纸板芯的结构层、用这种结构层制造的纸板芯和改进纸板芯刚度的方法

本发明涉及根据权利要求1前序部分的纸板芯的结构层。本发明 还涉及包括这种结构层的螺旋芯。而且，本发明还涉及改进螺旋纸板 芯刚度的方法。

螺旋纸板芯是由许多叠加的纸板层通过卷绕、粘接和干燥等构成 的。

造纸工业、电影工业和纺织业生产的成卷产品(WEBS)通常卷绕 在芯上以滚动。用纸板制造的芯，特别是螺旋芯是通过把纸板层一个 粘接在另一个上并在特殊的螺旋机上将其螺旋卷绕来制造的。构成芯 所需要的纸板层的宽度、厚度和数量根据要制造的芯的尺寸和强度要 求而变化。通常，层宽度为50到250毫米(在特殊情况下约为500 毫米)，层厚度约为0.2到1.2毫米，层的数量约为3到30(在特 殊情况下约为50)。纸板层的强度变化以符合芯的强度要求。通常， 增加纸板层的强度也增加其成本。通常来讲，说芯越强固，则芯越贵 是正确的。

印刷机用的纸卷是形成在卷绕芯上的。这种卷绕芯几乎都是螺旋 卷绕的纸板芯。在高效印刷机中，在接近退卷结束时产生了所谓的飞 卷更换(flying reel change)，即，新纸卷用的卷筒纸全速连接 在差不多已经被退卷的卷筒纸上。足够牢固和硬的芯是使飞卷更换成 功的非常关键的因素。

印刷机通常使用两种尺寸的芯。最常用的芯尺寸的内径为76毫 米，壁厚为13或15毫米。现在最宽和最快的印刷机使用的芯的内径 为150毫米，壁厚为13毫米。在更换纸卷时，芯上纸的最小厚度约 为3到8毫米。如果芯的刚度不够，则在芯上必须留有更多的纸。印 刷机上使用的纸板芯是造纸业的通用芯，即，它们是厚壁的，壁厚H 为10毫米或更厚，芯的内径大于70毫米。造纸业用的芯必须是厚壁 的，即，壁厚必须约为10毫米或更厚，例如，以使其能够被卡盘(卡 盘张开)夹住并使得能够在芯表面和支承辊间形成夹持，以卷绕纸 卷。特别是，切割卷绕机的构造要求芯具有足够的壁厚，壁厚实际上 为10毫米或更多。通常，如果卷绕/退卷速度至少为约200米/分钟 (＝3.3米/秒)时使用这种造纸业芯。

在实际环境中，如果没有为纸卷更换减少印刷机的卷筒纸速度， 并且在退卷时纸卷的尺寸，即，纸卷的直径变小，则逐渐变小的纸卷 的速度会增加到相当高的速率。

现在的趋势是越来越宽和越来越快的印刷机。转换到宽印刷机， 即，那些具有长芯和高运行速度的印刷机，可能导致剩余的纸卷，即 纸板芯+要在纸板芯上留的卷筒纸在纸卷更换过程中将进入其自然 振动范围，从而发生抖动。这会导致高成本的卷筒纸断裂，甚至会导 致剩余的纸卷炸裂成碎片，从而产生严重的安全风险。

这种情况对宽并且快的照相凹版轮转印刷机是常见的。照相凹版 轮转印刷是高效的印刷方式，其利用宽并且快的印刷机和大卷轴。最 快和最宽的目录印刷机(catalogue presses)最终也会是类似的情 况。对于目录印刷机，这部分是由于取决于卡盘的纸卷支撑系统的刚 度系数通常比高效照相凹版轮转印刷机中的低。

在存在退卷稳定性问题的照相凹版轮转印刷机中，情况通常如下 所述。

对于2.45米宽的印刷机，使用内径为76毫米的芯。在特殊情况 下，当通常需要大量的成品纸时，最多2.65米宽的印刷机可与内径 为76毫米的芯结合使用。在这些运行参数下，当剩余的纸卷接近通 常的最小量的剩余纸时，进入振动范围的安全系数将会是极其低的。 为保证安全处理剩余的纸卷，剩余纸的量必须从前面的最少量3-8 毫米增加到15毫米。这自然造成废纸形式的巨大经济损失。这里印 刷时的卷筒纸速度约为14米/秒。

