AT520178B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Nanozellulose - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) sowie ein Verfahren zur Herstellung von Nanofasern (5), insbesondere von Nanozellulose (6) aus einem Fasern (3, 4) beinhaltenden Stoffgemisch (2), wobei die Vorrichtung (1) zumindest ein Austrittselement (11) mit einer Austrittsöffnung (12), zum Durchlass eines faserhaltigen Stoffgemisches (2), zumindest eine Versorgungseinrichtung (19) zum Bereitstellen des faserhaltigen Stoffgemisches (2) am Austrittselement (11) mit einem vorgebbaren Prozessdruck (15), zumindest eine Zustellvorrichtung (18) zur Positionierung des Austrittselements (11) umfasst und wobei zur Zerkleinerung des faserhaltigen Stoffgemisches (2) ein bewegbarer Bearbeitungskörper (7) relativ zum zumindest einen Austrittselement (11) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei bei Durchlass des Fasern (3) beinhaltenden Stoffgemisches (2) durch das Austrittselement (11) eine spaltförmige Bearbeitungszone (16) zwischen dem Austrittselement (11) und einer stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche (10) des bewegbaren Bearbeitungskörpers (7) ausgebildet ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Nanofasern, insbesondere Nanozellulose aus einem Fasern, insbesondere Zellstoff bzw. Zellulose, beinhaltenden Stoffgemisch.

[0002] Bislang wurde eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Nanofasern aus natürlichen Rohstoffen, insbesondere aus Zellulose bzw. Zellstoff zur Erzeugung von Nanozellulose entwickelt. In der Fachliteratur wird unter anderem zwischen Mikro- und/oder Nanofasern unterschieden, wobei zahlreiche, verschiedene Begriffe verwendet, wie z.B. mikrofibrillierte Zellulose (MFC) oder nanofibrillierte Fasern bzw. nanofibrillierte Zellulose (NFC), werden. Derartige Materialien werden zunehmend in vielen technischen Bereichen z.B. als Verstärkungsmaterialien, oder auch als Barriereschichten für Papier, Karton und dergleichen, eingesetzt.

[0003] Die Bearbeitung von Fasern, insbesondere Zellulose, wird dabei durch Aufspalten der Zellwände und Freilegen der Nanofasern, insbesondere von Nanozellulose, vorgenommen. Demnach erfolgt die Zerkleinerung vor allem in Längsrichtung der Fasern und weniger durch das Kürzen der Fasern in Querrichtung.

[0004] Zur Herstellung von Nanozellulose sind dem Stand der Technik unter anderem Microfluidizer bekannt. In einem Microfluidizer, wie etwa in der EP3088605A1, wird ein erster faserbeinhaltender Fluidstrom mit einem zweiten faserbeinhaltenden Fluidstrom gekreuzt um einen Aufschluss der Zellulose zu Nanozellulose zu bewirken. Die Fasern werden somit unter hohem Druck durch einen Mikrokanal mit fester interner Geometrie geführt, in dem aufgrund von Scherkräften und Pralleffekten die Zellwände der Fasern aufgebrochen werden.

[0005] Eine weitere Methode zur Herstellung von Nanozellulose kann in Form eines Homogenisierers realisiert werden, wie etwa in der JP201304142A1 offenbart. Hierbei wird ein faserbeinhaltendes Stoffgemisch mittels einer Hochdruckpumpe durch einen Ventilsitz gepresst um dann radial durch einen nur wenige Mikrometer breiten Homogenisierspalt und anschließend auf einen radial angeordneten Prallring gepresst zu werden. Die Wirkung eines derartigen Hochdruckhomogenisators basiert auf der Scherung der Fasern durch die Geschwindigkeitsänderung des Fluids, der Prallbeanspruchung am Prallring, sowie auf Kavitation.

[0006] Es ist auch möglich Nanozellulose mittels eines Refiners oder auch Mahlmaschine, wie beispielsweise in der WO2013072558A1 offenbart, herzustellen. Bei Refinern werden üblicherweise zwei miteinander korrespondierende Mahlplatten bis auf einen Mahlspalt aneinander geführt und ein faserhaltiges Stoffgemisch in das Zentrum der Mahlplatten gepresst. Die gegenläufige Bewegung der vollständig benetzten Mahlplatten ermöglicht die Zerkleinerung von Fasern zu Nanofasern.

[0007] Die bislang bekannten Verfahren und/oder Vorrichtungen benötigen einen hohen Energieaufwand und neigen zu Verfahrensabbrüchen aufgrund von Verstopfungen an Engstellen, wie etwa Ventilsitzen, Kanälen, Düsen und dergleichen. Überdies sind bekannte Vorrichtungen nicht dazu geeignet große Mengen eines faserhaltigen Stoffgemisches zur Herstellung von Nanofasern, insbesondere Nanozellulose, mit geringem Energieaufwand zu verarbeiten.

[0008] Im Rahmen der folgenden Erläuterung werden vordergründig Beispiele aus der Papierund Zellstoffindustrie herangezogen um das Prinzip der Zerkleinerung von Fasern zu Nanofaser zu erklären. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das damit verbundene Verfahren lassen sich jedoch sinngemäß nicht nur auf pflanzliche Fasern, sondern analog auch auf andere faserhaltige Stoffgemische mit tierischem, wie etwa Fasern aus Seescheiden, oder synthetischem Ursprung anwenden.

[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein Benutzer in der Lage ist, eine einfache, energieeffiziente, und günstig umsetzbare Zerkleinerung von Fasern eines Stoffgemisches, insbesondere von Zellulose, zur Herstellung von Nano

1/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt fasern, insbesondere Nanozellulose, vorzunehmen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin die Prozesssicherheit zu erhöhen, Verstopfungen zu minimieren oder sogar gänzlich zu vermeiden, und große Mengen an Fasern, insbesondere Zellstoff, beinhaltendem Stoffgemisch bearbeiten zu können. Überdies liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde die Homogenität des bearbeiteten Stoffgemischs zu erhöhen und/oder eine kontinuierliche Produktion zu gewährleisten.

[0010] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.

[0011] Die zu zerkleinernden Fasern, insbesondere Zellulose oder auch Zellstoff, werden erfindungsgemäß in Form eines Stoffgemischs mit einer flüssigen Komponente, insbesondere Wasser, bereitgestellt. Das Stoffgemisch kann eine Verteilung von Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Länge aufweisen. Ebenso können bereits zuvor zerkleinerte Fasern im Stoffgemisch enthalten sein. Die zu zerkleinernden Fasern können insbesondere eine Vielzahl von Mikrofibrillen aufweisen, welche üblicherweise einen Durchmesser von 10 bis 100 nm und eine Länge von 0,5 bis 10 μm aufweisen.

[0012] Unter Nanofasern werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen längserstreckte Bestandteile von Fasern bzw. Mikrofibrillen verstanden, welche in eine Dickenrichtung oder auch einen Durchmesser im Bereich von etwa 5 bis 30 nm aufweisen und eine signifikant größere Längserstreckung aufweisen. Dieses Verhältnis von Längserstreckung zur Nanofaserdicke kann als „aspect ratio“ ausgedrückt werden und ist üblicherweise größer als 50.

