專利名稱：均勻特性的卷繞方法
均勻特性的巻繞方法
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求于2007年2月2日提交的未決的美國臨時專利申請 No.60/899，315的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
巻繞是將平的纖網(wǎng)轉(zhuǎn)變成巻繞的巻的過程。巻繞的巻是在包裝中存儲 大量連續(xù)纖網(wǎng)材料的最有效方法，該包裝便于材料的處理和裝運。這種巻 繞的巻必須巻繞得足夠硬，以便能承受巻的處理、各種存儲的條件、載運 卡車的夾持壓力和多種自動化材料處理系統(tǒng)。當材料從巻上退巻和在生產(chǎn) 線如加工印刷線中進一 步加工時巻繞的巻成為投送裝置。
盡管每個巻繞的巻是它自己獨一無二的實體，但在薄膜和新聞紙工業(yè) 中，普通的做法是將巻稱作"硬"巻或者"軟"巻。這是根據(jù)巻繞的巻的 "手感，，或者"硬度"來確定的。硬巻通常也稱為"充分壓縮的巻"。 一般 來說，薄紗、新聞印刷紙、紡粘-熔噴-紡粘層壓片(SMS)巻繞的巻屬于 軟巻類型。聚酯和薄膜層壓片巻繞的巻屬于充分壓縮的巻的類型，其通常 稱作"硬巻"。另外，低模量的薄膜、薄膜層壓片、立式薄膜/長絲層壓片 (VFL)和拉伸粘合層壓片(SBL)巻繞的巻屬于"硬巻"類型。當材料的 機器方向(MD)模量與材料的徑向模量(ZD)不相上下時(EtSEr)生 產(chǎn)出"硬巻"。當材料的MD模量比材料的徑向模量大很多時(Et Er) 生產(chǎn)出"軟巻"。
有增積的應(yīng)力的問題。對商品級的紡粘材料很少考慮怎樣緊地將該材料巻 繞成巻。但是，在巻繞彈性體、柔軟的層壓片、或高蓬松纖網(wǎng)材料時，巻
緊接在巻繞過程之后或在一段時間內(nèi)可能會發(fā)生這種改變。
被巻繞成巻的連續(xù)纖網(wǎng)材料的最外層中的張力稱為"巻繞張力"或 "WOT"。這個WOT參數(shù)包括纖網(wǎng)張力和可能由于輥隙負荷(輥隙誘導張力)產(chǎn)生的任何附加張力，它取決于巻繞機的類型。在巻繞過程中加到正
Zbigniew Hakiel的論文("巻繞的巻應(yīng)力的非線性模型"，TAPPI雜志， 70(5)巻，113-117頁，1987年)描述了可以對^^定的巻和材料的特性(列 在"所需輸入數(shù)值"下)怎樣計算在被巻繞到該巻中的連續(xù)纖網(wǎng)內(nèi)任意直 徑位置處該巻繞的巻的應(yīng)力。Hakiel的論文討-淪了用任意計算機語言編寫 計算機程序的計算方法和流程圖，因而可以編寫簡單的程序根據(jù)Hakiel 論文所描述的內(nèi)容來預(yù)估巻繞的巻的應(yīng)力。作為連續(xù)材料巻的直徑的函數(shù) 的這些應(yīng)力的圖示生成一條曲線，該曲線顯示出層間壓力(徑向應(yīng)力/壓力) 和沿機器方向(MD)的應(yīng)力的特征形狀。MD應(yīng)力是在將纖網(wǎng)巻繞到巻 上或從該巻耳又下的方向上的應(yīng)力，并且還稱作切向應(yīng)力或圓周應(yīng)力。
從巻繞的巻的結(jié)構(gòu)觀點，"軟，，巻有平直型的徑向應(yīng)力分布。增加更 多的纖網(wǎng)材料巻繞到該巻上不會增加這些類型的巻內(nèi)的徑向應(yīng)力。對巻尺 寸的唯一限制來自巻繞機的限制和纖網(wǎng)處理、運輸裝置的限制。另一方面， "硬"巻具有漸縮的徑向應(yīng)力分布，將纖網(wǎng)材料加到該巻由于增加了該巻 內(nèi)的應(yīng)力而直接影響徑向應(yīng)力分布。因此，在是硬巻的情況下，需要談到 如"巻的粘連"和"芯壓碎"的問題。關(guān)于這些問題傾向于限制巻繞的"硬" 巻的尺寸。
在是軟巻的情況下，巻內(nèi)張力(也稱作"MD應(yīng)力"或"切向應(yīng)力，，或 "圓周應(yīng)力")在整個巻內(nèi)是均勻的，除了非常接近芯處和在外側(cè)直徑處之 外。在許多情況下，巻內(nèi)張力是接近于零和有時甚至可以是負值。相反在 硬巻內(nèi)，貫穿巻的MD應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生類似'Nike -Swoosh ，分布的一條曲 線。如果巻繞的巻是由高模量薄膜制成，那么當應(yīng)變開始很小時，在MD 應(yīng)變中Swoosh分布沒有很大的關(guān)系。當將材料從巻中退巻時，這種應(yīng)變 一般很快就會恢復(fù)原狀。因此，巻繞的過程不需進行任何的修正去調(diào)節(jié)這 種存儲在巻內(nèi)的應(yīng)變。
