CN101511483B - 制造形成原纤维的纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造形成原纤维的纤维的方法，包括：制造纤维的悬浮液；以第一剪切速率对纤维进行低剪切匀料以产生有减小的CSF的形成原纤维的纤维；和随后以高于第一剪切速率的第二剪切速率对纤维进行更高的剪切匀料以增加纤维的原纤化程度。以第一剪切速率匀料可以用在第一最大剪切速率下的转子进行，以第二剪切速率匀料可以用在比第一最大剪切速率更高的第二最大剪切速率下的转子进行。方法可以还包括由在低剪切匀料前把应力加到纤维的高剪切匀料预处理纤维。
Description
技术领域
本发明涉及制造形成原纤维的纤维(fibrillated fibers)，更具体地涉及用开口槽匀料制造形成原纤维的纤维。
背景技术
制造形成原纤维的纤维可由包括美国专利Nos.2810646、4495030、4565727、4904343、4929502和5180630的文件中已知。制造这种形成原纤维的纤维的方法已包括使用工业的造纸机械及工业的混料机。需要以低的成本对于各种应用有效地成批制造形成原纤维的纤维，但是这些现有技术的方法和设备对于这种目的不能提供有效的措施。
发明内容
考虑到现有技术的问题及缺点，因此本发明的目的是提供改进的制造形成原纤维的纤维的方法及系统。
本发明的另一个目的是提供可制造毫微米尺寸级的纤维同时保持延伸的纤维长度及避免产生细粉的、制造形成原纤维的纤维的方法及系统。
本发明的又一个目的是提供比现有技术方法能量更有效及生产率更高的、并导致改进的容积及产量的、制造原纤维的纤维的方法和系统。
本发明的其它目的及优点可通过说明书部分更显而易见及更清楚。
为达到对本专业技术人员清楚的上述和其它目的，本发明提供了一种制造形成原纤维的纤维的方法，包括：制造纤维的悬浮液；以第一剪切速率对纤维进行低剪切匀料(vefining)以产生有减小的CSF的形成原纤维的纤维；和随后以高于第一剪切速率的第二剪切速率对纤维进行更高的剪切匀料以增加纤维的原纤化程度。
以第一剪切速率匀料在转子在第一最大剪切速率下进行，和以大于第一最大剪切速率的第二剪切速率匀料在转子在第二最大剪切速率下进行。本发明的方法可以还包括由在低剪切匀料前把应力加到纤维的高剪切匀料预处理纤维。
用在第一角速度操作的第一转子对纤维匀料，随后用在比第一角速度高的第二角速度操作的第二转子对纤维匀料。或者，用具有第一直径的第一转子对纤维匀料，随后用比第一直径大的第二直径的第二转子对纤维匀料。纤维悬浮液可以连续地从第一转子流到第二转子。
本发明的方法可以包括控制所述的纤维悬浮液的流速，其中减小所述的流速延长由各转子处理悬浮液的时间和增加纤维的原纤维化的程度，而增加所述的流速减少由各转子处理悬浮液的时间和减小纤维的原纤维化的程度。本发明的方法可以还包括在开口槽剪切时从所述的纤维悬浮液除去转子运动产生的热。
本发明的方法可以还包括以高于第二剪切速率的第三剪切速率对纤维匀料，以进一步增加纤维的原纤化的程度，或者，还包括在大于三个剪切速率下对纤维匀料，其中各剪切速率高于前面的剪切速率，以进一步增加纤维的原纤化程度。
附图说明
相信本发明的特点是新颖的，并且本发明的元件特点具体在所附的权利要求书中说明。附图仅用于说明，并不是按比例画出。但是参考结合附图的详细说明可最好地明白操作的组织及方法，附图中：
图1是按照本发明改进的、作为剪切时的时间函数的、纤维的加拿大标准排水度(CSF)值的变化的图解表示；
图2是按照本发明的用于制造形成原纤维的纤维的优选的开口槽匀料机系统的横剖面的侧视图；
图3是图2的开口槽匀料机中的转子的部分剖面的顶视图；
图4是按照本发明制造的具有毫微纤维尺寸的原纤维的纤维的显微照片。
具体实施方式
实施本发明的模式
在说明本发明的优选的实施例中，参考图1-4，其中类似的附图标记表示发明的类似的特点。
