CN107849752B - 用于制造纤维纱线的化学方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制造纤维纱线的方法。所述方法包括如下步骤：提供具有纤维和至少一种流变改性剂的水性悬浮液（210），随后引导所述悬浮液（210）穿过至少一个喷嘴（200）以形成至少一条纱线。所述方法还包括使所述至少一条纱线经受脱水。所述方法的特征在于，将水凝胶（230）提供到离开至少一个喷嘴（200）的纱线的表面上。还公开了用于制造纤维纱线的系统以及在制造期间被如此产生的纤维纱线。

Description

用于制造纤维纱线的化学方法和系统

技术领域

本发明涉及用于尤其由天然纤维来制造纤维纱线的方法和系统。另外，本发明涉及通过所述方法可获得的纤维纱线，以及所述纤维纱线的用途。

背景技术

本领域中已知由天然纤维制成的许多不同类型的纱线。一个熟知的示例是纸纱线，其照惯例由纸张来制造。通常，纸纱线由纸制成，这首先通过将纸切割成窄条。然后将这些条加捻以产生一条纸纱线丝。这些丝被绕到大的卷轴上并且进行后处理以赋予不同的成品性能。在此之后，纱线被纺成较小的卷，并最后在特定的干燥单元中被干燥。

由于纸纱线性能上的缺陷，例如有限的强度、不合适的厚度、分层或折叠的结构，纸纱线具有有限的应用，并且另外，制造方法是低效率的。

在制造纸纱线中，湿法挤出喷嘴（extrusion nozzle）在纤维取向上并且在纤维的交联上起着关键作用。然而，为了实现最佳可能的纱线强度，纤维必须被很好地加捻。此外，为了改进纤维的内结合，纤维必须被结合在一起。先前已知的解决方案提供如下的喷嘴，所述喷嘴具有小于平均纤维长度的直径，平均纤维长度提供了可实现的纱线直径的上限。国际公开号2013/0347814中已经公开了一种这样的系统和方法。

在该国际公开WO 2013/0347814中，公开了用于制造纤维纱线的系统和方法。该方法和系统涉及提供包括纤维以及流变改性剂的水性悬浮液。所提供的悬浮液穿过喷嘴，并然后使用脱水系统来脱水。

然而，过程中公开的脱水系统在纸纱线上产生过度应力。这些过度应力更多的时候导致纱线在加捻和脱水过程期间发生断裂。

另一份文献即美国授权专利8,945,453公开了用于生产聚四氟乙烯纤维和聚四氟乙烯纤维的方法。8,945,453专利文献公开了适于从水性悬浮液制作聚四氟乙烯纤维的喷嘴结构。然而，8,945,453专利文献没有提供用于增强天然纤维纱线强度从而能够避免纱线在脱水过程期间断裂的任何解决方案。

因此，需要控制纱线强度从而能够避免纱线在加捻和脱水过程期间发生断裂。另外，需要一种装置和一种方法以将纤维纱线成功地传送到过程的脱水或干燥区段。

此外，需要使用关于材料的结构和动力学的以及它们的反应的知识以允许在这样的过程中连续产生纤维纱线。此外，必须建立对操作条件（物理条件：温度、压力、速度、停留时间；化学条件：pH值、浓度）的精确控制。

发明内容

因此，本发明的方面涉及用于制造纤维纱线的方法和系统。首先，制备具有纤维和至少一种流变改性剂的水性悬浮液。所述水性悬浮液被引导穿过至少一个喷嘴，并且含水纤维纱线产品在喷嘴的出口处出来。所述含水纤维纱线产品在喷嘴的出口处与水凝胶融合。具体地，所述水凝胶涂覆在所述含水纤维纱线产品的表面上。最后，所述含水纤维纱线产品经受脱水过程。

本发明的目的是提供用于制造纤维纱线的方法和系统。当水性悬浮液流动穿过喷嘴的出口时，如此产生的纤维纱线同时被拉拽和加捻，以形成含水纤维纱线产品。

本发明的方面可提供用于制造纤维纱线的方法和系统，其中，水性悬浮液在喷嘴的出口处与金属藻酸盐水凝胶的环状流融合。所述金属藻酸盐水凝胶适于交联含水纤维纱线产品。通过将二价金属阳离子添加到藻酸盐的溶液中来制备所述金属藻酸盐水凝胶。

本发明的方面可提供用于制造纤维纱线的方法和系统，其中，多条纤维纱线通过多个环状流动通道被合并。如本文中所提到的，多个环状流动通道包括最靠内的环状流动通道、最靠外的环状流动通道、以及夹在最靠内的环状流动通道与最靠外的环状流动通道之间的环状流动通道。最靠内的环状流动通道适于容纳纤维悬浮液和流变改性剂。最靠外的环状流动通道适于容纳金属藻酸盐水凝胶。夹在之间的环状流动通道适于容纳纱线性能改进添加剂。

