排列的突出物，它们以各自的近侧端连接其上并向外延伸到各突出物的自由端，这些突出物彼此间被具有第一流体力学半径的环形空间隔开，所述突出物允许流体穿过并且具有第二流体力学半径，所述第一流体力学半径与所述第二流体力学半径之比大于1。

18、根据权利要求17的装置，它在每平方厘米上有约16至约47个突出物。

19、根据权利要求17的装置，其中所述的流体力学半径的比率大于约1.50。

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