BR112017023152B1 - Método e sistema para fabricar fios fibrosos - Google Patents

Abstract

MÉTODO E SISTEMA PARA FABRICAR FIOS FIBROSOS, E, FIO FIBROSO. A presente invenção descreve um método para a fabricação de fios fibrosos. O referido método inclui as etapas de proporcionar uma suspensão aquosa (210) tendo fibras e pelo menos um modificador de reologia, seguido por direcionar a referida suspensão (210) através de pelo menos um bico (200), para formar pelo menos um fio. O método inclui ainda submeter o referido pelo menos um fio à remoção de água. O método é distinguido pelo fato de um hidrogel (230) ser proporcionado sobre a superfície do fio que sai pelo menos um bico (200). É ainda descrito um sistema para fabricação de fios fibrosos e o fio fibroso assim produzido durante a fabricação.

Description

CAMPO DA DESCRIÇÃO

[001] A invenção refere-se a um método e a um sistema para a fabricação de fios fibrosos, especialmente a partir de fibras naturais. Além disso, a invenção refere-se a fios fibrosos obteníveis pelo referido método, bem como a usos do referido fio fibroso.

FUNDAMENTOS DA DESCRIÇÃO

[002] Muitos tipos diferentes de fios feitos de fibras naturais são conhecidos na técnica. Um exemplo bem conhecido é o fio de papel, que é tradicionalmente fabricado a partir de folhas de papel. Tipicamente, os fios de papel são feitos de papel primeiro por primeiro cortar o papel em tiras estreitas. Estas tiras são então torcidas para produzir um filamento de fio de papel. Esses filamentos são rebobinados para bobinas grandes e pós- processados para resultar em diferentes propriedades finais. Após isto, os fios são fiados para bobinas menores e, finalmente, secos em unidade de secagem especial.

[003] O fio de papel tem aplicações limitadas devido a deficiências em suas propriedades, tais como, resistência limitada, espessura inadequada, estrutura em camadas ou dobrada e, além disso, o método de fabricação é ineficiente.

[004] Na fabricação de fios de papel, o bico de extrusão a úmido desempenha um papel fundamental na orientação das fibras e na reticulação das fibras. No entanto, para obter a melhor resistência do fio possível, as fibras devem ser bem torcidas. Além disso, para melhorar a ligação interna das fibras, as fibras devem ser unidas entre si. As soluções conhecidas anteriores proporcionam um bico tendo um diâmetro menor do que o comprimento médio da fibra que proporciona um limite superior para o diâmetro do fio viável. Um desses sistemas e métodos foi descrito no número de publicação WO 2013/0347814.

[005] Nesta publicação WO ‘814, são descritos um sistema e um método para a fabricação de um fio fibroso. O método e o sistema envolvem proporcionar uma suspensão aquosa compreendendo fibras e um modificador reológico. A suspensão proporcionada é passada através de um bico e depois submetida à remoção de água usando um sistema de remoção de água.

[006] O sistema de remoção de água descrito no processo, no entanto, criou tensões indevidas no fio de papel. Essas tensões indevidas resultam mais frequentemente na ruptura do fio durante os processos de torção e remoção de água.

[007] Outro documento de patente US concedido 8.945.453 descreve um método para produzir fibra de politetrafluoroetileno e fibra de politetrafluoroetileno. O documento de patente ‘453 descreve uma estrutura de bico adaptada para produzir uma fibra de politetrafluoroetileno a partir de uma suspensão aquosa. No entanto, o documento de patente ‘453 não proporciona qualquer solução para intensificar a resistência do fio fibroso natural de modo que a ruptura do fio durante o processo de remoção de água possa ser evitada.

[008] Consequentemente, existe a necessidade de controlar a resistência do fio de modo que a ruptura do fio possa ser evitada durante os processos de torção e remoção de água. Além disso, há uma necessidade de um dispositivo e uma maneira de dispensar com sucesso o fio de fibra para a remoção de água ou a seção de secagem do processo.

[009] Além disso, é necessário usar o conhecimento sobre a estrutura e a dinâmica dos materiais e suas reações para permitir a produção contínua de fios fibrosos, em tais processos. Além disso, é preciso encontrar um controle preciso das condições operacionais (condições físicas: temperatura, pressão, velocidade, tempo de residência, condições químicas: pH, concentrações).

SUMÁRIO

[0010] Os aspectos da invenção são assim direcionados a um método e um sistema para fabricação de um fio fibroso. Inicialmente, prepara-se uma suspensão aquosa tendo fibras e pelo menos um modificador de reologia. A referida suspensão aquosa é direcionada através de pelo menos um bico e na saída do bico, um produto de fio fibroso aquoso sai. Na saída do bico, o referido produto de fio fibroso aquoso é fundido com um hidrogel. Especificamente, o referido hidrogel é revestido na superfície do referido produto de fio fibroso aquoso. Finalmente, o referido produto de fio fibroso aquoso é submetido a um processo de remoção de água.

[0011] É um objetivo da presente invenção proporcionar um método e um sistema para fabricar fios fibrosos. o fio fibroso assim produzido é tracionado e torcido simultaneamente enquanto a suspensão aquosa flui através da saída do bico para formar um produto de fio fibroso aquoso.

[0012] Os aspectos da presente invenção podem proporcionar um método e um sistema para fabricação de um fio fibroso, em que a suspensão aquosa na saída do bico é fundida com um fluxo anular de um hidrogel de alginato de metal. O referido hidrogel de alginato de metal é adaptado para reticular o produto de fio fibroso aquoso. O referido hidrogel de alginato de metal é preparado por adição de cátions de metal bivalente a uma solução de alginato.

