CN101688328A - 剥制工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用圆盘精磨机使纤维植物的韧皮与内芯分离的剥制工艺。

Description

剥制工艺
技术领域
本发明涉及一种剥制工艺(decortications process)，特别是一种利用纤维作物的秸秆来生产纯净韧皮纤维的工艺。
背景技术
从例如黄麻、大麻、苎麻或洋麻之类的双子叶植物中得到的韧皮纤维具有多种商业用途。典型地，韧皮纤维已经被纺织工业利用来生产织物产品，例如地毯纱线、绳索、土工织物、传统粗麻布和黄麻平纹布。然而，韧皮纤维越来约多地被用于例如制造无纺织物毯和地毯、复合材料以及汽车内部嵌板的其它工业。基于纤维素的工业从韧皮中回收纤维素用于浆料和纸制品。
在韧皮纤维能够被使用之前，必须首先通过某些形式的剥制工艺使纤维植物的韧皮纤维与内芯分离。现有技术的剥制工艺是多样的，但一般都是采用自动机械使纤维植物经受机械压力从而在内芯和韧皮之间的连接产生物理断裂。然后，所述机器使韧皮与内芯分离。使韧皮与内芯分离的另一种常用工艺是“沤麻”，该工艺将植物茎浸没在水里，并进行一段时间的浸泡从而将纤维从茎的其它组分上松解。沤麻也可以是将切断的农作物树立在田间暴露于空气水分中。细菌的活动破坏了果胶和木质素，释放出纤维素纤维。茎然后被去除、清洗并经受机械加工来去除软组织，然后被烘干。一种综合了沤麻和剥制机械的工艺也被用来获得韧皮纤维。
纺织工业要求具有相对长纤维长度的韧皮纤维。因此，韧皮纤维在纺织工业中的使用导致了用于生产具有更长(50mm或更长，一般超过150mm)的纤维长度纤维的剥制工艺和机械的发展。然而，例如是纤维素工业和复合材料成型业的非纺织工业却不需要长纤维长度，并且事实上还经常需要预先将韧皮纤维切割成更短长度来使用。
去除较长纤维的需要带来了研发可供选择的剥制工艺的可能性，所述可供选择的剥制工艺采用生产具有较短长度的韧皮纤维束的设备。
发明内容
本发明涉及一种剥制工艺，特别是一种利用纤维作物的秸秆来生产纯净韧皮纤维的工艺。
因此，在本发明中的一个方面，本发明包括一种通过加工具有韧皮层和内芯的植物的秸秆来生产韧皮纤维的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将秸秆切割成预定长度；
(b)通过使经切割的预定长度的秸秆通过圆盘精磨机并施加小于约150kWh/t的能量对秸秆进行精磨；和
(c)筛选经精磨的秸秆以便使韧皮纤维与内芯分离。
在一个实施例中，在精磨秸秆之前筛选经切割的秸秆以分离任何比预定长度长的秸秆。
在一个实施例中，最后的筛选步骤将经精磨的秸秆分离成特定的成分。筛选步骤将精磨秸秆分离成特定的成分，筛选的成分可以包括纯净的韧皮纤维；粗韧皮纤维；粗内芯以及废渣。粗韧皮可以被进一步筛选或精磨或筛选和精磨二者以提高纯度和韧皮回收。在一个实施例中，粗韧皮可以与新原料一起进行再加工。粗内芯可以被进一步筛选或精磨或筛选和精磨二者以进一步回收韧皮并提高芯的纯度。在一个实施例中，粗内芯可以与新原料一起进行再加工。
在一个实施例中，秸秆通过喂给饲料切碎机而切割。在一个实施例中，经切割的秸秆的长度小于约50mm，并且可以优选小于约10mm。在一个实施例中，经切割的秸秆在环境压力下通过干式圆盘精磨机。圆盘精磨机可以包括至少一个转子磨盘。
附图说明
本发明现在将借助于具有简化的、概略的、未按比例的附图的具体实施例来描述。在附图中：
图1是本发明的工艺的流程图。
图2是经筛选的成分的曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种剥制工艺，特别是一种利用纤维作物的秸秆来生产纯净的韧皮纤维的工艺。本发明使用圆盘精磨机在较短纤维束基部上进行剥制。在描述本发明时，本文未定义的所有术语具有它们通用的技术公认的含义。在某种程度上，下面的描述是本发明的特定实施例或者特殊用途，仅仅是说明性的，并且不是对所要求保护的本发明的限制。下面的描述意欲覆盖包含在如所附权利要求中限定的本发明的精神和范围内的所有可供选择的方案、改进方案以及等效方案。
