CN111801463B - 用于制造纳米纤维素的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于由含纤维(3，4)的材料混合物(2)制造纳米纤维(5)、特别是纳米纤维素(6)的设备(1)和方法，该设备(1)包括：具有排出口(12)的至少一个排出元件(11)，其用于使含纤维的材料混合物(2)通过；至少一个供给装置(19)，其用于利用可预设的过程压力(15)在排出元件(11)上提供含纤维的材料混合物(2)；至少一个进给装置(18)，其用于将所述排出元件(11)定位；其中，为了将含纤维的材料混合物(2)粉碎，与所述至少一个排出元件(11)相对置地设置有可运动的加工主体(7)，其中，在含纤维(3)的材料混合物(2)通过所述排出元件(11)时在该排出元件(11)与可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)之间构成间隙状的加工区(16)。

Description

用于制造纳米纤维素的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于由含纤维/特别是纸浆或者纤维素的材料混合物制造纳米纤维/特别是纳米纤维素的设备和方法。

背景技术

迄今为止，为了生产纳米纤维素，开发了一系列用于由天然原材料、特别是由纤维素或者纸浆制造纳米纤维的设备和方法。在专业文献中主要在微纤维和/或纳米纤维之间进行区分，其中使用了很多不同的概念，诸如微米化纤维纤维素(MFC)或纳米化纤维纤维或者纳米化纤维纤维素(NFC)。这样的材料例如作为增强材料亦或作为用于纸张、卡纸等的阻隔层越来越多地应用在许多技术领域中。

在此通过将细胞壁分开和使纳米纤维、特别是使纳米纤维素露出来进行对纤维、特别是纤维素的加工。因此，粉碎主要是沿着纤维的纵向进行并且很少通过沿着横向剪短纤维进行。

为了制造纳米纤维素，在现有技术中主要已知有微流化器。在一种微流化器中、诸如在EP3088605A1中，使含纤维的第一流体流与含纤维的第二流体流交叉，以将纤维素分解为纳米纤维素。因此在高压下将纤维引导通过具有固定的内部几何形状的微通道，在该微通道中由于剪切力和冲击效应将纤维的细胞壁破开。

如例如在JP201304142A1中公开的那样，能够以均质器的方式实现用于制造纳米纤维素的另外的方法。在这种情况下，借助高压泵将含纤维的材料混合物挤压通过阀座，以便然后沿径向通过仅仅若干微米宽的均化空隙并且接着挤压到沿径向设置的冲击环上。这样的高压均质器的效果基于通过流体速度变化对纤维的剪切、冲击环上的冲击负荷以及空穴作用。

如例如在WO2013072558A1中公开的那样，也可以借助磨浆机机或研磨机制造纳米纤维素。在磨浆机的情况中，通常将两个相互对应的研磨板相互靠近地引导直到研磨间隙为止，并将含纤维的材料混合物挤压到研磨板的中心。完全浸润的研磨板的对向运动能够实现将纤维粉碎为纳米纤维。

迄今为止公知的方法和/或设备都需要高能耗并且由于狭窄部诸如阀座、通道、喷嘴和类似物的堵塞之故容易导致工序中断。此外，公知的设备不适于以小能耗加工大量用于制造纳米纤维、特别是纳米纤维素的含纤维的材料混合物。

发明内容

在后续说明的范畴中，主要利用造纸和纸浆工业的实例解释将纤维粉碎为纳米纤维的原理。然而根据本发明的设备和与此相关的方法按照意义不只用于植物纤维、而是类似地还用于其它含纤维的材料混合物，其具有动物纤维，诸如海鞘类的纤维或合成纤维。

本发明的目的是：克服现有技术的缺点并提供一种设备和方法，使用者借助该设备和方法能够简单、能效高地和便于实施地粉碎材料混合物的纤维、特别是纤维素，以制造纳米纤维、特别是纳米纤维素。本发明的另一个目的在于：提高过程可靠性，将堵塞减少到最小程度甚至完全避免，并且能够加工大量含纤维、特别是纸浆的材料混合物。此外，本发明的目的是：提高经过加工的材料混合物的均匀性和/或保证连续生产。

所述目的通过根据本发明的设备和方法得以实现。

根据本发明，以具有液态组分、特别是水的材料混合物的形式提供需粉碎的纤维、特别是纤维素或纸浆。材料混合物可以具有不同直径和/或长度的纤维分布。同样在材料混合物中可以包含有之前已经粉碎的纤维。需粉碎的纤维特别可以具有大量的微纤维，这些微纤维通常具有10至100nm的直径和0.5至10μm的长度。

