用于制造纳米纤维素的设备和方法技术

本发明专利技术涉及用于由含纤维(3，4)的材料混合物(2)制造纳米纤维(5)、特别是纳米纤维素(6)的设备(1)和方法，该设备(1)包括：具有排出口(12)的至少一个排出元件(11)，其用于使含纤维的材料混合物(2)通过；至少一个供给装置(19)，其用于利用可预设的过程压力(15)在排出元件(11)上提供含纤维的材料混合物(2)；至少一个进给装置(18)，其用于将所述排出元件(11)定位；其中，为了将含纤维的材料混合物(2)粉碎，与所述至少一个排出元件(11)相对置地设置有可运动的加工主体(7)，其中，在含纤维(3)的材料混合物(2)通过所述排出元件(11)时在该排出元件(11)与可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)之间构成间隙状的加工区(16)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造纳米纤维素的设备和方法
本专利技术涉及用于由含纤维/特别是纸浆或者纤维素的材料混合物制造纳米纤维/特别是纳米纤维素的设备和方法。
技术介绍
迄今为止，为了生产纳米纤维素，开发了一系列用于由天然原材料、特别是由纤维素或者纸浆制造纳米纤维的设备和方法。在专业文献中主要在微纤维和/或纳米纤维之间进行区分，其中使用了很多不同的概念，诸如微米化纤维纤维素(MFC)或纳米化纤维纤维或者纳米化纤维纤维素(NFC)。这样的材料例如作为增强材料亦或作为用于纸张、卡纸等的阻隔层越来越多地应用在许多
中。在此通过将细胞壁分开和使纳米纤维、特别是使纳米纤维素露出来进行对纤维、特别是纤维素的加工。因此，粉碎主要是沿着纤维的纵向进行并且很少通过沿着横向剪短纤维进行。为了制造纳米纤维素，在现有技术中主要已知有微流化器。在一种微流化器中、诸如在EP3088605A1中，使含纤维的第一流体流与含纤维的第二流体流交叉，以将纤维素分解为纳米纤维素。因此在高压下将纤维引导通过具有固定的内部几何形状的微通道，在该微通道中由于剪切力和冲击效应将纤维的细胞壁破开。如例如在JP201304142A1中公开的那样，能够以均质器的方式实现用于制造纳米纤维素的另外的方法。在这种情况下，借助高压泵将含纤维的材料混合物挤压通过阀座，以便然后沿径向通过仅仅若干微米宽的均化空隙并且接着挤压到沿径向设置的冲击环上。这样的高压均质器的效果基于通过流体速度变化对纤维的剪切、冲击环上的冲击负荷以及空穴作用。如例如在WO2013072558A1中公开的那样，也可以借助磨浆机机或研磨机制造纳米纤维素。在磨浆机的情况中，通常将两个相互对应的研磨板相互靠近地引导直到研磨间隙为止，并将含纤维的材料混合物挤压到研磨板的中心。完全浸润的研磨板的对向运动能够实现将纤维粉碎为纳米纤维。迄今为止公知的方法和/或设备都需要高能耗并且由于狭窄部诸如阀座、通道、喷嘴和类似物的堵塞之故容易导致工序中断。此外，公知的设备不适于以小能耗加工大量用于制造纳米纤维、特别是纳米纤维素的含纤维的材料混合物。
技术实现思路
在后续说明的范畴中，主要利用造纸和纸浆工业的实例解释将纤维粉碎为纳米纤维的原理。然而根据本专利技术的设备和与此相关的方法按照意义不只用于植物纤维、而是类似地还用于其它含纤维的材料混合物，其具有动物纤维，诸如海鞘类的纤维或合成纤维。本专利技术的目的是：克服现有技术的缺点并提供一种设备和方法，使用者借助该设备和方法能够简单、能效高地和便于实施地粉碎材料混合物的纤维、特别是纤维素，以制造纳米纤维、特别是纳米纤维素。本专利技术的另一个目的在于：提高过程可靠性，将堵塞减少到最小程度甚至完全避免，并且能够加工大量含纤维、特别是纸浆的材料混合物。此外，本专利技术的目的是：提高经过加工的材料混合物的均匀性和/或保证连续生产。所述目的通过根据权利要求所述的设备和方法得以实现。根据本专利技术，以具有液态组分、特别是水的材料混合物的形式提供需粉碎的纤维、特别是纤维素或纸浆。材料混合物可以具有不同直径和/或长度的纤维分布。同样在材料混合物中可以包含有之前已经粉碎的纤维。需粉碎的纤维特别可以具有大量的微纤维，这些微纤维通常具有10至100nm的直径和0.5至10μm的长度。在本专利技术的范畴内，纳米纤维是指纤维或者微纤维的基本上纵向延伸的组成部分，所述纤维或者微纤维沿着厚度方向亦或具有约5至30nm范围内的直径和大得多的纵向延伸。纵向延伸与纳米纤维厚度的这个比例可以表达为“aspectratio(长宽比)”并且通常大于50。用于由含纤维的材料混合物制造纳米纤维、特别是纳米纤维素的设备包括：具有排出口的至少一个排出元件，其用于使含纤维的材料混合物通过；至少一个供给装置，其用于利用可预设的过程压力在排出元件上提供含纤维的材料混合物；以及至少一个进给装置，其用于使排出元件定位。