FI98148C - Menetelmä ja laite puun mekaaniseksi kuiduttamiseksi - Google Patents

Description

98148

Menetelmä ja laite puun mekaaniseksi kuiduttamiseksi

Keksinnön kohteen on menetelmä puun mekaaniseksi • kuiduttamiseksi, jossa puuta muokataan ja puusta irrote- 5 taan kuituja kuidutuspinnan pinnanmuotojen avulla.

Edelleen keksinnön kohteena on laite puun mekaaniseksi kuiduttamiseksi, jossa on käsiteltävään puuhun yhteydessä oleva kuidutuspinta puun muokkaamiseksi ja kuitujen irroittamiseksi puusta, jolloin kuidutuspinnalla on 10 pinnan liikesuunnassa aaltomuoto.

Puun mekaaniseksi kuiduttamiseksi tunnetaan useita menetelmiä, joista hionta- ja jauhatusmenetelmää käytetään teollisessa tuotannossa. Molemmat käytetyt menetelmät perustuvat puuraaka-aineen muokkaamiseen painepulssien avul-15 la ja kuitujen mekaaniseen irroittamiseen toisistaan, mutta hiontamenetelmä on lähempänä tätä keksintöä. Muokkaamisen ideana on valmistella puuraaka-ainetta, jotta sitä seuraava kuitujen mekaaninen irroittaminen toisistaan tuottaa paperinvalmistukseen soveltuvaa kuitumassaa eikä 20 ainoastaan puukuituja eroteltuna toisistaan. Puuraaka-ai neen muokkaaminen koostuu kahdesta välttämättömästä osasta; vaihteleva paine puun matriisirakenteen rikkomiseksi ja muodonmuutos puun pehmenemiseksi lämpöenergian kehityksen kautta. Hionnassa edellä mainittua tapahtumasarjaa 25 toteutetaan painamalla puupöllejä poikittaissuunnassa pyö rivää lieriömäistä hiomakiveä vasten pitäen puupöllien pitkittäissuuntaa samana kuin hiomakiven akselin suunta, kuten on esitetty kuulutusjulkaisussa SE-309529. Hiomakiven pinta koostuu hyvin kulutuksen kestävistä partikke-30 leista, jotka on sidottu toisiinsa pehmeämmän sideaineen avulla muodostaen satunnaista partikkelirakennetta, kuten on esitetty kuulutusjulkaisussa FI-68268 ja patentissa US-2769286. Pinnan kehän suunnassa partikkeleiden satunnaisesta sijainnista aiheutuva korkeusero tuottaa painepuls-35 seja puuraaka-aineelle ja irroittaa kuituja puuraaka-ai- 2 98148 neen pinnasta pintakitkan avulla. Molempien käytettyjen mekaanisten kuidutusmenetelmien suurin rasite on niiden korkea energiankulutus johtuen suureesta lämmönkehitykses-tä. Kulutus on 10 - 100 kertaa suurempi kuin monessa yh-5 teydessä esitetty teoreettinen energiankulutus kuidutus-tapahtumalle.

Tämän keksinnön tarkoituksena on valmistaa raakapuusta paperinvalmistukseen soveltuvaa kuitumassaa käyttäen suhteellisesti vähän energiaa tarkasti hallittavan 10 prosessin avulla.

Keksintö perustuu siihen, että hiontamenetelmässä käytetään satunnaisesti jakautuneen hiontapinnan tilalla kehän suunnassa säännöllistä kuidutuspintaa. Tämä pinta aiheuttaa säännöllisiä painepulsseja, joiden jaksonpituus 15 riippuu käytetystä kehänopeudesta. Säännölliselle kuidu- tuspinnalle lisätään pienemmässä mittakaavassa olevaa pin-takarheutta, joka aiheuttaa kuitujen mekaanisen irroitta-misen toisistaan. Valitaan sellainen yhdistelmä kehänopeudesta ja kuidutuspinnan säännöllisestä muodosta ja kar-20 heudesta, että yhdistelmän aiheuttama jaksonpituuden puo likas vastaa puuraaka-aineen keskimääräistä relaksaatio-aikaa niissä olosuhteissa, joissa kuidutus tapahtuu ja että pintakarheuden aikaansaama tuotanto vastaa haluttua tuotantoa. Puun relaksaatioajalla tarkoitetaan tässä jul-25 kaisussa sitä aikaa, joka kuluu, kun puuraaka-aine relak-soi vapaasti pinnan perusmuodon amplitudin sallimissa rajoissa maksimijännityksestä minimijännitykseen siinä esijännitetyssä tilassa ja niissä olosuhteissa, joissa kuidutus tapahtuu. Relaksaatioaika voidaan mitata kokeellisesti 30 kuidutusolosuhteissa. Säännöllinen kuidutuspinta nimen omaan edellä esitetyn vaikutuksen aikaansaamiseksi on uutta esimerkiksi kuulutusjulkaisun SE-309529 esittämään tekniikan tasoon verrattuna. Haluttua kuidutuspintaa voidaan valmistaa eri tavoin, esimerkiksi ensin työstämällä ja 35 sitten pinnoittamalla.

3 98148

Edellä esitetyn vaikutuksen aikaansaamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että säännöllisellä kuidutuspinnan pinnanmuodolla ja oikeansuu-ruisella pinnan nopeudella käsiteltävään puuhun nähden 5 aiheutetaan kuidutuksessa sellainen säännöllinen jaksonpi-tuus, jonka puolikas vastaa puuraaka-aineen relaksaatio-aikaa niissä olosuhteissa, joissa kuidutus tapahtuu.

Edelleen keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, että aaltomuodossa aaltojen huiput ovat tie-10 tyin tasavälein ja niiden muoto yhtyy siniaallon tyyppiseen aaltomuotoon ainakin kuidutuspinnan kulkusuunnan puoleisilta, puuraaka-aineeseen energiaa tuovilta osilta, jolloin huippujen välinen etäisyys on mitoitettu kuidutuspinnan liikenopeuden mukaisesti niin, että niiden kuidu-15 tettavaan puuhun aikaansaaman värähtelyn jaksonpituuden puolikas vastaa puuraaka-aineen relaksaatioaikaa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Tämän keksinnön mukainen menetelmä ja laite käyttää energiaa tehokkaammin kuin teollisuudessa nyt käytetyt mene-20 telmät. Perinteisen hiontamenetelmän aiheuttaman paine-vaihtelun amplitudi puuraaka-aineen pintakerroksissa on suuruudeltaan vaatimaton mutta lämpöenergian tuotto hyvin ohuessa pintakerroksessa on suuri. Tämä johtuu siitä, että satunnaisesti muodostunut hiontapinta aiheuttaa työjakso-25 ja, joiden pituudet muodostavat hyvin tasaisen jakauman. Toisaalta viskoelastisen ja epähomogeenisen puuraaka-aineen relaksaatioaika vallitsevissa olosuhteissa on suhteellisen kapealle alueelle jakautunut. Nämä lähtökohdat aiheuttavat sen, että seuraava työjakso alkaa suurella to-» 30 dennäköisyydellä väärässä vaiheessa aiheuttaen voimakkaan muodonmuutoksen ja lämpöenergian kehityksen hyvin ohuessa pintakerroksessa.

Suhteellisen pieni osa mekaanisesta energiasta muuttuu potentiaalienergiaksi ja suuri osa muuttuu suoraan 35 lämpöenergiaksi. Potentiaalienergia edustaa raaka-aineen 4 98148 sisäistä jännitystä, joka rikkoo matriisirakenteen ja lau-etessaan muuttuu lämpöenergiaksi. Tämän keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen aiheuttaman työjakson puolipituus vastaa puuraaka-aineen keskimääräistä relaksaatioaikaa.

5 Tällöin on todennäköistä, että seuraava työmäärä paine-vaihtelujen ylläpitämiseksi suoritetaan silloin, kun vaadittu liikemäärän muutos on vähäinen ja suuri osa energiasta voi muuttua ensiksi potentiaalienergiaksi puumat-riisin jännityksenä. Keksitty menetelmä siis hyödyntää 10 mahdollisimman suuren osan energiasta raaka-ainerakenteen rikkomisessa ennen sen muuttumista lämpöenergiaksi, mikä mahdollistaa energian tehokkaan käytön puun mekaanisessa kuiduttamisessa. Lisäksi keksitty menetelmä, missä toinen ominaisuus hiontapinnassa aiheuttaa lähinnä puuraaka-ai-15 neen muokkautumisen ja toinen lähinnä kuitujen irroittami-sen, antaa mahdollisuuden hallita nämä osaprosessit erikseen ja suorittaa kumpaakin työtä riittävästi, mutta ei yhtään sen enempää kuin on tarpeellista.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin oheisten 20 piirustusten avulla, joissa kuvio 1 esittää yhtä kuidutuspinnan leikkausta ke-hänopeussuunnassa ja puuraaka-aineen pinnan muokkautumista kuidutuksessa, ja kuvio 2 esittää yhtä koko kuidutuspinnan rakenne- 25 osaa.