在本发明的范畴内，纳米纤维是指纤维或者微纤维的基本上纵向延伸的组成部分，所述纤维或者微纤维沿着厚度方向亦或具有约5至30nm范围内的直径和大得多的纵向延伸。纵向延伸与纳米纤维厚度的这个比例可以表达为“aspect ratio(长宽比)”并且通常大于50。

用于由含纤维的材料混合物制造纳米纤维、特别是纳米纤维素的设备包括：具有排出口的至少一个排出元件，其用于使含纤维的材料混合物通过；至少一个供给装置，其用于利用可预设的过程压力在排出元件上提供含纤维的材料混合物；以及至少一个进给装置，其用于使排出元件定位。为了将含纤维的材料混合物粉碎，与所述至少一个排出元件对置地设置有可运动的加工主体，其中，在含纤维的材料混合物通过排出元件时，在该排出元件与可运动的加工主体的加载有材料混合物的部分面之间构成间隙状的加工区。

根据本发明的方法使用这样的设备并且包括以下方法步骤：

-提供根据本发明的设备；

-提供材料混合物，该材料混合物包括至少一个液体组分、优选水和纤维、优选纸浆；

-使可运动的加工主体以可预设的相对速度相对所述至少一个排出元件运动；

-以可预设的过程压力将含纤维的材料混合物挤压穿过所述至少一个排出元件；

-通过将排出元件相对可运动的加工主体定位构成间隙状的加工区以用于在排出元件与可运动的加工主体的加载有材料混合物的部分面之间将纤维粉碎来加工材料混合物。

通过加工主体相对排出元件和因此也相对排出口的相对运动，至少在间隙状构造的加工区中形成剪切区域。所述可预设的过程压力产生流体或者材料混合物在加工区中的速度变化并且允许材料混合物连续流过，该材料混合物的纤维在剪切区域中在细胞壁裂开的情况下被粉碎。在这种情况下，可以通过加工主体的相对运动将长的和/或未充分粉碎或者说加工的纤维和/或其它杂质从加工区中排出并防止设备堵塞。因此能够加工较大量的材料混合物，并且还能够提高经加工的材料混合物的均质性。

此外因为弃用了复杂的构件，所以能够比较简单和经济地制造和运行根据本发明的设备。能够较简单地接近且方便地替换可能出现的磨损件，由此能够显著提高作业时间。

在已知的设置单元、诸如磨浆机中，为了使完全浸入材料混合物中的、可相互运动的反作用体

运动，需要较高的空转功率。因此本发明与现有技术的不同之处特别在于：仅仅给加工主体的较小的部分面加载材料混合物，由此能够实现特别高的能效。经加工的材料混合物在从加工区中排出时被大幅加速并且能够通过简单的方式被收集在将加工主体的和/或排出元件的至少部分包围的壳体中。因此加工主体的一部分不与材料混合物直接接触。所以加工主体能够低阻力地运动，由此能够将总功率消耗降低减少的空转功率量。

因此根据本发明的设备或者方法非常适于加工具有合成和/或有机纤维的材料混合物。材料混合物中的纤维份额根据特定目的可以选择为约0.1体积％至约25体积％、优选1体积％至8体积％。

通过在排出元件上将材料混合物排出到对置设置的加工主体的分表面上，可以引导可运动的加工主体沿着运动方向“被动地”运动。

另外会是适宜的是：可运动的加工主体构造为能够借助驱动设备沿相对排出元件的排出元件轴线成角度延伸、优选垂直的运动方向驱动。

这相当于可运动的加工主体沿所述运动方向的“主动的”和因此可调节的运动。排出元件轴线基本上对应于在排出口中心穿过排出元件的假想的纵轴线。在此，所述运动相对排出元件的排出元件轴线成角度延伸地、优选垂直地进行并且可以借助驱动设备导入和调节。通过这种方式能够比较简单地调节加工区中的相对速度并因此调节剪切力的大小。

原则上也可考虑的是：加工主体的运动方向基本上与以预设角度喷射到加工主体的加载有材料的部分面上的材料混合物的流动方向相反。

此外可以规定：可运动的加工主体构造为旋转对称的例如构造为盘、柱体、锥体、滚筒，或构造为带状的、诸如链条或带。

可以由专业人员鉴于可用的空间条件、输送量、驱动功率等选择加工主体的几何形状。因此在某些情况中带状的加工主体会是有益的，这些加工主体同样只部分面地加载有材料混合物。旋转对称的加工主体同样允许比较简单的、合乎目的的结构并且此外可以构造为形状非常稳定的，而不必承受运动的过高能耗，因为分别只有加载有材料的部分面被材料混合物喷射。