本发明提供了使用机械加工纤维成批制造用于各种应用的有毫微纤维的原纤维的形成原纤维的纤维芯。术语“纤维”意思指特点在于有高的长度与直径比的固体。例如，长度与直径比从大于约2到约1000或更高的长度与直径比可用于制造按照本发明的毫微纤维。术语“形成原纤维的纤维”涉及具有沿着纤维长度分布并有长度与宽度比为约2到约1000并且直径小于约1000毫微米的似银的原纤维的纤维。从常称作“芯纤维”的纤维延伸的形成原纤维的纤维的直径明显小于形成原纤维的纤维从其延伸出的芯纤维的直径。从芯纤维延伸的原纤维优选地直径在小于约1000毫微米的毫微纤维范围。如这里使用的，术语“毫微纤维”意思指直径小于约1000毫微米的、无论从芯纤维延伸出或从芯纤维分离出的纤维。本发明制出的毫微纤维混合物典型地直径为约50毫微米至小于约1000毫微米和长度为约0.1-6毫米。毫微纤维优选地直径为约50-500毫微米和长度为约0.1-6毫米。
已经发现形成原纤维的纤维可在第一剪切速率由第一开口槽匀料的纤维更有效地制出以产生形成原纤维的纤维，并且随后在高于第一剪切速率的第二剪切速率下对纤维进行开口槽匀料以增加纤维的原纤维程度。如这里使用的，术语“开口槽匀料”涉及纤维的物理处理，主要通过剪切，没有实质的粉碎、拍打和切割，这样处理会导致带有有限减小纤维长度或产生细粉的、纤维的原纤化。纤维的实质的粉碎、拍打和切割在制造原纤维结构中是不需要的，例如，由于这种力导致纤维的迅速分裂，及导致具有很多细粉、短纤维和压扁的纤维的低质量的原纤化的生产，当这种纤维结合在纸过滤器中时，这种细粉、短纤维和压扁的纤维提供了低效率的原纤化结构。也称为“剪切”的开口槽匀料典型地使用一个或更多的宽间距的旋转锥形或平的叶片或板处理纤维的水悬浮液来进行。足够远离其它表面的单活动表面在独立的剪切场中对纤维主要赋予剪切力。剪切速率从接近轮毂或转动轴的低值变化到在叶片或板的外周边的最大剪切值，在该处达到最大的相对的叶尖速度。但是，与如在打浆机、锥形及高速转子的匀料机及盘形匀料机中，其中引起两个接近的表面积极地剪切纤维的普通表面匀料方法相比，这种剪切的速率是很低的。后者的一个实例使用在定子中以高速旋转的、具有一个或多行齿的转子。
相反地，术语“闭合槽匀料”涉及使用与开口槽匀料相比，导致纤维的原纤化及减小纤维尺寸及长度以及明显产生细粉的一个剪切、粉碎、拍打及切削的组合进行的纤维的物理处理。闭合槽匀料典型地通过在商用拍打器或在锥形或平板匀料器中处理纤维的水溶液来实施，锥形或平板匀料器使用相互相对转动的接近地间隔的锥形或平叶片或平板。这可由其中一个叶片或板是静止的而其余是转动的，或其中两个叶片或板以不同的角速度或沿不同的方向转动来完成。叶片或板两者表面的作用对纤维加上剪切及其它物理作用力并且各表面增强由其它表面赋予的剪切力及切割力。如采用开口槽匀料那样，相对转动的叶片或板之间的剪切速率从接近轮毂或转动轴的低值变化到在叶片或板的外周边的最大剪切值，在该处达到最大的相对的叶尖速度。
在本发明的优选的实施例中，在连续的搅拌的匀料机中，从如纤维素、丙烯酸、聚烯烃、聚酯、尼龙、aramid、和液体晶体聚合物纤维、特别是聚丙烯和聚乙烯纤维的材料制出形成原纤维的纤维和毫微纤维。一般，在本发明中使用的纤维可以是有机或无机材料，包括(但不限制于)聚合物、工程树脂、陶瓷、纤维素、人造纤维、玻璃、金属、活性氧化铝、碳或活性碳、氧化硅、沸石或这些材料的混合物。有机和无机纤维和/或晶须的混合物是令人期待的，并在本发明的范围内，例如玻璃、陶瓷或金属纤维和聚合物纤维可以一起使用。
本发明制造的形成原纤维的纤维的质量在一个重要的方面由加拿大标准排水度值测定。加拿大标准排水度(CSF)意思指由浆料悬浮液脱水的速率测定的浆料的排水度或脱水率。这种方法对造纸专业的技术人员是已知的。虽然CSF值对纤维长度稍微敏感，但其对纤维的原纤化程度强烈地敏感。因此，测量水从浆料中如何容易地脱出的CSF是监控原纤化程度的合适的手段。如果表面积很高，在给定的时间中很少的水从浆料中脱出，并随着纤维的原纤化更发展，CSF值逐步变得更低。