但是，在巻繞低模量薄膜、薄膜層壓片、VFL和SBL時就不是這種 情況。VFL材料的MD模量是在約5 psi (磅/平方英寸)到約25psi的范圍 內(nèi)，它是非常低的。VFL材料巻繞的巻的外直徑可以為大約62英寸。VFL 材料中的彈性絲使其性能象是橡膠帶。當任何人已經(jīng)把橡膠帶巻繞在某人 的手指上時可以證明，在VFL材料巻繞的巻中壓力是非常高的，即使是將 該材料在低的巻繞張力(WOT)下巻繞到該巻上。如彈性)"貫穿巻，，的改變，即圍繞巻芯巻繞的材料屬性一般將不同于圍 繞該巻的外直徑巻繞的材料的相同屬性，并將在位于這兩個極端直徑之間 的各直徑處變化。由于應(yīng)變很大和許多材料是高度粘彈性的，在巻內(nèi)存儲 的應(yīng)變成為永久性的。這造成作為該巻半徑的函數(shù)變化的(可重復(fù)的)老 化材料特性。為了在加工處理從這類硬巻中拉出的纖網(wǎng)過程中克服這樣的 特性，需要設(shè)置處理設(shè)備的特殊修正(如可控的退巻)，例如在加工印刷 期間。如果在加工時要在纖網(wǎng)上進行印刷克服這樣的特性的問題就變得更 加復(fù)雜。當由于纖網(wǎng)承受不同的巻內(nèi)張力使應(yīng)變恢復(fù)的速率不同時，印刷 標記的重復(fù)長度可能與巻上退巻纖網(wǎng)材料時不相同。
如上所述，巻繞在巻上的彈性材料制成的纖網(wǎng)將經(jīng)受材料特性的某些 永久性的改變。圍繞巻芯巻繞的材料的彈性特性通常將與圍繞該巻的外直 徑巻繞的材料的彈性特性相差超過20%。換句話說，"貫穿巻"的彈性特
性的改變通常大于20%。還有，在機器方向(MD)上的彈性特性對最終 的加工印刷常常是關(guān)鍵的。當從該巻退巻材料用于設(shè)備的加工線中時，彈 性特性的改變將常常造成廢品增加和/或生產(chǎn)線停車時間的增加。
已經(jīng)進行實驗研究以開發(fā)出一種巻繞方法，結(jié)果形成"貫穿巻"的即 從巻繞的巻芯到外直徑的均勻材料特性。但是，對于不同組成材料的每個 不同尺寸的新巻進行這樣的研究單調(diào)乏味、消耗時間并且在許多情況下成 本過高。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)開發(fā)了一種巻繞工藝，它對由立式薄膜層壓片(VFL)或拉伸粘 合層壓片(SBL)或作為對版薄膜生產(chǎn)的彈性纖網(wǎng)巻繞的巻，結(jié)果形成從 巻的外直徑到巻芯的基本均勻的材料特性。可以4吏用根據(jù)ZbigniewHakiel 論文的計算機模型("巻繞的巻應(yīng)力的非線性模型"TAPPI雜志，70(5) 巻，113-117頁，1987年)來預(yù)估由VFL、 SBL或作為對版薄膜生產(chǎn)的彈 性纖網(wǎng)的貫穿巻的分布。根據(jù)稱為"WOT變換"的概念，可以使用Hakiel 模型的修正版來校正恒定的WOT巻繞分布以便獲得可控的(也叫做補償 的)WOT巻繞分布，可以采用該可控的WOT巻繞分布將該材料巻繞成巻， 該巻表現(xiàn)出基本均勻的貫穿巻的多種特性(包括在纖網(wǎng)中的MD應(yīng)力)。 希望使用計算機程序來執(zhí)行這種變換。本文附加這樣的計算機程序的 一個實施例作為附錄A,并稱為巻繞機計算機程序。最后得到的這種可控巻繞
技術(shù)直接應(yīng)用到這樣的纖網(wǎng)，這類纖網(wǎng)被加工成兒童護理產(chǎn)品、成人護理 產(chǎn)品、嬰兒護理產(chǎn)品。
修正的Hakiel計算模型需要這些輸入值，即將纖網(wǎng)的每個直徑段巻繞 到該巻上的WOT、纖網(wǎng)的材料特性和巻繞的巻的尺寸。對于用于巻繞纖 網(wǎng)以形成一巻的穩(wěn)定狀態(tài)的巻繞條件，該WOT是恒定的。但是，當作為
勻的獨特的凈爭征。特別是"對彈性;和薄膜的巻繞:i來說明i"不均勻
性是普遍的特性。
當用恒定的WOT生產(chǎn)由VFL、 SBL或作為對版薄膜生產(chǎn)的纖網(wǎng)的巻 繞的巻時，如果巻繞在足夠硬的芯上，那么在巻芯附近纖網(wǎng)中的張力和在 該巻外直徑處纖網(wǎng)中張力通常是等于該WOT。在巻繞的巻內(nèi)的其他地方， 纖網(wǎng)中的張力低于該WOT，所以可以說在貫穿巻的張力中存在差值。這 個差值是因為在巻中的外層壓縮它們下面的層造成的。為了使巻繞的巻內(nèi) 纖網(wǎng)中的張力均勻性與在該巻內(nèi)什么地方測量張力無關(guān)，即為了使貫穿巻 的張力均勻，需要控制WOT以補償在貫穿巻的張力中用恒定的WOT巻 繞的巻將會造成的差值。這種補償技術(shù)稱為"WOT變換"。當使用補償?shù)?WOT分布將纖網(wǎng)材料巻繞到該巻上時，該分布是用WOT變換計算得出的 方式隨纖網(wǎng)的直徑而變化，從而使所得到的巻繞的巻內(nèi)的纖網(wǎng)材料貫穿巻 的MD張力變得基本均勻。
本發(fā)明的附加目的和優(yōu)點將部分地在下面的說明中闡述，并將部分地 從說明中顯而易見地得出，或者可從本發(fā)明的實施中獲悉。
結(jié)合入該說明書中并構(gòu)成它的一部分的附圖，示出了本發(fā)明的至少一 個目前優(yōu)選的實施例以及某些替代的實施例。這些附圖與說明一起起到解 釋本發(fā)明的原理的作用、但絕不是窮舉本發(fā)明所有可能的表現(xiàn)形式。


本發(fā)明的完整而能實現(xiàn)的內(nèi)容，包括對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說最佳 的實施方式，在包括參考附圖的本說明書的其余部分中作了更詳細的闡 述，其中
圖l示意性地示出了彈性、粘彈性或粘塑性連續(xù)纖網(wǎng)的巻繞的巻和該 巻內(nèi)某段纖網(wǎng)上三個主要應(yīng)力的方向。圖2示意性地示出了 10psi的恒定巻繞張力(WOT)被用在巻繞具有 在例子1中所列特性的纖網(wǎng)的過程中來生產(chǎn)的例子1的巻。