一种特点也是特别有益的，根据该特点可以规定：可运动的加工主体构造为盘，其能相对排出元件成角度地、优选垂直地旋转。

在作为盘或板的实施方式中能够很好地利用有利采购、使用寿命长和维护费用低的优点。

另外可以规定：所述至少一个进给装置构造为平行于盘的旋转轴线可运动，用于调节排出元件轴线与旋转轴线的可预设的径向间距。

这种实施方式允许能够独立的亦或附加的调节加工区中的相对速度的可能性，该相对速度能够比较简单地通过取决于相对旋转轴线的径向间距的不同圆周速度调节。作为补充方案或代替驱动装置的转速调节可以规定这种措施，这特别是在被“被动”驱动的加工主体的情况中提供用于调节剪切力的极为有效的方法。

根据一种改进方案可能的是：排出元件具有至少部分围绕排出口构造的功能面，用于在加工区中形成流体动力轴承。优选地，排出元件与功能面构造为一体的，然而也可以由多个部分组装而成并且例如构造为排出元件的可更换的端部部段的形式。

这样设计的排出元件的应用允许形成流体动力轴承，由此能够将排出元件无触碰地以预设的作业间距与加载有材料的分表面间隔开。加载有材料的部分面在其形状和/或大小方面基本上与功能面相对应。这允许通过简单的方式提高对于形成用于粉碎纤维所需的剪切力有利的压力、诸如材料混合物的过程压力和/或排出元件的压紧力，而排出元件不在加工主体上滑动。主要通过在加工区形成液体楔能够避免排出元件或者功能面滑动。

此外会是适宜的是：功能面沿着运动方向比沿着横向和/或反向于运动方向具有更大的纵向延伸。

通过优化功能面的形状，能够使沿着功能面周边的材料介质排出均质化。另外通过这种方式能够提高流体动力轴承的稳定性并且改进经加工的材料混合物的均质性和/或质量。

另外可以规定：功能面构造为与可运动的加工主体的加载有材料混合物的部分面基本上形状互补。

特别是在加工主体的内侧面或者外侧面拱曲的情况中，诸如在柱体或锥体的情况中，这种措施能够提高材料混合物从加工区-该加工区构造用于不平坦的、加载有材料介质的部分面-中排出的均质性。这主要会有助于经由功能面使到加工区中的需加工的纤维上的局部排出速度和/或剪切力均匀化，这有助于提高质量。

此外可以规定：所述至少一个排出元件构造为能够以排出元件轴线相对可运动的加工主体的表面的可预设的立体角定向。

这种实施方式的优点在于流体动力轴承的可调节性和稳定性。此外，排出元件的成角度布置特别是在“被动”运动的运动体的情况中可以用于调节加工区中的相对速度和/或剪切力。这种可能性能够比较简单和经济地实现并且允许提高经加工的材料混合物的质量。

根据一种特别的特点可能的是：所述至少一个进给装置为了调节所述至少一个排出元件与可运动的加工主体的加载有材料混合物的部分面之间的作业间距和/或立体角而构造为可定向的。

这可以独立进行，或者也可以与其它措施诸如成角度布置或调节材料混合物的过程压力组合进行。

在此会是特别有益的是：为了调节在间隙状的加工区中形成的剪切力，对运动的加工主体的相对速度进行调整。同样会是有益的是：为了调节施加到运动的加工主体上的压力，至少借助进给装置对所述至少一个排出元件与对应的、加载有材料混合物的部分面之间的作业间距进行调整。

由此例如可以有针对性地调节排出元件的压紧力并因此影响经加工的材料混合物的排出速度，由此能够有针对性地调节间隙状的加工区中的剪切力的大小。

根据一种有益的改进方案可以规定：优选为了形成流体动力轴承的必要的液体楔，借助至少一个进给装置对至少一个排出元件的排出元件轴线的立体角进行调节。

由此可以有针对性地调节加工区中的剪切力的大小。此外，这种措施可以用于补偿磨损的排出元件和/或功能面。这在磨损件的使用时间或者使用寿命中实现经加工的材料混合物的提高的均质性和/或质量。

特别会是有益的是：至少一个排出元件的端部部段相对对置的、加载有材料介质的部分面至少部分可运动地支承。

排出元件的端部部段可以包括功能面，由此产生流体动力轴承的稳定性。所述端部部段可以作为排出元件的一种浮动支承部构造为基本上可自由运动，亦或构造为可预调，由此能够实现对排出元件和/或功能面的磨损的补偿。此外，能够避免通过长的和/或未充分加工的纤维导致的堵塞。