取决于最终的生产说明书，本发明使用的开口槽匀料机可以以分批或连续的模式实施。在分批模式中，纤维在一个单一容器中剪切，转子速度从低剪切速率增加到高剪切速率。在连续模式中，纤维在多重容器中剪切，处理纤维的各容器的转子速度从低剪切速率增加到高剪切速率。
在剪切时纤维的CSF作为时间函数以恒定速率减小在图1中示出。开始，要原纤化的纤维有高的CSF值。在开始剪切时，如从A点到B点所示，纤维的原纤化的速率及CSF相应的减小比较低。实际上，相信应力带在纤维芯中发展，纤维未遭到实质的原纤化。在一段时间后，当纤维到达B点，纤维的原纤化速率增加，如B点和C点之间CSF更迅速的降低速率所示。在C点后，CSF降低速率和原纤化速率减小，曲线开始成为渐近到最终达到的CSF值X。原纤化以低的速率继续直到过程在D点在要求的CSF值停止。
已发现在纤维的开口槽匀料中变化的剪切速率导致更有效的纤维的原纤化。为了缩短在图1所示的CSF速率曲线上达到B点需要的时间，本发明任选地开始使纤维在高的剪切速率下匀料以加速形成在纤维芯中的应力带。由于原纤化的形成是最少的，除了剪切，纤维可由拍打和/或切割作用影响。一旦纤维施加的应力足够，并达到曲线的B点，剪切可由开口槽匀料以低剪切速率(和低的单位能量消耗)更有效地进行，没有实质的粉碎、拍打和切割。这种由开口槽匀料进行的剪切继续直到CSF降低速率开始变小(点C)。在该时间，按照本发明，剪切速率在点B和点C之间的值上增加，因此，原纤化速率和CSF值减小速率以迅速的速度继续，CSF值进一步下降到点C′。任选地，剪切速率进一步增加，直到在点D′达到要求的CSF值Y，过程终止。
图2示出开口槽匀料机的一个优选的连续安排，其中四个匀料机40、50、60、70串联着。所有的匀料机有带套的、水冷容器外壳42，以吸收机械匀料产生的热。各匀料机有可操作连接到中央垂直轴44的一个电动机46，在轴44上安装着一个或多个隔开的、水平延伸的叶片、板或转子52。除非专门规定，术语“转子”可替换地用于叶片或板。在各匀料机中转子的数目可变化，通常取决于在工序中匀料机的位置。如图2所示，匀料机40有相互为第一垂直间距的三个转子，以及粗制机50有类似间距的四个转子。示出匀料机60有更大垂直间距的三个转子，而匀料机70有基本同样间距的两个转子。转子直径变化，优选地叶尖速度(也就是在转子外径的速度)为至少约7000英尺/分(2100米/分)。转子可包括齿数优选地为4至12的齿。
图3示出在类似于可从Littleford Day公司(美国肯塔基州，佛罗伦萨市)购得的Daymax搅拌机的一个匀料机70的可能的转子结构。转子52中心安装在轴44上，并有从转子52径向延伸出的多个齿54，在实例中示出四个齿。转子52沿方向55转动，并且在齿54的前缘上设有尖边56。从壳体42部分径向向内延伸的隔板58帮助在开口槽匀料时把紊流混合加到纤维悬浮液中。
在如图2的匀料机的转动处理设备中，在转动叶片或板的外周边的最大剪切速率可通过改变转子表面的物理形状设计、增加转子的角速度、或增加转子的直径来增加。当转子的速度增加时，剪切速率从最小增加到最大。第一匀料机40有最小的匀料机的剪切速率，而最后的匀料机70有最高的匀料机的剪切速率。匀料机50和60分别有中到高的剪切速率。
制造形成原纤维的纤维的过程开始于把液体的纤维22的悬浮液供入第一匀料机40。开始的纤维直径为几微米，纤维长度变化为约2-6毫米。在水中纤维的浓度变化为1-6％(重量)。第一匀料机被连续地供以纤维22，并且在其中进行开口槽匀料一段要求的时间，处理过的纤维悬浮液34连续地流到下一个匀料机50，在那里以更高的速率进行进一步的开口槽匀料。处理过的纤维悬浮液36随后从匀料机50流到匀料机60，随后当处理过的纤维悬浮液38流到匀料机70，在该处以增加的剪切速率在连续的模式操作中进一步进行开口槽匀料，形成原纤维以纤维悬浮液从匀料机70中形成。