[0013] Os aspectos da presente invenção podem proporcionar um método e um sistema para fabricação de um fio fibroso, em que, uma pluralidade de fios fibrosos é combinada através de uma pluralidade de canais de fluxo anulares. A pluralidade de canais de fluxo anulares, como aqui referido, inclui um canal de fluxo anular interno, um canal de fluxo anular externo, e um sanduíche de canal de fluxo anular entre o canal de fluxo anular mais interno e o canal de fluxo anular mais externo. O canal de fluxo anular mais interno é adaptado para acomodar a suspensão de fibras e o modificador de reologia. O canal de fluxo anular mais externo é adaptado para acomodar o hidrogel de alginato de metal. O canal de fluxo anular ensanduichado é adaptado para acomodar os aditivos de melhoria da propriedade do fio.

[0014] Os aspectos da presente invenção podem proporcionar um método e um sistema para fabricação de um fio fibroso, em que o fio fibroso é pressionado mecanicamente de pelo menos dois lados opostos por uma pluralidade de placas que flutuam sobre uma base deformável.

[0015] Um método para a fabricação de fios fibrosos, o referido método inclui: - preparar uma suspensão aquosa compreendendo fibras e pelo menos um modificador de reologia; - direcionar a referida suspensão aquosa através de pelo menos um bico, para formar pelo menos um fio; e - submeter então o referido pelo menos um fio à remoção de água, caracterizado por proporcionar um hidrogel sobre a superfície do fio que sai de pelo menos um bico.

[0016] Um sistema para fabricação de fios fibrosos, em que o sistema inclui: - uma suspensão aquosa tendo fibras e pelo menos um modificador de reologia é proporcionada, e - a referida suspensão aquosa é arranjada através de pelo menos um bico, para formar pelo menos um fio, e - o referido pelo menos um fio é arranjado para ser submetido à remoção de água, caracterizado por um hidrogel se arranjado para ser proporcionado sobre a superfície do pelo menos um fio que sai pelo menos um bico.

[0017] Fio fibroso tendo uma suspensão aquosa submetida à remoção de água de fibras e pelo menos um modificador de reologia, em que, - a suspensão aquosa de fibras saiu de um bico e proporciona hidrogel sobre o fio de saída.

[0018] Em uma forma de realização, a suspensão aquosa pode entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do pelo menos um bico por alimentação da suspensão aquosa para o pelo menos um bico de forma assimétrica a partir do lado do referido pelo menos um bico.

[0019] Em outra forma de realização, a suspensão aquosa pode entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do pelo menos um bico criando, girando e acelerando um fluxo da suspensão aquosa, onde todas as fibras estão bem alinhadas com o referido fluxo rotando em torno do eixo de fluxo principal.

[0020] Ainda em outra forma de realização, a suspensão aquosa pode entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do pelo menos um bico criando um fluxo de turbulento usando uma pluralidade de canais de fluxo ranhurados.

[0021] Ainda em outra forma de realização, a suspensão aquosa é permitida para entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do pelo menos um bico, criando um fluxo turbulento usando uma pluralidade de canais de fluxo de curvatura. Os canais de fluxo de curvatura podem compreender canais de fluxo de curvatura de noventa graus.

[0022] Além disso as, e com referência às, formas de realização da invenção acima mencionadas compreendem a suspensão aquosa tendo fibras e pelo menos um modificador de reologia é permitido entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do bico. Tal turbulência da suspensão aquosa em torno do eixo de fluxo principal do bico é completada por alimentação da suspensão aquosa assimetricamente do lado do bico. Além disso, os aditivos de melhoria da propriedade do fio também são adicionados à suspensão aquosa. Além disso, um hidrogel de alginato de metal é fundido com o fluxo da suspensão aquosa na saída do bico. Além disso, a suspensão aquosa na saída do bico é puxada e torcida e depois submetida a processo de prensagem e remoção de água.

[0023] Uma formação de hidrogel adaptada fornece muitas vantagens. O hidrogel permite a dispensação bem-sucedida do fio de fibra na seção de secagem e protege o fio formado de romper durante a torção e remoção de água. Além das fibras, também outros materiais que melhoram as propriedades do fio, podem ser unidos na matriz de hidrogel.

[0024] Particularmente, a facilidade de fabricação do fio fibroso, a possibilidade de projetar as propriedades do fio de acordo com o uso pretendido, pequena marca de água e biodegradabilidade são alguns exemplos dos benefícios desejados obtidos pela presente invenção.

[0025] Isto junto com os outros aspectos da presente invenção junto com as várias características da novidade que caracterizou a presente descrição é apontada com particularidade nas reivindicações anexas e forma uma parte da presente invenção. Para uma melhor compreensão da presente descrição, das suas vantagens operacionais e do objetivo especificado alcançado pelos seus usos, deve ser feita referência à matéria descritiva acompanhante, em que existem formas de realização exemplificativas ilustradas da presente invenção.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0026] Os exemplos e as características da presente invenção serão mais bem compreendido(a)s com referência à descrição detalhada a seguir, em conjunto com os desenhos anexos, nos quais: A Fig. 1 ilustra um fluxograma para preparar um hidrogel de alginato de metal de reticulação, de acordo com várias formas de realização da presente invenção; A Fig. 2 ilustra um diagrama de blocos do bico e o uso de hidrogel de alginato de metal de reticulação juntamente com a suspensão fibrosa, de acordo com várias formas de realização da presente invenção; A Fig. 3 ilustra um fluxograma para o método de seleção de várias matérias-primas, de acordo com várias formas de realização da presente invenção; A Fig. 4 ilustra um diagrama de blocos do sistema para produzir um fio fibroso de várias matérias-primas, de acordo com várias formas de realização da presente invenção; A Fig. 5 ilustra um diagrama de blocos relacionado ao sistema de toda a máquina de produção de fios, de acordo com várias formas de realização da presente invenção; e A Fig. 6 ilustra um fluxograma relacionado ao método de toda a máquina de produção de fios, de acordo com várias formas de realização da presente invenção.