本发明的方面可提供用于制造纤维纱线的方法和系统，其中，从至少两个相对侧由浮动在可变形/静止基座上的多个板来机械地挤压纤维纱线。

用于制造纤维纱线的方法，所述方法包括：

- 制备包括纤维和至少一种流变改性剂的水性悬浮液；

- 引导所述水性悬浮液穿过至少一个喷嘴，以形成至少一条纱线；以及

- 然后使所述至少一条纱线经受脱水，其特征在于，将水凝胶提供到离开至少一个喷嘴的纱线的表面上。

用于制造纤维纱线的系统，其中，所述系统包括：

- 提供具有纤维和至少一种流变改性剂的水性悬浮液，以及

- 所述水性悬浮液被布置成穿过至少一个喷嘴，以形成至少一条纱线，以及

- 所述至少一条纱线被布置成经受脱水，其特征在于，水凝胶被布置成被提供到离开至少一个喷嘴的至少一条纱线的表面上。

具有至少一种流变改性剂和纤维的脱水的水性悬浮液的纤维纱线，其中，

- 纤维的水性悬浮液已离开喷嘴，并且具有被提供到离开的纱线上的水凝胶。

在一个实施例中，通过从至少一个喷嘴侧部将水性悬浮液不对称地供给到所述至少一个喷嘴，允许水性悬浮液绕着至少一个喷嘴的主流轴线旋流。

在另一实施例中，通过产生、旋转并加速水性悬浮液的流，允许水性悬浮液绕着至少一个喷嘴的主流轴线旋流，其中，所有纤维通过绕着主流轴线旋转而与所述流很好地对准。

在又一另外的实施例中，通过如下方式允许水性悬浮液绕着至少一个喷嘴的主流轴线旋流：通过使用多个槽形流动通道产生旋流的流。

在又一另外的实施例中，通过如下方式允许水性悬浮液绕着至少一个喷嘴的主流轴线旋流：通过使用多个弯曲流动通道产生旋流的流。弯曲流动通道可包括九十度弯曲流动通道。

此外，并且参照上述内容，本发明的实施例包括具有纤维的水性悬浮液，并且至少一种流变改性剂被允许绕着喷嘴的主流轴线旋流。通过从喷嘴侧部不对称地供给水性悬浮液来完成水性悬浮液绕着喷嘴的主流轴线的这样的旋流。另外，还将纱线性能改进添加剂添加到水性悬浮液。此外，金属藻酸盐水凝胶在喷嘴的出口处与水性悬浮液的流融合。而且，水性悬浮液在喷嘴的出口处被拉拽和加捻，并然后经受挤压和脱水过程。

经调制的水凝胶的形成提供了许多优点。水凝胶使纤维纱线能够被成功地传送到干燥区段中，并且保护所形成的纱线免于在加捻和脱水过程期间发生断裂。除了纤维之外，还可以在水凝胶基质中找到其它改进纱线性能的材料。

特别地，纤维纱线易于制造、根据所意图的用途来设计纱线性能的可能性、小的水印迹（footprint）、可生物降解性是由本发明实现的所期望的益处的一些示例。

这与本发明的其它方面一起连同作为本公开的特征的具有新颖性的各种特征在本文所附的权利要求中被具体地指出，并且形成本发明的一部分。为了更好地理解本公开、其操作优点、以及通过其使用达到的特定目的，应参考所附的描述性内容，其中存在有本发明的说明性的示例性实施例。

附图说明

结合附图，参考以下的详细描述，本发明的示例和特征将变得更好理解，在附图中：

图1图示出根据本发明的各种实施例的用于制备交联金属藻酸盐水凝胶的流程图；

图2图示出根据本发明的各种实施例的交联金属藻酸盐水凝胶连同纤维悬浮液的使用的以及喷嘴的框图；

图3图示出根据本发明的各种实施例的用于选择各种原材料的方法的流程图；

图4图示出根据本发明的各种实施例的用于从各种原材料产生纤维纱线的系统的框图；

图5图示出涉及根据本发明的各种实施例的与整个纱线产生机器的系统的框图；以及

图6图示出根据本发明的各种实施例的涉及整个纱线产生机器的方法的流程图；

贯穿对附图的若干视图的描述，相似的附图标记指的是相似的部件。

具体实施方式

出于说明性目的而在本文中详细描述的示例性实施例具有许多变型。然而，应强调的是，本发明不限于用于产生纤维纱线的方法和系统。要理解的是，当情况可启发或导致权宜之举时，构想各种省略及等同物替换，但这些意图涵盖在不偏离本发明的精神或范围的情况下的应用或实施。