也可以规定：至少两个排出元件设置为相对可运动的加工主体沿周向和/或径向对称。

通过设置多个排出元件-这些排出元件与一个共同的加工主体分别构成一个加工区-能够显著提高材料混合物的通过量。这是特别有益的，因为在连续运行中根据需要一个或多个排出元件能够比较简单地接通/断开并且甚至能够进行对各排出元件的维修作业。另外，这种措施可以用于降低、甚至完全抵消可能的弯曲力矩，这些弯曲力矩通过过程压力和/或压紧力施加到加工主体上。这种措施实现更加稳定和需更少维护的设备。

此外可以规定：至少一个第二排出元件与第一排出元件基本上对置地设置，其中，第一排出元件配置给可运动的加工主体的第一表面，而对应的第二排出元件配置给与第一表面对置的第二表面。

通过构成多个分别与一个加工主体分别构成一个加工区的排出元件能够显著提高材料混合物的通过量。通过将两个对应的排出元件相互对置设置，能够降低作用到例如加工主体的驱动轴上亦或加工主体本身上的弯曲力矩，直至完全抵消该弯曲力矩。只要对应的排出元件的加载有材料介质的部分面基本上在第一和第二表面上对置，这种措施就既在带状的加工主体中、也在旋转对称的加工主体诸如柱体或盘中都是有利的。

另外可以规定：沿着可运动的加工主体的运动方向和/或垂直于该运动方向设置有至少两个排出元件。

在这种情况下同样可以考虑：排出元件沿着至少一个方向隔开地、即相互错开地设置。设置多个排出元件在使用仅仅一个共同的加工主体的情况下实现更高的生产率。与构成上述在第一和第二表面上相互对置设置的排出元件类似，这个优点主要体现在：用于驱动可运动的加工主体的功率消耗仅仅略微上升，甚至可以忽略不计。通过这种方式可以能效很高地和经济地同时加工大量的材料混合物。因此可以容易地考虑：沿着柱体亦或锥体可以设置有多个排出元件。在此，排出元件原则上也可以彼此对置地设置在第一表面上、例如柱体的外侧面上，由此可以抵消作用到加工主体的驱动轴上的弯曲力矩。同样可以考虑沿着一个盘的周向设置排出元件，这在盘上产生同样的效果。

一种特点也是有益的，根据该特点可以规定：至少可运动的加工主体设置为由壳体借助至少一个接触式的和/或非接触式的密封元件、优选不需保养的迷宫式密封件相对驱动设备密封。

通过根据本发明的设备的较简单的结构可以摒弃费用高的密封解决方案。虽然在加载过程压力的情况下进行材料混合物的加工，然而材料混合物在排出后通常仅处于大气条件中。一壳体有利地用于收集经加工的材料混合物，该壳体至少保护加载有材料介质的部分面、优选保护整个加工主体免受周围环境的影响。如专业人士熟知的那样，可以使用例如简单的接触式橡胶密封件对壳体开口诸如排出元件或者驱动轴进行密封，或者也可以使用自封式的、不需保养的迷宫式密封件。这能够实现特别长的保养间隔和低制造成本。

已经证实为有益的是：为壳体配置用于收集和/或继续加工经加工的材料混合物的收集容器。在某些情况中，将壳体基本上完全密封能够有利于使加工空间处于负压或过压下或者在其内形成保护气体环境，由此能够有针对性地影响经加工的材料混合物的质量。

根据一种改进方案可能的是：在提供材料混合物之前，优选在磨浆机中的研磨过程中对该材料混合物进行化学和/或酶促和/或机械预处理。

通过化学和/或酶促预处理，能够有针对性地影响纤维组成部分的裂开，由此能够使粉碎为纳米纤维、特别是纳米纤维素变得容易。可以在外置设备中者也可以在供给装置的为此设置的部段中进行这样的预处理。同样可以考虑用于调节可预设的纤维长度或者纤维长度和/或纤维直径的分布的机械预处理，例如可以通过专业人士已知的磨浆机和与此相关的方法进行该机械预处理。因此可以将适当的预处理用于提高经加工的材料混合物的质量。

另外会是适宜的是：利用经加工的至少部分材料混合物至少重复挤出和加工的方法步骤。

通过对含纤维的材料混合物进行多次加工，能够提高经加工的材料混合物的质量和均质性。在此可以考虑将通行一次的、经加工的材料混合物的至少部分亦或全部再次输送给所述设备。在此可以非常简单地将收集容器与供给装置之间的循环系统用于实现可预设的纤维直径分布和/或纤维长度分布。在某些情况中会是有益的是：通过如下方式调整经加工的和重新设置用于再次输送的材料混合物的液体组分，即，例如添加水。由此能够在能量消耗和/或压力消耗较小的情况下实现将纤维组成部分特别细地分解为纳米纤维、特别是纳米纤维素。