圖3示意性地示出了在恒定的10psi的巻繞張力(WOT)下巻繞的按 照例子1的巻的徑向應(yīng)力的獨特的貫穿巻的應(yīng)力分布。
圖4示意性地示出了在恒定的10Psi的巻繞張力(WOT)下巻繞的按 照例子1的巻的MD應(yīng)力的獨特的貫穿巻的應(yīng)力分布。
圖5按照本發(fā)明的實施例示意性地解釋"WOT變換"的概念。
圖6示意性地示出了按照本發(fā)明的 一個實施例計算的可控的巻繞張力 (WOT ),在按照本發(fā)明的 一個實施例生產(chǎn)的所需纖網(wǎng)的 一個實施例的巻繞 期間使用該張力。
圖7示意性地示出了使用按照圖6中的實施例的可控的WOT對已經(jīng) 巻繞的如例子1構(gòu)造的巻內(nèi)徑向應(yīng)力的影響。
圖8示意性地示出了使用按照圖6中的實施例的可控的WOT對已經(jīng) 巻繞的如例子1構(gòu)造的巻內(nèi)MD應(yīng)力的影響。
圖9用圖表示使用可控的WOT分布(例如像在圖6中取決于被巻繞 在巻上的直徑)設(shè)計用于在巻內(nèi)(下部曲線)產(chǎn)生均勻的MD應(yīng)力和在使 用與被巻繞在巻上的直徑無關(guān)的(上部曲線)恒定的WOT(如在圖2)巻 繞的巻在巻繞機拉伸之間的比較。
圖10a用圖表示對第一 VFL材料作為在巻中直徑位置的函數(shù)，在使用 可控的WOT分布(例如像在圖6中，取決于被巻繞在巻上的直徑)巻繞 的巻內(nèi)測量的MD應(yīng)變(方形數(shù)據(jù)點的曲線)和在使用與被巻繞在巻上的 直徑無關(guān)的恒定的WOT(如在圖2)巻繞的巻內(nèi)測量的MD應(yīng)變(菱形數(shù) 據(jù)點的曲線)之間的比較。
圖10b用圖表示對相同的第一VFL材料和如圖10a的條件下作為在巻 中的直徑的函數(shù)，在使用可控的WOT分布(例如像在圖6中，取決于被 巻繞在巻上的直徑)巻繞的巻內(nèi)測量的MD屈服應(yīng)變(方形數(shù)據(jù)點曲線) 和在使用與被巻繞在巻上的直徑無關(guān)的恒定的WOT(如在圖2)巻繞的巻 內(nèi)測量的MD應(yīng)變(菱形數(shù)據(jù)點的曲線)之間的比較。
圖10c用圖表示對相同的第一VFL材料和如圖10a的條件下但作為從 巻芯到自由端的巻的長度的函數(shù)，在使用可控的WOT分布(例如像在圖 6中)巻繞的巻內(nèi)測量的MD應(yīng)變(方形數(shù)據(jù)點的曲線)和在使用與被巻 繞在巻上的直徑無關(guān)的恒定的WOT(如在圖2中)巻繞的巻內(nèi)測量的MD 應(yīng)變(菱形數(shù)據(jù)點的曲線)之間的比較。圖10d用圖表示對相同的第一VFL材料和如圖10a的條件下但作為從 巻芯到自由端的巻的長度的函數(shù)，在使用可控的WOT分布(例如像在圖 6中取決于被巻繞在巻上的直徑)巻繞的巻內(nèi)測量的MD屈服應(yīng)變(方形 數(shù)據(jù)點曲線)和在使用與被巻繞在巻上的直徑無關(guān)的恒定的WOT (如在 圖2中)巻繞的巻內(nèi)測量的MD應(yīng)變(菱形數(shù)據(jù)點的曲線)之間的比較。 圖10e是一張表，給出了在圖10a到圖10d中所示的用于菱形數(shù)據(jù)點 和方形數(shù)據(jù)點的曲線的數(shù)據(jù)。
圖lla用圖表示對第二 VFL材料作為在巻中直徑位置的函數(shù)，在使用 可控的WOT分布(例如像在圖6中，取決于被巻繞在巻上的直徑)巻繞 的巻內(nèi)測量的MD應(yīng)變(方形數(shù)據(jù)點的曲線)和在使用與被巻繞在巻上的 直徑無關(guān)的恒定的WOT(如在圖2)巻繞的巻內(nèi)測量的MD應(yīng)變(菱形數(shù) 據(jù)點的曲線)之間的比較。
圖llb用圖表示對相同的第二 VFL材料和在如在圖lla中的條件下， 在使用可控的WOT分布(例如像在圖6中，取決于被巻繞在巻上的直徑) 巻繞的巻內(nèi)測量的MD屈服應(yīng)變和在與使用與被巻繞在巻上的直徑無關(guān)的 恒定的WOT(如在圖2)巻繞的巻內(nèi)測量的纖網(wǎng)的MD屈服應(yīng)變(菱形數(shù) 據(jù)點的曲線)之間的比較。
圖llc用圖表示對相同的第二VFL材料和在如在圖lla中的條件下但 作為從巻芯到自由端的巻的長度的函數(shù)，在使用可控的WOT分布(例如 像在圖6中)巻繞的巻內(nèi)測量的MD應(yīng)變(方形數(shù)據(jù)點曲線)和在使用與 被巻繞在巻上的直徑無關(guān)的恒定的WOT(如在圖2)巻繞的巻內(nèi)測量的 MD應(yīng)變(菱形數(shù)據(jù)點的曲線)之間的比較。
圖lld用圖表示對相同的第二VFL材料和如在圖lla中的條件下但作 為從巻芯到自由端的巻的長度的函數(shù)，在使用可控的WOT分布(例如像 在圖6中，取決于被巻繞在巻上的直徑)巻繞的巻內(nèi)測量的MD屈服應(yīng)變 (方形數(shù)據(jù)點的曲線)和在使用與被巻繞在巻上的直徑無關(guān)的恒定的WOT (如在圖2 )巻繞的巻內(nèi)測量的MD應(yīng)變(菱形數(shù)據(jù)點的曲線)之間的比較。 圖lle是一張表，給出了在圖lla到lid中所示的用于菱形數(shù)據(jù)點和 方形數(shù)據(jù)點的曲線的數(shù)據(jù)。
