CN116783349A - 用于生产3d纤维结构的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于生产3D纤维结构的方法(100),该方法(100)包括以下步骤:将发泡纤维配料(2)进料(101)至设备(1),设备(1)包括具有第一侧(4)和相对的第二侧(5)的液体可渗透的基底装置(3)、具有出口(7)的分配器(6),其中5分配器(6)和基底装置(3)中的至少一个相对于另一个移动。还包括通过分配器(6)将发泡纤维配料的层(2)分配(102)至液体可渗透的基底装置(3)的第一侧的步骤,其中设备(1)还包括至少一个贮液器(8)和第一真空单元(9),第一真空单元(9)与液体可渗透的基底装置(3)的第二侧(5)相关联以收集从发泡纤维配料的分配的层(2)排出的流体10。还包括将至少第一脱水压力施加(103)到所述基底装置(3)的第二侧(5)的至少一部分的步骤。

Description

用于生产3D纤维结构的方法和设备
技术领域
本公开涉及一种用于生产3D纤维结构的方法。
背景技术
纤维网络是生物(例如,动物组织)和工业材料中丰富的结构,其特性由单个元素的性质、取向分布、局部和体积密度、网络元素之间的结合和缠结决定。许多生物纤维结构的形态是三维的(3D),而诸如纸和无纺布的人造结构被认为是二维的(2D)。在3D纤维结构中,组成纤维在3D空间中随机取向,并且材料的体积性质在所有方向上分布相对均匀。在2D纤维结构中,其中组成纤维在结构的平面中随机取向,与平面的法线方向相比,平面内的体积性质显著不同。与传统纸张不同,3D木纤维结构体积大、高孔隙度且柔软。这些性质使3D木纤维结构成为与吸收性质(冲击、噪声、水分)和材料传输性质(过滤)相关的应用的合适候选。
工业纤维结构由合成纤维或天然纤维使用干法成网工艺或湿法成网工艺制成,其中在后一种工艺中,水被用作纤维的载体介质。替代地,可以使用水性泡沫作为悬浮相来获得3D纤维网络,利用现有方法,该过程是能量密集型和耗时的,因此在工业上是不利的。
因此,需要一种改进的方法,该方法满足从泡沫形成的纤维垫中使过量的水分加速脱水,而不会使结构体积劣化。
发明内容
因此,本公开的目的是提供一种用于生产3D纤维结构的方法,以减轻、缓解或消除上文确定的缺陷和缺点中的一个或多个。
该目的通过所附权利要求中定义的方法来实现。
根据本公开,提供了根据权利要求1所述的方法和根据权利要求10所述的设备。
本公开涉及一种用于生产3D纤维结构,优选3D木纤维结构的方法,该方法包括以下步骤:首先,将发泡纤维配料进料至设备中,该设备包括具有第一侧和相对的第二侧的液体可渗透的基底装置、具有出口的分配器,其中分配器和基底装置中的至少一个相对于另一个移动。进一步地,该方法包括以下步骤:通过分配器将一层发泡纤维配料(或发泡木纤维配料)分配至所述液体可渗透的基底装置的第一侧以获得纤维垫,其中所述设备还包括至少一个贮液器以促进所述纤维垫在预定时间段内的初始自然脱水,以及与液体可渗透的基底装置的第二侧相关联的第一真空单元以便收集从所述纤维垫排出的流体。该方法还包括将至少第一脱水压力施加到所述基底装置的第二侧的至少一部分的步骤。应该注意的是,施加到基底装置上的发泡纤维配料采取纤维垫的形式。因此,发泡纤维配料的层相当于纤维垫。
该方法的益处在于,它允许通过在第一次自然脱水后保持初始连接的纤维网络来有效地生产3D纤维结构,这有助于使用真空压力来更有效地排出过量水分而不会使所述纤维垫体积劣化。此外,与不涉及真空压力的方案相比,该方法允许将纤维垫的干燥时间减少至高达30%。
发泡纤维配料的层可以被分配成包括预定义的基本上均匀的厚度,其中该设备被配置成在施加脱水压力(其也可以称为吸力)的步骤之前,通过贮液器,基于至少该层的厚度在第一时间段内收集流体排放。第一时间段可以在1-10分钟的范围内。
该层的厚度可以在1-10cm的范围内。
第一脱水压力可以施加第二时间段,其中第一脱水压力在70kPa-100kPa的范围内(即,略低于提供低吸力的大气压)。第二时间段可以在2-10分钟的范围内,优选4-6分钟。