附图说明

借助后续的附图详细阐述本发明，以便更好地理解本发明。

分别在大幅简化的示意图中：

图1是排出元件和加工主体的示意性横剖视图，用于说明作用原理；

图2是具有功能面的排出元件和加工主体的示意性横剖视图，用于说明作用原理；

图3是设备的可能实施方式的示意性横剖视图，其具有两个排出元件，这两个排出元件沿着周向分布地设置在第一表面上(a)和相对置地设置在第一和第二表面上(b)；

图4是作为柱体(a)、锥体(b)或者带(c)的加工主体的示意性横剖视图，其具有多个排出元件；

图5是排出元件横截面的示意图，其中(a)示出倾翻一个立体角、(b)示出可运动的端部部段、(c)示出形状互补的功能面或者(d)示出底视图；

图6是用于制造纳米纤维的设备的可能设置结构的示意总图。

具体实施方式

作为引言首先要说明的是：在不同描述的各实施方式中，为相同的部件设置了相同的附图标记或者相同的构件名称，其中在说明书全文中所包含的公开内容可以按照意义转用到配有相同附图标记或者相同构件名称的相同部件上。再者，在说明书中所选择的方位说明诸如上、下、侧等等，都是针对直接描述以及示出的附图而言的，并且当方位变化时，这些方位说明可按照意义转至新的方位。

图1示意性示出设备1，其用于由含纤维3、特别是纸浆4的材料混合物2制造纳米纤维5、特别是纳米纤维素6。从横剖视图中可以看出用于将含纤维的材料混合物2粉碎的作用原理。根据本发明，与至少一个排出元件11相对置地设置有可运动的加工主体7。在排出元件11与可运动的加工主体7的加载有材料混合物的部分面10之间构成间隙状的加工区16。

如在图1中示意性地示出的那样，材料混合物2包括液体组分以及纤维3，其特别是可以包括纸浆4或者纤维素。利用可预设的过程压力15将材料混合物2挤压穿过排出元件11。在此，可运动的加工主体7例如可以被动地通过经加工的材料混合物2从加工区16中排出而沿着运动方向23进行相对运动。同样可以通过例如图6示出驱动设备20主动地使加工主体7沿着运动方向23运动。在含纤维3的材料混合物2穿过排出元件11时，产生的剪切力在间隙状构造的加工区16中用于将纤维3、特别是纸浆4粉碎成纳米纤维5、特别是纳米纤维素6。

图1中的示范性实施方式是构造为盘22的加工主体7。在这种情况中，加工主体7围绕旋转轴线24可转动地或可运动地支承。排出元件11具有排出元件轴线21，该排出元件轴线基本上与排出口12中央的、穿过排出元件11的、假想的纵轴线相符。如可以从图1结合图2特别清楚地看出的那样，可以通过排出元件轴线21与旋转轴线24之间的径向间距25调节加工区16中的相对速度27。

结合图2至图6综观图1可以看出：可运动的加工主体7被引导沿运动方向23从排出元件11旁经过。这个相对运动优选相对排出元件轴线21成角度地、特别优选垂直地进行。

图2示出根据本发明的设备的另外的和在必要时本身独立的实施方式。在这种实施方式中，排出元件11具有至少部分围绕排出口12构造的功能面13。如示出的那样，功能面13可与排出元件11构造为一体的。然而也可以考虑：功能面13可以作为端部部段14的组成部分亦或作为独立的构件与排出元件11连接，以保证简单更换的可能性。在材料混合物2通过或者挤压穿过排出元件11时，在加工区16中可以构成流体动力轴承29。在这种情况中，加工区16包括功能面13和对应的、对置的、加载有材料介质的部分面10。通过在流体动力轴承29中构成液体楔，可以避免排出元件11和/或功能面13与加工主体7接触。

此外从图2中可以看到：排出元件11具有与加载有材料混合物的部分面10的作业间距17。同样可以为在图1中示意性示出的设备调节这样的作业间距17。

示例性地在图3、4和图6中示出了用于将排出元件11定位的进给装置18的结构并且该结构可以按照意义转用到图1、2和5中。如特别可以从图3a和b中看出的那样，进给装置18可以用于使所述至少一个排出元件11向着加工主体7的方向和/或横向于该方向运动。这样的进给装置18可以特别是用于调节作业间距17。

在图3a和b以及图4a至c中示意性示出设备1，在这些设备中相对一个加工主体7设置有两个或更多个排出工件11。图3a在此示出了两个排出元件11，这两个排出元件关于旋转轴线24对称地与加工主体7的第一表面8间隔开。图3b示意性示出一种状况，其中，两个排出元件基本上对置地和彼此对称地设置在加工主体7的第一表面8或第二表面9上。通过将加工主体7构造为盘22，在图3a和b中示出的实施方式中可以抵消盘22上和因此旋转轴线24上的可能的弯曲力矩。

