CN1741882A - 纤维颗粒和形成纤维颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于制造纤维素纤维增强聚合物产品和材料的低水分经加工纤维素纤维颗粒，和从湿态经加工纤维素纤维基原料形成这种低水分纤维素纤维颗粒的非挤压式方法。所述纤维素纤维颗粒包括经加工的纤维素纤维和混合塑料和/或无机物，如矿物、粘土等，并具有约0.1－14重量％的含水量。所述非挤压式方法包括：能够从含水量为约40－80重量％的湿态经加工纤维素纤维基废料形成低水分纤维素纤维颗粒的干燥、粉碎和造粒步骤。

Description

纤维颗粒和形成纤维颗粒的方法
发明领域
本发明通常涉及纤维素纤维颗粒，更具体而言，涉及低含水量的非挤压式纤维素颗粒以及由湿态的废料形成纤维素纤维颗粒的方法。
发明背景
用各种填料增强的聚合物广泛地用于家居和工业产品以及建筑材料等中。通过混入无机填料，如碳酸钙、滑石、云母和硅灰石和合成填料如玻璃、石墨、炭和凯夫拉尔(kevlar)纤维以及天然填料，如纤维素纤维，这些聚合物的一些机械性能得到大幅度改进。用于增强聚合物的纤维素纤维一般包括有效粒度为约10-60目的木粉或粉碎木纤维。应用这样的纤维素纤维填料的结果是会带来许多缺陷。
例如，因为低堆积密度和在混合前或混合过程中需要预干燥，用木粉或粉碎木纤维进行加工的结果是低生产率和高成本。这些填料的粉末特性不仅会造成操作困难，还会给工艺操作人员的健康带来危险。木粉和粉碎木纤维还会由于材料装填在一起而引起堵塞或结块并极难于输送和向挤出机进料，挤出机的进口相对于这些材料的低堆积密度而言通常较小。
为避免与采用粉末状木粉或粉碎木纤维有关的问题，曾尝试将所述纤维压缩成颗粒。采用制粒机由粉碎木纤维或木粉形成颗粒的常规方法包括采用水作为粘合剂。然而，在这些颗粒中形成的水分成为复合材料颗粒下游加工的不利条件。当将聚合物用作粘合剂时，必须将聚合物加入工艺中，因而提高了加工成本。
除了这些问题以外，采用粉碎木纤维或木粉作为原料来形成纤维素纤维一聚合物颗粒或直接形成纤维素纤维增强的聚合物材料或产品的成本相当高昂。更为节约成本的纤维素纤维基原料的其它来源由于工业上将粉碎木纤维或木粉视为优选原料而被忽视。例如，在大多数造纸厂废水中存在的材料能够充足地供应经加工的纤维素纤维。当今，随同其它不适用于造纸厂工艺的其它材料如塑料和/或无机物一起，每年造纸厂要抛弃数百万吨的加工纤维素纤维。迄今为止，尚没有处理这种基本呈湿态的废弃纤维素材料并将其制成颗粒形式以用于制造复合材料以及燃料、动物草垫、美化环境和许多其它加工纤维素纤维用途的方法。
因此，需要提供具有低含水量和高堆积密度的经加工纤维素纤维颗粒，以及采用湿态的废弃经加工纤维素纤维基原料制造这种纤维素纤维颗粒的方法。
发明概述
本发明涉及改进的、可用于纤维素纤维增强聚合物产品和材料以及燃料、动物草垫、美化环境和许多其它加工纤维素纤维用途的低含水量纤维素颗粒，并涉及用于将湿态经加工的纤维素纤维基原料转化为这种低含水量纤维素颗粒的改进的非挤压式方法。在一个创新方面中，本发明的纤维素纤维颗粒具有约0.1-14重量％的含水量，最优选约1.0-5重量％。在另一个创新方面中，本发明的非挤压式方法由具有约40-80重量％含水量的湿态经加工的纤维素纤维基原料制备低含水量的纤维素纤维颗粒。在又一个创新方面中，在本发明非挤压式方法中用于帮助将纤维素纤维粘结成颗粒形式的材料，如塑料和/或无机物如矿物、粘土等是所述原料固有的。与现有技术不同，不需要加入这些成分作为粘合剂。
在优选实施方案中，本发明的纤维素纤维颗粒包含可自由流动的圆柱形或球形纤维颗粒，其具有约0.1-14.0重量％的含水量，优选约1.0-5.0重量％。所述纤维素纤维颗粒优选包含约60-99重量％的经加工的纤维素纤维，约0-30重量％的塑料和/或约0-40重量％的无机物或灰分，包括矿物、粘土等，其中所述颗粒优选包括至少约1-5重量％的塑料或无机物和不超过约40重量％的组合塑料和无机物。颗粒的长度和/或直径尺寸为约1/16英寸-2英寸，优选1/8英寸-1/2英寸。颗粒的堆积密度优选为约12-50磅/立方英尺，优选为约20-40磅/立方英尺。
所述纤维素颗粒优选由湿态的经加工纤维素纤维基原料制成。所述经加工的纤维素纤维基原料优选源自造纸纸浆和来自一或多个造纸厂生产阶段中的其它废水。所述废水材料一般包含主要由经加工的纤维素纤维和混合塑料和/或无机物如矿物、粘土等组成的混合物。所述混合塑料一般包括一或多种聚烯烃，如，但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯和聚苯乙烯。该废水材料的含水量为约40-80重量％，且纤维素与塑料和/或无机物的重量比为约99-1％到60-40％。
在另一个优选实施方案中，本发明的非挤压式方法包含接受并干燥湿态的经加工纤维素纤维基原料，粉碎经干燥的材料，然后将经干燥、粉碎的材料制粒。可以在粉碎和制粒之间任选地采用附加的干燥步骤以提高干燥效率。优选地，可以采用商购的干燥系统和工艺将含水量为约40-80重量％的纤维素和混合塑料和/或无机物原料干燥至含水量为约1.0-14.0重量％，最优选为约1.0-5.0重量％。可以采用商购的破碎机或制粒机、球磨机和/或锤式粉碎机来完成粉碎步骤，即将纤维素和混合塑料和/或无机物组成的材料粉碎至有效粒度为约10-60目的颗粒尺寸。根据纤维素的来源和所实施粉碎的类型和程度的不同，纤维素纤维的长宽比可以为10∶1-300∶1。最后，可以采用商购的螺杆压榨机、制粒机和/或压实机来实施可能包含压实、制粒和/或致密的制粒步骤来压实经干燥和粉碎的原料并形成颗粒。优选将原料从约1-10磅/立方英尺的堆积密度压实至约12-50磅/立方英尺的堆积密度，优选为约20-40磅/立方英尺，然后形成长度和或直径尺寸为约1/16英寸-2英寸的颗粒，优选为约1/8英寸-1/2英寸。
通过本发明的方法制备的纤维颗粒在可能用于制造复合材料之外还有利地具有多种用途。例如，所述纤维颗粒可以用作动物草垫、景观美化材料、发电用燃料等。当用作动物草垫或用于景观美化时，较高的堆积密度有助于防止纤维素纤维被风和阵风吹跑，而在景观美化的情况中使纤维吸收养分并为植物和树提供养分，在动物草垫的情况下吸收并提供除臭剂。通过本发明获得的较低的含水量还使养分和除臭剂的较高吸收成为可能，而在以前单独通过常规制粒机工艺制备的纤维颗粒中是不能获得的。
近似地，通过本发明的方法获得的较低的水分和较高的堆积密度使每磅或每吨接受的原料产生的B.T.U形式的热能增加了不止两倍，这使本发明这种纤维颗粒制备的加工成本大大合理化了。
继而，从以下的详细描述和附图，本发明的目的和优点将变得显而易见。
附图简述
图1A是简要说明本发明经加工的纤维素纤维基颗粒的立体图。
图1B是本发明经加工的纤维素纤维基颗粒的照片。
图2是本发明由湿纤维素纤维基废料形成纤维素纤维基颗粒的方法的流程图。
图3是详细说明实施本发明方法的示范系统的简要工艺图。
优选实施方案的详细描述
本发明涉及改进的、可用于纤维素纤维增强聚合物产品和材料以及燃料、动物草垫、环境美化材料和许多其它加工纤维用途的低含水量纤维素颗粒，并涉及用于将湿态经加工的纤维素纤维基废料转化为这种低含水量纤维素颗粒的改进的非挤压式方法。参见图1，简要表示了本发明的纤维素纤维颗粒10，其可以是圆柱形或球形，通常为圆柱形并具有约1/16英寸-2英寸的直径D和长度L尺寸，优选为1/8英寸-1/2英寸。在图2B中提供了本发明典型颗粒的照片。
优选地，本发明纤维素纤维颗粒的含水量为约0.5-14重量％，优选为约1.0-5.0重量％，且所述颗粒的堆积密度为约12-50磅/立方英尺，优选为约20-40磅/立方英尺。所述纤维素纤维颗粒优选包含约60-99重量％的纤维素纤维，约0-30重量％的塑料，和/或约0-40％的无机物或灰分，如矿物、粘土等，其中所述颗粒优选包括至少约1-5％的塑料或无机物和不超过约40％的组合的塑料和无机物。
如图2所示，由湿态经加工的纤维素纤维基原料35制备了本发明的纤维素纤维颗粒65。该原料35优选源自造纸纸浆和其它废水，包括来自造纸厂一或多个生产步骤的一次和二次废水。所述废水包括在每个步骤作为不适用于造纸工艺被抛弃并通常被填埋的材料。该废料通常包含主要由经加工的纤维素纤维和混合塑料组成的混合物，所述混合塑料包括一或多种聚烯烃，如，但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯和聚苯乙烯，和/或无机物如矿物、粘土等。然而，在这些废水中造纸纸浆、废纤维、塑料和无机物的量因造纸厂生产的产品种类而有很大不同。这可以根据纤维素纤维与无机物以及与混合塑料的比例而变化。例如，在生产杂志用光面纸的涂布纸造纸厂中，矿物含量可能高达40重量％(基于总固体计)，而基本上根本不含塑料。另一方面，采用多个步骤回收长纤维素纤维以将其包含在造纸工艺中的回收旧瓦楞纸(OCC)造纸厂可能会具有无机物含量为0-15重量％、塑料含量为2-30重量％的废料，这取决于造纸厂纤维回收工艺的效率。然而，在其它办公纸、奶瓶用漂白纸板、微波炉快餐用漂白纸板、瓦楞纸或牛皮纸袋用非回收Kraft纸、薄棉纸和无数的纸制品的造纸厂的那些实例之间存在很大差别。因此，对于这些废料而言，纤维素与塑料和/或无机物的重量比为约99-1％到60-40％，而含水量为约40-80重量％。
如图2中说明的实施方案所示，本发明的非挤压式制粒方法20包含用来接受湿态纤维素基原料35并将之引入工艺20中的接受步骤30。在接受步骤之后是干燥纤维素基原料35的干燥步骤40。在干燥步骤40后，采用粉碎步骤50来降低经干燥的纤维素基材料45的尺寸。然后，粉碎步骤50接下来是用来压实经干燥、粉碎的材料55并形成纤维颗粒65的压实、制粒和/或致密步骤60。在粉碎步骤50和制粒步骤60之间可以任选地采用附加的干燥步骤以提高干燥效率。
本发明的干燥步骤40可以利用本领域技术人员已知的各种干燥工艺和商购干燥系统如旋转、离心、窑炉、流化床、气流或旋风式干燥器和/或螺杆压榨机来实施。优选地，采用描述于美国专利Nos.5,915,814或5,7891,066中的干燥系统来实施本发明的干燥步骤40，引入这两个专利的公开内容作为参考。采用干燥步骤40将原料35干燥至含水量为约0.1-14.0重量％，最优选为约1.0-5.0重量％。在引入工艺20时，原料35的起始含水量一般为约40-80重量％。如果采用螺杆压榨机，在进入干燥系统前一般将含水量降至约40％。
像干燥步骤40那样，可以用本领域技术人员已知的各种粉碎方法和商购的粉碎系统如破碎机或制粒机、球磨机和/或锤式粉碎机来实施粉碎步骤50。根据具体的用途，可以采用粉碎步骤50将干燥的纤维素和混合塑料和/或无机材料45粉碎至有效粒度范围在约10-60目的颗粒尺寸。根据纤维来源和所实施的粉碎程度和类型的不同，纤维素纤维的长宽比可以为10∶1-300∶1。
像干燥和粉碎步骤40和50那样，可以采用本领域技术人员已知的各种压实和制粒方法和商购的螺杆压榨机、制粒机和/或压实机来实施压实、制粒和/或压实步骤60。步骤60的目的是：优选采用制粒机，将经干燥和粉碎的材料55从约1-10磅/立方英尺的堆积密度压实至约12-50磅/立方英尺的堆积密度，优选约20-40磅/立方英尺。然后将压实的材料经由温度高达约300°F(177℃)，优选约250°F(121℃)的模具挤压并切割成纤维颗粒65，其通常具有长度和直径尺寸约1/16英寸-2英寸，优选约1/8英寸-1/2英寸的圆柱形几何形状。所述塑料和/或无机内含物在该温度以下熔化以粘结纤维素纤维从而使纤维颗粒成为一个整体。
参照图3，仅以示范的目的显示并描述了能够实施本发明方法的可量的(scalable)、非挤压式制粒系统100。如图所示，所说明的实施方案包括以下相互连接的子系统：接受材料和湿态粉碎子系统110；干燥子系统120；分离并除去金属的子系统130；干态粉碎子系统140；制粒和颗粒冷却子系统150和160；和粉尘控制及分离子系统180。
在操作中，经由接受材料和湿态粉碎子系统110接受湿态纤维素和混合塑料和/或无机物的原料并将其引入系统100中。插入点是计量进料斗112，其控制将原料引入系统100的速度并为湿态原料提供第一阶段的粉碎。破碎机114从纸团中释放出塑料和/或无机物，从计量进料斗112接受材料并为湿态原料提供第二阶段的粉碎。粉碎机116，将纸张进一步打开以进行更高效的干燥，从破碎机接受材料并为湿态原料提供第三阶段和最终的粉碎。在该阶段，优选通过粉碎机116将材料粉碎为主要尺寸优选为约0.75″-1.00″英寸级的碎片以避免在干燥过程中粉尘形成量的增加。材料的实际尺寸取决于所用的粉碎机和制粒所需的最终材料尺寸以及每位用户对具体用途的需要。
将湿态原料从粉碎机116传送至干燥子系统120，该系统包括干燥器系统126和热空气源，即燃烧器122和将湿态原料在热空气流中传送到干燥器系统126中的风扇124。干燥器系统126优选包括一系列专利旋风式干燥器126a、126b和126c(参见例如美国专利No.5,915,814或5,7891,066)。
一经干燥，即经由鼓形磁体132传送原料，鼓形磁体132是用来除去主要金属，包括所有铁质材料——订书钉、导线、螺钉等的分离和去除金属子系统130的一部分。将材料继续输送至干态粉碎即粉碎子系统140。该粉碎子系统140包括第一干燥阶段粉碎机142，其对应于全过程中的第四阶段粉碎。第一粉碎机142的主要功能是根据制粒所需的最终尺寸将干燥原料流中的塑料和/或无机物粉碎为主要尺寸优选为约0.25″-0.75″级的碎片。在经过金属探测器134后，将原料传送至第二或中间/精细粉碎机144。金属探测器134提供最后阶段的金属去除作用，排出所有铁质和非铁质材料，铝、不锈钢、铜等。提供第二阶段干态粉碎和全过程中最后阶段粉碎作用的第二粉碎机144，其主要功能是将干燥材料粉碎至制粒用最终尺寸，优选为约10-60目的有效粒度范围。根据纤维来源和所实施粉碎的程度与类型的不同，纤维素纤维的长宽比可以是10∶1-300∶1。助力空气扇146提供空气以助于最终的粉碎和材料向系统100中下一阶段的输送。
接下来材料进入主产物旋风器184，其为粉尘控制和分离子系统180的一部分，在此将材料从气流中分离出来。空气和粉尘从旋风器184顶部排出并输送至粉尘收集器190。经干燥、粉碎的材料从旋风器184底部排出，在此进入制粒子系统150的调节螺杆154。
通过提供任选采用的少量添加剂，如粘合剂和热稳定剂以及脱气，即从材料中除去空气，调节螺杆154对制粒材料进行预调节。材料由调节螺杆154进入制粒机152，其将蓬松的低堆积密度材料转化为密实的颗粒，从而提供了较高的堆积密度。形成的颗粒是热的，其进入包含颗粒冷却器162和风扇164的颗粒冷却系统160。在包装前，颗粒冷却器162对颗粒进行冷却，同时风扇164在冷却颗粒和将细颗粒向细颗粒回收装置186输送中起辅助作用。所述回收装置186从气流中收集细颗粒以再次引入调节螺杆154中供制粒用。
沿物料流，在粉碎子系统140和主产物旋风器184之间安放了火花保护系统182。在水平一上，该火花保护系统182将改变物料流动方向并从系统中除去并熄灭火花。在水平二上，该火花保护系统182从系统的管路和袋滤捕尘室，即粉尘收集器190中将任何明火和潜在的爆炸熄灭掉。
通过本发明的方法制备的纤维颗粒在制造复合材料之外还有利地具有多种用途。例如，所述纤维颗粒可以用作动物草垫、景观美化材料、发电用燃料等。当用作动物草垫或用于景观美化时，较高的堆积密度有助于防止纤维素纤维被风和阵风吹跑，而在景观美化的情况中使纤维吸收养分并为植物和树提供养分，在动物草垫的情况下吸收并提供除臭剂。通过本发明获得的较低的含水量还使养分和除臭剂的较高吸收作用成为可能，而这在以前单独通过常规制粒机工艺制备的纤维颗粒中是不能获得的。
近似地，通过本发明的方法获得的较低的水分和较高的堆积密度使每磅或每吨原料产生的关于B.T.U的热能增加了不止两倍，这使本发明这种纤维颗粒制备的加工成本大大合理化了。
实验
实验No.1：从生产薄棉纸的造纸厂的纤维素纤维废水中收集4000磅包含纤维素和混合塑料的原料，其组成为：约90重量％的纤维素和10重量％的无机物和0重量％的塑料，含水量为约70重量％。采用旋风式干燥器将湿态原料干燥至含水量为约7％并粉碎成30目粉末。然后采用制粒机将该粉末转化为纤维颗粒。
实验No.2：从生产瓦楞介质的造纸厂的二级滤网废水中收集35,000磅原料，其包含约90重量％的纤维素和10重量％的塑料且含水量为约60％。采用大型旋风式干燥器干燥该材料，并采用常规粉碎机将其粉碎成尺寸优选为0.25″-0.75″的碎片。然后在常规摆动锤粉碎机上将经干燥的材料进一步粉碎，优选至约10-60目的有效粒度。然后采用常规制粒机将经干燥、粉碎的材料制成长度为0.75″-2″、直径为约0.35″的圆柱形纤维颗粒。形成的颗粒具有约35磅/立方英尺的堆积密度。该颗粒含水量为约4重量％，纤维素纤维含量为约77重量％，混合塑料含量为约19重量％，灰分含量低于约0.1重量％。
实验No.3：从生产瓦楞介质的造纸厂的一级和二级滤网废水中收集40,000磅原料，其包含80重量％的纤维素和20重量％的塑料且含水量为65％。按实验No.2中的描述加工材料。制得的纤维颗粒的含水量为约5.6％，混合塑料含量为约18％，纤维素含量为约76.2％，灰分含量为零。该纤维颗粒直径为约0.38″-1.85″。纤维的长宽比为40∶1-100∶1。
实验No.4：从生产SBS纸板的漂白纸板造纸厂，采用旋风式干燥器将8转鼓的初级纸浆从含水量为约50％干燥至含水量为5％。然后，在锤式粉碎机上将干燥的纸浆粉碎成40目以下的粉末，然后采用制粒机制粒。形成的颗粒含有约70重量％的纤维素纤维，约23重量％的初级粘土，约3％的水分和约4％的混合塑料。纤维颗粒尺寸为30微米-1000微米，纤维长宽比为10∶1-30∶1。该纤维颗粒具有约40磅/立方英尺的高堆积密度。
实验No.5：按实验No.2的描述加工30,000磅来自生产非漂白纸的造纸厂的二次滤网废水。将含水量为55％的废料制成组成如下的纤维颗粒：约85％纤维素纤维，约3％-约4％的水分和约8％的混合塑料。该纤维颗粒直径为约0.34″，长度为0.5″-1.75″。
实验No.6：按实验No.2的描述加工18,000磅来自生产非漂白纸的造纸厂的二次滤网废水。将含水量为56％的废料制成组成如下的纤维颗粒：约82％纤维素纤维，约8％-约2％的水分和约8％的混合塑料。该纤维颗粒直径为约0.33″，长度为0.15″-0.55″。
出于说明的目的列举了本发明的各种优选实施方案，应当理解，无需背离所附权利要求，包括其等效语所阐述的本发明的范围，本领域技术人员即可做出改变。

Claims (20)

1.一种用非挤压式方法形成的纤维颗粒，其包含经加工的纤维素纤维并具有约0.1-14.0重量％的含水量。
2.权利要求1的纤维颗粒，其中所述含水量为约1.0-5.0重量％。
3.权利要求1的纤维颗粒，其还包含塑料。
4.权利要求1的纤维颗粒，其还包含无机材料。
5.权利要求1的纤维颗粒，其还包含灰分。
6.权利要求4的纤维颗粒，其中所述无机材料是粘土。
7.权利要求1的纤维颗粒，其中形成的纤维颗粒包含约60-99重量％的纤维素纤维，约0-30重量％的塑料，和约0-40重量％的无机物，其中该颗粒包括至少约1-5重量％的塑料或无机物和不超过约40重量％的组合塑料和无机物。
8.权利要求1的纤维颗粒，其中该纤维颗粒通常为直径和长度尺寸为约1/16-2英寸的圆柱体形。
9.权利要求1的纤维颗粒，其中该纤维颗粒通常为直径尺寸为约1/16-2英寸的球形。
10.权利要求1的纤维颗粒，其中该纤维颗粒由含水量为约45-80重量％的原料形成。
11.权利要求1的纤维颗粒，其中其原料包含与塑料和/或无机物混合的纤维素纤维。
12.权利要求1的纤维颗粒，其中该纤维颗粒具有约10-50磅/立方英尺的堆积密度。
13.一种形成纤维素纤维颗粒的方法，其包括以下步骤：
将经加工的纤维素基原料从约40-80重量％的含水量干燥至约0.1-14.0重量％的含水量，
粉碎经干燥的原料以减小原料的尺寸，和
以非挤压方式将原料制成各种颗粒。
14.权利要求13的方法，其中该原料中固有一种粘结材料。
15.权利要求14的方法，其中该粘结材料包含塑料。
16.权利要求14的方法，其中该粘结材料包含无机材料。
17.权利要求16的方法，其中该无机材料是粘土。
18.权利要求13的方法，其还包括从造纸厂工艺废水中取得原料的步骤。
19.权利要求13的方法，其还包括将原料压实至约10-50磅/立方英尺堆积密度的步骤。
20.权利要求13的方法，其还包括在粉碎和制粒步骤之间的第二次干燥原料的步骤。
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