当芯的内径为150毫米时，印刷机宽度通常超过上述值(然而， 内径为150毫米的芯也适合于上述印刷机宽度)。印刷机宽度通常为 3.08米、3.18米或3.28米。这些机器的印刷速度与上述相同。

新一代照相凹版轮转印刷机还要比先前的更宽更快，估计的宽度 和卷筒纸速度的组合为3.68米和16米/秒，或者作为另外一种选择 为3.08米和20米/秒或3.18米和25米/秒。然而，在1997年早期 以前，还没有制造出这种新一代的照相凹版轮转印刷机。

在需要更宽和更快的卷筒纸的最宽的印刷机中，芯的内径改变到 150毫米以解决振动问题。迄今为止，这种方案很有效。现在，由于 设计的新机器的运行参数又将面临如早期机器转换为150毫米芯之 前所面临的同样问题。换句话说，将再次进入到危险的剩余纸卷自然 振动范围。

为此，必须以这种或那种方法增加芯的刚度，以避免增加芯的内 径。增加芯内径的方案被认为是生产链中最不可取的解决方法。

如上所述，螺旋纸板芯是通过把窄纸板层螺旋地卷绕在心轴上制 造的。从其上切下待卷绕层的纸板是用纸板机制造的。芯的内层和外 层的选择通常(但不是一直)基于结构层选择以外的其它方面。因此， 内层和外层的强度特性不是经常与芯的其它层一样。这些通常位于芯 外层之间的其它层称为结构层，因为它们的性质决定芯的强度和质量 级别和其它性质。在芯的最终用途对外层和内层(或附着在其上的次 外层)没有任何特殊要求的情况下，整个芯可以用那些上面提到的结 构层构成。在制造纸板时，追求的目标是使其强度特性尽可能地一 致。所谓的正交性是该上下文中使用的术语，其理论低极限为1是追 求的目标。正方形纸板的纵向(＝机器方向)强度及其弹性模量与其 垂直机器方向的相应值是一样的。然而，在先前技术的纸板机方案 中，纸板在机器方向上比在垂直机器的方向上基本上要强固一些(通 常要强固1.6-2.7倍)。这也同样适用纸板的弹性模量。对于芯的 刚度，芯的轴向刚度系数是起决定作用的。由于螺旋卷绕芯的结构， 机器方向上的(较大的)纸板刚度系数或多或少地为圆周方向的，垂 直机器方向上的(较小的)纸板刚度系数或多或少地为轴向的。

通过使机器方向上的纸板与垂直机器的方向上的纸板的比率最 佳化并调整螺旋卷绕的芯的结构(卷绕角度)，可能对现有状况产生 某种程度的影响。然而，通过传统的纸板机和传统的螺旋机，机会是 相当有限的，并且不足以解决问题。

照相凹版轮转印刷机根据其强度要求分成两类，即，分为较低强 度级别和较高强度级别。较低强度级别的传统照相凹版轮转印刷机芯 的弹性模量水平为3300到4000MPa。用传统材料制造但属于较高强 度级别的商用等级的弹性模量水平为4200到4800MPa。通过特殊措 施，可以勉强超过这些值一点。照相凹版轮转印刷机中的纸卷重量和 印刷宽度决定从这两个强度级别中的哪一个选择纸板芯。

芯用的原材料的弹性模量水平取决于要使用的纸板层用的原材 料，制造方法和方向比(机器方向的纸板与垂直机器方向的纸板比的 强度参数)。在较低强度级别上，适当正交的照相凹版轮转印刷机芯 用的典型纸板材料的弹性模量在机器方向约为6000MPa，在垂直机器 的方向上约为3000MPa。对于较高强度级别的材料，这些相应值在机 器方向上约为6500到7500MPa，在垂直机器的方向上约为3500到 4000MPa。