可以分别经由一个独立的用于提供含纤维3的材料混合物2的供给装置19亦或经由一个共用的用于提供含纤维的材料混合物的供给装置19实现对所述至少一个排出元件11的供给。为了简便起见，在图1、2、4和5中省略示出这样的供给装置19。

根据本发明，可运动的加工主体7可以设计为旋转对称的主体、诸如柱体或滚筒或锥体或盘22，如在图4a、4b以及3中示意性示出的那样。作为此外的备选方案可能的是：可运动的加工主体7构造为带状的，如构造为链条或带，如可从图4c中示意性地看出的那样。特别是可以从图3和4中看出：多个排出元件11可以配置给一个共用的加工主体7。可运动的加工主体7在此可以与驱动设备20连接，如可以从图3、4和6中看出的那样。这样的驱动设备20例如可以构造为液压马达或者气动马达并且特别优选构造为电动机并且具有转速调整件。

为了调节在所述至少一个排出元件11与可运动的加工主体的加载有材料混合物的部分面10之间的作业间距17和/或立体角26，在图3、4和6中示意性示出的进给装置18可以构造为可定向或者可定位。同样可以考虑：可以借助一个共同的进给装置18将多个排出元件11共同相对加工主体定位。此外，从图3和4中可以看出：至少两个排出元件11可以沿着周向和/或径向相对可运动的加工主体7设置。排出元件11在此可以对称地和/或彼此错开地设置在第一表面8和/或第二表面9上。

柱体、锥体、带或链条的一种特殊实施方式未示出，在该实施方式中至少一个第二排出元件11与第一排出元件11基本上对置设置，其中，第一排出元件11设置在可运动的加工主体7的第一表面8上而对应的第二排出元件11设置在与第一表面8相对置的第二表面9上。这种状况对于构造为盘22的加工主体7来说从图3b中可以看出并且可以由专业人员推导出其它旋转对称的和/或带状的加工主体7的状况。

在图5a至d中示出多个排出元件11的不同可能的实施方式。

图5a在此说明了一种排出元件11，其排出元件轴线21与加工主体7的加载有材料混合物的部分面10的法线以优选可预设的立体角26设置。如前所述，可以借助进给装置18进行排出元件11的这样的定位。从这个示意图中也可以特别清楚地看到构成流体动力轴承29。

图5b示意性示出排出元件11的另外的实例，其中，该排出元件11的端部部段14相对对置的、加载有材料介质的部分面10至少部分可运动地支承。通过这种方式可以在构成流体动力轴承29的同时构成端部部段14的一种浮动支承，而不导致端部部段14的卡住或堵塞。

图5c示出排出元件11、环绕排出元件开口的功能面13以及弯曲的加工主体7的示意性剖视图。功能面13构造为与加工主体7的加载有材料混合物的部分面10基本上形状互补。在此特别是可以考虑功能面13的凹面和凸面形状，如可以在图5c中特别清楚地看到的那样。

图5d示意性示出排出元件11和功能面13的另一可能的实施方式的底视图。功能面13在此沿着运动方向23构造有比沿着相对该运动方向横向和/或反向于规定的运动方向23更大的纵向延伸。示出的运动箭头示意性示出了加工的材料混合物2的排出。在使用这样成形的功能面13的情况中，其形状可以由专业人士为了加工主体7的相应应用和几何形状进行优化。如前所述，加工区16应基本上构造在功能面13与对应的加载有材料介质的部分面10之间。

根据本发明，图5a至d中示出的排出元件11及其组合可以引入对图2、3、4和6的说明，并且为了简便起见不再分别赘述，而是参阅相应的说明。

图6根据本发明的设备1的示意总图。在此只有一个排出元件11相对可运动的加工主体7定向。借助进给装置18进行对排出元件11的定位。经由供给装置19进行材料混合物2的给料。构造为盘22的加工主体7由驱动设备20沿着运动方向23驱动。如可以从图6中看出的那样，设备1具有壳体28，示出的是该壳体处于打开状态中。壳体28用于在加工期间捕获材料并且可以借助一个或多个密封元件30至少相对驱动设备20密封。这样的密封元件30是示例性地也可以在图3中看到并且可以构造为接触式的亦或非接触式的。可以将经加工的材料混合物2收纳在收集容器31中。同样可以考虑：供给装置19与收集容器31相连，以便实现循环原理。