除非另有说明，说明书和权利要求中使用的术语具有在纸和浆制造领域以及纱线制造领域中通常使用的含义。具体地，下列术语具有下面指示的含义。

本文中的术语“一”和“一条”并不表示数量的限制，而是表示至少一个引用项的存在。

术语“具有”、“包括（comprsing）”、“包括（including）”及其变型表示组分的存在。

术语“纤维”这里指的是自然产生亦或是人工生产的纤维性原材料。

术语“纱线”这里指的是线、纱、弦、丝、线材、线丝、绳和线股。

术语“流变改性剂”这里被理解成表示能够改变悬浮液的粘度、屈服应力和触变性的化合物或试剂。

应注意的是，如本文中以下引用的术语“纤维的最大长度加权纤维长度”表示如下的长度加权纤维长度，在所述“纤维的最大长度加权纤维长度”中，90%的纤维比该长度短或等于该长度，其中，纤维长度可利用本领域中使用的任何合适的方法来测量。

术语“交联试剂”这里被理解成表示能够在悬浮液中利用自身交联在纤维上的化合物或试剂，诸如聚合物。这通常发生在水溶液阶段中并且导致产生凝胶。

术语“水凝胶”这里被理解成表示多个固体颗粒悬浮在液相中的凝胶状的组合物。

本发明中的术语“水性悬浮液”被理解成表示任何悬浮液，包括水和来源于任何以及至少一种基于植物的原材料源的纤维或合成纤维。基于植物的原材料源包括纤维素浆、精制浆、废纸浆、泥炭、果浆、或来自一年生植物的浆。纤维可使用化学、机械、热机械、或化学热机械制浆过程从任何包含纤维素的材料分离。合成纤维可包含聚酯、尼龙等。

下文中所使用的术语“微原纤化（microfibrillated）纤维素”、“纳米纤维（nanofibrillar）纤维素”和/或“纳米原纤化（nanofibrillated）纤维素”指的是从纤维素原材料获得的分离纤维素微纤维或微纤维束的集合。微纤维通常具有高的纵横比：长度可以超过一微米，而数均直径通常低于200 nm。微纤维束的直径还可更大但一般小于1 μιη。最小的微纤维类似于所谓的基本纤维，其直径通常是2-12 nm。纤维或纤维束的尺寸取决于原材料和粉碎的方法。

纳米纤维纤维素还可包含一些半纤维素；该量取决于植物源。对来自纤维素原材料、纤维素浆、或精制浆的微纤维纤维素的机械粉碎利用合适的设备来实施，设备诸如精制机、研磨机、均质机、胶体排除装置、摩擦研磨机、超声波破碎仪、诸如微流化器、大流化器或流化式均质机的流化器。在这种情况下，纳米纤维纤维素通过粉碎植物纤维素材料获得，并且可被称为“纳米原纤化纤维素”。

“纳米纤维纤维素”也可从某些发酵过程直接分离。本发明的产生纤维素的微生物可属于醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属、假单胞菌属或产碱杆菌属，优选地属于醋酸菌属，并且更优选地属于木醋杆菌种或巴氏醋杆菌种。

“纳米纤维纤维素”也可以是任何化学或物理改性的纤维素纳米纤维或纳米纤维束的衍生物。化学改性可以例如基于纤维素分子的羧甲基化、氧化、酯化或醚化反应。改性也可通过在纤维素表面上的阴离子、阳离子或非离子物质或这些的任何组合的物理吸附来实现。所描述的改性可在微纤维纤维素的产生之前、之后或期间实施。

纳米原纤化纤维素可由如下纤维素制成，所述纤维素被化学预改性以使其更加活化。这种纳米原纤化纤维素的起始材料是活性纤维素浆或纤维素原材料，其由于纤维素原材料或纤维素浆的一定的改性而产生。例如，氮氧介导氧化（N-oxyl mediated oxidation）（例如2,2,6,6-四甲基-l-哌啶氮氧化物）导致非常活化的纤维素材料，其易于粉碎微纤维纤维素。例如，专利申请WO 09/084566和JP 20070340371公开了这样的改性。相较于由未活化的或“正常”的纤维素制成的纳米原纤化纤维素NFC-N，通过这种预改性或“活化”的纳米原纤化纤维素的制造被简称为“NFC-L”。

纳米原纤化纤维素优选由植物材料制成，其中，纳米纤维可从次生细胞壁获得。一个丰富的来源是木材纤维。通过均质化从木材中提取的纤维原材料来制造纳米原纤化纤维素，所述从木材中提取的纤维原材料可以是化学浆（chemical pulp）。当NFC-L由木材纤维制造时，纤维素通过在粉碎成纳米纤维之前进行氧化来活化。在上述设备中的一些中的粉碎产生具有仅一些纳米直径的纳米纤维，所述直径最多是50 nm并且在水中提供清楚的分散。纳米纤维可减小到如下尺寸，在所述尺寸中，纤维中的大部分的直径在仅2-20 nm的范围中。来源于次级细胞壁的纤维基本上是结晶质的，具有至少55%的结晶度。