[0027] Os números de referência semelhantes referem-se a partes similares ao longo da descrição de várias vistas do desenho.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0028] As formas de realização exemplificativas aqui descritas em detalhes para fins ilustrativos são submetidas a muitas variações. Deve ser enfatizado, no entanto, que a presente invenção não se limita ao método e ao sistema para produzir fios fibrosos. Entende-se que várias omissões e substituições de equivalentes são contempladas como circunstâncias e podem ser sugeridas ou se tornarem conveniente, mas se destinam a cobrir o pedido ou a implementação sem se afastar do espírito ou escopo da presente invenção.

[0029] Salvo especificação em contrário, os termos, que são usados na especificação e nas reivindicações, têm os significados comumente usados no campo da fabricação de papel e celulose, bem como no campo da fabricação de fios. Especificamente, os seguintes termos têm os significados indicados abaixo.

[0030] Os termos “um” e “uma” aqui não indicam uma limitação de quantidade, mas sim indicam a presença de pelo menos um dos itens referenciados.

[0031] Os termos “tendo”, “compreendendo”, “incluindo”, e variações dos mesmos significam a presença de um componente.

[0032] O termo “fibra” refere-se aqui ao material fibroso bruto produzido naturalmente ou produzido artificialmente.

[0033] O termo “fio” refere-se aqui à linha, fio, cordão, filamento, fio metálico, fita, corda e cordão metálico.

[0034] O termo “modificador de reologia” entende-se significar aqui um composto ou agente capaz de modificar a viscosidade, limite elástico, tixotropia da suspensão.

[0035] Deve ser notado que o termo “comprimento de fibra ponderado de comprimento máximo das fibras” como aqui referido aqui abaixo significa comprimento de fibra ponderado em comprimento onde 90 porcento de fibras são menores ou iguais a este comprimento, em que o comprimento da fibra pode ser medido com qualquer método apropriado usado na técnica.

[0036] O termo “agente de reticulação” entende-se aqui um composto ou agente, tal como, um polímero, capaz de reticular na fibra com o próprio na suspensão. Isso normalmente ocorre na fase da solução de água e leva a um gel.

[0037] O termo “hidrogel” entende-se significar aqui uma composição tipo gel que tenha uma pluralidade de partículas sólidas em suspensão em uma fase líquida.

[0038] O termo “suspensão aquosa” na presente invenção significa qualquer suspensão incluindo água e fibras originárias de qualquer e pelo menos uma fonte de matéria-prima baseada em planta, ou fibra sintética. A fonte de matéria-prima baseada em planta, incluindo polpa de celulose, polpa refinada, polpa de papel residual, turfa, polpa de frutas ou polpa de plantas anuais. As fibras podem ser isoladas a partir de qualquer material contendo celulose usando processos de polpação químicos, mecânicos, termomecânicos ou quimiotermomecânico. As fibras sintéticas podem compreender poliéster, náilon ou semelhantes.

[0039] Os termos “celulose microfibrilada”, “celulose nanofibrilar” e/ou “celulose nanofibrilada”, como usado a seguir, referem-se a uma coleta de microfibrilas de celulose isoladas ou de feixes de microfibrilas derivados de matéria prima de celulose. As microfibrilas têm uma proporção de aspecto tipicamente alta: o comprimento pode exceder um micrômetro, enquanto o diâmetro médio numérico é tipicamente abaixo de 200 nm. O diâmetro dos feixes de microfibrila também pode ser maior, mas geralmente menor que 1 μm. As microfibrilas menores são semelhantes às chamadas fibrilas elementares, que são tipicamente de 2-12 nm de diâmetro. As dimensões das fibrilas ou feixes de fibrilas dependem da matéria-prima e do método de desintegração.

[0040] A celulose nanofibrilar também pode conter algumas hemiceluloses; A quantidade depende da fonte da planta. A desintegração mecânica da celulose microfibrilar a partir de matéria-prima de celulose, polpa de celulose ou polpa refinada é realizada com equipamentos adequados, tais como, refinador, moedor, homogeneizador, formador de coloide, moedor por fricção, sonicador por ultrassom, fluidificante, tal como, microfluidificante, macrofluidificante ou homogeneizador de tipo fluidificante. Neste caso, a celulose nanofibrilar é obtida através da desintegração de material de celulose de planta e pode ser denominada “celulose nanofibrilada”.

[0041] A “celulose nanofibrilar” também pode ser isolada diretamente de certos processos de fermentação. O microrganismo de produção de celulose da presente invenção pode ser do gênero Acetobacter, Agrobacterium, Rhizobium, Pseudomonas ou Alcaligenes, de preferência, do gênero Acetobacter e mais preferencialmente da espécie Acetobacter xylinunn ou Acetobacter pasteurianus.

[0042] “Celulose nanofibrilar” também pode ser qualquer derivado quimicamente ou fisicamente modificado de nanofibrilas de celulose ou feixes de nanofibrilas. A modificação química pode ser baseada, por exemplo, na carboximetilação, oxidação, esterificação ou eterificação de moléculas de celulose. A modificação também pode ser realizada por adsorção física de substâncias aniônicas, catiônicas ou não iônicas ou qualquer combinação destes na superfície de celulose. A modificação descrita pode ser realizada antes, após ou durante a produção de celulose microfibrilar.