在本发明的范畴内，也可以将各个加工步骤自动化并且优选经由未示出的中心设备控制系统对其进行控制。此外，考虑在用于设备监视和控制的操作面板或者触摸屏上进行操作。

因此可以由使用者预设对纤维长度和/或纤维横截面的可预设的分布的调节和/或其分布并且借助设备控制系统对其进行调节。使经加工的至少部分材料混合物2多次通过，同样可以用于调节纳米纤维5或者纳米纤维素6的均质性和/或质量。

材料混合物2的材料密度能够影响经加工的材料混合物2的质量。利用当前的设备1和对应的方法能够可靠而简单地加工纤维份额为0.1至约10体积％、优选1至约8体积％的悬浮体、即材料混合物2。同样可以考虑高达的25体积％和以上的材料密度。在这种情况下或许会需要专业人士使用合适的供给装置19，该供给装置能够在施加充分高的过程压力15的情况下输送具有这样高材料密度的材料混合物2。例如高压蜗杆输送单元特别适于这样的情况。

各实施例示出了可能的变型实施方案，在此需要指出：本发明并不局限于本发明的特定示出的变型实施方案，而更确切地说各个变型实施方案彼此之间也可以进行不同组合并且这些变型可能性基于本发明技术手段的教导落入本技术领域技术人员的能力范围内。

保护范围通过权利要求确定。然而说明和附图能够用于解释权利要求。来自所示出的和所说明的不同实施例的各单个特征或特征组合可单独地构成独立的、具有独创性的解决方案。独立的、具有独创性的解决方案的目的可以从说明中获得。

具体说明中的所有关于取值范围的说明均应该理解为，这些说明包括出自它们的任意的和所有的子范围，例如1至10的说明应该理解为，所有的子范围，从下限1和上限10起、也就是说所有以下限1或更大开始并以上限10或更小结束的子范围例如1至1.7或3.2至8.1或5.5至10均包括在内。

最后按规定需要指出：为了更好地理解结构，局部不符合比例地和/或放大和/或缩小地示出元件。

附图标记列表

1 设备

2 材料混合物

3 纤维

4 纸浆

5 纳米纤维

6 纳米纤维素

7 加工主体

8 第一表面

9 第二表面

10 加载有材料混合物的部分面

11 排出元件

12 排出口

13 功能面

14 端部部段

15 过程压力

16 加工区

17 作业间距

18 进给装置

19 供给装置

20 驱动设备

21 排出元件轴线

22 盘

23 运动方向

24 旋转轴线

25 径向间距

26 立体角

27 相对速度

28 壳体

29 流体动力轴承

30 密封元件

31 收集容器

Claims (34)

1.用于由含纤维(3，4)的材料混合物(2)制造纳米纤维(5)的设备(1)，该设备包括：

-具有排出口(12)的至少一个排出元件(11)，其用于使含纤维的材料混合物(2)通过；

-至少一个供给装置(19)，其用于利用可预设的过程压力(15)在排出元件(11)上提供含纤维的材料混合物(2)；

-至少一个进给装置(18)，其用于将所述排出元件(11)定位；

其特征在于：为了将含纤维的材料混合物(2)粉碎，与所述至少一个排出元件(11)相对置地设置有可运动的加工主体(7)，其中，在含纤维(3)的材料混合物(2)通过所述排出元件(11)时在该排出元件(11)与所述可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)之间构成间隙状的加工区(16)。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于：所述纳米纤维是纳米纤维素(6)。

3.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于：所述可运动的加工主体(7)构造为，能够借助驱动设备(20)沿着相对排出元件(11)的排出元件轴线(21)成角度延伸的运动方向(23)被驱动。

4.根据权利要求3所述的设备(1)，其特征在于：所述可运动的加工主体(7)构造为，能够借助驱动设备(20)沿着垂直于排出元件(11)的排出元件轴线(21)的运动方向(23)被驱动。

5.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，特征在于：所述可运动的加工主体(7)构造为旋转对称的，或者构造为带状的。

6.根据权利要求5所述的设备(1)，特征在于：所述可运动的加工主体(7)构造为盘(22)、柱体、锥体。

7.根据权利要求5所述的设备(1)，特征在于：所述可运动的加工主体(7)构造为链条或带。

8.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，其特征在于：所述可运动的加工主体(7)构造为盘(22)，其能相对所述排出元件(11)成角度地旋转。

9.根据权利要求8所述的设备(1)，其特征在于：所述盘(22)垂直于所述排出元件(11)可旋转。

10.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，其特征在于：所述排出元件(11)构造有至少部分围绕所述排出口(12)构造的功能面(13)，其用于在加工区(16)中形成流体动力轴承(29)。