在本专利申请中，下面的词语具有下述含义：
“韧皮(bast)”指的是纤维作物中植物的韧皮部或内皮的纤维。
“剥制(decortication)”指的是使植物的韧皮与内芯分离的工艺。
“圆盘精磨机(disc refiners)”在本领域中是公知的并且通常用于改变浆料和纸纤维的结构，指的是利用至少两个精磨盘(refinerplates)的机器，其中一个或全部精磨盘在纤维从它们之间通过时旋转并在纤维上进行挤压。
“纤维作物(fibre crops)”指的是具有韧皮纤维的双子叶植物的作物。常见的纤维作物包括黄麻、大麻、亚麻、苎麻、红麻以及玫瑰茄大麻。
本文所使用的“包含”和“包括”均指的是“包括但不限于”。
“内芯(inner core)”指的是纤维作物中植物的内部纤维芯，其可以与植物的皮质韧皮纤维分离。
“纤维束(strands)”指的是一束纤维。
“秸秆(straw)”指的是纤维作物中植物的茎。
本发明涉及一种剥制工艺，特别是一种利用纤维作物的秸秆来生产纯净的韧皮纤维的工艺。所述工艺涉及了圆盘精磨机的新用途，圆盘精磨机是在制浆和造纸工业中所使用的用来纤维化木浆的一套设备并且以前并不知道可以用于生产韧皮纤维。
图1示出本发明的工艺的流程图。所述工艺可以概括为一种利用包括大麻、亚麻、红麻以及黄麻的纤维作物的秸秆来生产纯净的韧皮纤维的工艺，所述工艺所具有的一系列工艺阶段包括：
(a)用于设定韧皮纤维的初始长度的秸秆切碎和筛选阶段；
(b)用于机械分离切碎的韧皮纤维与芯材料的精磨阶段；和
(c)用于物理分离经分离的韧皮纤维与内芯材料的筛选阶段。该筛选阶段还允许筛网接收物(screen accepts)(即通过筛网的材料)被分成特定销售类别的产品。
通过本工艺生产的韧皮纤维可以经纯化(cleaned)然后经处理而用于复合材料，或者随后采用化学方法加工成用于各种纸类或纤维素用途的非木纤维浆料。
所述工艺中的第一个步骤是将秸秆切割成预定长度。饲料切碎机或本领域技术人员所选择的任何其它类似的切割装置优选用于切割秸秆。筒式粉碎机或锤磨机也可以用于切割秸秆。根据所使用原材料的初始形式，在将原材料喂入饲料切碎机之前，可能需要开包或将秸秆打断成较小的长度或开包和将秸秆打断成较小的长度二者。切割阶段的主要目的是设定初始的纤维长度。通过控制饲料切碎机中切割头的速度与喂料输送机的速度的比率来实现预定长度。纤维取向将影响切割长度的精度，并且优选使秸秆的取向垂直于切割头，虽然这些在所述工艺中不是必需的。优选的是，颗粒长度为50mm或更小，例如小于40mm、30mm或20mm。10mm或更小的颗粒是更优选的。
在一个实施例中，紧随切割之后，筛选切碎的材料以去除无意中未被切割的材料或者比所需长度长的材料。这样的筛选和去除有助于防止工艺设备下游的堵塞。未被切割或长的秸秆重新返回饲料切碎机以进一步减小尺寸。
所述工艺中的下一个阶段是精磨阶段。将经筛选的、饲料切碎机切碎的秸秆喂入圆盘精磨机中。精磨阶段的主要目的是机械分离韧皮与内芯，优选对韧皮纤维的长度具有最小的影响。
圆盘精磨机通常用于制浆和造纸工业，并且包括反向旋转的精磨盘，所述精磨盘在经过它们之间的纤维上施加物理力。材料通过以固定速度运转的精磨盘之间的固定间隙。精磨盘的剪切作用使韧皮纤维与内芯颗粒分离。本发明优选使用在环境压力力下运转的干式圆盘精磨机(dry disc refiner)以避免纤维之间的缠结。干式圆盘精磨机是对固体含量为80％或更大(例如90％或更大)的原料进行操作的一种精磨机。
圆盘精磨机对经切割的秸秆的磨碎受以下变量的影响：(a)经切割的秸秆的喂给速度；(b)秸秆必须通过的磨盘之间的间隙；(c)磨盘的条状图案；(d)通过磨盘施加给秸秆纤维的能量；和(e)秸秆纤维的水分含量。本领域技术人员能够操控这些变量以产生合适的结果。例如，已知的是这些变量的组合可以产生大于所需的精磨作用，并且可以降低韧皮纤维产品的纯度，同时增加不需要的废渣(dust)。可供选择地，如果精磨作用不充分，那么韧皮纤维与内芯材料的分离就可能不充分。