[0043] A celulose nanofibrilada pode ser feita de celulose que é pré- modificada quimicamente para torná-la mais instável. O material de partida deste tipo de celulose nanofibrilada é a polpa de celulose instável ou a matéria-prima de celulose, que resulta de certas modificações de matéria- prima de celulose ou polpa de celulose. Por exemplo, oxidação mediada por N-oxila (por exemplo, N-óxido de 2,2,6,6-tetrametil-1-piperidina) conduz a material de celulose muito instável, que é fácil de desintegrar a celulose microfibrilar. Por exemplo, os pedidos de patente WO 09/084566 e JP 20070340371 descrevem tais modificações. A fabricação de celulose nanofibrilada através deste tipo de pré-modificação ou “instabilização” é chamada de “NFC-L” para curta, em contraste com a celulose nanofibrilada, que é feita de celulose não instabilizada ou “normal”, NFC-N.

[0044] A celulose nanofibrilada é, de preferência, feita de material de planta onde as nanofibrilas podem ser obtidas a partir de paredes celulares secundárias. Uma fonte abundante é a fibra de madeira. A celulose nanofibrilada é fabricada por homogeneização de matéria-prima fibrosa derivada de madeira, que pode ser polpa química. Quando NFC-L é fabricada a partir de fibras de madeira, a celulose é instabilizada por oxidação antes da desintegração em nanofibrilas. A desintegração em alguns dos equipamentos acima mencionados produz nanofibrilas que têm o diâmetro de apenas alguns nanômetros, que é de 50 nm no máximo e resulta em uma clara dispersão na água. As nanofibrilas podem ser reduzidas ao tamanho, onde o diâmetro da maioria das fibrilas está na faixa de apenas 2-20 nm. As fibrilas originárias de paredes celulares secundárias são essencialmente cristalinas com grau de cristalinidade de pelo menos 55%.

[0045] As formas de realização da presente invenção proporcionam uma suspensão em solução aquosa misturando material fibroso bruto com aditivos e depois adicionando espuma em tal mistura. Posteriormente, a referida suspensão de solução aquosa é administrada a partir do lado de um bico e a suspensão de sol aquosa começa a entrar em turbulência em torno de um eixo de fluxo principal do bico. Devido à atração gravitacional, um produto de fio fibroso aquoso sai de uma saída do bico. Também pode ser usada pressão de fluido para ejetar o fio de gel fibroso do bico em algumas formas de realização. Além disso, um fio metálico também pode ser usado para puxar o fio do bico, em que o diferencial de velocidade entre o fio de gel e o fio metálico, às vezes, é usado para induzir a saída do fio de gel do bico. Na saída do bico, a referida suspensão de fio fibroso aquoso é fundida com um agente de reticulação e como resultado da reação de reticulação, um hidrogel é criado, tal como, um hidrogel de alginato de metal. Especificamente, o referido hidrogel de alginato de metal é revestido sobre a superfície do referido produto de fio fibroso aquoso.

[0046] Em seguida, o produto de fio fibroso aquoso revestido com o hidrogel de alginato de metal é submetido a processo de torção, secagem e remoção de água. A secagem pode incluir métodos baseados em vácuo, prensagem mecânica e/ou secagem térmica. A remoção de água pode ser realizada por métodos que utilizam vácuo, prensagem mecânica, convecção, condução ou radiação de calor, por qualquer meio de aquecimento adequado, tal como, fluxo de ar aquecido, IR, ou contato com a superfície aquecida.

[0047] Em uma forma de realização, o fio fibroso é submetido à remoção de água usando o método de prensagem mecânica. O método de prensagem mecânica proposto pela presente invenção inclui uma pluralidade de placas que flutuam sobre uma base deformável. A pluralidade de placas que flutuam sobre uma base deformável é adaptada para remover água do fio fibroso sem desgaste e rasgamento do produto de fio final. Quando o fio fibroso passa através destas pluralidades de placas flutuantes, apenas é necessária a pressão necessária para a remoção de água do fio fibroso. Consequentemente, o uso de pressão mínima durante o processo de remoção de água é útil para produzir um produto de fio tendo espessura adequada, bem como uma estrutura uniforme. Após o processo de remoção de água, o fio é seco e o produto de fio seco é obtido.

[0048] As Figuras 1 a 6 descrevem os aspectos novos e inventivos relacionados com o método, o sistema e o fio da presente invenção. Os aspectos novos e inventivos, como ilustrado nos desenhos, podem ser lidos em conjugação com as reivindicações da presente invenção.

[0049] A Figura 1 proporciona uma forma de realização adequada para preparar o hidrogel de alginato de metal da presente invenção. Em primeiro lugar, o alginato é derivado naturalmente dos polissacarídeos de algas marrons como na etapa 102. Em seguida, uma solução de tal alginato extraído naturalmente é formada como na etapa 104. Depois disso, o hidrogel de alginato de metal é formado pela adição de cátions de metal bivalente a tal solução de alginato tal como pela etapa 106. Além disso, o aditivo de intensificação de propriedades do fio é adicionado a tal hidrogel de alginato de metal como na etapa 108. Além disso, as propriedades do referido hidrogel de alginato de metal são ajustadas de acordo com a exigência do produto de fio como na etapa 110. Finalmente, na saída do bico, o fio fibroso é revestido com tal hidrogel de alginato de metal como na etapa 112.

[0050] O revestimento de hidrogel de alginato de metal adaptado sobre a superfície do referido fio fibroso permitirá a dispensação bem- sucedida do fio fibroso na seção de secagem e protege o fio fibroso da ruptura durante o processo de torção e remoção de água. Além das fibras, também outros materiais que melhoram as propriedades do fio fibroso, podem ser encontrados podem ser encontrados na matriz de hidrogel de alginato de metal. Finalmente, o referido produto de fio fibroso aquoso é submetido a processo de torção, secagem e remoção de água.

[0051] Especificamente, o revestimento do hidrogel de alginato de metal sobre a superfície do produto de fio fibroso aquoso proporciona um meio de reticulação das fibras. Consequentemente, esta reticulação de fibras proporciona um produto de fio fibroso com maior resistência e estiramento e, assim, a ruptura do fio pode ser evitada durante os processos de torção e remoção de água.