本发明的实施例通过如下方式提供水性溶液悬浮液：将纤维原材料与添加剂混合，然后在这样的混合物中添加泡沫。此后，从喷嘴侧部配给所述水性溶液悬浮液，并且水性溶液悬浮液开始绕着喷嘴的主流轴线旋流。由于重力牵引，含水纤维纱线产品从喷嘴的出口出来。在一些实施例中，也可使用流体压力使纤维凝胶纱线从喷嘴喷出。另外，也可使用线材将纱线从喷嘴拉拽出，其中，凝胶纱线和线材之间的速度差有时被用来引发凝胶纱线从喷嘴离开。在喷嘴的出口处，所述含水纤维纱线悬浮液与交联试剂融合，并且由于交联反应，产生水凝胶，诸如金属藻酸盐水凝胶。具体地，所述金属藻酸盐水凝胶被涂覆在所述含水纤维纱线产品的表面上。

此后，涂覆有金属藻酸盐水凝胶的含水纤维纱线产品经受加捻、干燥和脱水过程。干燥可包括基于真空、机械挤压和/或热干燥的方法。脱水可通过采用真空、机械挤压、热量对流、热量传导或热量辐射的方法、通过诸如加热的气流、IR或与加热的表面接触的任何合适的加热手段来实施。

在实施例中，纤维纱线通过使用机械挤压方法来脱水。本发明所提出的机械挤压方法包括浮动在可变形/静止基座上的多个板。浮动在可变形/静止基座上的多个板适于使纤维纱线脱水而不使最终的纱线产品发生任何磨损和撕裂。当纤维纱线穿过这些多个浮动板时，仅施加使纤维纱线脱水所需的压力。相应地，脱水过程期间使用最小化的压力有助于产生具有适合厚度以及均匀结构的纱线产品。在脱水过程之后，将纱线干燥，并获得干燥的纱线产品。

图1-6描述了与本发明的方法、系统和纱线相关的新颖性及创造性方面。可结合本发明的权利要求来领会如附图中图示的新颖性及创造性方面。

图1提供了用于制备本发明的金属藻酸盐水凝胶的一个合适的实施例。首先，按照步骤102，从褐藻多糖中天然地获得藻酸盐。然后，按照步骤104，形成此类天然提取的藻酸盐的溶液。此后，按照步骤106，通过向此类藻酸盐溶液添加二价金属阳离子来形成金属藻酸盐水凝胶。另外，按照步骤108，向此类金属藻酸盐水凝胶添加纱线性能增强添加剂。此外，按照步骤110，按照纱线产品的要求调整所述金属藻酸盐水凝胶的性能。最后，按照步骤112，在喷嘴的出口处，利用此类金属藻酸盐水凝胶涂覆纤维纱线。

覆盖在所述纤维纱线的表面上的经调制的金属藻酸盐水凝胶覆层将使纤维纱线能够成功地传送到干燥区段中，并保护纤维纱线免于在加捻和脱水过程期间发生断裂。除了纤维之外，在金属藻酸盐水凝胶基质中还可找到其它改进纤维纱线性能的材料。最后，所述含水纤维纱线产品经受加捻、干燥和脱水过程。

具体地，覆盖在含水纤维纱线产品的表面上的金属藻酸盐水凝胶覆层提供了使纤维交联的手段。相应地，该纤维的交联提供了具有增强的强度和拉伸性的纤维纱线产品，并因此可以避免在加捻和脱水过程期间纱线发生断裂。

优选地，如本文中所提供的金属藻酸盐水凝胶包括如从褐藻多糖天然获得的藻酸盐，并然后形成此类藻酸盐的水性溶液。藻酸盐的结构是由甘露糖醛酸（M）和古罗糖醛酸（G）构成的直链多糖。当将阳离子（诸如二价金属阳离子）添加到藻酸盐的溶液时，形成了具有交联结构的金属藻酸盐水凝胶。所述金属藻酸盐水凝胶的交联结构的性质取决于以下因素，例如：

- 生物聚合物的选择，即藻酸盐、瓜尔胶、果胶等；

- 生物聚合物在水中的溶解度；

- 生物聚合物与金属离子的反应性（交联密度和速度）；

- 用以控制水从金属藻酸盐水凝胶基质的释放的金属藻酸盐水凝胶的溶胀/收缩(pH)的控制。

在存在金属阳离子的情况下，尤其是二价或多价阳离子（交联反应物）的情况下，藻酸盐、果胶和角叉菜胶（carrageenan）（角叉菜胶还与K+交联）容易形成稳定且强效的凝胶，适合的二价或多价阳离子诸如Ca2+、Al2+、Na2+、Mg2+、Sr2+或Ba2+（交联试剂）。在这些多糖的交联中，优选地使用氯化钙。盐溶液的浓度可从1% w/w变化到10% w/w。

通常，藻酸盐的聚-L-古罗糖醛酸（G片段；G-block）的含量、果胶或角叉菜胶的聚-D-半乳糖醛酸的含量和二价或多价阳离子（钙离子）的量被认为涉及决定凝胶强度。

图2提供了喷嘴的框图，喷嘴适于结合悬浮液通过金属藻酸盐水凝胶的交联来产生纱线。

在本发明的各种实施例中，出人意料地发现，纤维纱线可以以非常简单且高效的方式直接地从纤维悬浮液来制造，由此不需要首先制造被分割成条并缠绕成纱线的纸或其它纤维产品。

本领域技术人员将理解的是，在制造纤维纱线的过程中，通常引导悬浮液穿过喷嘴，并此后使纤维纱线脱水。在WO公开号WO 2013/034814 A1中已公开了制造此类纤维纱线的一种方法。适合的是，根据所使用的制造设备以及根据所制造的产品来选择系统中所需要的喷嘴的数量。

通常，适合于液体和粘性流体的任何喷嘴或挤出机可被用在此类系统中。当悬浮液包含藻酸盐、果胶或角叉菜胶时，适合的是，使用如下的喷嘴，其包括用于悬浮液的内模具或孔口以及用于包括至少一种阳离子的水性溶液的外模具或孔口。阳离子可包括盐，诸如氯化钙或亚硫酸镁。替代地，当使用具有一个孔口的喷嘴时，包括阳离子（盐）的溶液可被提供为喷雾或雾。当使得与例如藻酸盐或藻酸接触时，阳离子提供非常快速的增加水性悬浮液的粘度的作用，由此增加了纱线的强度，使得利用重力的方法的实施例非常有吸引力。

此外，喷嘴的出口的内直径保持成小于或等于纤维的最大长度加权纤维长度。这有助于使纤维基本上沿纱线的方向取向，并向产品提供强度和柔性。

本发明的喷嘴是经专门设计的。在来自相同发明人的名称为“MECHANICAL METHODAND SYSTEM FOR THE MANUFACTURE OF FIBROUS YARN”的交叉引用专利申请号62/153,635中已公开了该经专门设计的喷嘴。该申请被并入到本申请中，并且本申请的任何特征可被上述申请的特征替代。

现在参考图2，已提供了喷嘴200，其中，从喷嘴侧部引导水性悬浮液210，并且允许水性悬浮液绕着喷嘴的主流轴线旋流。另外，向水性悬浮液添加纱线性能改进添加剂220。水性悬浮液包括与泡沫材料混合的纤维原材料。在喷嘴200出口201处，含水纤维纱线与金属藻酸盐水凝胶230的环状流融合。

另外，本发明提供了如下机构，当水性悬浮液（210）流动穿过喷嘴（200）的出口时，由所述机构，纤维纱线同时被拉拽和加捻。纤维纱线的这样的拉拽和加捻增加了最终的纱线产品的强度和拉伸性。在离开喷嘴（200）之后，含水纱线悬浮液经受脱水和干燥。

在各种实施例中，喷嘴（200）适于使水性悬浮液（210）的流绕着所述喷嘴（200）的主流轴线旋流。在另一实施例中，通过从至少一个喷嘴（200）侧部不对称地供给水性悬浮液，允许水性悬浮液（210）绕着所述喷嘴（200）的主流轴线旋流。

在另一个实施例中，喷嘴（200）被设计成使得：通过产生、旋转并加速水性悬浮液的流，允许水性悬浮液（210）绕着至少一个喷嘴的主流轴线旋流，其中，所有纤维通过绕着主流轴线旋转而与所述流很好地对准。

在另一实施例中，喷嘴（200）使得：通过产生穿过多个槽形流动通道的旋流的流，允许水性悬浮液（210）绕着至少一个喷嘴的主流轴线旋流。

在各种实施例中，通过产生穿过多个弯曲流动通道的打旋的流，允许水性悬浮液（210）绕着至少一个喷嘴（200）的主流轴线旋流。弯曲流动通道可包括九十度弯曲流动通道。

在另一个实施例中，金属藻酸盐水凝胶的环状流适于合并穿过多个环状流动通道的多条纤维纱线。通过使用径向引导的多个小喷嘴，多条纤维纱线被合并在金属藻酸盐水凝胶的环状流内。

如以上提到的，多个环状流动通道包括最靠内的环状流动通道、最靠外的环状流动通道、以及夹在最靠内的环状流动通道与最靠外的环状流动通道之间的环状流动通道。

在各种实施例中，最靠内的环状流动通道适于容纳纤维悬浮液和流变改性剂。最靠外的环状流动通道适于容纳金属藻酸盐水凝胶。夹在之间的环状流动通道适于容纳纱线性能改进添加剂。

因此，通过以上方法如此产生的最终的纱线产品拥有改进的纱线强度以及改进的纱线直径。绕着喷嘴的主流轴线的水性悬浮液的旋流、和利用金属藻酸盐水凝胶处理悬浮液、以及穿过多个环状流动通道的纱线性能改进添加剂，产生具有改进的强度和直径的纤维纱线。

图3提供了用于选择原材料的方法的流程图。另外，图4提供了用于选择原材料的方法的框图。

首先，按照步骤302，从天然纤维或合成纤维中选择纤维原材料。然后，按照步骤304和306，向纤维原材料添加诸如微纤化纤维素或粘土（例如膨润土、蒙脱土）的添加剂。另外，按照步骤308，在纤维原材料中添加诸如活性碳的某些传导材料。另外，按照步骤310，通过向此类纤维原材料添加泡沫来制备水性悬浮液。最后，按照步骤312，产生具有更高强度和拉伸性能的纱线。

如本文中所提供的天然纤维选自基于植物的原材料源，其可以是原生源或再生源或其任何组合。其可以是木材或非木材材料。木材可以是软木树，诸如云杉、松树、冷杉、落叶松、花旗松或铁杉；或者硬木树，诸如桦木、白杨、杨树、桤木、桉树或金合欢树；或者软木和硬木的混合物。非木材材料可以是植物，诸如来自玉米、棉花、小麦、燕麦、黑麦、大麦、水稻、亚麻、大麻、马尼拉麻、剑麻、黄麻、苎麻、红麻、蔗渣、竹、芦苇或泥沼（peat）的秸秆、树叶、树皮、种子、种皮、花、蔬菜或水果。

适合的是，也可使用来源于松树的原生纤维。所述纤维通常可具有从2至3毫米的平均长度加权纤维长度。也可使用长纤维与短纤维的组合，例如来自松树的纤维与来自桉树的纤维。

如本文中所提供的水性悬浮液可以可选地包括来源于合成材料（诸如玻璃纤维、聚合物纤维、金属纤维）的原生纤维或再生纤维，或者来源于天然材料（诸如羊毛纤维或丝纤维）的原生纤维或再生纤维。

如本文中所提供的水性悬浮液可包括从0.1至10百分数（%）重量比（w／w）的来源于任何基于植物的原材料源的纤维，优选地包括从0.2至5% w／w的来源于任何基于植物的原材料源的纤维。

优选地，在本发明的实施例中，水性悬浮液可以采用泡沫的形式。在这种情况下，悬浮液包括选自阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂及其任何组合的至少一种表面活性剂，该表面活性剂的量通常在0.001至1% w／w。

水性悬浮液可包括至少一种流变改性剂，其通过交联水性悬浮液而形成凝胶。流变改性剂可选自藻酸、诸如钠藻酸盐的藻酸盐、果胶、角叉菜胶、以及纳米纤维纤维素（NFC），或者流变改性剂的组合。

优选地，流变改性剂可以是添加以改进最终的纱线产品的性能的添加剂。这样的添加剂选自以下组分的组群，所述组分包括蒙脱土、聚酯、尼龙、金属、离子、任何电传导材料和/或活性碳。

可使用量从0.1至20重量%的所述流变改性剂。诸如藻酸盐的流变改性剂的浓度优选为0.5-20% w／w。

如本文中所提供的水性悬浮液还可包括至少一种分散试剂，其通常是阴离子长链聚合物或NFC，或者分散试剂的组合。合适的分散试剂的示例是：具有高的分子量的羧甲基纤维素（CMC）、淀粉（阴离子淀粉或中性淀粉）和阴离子聚丙烯酰胺（APAM）。分散试剂改变悬浮液流变性，以使悬浮液剪切稀化。优选地，处于高剪切率（500 1/s）时，剪切粘度小于悬浮液的零剪切粘度的10%。

可使用量从0.1至20重量%的所述分散试剂。

如本文中所提供的水性悬浮液可使用本领域中已知的任何合适的混合方法来获得。

如从喷嘴（在步骤312处）获得的具有金属藻酸盐水凝胶覆层的湿的纱线最初包含通常从30到99.5% w／w的水。在脱水步骤中，纱线可被干燥成具有所期望的水含量。因此，以凝胶形式从喷嘴离开的纤维纱线经受脱水和加捻过程。

此外并且参考上述内容，本发明的实施例包括具有纤维的水性悬浮液，并且至少一种流变改性剂被允许绕着喷嘴的主流轴线旋流。水性悬浮液绕着喷嘴的主流轴线的此类旋流通过从喷嘴侧部不对称地供给水性悬浮液来完成。另外，纱线性能改进添加剂也被添加到水性悬浮液中。此外，金属藻酸盐水凝胶与水性悬浮液的流在喷嘴的出口处融合。此外，水性悬浮液在喷嘴的出口处被拉拽和加捻，然后经受挤压和脱水过程。

使用如图5-6中所示的脱水设备（580）促进了纱线的脱水和加捻，现在阐述所述脱水设备（580）。

在诸如喷嘴（200）的喷嘴的出口处，纤维凝胶纱线掉落在具有传输带（550）[也被称为线材（wire）（550）或基底线材（550）]的传输系统（560）上，传输带（550）在辊子（552）和（554）上运行。由于传输系统（560）的移动，纤维凝胶纱线在脱水设备（580）中被拉拽。

此后，在步骤608处，经拉拽的纤维凝胶纱线穿过挤压板经受预挤压，诸如出于该目的而组装的挤压板（505）和预挤压辊子（504）。此后，在步骤610处，纤维凝胶纱线穿过多个板，诸如图5中的浮动板（510）。浮动板（510）在可变形/静止基座（520）上浮动。在一个实施例中，浮动板（510）在可变形/静止基座（520）之上浮动。

浮动板（510）和可变形/静止基座（520）由传输系统支撑，传输系统具有使传输带（518）[也被称为线材（518）或上部线材（518）]运转的多个辊子（516）。该系统允许在脱水设备（580）中对纤维纱线进行拉拽和加捻。

在步骤610处，多个浮动板（510）施加用于使纤维凝胶纱线脱水所需要的适合的压力。另外，多个浮动板（510）适于使纤维凝胶纱线加捻并脱水以便在步骤612处进行脱水。此外，在步骤614处，浮动板（510）适于在脱水阶段期间维持纱线的均匀圆形，并给予最终的纱线产品良好的抗拉强度。

图5和图6分别提供了如本发明所提出的整个纱线产生设备（500）的系统的框图和流程图。系统包括在喷嘴（200）中供给的具有纤维和至少一种流变改性剂的水性悬浮液。系统还包括脱水设备（580）。喷嘴（200）适于布置水性悬浮液的进行旋流的流。系统还包括具有传输系统（560）的挤压机构，所述传输系统（560）具有辊子（552）、（554）以及在脱水设备（580）中拉拽纤维凝胶的带。

脱水设备（580）包括：预挤压辊子（504）；和挤压板（505），其使纱线预挤压以使之脱水；以及浮动板（510），其被支撑在可变形/静止基座（520）上，其使纱线加捻。

图6具体地图示出阐述纱线产生设备的操作的流程图。从喷嘴（200）供给具有纤维和泡沫的水性悬浮液连同纱线性能改进添加剂。在一个实施例中，在步骤602处，它们可从诸如喷嘴（200）的喷嘴侧部来被供给。在步骤604处，喷嘴（200）适于沿着喷嘴的主流轴线使水性悬浮液的流产生旋流。然后，在步骤606处，在喷嘴的出口处，水性悬浮液被拉拽并加捻，并与金属藻酸盐水凝胶的环状流融合。然后，纤维凝胶纱线在喷嘴的出口处经受如本文以上所阐述的脱水过程。

应该注意的是，在依照本发明的两个或更多实施例的组合中，如本文以上所公开的实施例的任何特征、步骤、阶段或部分可与彼此自由地置换和组合。

本发明提供了若干优点。制造方法非常简单且有效，并且所需的设备简单且相对便宜。纱线由纤维悬浮液直接地产生，并且不需要首先制造纸条。

可使用流变改性剂来将纤维悬浮液的流变调整到如下的粘度和触变性范围，在所述粘度和触变性范围中，纤维悬浮液可以通过喷嘴被泵送而不堵塞喷嘴，但同时提供通常呈凝胶形式的湿纱线，该湿纱线具有足够的强度来在干燥步骤期间维持其形状。因此，流变改性剂将剪切稀化的性质和强度赋予给纱线；在使用藻酸盐的情况下，通常还需要分散试剂并且利用盐溶液处理湿纱线以提供足够的强度。小于或等于纤维的最大长度加权纤维长度的喷嘴的出口的内直径的选择实现了纤维沿纱线方向的取向，这给最终的产品提供了柔性和强度。

在方法中，干燥后释放的水可通过冷凝和再循环被恢复，这例如通过使用封闭系统，并因此实际上没有废水形成。此外，过程中所需的水的量是非常有限的，尤其在纤维悬浮液以泡沫的形式提供的实施例中。

当所使用的起始材料是天然材料时，产品是完全可生物降解的。

利用本发明的方法和产品可减少对棉花的需求，其中，纤维至少部分地来源于更加生态的植物材料，诸如木材和再生纸。

特别地，可在方法中使用由北欧松树适合地制造的长纤维浆来提供具有小于0.1mm的厚度和非常好的强度性能的纱线。

尽管已相对于附图中所呈现的特定示例描述了本发明，其包括实施本发明的目前优选的模式，但本领域技术人员将领会的是，存在以上所描述的实施例的许多变型和置换，其落在本发明的精神和范围内。应理解的是，本发明不限于其对本文中所陈述的部件的构造和布置的细节的应用。上述的变型和修改在本发明的范围内。