圖12示意性地給出了呈流程圖形式的為實施本發(fā)明方法的一個實施 例可以采取的多個步驟，該方法使用根據(jù)被巻繞在巻上的直徑改變WOT 的可控的WOT分布(例如像在圖6中所示)生產(chǎn)出在已巻繞之后具有恒 定MD應(yīng)力的巻。在本說明書和附圖中重復(fù)使用的附圖標記是打算表示本發(fā)明的相同 的或類似的特征或元件。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細描述本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，在附圖和附錄中示出了本 發(fā)明的的一個或多個例子。提供的每個例子均是對本發(fā)明的解釋說明，而 不限于這些例子的細節(jié)。事實上，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將很清楚，在不 背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可對本發(fā)明進行多種更改和變化。例如， 作為某個實施例的 一部分描述或說明的特征可以用到另 一個實施例上，/人 而獲得又一個實施例。因此，本發(fā)明涵蓋了后附的權(quán)利要求書范圍內(nèi)的這 些更改和變化以及它們等同。
圖1示意地示出了連續(xù)VFL彈性纖網(wǎng)的巻繞的巻20和在巻內(nèi)某段纖 網(wǎng)上三個主要應(yīng)力的方向。因此，如在圖1中所示，指示MD的箭頭表示 巻繞張力(WOT)的方向，而指示ZD的箭頭表示作用在相對該巻的徑向 上的層間壓力。通常，在大多數(shù)纖網(wǎng)的加工機械中，是在恒定的巻繞張力 "WTO"下(在當前巻繞層中的張力，即在已巻繞的巻的最外層)巻繞纖網(wǎng) 成巻。 一個例外是使用薄膜巻的漸縮張力或輥隙以減小巻的粘連。當纖網(wǎng) 材料的MD模量和ZD模量彼此很接近而該巻在恒定的巻繞張力下巻繞成 巻時，那么那種材料巻繞成的巻表現(xiàn)出從貫穿巻存儲的MD應(yīng)力的獨特的 特征。在加工、印刷中，在該巻退巻過程中，纖網(wǎng)任何給定段的狀態(tài)都是 不同的，取決于該段存儲在巻上的直徑位置。
在應(yīng)用從巻繞的巻中退巻的連續(xù)纖網(wǎng)的許多加工工藝中，希望在纖網(wǎng) 退巻時纖網(wǎng)的狀態(tài)盡可能沒有變化，從而使纖網(wǎng)的狀態(tài)基本上是均勻的， 不管纖網(wǎng)是從該巻的最外直徑處脫開，還是從該巻的最內(nèi)直徑處或從該巻 的兩個極端直徑之間的某個位置脫開。為了獲得在纖網(wǎng)狀態(tài)中這種期望的 均勻性，可以按照本發(fā)明控制巻繞的巻的物理特性以提供具有基本均勻的 貫穿巻存儲的MD應(yīng)力的巻。對給定的材料、芯和巻繞的巻的構(gòu)形，在巻 繞的巻內(nèi)的應(yīng)力的狀態(tài)由WOT確定。因此，按照本發(fā)明，在將纖網(wǎng)材料 巻繞到巻上時通過控制WOT去跟隨補償?shù)腤OT分布，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在這樣
的第 一步，使用巻繞機的計算機模型來確定作為巻繞的巻的直徑的函數(shù)的 在連續(xù)纖網(wǎng)材料巻繞的巻內(nèi)的初始MD張力條件，在將纖網(wǎng)材料巻繞成巻時假設(shè)在纖網(wǎng)材料中的WOT恒定。如上所述，這個巻繞機計算機模型是
根據(jù)上面提到的巻繞的巻的應(yīng)力的Hakiel非線性模型，但是修改后結(jié)合入 到在本發(fā)明中描述的新的工藝中，并在這里作為附錄A給出 一個合適的巻 繞機的計算機程序。
所需的輸入值
巻繞的巻的特性
MD才莫量、ZD模量和纖網(wǎng)材料的泊松比
纖網(wǎng)厚度
巻繞的巻的外徑
巻繞張力(WOT) 芯的特性
芯的內(nèi)直徑和外直徑
楊氏模量、泊松比
例子1:
作為例子，假設(shè)一種材料，其特性在下面列出 纖網(wǎng)、巻繞的巻的特性 MD模量25Psi
ZD模量-〉K產(chǎn)0.1 ， K產(chǎn)IO Psi( Pfeiffer形式-在Hakiel的論文中給出) 泊+>比=0.03
巻繞的巻的直徑=50 in (英寸) 巻繞的巻的寬度=6 in 巻繞的張力10Psi 芯的特性
芯的內(nèi)徑=9 in
芯的外徑-10in
芯的才莫量=100000 Psi
芯的泊*>比=0.3