本发明的一个目的是提供一种新型的并且具有改进的螺旋纸板 芯适用性的结构层。本发明的另一个目的是提供一种螺旋纸板芯，其 包括至少一个这种结构层并且具有改进的强度性质。由于根据本发明 的结构层优于先前技术结构层，所以使其在芯壁厚中的份额和在芯壁 中的位置最佳化是值得的。如上所述，芯用原材料的质量级别，从而 芯的质量级别是和为其付出的/接收的成本密切相关的。

本发明还有一个目的是解决与上述目前使用的螺旋芯有关的问 题，并提供一种螺旋纸板芯，其满足例如由新印刷机运行参数设定的 芯强度要求。根据本发明的方案还适用于其它需要特别高的刚度的地 方。

通过根据后附权利要求的方案实现这些目的。

根据我们进行的试验，我们发现，根据本发明，当垂直机器方向 (CD)的螺旋纸板芯结构层的弹性模量E大大超过4500MPa时，就 为新一代印刷机提供了足够强固的芯，并且为目前的印刷机提供了比 原来更强固的芯。而且，结构层的机器方向(MD)的结构层弹性模量 E最好大大超过7500MPa。

本发明的新型纸板芯可通过用，或者单独地或者部分地，根据本 发明的结构层制造。这种结构层用的纸板是通过，例如，称为压干方 法的工序制造的。

基于压干的纸板可通过利用称为Condebelt的先前技术工序的 纸板机制造。用其它适合方法制造的并且符合根据本发明的强度要求 的结构层也可用于建造纸板芯。

由于压干是高效的工序，所以可能通过该方法增加结构层的弹性 模量，上述低强度级别照相凹版轮转印刷机芯结构层的机器方向的弹 性模量可至少提高到7500-10000MPa的水平，当卷绕角度为通常使 用的15-30°时，非常重要的垂直机器方向的弹性模量可提高到 4500-5000MPa的水平。例如，表明垂直机器方向上的弹性模量为 4800MPa的试验结果代表了该强度级别的相当高的标准。对于根据 本发明的较高强度水平的芯，它们对应照相凹版轮转印刷机芯的较高 或较好的强度水平。当使用了根据本发明的并且用较好质量压干材料 (例如，通过所谓的Condebelt方法)制造的结构层时，机器方向的 弹性模量可提高到约10000到12000MPa的水平，垂直机器方向的弹 性模量可提高到约5000到8000MPa的水平。例如，表明垂直机器方 向的结构层弹性模量水平为5500MPa和6500MPa的试验结果代表 了该强度级别的相当高的标准。

使用如本发明中描述的新结构层满足要在新一代照相凹版轮转 印刷机中使用的芯的强度要求，除原材料外，不需要以任何其它方式 改变芯的结构。

这样，通过利用本发明的方案，目前使用的较低强度级别芯的弹 性模量可提高到至少为5000到6000MPa的水平。例如，表明弹性模 量水平至少约为5500MPa的试验结果代表了该强度级别的相当高的 标准。较高强度级别芯的弹性模量可提高到至少约为6000-6500- 7000MPa的水平或甚至更高，其足以满足新一代照相凹版轮转印刷 机的要求。

如可看出的，用根据本发明的纸板层制造的芯的弹性模量值能够 很好地满足上述照相凹版轮转印刷机的强度要求。

根据本发明的纸板芯并不是专有地要应用于示范的新一代照相 凹版轮转印刷机的纸板芯中。它们可应用在对芯的强度要求高于普通 值的任何地方。例如，在卷地毯时就需要这种特别刚硬的芯。不象例 如卷纸，要卷绕在芯上的地毯不支撑芯，所以这种地毯芯要承受持续 时间特别长的应力。芯的内径自然可不同于上述目前照相凹版轮转印 刷机中通常使用的芯直径76和150毫米。

通过在制造照相凹版轮转印刷机芯中使用本发明的方案，内径为 76毫米的芯的应用范围可安全地扩展到比目前更宽更快的照相凹版 轮转印刷机。这样，根据本发明的方案为全新照相凹版轮转印刷机提 出的挑战提供了答案，并且改进了现存照相凹版轮转印刷机的经济 性。