[0052] De preferência, o hidrogel de alginato de metal como aqui proporcionado inclui alginato como derivado naturalmente de polissacarídeos de algas marrons e depois formando uma solução aquosa de tal alginato. A estrutura do alginato é um polissacarídeo não ramificado consistindo em ácido manurônico (M) e ácido gulurônico (G). Quando cátions, tais como, cátions de metal bivalente são adicionados a uma solução de alginato, um hidrogel de alginato de metal tendo uma estrutura reticulada é formado. As propriedades da estrutura reticulada do referido hidrogel de alginato de metal dependem dos seguintes fatores, tais como: - seleção de biopolímeros, isto é, alginato, goma guar, pectina, etc.; - solubilidade do biopolímero na água; - reatividade (densidade e velocidade de reticulação) do biopolímero com os íons de metal; - controle do intumescimento/retração de hidrogel de alginato de metal (pH) para controlar a liberação de água da matriz de hidrogel de alginato de metal.

[0053] Na presença de cátions de metal, particularmente cátions divalentes ou multivalentes (reagente de reticulação), adequadamente, tais +2 +2 +2 +2 +2 +2 como, Ca , Al , Na , Mg , Sr ou Ba (agente de reticulação), alginato, pectina e carragenina (reticulações de carragenina também com K+) formam prontamente um gel estável e forte. Na reticulação destes polissacarídeos é preferencialmente usado cloreto de cálcio. A concentração de solução salina pode variar de 1% p/p a 10% p/p.

[0054] Tipicamente, o teor de ácido de poli-L-gulurônico (bloco G) de alginato, o teor de ácido poli-D-galacturônico de pectina ou carragenina e a quantidade de cátions divalentes ou multivalentes (íons de cálcio) são considerados como envolvidos na determinação da resistência do gel.

[0055] A Figura 2 proporciona o diagrama de blocos para o bico adaptado para produzir o fio em conjugação com a reticulação de suspensão pelo hidrogel de alginato de metal.

[0056] Em várias formas de realização da presente invenção, verificou-se surpreendentemente que o fio fibroso pode ser fabricado de uma maneira muito simples e eficiente diretamente a partir de uma suspensão fibrosa, pelo que não é necessário fabricar primeiro papel ou outro produto fibroso, que é cortado em tiras e enrolado em um fio.

[0057] Será entendido pelo habilitado na técnica que, no processo de fabricação de fios fibrosos, uma suspensão é usualmente direcionada através de um bico e depois disso o fio fibroso é submetido à remoção de água. Uma maneira de fabricar tal fio fibroso foi descrita no número de publicação WO 2013/034814 A1. Adequadamente, a quantidade de bicos necessários no sistema é selecionada dependendo do equipamento de fabricação usado e do produto fabricado.

[0058] Usualmente, qualquer bico ou extrusora apropriado(a) para líquidos e fluidos viscosos pode ser usado(a) em tal sistema. Quando a suspensão contém alginatos, pectina ou carragenina, adequadamente um bico é usado que inclui uma matriz ou um orifício interna(o) para a suspensão e a matriz ou o orifício externa(o) para uma solução aquosa compreendendo pelo menos um cátion. O cátion pode compreender um sal, tal como, cloreto de cálcio ou sulfito de magnésio. Alternativamente, a solução que compreende o cátion (sal) pode ser proporcionada como uma pulverização ou névoa quando se utilizam bicos com um orifício. O cátion, quando colocado em contato, por exemplo, com alginato ou ácido algínico, proporciona um efeito de aumento muito rápido da viscosidade da suspensão aquosa, pela qual a resistência do fio aumenta, tornando a forma de realização do método que utiliza a força gravitacional muito atrativa.

[0059] Além disso, o diâmetro interno da saída do bico é mantido menor ou igual ao comprimento de fibra de ponderado em comprimento máximo das fibras. Isso ajuda a orientar as fibras essencialmente na direção do fio e proporciona resistência e flexibilidade ao produto.

[0060] O bico da presente invenção é especialmente projetado. Este bico especialmente projetado foi descrito no pedido de patente com referência cruzada número 62/153.635 intitulado “MECHANICAL METHOD AND SYSTEM FOR THE MANUFACTURE OF FIBROUS YARN” dos mesmos inventores. Este aplicativo é incorporado no presente pedido, e quaisquer características do presente pedido podem ser substituídas pelas características do pedido acima mencionado.

[0061] Agora, referindo-se à figura 2, um bico 200 foi fornecido, no qual a suspensão aquosa 210 é direcionada do lado do bico e a suspensão aquosa pode entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do bico. Além disso, os aditivos de melhoria da propriedade do fio 220 são adicionados à suspensão aquosa. A suspensão aquosa inclui material fibroso bruto misturado com material de espuma. Na saída 201 do bico 200, o fio fibroso aquoso é fundido com o fluxo anular do hidrogel de alginato de metal 230.

[0062] Além disso, a presente invenção proporciona um mecanismo pelo qual o fio fibroso é simultaneamente puxado e torcido enquanto a suspensão aquosa (210) escoa através da saída do bico (200). Tal puxar e torcer o fio fibroso aumenta a resistência e o estiramento do produto de fio final. Depois de sair do bico (200), a suspensão de fio aquoso é submetida à remoção de água e secagem.

[0063] Em várias formas de realização, o bico (200) é adaptado para colocar em turbulência o fluxo da suspensão aquosa (210) em torno de um eixo de fluxo principal do referido bico (200). Em outra forma de realização, a suspensão aquosa (210) pode entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do pelo menos um bico (200), alimentando a suspensão aquosa assimetricamente do lado do dito bico (200).