11.根据权利要求10所述的设备(1)，其特征在于：所述功能面(13)沿着运动方向(23)具有比沿着横向和/或反向于该运动方向(23)更大的纵向延伸。

12.根据权利要求10所述的设备(1)，其特征在于：所述功能面(13)构造为与可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)基本上形状互补。

13.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，其特征在于：所述至少一个排出元件(11)构造为能够以排出元件轴线(21)相对可运动的加工主体(7)的表面(8)的可预设的立体角(26)定向。

14.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，其特征在于：所述至少一个进给装置(18)构造为可定向的，以调节在所述至少一个排出元件(11)与所述可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)之间的作业间距(17)和/或立体角(26)。

15.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，其特征在于：至少一个排出元件(11)的端部部段(14)相对对置的、加载有材料介质的部分面(10)至少部分可运动地支承。

16.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，其特征在于：至少两个排出元件(11)设置为相对所述可运动的加工主体(7)沿着周向和/或径向对称。

17.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，其特征在于：至少一个第二排出元件(11)与第一排出元件(11)基本上对置地设置，其中，第一排出元件(11)配置给所述可运动的加工主体(7)的第一表面(8)，而对应的第二排出元件(11)配置给与第一表面(8)对置的第二表面(9)。

18.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，其特征在于：沿着所述可运动的加工主体(7)的运动方向(23)和/或垂直于该运动方向(23)设置有至少两个排出元件(11)。

19.根据权利要求1至4之任一项所述的设备(1)，其特征在于：至少所述可运动的加工主体(7)设置为由壳体(28)借助接触式的和/或非接触式的密封元件(30)相对驱动设备(20)密封。

20.根据权利要求19所述的设备(1)，其特征在于：至少所述可运动的加工主体(7)设置为由壳体(28)借助不需保养的迷宫式密封件相对驱动设备(20)密封。

21.用于由含纤维(3)的材料混合物(2)制造纳米纤维(5)的方法，该方法包括以下方法步骤：

-提供根据权利要求1至20之任一项所述的设备(1)；

-提供材料混合物(2)，该材料混合物包括至少一种液体组分和纤维(3)；

-使可运动的加工主体(7)以可预设的相对速度(27)相对至少一个排出元件(11)运动；

-利用可预设的过程压力(15)将含纤维(3)的材料混合物(2)挤压穿过所述至少一个排出元件(11)；

-通过将排出元件(11)相对可运动的加工主体(7)定位以构成间隙状的加工区(16)来加工材料混合物(2)，所述加工区用于在排出元件(11)与可运动的加工主体(7)的加载有材料混合物的部分面(10)之间将纤维(3)粉碎。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述纤维是纸浆(4)。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述纳米纤维是纳米纤维素(6)。

24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述液体组分是水。

25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：借助驱动设备(20)使所述可运动的加工主体(7)沿相对排出元件(11)成角度延伸的排出元件轴线(21)的运动方向(23)运动。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于：借助驱动设备(20)使所述可运动的加工主体(7)沿垂直于排出元件(11)的排出元件轴线(21)的运动方向(23)运动。

27.根据权利要求21至26之任一项所述的方法，其特征在于：具有至少部分围绕排出口(12)构造的功能面(13)的至少一个排出元件(11)用于在该排出元件(11)与加载有材料混合物的部分面(10)之间构成流体动力轴承(29)。

28.根据权利要求21至26之任一项所述的方法，其特征在于：对运动的加工主体(7)的相对速度进行调整，以调节在间隙状的加工区(16)中产生的剪切力。

29.根据权利要求21至26之任一项所述的方法，其特征在于：借助至少一个进给装置(18)调整在所述至少一个排出元件(11)与对应的加载有材料混合物的部分面(10)之间的作业间距(17)，以调节运动的加工主体(7)上的压力。

30.根据权利要求21至26之任一项所述的方法，其特征在于：借助至少一个进给装置(18)调整至少一个排出元件(11)的排出元件轴线(21)的立体角(26)。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：借助至少一个进给装置(18)调整至少一个排出元件(11)的排出元件轴线(21)的立体角(26)，以构成流体动力轴承(29)的必要的液体楔。

32.根据权利要求21至26之任一项所述的方法，其特征在于：在提供材料混合物(2)之前，对该材料混合物(2)进行化学和/或酶促和/或机械预处理。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于：在提供材料混合物(2)之前，在磨浆机中的研磨过程中对该材料混合物(2)进行化学和/或酶促和/或机械预处理。

34.根据权利要求21至26之任一项所述的方法，其特征在于：利用经加工的至少部分材料混合物(2)至少重复挤压穿过和加工的方法步骤。

Images