假設(shè)已經(jīng)以10Psi的恒定的巻繞張力(WOT )將纖網(wǎng)巻繞成的一個巻， 這種纖網(wǎng)具有上面所列的如圖2所示的特性。在圖3中示出了這種纖網(wǎng)材 料這樣的巻繞的巻其徑向應(yīng)力的獨特的貫穿巻的應(yīng)力分布，在圖4中示出以使用Hakiel模型的修正版生成巻繞機的計算機程序，該程序計算出在圖 3和4中用圖表示的應(yīng)力和結(jié)果。在附錄A中給出的計算機程序是這樣的 巻繞機計算機程序的一個實施例，其被用來生成在圖3和4中示出的數(shù)據(jù)， 附錄B是Excel屏幕截圖的 一個例子，它具有用于附錄A給出的巻繞機計 算機程序的輸入值和輸出值(數(shù)字和曲線圖)。對每個選擇的數(shù)據(jù)，巻繞 機計算機程序生成預(yù)估的補償WOT值用于在巻繞的巻中獲得基本均勻的 貫穿巻的MD張力，該巻具有巻繞在外徑為IO英寸的芯上的50英寸的外 直徑。這些數(shù)據(jù)點作為纖網(wǎng)材料巻繞的巻的直徑的函數(shù)提供補償?shù)腤OT 分布。可將補償?shù)腤OT分布輸入到軟件中，它將這些數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)換成巻繞 機平穩(wěn)拉伸的控制程序，以便獲得在這樣的控制下巻繞機巻繞成巻的纖網(wǎng) 材料中基本均勻的貫穿巻的MD張力。
由于期望的特性是這種貫穿巻的MD應(yīng)力，因此需要控制WOT使該 MD應(yīng)力特性基本均勻。按照本發(fā)明，通過使用"WOT"變換校正恒定的 WOT巻繞分布以獲得可控的(也叫作補償?shù)?WOT巻繞分布可以做到這 一點，可以采用該可控的WOT巻繞分布將該材料巻繞成石更巻，，這種硬巻 表現(xiàn)出基本均勻的貫穿巻的特性(包括在纖網(wǎng)中的MD應(yīng)力)。
在圖5中已經(jīng)示意地解釋了 "WOT變換"的概念。由于對于充分加 壓的巻隨著直徑的增加MD應(yīng)力減小，補償在以恒定的巻繞張力"WOT" 巻繞的這樣的巻內(nèi)每個直徑位置處的巻內(nèi)張力的差值的WOT分布，應(yīng)該 在巻繞的巻內(nèi)產(chǎn)生均勻的貫穿巻的張力。在將纖網(wǎng)巻繞到巻上時在纖網(wǎng)中 需要這種所謂的補償WOT分布以提供具有基本均勻貫穿巻的MD張力和 其他纖網(wǎng)特性的巻繞的巻。
在如圖5(a)中所示的恒定的WOT下將纖網(wǎng)材料巻繞成巻將產(chǎn)生如在 圖5(b)中所示的充分壓縮巻的徑向應(yīng)力分布。由于WOT是纖網(wǎng)進入巻內(nèi) 處的張力，因而由此得出巻內(nèi)的張力不能高于這個WOT恒定值。當用恒 定的WOT進行巻繞時，如圖5(c)所示，在纖網(wǎng)材料巻繞的巻內(nèi)MD應(yīng)力 將下降到WOT的恒定值之下，在巻繞的巻內(nèi)這個MD應(yīng)力的曲線作為該 巻內(nèi)直徑位置的函數(shù)呈現(xiàn)出很像'Nike⑧-Swoosh⑧，分布的形狀。因此，在 巻內(nèi)每個中間直徑位置處，在巻繞的巻內(nèi)的MD應(yīng)力和將纖網(wǎng)材料巻繞成 巻的恒定的WOT之間有差值。
如果將如在圖(5d)中所示的這種差值(在圖(5a)所示的恒定的WOT和 在圖5(c)中所示的巻繞的巻內(nèi)MD張力之間)在相應(yīng)的直徑位置處加到如在圖5(e)中所示的恒定的WOT值上，生成的如在圖5(f)中所示的徑向壓力 將高于在恒定的WOT值下產(chǎn)生的徑向壓力。雖然生成的徑向壓力值是更 高，但現(xiàn)在貫穿巻的MD應(yīng)力如圖5(g)所示基本上是均勻的。盡管在非常 接近芯處的MD應(yīng)力是不均勻的，但在其他位置它們是基本均勻的。還有， 根據(jù)巻內(nèi)的長度，在非常接近芯的不均勻MD應(yīng)力區(qū)的碼數(shù)大約占整個巻 內(nèi)長度的不到2%。因此，使用本發(fā)明的技術(shù)，現(xiàn)在貫穿巻的MD應(yīng)力在 約為從巻繞的巻的外直徑向內(nèi)到巻繞的巻芯測量到的整個纖網(wǎng)長度的 98%可以是基本均勻的。為使這種技術(shù)能夠起作用，人們應(yīng)該記住這種巻 應(yīng)該是"硬，，巻，即充分壓縮的巻。
參考例子l，注意到在硬巻的外直徑處，MD應(yīng)力等于WOT值，在這 種情況下它是10Psi。在硬巻中的其它地方，在巻繞的硬巻內(nèi)部的MD應(yīng) 力不會超過該WOT值。在這種情況下，這個值是10Psi。
在給定的直徑的位置，MD應(yīng)力比WOT小"Xd，，的量，式中"X" 對應(yīng)于在WOT和MD應(yīng)力之間的差，"d"對應(yīng)于直徑的位置。如果在該 巻的對應(yīng)直徑正巻繞時將這個差值"Xd，，加到WOT值上，那么可以獲得 作為直徑的函數(shù)變化的(而不是如在圖2中恒定的)新的補償?shù)腤OT分 布。在圖6中示出了這種新的補償?shù)腤OT分布。
然后使用實現(xiàn)巻繞機計算機模型的同一計算機程序來計算采用在圖6 中所示的補償?shù)腤OT分布巻繞的巻中的應(yīng)力。圖7用圖表示通過這個相 同的巻繞機計算機程序計算出將是使用在圖6中所示的補償?shù)腤OT分布 生產(chǎn)的巻繞的巻內(nèi)的纖網(wǎng)的這些徑向應(yīng)力。將是使用在圖6中所示的補償 的WOT分布生產(chǎn)的巻繞的巻內(nèi)MD應(yīng)力通過相同的巻繞機計算機程序計 算出，在圖8中示出了這些MD應(yīng)力的計算值。注意到在每個直徑位置處， 在圖7中所示的徑向應(yīng)力略高于在圖3中所示的那些徑向應(yīng)力，這是因為 整體較高的WOT。但是在圖8中所示的MD應(yīng)力由于^_用可控的WOT(對 于這個特定的實施例，顯示在圖6中)名義上是恒定的并且貫穿巻是基本 均勻的。