为了将含纤维的材料混合物粉碎，与所述至少一个排出元件对置地设置有可运动的加工主体，其中，在含纤维的材料混合物通过排出元件时，在该排出元件与可运动的加工主体的加载有材料混合物的部分面之间构成间隙状的加工区。根据本专利技术的方法使用这样的设备并且包括以下方法步骤：-提供根据本专利技术的设备；-提供材料混合物，该材料混合物包括至少一个液体组分、优选水和纤维、优选纸浆；-使可运动的加工主体以可预设的相对速度相对所述至少一个排出元件运动；-以可预设的过程压力将含纤维的材料混合物挤压穿过所述至少一个排出元件；-通过将排出元件相对可运动的加工主体定位构成间隙状的加工区以用于在排出元件与可运动的加工主体的加载有材料混合物的部分面之间将纤维粉碎来加工材料混合物。通过加工主体相对排出元件和因此也相对排出口的相对运动，至少在间隙状构造的加工区中形成剪切区域。所述可预设的过程压力产生流体或者材料混合物在加工区中的速度变化并且允许材料混合物连续流过，该材料混合物的纤维在剪切区域中在细胞壁裂开的情况下被粉碎。在这种情况下，可以通过加工主体的相对运动将长的和/或未充分粉碎或者说加工的纤维和/或其它杂质从加工区中排出并防止设备堵塞。因此能够加工较大量的材料混合物，并且还能够提高经加工的材料混合物的均质性。此外因为弃用了复杂的构件，所以能够比较简单和经济地制造和运行根据本专利技术的设备。能够较简单地接近且方便地替换可能出现的磨损件，由此能够显著提高作业时间。在已知的设置单元、诸如磨浆机中，为了使完全浸入材料混合物中的、可相互运动的反作用体运动，需要较高的空转功率。因此本专利技术与现有技术的不同之处特别在于：仅仅给加工主体的较小的部分面加载材料混合物，由此能够实现特别高的能效。经加工的材料混合物在从加工区中排出时被大幅加速并且能够通过简单的方式被收集在将加工主体的和/或排出元件的至少部分包围的壳体中。因此加工主体的一部分不与材料混合物直接接触。所以加工主体能够低阻力地运动，由此能够将总功率消耗降低减少的空转功率量。因此根据本专利技术的设备或者方法非常适于加工具有合成和/或有机纤维的材料混合物。材料混合物中的纤维份额根据特定目的可以选择为约0.1体积％至约25体积％、优选1体积％至8体积％。通过在排出元件上将材料混合物排出到对置设置的加工主体的分表面上，可以引导可运动的加工主体沿着运动方向“被动地”运动。另外会是适宜的是：可运动的加工主体构造为能够借助驱动设备沿基本上侧向于、优选垂直于排出元件的排出元件轴线的运动方向驱动。这相当于可运动的加工主体沿所述运动方向的“主动的”和因此可调节的运动。排出元件轴线基本上对应于在排出口中心穿过排出元件的假想的纵轴线。在此，所述运动基本上侧向于、优选垂直于排出元件的排出元件轴线进行并且可以借助驱动设备导入和调节。通过这种方式能够比较简单地调节加工区中的相对速度并因此调节剪切力的大小。原则上也可考虑的是：加工主体的运动方向基本上与以预设角度喷射到加工主体的加载有材料的部分面上的材料混合物的流动方向相反。此外可以规定：可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于由含纤维(3，4)的材料混合物(2)制造纳米纤维(5)、特别是纳米纤维素(6)的设备(1)，该设备包括：/n-具有排出口(12)的至少一个排出元件(11)，其用于使含纤维的材料混合物(2)通过；/n-至少一个供给装置(19)，其用于利用可预设的过程压力(15)在排出元件(11)上提供含纤维的材料混合物(2)；/n-至少一个进给装置(18)，其用于将所述排出元件(11)定位；/n其特征在于：为了将含纤维的材料混合物(2)粉碎，与所述至少一个排出元件(11)相对置地设置有可运动的加工主体(7)，其中，在含纤维(3)的材料混合物(2)通过所述排出元件(11)时在该排出元件(11)与所述可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)之间构成间隙状的加工区(16)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180718 AT A50627/20181.用于由含纤维(3，4)的材料混合物(2)制造纳米纤维(5)、特别是纳米纤维素(6)的设备(1)，该设备包括：
-具有排出口(12)的至少一个排出元件(11)，其用于使含纤维的材料混合物(2)通过；
-至少一个供给装置(19)，其用于利用可预设的过程压力(15)在排出元件(11)上提供含纤维的材料混合物(2)；
-至少一个进给装置(18)，其用于将所述排出元件(11)定位；
其特征在于：为了将含纤维的材料混合物(2)粉碎，与所述至少一个排出元件(11)相对置地设置有可运动的加工主体(7)，其中，在含纤维(3)的材料混合物(2)通过所述排出元件(11)时在该排出元件(11)与所述可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)之间构成间隙状的加工区(16)。


