CN118265684A - 用于生产可模塑纤维素纤维材料的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从纤维素纤维原料生产可模塑纤维素纤维材料的方法，该原料的含水量大于约95％(重量比)。该方法包括对原料进行机械预处理形成纤维料，该纤维料具有使得至少95％的纤维长度小于约15毫米的纤维长度分布。该方法可选地包括在脱水前，在高稠度盘磨机中精炼纤维料。该方法也包括在不添加化学物质的情况下脱水纤维料，以生产纤维素纤维饼和滤液，其中纤维素纤维饼的含水量小于约40％(重量比)。该方法最后包括在至少一台盘磨机中精炼纤维素纤维饼，以生产可模塑纤维素纤维材料。

Description

用于生产可模塑纤维素纤维材料的方法和装置
相关申请
本申请主张2021年9月20日提交的澳大利亚临时专利申请2021903020的优先权，并将其内容通过引用合并入本文。
发明领域
本发明总体涉及生产一种纤维素纤维材料，此材料用于真空模塑以制作包装用品，如食品和植物的服务及供应托盘和容器，以及用于医疗、电子或五金物品运输或展示的保护性和定位包装，以及许多其他类型的模塑包装用品。
发明背景
以下对发明背景的讨论旨在解释发明的上下文环境。此讨论不应被视为承认任何提及的材料在任何权利要求的优先日之前已公开、已知或构成(任何国家的)公知常识。此外，下面的描述多在“真空模塑为本发明所生产的可模塑纤维材料的最终用途”的背景下提供。然而，这样做是为了描述上的便利，并不应被视为对材料最终用途的限制。
数千年来，草本植物一直是造纸的主要原料。然而，在过去至少一个世纪的时间里，木材已成为造纸原料的主要纤维来源，制浆已成为如今主要的纤维加工技术。实际上，那段时间对浆料的需求引发了全球范围内一些更为突出和有争议的环境及生态问题。
人们普遍认为，木材转化为纸张需要使用重型工业工艺，通常需要非常大的能源输入、大量的工艺用水，并生产大量的废弃物，且通常使用的化学品会造成复杂甚至危险的处理和回收要求。此外，无论是化学制浆还是机械制浆，通常都无法充分控制生成的料(furnish)中纤维的状态和几何形状，至少达不到下游造纸工艺所希望的程度。
因此，人们对开发替代纤维作物以用于生产纸制品，以及替代制浆技术的兴趣日益增长。被认为是木材合适替代品的一种纤维素纤维来源是香蕉植物。
香蕉植物是一种大型多年生草本植物，其具有从肿大、多肉的块茎(一种地下根茎)中生长出来的高大的地上枝。香蕉植物的叶柄在地上枝中螺旋排列，其长而重叠的叶枕(基部膨大)形成了粗壮、类似树干的假茎的外部部分，其中心生长的顶生花序形成了通常被称为核心的内部部分。在更高的位置，叶柄远离假茎弯曲，并以倾斜角度承载大的椭圆形叶片(叶)。成熟时，每个假茎因此将包括一柔软但密集的核心，其被一更坚韧但密度较低的外部所包围。
商业种植的香蕉植物通常只有1至2年的寿命，因为香蕉植物只开花(并生产香蕉)一次，之后叶子和假茎开始枯萎。这种情况通常需要以某种方式移除叶子和假茎，例如直接砍掉，使得根茎中再生新的假茎并开始新的繁殖阶段。
2017年香蕉的年产量约为1.14亿吨(超过三分之二来自印度、巴西、中国、厄瓜多尔和菲律宾)，人们已经认识到香蕉假茎是一种潜在的宝贵可再生资源，这是一种传统上未被充分利用，且历来经济价值遭到香蕉种植者忽视的资源。因此，由于假茎中纤维的有利特性和质量，已有许多人尝试利用假茎生产纸张。
然而，在S.K.Singhai、J.K.Garg和B.Biswas为《印度浆纸杂志》1975年8月至9月期刊(第30卷第2期，第13至15页)撰写的名为《香蕉茎纤维制纸》的论文中，当时的情况被总结为：“已经考察了香蕉(M.sapientum和M.paradisica)茎纤维的制浆和造纸特性。根据该论文中提供的信息，应该认为从技术上或经济上看，使用香蕉茎纤维都是不可行的方案。”因此，至少在70年代中期，还没有开发出合理的方法来使用这些材料进行纸张生产。
自那时起，人们一直认为香蕉假茎纤维应该具有适合造纸的性能。尼古拉斯·A·达克瓦(Nicholas A Darkwa)撰写了名为《大蕉(M.Paradisiaca L)假茎；热带国家的纤维来源》的论文，该论文发表于1998年加拿大蒙特利尔魁北克省举办的1998年制浆会议的TAPPI会议记录第二卷，其中得出结论：“那些在浆纸生产中缺乏长纤维材料的热带国家可以利用大蕉和香蕉的假茎来满足此类需求。”
实际上，已经有几次在现有或改进的造纸制浆工艺中使用香蕉植物废弃物(主要是假茎，包括叶柄和核心，以及叶片、未成熟的花序和未使用的香蕉)的尝试——请参见美国专利5958182，其中简要总结了一些此类工艺。
然而，这类废弃物通常含有极高的水分和天然乳胶含量，且包含多种难以处理和加工的树脂和粘性物质。为了生产具有制造纸张所需特性的可用纤维，有必要提取这些液体，特别是清洗掉乳胶和其他天然树脂物质，这通常需要使用化学品和热能。这已被证明在技术上是困难的，并且通常使得香蕉废弃物制浆以用于纸张生产在经济上不划算，特别是对于大批量纸张供应以及除精品或艺术纸张之外的任何用途。这也通常给生产商带来了重大的化学废物处理问题。
在澳大利亚，尽管有报道称通过结合香蕉纤维与槟榔壳(Areca catechu L.)并制浆，可以少量制造出优质纸张，但澳大利亚的研究人员仍然得出结论，由于香蕉纤维的产量太低，使得在制浆工艺中提取香蕉纤维的做法不经济。实际上，在澳大利亚的一份报告中提到，从制浆过程中，40至80磅(18-36公斤)的绿色假茎中只能获得1至4盎司(28-113克)的合适纤维。因此，132吨的绿色假茎只能产出1吨纸张。由此得出的结论是，将假茎处理为切碎后留在田间的有机物并用于为后续作物施肥，将具有更大的价值，这正是今天澳大利亚香蕉种植业的现状。
也有建议不通过制浆而使用香蕉植物，例如申请人自己的国际专利公开WO2006/029469和WO2010/071945中描述的机械工艺。在这些文件中描述的机械工艺旨在避免制浆问题，首先直接从香蕉植物的假茎生成纤维片，其次使用这些纤维片形成纤维桨料，该纤维桨料主要由植物叶柄组织组成，其中基本上纵向排列的叶柄纤维已被大体横向切割，形成具有如下纤维长度分布的纤维料，使得至少95％的纤维具有基本相同的预定纤维长度。
本发明旨在提供另一种替代使用木材的方法，并提供一种用于生产适用于例如真空模塑以形成包装用品的纤维素纤维材料的改进的方法和装置。
发明内容
本发明提供了一种由纤维素纤维原料生产可模塑纤维素纤维材料的方法，该原料的含水量大于约80％(重量比)，该方法包括：
-对原料进行机械预处理，形成具有如下纤维长度分布的纤维料：至
少95％的纤维的长度小于约15毫米；
-可选地，在高稠度盘磨机中精炼纤维料；
-在不添加化学物质的情况下脱水纤维料，以生产纤维素纤维饼和滤液，其中纤维素纤维饼的含水量小于约40％(重量比)；以及
-在至少一台盘磨机中精炼纤维素纤维饼，以生产可模塑纤维素纤维材料。
在一种形式中，如果该方法包括在脱水之前在高稠度盘磨机中精炼纤维料的可选步骤，则随后对纤维素纤维饼的精炼将优选在单个低稠度盘磨机中进行。在另一种形式中，如果该方法不包括在脱水之前在高稠度盘磨机中精炼纤维料的可选步骤，则随后对纤维素纤维饼的精炼将优选首先在高稠度盘磨机中进行，然后在低稠度盘磨机中进行。
本发明方法所生产的可模塑纤维素纤维材料为桨状物(pulp)，其中，原料的非纤维素成分，如半纤维素、木质素、蜡、单宁和果胶等，已通过机械手段且不使用化学添加剂的方式基本去除，并且除了在本发明方法后进行的最终干燥步骤外，无需加热处理。去除这些非纤维素成分是有益的，因为这些成分存在于产品中，特别是在例如香蕉纤维表面时，会阻碍纤维间的界面粘结。
在这方面，本发明方法生产的可模塑纤维素纤维材料在相对窄的尺寸分布内保留了原料的优选物理和机械性质，如下文所述。本发明方法还提供了控制原料中纤维表面粗糙度的能力，允许根据不同的模塑工艺需求定制这些纤维。
关于对本发明方法原料的描述，该原料优选为植物叶柄的纤维素纤维原料，其中的纤维仅来自(或主要来自)植物叶柄组织。关于“主要”这一用词，技术人员会理解，任何由植物衍生的天然产品都可能在原料中存在某种程度的污染(或不希望的材料)，这在最终产品中通常也无法避免。因此，原料及其制成的可模塑纤维素纤维材料中存在其他材料的污染是不可避免的。
理想情况下，用于本发明方法原料的植物叶柄应当是相对新鲜的，优选在不超过大约10天内采收，时间长短取决于天气和土壤污染情况。
人们还将认识到，某些类型的植物形成的叶柄在制备合适原料方面比其他类型更具实用性。例如，一种相对较小的植物可能形成的叶柄过小(无论是长度还是宽度)，无法以合适或经济的方式制备原料，或者其叶枕(基部肿大部分)的尺寸不足，无法生产上文提到与香蕉植物假茎相关的优选类型的“外部部分”。
预计最适合作为本发明方法原料的植物叶柄形式会是芭蕉科(Musaceae)香蕉植物的叶柄。芭蕉科(Musaceae)内的典型香蕉植物包括地涌金莲属(Musella)、芭蕉属(Musa)和象腿蕉属(Enseta)。另外，其他植物如姜目(Zingiberales)的成员，特别是鹤望兰科(Strelitziaceae)的植物的叶柄组织，也可用作本发明方法的原料。
虽然不仅限于此，但以下对本发明的描述将主要涉及使用以可食用果实的香蕉植物的假茎作为原料，例如属于小果野蕉(Musa acuminata)物种(如众所周知的“香芽蕉(Cavendish)”和“手指香蕉(Lady Finger)”)、野蕉(Musa balbisiana)、或是杂交种美人蕉(hybridsMusa paradisiaca)(常被称为“大蕉”)和粉芭蕉(Musa sapientum)。
无论原料的来源和类型如何，原料的水分含量将大于约80％(重量比)，优选大于约85％(重量比)，更为优选大于约90％(重量比)，最为优选大于约95％(重量比)。在这方面，上文提到的可食用果实的香蕉植物通常具有大于约90％至95％(重量比)的水分含量，这对本发明后续的机械方法的各步骤非常有用。
机械预处理原料的理想目标是形成纤维料，其纤维的长度分布应满足至少95％的纤维长度小于约15毫米。优选地，该纤维料中纤维的长度分布应满足至少95％的纤维长度小于约10毫米。更为优选地，该纤维料中纤维的长度分布应满足至少95％的纤维长度小于约5毫米。最为优选地，该纤维料中纤维的长度分布应满足至少95％的纤维长度小于或等于约3毫米。在优选的形式中，该纤维料中至少98％的纤维将具有与上述基本相同的预定纤维长度。
在这方面，已发现如果控制纤维料中纤维的长度在这些优选范围内，将有助于后续精炼步骤的高效运行。还发现，如果将纤维料中纤维的长度控制在这些优选范围内，由本发明方法生产的可模塑纤维素纤维材料的后续模塑工艺将更为容易。
机械预处理步骤的主要目标是提供具有受控纤维长度的纤维料，但也理想地开始被称为“纤维化(fibrillating)”的纤维分离过程。
在一种形式中，对原料的机械预处理可能包括通过纤维束之间的间隔从假茎的外部移除纤维片的过程(围绕假茎的外围)，理想情况下该过程在假茎旋转时进行。这种分离方式可以保持纤维束在假茎几乎整个长度上的完整性，从而保持连续移除的纤维片的完整性。
例如，基本上纵向排列的叶柄纤维可以通过如国际专利公文文献WO2006/029469中描述的从假茎的外层去除纤维片的方法从植物叶柄组织获得，该文献的全部内容在此引用并入本文。
基于此，对原料合适的机械预处理可以更具体地是从芭蕉科香蕉植物的假茎生产纤维片的过程，其包括以下步骤：将假茎送入工作站，支撑假茎使其围绕其纵向轴在工作站内旋转，并且在几乎整个长度上用纤维分离装置接触旋转的假茎，以便在旋转过程中通过纤维分离装置从假茎中移除连续的纤维片。在这种形式中，纤维片以这种方式去除至假茎的核心部分。
以这种方式制成的纤维片因此是从假茎外围连续剥离的连续片材，就像人们从卫生纸卷上剥离一层纸那样。这些纤维片是连续的，其宽度优选地与假茎的长度一致，并且其长度优选地只在便于后续处理的范围内。当然，这些纤维片的长度需要基于特定假茎的直径和所需片材厚度在可行范围内。
一旦这种基本上纵向排列的叶柄纤维片材从假茎中剥离出来后，可以继续对原料进行机械预处理，接着将片材中的纤维大致横向切割至所需的纤维长度。在一种形式中，可以采用如上述国际专利公布文献WO2010/071945中描述的切割工艺，该工艺使用的切割设备能够接收被移除的纤维片，并使其通过一组设置有特定切割宽度的低速或高速切割盘，形式为切割刀片或研磨机，基本上以与切割盘横向的方向(理想情况下在85°至95°范围内，更优选约为90°)切割基本纵向排列的叶柄纤维。因此，切割设备生产的是长度基本相同的平行纤维条带。
优选地，该切割设备还包括另一种切割机制，该切割机构设置成垂直于上述基本横向切割来进一步切割或分离平行纤维，从而将平行纤维条带进一步切割成纤维段，这些纤维段具有多条长度控制在上述优选范围内的纤维，以生产用于本发明方法后续步骤的一种形式的纤维料的。
在另一种机械预处理形式中，可以从假茎切割出圆盘形状的切片，来从植物叶柄组织中获得基本上纵向排列的叶柄纤维，使用的切割工具可以是摆动刀片，如秸秆切割机，或类似于上述国际专利公布文献WO2010/071945中描述的但尺寸更大的纤维生产单元，其经过改进能够接收整个假茎而不仅仅是假茎的纤维片。
例如，这种改进的机械预处理装置可能既能剪切假茎，生成长度小于约15毫米、10毫米、5毫米或最优选地等于或小于3毫米的类似叶片的纤维，也能通过压缩、压碎或打击这些纤维以使其更加柔韧并启动或继续纤维化过程。例如，这种装置可能利用一个能够接收剪切纤维并同时减小体积的室，以压缩或压碎剪切纤维，从而生产理想的(纤维化的)纤维料。此外，通过结合剪切和冲击动作，可以生产纤维碎片，这些碎片也通过冲击力而部分脱水。
在这一或多种形式的机械预处理中，保持一致的纤维长度(如上述至少95％的纤维长度分布)是有利的，因为所有的α-纤维素都包含在从地面延伸至植物顶部的平行束中。在切片过程中保持和保存这种自然顺序，而不是随机切割、研磨或铣削，这种做法虽然不是必需的，但已发现是有益的。这样可以得到更一致的纤维长度，并且更易于打开植物结构，这样的好处是在后续的脱水过程中，可以仅通过机械压缩就挤出植物汁液。
除了上述本发明方法外，本发明还提供了一种用于从纤维素纤维原料生产可模塑纤维素纤维材料的装置，该原料具有大于约95％(重量比)的水分含量，该装置包括：
-机械预处理装置，能够从原料形成纤维料，该纤维料的纤维具有如
下纤维长度分布：至少95％的纤维长度小于约15毫米；
-可选的高稠度盘磨机，用于精炼纤维料；
-脱水压机，用于脱水纤维料，以生产纤维素纤维饼和滤液，该纤维
素纤维饼含水量低于约40％(重量比)；
-至少一台盘磨机，用于从纤维素纤维饼生产可模塑纤维素纤维材料。
在一种形式中，如果该装置包括在脱水压机前的可选高稠度盘磨机，那么随后精炼纤维素纤维饼以生产可模塑纤维素纤维材料的过程，优选在单个低稠度盘磨机中进行。在另一种形式中，若该装置不包括在脱水压机的可选高稠度盘磨机，那么随后精炼纤维素纤维饼以生产可模塑纤维素纤维材料的过程，优选先在高稠度盘磨机中进行，随后在低稠度盘磨机中进行。在这两种形式中，脱水压机优选为螺旋压机。
在本发明的方法和装置中，脱水优选在螺旋压机中分两次进行，可以是连续的或是分批处理的。在第一次脱水，理想的情况是去除超过约95％(重量比)的水分，这得益于螺旋压机内的逐渐压缩以及相邻纤维与螺旋压机壁之间的摩擦。在这种形式中，在第二次脱水，可以向进入螺旋压机的材料中添加水分，以帮助去除纤维表面的任何残留杂质，进一步促进纤维间的界面粘合和机械联锁，以形成纤维素纤维饼(优选为香蕉纤维饼)。在这方面，借助本发明方法的步骤和装置的操作和相互作用，已经发现，在纸张制造过程中传统采用的任何制浆化学品，例如氯、次氯酸盐、亚硫酸盐、烧碱、硫化钠、亚硫酸、糊精、氧化淀粉、丁苯胶乳或苯乙烯丙烯酸等，都不是必需的。
关于脱水阶段，螺旋压机是优选的，因为理想情况下，螺旋压机通过优选具有拧紧螺距，其中螺杆螺纹之间的间距逐渐减小的缓慢旋转的阿基米德螺旋，沿着可透水的圆筒内带孔的圆柱形筛网传送物料内。螺旋压机优选相对于水平面倾斜，以协助滤液通过筛孔排入集水槽或类似设施。
在脱水步骤中，无论采用多少次，优选的压力至少为0.5千克/平方厘米，但是应当理解，理想情况下，应根据不同的材料和不同的植物类型，通过实验来确定所需的压力。这种优选的逐渐增压方式，以及随后相邻纤维和表面之间的摩擦，优选情况下应足以分离纤维以便于提取液体，同时不会削弱细胞结构或丢失纤维的天然属性。预期脱水步骤的优选压力范围为0.5千克/平方厘米至2.0千克/平方厘米。
理想情况下，筛网孔包括一系列错开的长椭圆形开口，长度优选在20毫米到60毫米之间，但理想长度约为40毫米，每个开口都配有一个配置为一系列例如菱形孔的网格，由灵活排列、互锁的金属丝组成。在这种形式中，金属丝优选在操作过程中应具有弹性，允许网格在使用时向外延伸，大致形成凹形。在这种形式中，当纤维通过筛网孔时，网格会随之弹性延伸，菱形间隙从大约1毫米的宽度扩展到大约2至2.5毫米的宽度。
优选的脱水装置中，理想地采用逐渐紧缩的螺距，以在脱水过程中施加机械应力到物料上。在这方面，应当注意的是，进入脱水步骤的材料可以是长度基本相等的纤维片段，但宽度和厚度各异。在这种形式中，逐渐紧缩的螺距有助于提供恒定的机械应力，迫使原料作用在其自身和外部筛网表面。随后，由于液体通过筛网缝隙以及螺旋的圆锥形配置排出，纤维的体积减少。纤维片段的连续作用、机械压力和相邻表面之间的摩擦，保持了从通过其中的原料纤维中提取液体的过程。
螺旋压机中螺旋的优选几何形状使得，如上所述，材料中的纤维与压机和筛网的壁面之间、以及彼此之间，都存在相对运动。这种相互作用理想地分离纤维束而不减少纤维长度。这种相对运动生产足够的摩擦力，用于制备纤维表面，以实现界面粘合，并去除纤维表面上任何剩余的非纤维素化合物，这对于随后的精炼步骤之前制备纤维素纤维饼是优选的，并帮助精炼步骤准备和改善纤维的表面粗糙度，增加它们的表面积以最大化最终产品中的界面粘合。
如上所述，脱水螺旋压机生产液体滤液和以纤维素纤维饼的形式存在的脱水固体，该脱水固体含水量优选低于约40％(重量比)。
脱水步骤中生产的液体滤液理想地主要是植物汁液，其化学组成通常会被熟练的技术人员理解，参考所使用的原料的性质和类型。在一般情况下，液体滤液包含有机酸、营养元素和生长调节剂，当使用香蕉植物作为原料时，有机酸的浓度相对较高，成分包括有益化合物如赤霉素和细胞分裂素，以及更常见的土壤改良元素如氮、磷、钾、镁和钙。作为本发明方法的副产品，液体滤液预期可作为有机液体肥料使用。
如上所述，在脱水步骤之后，纤维素纤维饼进入最终的精炼步骤，该步骤中纤维素纤维饼的纤维主要通过纤维化和粗糙化最终被物理改性。纤维的最终特性可以直接由纤维素纤维饼的这一精炼过程决定。例如，如果纤维长度减少，最终产品的强度和抗撕裂能力将降低，但表面的平整度和光滑度将提高，且印刷质量将变得更好。随着精炼程度的提高，密度、硬度、墨水保持力、平滑度和内部粘结强度将增加，但厚度、可压缩性、尺寸稳定性和孔隙率将减少。复杂的是，最初的精炼会增加抗撕裂能力，因为纤维间的粘合能力增强，抗拉脱性增加，但进一步的精炼会降低抗撕裂能力，因为纤维的缩短对纤维强度有不利影响。换句话说，增加的精炼会缩短纤维，这增强了平滑度和印刷适性，但降低了强度和抗应力能力。
在本发明中，特别有益的是，在脱水步骤之前不进行任何精炼，在脱水步骤中生产的纤维素纤维饼随后在高稠度盘磨机中进行精炼，然后在低稠度盘磨机中进行精炼，以生产优选的可模塑纤维素纤维材料。当然，如上所述，如果在脱水步骤之前在高稠度盘磨机中进行精炼，那么随后的精炼可能只需要在单个低稠度盘磨机中进行。
盘磨机提供的允许定制纤维处理过程的灵活性，有助于满足特定的精炼性能指标，理想地适应可能使用本发明生产的可模塑纤维素纤维材料的一系列后续纤维浆模塑生产线。
盘磨机通常由两个带有锯齿状或其他仿形表面的垂直圆盘组成。一个盘(“转子”)顺时针旋转，而另一个盘(“定子”)则保持静止，以提供二者之间的相对旋转。或者，使用两个转子盘，它们以相反方向旋转，以提供相对旋转。转子和定子理想情况下在一侧有一个“图案”，这可能交替由刀片(或条形物)和缝隙(或槽)组成。
在一种形式的本发明中，在脱水阶段产生的，或另一种形式的作为机械预处理阶段的直接产品的纤维素纤维饼，可以通过盘磨机圆盘中心的入口被泵送到两盘之间。随着离心力将纤维推向盘的外围，纤维在两盘之间受到的摩擦使纤维分层并在内部纤维化到所需的程度，从而增加纤维的拉伸强度和爆破强度，改善纤维的柔韧性，并增加纤维之间的相对粘合面积。两盘之间的空间可以根据所需的精炼程度来加宽或缩短。
在讨论盘磨机时，“稠度”一词指的是悬浮液中纤维的干重百分比。因此，“低稠度”盘磨机是指配置为处理大约1至5％纤维含量的材料，而高稠度盘磨机则配置为处理大约15至40％纤维含量的材料。因此，在本发明的高稠度精炼之后进行低稠度精炼的优选形式中，在精炼产品离开高稠度盘磨机进入低稠度盘磨机之前，将水添加到到离开高稠度盘磨机的精炼产品中，以此改变产品的含水量，进而改变待进一步精炼的产品的稠度。
在低稠度和高稠度盘磨机中，盘的加工侧配备有金属精炼板，这些精炼板上覆盖着多种突起的条形物。在一种优选形式中，使用螺旋型或带式给料机将高稠度的纤维饼以恒定流量送入两盘之间的中心空间。随着转子的旋转，纤维在相对盘的条形物之间向外移动进行精炼。在这种形式中，转子可能由一个大电机驱动，而一个较小的电机可用于调节盘之间的间隙(开启和/或关闭)。在这方面，值得注意的是，与高稠度盘磨相比，低稠度盘磨通常更为节能，主要是因为每种情况下操作的干纤维含量级别不同，以及由于条形物和槽的配置倾向于相应地更紧凑和更浅。
最终，需要认识到，由精炼步骤产生的可模塑纤维素纤维材料将随后以适当的方式干燥至合适的程度，具体取决于该材料最终的用途。
想情况下，这种可模塑纤维素纤维材料将使其纤维长度增加超过约10％，同时纤维宽度理想地减少超过约15％，纤维粗糙度理想地减少约10％。通过本发明的方法，能够减少纤维的弯曲或断裂数量，而且与原始原料的纤维相比，纤维的柔软度往往会得到改善。此外，在优选的原料为香蕉植物(属于芭蕉科)的叶柄组织时，随后生产的纤维材料往往是模塑的，表现为改善的可折叠性指数，同时具有强张力，使得纤维倾向于弯曲而不是断裂或折断。可以理解，这使得可以使用更长的纤维，并且可以形成具有紧密曲线和复杂形状的成型产品，而用硬短纤维可能无法实现这一点。
有益的是，本发明的方法提供了一种更低成本的工艺，不仅是因为优选的原料在传统上被视为废料，而且因为该方法利用简单快捷、低能耗的机械步骤，而无需高温处理阶段，也无需传统的化学添加剂。
附图简要说明
现在将以示例的方式，参考可用于生产上述可模塑纤维素纤维材料的示例性装置，描述本发明的实施方式。然而，应该注意，下面对附图的描述仅仅是将本发明付诸实践的一种方式的示例。因此，以下描述不应被视为限制上述一般描述。
在附图中：
图1是一种装置的剖面示意图，该装置能够移除基本上纵向排列的叶柄纤维的片材，展示了假茎与纤维分离设备之间的关系；
图2a和2b是图1装置中假茎的连续操作视图，显示了随着片材被移除，假茎的直径减小的过程；
图3a和3b是适用于接收这些基本上纵向排列的叶柄纤维片材并生产可用作本发明方法原料的纤维料的装置示意图；
图4是示意性地展示了本发明方法的一优选实施方式的流程图；
图5(a)和5(b)是图4中的优选实施方式所使用的脱水螺旋压机的优选形式的示意图；以及
图6是用于图4的优选实施方式的盘磨机的优选形式的示意图。
具优选实施方式的详细说明
在详细讨论图4、5(a)、5(b)和6所示的方法和装置之前，需要首先说明适用于本发明方法的理想形式的纤维素纤维原料和一种机械预处理设备的各个方面。
最适合本发明使用的原料形式是芭蕉科(包括芭蕉属属(Musa)和象腿蕉属属(Enseta))的香蕉植物的叶柄。有鉴于此，图1展示了一种形式的合适的机械预处理装置的一方面28的一般操作，描述了其在假茎14上的使用。在其操作方面，装置28包括纤维分离装置，形式为纵向移动的刀片38，该刀片被配置和限制为沿假茎14的纵向轴线基本平行移动，在其整个长度上单次通过。该图采用自上述国际专利公布文件WO2006/029469，特此引用其全部内容，以便描述这种理想的片材去除装置和工艺，其被视为该实施方式中机械预处理装置的一部分。
图2a显示了假茎14的直径约为150毫米，这是送入工作站的圆形假茎的典型起始直径。图2b展示了经过一段时间的操作后以及在连续片材60与之分离后的假茎14在，假茎14的直径现在减小到大约75毫米。图2a和2b还展示了输送带62，假茎14将放置在其上，输送带下方由支撑件36支持。上部支撑辊34也在图中可见。
图3a和3b展示了一种形式的合适的机械预处理装置的第二方面28的一般操作，该装置可以作为图2a和2b中装置的改进，其中支撑件36被鼻辊形式的支撑辊36a替换，其包括多个非常薄的切割盘50(或非常薄的研磨轮)，这些切割盘沿轴52以固定间隔排列，这些间隔代表了上述的预定纤维长度。在这种形式中，正如图3b的示意图所示，从假茎14上移除的片材在输送带62上能够被大致横向切割，形成条状的纵向排列的纤维，这些纤维的预定长度由切割盘50之间的间隔设定，这些预定的纤维长度是上文一般描述中提到的类型。
之后可以根据需要对这些条进行进一步处理，将纵向排列的纤维分离成更小的纤维包或纤维束，或将其分离成松散排列的单个纤维，以准备用于本发明优选实施方式的方法后续步骤的纤维料的优选形式。
下表(表1)展示了通过机械预处理步骤制备的理想纤维料的物理和化学特性，该步骤使用图1、2a、2b、3a或3b所示的机械预处理装置，或使用其他设想的实施方式中合适的机械预处理装置。
表1
参考图4的流程图，可以看出一种合适的方法包括上述的香蕉植物整圆过程A(参考图1、2(a)和2(b)描述)和切割及切块过程B(参考图3(a)和3(b)描述)的机械预处理步骤，随后是本发明优选实施方式的后续步骤。在该实施方式中，后续步骤为脱水压机中的纤维料100的脱水步骤C(将在下文描述)，以产生纤维素纤维饼102和滤液104；以及在两个盘磨机中精炼纤维饼102的步骤D(也将在下文描述)，以生产可模塑纤维素纤维材料106，该材料随后可用于生产模塑纤维包装用品。滤液104在存储以备后续使用之前，可以通过另一过滤器E进行处理。
关于图4、5(a)、5(b)和6中后续方法步骤的示例操作参数和条件，参考如下：
A、B、C-机械预处理和脱水
碎撕碎和脱水能力：3吨/小时
香蕉园废弃物输入：1吨/小时
湿香蕉纤维输出：0.47吨/吨废弃物
香蕉汁液输出：0.5吨/吨废弃物
当前系统损失：0.03吨/吨废弃物
滤液制备/处理滤液生产能力：1.5吨/小时香蕉汁液输入：0.5吨总添加剂输入：0.046吨总滤液输出：0.540吨
系统损失：0.006吨
D-圆盘精炼纤维精炼能力：10立方米/小时纤维输入：0.47吨
每吨纤维的水率：4
水量：1.88立方米/吨悬浮精炼纤维输出：2.349立方米/吨系统损失：0.001立方米/吨
示例模塑产品生产模塑产品生产能力：5000件/小时悬浮精炼纤维输入：2.349立方米/吨总添加剂：0.0036吨电力：56.352千瓦时
燃料：19.5升模塑产品输出数量：2348件模塑产品输出重量：0.1174吨系统损失：0.001立方米/吨
示例产品规格(托盘)
模塑托盘重量：0.00005吨
每吨模塑托盘数：20,000
每立方米悬浮纤维的模塑托盘数：1,000
在描述该装置时，如上所述，理想的脱水过程C应分两次进行，本实施方式中采用分批处理方式，第一次脱水借助螺旋压机110中的逐渐压缩以及相邻纤维112与螺旋压机110的穿孔壁114之间的摩擦，去除纤维料100中超过约95％(重量比)的水分——详见下文图5(a)和5(b)的描述。在第二次脱水，向进入螺旋压机110的材料添加水，以帮助去除纤维112表面的任何残留杂质，进一步促进它们之间的界面粘合和机械联锁，形成纤维素纤维饼116。
预计在其他实施方式中，可以使用两个类似的螺旋压机110，串联配置，从而可以连续进行脱水，但仍然分为两次脱水。
更具体参考图5(a)和5(b)，本实施方式中的螺旋压机110通过具有拧紧螺距的缓慢旋转的阿基米德螺旋118以沿着可透水圆柱形筛网形式的穿孔壁114内侧输送纤维112的形式的的纤维料100。螺旋压机110包括集液槽120，以帮助通过图5(b)中的筛孔130排出滤液104。
在这方面，筛孔130包括一系列错开的长椭圆形开口，长度约为40毫米，每个开口都配有配置为一系列例如菱形孔的网格，由灵活排列、互锁的金属丝组成，金属丝在操作过程中应具有弹性，允许网格在使用时向外延伸，大致形成凹形。在这种形式中，当纤维通过筛孔130时，筛网130会随之弹性延伸，菱形间隙从大约1毫米的宽度扩展到大约2至2.5毫米的宽度。
在脱水步骤C中，无论采用多少次，优选的压力为至少0.5千克/平方厘米，但是应当理解，理想情况下，应根据不同的原料和不同的植物类型，通过实验来确定所需的压力。预期脱水步骤C的优选压力范围为0.5千克/平方厘米至2.0千克/平方厘米。
脱水压机110中，采用逐渐紧缩的螺距，以在脱水过程中施加机械应力到纤维料100上。在本实施方式中，进入到脱水步骤C的纤维料100以纤维碎片112的形式存在，其长度基本相等，但宽度和厚度各异。逐渐紧缩的螺距有助于提供恒定的机械应力，迫使纤维碎片112作用于自身、螺旋118以及穿孔壁114的内部。由于通过筛孔130排出的液体损失，纤维碎片112的体积减小。
脱水步骤A中产生的液体滤液104主要是植物汁液，其化学组成通常会被熟练的技术人员理解，参考所使用的原料的性质和类型。在一般情况下，液体滤液包含有机酸、营养元素和生长调节剂，当使用香蕉植物作为原料时，有机酸的浓度相对较高，成分包括有益化合物如赤霉素和细胞分裂素，以及更常见的土壤改良元素如氮、磷、钾、镁和钙。作为本发明方法的副产品，液体滤液预期可作为有机液体肥料使用。
如上所述，脱水步骤A生产出脱水固体，以纤维素纤维饼116的形式存在，其含水量低于约40％(重量比)。然而在这个阶段，与原始纤维料100中的纤维形式相比，纤维素纤维饼116中纤维的物理特性不太可能有所改变，尤其是考虑到这个实施方式在脱水阶段之前没有使用高稠度盘磨机。
回到图4的流程图，经过脱水步骤C后，在本实施方式中，纤维素纤维饼102继续进行精炼步骤D，这是一个物理改性纤维素纤维饼的纤维的步骤。在本实施方式中，发现如果纤维素纤维饼102在两台盘磨机中进行精炼，首先在高稠度盘磨机中进行，随后在低稠度盘磨机中进行，则尤为有益；图4中的精炼步骤D表示了两台盘磨机。然而应当理解，可以使用任何合适数量的盘磨机，包括一、二、三、四或更多台，优选串联使用，以最大化或改善发生的精炼活动，或者出于其他原因。
图6中的盘磨机140由两个带有锯齿状或其他仿形表面的垂直圆盘组成。一个盘(“转子”142)顺时针旋转，而另一个盘(“定子”144)则保持静止，以提供二者之间的相对旋转。转子142和定子144在其各自的彼此相对的内侧上均具有交替排列的刀片(或条形物146)和凹槽(或槽148)的“图案”。
纤维素纤维饼102通过位于圆盘142中心的入口154，由螺旋式给料器156通过入口150泵送到盘磨机140的两个盘142、144之间的空间152中。随着离心力将纤维推向盘142、144的外围，纤维在盘142、144之间受到的摩擦使纤维分层和内部纤维化到所需的程度，增加纤维的拉伸强度和爆破强度，改善纤维的柔韧性，并增加纤维之间的相对粘合面积。盘142、144之间的空间152可以根据所需的精炼程度而加宽或缩短。转子142和螺旋式给料器156由一个大电机158驱动，而可以使用一个较小的电机160来调节盘142、144之间的空间152(开启和/或关闭)。
如上所述，“稠度”一词指的是悬浮液中纤维的干重百分比。因此，“低稠度”盘磨机是指配置为处理大约1至5％纤维含量的材料，而高稠度盘磨机则配置为处理大约15至40％纤维含量的材料。在本实施方式中，采用图6所示类型的两个盘磨机串联使用，即进行高稠度精炼后再进行低稠度精炼，在精炼产品进入低低稠度精炼之前，将水添加到到离开高稠度盘磨机的精炼产品中，以此改变产品的含水量，进而改变待进一步精炼的产品的稠度。
关于用于本发明优选实施方式的盘磨机的优选形式，以下一般规格被认为是理想的：
·类型：双圆盘盘磨机
·圆盘尺寸：直径380毫米
·产量(每日产量)：20-22
·稠度(％)5(低)-20(高)
·电机功率(马力)：25
·盘磨机转速(转/分钟)1460
·凹槽宽度：2毫米
·棱宽：2毫米
·入口原料压力：0.1Mpa
机身类型(例如：铸铁)：铸铁
关于用于本发明优选实施方式的脱水装置的优选形式，以下一般规格被认为是理想的：
·类型：多圆盘污泥脱水压机-带有筛网壳体的螺旋式压机锥形螺杆
·最大液压流量(立方米/小时)：4至6
·最大固体负荷(千克/小时)：400至600
·直径：600至400毫米
·长度：2.4米
·脱水方法：动态膜螺旋脱水-带有缝隙的筛网壳体
·饼含水量：含量(％)90％
最后，应该注意，本实施方式仅为示例性描述，对于发明的精神和范围内的变化和修改也是可以设想的。

Claims (34)

1.一种从纤维素纤维原料生产可模塑纤维素纤维材料的方法，所述原料的含水量大于约80％(重量比)，所述方法包括：
对所述原料进行机械预处理形成纤维料，所述纤维料具有使得至少95％的纤维长度小于约15毫米的纤维长度分布；
可选地，在高稠度盘磨机中精炼所述纤维料；
在不添加化学物质的情况下脱水所述纤维料，以生产纤维素纤维饼和滤液，所述纤维素纤维饼的含水量为小于约40％(重量比)；
在至少一台盘磨机中精炼所述纤维素纤维饼，以生产所述可模塑纤维素纤维材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述原料的含水量大于约85％(重量比)，更优选为大于约90％(重量比)，最优选为大于约95％(重量比)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述原料由植物叶柄形成，其纤维至少基本来自植物叶柄组织。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述原料由芭蕉科，包括地涌金莲属、芭蕉属和象腿蕉属，的香蕉植物的叶柄形成。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述原料为芭蕉科香蕉植物，包括地涌金莲属、芭蕉属和象腿蕉属，的基本上纵向排列的叶柄纤维形式的植物叶柄组织。
6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述原料为可食用果实香蕉植物，包括属于小果野蕉物种、野蕉、或是杂交种美人蕉和粉芭蕉，的基本上纵向排列的叶柄纤维形式的植物叶柄组织。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述机械预处理包括：在假茎旋转时，通过纤维束之间的间隔围绕假茎的外围从假茎的外部移除纤维片的过程。