此外,液体可渗透的基底装置沿着移动元件在第一方向上移动,移动元件具有由至少第一部分和第二部分限定的长度,其中分配器被布置为在所述第一部分中位于基底装置的第一侧的上方,其中贮液器布置在所述第一部分中,其中第一真空单元和第二真空单元沿所述第二部分中的长度依次布置,其中第一真空单元比第二真空单元更靠近贮液器。这样做的益处是,它允许以连续工艺而不是分批工艺来生产纤维垫。
因此,贮液器可以收集一些液体,其中剩余的水/液体排放可以在真空箱处进行,然后纤维垫可以向前移动至后续工艺。
分配器可以是流浆箱。此外,出口可以是喷嘴,该喷嘴被配置为以限定的剪切力分配纤维配料。
第一真空单元可以被配置为施加第一脱水压力,其中第二真空单元可以被配置为施加第二脱水压力(从而施加第一和第二吸力),其中第一脱水压力大于第二脱水压力。第一真空单元可以施加略低于大气压力的第一脱水压力,并且其中第二真空单元可以在更高的真空下施加第二脱水压力。第二脱水压力可以在50kPa-80kPa的范围内。在一些实施方案中,第一和第二脱水压力是相同的。
该方法还可以包括在施加第一脱水压力的步骤的同时或之前,向所述纤维垫施加超声辐射的步骤。超声辐射可以由高功率机载超声单元来执行。
这样做的益处是超声能量有助于泡沫气泡在所述纤维垫的整个厚度上均匀塌陷,而不会使结构体积劣化,同时它还使纤维垫对空气具有高度渗透性。因此,可以更快地排出过量水分,因此真空单元可以布置得更靠近分配器,这使得可以更有效地使用空间。此外,透气纤维垫有助于利用更有效的干燥技术,即通过空气干燥技术。
基底装置可以以0.1-10m/s的速度在第一方向上移动。
该方法还可以包括在70-120℃范围内的温度下储存脱水纤维垫的步骤。
发泡纤维配料包括基于纤维干重在0.5-10%范围内的纤维稠度,其中发泡纤维配料包括在0.05-2g/l范围内的发泡剂总浓度,其中发泡纤维配料包括55-70vol%范围内的空气含量,其中发泡纤维配料由纸浆浆料产生。干燥的纤维垫厚度可以在5mm-60mm的范围内。因此,根据本公开的方法提供的垫厚度可能为5mm-60mm,并且是3D纤维结构。
还提供了一种用于生产3D纤维结构的设备,该设备包括:具有第一侧和相对的第二侧的液体可渗透的基底装置、具有出口的分配器(其中分配器和基底装置中的至少一个相对于另一个移动)、贮液器、至少第一真空单元,其中设备被配置为执行根据本公开的方法。
该设备还可以包括第二真空单元和超声单元。
附图说明
在下文中,将参照附图中所示的示例性实施方案以非限制性方式更详细地描述本发明,其中:
图1示出了根据本公开实施方案的设备的侧视图;
图2示出了根据本公开实施方案的设备的侧视图,该设备具有贮液器以及第一和第二真空单元;
图3示出了根据本公开实施方案的设备,该设备具有贮液器、第一和第二真空单元以及机载超声单元;
图4示出了图1的设备,该设备在基底装置上具有发泡纤维配料的层;
图5示出了根据本公开实施方案的用于生产3D纤维结构的方法;
图6示出了根据本公开实施方案的用于生产3D纤维结构的方法;
图7A示出了2D纤维结构中单个纤维取向的示意图;
图7B示出了3D纤维结构中单个纤维取向的示意图。
具体实施方式
在以下详细描述中,将描述本公开的一些实施方案。然而,应当理解的是,不同实施方案的特征在实施方案之间是可交换的,并且可以以不同的方式进行组合,除非另有特别说明。尽管在下面的描述中,提出了许多具体细节以提供对所提供的方法和设备的更彻底的理解,但是对于本领域技术人员来说显而易见的是,可以在没有这些细节的情况下实现该方法和设备。在其他情况下,不详细描述公知的构造或功能,以免混淆本公开。
图1示出了用于生产3D纤维结构的设备1。设备1包括具有第一侧4和相对的第二侧5的液体可渗透的基底装置3、具有出口7的分配器6,其中分配器6和基底装置3中的至少一个相对于另一个移动。在一些实施方案中,分配器6被布置为具有固定位置,使得基底装置3在第一方向x1上相对于分配器6移动。
图1所示的设备1还包括至少一个贮液器8和第一真空单元9,该第一真空单元9与液体可渗透的基底装置3的第二侧5相关联以便收集从发泡纤维配料的分配的层2排出的流体。如图1所示,贮液器8和第一真空单元9可以集成在一起。