[0013] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Nanofasern, insbesondere von Nanozellulose, eines Fasern beinhaltenden Stoffgemischs, umfasst zumindest ein Austrittselement mit einer Austrittsöffnung, zum Durchlass eines faserhaltigen Stoffgemisches zumindest eine Versorgungseinrichtung zum Bereitstellen des faserhaltigen Stoffgemisches am Austrittselement mit einem vorgebbaren Prozessdruck, sowie zumindest eine Zustellvorrichtung zur Positionierung des Austrittselements. Zur Zerkleinerung des faserhaltigen Stoffgemisches ist ein bewegbarer Bearbeitungskörper relativ zum zumindest einen Austrittselement gegenüberliegend angeordnet, wobei bei Durchlass des Fasern beinhaltenden Stoffgemisches durch das Austrittselement eine spaltförmige Bearbeitungszone zwischen dem Austrittselement und einer stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche des bewegbaren Bearbeitungskörpers ausgebildet ist.

[0014] Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich einer derartigen Vorrichtung und umfasst die Verfahrensschritte:

- Bereitstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

- Bereitstellung des Stoffgemischs, welches zumindest ein eine Flüssigkomponente, bevorzugt Wasser, und Fasern, bevorzugt Zellstoff umfasst;

- Bewegen des bewegbaren Bearbeitungskörpers relativ zum zumindest einen Austrittselement mit einer vorgebbaren Relativgeschwindigkeit;

- Durchpressen des Fasern beinhaltenden Stoffgemisches durch das zumindest eine Austrittselement mit einem vorgebbaren Prozessdruck;

- Bearbeitung des Stoffgemischs durch Ausbilden einer spaltförmigen Bearbeitungszone zur Zerkleinerung von Fasern zwischen dem Austrittselement und einer stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche des bewegbaren Bearbeitungskörpers durch Positionieren des Austrittselements relativ zum bewegbaren Bearbeitungskörper.

[0015] Durch die Relativbewegung des Bearbeitungskörpers relativ zum Austrittselement und somit auch der Austrittsöffnung, wird ein Scherfeld zumindest in der spaltförmig ausgebildeten Bearbeitungszone gebildet. Der vorgebbare Prozessdruck erzeugt eine Geschwindigkeitsänderung des Fluids bzw. Stoffgemischs in der Bearbeitungszone und erlaubt einen kontinuierlichen Durchfluss des Stoffgemischs, dessen Fasern im Scherfeld unter Auftrennen der Zellwände zerkleinert werden. Hierbei können lange und/oder nicht ausreichend zerkleinerte bzw. bearbeitete Fasern und/oder anderes Störmaterial durch die Relativbewegung des Bearbeitungskörpers aus der Bearbeitungszone abgeführt werden und ein Verstopfen der Vorrichtung verhindern. Somit können eine relativ hohe Menge an Stoffgemisch bearbeitet werden und auch die

2/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt

Homogenität des bearbeiteten Stoffgemischs erhöht werden.

[0016] Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann überdies relativ einfach und kostengünstig hergestellt und betrieben werden, da komplizierte Bestandteile entfallen. Etwaige Verschleißteile sind relativ einfach zugänglich und günstig zu ersetzen, wodurch die Einsatzzeiten signifikant erhöht werden können.

[0017] Bei bekannten Anordnungen, wie etwa einem Refiner, ist eine vergleichsweise hohe Leerlaufleistung für die Bewegung von, vollständig in das Stoffgemisch eingetauchten, zueinander beweglichen Gegenkörpern erforderlich. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik also im Besonderen dadurch, dass lediglich eine vergleichsweise geringe Teilfläche des Bearbeitungskörpers mit dem Stoffgemisch beaufschlagt wird, wodurch eine besonders hohe Energieeffizienz erzielt werden kann. Das bearbeitete Stoffgemisch wird beim Austritt aus der Bearbeitungszone sehr stark beschleunigt und kann auf einfache Weise in einem, zumindest Teile des Bearbeitungskörpers und/oder des Austrittselements umgebenden, Gehäuse aufgefangen werden. Somit ist ein Teil des Bearbeitungskörpers nicht in direktem Kontakt mit dem Stoffgemisch. Der Bearbeitungskörper lässt sich daher widerstandsarm bewegen, wodurch die gesamte Leistungsaufnahme signifikant um den Betrag der eingesparten Leerlaufleistung reduziert werden kann.

[0018] Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren sind somit zur Bearbeitung von Stoffgemischen mit synthetischen und/oder organischen Fasern hervorragend geeignet. Der Anteil an Fasern im Stoffgemisch kann aufgabenspezifisch von etwa 0,1 bis etwa 25 Vol.%, bevorzugt von 1 bis 8 Vol.%, gewählt werden.

[0019] Durch den Stoffaustritt des Stoffgemisches am Austrittselement auf eine Teilfläche des gegenüberliegend angeordneten Bearbeitungskörpers kann eine „passive“ Bewegung des bewegbaren Bearbeitungskörpers in eine Bewegungsrichtung eingeleitet werden.

[0020] Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, wenn der bewegbare Bearbeitungskörper in eine Bewegungsrichtung im Wesentlichen seitlich, bevorzugt normal, zu einer Austrittselementachse des Austrittselements mittels einer Antriebsvorrichtung antreibbar ausgebildet ist.

[0021] Dies entspricht einer „aktiven“ und somit regelbaren Bewegung des bewegbaren Bearbeitungskörpers in die Bewegungsrichtung. Die Austrittselementachse entspricht im Wesentlichen einer gedachten Längsachse durch das Austrittselement im Zentrum der Austrittsöffnung. Die Bewegung erfolgt dabei im Wesentlichen seitlich, bevorzugt normal, zur Austrittselementachse des Austrittselements und kann mittels der Antriebsvorrichtung eingeleitet und geregelt werden. Auf diese Weise können die Relativgeschwindigkeit und somit die Höhe der Scherkräfte in der Bearbeitungszone relativ einfach eingestellt werden.

[0022] Grundsätzlich ist auch denkbar, dass die Bewegungsrichtung des Bearbeitungskörpers im Wesentlichen entgegengesetzt zu einer Flussrichtung des, in einem vorgegebenen Winkel auf die stoffbeaufschlagte Teilfläche des Bearbeitungskörpers treffenden, Stoffgemisches gerichtet ist.

[0023] Ferner kann vorgesehen sein, dass der bewegbare Bearbeitungskörper rotationssymmetrisch, etwa als eine Scheibe, Zylinder, Kegel, Trommel oder bandförmig, wie etwa eine Kette oder Band, ausgebildet ist.