根據(jù)本發(fā)明的這種方法將會對MD模量和ZD模量互相很接近的纖網(wǎng) 起作用。
例如，參考在附錄B的圖中從左邊的第4列，由巻繞機計算機程序(在 附錄A中給出)預(yù)估用恒定的10Psi的WOT巻繞的巻的30英寸直徑處纖 網(wǎng)的MD張力(應(yīng)力)為7.848Psi。那就意味著在材料的巻繞的巻內(nèi)的30英寸直徑位置處，張力與可能傳給纖網(wǎng)的最大10Psi的MD張力有預(yù)估的 差值2.512Psi ( 10-7.848 ),這是由于施加恒定的10Psi的WOT來將纖網(wǎng)巻 繞成巻。為了在該巻30英寸直徑處補償這個2.512Psi的差值，補償?shù)腤OT 分布需要值為12.152Psi ( 10+2. 152)的WOT，其為在附錄B的圖表中從 左邊的第5列中在標題"可控的WOT"下出現(xiàn)的數(shù)字。使用相同的巻繞 機計算機模型(在附錄A中示出)，計算出在補償?shù)腤OT為12.152條件 下巻繞的巻的30英寸直徑處纖網(wǎng)中的MD張力(應(yīng)力)為10.061Psi,該 值在附錄B的圖表中從左邊的第7列中。從檢查附錄B圖中從左邊第7 列中其他記錄值時可以看出，預(yù)估的按照補償?shù)腤OT分布巻繞的材料巻 中MD張力基本上是均勻的，貫穿巻約為10Psi。
巻繞過程控制
當將低模量彈性的材料巻繞成巻時，通常以"拉伸控制"方式操作巻 繞機，其中補償?shù)腤OT分布基于在巻繞機速度和在纖網(wǎng)中MD張力之間 已知的關(guān)系被轉(zhuǎn)換成速度控制。拉伸控制(也叫做速度控制)通過控制巻 繞機的速度工作，從而控制進入到正巻繞的巻中的纖網(wǎng)內(nèi)的MD張力。一 般可包括可編程邏輯控制器(PLC)的控制系統(tǒng)可以被編程去控制處于拉 伸控制模式的巻繞機。但是，無論速度(用每分鐘英尺表示)還是拉伸(用 %表示)都不是纖網(wǎng)應(yīng)力或WOT的直接測量。為了測定WOT，人們必須 找到巻繞機速度和WOT之間關(guān)系的精確表達方式。
可以采用許多不同的方法建立拉伸(或速度)與WOT之間的關(guān)系。 一種方法使用測力元件直接測量在將纖網(wǎng)巻繞到巻內(nèi)的過程中纖網(wǎng)的張 力。人們可以改變4立伸并觀察測力元件測到的張力的變化并建立兩者之間 的關(guān)系。另一個方法是通過纖網(wǎng)應(yīng)變乘以纖網(wǎng)的MD模量來計算出纖網(wǎng)中 的應(yīng)力。根據(jù)在巻繞機和前面的從動輥之間的速度差，可以計算出纖網(wǎng)的 應(yīng)變([Vw-Vi]/Vi，式中Vw是巻繞機的速度和Vi是巻繞機前方的輥的速 度)。
盡管使用拉伸控制或速度控制的方法目前看來是更加需要，但也可 以采用使用張力控制、力矩控制或輥隙控制的多種方法。當巻繞過程在"張 力控制"下運行時，那么在纖網(wǎng)中張力是已知量，這是因為指示張力的測 力元件已經(jīng)存在于處理設(shè)備中。在這種情況下，可以建立在退巻馬達電流 和各種制動水平的纖網(wǎng)張力之間的關(guān)系，對力矩控制的巻繞機也可采用相同的程序。通過使用來自補償?shù)腤OT分布的一組離散的點和在這些點之 間插值，以實現(xiàn)作為巻直徑的函數(shù)的拉伸期望的變化，可以使用PLC的控 制系統(tǒng)軟件來控制退巻馬達的電流作為巻繞的巻的直徑的函數(shù)。
一旦獲得將產(chǎn)生基本均勻的貫穿巻的MD應(yīng)力(例如在圖8中所示) 的WOT的所需輸出值，在將纖網(wǎng)巻繞成巻時作為該巻直徑的函數(shù)，那么 可以對通?？砂删幊踢壿嬁刂破?PLC)的控制系統(tǒng)進行編程，以控. 制巻繞機(在拉伸控制中)和退巻的制動(在張力控制中)。用于這個目 的的通用控制系統(tǒng)軟件購自羅克韋爾公司、西門子公司和許多其他的這類 生產(chǎn)線設(shè)備制造商。這些程序使用它們本身的編程語言控制在巻繞過程中 的各種裝置。
在拉伸控制的情況下，根據(jù)在拉伸/速度和在纖網(wǎng)中WOT之間建立的 關(guān)系，將WOT的巻繞模型輸出變換成拉伸(或速度)。然后可以寫出簡單 的程序使用控制系統(tǒng)軟件去控制巻繞機的速度作為巻繞的巻的直徑的函 數(shù)，通過使用那個巻繞模型輸出的一組離散點和通過在這些點之間線性插 值以便完成該巻隨后正在被巻繞時作為該巻直徑的函數(shù)在拉伸中的變化。 變換程序非常類似于張力控制，但在張力控制的情況下它是退巻馬達電 流，在正巻繞該巻時該電流受到控制。因此，在張力控制模式中可以使用 PLC去控制巻繞機作為補償?shù)腤OT分布的函數(shù)。例如，可以使用PLC的 控制系統(tǒng)軟件來控制退巻馬達電流作為巻繞的巻的直徑的函數(shù)，通過使用 從補償?shù)腤OT分布來的一組離散的點和在這些點之間插值以完成作為巻 直徑的函數(shù)在拉伸中期望的變化。
在輥隙控制的情況下，可將WOT的巻繞模型輸出變換成預(yù)估的輥隙 負荷，對給定的恒定纖網(wǎng)張力需要該負荷以獲得目標WOT。在缺乏輥隙 誘導張力的經(jīng)驗測量值的情況下，可以使用的WOT—般方程式可以表達 如下。WOT = Tw + pN，式中WOT二巻繞張力，Tw二纖網(wǎng)張力，^=動態(tài)的 纖網(wǎng)對纖網(wǎng)的摩擦系數(shù)，和N二輥隙負荷。