2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于：所述可运动的加工主体(7)构造为，能够借助驱动设备(2)沿着基本上侧向于、优选垂直于排出元件(11)的排出元件轴线(21)的运动方向(23)被驱动。


3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，特征在于：所述可运动的加工主体(7)构造为旋转对称的，例如构造为盘(22)、柱体、锥体，或者构造为带状的，诸如链条或带。


4.根据前述权利要求之任一项所述的设备(1)，其特征在于：所述可运动的加工主体(7)构造为盘(22)，其侧向于、优选垂直于所述排出元件(11)可旋转。


5.根据权利要求4所述的设备(1)，其特征在于：所述至少一个进给装置(18)构造为能平行于所述盘(22)的旋转轴线(24)运动，以调节排出元件轴线(21)与旋转轴线(24)的可预设的径向间距(25)。


6.根据前述权利要求之任一项所述的设备(1)，其特征在于：所述排出元件(11)构造有至少部分围绕所述排出口(12)构造的功能面(13)，其用于在加工区(16)中形成流体动力轴承(29)。


7.根据权利要求6所述的设备(1)，其特征在于：所述功能面(13)沿着运动方向(23)具有比沿着横向和/或反向于该运动方向(23)更大的纵向延伸。


8.根据权利要求6或7所述的设备(1)，其特征在于：所述功能面(13)构造为与可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)基本上形状互补。


9.根据前述权利要求之任一项所述的设备(1)，其特征在于：所述至少一个排出元件(11)构造为能够以排出元件轴线(21)相对可运动的加工主体(7)的表面(8)的可预设的立体角(26)定向。


10.根据前述权利要求之任一项所述的设备(1)，其特征在于：所述至少一个进给装置(18)构造为可定向的，以调节在所述至少一个排出元件(11)与所述可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)之间的作业间距(17)和/或立体角(26)。


11.根据前述权利要求之任一项所述的设备(1)，其特征在于：至少一个排出元件(11)的端部部段(14)相对对置的、加载有材料介质的部分面(10)至少部分可运动地支承。


12.根据前述权利要求之任一项所述的设备(1)，其特征在于：至少两个排出元件(11)设置为相对所述可运动的加...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·亚罗利姆，
申请(专利权)人：亚罗利姆法斯泰科尼克股份有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT