CN109937277B - 用于制造纳米箔膜的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造由纳米纤维构成的箔膜或者毡片和面板、尤其是由纳米纤维素纤维构成的箔膜或者毡片和面板的方法，其中，纳米纤维材料分散在溶剂内，其中，固体含量在1至4容量百分比，这样制造的泥浆通过涂覆装置(13)被涂敷到在传送方向(15)上移动的传送带(14)上，并且，接着，所述浇上的泥浆被预先烘干，并且，所被预烘干的泥浆在预干后经过主要烘干，在达到预定的湿度含量后由所述传送带上去除。

Description

用于制造纳米箔膜的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的上位概念所述的、用于制造纳米箔膜的方法以及一种为此所用的设备。

背景技术

塑料箔膜以及尤其是薄塑料箔膜几乎已在全球作为包封材料得到应用，这一方面涉及到购物袋，但另一方面也涉及到作为食品包装组成部分的箔膜。

这些箔膜的部分可尤其是通过包装回收系统被重新回收进入至少通过燃烧来进行利用的循环。

但所面临的越来越多的全球性问题是，尤其是由塑料制造的购物袋会进入到环境中，由于其所缺少的可分解性而大量地存在于环境中，以及尤其是存在于水中，由此不仅仅是给大海带来了难题。

碎落的箔膜导致了由塑料构成的纳米颗粒，还会在水域中引起明显的聚集。

在发达程度较高的工业化国家，人们尝试着通过纸质的或者甚至由纤维制造的包装来应对这一问题。其中的不足是，这些包装有部分由于价格高而不具有竞争性，在其他方面也没那么有需求。

一部分还尝试，通过谷物和其他淀粉系统来置换包装领域的塑料。但在此的不足是，这些对于水来说并不是很耐用。

由AT 516198 A1中已知一种用于制造由含纳米纤维的生物塑料所构成的产品的方法。其中指的是这样一种生物塑料，其由生物高分子制成并且含有纳米纤维素纤维。所述用于制造由含纳米纤维的生物塑料所构成的产品的方法包括：将所述含有纳米纤维的生物塑料的一种物质在可流动的状态下涂覆并分布到至少一个在周转方向上移动的载体的表面上，以及在所述至少一个载体的周转方向上输送所述生物塑料的所述被涂覆并分布在所述至少一个载体表面上的物质。另外规定，所述含有纳米纤维的生物塑料至少有部分被烘干，此外所述部分被烘干的物质由所述表面剥离。

由US 2010/0124651 A1已知一种用于制造纳米纤维素纤维薄膜的方法。其中，所述膜被直接涂覆到一种塑料材料的表面上，从而纳米纤维素纤维构成了一种薄膜。纳米晶体的悬液在此被涂覆到不可穿透的织物幅面(Gewebebahn)上，然后紧接着开始第一个烘干流程，其中，这个烘干流程是用热空气来进行的。在所述第一个烘干流程后，另一个织物铺层被放置到所述薄膜的上面，其中，这一织物铺层优选是半渗透性的，需要由此来制造一种夹心效应。所述半渗透性的织物覆层要能够让液体和气体穿过。在所述纳米晶体的薄膜被置入所述两个织物覆层之间以后，执行第二次烘干，其中，所述三层的复合物被缠绕到圆柱形的金属的烘干器上。然后，热量由所述烘干器引导着穿过所述不可穿透的织物，其中，热量就导致纳米纤维素薄膜内的湿气蒸发并且通过所述半穿透性的织物覆层漏出。所述两个织物覆层是必需的，以便固定所述纳米晶体薄膜。在此，所述三层的复合物还可通过多个烘干单元来引导。只有在所述第二次烘干以后，所述纳米晶体的薄膜才被胶凝至这样的程度，使得没有所述不可穿透性的支承层的薄膜能够被烘干。但所述第二个半穿透性的支承层继续是必需的。只有在离开所述第三个烘干阶段后，所述薄膜才能到这种程度上保持得住，使得它没有支承层仍能够继续进行加工。这里的不足是，这种方法非常昂贵，必需很高的设备投入，所述薄膜表面的后续加工也是必要的。

由US 2014/0255688 A1已知另外一种用于制造由纳米纤维素纤维构成的薄膜的方法，其中，这一薄膜同样被涂覆到至少一个支承材料的表面上。在这一专利文献中讨论了多种溶剂，其中，相应制造的悬液要包含两种或者说0.25至2重量百分比的纳米纤维素纤维。另外，可使用增塑剂，如乙二醇或者山梨醇。

所述薄膜以这样一种方式被涂覆到所述支承层上，以便达到50至150μm的厚度。接着，用60-95℃、优选80℃的热空气来进行烘干。

在实践中已经表明，在这种通过热气烘干的方法中，所述薄膜的气孔在表面被封住，从而这一薄膜没有可靠地烘干。另外，这种方法在实践中也没有得到足够的验证，因为层厚在实践中实际超过了150μm，因此不能够制造出真正很薄的箔膜。

发明内容

本发明的目的是，要提供一种用于制造箔膜的方法，借助该方法能够提供基于可再生原材料的环保型箔膜。

上述目的通过一种根据权利要求1所述的方法得以实现。

有利的扩展如从属权利要求中所指明。

此外的一个目的是，要提供一种用于制造所述箔膜的设备，该设备能够在大型工业化的标准下实现所述箔膜的制造。

所述目的通过一种具有根据权利要求11所述特征的设备得以实现。

有利的扩展如在此所附的从属权利要求中所指明。

根据本发明，制造出一种由纳米纤维素纤维构成的箔膜。基本上已知基本材料纳米纤维素纤维或者由纳米纤维素构成的纳米纤维。但迄今使用大型机器进行技术加工并不成功，因为对于此的尝试都失败了，因此只有手工制造的薄膜，但其并不能够满足对于箔膜的要求。

尤其是这种薄膜迄今是手工制造的，厚度并不均匀，对于要用作箔膜而言明显过厚。除此之外，这种薄膜更像是纸，而不是箔膜。

根据本发明，纳米纤维被溶解在一种适合的溶剂中。由于是特殊的纳米纤维，一种适合的溶剂是所期望的，因为这些纳米纤维具有活化的表面。在此，所述溶剂可以是一种有机的溶剂或者是水或者是它们的混合物。尤其是可涉及醇或者醇-水-混合物。

已经表明，含有1至4％固体含量的沉积物会在相应厚度的同时形成良好的可分散性。所述固体含量在特定的应用中也可更高。

这种沉积物是通过搅拌或者撞击被均匀化的。

在此重要的是，在所述搅动装置的转数上要规定至少1000转每分钟，并且要搅拌这一沉积物24小时，优选48小时。

在水的使用上，使用的是至少去电离的水，也许是蒸馏水。

在所述纳米纤维相应地溶解后，这些纳米纤维被导入作为储备容器的容器内。为了避免沉淀和分离，所述容器被设计为具有相应的搅拌器或诸如此类等。另外还可泵通气体。基本上所有在储备容器中所使用的的方法都适合来避免相应的沉淀。

从所述储备容器中送出则可使用传统的已知的剂量泵来进行，其中，软管泵或偏心螺杆泵尤其适合。此外，这里可使用受压缩空气控制的容器。在导入泥浆时也很关键的是，不发生任何凝结，但也不发生任何脱水或者说分离。

真正的箔膜然后通过泥浆稀被放入到支承材料上。

所述涂敷在此是通过橡皮刮板来进行的，该橡皮刮板可以是异型的。具有磨削的棒件、相应的叶片式的出料喷嘴、缝隙喷嘴或者是所谓的滑合模具喷嘴或者是量受控制的涂料喷嘴也适用。

通过控制所述量或者控制所述喷嘴开口和所述喷嘴间隙或者适合的橡皮刮板或者说刮刀来控制层厚。

所述支承材料的送出速度当然也对此有着影响。

所述支承材料优选是一种非常平滑的支承材料，尤其是带输送器，其中，所述传送带可以是金属带或者是塑料带。

如果使用金属带作为传送带，那么就例如使用钢带，尤其是不锈钢带，其耐腐蚀。

这样一种金属带在此具有0.5至0.35mm的厚度，并且，可在宽度较大且传送辊直径较大的情况下达到甚至达1mm或超出于此的强度。

此外，适合的已知的塑料当然也适用，尤其是PTFE带或者有PTFE涂层的带子。

为了由在涂覆的时候是稀液状的泥浆来制造薄薄的箔膜，所述泥浆必须相应地在带子上被烘干。由于固体含量极少，但这是一个非常灵敏的流程，因为这种纳米纤维-泥浆极有可能会构成气泡。

尤其重要的是，烘干类型要相互一致，另外也要符合导轨参数，如速度、层厚、涂覆宽度和诸如此类。

除了构成气泡的风险以外，在这些特殊的箔膜中也存在构成强力内压的风险，该内压会极大削弱箔膜的强度。

根据本发明，所述烘干是由三个烘干组元构成。

第一个组元是加热的支承带。所述带子在此借助加热辊通过导热而变热，其中在这里尤其是金属带具有优势。

所述带子的温度在此被调节到40至95℃。

在时间上在所述涂覆之后并且与所述带子加热同时进行的是，可借助纵向和横向布置的短波直至中波的红外辐射器进行预烘干，其中优选设置在其中各个辐射器可独立调控的辐射器电池。在此为有利条件的是，如果红外预烘干期间的空气导入是可调控的，也就是说，如果存在横流或纵流，其可调节材料内的或者材料上面的相应的蒸汽压力。

为此可规定，所述带子要被封装着导入到向外密封的空间中去，从而，可进行有针对性的通风，并且，无论是通过所述传送带所被带入的热量，还是将要通过所述红外辐射器带入的热量，均可通过所述相应的通风实现散热。

作为主要烘干，下面用功率密度高且单个可控的中波或短波的红外辐射单元作用于所被预烘干的泥浆。在此，也非常重要的是，要可靠地这样排出由95至99％的高液体含量所引起的溶液蒸汽，以便不会带来构成气泡或者说带来所被涂覆的泥浆的沸腾或者粘住。

为了确保这种情况，烘干所必需的大量空气就有针对性地借助分散的流出装置被引导到泥浆上，以便不给所述泥浆构成任何压力。根据本发明，已经表明，过于直接地将空气引导到所述材料上，会在潮湿的材料内构成波纹且在烘干的材料中形成裂纹。

根据本发明，所述材料在烘干后也许会被回潮，以便调节预先给定的柔韧性。所述材料的完全烘干导致，该材料相当硬，不柔软，因而可通过回潮调节到目标柔韧性。

所述回潮在此可在蒸汽室或者说雾化室中进行，在其中调节到预定的相对的空气湿度，并且相应地追踪测量湿度。

在完成烘干和/或重新润湿后，借助刮刀将所述箔膜从所述支承层上剥离，并且进行修边。所述被修边且取出的箔膜接着被卷起，其中，由一种扭矩受控制的卷绕传动装置来进行所述卷绕。

使用所述方法，就可由相应的纳米材料、如纳米纤维素纳米来制造一种箔膜，其在可用性上并不逊于塑料箔膜，但由可再生原材料制成并且可生物分解。

这种箔膜在此既适用于用于电子工业的薄板制品，但也适用于食品包装、食品二次包装、塑料袋和手套的替代品以及诸如此类。

所述泥浆在此尤其是以1至20mm的层厚来涂覆，并且在烘干和取出后达到1至200μm或更高的厚度。在此，所取得的厚度要达到非常高的均匀度，最后，所述箔膜例如具有1m的宽度，每分钟可很容易制造出50m的箔膜，这满足了经济利用率。此外，可在所述装置上制造由纳米材料构成的毡片和面板，其中，泥浆涂覆可分别根据边界限制而达到20至40mm以及更高。