[0064] Em outra forma de realização, o bico (200) é projetado de modo que a suspensão aquosa (210) possa entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do pelo menos um bico criando, girando e acelerando um fluxo da suspensão aquosa, onde todas as fibras são bem alinhadas com o referido fluxo girando em torno do eixo de fluxo principal.

[0065] Em outra forma de realização, o bico (200) é tal que a suspensão aquosa (210) pode entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do pelo menos um bico criando um fluxo turbulento através de uma pluralidade de canais de fluxo ranhurados.

[0066] Em várias formas de realização, a suspensão aquosa (210) para entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do pelo menos um bico (200) criando um fluxo de turbulento através de uma pluralidade de canais de fluxo de curvatura. Os canais de fluxo de curvatura podem compreender canais de fluxo de curvatura de noventa graus.

[0067] Em outra forma de realização, o fluxo anular do hidrogel de alginato de metal é adaptado para combinar uma pluralidade de fios fibrosos através de uma pluralidade de canais de fluxo anulares. As pluralidades de fios fibrosos são combinadas usando uma pluralidade de bicos pequenos direcionados radialmente dentro do fluxo anular do hidrogel de alginato de metal.

[0068] A pluralidade de canais de fluxo anulares, como referido acima, inclui um canal de fluxo anular mais interno, um canal de fluxo anular externo, e um canal de fluxo anular ensanduichado entre o canal de fluxo anular mais interno e o canal de fluxo anular mais externo.

[0069] Em várias formas de realização, o canal de fluxo anular mais interno é adaptado para acomodar a suspensão de fibras e o modificador de reologia. O canal de fluxo anular externo é adaptado para acomodar o hidrogel de alginato de metal. O canal de fluxo anular ensanduichado é adaptado para acomodar os aditivos de melhoria da propriedade do fio.

[0070] Consequentemente, o produto de fio final assim produzido pelo método acima possui uma resistência ao fio melhorada, bem como um diâmetro de fio melhorado. A turbulência da suspensão aquosa em torno do eixo de fluxo principal do bico e o tratamento da suspensão com hidrogel de alginato de metal, bem como aditivos de melhoria de propriedades de fios através da pluralidade de canais de fluxo anulares, produzem um fio fibroso tendo resistência e diâmetro melhorados.

[0071] A Figura 3 proporciona um fluxograma para o método para selecionar matérias-primas. Além disso, a figura 4 proporciona um diagrama de blocos para o método para selecionar matérias-primas.

[0072] Em primeiro lugar, o material fibroso bruto é selecionado de fibras naturais ou fibras sintéticas como pela etapa 302. Em seguida, aditivos, tais como, celulose ou argila microfibrilada (por exemplo, bentonita, montmorilonita) são adicionados ao material fibroso bruto como na etapa 304 e 306. Além disso, alguns materiais condutores, tais como, carbono ativado é adicionado no material fibroso bruto como na etapa 308. Além disso, uma suspensão aquosa é preparada por adição de espuma a tal material fibroso bruto como na etapa 310. Finalmente, o fio com propriedades de maior resistência e estiramento é produzido como na etapa 312.

[0073] As fibras naturais, como aqui proporcionadas, são selecionadas a partir da fonte de matéria-prima baseada em planta que pode ser uma fonte virgem ou uma fonte reciclada ou qualquer combinação das mesmas. Pode ser madeira ou material que não é de madeira. A madeira pode ser uma árvore de madeira macia, como espruce, pinheiro, abeto, larix, abeto de Douglas ou cicuta, ou árvores de madeira dura, tais como, bétula, choupo, álamo, amieiro, eucalipto ou acácia, ou uma mistura de madeiras macias e duras. O material que não é de madeira pode ser planta, tal como, palha, folhas, cascas, sementes, cascos, flores, vegetais ou frutas de milho, algodão, trigo, aveia, centeio, cevada, arroz, linho, cânhamo, cânhamo-de-manila, cânhamo de sisal, juta, rami, quenafe, bagaço, bambu, junco ou turfa.

[0074] Adequadamente, fibras virgens oriundas de pinheiros também podem ser usadas. As referidas fibras tipicamente podem ter um comprimento de fibra ponderado em comprimento médio de 2 a 3 milímetros. Também podem ser usadas combinações de fibras mais longas com mais curtas, por exemplo, fibras de pinheiros com fibras de eucalipto.

[0075] A suspensão aquosa, como aqui proporcionada, pode opcionalmente compreender fibras virgens ou recicladas provenientes de materiais sintéticos, tais como, fibras de vidro, fibras poliméricas, fibras metálicas ou de materiais naturais, tais como, fibras de lã ou fibras de seda.

[0076] A suspensão aquosa, tal como aqui proporcionada, pode compreender de 0,1 a 10 porcento (%) peso/peso (p/p), de preferência, de 0,2 a 5% p/p de fibras originárias de qualquer fonte de matéria-prima baseada em planta.

[0077] De preferência, em formas de realização da presente invenção, a suspensão aquosa pode estar na forma de espuma. Nesse caso, a suspensão inclui pelo menos um tensoativo selecionado de tensoativos aniônicos e tensoativos não iônicos e quaisquer combinações dos mesmos, tipicamente em uma quantidade de 0,001 a 1% p/p.

[0078] A suspensão aquosa pode incluir pelo menos um modificador de reologia que forma um gel por reticulação da suspensão aquosa. O modificador de reologia pode ser selecionado de ácido algínico, alginatos, tais como, alginato de sódio, pectina, carragenina e celulose nanofibrilar (NFC), ou uma combinação de modificadores de reologia.

[0079] De preferência, o modificador de reologia pode ser um aditivo adicionado para melhorar as propriedades do produto de fio final. Tais aditivos são selecionados do grupo de componentes incluindo montmorilonita, poliéster, náilon, metais, íons, qualquer material eletricamente condutor e/ou carbono ativado.