[0024] Die Auswahl der Geometrie des Bearbeitungskörpers kann vom Fachmann in Anbetracht der verfügbaren Platzverhältnisse, Fördermengen, Antriebsleistung und dergleichen vorgenommen werden. In gewissen Fällen können daher bandförmige Bearbeitungskörper von Vorteil sein, welche ebenfalls nur teilflächig mit Stoffgemisch beaufschlagt werden. Die rotationssymmetrischen Bearbeitungskörper erlauben ebenso eine relativ simple, aufgabengemäße Konstruktion und können zudem sehr formstabil ausgebildet sein ohne einen überhöhten Energieaufwand für die Bewegung in Kauf nehmen zu müssen, da jeweils nur eine stoffbeaufschlagte Teilfläche vom Stoffgemisch bespritzt wird.

[0025] Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann,

3/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt dass der bewegbare Bearbeitungskörper als Scheibe seitlich, bevorzugt normal, zum Austrittselement rotierbar ausgebildet ist.

[0026] Bei der Ausführung als Scheibe oder Platte können die Vorteile einer günstigen Beschaffung, hoher Lebensdauer und geringem Wartungsaufwand besonders gut genützt werden.

[0027] Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Zustellvorrichtung parallel zu einer Rotationsachse der Scheibe, zur Einstellung eines vorgebbaren Radialabstandes der Austrittselementachse von der Rotationsachse, beweglich ausgebildet ist.

[0028] Diese Ausführungsform erlaubt eine eigenständige oder auch zusätzliche Möglichkeit zur Regelung der Relativgeschwindigkeit in der Bearbeitungszone, welche durch die unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Radialabstand zur Rotationsachse relativ einfach einstellbar ist. Diese Maßnahme kann ergänzend oder auch anstatt einer Drehzahlregelung der Antriebseinrichtung vorgesehen sein, was insbesondere bei „passiv“ angetriebenen Bearbeitungskörpern eine wirkungsvolle Methode zur Einstellung der Scherkräfte bietet.

[0029] Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass das Austrittselement eine die Austrittsöffnung zumindest teilweise umfänglich ausgebildete Funktionsfläche zur Ausbildung eines hydrodynamischen Lagers in der Bearbeitungszone aufweist. Bevorzugt ist das Austrittselement mit der Funktionsfläche einteilig ausgebildet, kann jedoch auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein und etwa in Form eines auswechselbaren Endabschnitts des Austrittselements ausgebildet sein.

[0030] Die Verwendung eines derartig ausgeführten Austrittselements erlaubt die Ausbildung eines hydrodynamischen Lagers, wodurch das Austrittselement berührungslos in einem vorgebbaren Arbeitsabstand von der stoffbeaufschlagten Teilfläche beabstandet werden kann. Die stoffbeaufschlagte Teilfläche korrespondiert in ihrer Form und/oder Größe im Wesentlichen mit der Funktionsfläche. Dies erlaubt auf einfache Weise die, für die Ausbildung der zur Zerkleinerung der Fasern erforderlichen Scherkräfte, günstigen Drücke, wie etwa Prozessdruck des Stoffgemischs und/oder Anpressdruck des Austrittselements, zu erhöhen ohne dass das Austrittselement am Bearbeitungskörper schleift. Ein Schleifen des Austrittselements bzw. der Funktionsfläche kann unter anderem durch die Ausbildung eines Flüssigkeitskeils in der Bearbeitungszone vermieden werden.

[0031] Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn die Funktionsfläche eine in Bewegungsrichtung größere Längserstreckung aufweist als in eine Querrichtung und/oder entgegen der Bewegungsrichtung.

[0032] Durch die Optimierung der Form der Funktionsfläche kann eine Homogenisierung des Stoffmittelaustritts entlang des Umfangs der Funktionsfläche bewirkt werden. Auf diese Weise kann außerdem die Stabilität des hydrodynamischen Lagers verbessert werden und die Homogenität und/oder Qualität des bearbeiteten Stoffgemischs verbessert werden.

[0033] Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Funktionsfläche zur stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche des bewegbaren Bearbeitungskörpers im Wesentlichen formkomplementär ausgebildet ist.

[0034] Insbesondere bei gewölbten Innen- oder Außenflächen des Bearbeitungskörpers, wie etwa bei einem Zylinder oder einem Kegel, kann diese Maßnahme die Homogenität des Stoffgemischaustritts aus der Bearbeitungszone, welche zur unebenen stoffmittelbeaufschlagten Teilfläche ausgebildet wird, erhöhen. Dies kann entscheidend dazu beitragen die lokalen Austrittsgeschwindigkeiten und/oder Scherkräfte auf die zu bearbeitenden Fasern in der Bearbeitungszone über die Funktionsfläche zu homogenisieren, was zur Erhöhung der Qualität beiträgt.

[0035] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Austrittselement in einem vorgebbaren Raumwinkel der Austrittselementachse relativ zur Oberfläche des bewegbaren Bearbeitungskörpers ausrichtbar ausgebildet ist.

[0036] Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Einsteilbarkeit und Stabilisierung des

4/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt hydrodynamischen Lagers. Überdies kann eine winkelige Anstellung des Austrittselements, insbesondere bei „passiv“ bewegten Bewegungskörpern, zur Einstellung der Relativgeschwindigkeit und/oder der Scherkräfte in der Bearbeitungszone genutzt werden. Diese Möglichkeit ist relativ einfach und kostengünstig umsetzbar und erlaubt eine Erhöhung der Qualität des bearbeiteten Stoffgemischs.

[0037] Gemäß einer besonderen Ausprägung ist es möglich, dass die zumindest eine Zustellvorrichtung zur Einstellung eines Arbeitsabstandes und/oder eines Raumwinkels zwischen dem zumindest einen Austrittselement und der stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche des bewegbaren Bearbeitungskörpers ausrichtbar ausgebildet ist.

[0038] Dies kann eigenständig oder auch in Kombination mit anderen Maßnahmen, wie etwa der winkeligen Anstellung oder auch der Einstellung des Prozessdrucks des Stoffgemischs, erfolgen.

[0039] Es kann dabei besonders vorteilhaft sein, die Relativgeschwindigkeit des bewegten Bearbeitungskörpers, zur Einstellung von in der spaltförmigen Bearbeitungszone ausgebildeten Scherkräften, zu regeln. Ebenso kann es vorteilhaft sein, dass der Arbeitsabstand zwischen dem zumindest einen Austrittselement und der korrespondierenden stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche zur Einstellung von Druckkräften auf den bewegten Bearbeitungskörper mittels zumindest der Zustellvorrichtung geregelt wird.

[0040] Somit kann z.B. der Anpressdruck des Austrittselements gezielt eingestellt und somit die Austrittsgeschwindigkeit des bearbeiteten Stoffgemischs beeinflusst werden, wodurch die Höhe der Scherkräfte in der spaltförmigen Bearbeitungszone gezielt eingestellt werden kann.

[0041] Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass ein Raumwinkel der Austrittselementachse zumindest eines Austrittselements, bevorzugt zur Ausbildung eines notwendigen Flüssigkeitskeils des hydrodynamischen Lagers, mittels zumindest einer Zustellvorrichtung geregelt wird.