MD應(yīng)力均勻性的測量。
一旦巻繞兩個巻——使用如上測定的可控的WOT(圖6)巻繞一個巻 和使用恒定的WOT (圖2 )巻繞另 一個巻一一則需要開發(fā)一種協(xié)議用于測 量作為巻的直徑的函數(shù)的纖網(wǎng)的MD應(yīng)力。根據(jù)材料和工藝過程的要求， 可以測量在巻中MD應(yīng)力的均勻性，這是因為有特殊的和可預(yù)估的關(guān)系可以去測量更加容易的獲得的，即通過實際測量直接可以獲得的多個其他參 數(shù)。有些方法包含如下步驟。用在退巻過程中像纖網(wǎng)的每次單獨切割的長
度中的變化可以測量MD應(yīng)力。通過在退巻過程中記錄所印刷圖形的重復(fù) 長度也可測量MD應(yīng)力。在退巻過程中，用在不同直徑位置處纖網(wǎng)的屈服 點處應(yīng)變的變化也可測量MD應(yīng)力。通過將應(yīng)變計連4妄在纖網(wǎng)的不同直徑 位置處和根據(jù)如此獲得的應(yīng)變測量值的均勻度所記錄的均勻性也可測量 MD應(yīng)力。
例如，實際測量貫穿巻的"屈服應(yīng)變"。筒單的說，從纖網(wǎng)在貫穿巻 的不同直徑處切出相同長度的多段(稱為試樣)，裝載到拉力試驗機并拉 伸到固定的負荷。從退巻期間"屈服點處的應(yīng)變，，可以推導出很低模量的 可拉伸的層壓纖網(wǎng)的巻中貫穿巻的應(yīng)變的基本均勻性。
屈服應(yīng)變
這里可將測量在各圖中表示的"屈服應(yīng)變"參數(shù)的逐步過程總結(jié)如下 沿著該巻外直徑處的圓周上相隔6英寸劃上兩條線(即標記在機器方向上 相隔6英寸)。然后從材料中切出8英寸長乘3英寸寬(沿與機器方向交 叉的方向)的試樣，從而使兩條標記線出現(xiàn)在試樣內(nèi)。接著將試樣裝載到 拉力試馬全機，使用兩條標志線以保證試驗機的夾具相隔6英寸。因而這樣 把試樣夾持在夾具中，使得兩條線在夾具間相隔6英寸緊靠著夾具。然后 用恒定的應(yīng)變速率^立伸試樣，同時在許多不同的點處同時記錄應(yīng)力和應(yīng) 變，這些點繪制在下面示出的曲線上。屈服應(yīng)變則紀錄在如下圖所示的曲 線中的拐點處。在巻繞的巻內(nèi)的不同直徑處進行相同的試驗貫穿巻重復(fù)這 個過程。
應(yīng)變[in/in]
還有，實際測量了貫穿巻存儲的MD應(yīng)變。用類似上述的方法測量了"MD應(yīng)力"，除了在MD應(yīng)變的條件下之外，還觀察試樣的收縮量。在貫 穿巻的不同直徑處從纖網(wǎng)切出相同長度的試樣并觀察其收縮量。根據(jù)收縮 量，用長度差與初始試樣長度的比可以計算存儲的MD應(yīng)變。
MD應(yīng)變
這里可將測量在各圖中示出的"MD應(yīng)變，，參數(shù)的逐步過程總結(jié)如下 沿該巻外直徑的圓周相隔6英寸劃上兩條線。然后如此切出8英寸長乘3 英寸寬的試樣，使得標記線出現(xiàn)在試樣內(nèi)。將試樣放在平的表面上，并立 即測量縮進長度(在兩條標記線之間的距離)。接著用初始長度和縮進長 度之差對比初始長度之比來計算存儲在巻中的MD應(yīng)變和表示為初始長度 的百分比(％)。貫穿巻在巻繞的巻內(nèi)的不同直徑處進行相同的試驗，重復(fù) 這個過程。
在圖9中表示拉伸分布，在10a中表示每個纖網(wǎng)中根據(jù)MD應(yīng)變的結(jié) 果。注意在每個圖10a-e和lla-e中的每個數(shù)據(jù)點代表三個單獨測量值的 平均值，數(shù)據(jù)中的變異性可利用稱為變異系數(shù)的參數(shù)來表達，該系數(shù)解釋 如下
式中。/。Cv是變異系數(shù)和SD是標準偏差。因此，。/oCv的數(shù)值越大，那么數(shù) 據(jù)中的變異性就越大。
如前面段落中描述的那樣，基于在拉伸和張力之間建立的關(guān)系通過將 應(yīng)力轉(zhuǎn)換成拉伸值來獲得在圖9中示出的拉伸分布。因此如在圖9中所示， 對于第一 VFL材料的巻，在由巻繞機計算機程序生成的數(shù)據(jù)點指示的方式 中，巻繞機拉伸從在圍繞巻芯巻繞纖網(wǎng)時的約39%變化到在巻繞巻的中間 附近巻繞纖網(wǎng)時高至約43%,當在巻繞的巻的外直徑處巻繞纖網(wǎng)時以相對 平穩(wěn)的控制又回復(fù)到約38%。觀察到按照應(yīng)變測量的均勻性。
如預(yù)估那樣，和由圖10a中方型數(shù)據(jù)點所繪的曲線所示，使用可控的 WOT巻繞的巻在巻內(nèi)的每一直徑處具有相對恒定的MD應(yīng)變。如在圖10a 中菱形數(shù)據(jù)點所畫的線所示，對相同的第一 VFL材料使用恒定的WOT巻 繞的巻有變化很大的MD應(yīng)變，這取決對巻繞在巻上的纖網(wǎng)在巻中進行測 量的位置。對相同的第一 VFL材料使用恒定的WOT巻繞的巻中這種較大 的變化被在圖10b中表示的作為巻直徑的函數(shù)的屈服應(yīng)變的替代測量值進一步證實。還有，如在圖10c和10d中所示，當作為沿著巻的長度(從巻 芯處的材料的巻終端到材料的自由端)的距離的函數(shù)將各測量值繪成曲線 時，相應(yīng)的MD應(yīng)變測量值和屈服應(yīng)變測量值(菱形數(shù)據(jù)點)的較大變化 甚至變得更加清楚。