附图说明

借助一张附图示例性地阐述本发明以及所述尤其是所使用的设备。唯一一张附图非常示意性地以侧视图的方式示出了一种相应的设备。

具体实施方式

所述根据本发明的用于制造纳米箔膜的设备1具有分散单元2，其中，所述分散单元2具有容器3和搅拌器或撞击器4。另外，所述分散单元2具有纳米纤维材料的给进装置和相应溶剂的给进装置。所述搅拌或撞击装置4在此优选为一种具有相应的搅拌器或撞击器5的电动装置4，其中，所述搅拌撞击器5和所述电动机4被这样设计，使得可以实现1000转每分钟以上的转速并且另外所述搅拌器同时使得整个内容搅拌并分散。

足够分散的材料或者说由此制造的泥浆可被转移到储备容器6内，其中，所述储备容器6具有相应的导入装置，用于将来自所述分散单元2的泥浆导入到所述储备容器6内。所述储备容器6同样具有搅拌器7，该搅拌器具有驱动装置8和相应的搅动装置9，其中，这些被这样规格化，以便它们使得所述泥浆保持分散而不分离的状态。

经过软管引导装置10、相应的泵11和相应的后面的软管12，所述泥浆就可被相应地导入涂覆器13。所述涂覆器13在此为橡皮刮刀、缝隙喷嘴或者诸如此类，并且在此覆盖所述装置的宽度。所述泥浆由所述涂覆器13中被浇注到传送带14上，该传送带按照箭头方向15来移动。为了拉紧所述传送带14，至少设置第一个轧辊16和最后一个轧辊17，其中，在所述轧辊16、17之间可存在多个另外的支承辊和加热辊18。所述轧辊16、17在此以部分周缘靠置在所述带子14上，而所述其他的轧辊18则优选仅在相当狭窄的区域内在支承在带子上的同时靠置着所述带子14。

所述轧辊16、17、18优选被设计为全部可加热，尤其是可通过电气方式加热，其中，可调节所述带子14的温度在40至85°之间。

在所述涂覆器13之后存在预烘干装置19，其中，所述预烘干装置19由多个纵向于所述带子14的行进方向15布置的IR辐射单元20和多个横向于所述带子14的行进方向布置的IR辐射器21构成。

当然，所述辐射器20、21也可分别倾斜于或者说与所述带子14的行进方向15呈角度地来布置。

此外，所述IR辐射器可被设计为与带子表面具有不同的间隔。

此外，在预烘干装置19的范围内，可存在所述整个预烘干装置19的包覆(未示出)，所述包覆防止所述预烘干装置受到外部环境或者说其不受控制的流入的影响，但规定了通过相应的喷嘴和相应的相对的吸出装置来进行有针对性的通风、例如横向通风。

布置在所述预烘干装置19后面的是所述烘干单元22，其中，所述烘干单元具有至少一个、但优选多个红外辐射器23，其可以与所述预烘干装置的辐射器相类似的方式来布置，但也可以是逐点工作的红外辐射器，这些红外辐射器优选可单独来控制。

优选可采集所述泥浆的表面温度，并且可通过红外辐射器根据所期望的、尤其是由所述烘干单元的入口至所述烘干单元的出口发生着改变的表面温度来调适加热强度。

为了调节所述泥浆24上面的既定的蒸汽压力，所述烘干单元22可同样具有包覆，该包覆避免周围大气不受控制地流入，但能够实现空气或另一种气体相应的导入。其在相对的空气湿度方面被这样调节以便它能够吸收来自所述泥浆24的一定量的湿度的所述空气或所述气体流入所述泥浆24上面的区域。

在此重要的是，通流分散地流动，并不直接地对准所述表面，因为在泥浆非常潮湿的情况下直接流过所述表面可能在所述烘干单元22流入的区域内形成波纹并且在出口上在然后相应地变薄且呈箔膜状的泥浆材料内形成裂纹。

与所述烘干单元22相连接的是重新润湿装置25，其可被设计为是雾化室或湿气室或者以其他方式引起既定的回潮。

为此可规定，优选无接触式地来量取所述泥浆的湿度并且相应地调节所述润湿过程。

由此制造的箔膜26也许用相应的取出叶片(未示出)由所述最后一个辊轮17上取出，并且以支承辊轮27来支承。它接着经过平滑辊28移向卷绕装置29，它们在那里被相应地卷起。