[0042] Hierdurch kann die Höhe der Scherkräfte in der Bearbeitungszone gezielt eingestellt werden. Ferner kann diese Maßnahme zur Kompensation von verschlissenen Austrittselementen und/oder Funktionsflächen genutzt werden. Dies erlaubt eine verbesserte Homogenität und/oder Qualität des bearbeiteten Stoffgemischs über die Einsatzdauer bzw. Lebensdauer der Verschleißteile.

[0043] Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn ein Endabschnitt zumindest eines Austrittselements relativ zur gegenüberliegenden stoffmittelbeaufschlagten Teilfläche zumindest teilweise beweglich gelagert ist.

[0044] Der Endabschnitt des Austrittselements kann eine Funktionsfläche umfassen, wodurch sich eine Stabilisierung des hydrodynamischen Lagers einstellt. Der Endabschnitt kann im Wesentlich frei beweglich als eine Art schwimmende Lagerung des Austrittselements ausgebildet sein, oder auch voreinstellbar, wodurch eine Kompensation von Verschleiß am Austrittselement und/oder einer Funktionsfläche ermöglicht wird. Überdies können Verstopfungen durch lange und/oder nicht ausreichend bearbeitete Fasern vermieden werden.

[0045] Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest zwei Austrittselemente symmetrisch in Umfangsrichtung und/oder Radialrichtung relativ zum bewegbaren Bearbeitungskörper angeordnet sind.

[0046] Durch die Anordnung mehrerer Austrittselemente, welche mit einem gemeinsamen Bearbeitungskörper jeweils eine Bearbeitungszone ausbilden lässt sich der Durchsatz an Stoffgemisch deutlich erhöhen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da sich im laufenden Betrieb bedarfsgemäß, eine oder mehrere Austrittselemente relativ einfach ,,zu-/abschalten“ lassen und sogar Wartungsarbeiten einzelner Austrittselemente möglich sind. Außerdem kann diese Maßnahme dazu genützt werden, etwaige Biegemomente, welche durch den Prozessdruck und/oder die Anpressdrücke auf den Bearbeitungskörper aufgebracht werden, zu verringern oder sogar vollständig zu kompensieren. Die erlaubt eine stabilere und wartungsärmere Vorrich

5/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt tung.

[0047] Ferner kann vorgesehen sein, dass zumindest ein zweites Austrittselement einem ersten Austrittselement im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet ist, wobei das erste Austrittselement einer ersten Oberfläche des bewegbaren Bearbeitungskörpers und das korrespondierende zweite Austrittselement einer, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden, zweiten Oberfläche zugeordnet ist.

[0048] Durch die Ausbildung mehrerer Austrittselemente, welche mit einem Bearbeitungskörper jeweils eine Bearbeitungszone ausbilden lässt sich der Durchsatz an Stoffgemisch deutlich erhöhen. Durch die gegenüberliegende Anordnung zweier korrespondierender Austrittelemente kann eine Reduktion der Biegemomente, bis hin zu einer vollständigen Kompensation der Biegemomente, auf z.B. die Antriebsachse des Bearbeitungskörpers oder auch den Bearbeitungskörper selber, bewirkt werden. Diese Maßnahme kann sowohl bei bandförmigen Bearbeitungskörpern, wie auch bei rotationssymmetrischen Bearbeitungskörpern, wie etwa einem Zylinder oder einer Scheibe, von Vorteil sein, sofern sich die stoffmittelbeaufschlagten Teilflächen der korrespondierenden Austrittselemente im Wesentlichen an der ersten und zweiten Oberfläche gegenüberliegen.

[0049] Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass entlang der Bewegungsrichtung und/oder normal zur Bewegungsrichtung bewegbaren Bearbeitungskörpers zumindest zwei Austrittselemente angeordnet sind.

[0050] Es ist hierbei ebenso denkbar, dass die Austrittselemente in zumindest eine Richtung gestaffelt, also zueinander versetzt, angeordnet sind. Die Anordnung mehrerer Austrittselemente erlaubt eine höhere Produktivität unter Verwendung lediglich eines gemeinsamen Bearbeitungskörpers. Dieser Vorteil ist analog zur Ausbildung der oben genannten, einander an ersten und zweiten Oberflächen gegenüberliegend angeordneten, Austrittselementen vor allem darin zu sehen, dass die Leistungsaufnahme zum Antrieb des bewegbaren Bearbeitungskörpers nur geringfügig ansteigt oder sogar vernachlässigbar ist. Hierdurch kann sehr energieeffizient und kostengünstig eine große Menge an Stoffgemisch gleichzeitig bearbeitet werden. Es ist somit leicht vorstellbar, dass mehrere Austrittselemente entlang eines Zylinders oder auch Kegels angeordnet sein können. Dabei können die Austrittselemente grundsätzlich auch an der ersten Oberfläche, also beispielsweise einer Außenfläche des Zylinders, einander gegenüberliegend angeordnet sein, wodurch eine Kompensation der Biegemomente auf die Antriebsachse des Bearbeitungskörpers bewirkt werden kann. Ebenso ist denkbar, die Austrittselemente in Umfangsrichtung einer Scheibe anzuordnen, was den gleichen Effekt auf die Scheibe bewirkt.

[0051] Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass zumindest der bewegbare Bearbeitungskörper von der Antriebsvorrichtung mittels zumindest einem berührenden und/oder berührungslosen Dichtelement, bevorzugt einer wartungsfreien Labyrinthdichtung, von einem Gehäuse abgedichtet angeordnet ist.

[0052] Durch die relativ einfache Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf aufwändige Dichtungslösungen verzichtet werden. Die Bearbeitung des Stoffgemischs erfolgt zwar unter Beaufschlagung mit einem Prozessdruck, allerdings ist das Stoffgemisch nach Austritt in der Regel lediglich atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt. Zum Auffangen des bearbeiteten Stoffgemisches ist ein Gehäuse vorteilhaft, welches zumindest die stoffmittelbeaufschlagten Teilflächen, bevorzugt den gesamten Bearbeitungskörper, gegenüber der Umgebung abschirmt. Zur Abdichtung der Gehäuseöffnungen wie etwa den Austrittselementen oder einer Antriebswelle können z.B. einfache berührende Gummidichtungen verwendet werden, oder auch selbstdichtende, wartungsfreie Labyrinthdichtungen, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Dies ermöglicht besonders lange Wartungsintervalle und geringe Herstellungskosten.

[0053] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn dem Gehäuse ein Auffangbehälter zum Auffangen und/oder Weiterverarbeiten des bearbeiteten Stoffgemisches zugeordnet ist. In gewissen Fällen kann eine im Wesentlichen vollständige Abdichtung des Gehäuses vorteilhaft sein, um den Bearbeitungsraum unter Unter- oder Überdruck zu setzen oder auch eine Schutzgas

6/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt atmosphäre darin auszubilden, wodurch sich die Qualität des bearbeiteten Stoffgemischs gezielt beeinflussen lässt.

[0054] Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass vor der Bereitstellung des Stoffgemischs eine chemische und/oder enzymatische und/oder mechanische Vorbehandlung, bevorzugt im Zuge eines Mahlvorgangs in einem Refiner, des Stoffgemischs vorgenommen wird.