注意在圖10a中，用恒定的WOT巻繞的巻的MD應(yīng)變測量值顯示出 與平均值有15.5%的偏差，而用可控的WOT巻繞的巻的MD應(yīng)變測量值 僅與平均值有5.6%的偏差，當用按照本發(fā)明的可控WOT巻繞時，相同的 纖網(wǎng)材料具有約64% ( 1-5.6/15.5)更大的均勻性。如在圖10b中所示，對 這種相同的第一 VFL材料作為巻中直徑位置的函數(shù)繪出的屈服應(yīng)變數(shù)據(jù) (方形數(shù)據(jù)點)也得到整巻基本均勻的相同結(jié)果。還有，如在圖10c和10d 中所示，當作為沿著巻的長度(從巻芯的材料的巻終端到材料的自由端) 的距離的函數(shù)將各測量值繪成曲線時，相應(yīng)的MD應(yīng)變測量值和屈月1應(yīng)變 測量值(方形數(shù)據(jù)點)的基本均勻性變得甚至更加清楚。如在圖10a( 64% )、 10b (49%)、 10c (64%)和10d (49%)中所示，在每種情況下均勾性至 少有約50%的改進。
圖lla、 llb、 llc和lld用圖表示出當用恒定的WOT和按照本發(fā)明 描述的可控的WOT巻繞時，第二 VFL材料纖網(wǎng)的多個測量特性之間的 多種比較。通過在圖lib中相對較低的屈服應(yīng)變數(shù)據(jù)與圖10b中數(shù)據(jù)的比 較可以看到，第二VFL材料比第一 VFL材料的彈性較小。還有對按照本 發(fā)明用可控的WOT巻繞的巻總是有相當高的均勻程度。
圖llb例如示出了使用可控的WOT分布(取決于被巻繞在巻上的直 徑，例如像在圖6中所示)巻繞的巻所測量的MD屈服應(yīng)變(方形數(shù)據(jù)點) 和使用與正被巻繞的巻的直徑無關(guān)的恒定的WOT (如在圖2中)巻繞的 巻內(nèi)(上曲線)的纖網(wǎng)測量的MD屈服應(yīng)變(菱形數(shù)據(jù)點)的圖解比較。 如預(yù)估那樣，并由圖lib中所畫的方形數(shù)據(jù)點所示，使用可控的WOT巻 繞的巻在第二 VFL材料的巻內(nèi)的每個直徑處有相對恒定的MD屈服應(yīng)變 測量值。如在圖lib中所畫的菱形數(shù)據(jù)點所示，使用恒定的WOT巻繞的 巻有變化較大的MD屈服應(yīng)變的測量值，這取決于對巻繞在巻上的第二 VFL材料的纖網(wǎng)在巻中進行測量的位置。對相同的第二 VFL材料使用恒 定的WOT巻繞的巻內(nèi)這種較大的變化被在圖lla中所示作為巻的直徑的 函數(shù)MD應(yīng)變的替代測量值所證實。還有，如在圖llc和lid中所示，當 作為沿著巻的長度(從巻芯的材料的巻終端到材料的自由端)的距離的函數(shù)將各測量值畫成曲線時，相應(yīng)的MD應(yīng)變測量值和屈力l應(yīng)變測量值(菱 形數(shù)據(jù)點)較大的變化甚至變得更加清楚。
注意在圖lla中，用恒定的WOT巻繞的第二 VFL材料的巻的MD 應(yīng)變測量值表現(xiàn)出與平均值有13.9%的偏差，而用可控的WOT巻繞的巻 的MD應(yīng)變測量值僅與平均值有4%的偏差，當用按照本發(fā)明的可控的 WOT巻繞時，相同的纖網(wǎng)材料有約71% ( 1-4/13.9)更大的均勻性。如在 圖lib中所示，對于這種相同的第二 VFL材料作為巻中直徑位置的函數(shù) 繪出的屈服應(yīng)變數(shù)據(jù)(方形數(shù)據(jù)點)也得到整巻基本均勻的相同結(jié)果。還 有，如在圖llc和lid中所示，當作為沿著巻的長度(從巻芯處的材料的 巻終端到材料的自由端)的距離的函數(shù)將各測量值畫成曲線時，相應(yīng)的 MD應(yīng)變測量值和屈服應(yīng)變測量值(方形數(shù)據(jù)點)的基本均勻性甚至變得 更加清楚。如在圖lla (71%)、 lib (59%)、 11c (71%)和lid (59%) 中所示，在每種情況下至少均勻性有約50%的改進。
從圖10a、 10b、 10c、 10d、 lla、 llb、 1 lc和1 Id中給出的數(shù)據(jù)將4艮 清楚看出，按照補償?shù)腤OT分布巻繞的纖網(wǎng)材料的巻的MD張力貫穿巻 的變異性相對用恒定的WOT巻繞的相同直徑和相同纖網(wǎng)材料巻的MD張 力的貫穿巻的變異性減小約40%到70%。
圖12以流程圖的形式示意表示實施本發(fā)明方法的一個實施例可以 采用的各步驟，按照該實施例使用可控的WOT分布巻繞之后產(chǎn)生MD應(yīng) 力基本恒定的巻，可控的WOT分布根據(jù)正被巻繞在巻上的直徑改變WOT (例如像在圖6中)。本發(fā)明的方法對下述纖網(wǎng)是特別有用的，如可伸長的 和/或彈性的纖網(wǎng)(如膜、線股、無紡材料以及一種或幾種上述任何材料的 層壓片)如在Wright的美國專利No.5,385,775、 Welch等人美國專利申請
發(fā)明者B·科維爾-坎達戴, N·J·邁克爾三世, R·J·考克思 申請人:金伯利-克拉克環(huán)球有限公司