图2示出了根据一些实施方案的设备1,其中设备1还包括第二真空单元9’。
图3示出了根据一些实施方案的设备1,其中设备1还包括超声单元12。
图4示出了图1中的设备1,其中有发泡纤维配料的层2施加在沿第一方向x1移动的基底装置3上。
图5示意性地示出了用于生产3D纤维结构的方法100,该方法100包括以下步骤:将发泡纤维配料2进料101至设备1,例如图1-3中所示的设备1中的任一个,设备1包括具有第一侧4和相对的第二侧5的液体可渗透的基底装置3、具有出口7的分配器6,其中分配器6和基底装置3中的至少一个相对于另一个移动。还包括通过分配器6将发泡纤维配料的层2分配至所述液体可渗透的基底装置3的第一侧的步骤102,其中设备1还包括至少一个贮液器8和第一真空单元9,该第一真空单元9与液体可渗透的基底装置3的第二侧5相关联以收集从发泡纤维配料的分配的层2排出的流体。还包括将至少第一脱水压力施加103到所述基底装置3的第二侧5的至少一部分的步骤。第一脱水压力可以施加第二时间段,其中第一脱水压力在70kPa-100kPa的范围内。
发泡纤维配料的层2可以被分配成包括预定义的基本均匀的厚度,其中设备1可以被配置为(如图5所示),在施加第一脱水压力103的步骤之前,通过贮液器8,至少基于层2的厚度,在第一时间段内收集104流体排放。第一时间段可以是1-10分钟,其中第二时间段可以是2-10分钟,其中层2的厚度在1-10cm的范围内。
如图2和图3中的设备所示,液体可渗透的基底装置3可以沿着移动元件13在第一方向x1上移动,所述移动元件13具有由至少第一部分15’和第二部分15”限定的长度L1,其中分配器被布置为在所述第一部分15’中位于基底装置3的第一侧的上方,其中贮液器8布置在所述第一部分15’中,其中第一真空单元9和第二真空单元9’沿所述第二部分9’中的长度L1依次布置,其中第一真空单元9比第二真空单元9’更靠近贮液器8。移动元件13可以是允许基底装置3沿着长度L1移动的任何合适的移动元件13。因此,长度L1也可以被定义为基底装置3的工作长度(即,设备执行方法100中的步骤的两个点之间的距离),因此它不一定定义基底装置3的总长度,因为它在例如连续实施方案中可以延伸甚至比长度L1更长。需要注意的是,术语“脱水压力”可以与术语“吸力”互换。
进一步参考图2中执行方法100的设备。第一真空单元9可以被配置为施加第一脱水压力,其中第二真空单元9’被配置为施加第二脱水压力,其中第一脱水压力大于第二脱水压力。上述程序允许发泡纤维配料的层2在第一方向x1上移动时以连续的方式进行处理。因此,方法100可以在连续过程中执行。连续过程的执行方式可以允许贮液器8从施加的发泡纤维配料2中收集液体,同时向施加第一脱水压力的第一真空单元9移动,然后发泡纤维配料继续向施加第二脱水压力的第二真空单元9’移动。换言之,基底装置3可以根据闭环移动,即类似于传送带如何操作。
图6示出了由图3所示的设备执行的方法100,其中方法100还包括在施加第一和第二脱水压力103中的至少一个的步骤之前,向所述基底装置的第一侧施加超声辐射的步骤105。在一些实施方案中,当第一真空单元9和/或第二真空单元9’运行时,可以同时施加超声辐射。因此,图6中的方法100包括以下步骤:将发泡纤维配料2进料至101设备1,设备1将发泡纤维配料的层2分配102到所述液体可渗透的基底装置3的第一侧4,向基底装置3施加105超声辐射,施加103至少第一脱水压力。贮液器8可以至少基于层2的厚度同时在步骤102-105的中间/期间在第一时间段内收集104流体排放。
结构体积中纤维的配置可以通过使用一对角度(θ,Φ)的所有纤维的纤维取向分布来描述,如示例性图7A-7B所示,其中7A示出了2D结构中的单个纤维取向的示意图,且7B示出了3D纤维结构中的单个纤维取向(其通过本公开的方法获得)。对于i表示的每个纤维,θi为Z轴和纤维之间的角度,且Φi为X轴和纤维在XY平面上的投影之间的角度(如图7A-7B所公开)。角度Φ在2D和3D结构中都可以具有任何随机值,然而,在2D结构中θ≌90°。

Claims (11)