因此，这些实施例的许多变型被设想成在本发明的范围内。

本发明的特定实施例的上述描述已被呈现用于说明和描述的目的。它们不意图是穷尽性的或者将本发明限于所公开的精确形式，并且明显地，鉴于以上的教导，许多修改和变型是可能的。实施例被选择以及描述，以便阐述本发明的原理及其实践应用，并由此使本领域中的其他技术人员能够利用本发明和具有如适于所构想的特定用途的各种修改的各种实施例。要理解的是，当情况可启发或导致权宜之举时，构想出不同的省略以及等同物的替换，但是这样的省略和替换意图涵盖不偏离本发明的精神或范围的应用或实施方式。

Claims (16)

1.一种用于制造纤维纱线的方法，所述方法包括：提供包括来源于至少一种基于植物的原材料源的纤维和至少一种流变改性剂的水性悬浮液（210），引导所述水性悬浮液（210）穿过至少一个喷嘴（200）从而形成至少一条纱线，将金属藻酸盐水凝胶（230）提供到离开所述至少一个喷嘴（200）的纱线的表面上，并且使所述至少一条纱线经受脱水，其中，所述水性悬浮液在喷嘴出口（201）处与通过将二价金属阳离子添加到藻酸盐的溶液中来制备的金属藻酸盐水凝胶的环状流融合，使得所述金属藻酸盐水凝胶被涂覆在所述纱线的表面上。

2.如权利要求1所述的方法，包括将添加剂（220）提供到所述水性悬浮液中从而改变所述纱线的性能。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述添加剂（220）是以下中的任何一种：粘土、聚酯、尼龙、金属、离子、除了金属外的电传导材料和/或活性碳。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，包括在自由射流区中在所述喷嘴出口（201）处开始所述金属藻酸盐水凝胶（230）的形成，其中，所述水性悬浮液（210）与通过将二价金属阳离子添加到藻酸盐的溶液中来制备的金属藻酸盐水凝胶的环状流融合。

5.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，包括利用泡沫替代所述水性悬浮液（210）中的水。

6.一种用于制造纤维纱线的系统，其中，提供了包括来源于至少一种基于植物的原材料源的纤维和至少一种流变改性剂的水性悬浮液（210），并且所述水性悬浮液（210）被布置成穿过至少一个喷嘴（200），以便形成至少一条纱线，其中，金属藻酸盐水凝胶（230）被布置成被提供到离开所述至少一个喷嘴（200）的所述至少一条纱线的表面上，并且所述至少一条纱线被布置成经受脱水，其中，所述水性悬浮液在喷嘴出口（201）处与通过将二价金属阳离子添加到藻酸盐的溶液中来制备的金属藻酸盐水凝胶的环状流融合，使得所述金属藻酸盐水凝胶被涂覆在所述纱线的表面上。

7.如权利要求6所述的系统，包括添加剂（220），所述添加剂（220）被提供到所述水性悬浮液(210)中从而改变所述纱线的性能。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述添加剂（220）是以下中的任何一种：粘土、聚酯、尼龙、金属、离子、除了金属外的电传导材料和/或活性碳。

9.如权利要求6-8中的任一项所述的系统，其中，所述金属藻酸盐水凝胶（230）的形成在自由射流区中在所述喷嘴出口（201）处开始，其中，所述水性悬浮液（210）与金属藻酸盐水凝胶的环状流融合。

10.如权利要求6-8中的任一项所述的系统，其中，利用泡沫替代所述水性悬浮液（210）中的水。

11.一种纤维纱线，包括至少一种流变改性剂和来源于至少一种基于植物的原材料源的纤维的经脱水的水性悬浮液，其中，纤维的水性悬浮液（210）已离开喷嘴（200）并且具有被提供到离开的纱线上的金属藻酸盐水凝胶（230），其中，所述水性悬浮液在喷嘴出口（201）处与通过将二价金属阳离子添加到藻酸盐的溶液中来制备的金属藻酸盐水凝胶的环状流融合，使得所述金属藻酸盐水凝胶被涂覆在所述纱线的表面上。

12.如权利要求11所述的纤维纱线，包括添加剂（220），所述添加剂（220）被提供到所述水性悬浮液(210)中，从而改变所述纱线的性能。

13.如权利要求12所述的纤维纱线，其中，所述添加剂（220）是以下中的任何一种：粘土、聚酯、尼龙、金属、离子、除了金属外的电传导材料和/或活性碳。

14.如权利要求11-13中的任一项所述的纤维纱线，其中，所述金属藻酸盐水凝胶（230）的形成在自由射流区中在所述喷嘴出口（201）处开始，其中，所述水性悬浮液（210）与金属藻酸盐水凝胶的环状流融合。

15.如权利要求11-13中的任一项所述的纤维纱线，其中，利用泡沫替代所述水性悬浮液（210）中的水。

16.一种能够通过根据权利要求1-5中的任一项所述的方法和/或通过根据权利要求6-10中的任一项所述的系统获得的纤维纱线。

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