[0080] O referido modificador de reologia pode ser usado em uma quantidade de 0,1 a 20% em peso. A concentração do modificador da reologia, tal como alginato, é de preferência entre 0,5 e 20% p/p.

[0081] A suspensão aquosa, como aqui proporcionada, também pode incluir pelo menos um agente de dispersão que é tipicamente um polímero aniônico de cadeia longa ou NFC, ou uma combinação de agentes de dispersão. Exemplos de agentes de dispersão adequados são carboximetil celulose (CMC), amido (aniônico ou neutro) e poliacrilamidas aniônicas (APAM), tendo alto peso molecular. O agente de dispersão modifica a reologia da suspensão para fazer o desbaste por cisalhamento da suspensão. De preferência, a viscosidade em cisalhamento a altas taxas de cisalhamento (500 1/s), é menor que 10% da viscosidade de cisalhamento zero da suspensão.

[0082] O referido agente de dispersão pode ser usado em uma quantidade de 0,1 a 20% em peso.

[0083] A suspensão aquosa tal como aqui proporcionada pode ser obtida usando qualquer método de mistura adequado conhecido na técnica.

[0084] O fio úmido tendo revestimento de hidrogel de alginato de metal obtido do bico (na etapa 312) contém inicialmente água tipicamente de 30 a 99,5% p/p. Na etapa de remoção de água, o fio pode ser seco até o teor de água desejado. Consequentemente, o fio fibroso na forma de gel que sai do bico é submetido ao processo de remoção de água e torção.

[0085] Além disso, e com referência às, especificações acima mencionadas, as formas de realização da invenção compreendem a suspensão aquosa tendo fibras e pelo menos um modificador de reologia é permitido entrar em turbulência em torno do eixo de fluxo principal do bico. Essa turbulência da suspensão aquosa em torno do eixo de fluxo principal do bico é completada por alimentação da suspensão aquosa assimetricamente a partir do lado do bico. Além disso, aditivos de melhoria de propriedades de fios são também adicionados à suspensão aquosa. Além disso, um hidrogel de alginato de metal é fundido com o fluxo da suspensão aquosa na saída do bico. Além disso, a suspensão aquosa na saída do bico é puxada e torcida e depois submetida a processo de prensagem e remoção de água.

[0086] A remoção de água e a torção do fio são facilitadas usando o aparelho de remoção de água (580) como mostrado nas Figuras 5-6, o que agora é explicado.

[0087] O fio de gel fibroso na saída do bico, tal como o bico (200), é caído em um sistema transportador (560) tendo uma correia transportadora (550) [também referido como fio (550) ou fio base (550)] que opera em rolos (552) e (554). Devido ao movimento do sistema transportador (560), o fio de gel fibroso é puxado no aparelho de remoção de água (580).

[0088] Posteriormente, o fio de gel fibroso puxado é submetido a pré- prensagem através de uma placa de prensagem, tal como, a placa de prensagem (505) e o rolo (504) montados para o efeito, na etapa 608. Posteriormente, na etapa 610, o fio de gel fibroso é passado através de uma pluralidade de placas, tais como, placas (510), na Figura 5. As placas flutuantes (510) estão flutuando sobre uma base deformável (520). Em uma forma de realização, as placas flutuantes (510) estão flutuando sobre uma base estacionária (520).

[0089] As placas flutuantes (510) e a base deformável/estacionária (520) são suportadas por um sistema transportador tendo uma pluralidade de rolos (516) que correm uma correia transportadora (518) [também referida como fio (518) ou fio superior (518)]. Este sistema permite puxar e torcer o fio fibroso no aparelho de remoção de água (580).

[0090] A pluralidade de placas flutuantes (510) aplica uma pressão adequada como requerida para a remoção de água do fio de gel fibroso, na etapa 610. Além disso, a pluralidade de placas flutuantes (510) é adaptada para torcer e remover água do fio de gel fibroso para remoção de água na etapa 612. Além disso, as placas flutuantes (510) são adaptadas para manter a forma redonda uniforme do fio durante a fase de remoção de água e proporcionam uma boa resistência à tração ao produto de fio final na etapa 614.

[0091] As Figuras 5 e 6 proporcionam diagrama de blocos e fluxograma, respectivamente, para o sistema de todo o aparelho de produção de fios (500) como proposto pela presente invenção. O sistema inclui uma suspensão aquosa tendo fibras e pelo menos um modificador de reologia, alimentado no bico (200). O sistema inclui ainda o aparelho de remoção de água (580). O bico (200) é adaptado para arranjar um fluxo turbulento da suspensão aquosa. O sistema inclui ainda um mecanismo de prensagem tendo o sistema transportador (560) com rolos (552), (554) e correia, que puxa o gel fibroso no aparelho de remoção de água (580).

[0092] O aparelho de remoção de água (580) inclui um rolo de pré- prensagem (504) e uma placa (505) que pré-pressiona o fio para desidratá-lo, e placas flutuantes (510) suportadas na base estacionária/flutuante (520), que torce o fio.

[0093] A Figura 6 ilustra especificamente um fluxograma explicando a operação do aparelho de produção de fios. A suspensão aquosa tendo fibras e espuma juntamente com aditivos de melhoria de propriedades de fios são alimentados a partir do bico (200). Em uma forma de realização, eles podem ser alimentados a partir do lado do bico, tal como o bico (200), na etapa 602. O bico (200) é adaptado para colocar o fluxo em turbulência da suspensão aquosa ao longo do eixo de fluxo principal do bico, na etapa 604. Em seguida, na saída do bico, a suspensão aquosa puxada e torcida e fundida com o fluxo anular de um hidrogel de alginato de metal, na etapa 606. Depois, o fio de gel fibroso na saída do bico é submetido ao processo de remoção de água como explicado acima.