纤维供入第一匀料机40的速率由最终的形成原纤维的纤维80的技术要求决定。(在干纤维中的)供料速率典型地为约20-1000磅/小时(9-450千克/小时)，在各匀料机中的平均驻留时间为约30分到2小时。满足这种生产率的顺序的匀料机的数目为2到10，各匀料机有比前面的匀料机更高的剪切速率。在匀料机中的温度通常保持在低于约175°F(80℃)。
处理过的纤维80的特征在于纤维混合物的加拿大标准排水度额定值和使用光学测量技术。典型地，进入纤维的CSF额定值为约750至700，随后在每级匀料中降低到最终的CSF额定值为约50至0。在处理结束得到的完成的形成原纤维的纤维产品使所有的毫微纤维仍连结到芯纤维，如图4所示。
连续处理的实例
固体含量为3.5％的纤维浆料以33加仑/分(125升/分)供入系列开口槽匀料机中的第一个。纤维长度变化在2-5毫微米之间。来自第一开口槽匀料机中的处理过的纤维供入第二开口槽匀料机，并任选地供入一个或多个其它的开口槽匀料机中直到在最后的开口槽匀料机中达到要求的CSF。对于第一开口槽匀料机，设有三个叶片，各自的直径为约17英寸(43厘米)，叶片的转速为约1750转/分。中间开口槽匀料机有四个直径为20英寸(51厘米)的叶片，叶片的转速为约1750转/分。最后的开口槽匀料机有两个直径为23英寸(58厘米)的叶片，叶片的转速为约1750转/分。各开口槽匀料机中的纤维代表从CSF 700到CSF 0的CSF曲线的一个范围。在第一开口槽匀料机中的纤维的平均CSF分布接近CSF 700，而在最后的开口槽匀料机中的纤维的平均CSF分布接近CSF 0。在过程中的任一给定点，各开口槽匀料机含有约600磅(275千克)的干纤维和约2000加仑(7570升)的水。各开口槽匀料机的浓度保持约3.5重量百分比的固体。
作为连续处理的替换方案，制造形成原纤维的纤维的本方法也可作为分批处理来进行。在分批模式中，各单个匀料机可用来制造约3-700磅/小时(1.5-320千克/小时)。各匀料机中的驻留时间从约30分到8小时变化。叶片尺寸可对合适的剪切速率最佳化，该剪切速率可不由不合适的试验而确定。如使用CSF和光学测量技术表示的特征，在分批模式和连续模式中制造的材料是同样的，并且流变学性能不受影响。
如果要求进一步的匀料，纤维悬浮液可从最后的匀料机再循环32到前面的任意的匀料级24、26、28或30进行附加的开口槽匀料。在全部开口槽匀料后，最终的纤维悬浮液可进行带脱水以提供最终的湿的搭接的形成原纤维的纤维。这种形成原纤维的纤维可用于造纸、过滤器或对于这种纤维的典型的其它用途。或者，悬浮液可进行进一步处理，如在同一日由本发明人申请的名称为“制造毫微纤维的方法”(代理人案件号为KXIN 100008000)的美国专利申请中指出。
因此，本发明提供了制造形成原纤维的纤维的改进的方法和系统，其中毫微纤维尺寸范围的纤维连接到大的芯纤维，比现有的方法在时间及成本上效率更高。本方法以更高的能效及生产率保持有减少的细粉量的细长的纤维长度，导致改进容积及产量。
虽然结合专门的优选实施例对本发明进行了特别说明，很明显通过上面的说明，本专业的技术人员可明白许多替换物、变型及变化。期待所附的权利要求书包括落在本发明实际范围和精神内的替换物、变型及变化。
因此，已经说明了本发明，本发明的权利要求书如下。
Claims (20)
1.一种制造形成原纤维的纤维的方法，包括：
制造纤维的悬浮液；
以第一剪切速率对纤维进行低剪切匀料，以产生有减小的CSF的形成原纤维的纤维；和
随后以高于第一剪切速率的第二剪切速率对纤维进行更高的剪切匀料，以增加纤维的原纤化程度，