Säännöllinen kuidutuspinta 1 on esitetty leikkauksena kuidutuslieriön akselin poikkisuunnassa. Kuidutuspin-taa 1 vasten painetaan puuraaka-ainetta 2, jonka kui-tusuunta on sama kuin kuidutuslieriön akselin suunta. Kui-30 dutuspinta liikkuu kehänopeudella 3 puuraaka-aineen 2 suhteen. Kuidutuspinnan jokainen aaltokuvio koostuu nousevasta osuudesta 4 ja laskevasta osuudesta 5. Kuidutuspinta 1 on perusmuodoltaan sileä, mutta siihen on lisätty puukui-tujen leveyden suuruusluokassa oleva karhennus, joka ei 35 ole esitetty kuviossa l. Aaltomuodon aallot ovat muodol- 5 98148 taan sellaisia, että nousevalla osuudella (aallon pohjasta aallon huippuun) sen tangentin kulmakertoin ensin kasvaa maksimiarvoon ja sen jälkeen pienenee. Tämäntyyppisen aal-* tomuodon malliesimerkki on siniaalto. Tällainen energia- 5 mielessä edullinen aaltomuoto poikkeaa em. kuulutusjul-kaisun SE-309529 esittämästä säännöllisestä kuidutuspinnan rakenteesta, jossa on pyritty ainoastaan korvaamaan kulutuksen kestävät satunnaisen muotoiset partikkelit, ja jossa puolisylinterimäisten tai puolipallomaisten osasten 10 välillä on tasaiset osuudet.

, Kuidutuspinnan rakenneosa 6 voidaan valmistaa esi merkiksi laserleikkaamalla kuidutuspinnan perusmuoto teräslevylle. Kokonaisen lieriön kuidutuspinta saadaan kokoamalla useita rakenneosia 6 vierekkäin pakettiin ja esi-15 merkiksi sintraamalla kovametallikarhennusta pinnalle.

Vaihtoehtoisesti voidaan kuidutuspinta muodostaa samalla tavoin kaaren muotoiselta ulkoreunaltaan työstetyistä segmenteistä, jotka kiinnitetään peräkkäin ja vierekkäin hio-makiven ytimen muodostavan lieriön ympärille.

20 Aaltojen korkeus (amplitudi) ja väli muodostetaan sellaiseksi, että käytetyistä pinnan nopeuksista voidaan aina valita sellainen, että kuidutettavalle puulle saadaan oikea jakson pituus. Amplitudi voi olla luokkaa 0,5 mm ja aaltojen väli luokkaa 3 mm, mutta nämä ovat vain esimerk-25 kiarvoja.

Keksintö toimii seuraavasti. Kun kuidutuspinta 1 liikkuu kehänopeudella 3 puuraaka-aineen 2 suhteen, kokee puuraaka-aine 2 säännöllistä käsittelyä, jonka jaksonpi-tuus määräytyy kuidutuspinnan 1 muodosta ja kehänopeudesta . 30 3. Kuidutuspinnan nousevat osuudet 4 pakottavat puuraaka- ainetta tiivistymään ja laskevat osuudet 5 antavat puuraaka-aineelle 2 mahdollisuuden väljentää. Valitsemalla sellainen yhdistelmä kehänopeudesta 3 ja kuidutuspinnan 1 säännöllisestä muodosta, että yhdistelmän aiheuttama jak-35 sonpituuden puolikas vastaa puuraaka-aineen keskimääräistä 6 98148 relaksaatioaikaa on todennäköistä, että seuraava nouseva osuus 4 törmää puuraaka-aineen 2 pintaan, kun vaadittu liikemäärän muutos värähtelyn ylläpitämiseksi on vähäinen, kuten kuviossa 1 on esitetty. Tällöin mahdollisimman suuri 5 osa käytetystä energiasta muuttuu ensiksi potentiaalienergiaksi puumatriisin jännityksenä, mikä mahdollistaa energian tehokkaan käytön puun matriisirakenteen rikkomisessa. Kun jännitykset syntyvät ja laukeavat, osa energiasta muuttuu lämmöksi puuraaka-aineen sisäisen kitkan takia. 10 Kuidutuspinnan 1 perusmuotoon lisätty karhennus irroittaa jo valmiiksi muokkautuneita kuituja puumatriisin pinnasta ja uutta puumateriaalia tulee tällä tavalla muokkautumis-alueelle ja puumatriisin pintaan koko ajan. Koska muokkau-tumisprosessi ja irroittamisprosessi toimivat melko itse-15 näisesti, on mahdollista hallita kuidutuksen luonnetta muuttamalla kuidutuspinnan 1 perusmuotoa ja pinnankarheut-ta.

Edellä on esitetty yksi kuidutuspinnan aaltokuvion muoto ja valmistustapa. Aaltokuvion muoto ja valmistustapa 20 voi tietenkin vaihdella, kuitenkin niin, että muodostettu jaksonpituuden puolikas vastaa puuraaka-aineen keskimääräistä relaksaatioaikaa. Varsinkin aaltokuvion laskeva osuus on muutettava irroitettujen kuitujen riittävän suojat ilavuuden saavuttamiseksi, ja kuvassa 1 on katkoviivoin 25 esitetty tapausta, jossa aallot ovat epäsymmetrisiä laskevalle osuudelle tehdyn kolon johdosta. Haluttaessa voidaan sijoittaa muokkautumistyötä tekevä kuidutuspinnan perusmuoto ja sileälle pinnalle tehty karhennus myös erillisinä vyöhykkeinä peräkkäin kehänopeussuunnassa. Kokonaisen lie-30 riön kuidutuspinnan aaltokuvio voidaan myös sijoittaa eri kulmissa kehänopeussuuntaan nähden. Laserleikkaukselle vaihtoehtoinen valmistustapa voi esimerkiksi olla riittävän tarkka mekaaninen työstö, jota voidaan käyttää vaikkapa ohuisiin levyihin verrattuna laajempipintaisten hioma-35 segmenttien valmistukseen.

Claims (6)

98148

1. Menetelmä puun mekaaniseksi kuiduttamiseksi, . jossa puuta muokataan ja puusta irrotetaan kuituja kuidu- 5 tuspinnan pinnanmuotojen avulla, tunnettu siitä, että säännöllisellä kuidutuspinnan pinnanmuodolla ja oi-keansuuruisella pinnan nopeudella käsiteltävään puuhun nähden aiheutetaan kuidutuksessa sellainen säännöllinen jaksonpituus, jonka puolikas vastaa puuraaka-aineen relak-10 saatioaikaa niissä olosuhteissa, joissa kuidutus tapahtuu.

2. Laite puun mekaaniseksi kuiduttamiseksi, jossa on käsiteltävään puuhun yhteydessä oleva kuidutuspinta puun muokkaamiseksi ja kuitujen irroittamiseksi puusta, jolloin, kuidutuspinnalla (1) on pinnan liikesuunnassa (3) 15 aaltomuoto, tunnettu siitä, että aaltomuodossa aaltojen huiput ovat tietyin tasavälein ja niiden muoto yhtyy siniaallon tyyppiseen aaltomuotoon ainakin kuidutuspinnan kulkusuunnan puoleisilta, puuraaka-aineeseen energiaa tuovilta osilta (4), jolloin huippujen välinen etäi-20 syys on mitoitettu kuidutuspinnan liikenopeuden mukaisesti niin, että niiden kuidutettavaan puuhun aikaansaaman värähtelyn jaksonpituuden puolikas vastaa puuraaka-aineen relaksaatioaikaa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, t u n -25 n e t t u siitä, että kuidutuspinnassa on muokkamistyötä suorittava aaltomuoto ja irrotustyötä tekevä sileä karhen-nettu pinta peräkkäisinä vyöhykkeinä kehänopeussuunnassa.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että kuidutuspinta muodostuu vie- 30 rekkäin kiinnittyjen levyjen ulkoreunoista, joihin on leikattu säännöllinen aaltomuoto.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite on muodostettu asettamalla kiekon tai renkaan (6) muotoisia levyjä vierekkäin. 98148

6. Jonkin patenttivaatimuksen 2-5 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite on muodostettu kiinnittämällä segmenttejä vierekkäin ja peräkkäin ytimen muodostavan rungon ympärille. 98148