上述压干(例如Condebelt)材料还可以与传统芯板结合使用， 以在弹性模量不需要相当高和由于或者有限可获量或者成本而希望 节省材料的情况下提供多等级构造。在这些情况下，具有高弹性模量 的结构层应用在，例如，强度是关键性因素的地方，而具有足够能力 的传统先前技术结构结构层用在其它地方。

可通过这样构造芯来改进螺旋卷绕多等级纸板芯的刚度，即使得 至少结构层之一是根据本发明的垂直机器方向的弹性模量至少为 4500Mpa的。而且，特别有利的是，机器方向的结构层弹性模量至少 为7500MPa。最好，根据本发明的结构层的份额至少为芯壁厚的1/ 5。其它可能的结构层可遵从先前技术。由于根据本发明的纸板芯结 构层优于先前技术的结构层，所以使其在芯壁厚中的份额及其在芯壁 中的位置最佳化是值得的。如上所述，芯原材料的质量级别从而完成 的芯的质量级别通常和为其付出的/接收的成本密切相关的。因此， 最好从芯制造者的观点和客户的观点来进行最佳化。

下面参考附图通过实例来详细描述根据本发明的结构层、用这种 结构层制造的纸板芯和改进纸板芯刚度的方法，其中

图1用图表示了作为卷绕角α的函数的不同纸板层制造的纸板芯 的弹性模量值，

图2表示了卷绕角α的定义，

图3表示了对于两种不同型式的纸板以不同卷绕角α计算的芯内 径的减少。

所附图1是作为卷绕角α(平均卷绕角)的函数的利用根据本发 明的纸板层制造的芯的弹性模量值的图解表示，这种芯是，例如照相 凹版轮转印刷机芯，其应用在造纸业、电影业和纺织业中，所述弹性 模量值与较高强度级别的先前技术传统芯的相应弹性模量值进行比 较。如上所述，当卷绕角为螺旋芯中通常使用的约15-35°时，垂 直机器方向的弹性模量对完成的螺旋芯的整体弹性模量具有非常重 要的影响。与本发明有关的纸板层卷绕角α(平均卷绕角)的定义表 示在图2中。卷绕角α(平均卷绕角)是指垂直纸板芯轴线的方向和 纸板层边缘之间的锐角α。在图1中，三个点的虚线指较低强度级别 的通常的先前技术照相凹版轮转印刷机芯。均匀的虚线还指较高强度 级别的通常的先前技术照相凹版轮转印刷机芯。在该芯中，考虑到其 方向比即方向比的数值很小，用作芯材料的纸板尽可能为正方形。打 点的虚线指用本发明的结构层构造的照相凹版轮转印刷机芯，实线指 用本发明的结构层制造的另一种照相凹版轮转印刷机芯。

当在螺旋卷绕的纸板芯上卷薄膜或纱线时，要被卷绕的材料对芯 产生径向压缩应力，芯的内径就要承受压缩，压缩会使芯变形，即， 使芯的内径减少。在实际情况中，对于某些型式的卷绕卡盘当芯趋向 于卡在其上时，就会造成问题。

在实际中，当在螺旋卷绕的纸板芯或导纱器上卷绕纱线时，卷绕 环境可能仍然是湿的。这增加了芯内径减少和芯卡在卷绕中心上的趋 势。

我们发现，如从附图3中所看到的，通过使用根据本发明的结构 层构造这种芯，可以大大减轻芯内径减少的趋势。

图3所示为对于两种不同的纸板等级利用不同的卷绕角α(平均 卷绕角)计算的芯的内径减少。用圆圈标记的目前通常使用的纸板的 方向比在试验中约为1.6。机器方向(MD)的弹性模量约为7000MPa， 垂直机器方向(CD)的弹性模量约为3000MPa。用三角形标记的用 压干制造的纸板(例如Condebelt纸板)的方向比在试验中约为1.8， 机器方向(MD)的弹性模量约为11000MPa，垂直机器方向(CD)的 弹性模量约为6000MPa。