1.一种用于生产3D纤维结构的方法(100),所述方法(100)包括:
将发泡纤维配料(2)进料(101)至设备(1),所述设备(1)包括:
具有第一侧(4)和相对的第二侧(5)的液体可渗透的基底装置(3);
具有出口(7)的分配器(6),其中所述分配器(6)和所述基底装置(3)中的至少一个相对于另一个移动;
通过所述分配器(6)将发泡纤维配料的层(2)分配(102)至所述液体可渗透的基底装置(3)的第一侧以获得纤维垫,其中所述设备(1)还包括至少一个贮液器(8)和第一真空单元(9),所述第一真空单元(9)与所述液体可渗透的基底装置(3)的第二侧(5)相关联以收集从所述纤维垫的分配的层(2)排出的流体;
将至少第一脱水压力施加(103)到所述基底装置(3)的第二侧(5)的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的方法(100),其中所述纤维垫的层(2)被分配以包括预定义的基本上均匀的厚度,其中在施加(103)第一脱水压力的步骤之前,所述设备(1)被配置为:
通过所述贮液器,基于至少所述层(2)的厚度,在第一时间段收集(104)排出的流体。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法(100),其中所述第一脱水压力在第二时间段被施加,其中所述第一脱水压力在70kPa-100kPa的范围内。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法(100),其中所述第一时间段为1-10分钟,其中所述第二时间段为2-10分钟,其中所述层的厚度在1-10cm的范围内。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法(100),其中所述液体可渗透的基底装置沿着由至少第一部分和第二部分(15’,15”)限定的长度(L1)在第一方向上移动,其中所述分配器(6)被布置为在所述第一部分(15’)中位于所述基底装置(3)的第一侧的上方,其中所述贮液器(8)布置在所述第一部分(15’)中,其中所述第一真空单元(9)和第二真空单元(9’)沿所述第二部分(15”)中的所述长度(L1)依次布置,其中所述第一真空单元(9)比所述第二真空单元(9’)更靠近所述贮液器(8)。
6.根据权利要求5所述的方法(100),其中所述第一真空单元(9)被配置为:施加第一脱水压力,其中所述第二真空单元(9’)被配置为施加第二脱水压力,其中所述第一脱水压力大于所述第二脱水压力。
7.根据权利要求6所述的方法(100),其中所述第二脱水压力在50kPa-80kPa的范围内。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法(100),其中所述方法(100)还包括在施加第一脱水压力(103)的步骤之前
向所述基底装置(3)施加(105)超声辐射的步骤。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的方法(100),其中所述方法(100)在连续过程中执行。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100),其中所述发泡纤维配料包括基于所述纤维干重在0.5-10%范围内的纤维稠度,其中所述发泡纤维配料包括在0.05-2g/l范围内的发泡剂总浓度,其中所述发泡纤维配料包括55-70vol%范围内的空气含量,其中所述发泡纤维配料由纸浆浆料产生。
11.一种用于生产3D纤维结构的设备(1),所述设备(1)包括:
具有第一侧(4)和相对的第二侧(5)的液体可渗透的基底装置(3);
具有出口(7)的分配器(6),其中所述分配器(6)和所述基底装置(3)中的至少一个相对于另一个移动;
贮液器(8);
至少一个第一真空单元(9);
其中所述设备(1)被配置为执行根据权利要求1-10中任一项所述的方法(100)。
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