[0094] Deve ser notado que quaisquer características, etapas, fases ou partes de formas de realização como aqui descritas acima podem ser permutadas e combinadas livremente entre si em uma combinação de duas ou mais formas de realização de acordo com a invenção.

[0095] A invenção proporciona várias vantagens. O método de fabricação é muito simples e eficaz, e o equipamento necessário é simples e relativamente barato. O fio é produzido diretamente da suspensão de fibras e não é necessário fabricar primeiras tiras de papel.

[0096] A reologia da suspensão de fibras pode ser ajustada usando modificadores de reologia para a faixa de viscosidade e tixotropia, em que a suspensão de fibras pode ser bombeada através do bico sem obstrução, mas simultaneamente para fornecer um fio úmido tipicamente em forma de gel, que tem resistência suficiente para manter sua forma durante a etapa de secagem. Assim, o modificador de reologia proporciona a natureza e a resistência de desbaste de cisalhamento ao fio; no caso alginato é usado um agente de dispersão é tipicamente também necessário e o tratamento do fio úmido com uma solução salina para proporcionar uma resistência suficiente. A seleção do diâmetro interno da saída do bico para menor que ou igual ao comprimento de fibras de fibra ponderado em comprimento máximo das fibras atinge as fibras para orientar na direção do fio, o que proporciona a flexibilidade e a resistência do produto final.

[0097] A água liberada após a secagem pode ser recuperada por condensação e reciclada no método, por exemplo, usando um sistema fechado e, portanto, praticamente nenhuma água residual é formada. Também a quantidade de água necessária no processo é muito limitada, particularmente na forma de realização, em que a suspensão de fibra é proporcionada na forma de espuma.

[0098] O produto é completamente biodegradável quando os materiais de partida usados são materiais naturais.

[0099] A necessidade de algodão pode ser reduzida com o método e os produtos da presente invenção, em que as fibras são originárias pelo menos parcialmente de material de planta mais ecológico, tal como, madeira e papel reciclado.

[00100] Particularmente, a polpa de fibra longa, adequadamente fabricada de pinheiro nórdico, pode ser usada no método para proporcionar um fio tendo uma espessura menor que 0,1 mm e propriedades de resistência muito boas.

[00101] Embora a invenção tenha sido descrita em relação a exemplos específicos apresentados nas figuras, incluindo os modos atualmente preferidos de realização da invenção, os habilitados na técnica apreciarão que existem numerosas variações e permutações das formas de realização acima descritas que se enquadram no espírito e escopo da invenção. Deve ser entendido que a invenção não está limitada na sua aplicação aos detalhes de construção e arranjos dos componentes aqui estabelecidos. As variações e as modificações do precedente estão dentro do escopo da presente invenção.

[00102] Consequentemente, estão previstas muitas variações destas formas de realização dentro do escopo da presente invenção.

[00103] As descrições precedentes de formas de realização específicas da presente invenção foram apresentadas para fins de ilustração e descrição. Eles não se destinam a ser exaustivos ou a limitar a presente invenção às formas precisas descritas e, obviamente, muitas modificações e variações são possíveis à luz do ensino acima. As formas de realização foram selecionadas e descritas de modo a explicar os princípios da presente invenção e a sua aplicação prática e, assim, permitir que outros especialistas na técnica utilizem a presente invenção e várias formas de realização com várias modificações adequadas ao uso particular contemplado. Entende-se que várias omissões e substituições de equivalentes são contempladas como circunstâncias podem sugerir ou tornar conveniente, mas tais omissões e substituições destinam-se a cobrir a aplicação ou implementação sem se afastar do espírito ou escopo da presente invenção.

Claims (8)

1. Método para fabricar fios fibrosos, método esse caracterizado por compreender proporcionar uma suspensão aquosa (210) que compreende fibras originárias de pelo menos uma fonte de matéria-prima baseada em planta e pelo menos um modificador de reologia, direcionando a dita suspensão (210) através de pelo menos um bico (200) para formar pelo menos um fio, com isso proporcionando um hidrogel de alginato de metal (230) sobre superfície do fio que sai de pelo menos um bico (200) iniciando formação de dito hidrogel de alginato de metal (230) na saída do bico (201) em região de jato livre, em que aquela suspensão aquosa (210) é fundida com um fluxo anular de solução contendo íons de metal e submetendo o referido pelo menos um fio à remoção de água.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende proporcionar um aditivo (220) para dentro da referida suspensão aquosa para alterar as propriedades daquele fio.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que aquele aditivo (220) é qualquer um dos seguintes: argila, poliéster, náilon, metais, íons, qualquer material eletricamente condutor e/ou um carbono ativado.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende substituir água naquela suspensão aquosa (210) por espuma.

5. Sistema para fabricar fios fibrosos, sistema esse caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um bico (200) disposto para receber e proporcionar através do mesmo uma suspensão aquosa (210) que compreende fibras originárias de pelo menos uma fonte de matéria-prima baseada em planta e pelo menos um modificador de reologia, de modo a formar pelo menos um fio, o sistema compreendendo adicionalmente meio para proporcionar um hidrogel de alginato de metal (230) sobre a superfície do pelo menos um fio saindo daquele pelo menos um bico (200) iniciando formação de hidrogel de alginato de metal (230) na saída do bico (201) em região de jato livre, em que aquela suspensão aquosa (210) é fundida com um fluxo anular de solução contendo íons de metal, e meio para submeter o fio à remoção de água.

6. Sistema de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de compreender um aditivo (220) proporcionado naquela suspensão aquosa (210) para alterar as propriedades daquele fio.

7. Sistema de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que aquele aditivo (220) é qualquer um dos seguintes: argila, poliéster, náilon, metais, íons, qualquer material eletricamente condutor e/ou um carbono ativado.

8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que água na referida suspensão aquosa (210) é substituída por espuma.

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