[0055] Durch eine chemische und/oder enzymatische Vorbehandlung kann das Auftrennen der Faserbestandteile gezielt beeinflusst werden, wodurch die Zerkleinerung zu Nanofasern, insbesondere Nanozellulose, erleichtert werden kann. Eine derartige Vorbehandlung kann in einer externen Vorrichtung erfolgen oder auch in einem dafür vorgesehenen Abschnitt der Versorgungseinrichtung. Ebenso ist eine mechanische Vorbehandlung zur Einstellung einer vorgebbaren Faserlänge bzw. Verteilung der Faserlängen und/oder -durchmesser denkbar, welche z.B. durch dem Fachmann bekannte Refiner und die dazugehörigen Verfahren durchgeführt werden kann. Somit kann eine geeignete Vorbehandlung zur Erhöhung der Qualität des bearbeiteten Stoffgemischs verwendet werden.

[0056] Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest die Verfahrensschritte des Durchpressens und Bearbeitens mit zumindest Teilen des bearbeiteten Stoffgemischs wiederholt werden.

[0057] Durch mehrmalige Bearbeitung des Fasern beinhaltenden Stoffgemischs, kann die Qualität und Homogenität des bearbeiteten Stoffgemischs erhöht werden. Es ist dabei denkbar zumindest Teile, oder auch die gesamte Menge, des bearbeiteten Stoffgemischs eines Durchgangs der Vorrichtung erneut zuzuführen. Dabei kann ein Kreislaufsystem zwischen Auffangbehälter und Versorgungseinrichtung sehr einfach dazu genutzt werden, eine vorgebbare Faserdurchmesser- und/oder -längenverteilung zu erzielen. In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Flüssigkeitskomponente des bearbeiteten und wieder für die erneute Zuführung vorgesehenen Stoffgemischs anzupassen, indem beispielsweise Wasser hinzugefügt wird. Hierdurch kann ein besonders feiner Aufschluss der Faserbestandteile zu Nanofasern, insbesondere Nanozellulose, bei verhältnismäßig geringem Energie- und/oder Druckaufwand erreicht werden.

[0058] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0059] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:

[0060] Fig. 1 [0061] Fig. 2 [0062] Fig. 3 [0063] Fig. 4 [0064] Fig. 5 [0065] Fig. 6 schematische Querschnittsdarstellung durch ein Austrittselement und einen Bearbeitungskörper zur Erläuterung des Funktionsprinzips;

schematische Querschnittsdarstellung durch ein Austrittselement mit Funktionsfläche und einen Bearbeitungskörper zur Erläuterung des Funktionsprinzips;

schematische Querschnittsdarstellung möglicher Ausführungsformen der Vorrichtung mit zwei Austrittselementen welche in Umfangsrichtung an einer ersten Oberfläche verteilt angeordneten (a) und an einer ersten und zweiten Oberfläche gegenüberliegend angeordnet sind (b);

schematische Querschnittsdarstellung von Bearbeitungskörpern als Zylinder (a), Kegel (b) bzw. Band (c) mit mehreren Austrittselementen;

schematische Darstellung von Austrittselementen im Querschnitt mit einer Verkippung um einen Raumwinkel (a), mit einem beweglichen Endabschnitt (b), mit einerformkomplementären Funktionsfläche (c), bzw. in einer Untersicht (d);

schematische Übersichtsdarstellung einer möglichen Anordnung einer Vorrichtung zur Herstellung von Nanofasern.

[0066] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen

7/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0067] In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von Nanofasern 5, insbesondere von Nanozellulose 6, aus einem Fasern 3, insbesondere Zellstoff 4, beinhaltenden Stoffgemisch 2 schematisch dargestellt. Aus der Querschnittsdarstellung ist das Funktionsprinzip zur Zerkleinerung des faserhaltigen Stoffgemisches 2 ersichtlich. Erfindungsgemäß wird ein bewegbarer Bearbeitungskörper 7 relativ zum zumindest einen Austrittselement 11 gegenüberliegend angeordnet. Zwischen dem Austrittselement 11 und einer Stoffgemisch beaufschlagten Teilfläche 10 des bewegbaren Bearbeitungskörpers 7 wird eine spaltförmige Bearbeitungszone 16 ausgebildet.

[0068] Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt umfasst das Stoffgemisch 2 eine Flüssigkomponente sowie Fasern 3, welche insbesondere aus Zellstoff 4 oder Zellulose bestehen können. Das Stoffgemisch 2 wird mit einem vorgebbaren Prozessdruck 15 durch das Austrittselement 11 gepresst. Der bewegbare Bearbeitungskörper 7 kann dabei z.B. passiv durch den Austritt des bearbeiteten Stoffgemischs 2 aus der Bearbeitungszone 16 in eine Bewegungsrichtung 23 in eine Relativbewegung versetzt werden. Ebenso kann der Bearbeitungskörper 7 aktiv durch eine, z.B. in Fig. 6 dargestellte, Antriebsvorrichtung 20 in Bewegungsrichtung 23 bewegt werden. Bei Durchlass des Fasern 3 beinhaltenden Stoffgemischs 2 durch das Austrittselement 11 werden in der spaltförmig ausgebildeten Bearbeitungszone 16 die auftretenden Scherkräfte zur Zerkleinerung der Fasern 3, insbesondere des Zellstoffs 4 zu Nanofasern 5, insbesondere Nanozellulose 6 genützt.

[0069] Die beispielhafte Ausführungsform in Fig. 1 stellt einen als Scheibe 22 ausgebildeten Bearbeitungskörper 7 dar. In diesem Fall ist der Bearbeitungskörper 7 um eine Rotationsachse 24 drehbar bzw. bewegbar gelagert. Das Austrittselement 11 weist eine Austrittselementachse 21 auf, welche im Wesentlichen einer gedachten Längsachse durch das Austrittselement 11 im Zentrum der Austrittsöffnung 12 entspricht. Wie aus Fig. 1 in Zusammenschau mit Fig. 2 besonders gut ersichtlich, kann die Relativgeschwindigkeit 27 in der Bearbeitungszone 16 durch den Radialabstand 25 zwischen Austrittselementachse 21 und Rotationsachse 24 eingestellt werden.

[0070] Aus der Zusammenschau von Fig. 1 mit Fig. 2 bis Fig. 6 kann ersehen werden, dass der bewegbare Bearbeitungskörper 7 in eine Bewegungsrichtung 23 am Austrittselement 11 vorbeigeführt wird. Diese Relativbewegung erfolgt bevorzugt im Wesentlichen seitlich, besonders bevorzugt normal zu einer Austrittselementachse 21.

[0071] In Fig. 2 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. In dieser Ausführungsform weist das Austrittselement 11 eine die Austrittsöffnung 12 zumindest teilweise umfänglich ausgebildete Funktionsfläche 13 auf. Wie dargestellt, kann die Funktionsfläche 13 einteilig mit dem Austrittselement 11 ausgebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Funktionsfläche 13 als Teil eines Endabschnitt 14 oder auch als separates Bauteil mit dem Austrittselement 11 verbunden werden kann, um eine einfache Auswechselbarkeit zu gewährleisten. Bei Durchlass bzw. Durchpressen des Stoffgemischs 2 durch das Austrittselement 11 kann ein hydrodynamisches Lager 29 in der Bearbeitungszone 16 ausgebildet werden. Die Bearbeitungszone 16 umfasst in diesem Fall die Funktionsfläche 13 und die korrespondierende gegenüberliegende Stoffmittel beaufschlagte Teilfläche 10. Durch die Ausbildung eines Flüssigkeitskeils im hydrodynamischen Lager 29 kann eine Berührung des Austrittselements 11 und/oder der Funktionsfläche 13 mit dem Bearbeitungskörper 7 vermieden werden.

[0072] Weiters ist aus Fig. 2 ersichtlich, dass das Austrittselement 11 einen Arbeitsabstand 17 zur stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche 10 aufweist. Ein derartiger Arbeitsabstand 17 kann ebenso für die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung eingestellt werden.

[0073] Die Ausbildung einer Zustellvorrichtung 18 zur Positionierung des Austrittselements 11

8/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt ist beispielhaft in den Fig. 3, 4 und Fig. 6 dargestellt und sinngemäß auf die Fig. 1, 2 und 5 übertragbar. Wie insbesondere aus den Fig. 3a und b ersichtlich, kann die Zustellvorrichtung 18 dazu verwendet werden das zumindest eine Austrittselement 11 in Richtung des Bearbeitungskörpers 7 und/oder quer dazu zu bewegen. Eine derartige Zustellvorrichtung 18 kann insbesondere zur Einstellung des Arbeitsabstandes 17 verwendet werden.

[0074] In den Fig. 3a und b sowie Fig. 4a bis c sind Vorrichtungen 1 schematisch dargestellt, in welchen zwei oder mehrere Austrittselemente 11 relativ zu einem Bearbeitungskörper 7 angeordnet sind. Fig. 3a stellt dabei zwei Austrittselemente 11 dar, welche einer ersten Oberfläche 8 des Bearbeitungskörpers 7 symmetrisch von der Rotationsachse 24 beabstandet sind. In Fig. 3b ist eine Situation schematisch dargestellt, wobei zwei Austrittselemente im Wesentlichen gegenüberliegend und symmetrisch zueinander an einer ersten Oberfläche 8 respektive einer zweiten Oberfläche 9 des Bearbeitungskörpers 7 angeordnet sind. Durch die Ausbildung des Bearbeitungskörpers 7 als Scheibe 22 kann in den in Fig. 3a und b dargestellten Ausführungsformen eine Kompensation etwaiger Biegemomente an der Scheibe 22 und somit der Rotationsachse 24 kompensiert werden.

[0075] Die Versorgung des zumindest einen Austrittselements 11 kann jeweils über eine separate Versorgungseinrichtung 19 oder auch über eine gemeinsame Versorgungseinrichtung 19 zur Bereitstellung des Fasern 3 beinhaltenden Stoffgemischs 2 erreicht werden. Der Einfachheit halber wird auf eine Darstellung derartiger Versorgungseinrichtungen 19 in den Fig. 1, 2, 4 und 5 verzichtet.

[0076] Der bewegbare Bearbeitungskörper 7 kann erfindungsgemäß als rotationssymmetrischer Körper, wie etwa ein Zylinder oder eine Trommel oder ein Kegel oder eine Scheibe 22 ausgeführt sein, wie in den Fig. 4a, 4b sowie 3 schematisch dargestellt. Alternativ dazu ist es möglich, den bewegbaren Bearbeitungskörper 7 bandförmig, etwa als Kette oder Band, auszubilden, wie aus Fig. 4c schematisch ersichtlich. Insbesondere aus Fig. 3 und 4 kann ersehen werden, dass mehrere Austrittselemente 11 einem gemeinsam benutzten Bearbeitungskörper 7 zugeordnet sein können. Der bewegbare Bearbeitungskörper 7 kann dabei mit einer Antriebsvorrichtung 20 verbunden sein, wie aus Fig. 3, 4 und 6 ersichtlich. Eine derartige Antriebsvorrichtung 20 kann beispielsweise als Hydraulik- oder Pneumatikmotor und besonders bevorzugt Elektromotor ausgebildet sein und über eine Drehzahlregelung verfügen.

[0077] Die in Fig. 3, 4 und 6 schematisch dargestellte Zustellvorrichtung 18 kann zur Einstellung eines Arbeitsabstandes 17 und/oder eines Raumwinkels 26 zwischen dem zumindest einen Austrittselement 11 und der Stoffgemisch beaufschlagten Teilfläche 10 des bewegbaren Bearbeitungskörpers ausrichtbar bzw. positionierbar ausgebildet sind. Ebenso ist vorstellbar, dass mittels einer gemeinsamen Zustellvorrichtung 18 mehrere Austrittselemente 11 gemeinsam relativ zum Bearbeitungskörper positioniert werden können. Ferner kann aus Fig. 3 und 4 ersehen werden, dass zumindest zwei Austrittselemente 11 in Umfangsrichtung und/oder Radialrichtung relativ zum bewegbaren Bearbeitungskörper 7 angeordnet sein können. Die Austrittselemente 11 können dabei symmetrisch und/oder zueinander versetzt an einer ersten Oberfläche 8 und/oder zweiten Oberfläche 9 angeordnet sein.

[0078] Nicht dargestellt ist eine besondere Ausführungsform an Zylindern, Kegeln, Bändern oder Ketten, in welcher zumindest ein zweites Austrittselements 11 einem ersten Austrittselement 11 im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet ist, wobei das erste Austrittselement 11 einer ersten Oberfläche 8 des bewegbaren Bearbeitungskörpers 7 und das korrespondierende, zweite Austrittselement 11 an einer der ersten Oberfläche 8 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 9 angeordnet ist. Diese Situation ist für eine als Scheibe 22 ausgebildeten Bearbeitungskörper 7 aus Fig. 3b ersichtlich und kann vom Fachmann auf andere rotationssymmetrische und/oder bandförmige Bearbeitungskörper 7 extrapoliert werden.

[0079] In Fig. 5a bis d sind mehrere Austrittselemente 11 in verschiedenen möglichen Ausführungsformen dargestellt.

[0080] Fig. 5a verdeutlicht dabei ein Austrittselement 11 dessen Austrittselementachse 21

9/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt relativ zu einer normalen auf die Stoffgemisch beaufschlagte Teilfläche 10 des Bearbeitungskörpers 7 in einem, bevorzugt vorgebbaren, Raumwinkel 26 angeordnet ist. Eine derartige Positionierung des Austrittselements 11 kann mittels einer Zustellvorrichtung 18 vorgenommen werden, wie zuvor erläutert. Aus dieser schematischen Darstellung kann auch die Ausbildung eines hydrodynamischen Lagers 29 besonders gut ersehen werden.

[0081] In Fig. 5b ist ein weiteres Beispiel eines Austrittselements 11 schematisch gezeigt, worin ein Endabschnitt 14 des Austrittselements 11 zur gegenüberliegenden stoffmittelbeaufschlagten Teilfläche 10 zumindest teilweise beweglich gelagert ist. Auf diese Weise kann eine Art schwimmende Lagerung des Endabschnitts 14 bei der Ausbildung des hydrodynamischen Lagers 29 ausgebildet werden, ohne ein Verklemmen oder ein Verstopfen des Endabschnitts 14 zu verursachen.

[0082] Fig. 5c stellt eine schematische Schnittdarstellung durch ein Austrittselement 11 eine die Austrittselementöffnung umgebende Funktionsfläche 13 sowie einen gekrümmten Bearbeitungskörper 7 dar. Die Funktionsfläche 13 ist zur Stoffgemisch beaufschlagten Teilfläche 10 des Bearbeitungskörpers 7 im Wesentlichen formkomplementär ausgebildet. Dabei sind insbesondere konkave und konvexe Formen der Funktionsfläche 13 vorstellbar, wie besonders gut in Fig. 5c ersichtlich.

[0083] In Fig. 5d ist eine weitere mögliche Ausführungsform eines Austrittselements 11 und einer Funktionsfläche 13 in einer Untersicht schematisch angedeutet. Die Funktionsfläche 13 ist dabei in Bewegungsrichtung 23 mit einer größeren Längserstreckung ausgebildet als in eine Querrichtung dazu und/oder entgegen der vorgesehenen Bewegungsrichtung 23. Die dargestellten Bewegungspfeile deuten schematisch den homogenen Austritt des bearbeitenden Stoffgemischs 2 an. Bei Verwendung derartig geformter Funktionsfläche 13, kann deren Form vom Fachmann auf die jeweilige Anwendung und Geometrie des Bearbeitungskörpers 7 hin optimiert werden. Die Bearbeitungszone 16 sollte wie zuvor erläutert im Wesentlichen zwischen der Funktionsfläche 13 und der korrespondierenden stoffmittelbeaufschlagten Teilfläche 10 ausgebildet werden.

[0084] Die in Fig. 5a bis d dargestellten Austrittselemente 11 sowie deren Kombination kann erfindungsgemäß in die Beschreibung der Fig. 2, 3, 4 und 6 miteinbezogen werden und wird der Kürze halber nicht separat diskutiert, sondern auf die entsprechenden Diskussionen verwiesen.

[0085] In Fig. 6 ist eine schematische Übersichtsdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. Dabei ist lediglich ein Austrittselement 11 relativ zum bewegbaren Bearbeitungskörper 7 ausgerichtet. Die Positionierung des Austrittselements 11 wird mittels einer Zustellvorrichtung 18 vorgenommen. Die Zufuhr des Stoffgemischs 2 erfolgt über eine Versorgungseinrichtung 19. Der als Scheibe 22 ausgebildete Bearbeitungskörper 7 wird von einer Antriebsvorrichtung 20 in eine Bewegungsrichtung 23 angetrieben. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, weist die Vorrichtung 1 ein Gehäuse 28 auf, welches in geöffnetem Zustand dargestellt ist. Das Gehäuse 28 dient dem Stofffang während der Bearbeitung und kann mittels einem oder mehrerer Dichtelemente 30 zumindest gegenüber der Antriebsvorrichtung 20 abgedichtet sein. Derartige Dichtelemente 30 sind beispielhaft auch in Fig. 3 ersichtlich und können berührend oder auch berührungslos ausgebildet sein. Das bearbeitete Stoffgemisch 2 kann in einem Auffangbehälter 31 aufgenommen werden. Ebenso ist denkbar, dass die Versorgungseinrichtung 19 mit dem Auffangbehälter 31 verbunden ist, um ein Kreislaufprinzip zu verwirklichen.

[0086] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die einzelnen Verfahrensschritte auch automatisiert und bevorzugt über eine zentrale, nicht dargestellte, Anlagensteuerung gesteuert werden. Überdies wird die Bedienung an einem Bedienpaneel oder auch Touchscreen zur Überwachung und Steuerung der Anlage angedacht.

[0087] Die Einstellung einer vorgebbaren Verteilung an Faserlängen und/oder Faserquerschnitten und/oder deren Verteilung kann somit vom Benutzer vorgegeben werden und mittels einer Anlagensteuerung geregelt werden. Der mehrmalige Durchlauf von zumindest Teilen des bearbeiteten Stoffgemischs 2 kann ebenfalls zur Einstellung der Homogenität und/oder Qualität der

10/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt

Nanofasern 5 bzw. Nanozellulose 6 verwendet werden.

[0088] Die Stoffdichte des Stoffgemischs 2 kann auf die Qualität des bearbeiteten Stoffgemischs 2 einen Einfluss haben. Mit der vorliegenden Vorrichtung 1 und dem korrespondierenden Verfahren können Suspensionen, also Stoffgemische 2, mit einem Faseranteil von 0,1 bis etwa 10 Vol.%, bevorzugt 1 bis etwa 8 Vol.%, sicher und einfach verarbeitet werden. Stoffdichten bis zu 25 Vol.% und darüber sind ebenso vorstellbar. Hierbei kann es unter Umständen erforderlich sein, dass der Fachmann auf geeignete Versorgungseinrichtungen 19 zurückgreift, welche in der Lage sind Stoffgemische 2 mit derart hohen Stoffdichten unter Aufbringung eines ausreichend hohen Prozessdrucks 15 zu fördern. Hierzu sind z.B. Hochdruckzuführschneckenanordnungen besonders geeignet.

[0089] Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.

[0090] Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.

[0091] Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.

[0092] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

/21

AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

Patentamt

BEZUGSZEICHENLISTE

Vorrichtung

Stoffgemisch

Faser

Zellstoff

Nanofaser

Nanozellulose

Bearbeitungskörper erste Oberfläche zweite Oberfläche stoffgemischbeaufschlagte Teilfläche

Austrittselement

Austrittsöffnung

Funktionsfläche

Endabschnitt

Prozessdruck

Bearbeitungszone

Arbeitsabstand

Zustellvorrichtung

Versorgungseinrichtung

Antriebsvorrichtung

Austrittselementachse

Scheibe

Bewegungsrichtung

Rotationsachse

Radialabstand

Raumwinkel

Relativgeschwindigkeit

Gehäuse hydrodynamisches Lager

Dichtelement

Auffangbehälter

Claims (23)

1. Patentansprüche

   1. Vorrichtung (1) zur Herstellung von Nanofasern (5), insbesondere von Nanozellulose (6) aus einem Fasern (3, 4) beinhaltenden Stoffgemisch (2), umfassend:

   -zumindest ein Austrittselement (11) mit einer Austrittsöffnung (12), zum Durchlass eines faserhaltigen Stoffgemisches (2);

   -zumindest eine Versorgungseinrichtung (19) zum Bereitstellen des faserhaltigen Stoffgemisches (2) am Austrittselement (11) mit einem vorgebbaren Prozessdruck (15);