所述方法还包括通过在低剪切匀料前把应力加到纤维的高剪切匀料来预处理纤维。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于以第一剪切速率的匀料在转子在第一最大剪切速率下进行，和以大于第一最大剪切速率的第二剪切速率的匀料在转子在第二最大剪切速率下进行。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于用在第一角速度操作的第一转子对纤维匀料，随后用在比第一角速度更高的第二角速度操作的第二转子对纤维匀料。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于用具有第一直径的第一转子对纤维匀料，随后用有比第一直径大的第二直径的第二转子对纤维匀料。
5.按照权利要求3的方法，其特征在于所述的纤维悬浮液从在第一最大剪切速率操作的第一转子连续流到在第二最大剪切速率操作的第二转子。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于还包括控制所述的纤维悬浮液的流速，其中减小所述的流速延长由各转子处理悬浮液的时间和增加纤维的原纤维化的程度，而增加所述的流速减少由各转子处理悬浮液的时间和减小纤维的原纤维化的程度。
7.按照权利要求2的方法，其特征在于还包括在开口槽剪切时从所述的纤维悬浮液除去转子运动产生的热。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括在高于第二剪切速率的第三剪切速率对纤维匀料，以进一步增加纤维的原纤化的程度。
9.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括在大于三个剪切速率下对纤维匀料，其中各剪切速率高于前面的剪切速率，以进一步增加纤维的原纤化程度。
10.按照权利要求1的方法，其特征在于所述的纤维悬浮液连续和顺序地从预处理纤维期间的开始高的剪切匀料流到及通过随后的以第一剪切速率进行的所述低剪切匀料和以第二剪切速率进行的所述更高的剪切匀料，及还包括控制所述的纤维悬浮液流过过程的至少一些部分的流速，以减小或增加纤维的原纤化程度。
11.一种制造形成原纤维的纤维的方法，包括：
制备纤维的悬浮液；
在转子在第一剪切速率下，对所述的纤维进行低剪切匀料，以产生有减小的CSF的形成原纤维的纤维；及
随后在转子在比第一剪切速率高的第二剪切速率下，对所述的纤维进行更高的剪切匀料，以增加纤维的原纤化程度，
所述方法还包括在低剪切匀料前借助高剪切匀料对纤维预处理，对纤维施加应力。
12.按照权利要求11的方法，其特征在于用在第一角速度操作的第一转子对纤维进行匀料，并随后用在高于第一角速度的第二角速度操作的第二转子对纤维进行匀料。
13.按照权利要求12的方法，其特征在于所述的纤维悬浮液连续地从第一转子操作而流到第二转子。
14.按照权利要求11的方法，其特征在于用具有第一直径的第一转子对纤维匀料，及随后用具有比第一直径大的第二直径的第二转子操作对纤维匀料。
15.按照权利要求14的方法，其特征在于所述的纤维悬浮液连续地从第一转子操作而流到第二转子。
16.按照权利要求11的方法，其特征在于还包括控制所述的纤维悬浮液的流速，其中减小所述的流速延长由各转子处理悬浮液的时间和增加纤维的原纤维化的程度，而增加所述的流速减少由各转子处理悬浮液的时间和减小纤维的原纤维化的程度。
17.按照权利要求11的方法，其特征在于还包括在开口槽剪切时从所述的纤维悬浮液除去转子运动产生的热。
18.按照权利要求11的方法，其特征在于还包括在高于第二剪切速率的第三剪切速率对纤维匀料，以进一步增加纤维的原纤化的程度。
19.按照权利要求11的方法，其特征在于还包括在大于三个剪切速率下对纤维匀料，其中各剪切速率高于前面的剪切速率，以进一步增加纤维的原纤化程度。
20.按照权利要求11的方法，其特征在于所述的纤维悬浮液连续和顺序地从预处理纤维期间的开始高的剪切匀料流到及通过随后的以第一剪切速率进行的所述低剪切匀料和以第二剪切速率进行的所述更高的剪切匀料，及还包括控制所述的纤维悬浮液流过过程的至少一些部分的流速，以减小或增加纤维的原纤化程度。
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