8.如权利要求7所述的方法，其中，生产纤维片的过程包括以下步骤：将假茎送入工作站，支撑假茎使其围绕其纵向轴在工作站内旋转，并且在几乎整个长度上用纤维分离装置接触旋转的假茎，以便在旋转过程中通过纤维分离装置从假茎中移除连续的纤维片。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述纤维片的纤维随后被基本横向地切割成所需的纤维长度，以形成纤维料。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，在机械预处理步骤中生产的所述纤维料的所述纤维长度分布为至少95％的纤维长度小于约10毫米，或更优选为至少95％的纤维长度小于约5毫米，或最优选为至少95％的纤维长度小于或等于约3毫米。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述纤维料中至少98％的纤维具有基本相同的预定纤维长度。
12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，所述脱水分两次进行，第一次脱水去除纤维料中超过约95％(重量比)的水分。
13.如权利要求12所述的方法，其中，重新加水到进入第二次脱水的材料中，以帮助去除纤维上的残留杂质。
14.如权利要求12或13所述的方法，其中，脱水在至少一台螺旋压机中进行，每个螺旋压机通过具有拧紧螺距，其中螺杆螺纹之间的间距逐渐减小的缓慢旋转的螺旋，沿着可透水的圆筒内穿孔圆柱形筛网传送纤维料。
15.如权利要求12-14中任一项所述的方法，其中，脱水步骤的压力范围为0.5千克/平方厘米至2.0千克/平方厘米。
16.如权利要求1-15中任一项所述的方法，其中，所述方法包括对机械预处理后的纤维料进行精炼，精炼在脱水之前在高稠度盘磨机中进行。
17.如权利要求16所述的方法，其中，脱水后对纤维素纤维饼的精炼在低稠度盘磨机中进行。
18.如权利要求16或17所述的方法，其中，每个盘磨机包括两个具有仿形表面的垂直圆盘，其中一个圆盘顺时针旋转，而另一个圆盘保持静止或逆时针旋转；在低稠度盘磨机中，纤维素纤维饼通过位于其中一个圆盘中心的入口被泵送到两个圆盘之间，在高稠度盘磨机中，纤维料也是通过位于其中一个圆盘中心的入口被泵送到两个圆盘之间。
19.如权利要求1-15中任一项所述的方法，其中，用于纤维素纤维饼精炼的至少一台盘磨机为高稠度盘磨机，其后是低稠度盘磨机，以生产可模塑的纤维素纤维材料。
20.如权利要求19所述的方法，其中，每个盘磨机包括两个具有仿形表面的垂直圆盘，其中一个圆盘顺时针旋转，而另一个保持静止或逆时针旋转；其中纤维素纤维饼通过位于其中一个圆盘中心的入口被泵送到两个圆盘之间。
21.一种从纤维素纤维原料生产可模塑纤维素纤维材料的装置，所述原料的含水量大于约95％(重量比)，所述装置包括：
机械预处理装置，能够从原料形成纤维料，纤维料的纤维具有如下纤维长度分布：至少95％的纤维长度小于约15毫米；
可选的高稠度盘磨机，用于精炼纤维料；
脱水压机，用于脱水纤维料，以生产含水量低于约40％(重量比)的纤维素纤维饼和滤液；以及
至少一台盘磨机，用于从纤维素纤维饼生产可模塑纤维素纤维材料。
22.如权利要求21所述的装置，其中，所述脱水压机包括至少一台螺旋压机，每个螺旋压机通过具有拧紧螺距，其中螺杆螺纹之间的间距逐渐减小的缓慢旋转的螺旋，沿可透水的圆筒内穿孔的圆柱形筛网传送纤维料。
23.如权利要求22所述的装置，其中，筛网孔为一系列错开的长椭圆形开口，每个开口都配有配置为一系列菱形孔的网格。
24.如权利要求23所述的装置，其中，所述网格由灵活排列、互锁的金属丝组成，金属丝在操作过程中应具有弹性，允许网格在使用时向外延伸，大致形成凹形。
25.如权利要求23或24所述的装置，其中，所述网格在使用时会弹性延伸，菱形间隙从大约1毫米的宽度扩展到大约2至2.5毫米的宽度。
26.如权利要求21-25中任一项所述的装置，其中，所述装置在所述脱水压机之前包括高稠度盘磨机。
27.如权利要求26所述的装置，其中，脱水后对纤维素纤维饼的精炼在低稠度盘磨机中进行。
28.如权利要求26或27所述的装置，其中，每个盘磨机包括两个具有仿形表面的垂直圆盘，其中一个圆盘顺时针旋转，而另一个圆盘保持静止或逆时针旋转；在低稠度盘磨机中，纤维素纤维饼通过位于其中一个圆盘中心的入口被泵送到两个圆盘之间，在高稠度盘磨机中，纤维料也是通过位于其中一个圆盘中心的入口被泵送到两个圆盘之间。
29.如权利要求21-25中任一项所述的方法，其中，用于纤维素纤维饼精炼的至少一台盘磨机为高稠度盘磨机，其后是低稠度盘磨机，以生产可模塑的纤维素纤维材料。
30.如权利要求29所述的装置，其中，每个盘磨机包括两个具有仿形表面的垂直圆盘，其中一个圆盘顺时针旋转，而另一个保持静止或逆时针旋转；其中纤维素纤维饼通过位于其中一个圆盘中心的入口被泵送到两个圆盘之间。
31.一种如权利要求1-20中任一项所述的方法生产的可模塑纤维素纤维材料。
32.一种由如权利要求31所述的可模塑纤维素纤维材料制成的包装用品。
33.一种通过如权利要求1-20中任一项所述的方法生产的滤液。
34.一种由如权利要求33所述的滤液制得的液体肥料。
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