在一个实施例中，秸秆的水分含量优选小于约15％。磨盘的图案在不同的生产商之间有很大的变化，并且某些磨盘图案与其它的磨盘图案相比更加有效(aggressive)。喂给速度可以根据圆盘精磨机的尺寸和精磨机的转速变化。
在一个实施例中，所述工艺利用了正磨盘间隙(positive plategap)，从而在互补的磨盘图案之间不存在重叠。磨盘外径处的最小磨盘间隙可以为约1mm到约10mm。
圆盘精磨机通常在材料上施加大于250kWh/t的能量。根据本发明人的知识，使用高浓圆盘精磨机(high consistency disc refiners)生产中密度纤维板的工艺是施加能量最低的情况，所施加的最低能量为250kWh/t到约300kWh/t量级。在本发明中，所需的精磨能量更低。因此，在一个实施例中，圆盘精磨机施加的能量在约10kWh/t到150kWh/t之间，优选在约10kWh/t到约100kWh/t之间，最优选在20kWh/t到80kWh/t之间。在一个示例性实施例中，施加的能量为约50kWh/t。
在精磨阶段之后，立即使经精磨的秸秆经受进一步的筛选步骤，该进一步的筛选步骤将经精磨的产品分离成不同的成分(fractions)。图2示出经筛选的成分的曲线图。等级成分(streams fractions)如下：
(a)纯净的韧皮；
(b)粗韧皮(1-3等级)。所述粗韧皮可以被重新精磨和重新筛选以提高纯度；
(c)粗内芯(1-3等级)。所述粗内芯可以被进一步机械分离(筛选或气流分离)以提高韧皮的回收利用；和
(d)废渣。
所述成分可以用于不同的初级商业产品。纯净的韧皮纤维可用于纤维素和复合材料市场。纯净的芯纤维可用于食品、化学、板材、吸收剂或聚合物市场。废渣可用于能源或复合材料市场(木粉当量)。
对于本发明工艺中的两个筛选步骤，所使用的筛网可以是本领域技术人员所选用的任何合适的筛网，包括振动筛、回转筛/滚筒筛或辊筛。
如本领域技术人员可以明显看出的，在不脱离这里所要求保护的本发明的范围的情况下，可以对前面的特定公开内容作各种改进、改用和变化。

Claims (12)

1、一种通过加工具有韧皮层和内芯的植物的秸秆来生产韧皮纤维的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将秸秆切割成预定长度；
(b)通过使经切割的预定长度的秸秆通过圆盘精磨机并施加小于约150kWh/t的能量对秸秆进行精磨；和
(c)筛选经精磨的秸秆以便使韧皮纤维与内芯分离。
2、根据权利要求1所述的方法，还包括在精磨秸秆之前筛选经切割的秸秆以分离任何比预定长度长的秸秆的步骤。
3、根据权利要求1所述的方法，其中最后的筛选步骤将经精磨的秸秆分离成特定的成分。
4、根据权利要求3所述的方法，其中所述成分包括：
a、纯净的韧皮纤维；
b、粗韧皮纤维；
c、粗内芯；和
d、废渣。
5、根据权利要求3所述的方法，还包括对粗韧皮进行筛选或精磨或筛选和精磨二者以提高纯度。
6、根据权利要求3所述的方法，还包括对粗内芯进行筛选或精磨或筛选和精磨二者以进一步回收纯净韧皮或纯净内芯。
7、根据权利要求1所述的方法，其中通过将秸秆喂给饲料切碎机而切割秸秆。
8、根据权利要求1所述的方法，其中经切割的秸秆的长度小于50mm。
9、根据权利要求1所述的方法，其中经切割的秸秆的长度小于10mm。
10、根据权利要求1所述的方法，其中经切割的秸秆在环境压力下通过干式圆盘精磨机。
11、根据权利要求1所述的方法，其中圆盘精磨机包括至少一个定子磨盘和至少一个转子磨盘。
12、根据权利要求1所述的方法，其中圆盘精磨机包括至少一个转子磨盘。
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