   -zumindest eine Zustellvorrichtung (18) zur Positionierung des Austrittselements (11); dadurch gekennzeichnet, dass zur Zerkleinerung des faserhaltigen Stoffgemisches (2) ein bewegbarer Bearbeitungskörper (7) relativ zum zumindest einen Austrittselement (11) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei bei Durchlass des Fasern (3) beinhaltenden Stoffgemisches (2) durch das Austrittselement (11) eine spaltförmige Bearbeitungszone (16) zwischen dem Austrittselement (11) und einer stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche (10) des bewegbaren Bearbeitungskörpers (7) ausgebildet ist.
2. 2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Bearbeitungskörper (7) in eine Bewegungsrichtung (23) im Wesentlichen seitlich, bevorzugt normal, zu einer Austrittselementachse (21) des Austrittselements (11) mittels einer Antriebsvorrichtung (20) antreibbar ausgebildet ist.
3. 3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Bearbeitungskörper (7) rotationssymmetrisch, etwa als eine Scheibe (22), Zylinder, Kegel, oder als bandförmig, wie etwa eine Kette oder Band, ausgebildet ist.
4. 4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Bearbeitungskörper (7) als Scheibe (22) seitlich, bevorzugt normal, zum Austrittselement (11) rotierbar ausgebildet ist.
5. 5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zustellvorrichtung (18) parallel zu einer Rotationsachse (24) der Scheibe (22), zur Einstellung eines vorgebbaren Radialabstandes (25) der Austrittselementachse (21) von der Rotationsachse (24), beweglich ausgebildet ist.
6. 6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittselement (11) eine die Austrittsöffnung (12) zumindest teilweise umfänglich ausgebildete Funktionsfläche (13) zur Ausbildung eines hydrodynamischen Lagers (29) in der Bearbeitungszone (16) ausgebildet ist.
7. 7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche (13) eine in Bewegungsrichtung (23) größere Längserstreckung aufweist als in eine Querrichtung und/oder entgegen der Bewegungsrichtung (23).
8. 8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche (13) zur stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche (10) des bewegbaren Bearbeitungskörpers (7) im Wesentlichen formkomplementär ausgebildet ist.
9. 9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Austrittselement (11) in einem vorgebbaren Raumwinkel (26) der Austrittselementachse (21) relativ zur Oberfläche (8) des bewegbaren Bearbeitungskörpers (7) ausrichtbar ausgebildet ist.
10. 10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zustellvorrichtung (18) zur Einstellung eines Arbeitsabstandes (17) und/oder eines Raumwinkels (26) zwischen dem zumindest einen Austrittselement (11) und der stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche (10) des bewegbaren Bearbeitungskörpers (7) ausrichtbar ausgebildet ist.
11. 11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endabschnitt (14) zumindest eines Austrittselements (11) relativ zur gegenüber13/21

    AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

    Patentamt liegenden stoffmittelbeaufschlagten Teilfläche (10) zumindest teilweise beweglich gelagert ist.
12. 12. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Austrittselemente (11) symmetrisch in Umfangsrichtung und/oder Radialrichtung relativ zum bewegbaren Bearbeitungskörper (7) angeordnet sind.
13. 13. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweites Austrittselement (11) einem ersten Austrittselement (11) im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnet ist, wobei das erste Austrittselement (11) einer ersten Oberfläche (8) des bewegbaren Bearbeitungskörpers (7) und das korrespondierende zweite Austrittselement (11) einer, der ersten Oberfläche (8) gegenüberliegenden, zweiten Oberfläche (9) zugeordnet ist.
14. 14. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Bewegungsrichtung (23) und/oder normal zur Bewegungsrichtung (23) bewegbaren Bearbeitungskörpers (7) zumindest zwei Austrittselemente (11) angeordnet sind.
15. 15. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der bewegbare Bearbeitungskörper (7) von der Antriebsvorrichtung (20) mittels einem berührenden und/oder berührungslosen Dichtelement (30), bevorzugt einer wartungsfreien Labyrinthdichtung, von einem Gehäuse (28) abgedichtet angeordnet ist.
16. 16. Verfahren zur Herstellung von Nanofasern (5), insbesondere von Nanozellulose (6), eines Fasern (3), insbesondere Zellstoff (4), beinhaltenden Stoffgemischs (2), umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

    - Bereitstellung einer Vorrichtung (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 15;

    -Bereitstellung eines Stoffgemischs (2), welches zumindest ein eine Flüssigkomponente, bevorzugt Wasser, und Fasern (3), bevorzugt Zellstoff (4) umfasst;

    - Bewegen eines bewegbaren Bearbeitungskörpers (7) relativ zum zumindest einen Austrittselement (11) mit einer vorgebbaren Relativgeschwindigkeit (27);

    - Durchpressen des Fasern (3) beinhaltenden Stoffgemisches (2) durch das zumindest eine Austrittselement (11) mit einem vorgebbaren Prozessdruck (15);

    - Bearbeitung des Stoffgemischs (2) durch Ausbilden einer spaltförmigen Bearbeitungszone (16) zur Zerkleinerung von Fasern (3) zwischen dem Austrittselement (11) und einer stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche (10) des bewegbaren Bearbeitungskörpers (7) durch Positionieren des Austrittselements (11) relativ zum bewegbaren Bearbeitungskörper (7).
17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegbare Bearbeitungskörper (7) in eine Bewegungsrichtung (23) im Wesentlichen seitlich, bevorzugt normal, zu einer Austrittselementachse (21) des Austrittselements (11) mittels einer Antriebsvorrichtung (20) bewegt wird.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Austrittselement (11) mit einer eine Austrittsöffnung (12) zumindest teilweise umfänglich ausgebildeten Funktionsfläche (13) zur Ausbildung eines hydrodynamischen Lagers (29) zwischen dem Austrittselement (11) und einer stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche (10) verwendet wird.
19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit (27) des bewegten Bearbeitungskörpers (7), zur Einstellung von in der spaltförmigen Bearbeitungszone (16) ausgebildeten Scherkräften, geregelt wird.
20. 20. Verfahren einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsabstand (17) zwischen dem zumindest einen Austrittselement (11) und der korrespondierenden stoffgemischbeaufschlagten Teilfläche (10) zur Einstellung von Druckkräften auf den bewegten Bearbeitungskörper (7) mittels zumindest einer Zustellvorrichtung (18) geregelt wird.

    14/21

    AT 520 178 B1 2019-02-15 österreichisches

    Patentamt
21. 21. Verfahren einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raumwinkel (26) einer Austrittselementachse (21) zumindest eines Austrittselements (11), bevorzugt zur Ausbildung eines notwendigen Flüssigkeitskeils des hydrodynamischen Lagers (29), mittels zumindest einer Zustellvorrichtung (18) geregelt wird.
22. 22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bereitstellung des Stoffgemischs (2) eine chemische und/oder enzymatische und/oder mechanische Vorbehandlung, bevorzugt im Zuge eines Mahlvorgangs in einem Refiner, des Stoffgemischs (2) vorgenommen wird.
23. 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Verfahrensschritte des Durchpressens und Bearbeitens mit zumindest Teilen des bearbeiteten Stoffgemischs (2) wiederholt werden.