因为在所述箔膜的制造中可能导致这些箔膜带静电，因此，可在所述箔膜26从传送带14上取下后设置空气离子化装置或另一种用于减少或避免带电的装置。

为了相应地引导并张紧所述传送带，在所述带子的下行段的区域内，可设置更多的辊轮31，尤其是作为紧带轮。

在本发明中有利的是，第一次在一种可实行的、高质量的过程中，可制造出在既在长度上的、也在宽度上的厚度方面均匀度大的纳米纤维箔膜，其中，所述制造是以宽度自1m且以50m每分钟的速度来进行，这容许实现了经济的利用。

附图标记清单

1 纳米箔膜

2 分散单元

3 容器

4 电动机

5 撞击器

6 储备容器

7 搅拌器

8 传动装置

9 搅动装置

10 软管引导装置

11 泵

12 软管

13 涂覆器

14 传送带

15 行进方向

16 轧辊

17 轧辊

18 轧辊

19 预烘干装置

20 红外辐射器

21 红外辐射器

22 主要烘干装置

23 红外辐射器

24 泥浆

25 重新润湿装置

26 箔膜

27 支承辊轮

28 平滑辊

29 卷绕装置

30 带电装置

31 辊轮

Claims (11)

1.一种用于制造由纳米纤维构成的箔膜的方法，其中，

纳米纤维材料被分散在溶剂中，其中，

固体含量在1至4容量百分比之间，这样制造的泥浆通过涂覆装置(13)被涂敷到在传送方向(15)上移动的传送带(14)上，并且，

接着，所述浇上的泥浆被预先烘干，并且，

所被预烘干的泥浆在预烘干后经过主要烘干，在达到预定的湿度后由所述输送带上取下，其中，所述预烘干是借助纵向和/或横向布置的或者与所述传送带(14)的行进方向呈对角布置的红外辐射器来预烘干的，所述主要烘干是使用中波和/或短波的IR辐射器单元以高功率密度来进行的，其中，所述红外辐射器可单独地或者分组地来控制，其中，所述溶剂蒸汽被有针对性地排出，另外，为了排出湿气，空气和/或其他气体在所述主要烘干时被导入并被分散地置入到所述主要烘干的区域中去。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米纤维材料被分散在水和/或有机溶剂和/或醇中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泥浆通过橡皮刮刀、异型橡皮刮刀、具有磨削的棒件、叶片式喷嘴、缝隙喷嘴或者滑合模具喷嘴或者量受控制的涂料喷嘴被浇注到所述传送带(14)上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泥浆被浇注到平滑的传送带(14)上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传送带被加热到40至95℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预烘干是在气体导入受控制的壳体内进行的。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述红外辐射器可单独来控制。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所使用的气流在其相对湿度和/或流动速度方面进行调节。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所被烘干的泥浆材料在主要烘干后被重新润湿至所期望的湿度。

10.一种用于执行根据权利要求1至9中任一项的、用于制造由纳米纤维构成的箔膜的方法的设备，其特征在于，设有输送带(14)，使用辊轮(16，17，18,31)沿着其纵向循环地作为上行段和下行段来引导所述输送带(14)，其中，在第一个区域内借助涂覆装置(13)将箔膜泥浆涂覆到所述输送带(14)上，其中，在所述输送带(14)的输送方向上，预烘干装置(19)被布置在后面，该预烘干装置包括红外辐射器(20,21)，该红外辐射器作用于所被浇注的泥浆(24)上，并且存在包括红外辐射器(23)的主要烘干装置(22)在输送方向(15)上被布置在后面，其中，所述输送带在涂覆所述泥浆(24)的区域内由辊轮(16,17,18)固定，至少所有辊轮的部分被设计为可加热，其中，设有重新润湿装置(25)，其中，所述重新润湿装置(25)在所述输送方向(15)上布置在所述主要烘干装置(22)后面。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，存在分散装置(2)，该分散装置包括容器(3)和搅拌装置(4,5)，其中，所述搅拌装置被这样设计，使得它们可以1000转每分钟以上搅拌。

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