WO2008116340A1 - Herstellung von vlieselementen aus naturfasern - Google Patents

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WO2008116340A1
WO2008116340A1 PCT/CH2008/000131 CH2008000131W WO2008116340A1 WO 2008116340 A1 WO2008116340 A1 WO 2008116340A1 CH 2008000131 W CH2008000131 W CH 2008000131W WO 2008116340 A1 WO2008116340 A1 WO 2008116340A1
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WO
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fibers
intermediate product
raw material
dry matter
matter content
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PCT/CH2008/000131
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English (en)
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Inventor
Stefan Grass
Original Assignee
Stefan Grass
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Publication date
Application filed by Stefan Grass filed Critical Stefan Grass
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27N—MANUFACTURE BY DRY PROCESSES OF ARTICLES, WITH OR WITHOUT ORGANIC BINDING AGENTS, MADE FROM PARTICLES OR FIBRES CONSISTING OF WOOD OR OTHER LIGNOCELLULOSIC OR LIKE ORGANIC MATERIAL
    • B27N3/00—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres
    • B27N3/04—Manufacture of substantially flat articles, e.g. boards, from particles or fibres from fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21B—FIBROUS RAW MATERIALS OR THEIR MECHANICAL TREATMENT
    • D21B1/00—Fibrous raw materials or their mechanical treatment

Definitions

  • the invention relates to the field of production of nonwovens, in particular for thermal insulation and / or sound insulation. It relates to a method and an installation for the production of insulating elements made of natural fibers and to an insulating element according to the preamble of the corresponding independent claims.
  • US 2007/0044891 describes the production of a nonwoven fabric for the production of paper tissues, wipes, etc. from a mixture of pulp with binder fibers. And possibly further additives, a nonwoven fabric is formed in a dry process.
  • the fleece can be further dried, steamed, treated with other materials and crosslinked by heating and fusing the binder fibers.
  • the pulp Prior to web laying, the pulp may be processed in a wet process to debond the fibers, after which the pulp is again dried before, for example, the binder fibers are added.
  • FR-A-2294648 teaches the mechanical dehydration of alfalfa and grass for subsequent drying of the press cake to feed cubes.
  • WO 2005/017251 shows the defibration of grass for the production of fiber material. None of these publications relates to non-woven fabrics made from grass fibers and three-dimensionally bonded using supporting fibers.
  • a first intermediate product consists of preprocessed, moist natural fibers with a
  • Dry matter content 30% to 50%, preferably approximately 40%.
  • the first intermediate product therefore consists of pre-processed grass fibers, also referred to below as natural fibers or as plant fibers.
  • the second intermediate product is a mixture of these natural fibers with binder fibers and additives, which mixture can be used for a subsequent nonwoven production.
  • grass covers all sorts of grasses (Gramineae family), including cereals such as wheat, barley, oats, rye and millet, as well as sugar cane and corn. These raw materials are harvested in the green state and stored in the form of silage for year-round, weather-independent processing. Also covered by the term “grass” are residues from the processing of sugar millet and sugar cane, which are known in professional circles as bagasse.
  • binder fibers includes fibers that are thermally activated and in mixture with the natural fibers give them a three-dimensionally fixed structure. These may be melt fibers of polypropylene or polyethylene, plastic recyclate or also bico (bi-component) fibers with a melting sheath component and a temperature-resistant core component. Binder fibers also include fibers made, for example, from starch or lactic acid which are biodegradable. These fibers are also referred to in the art as support fibers. In a preferred embodiment of the invention, the weight fraction of the binder fibers is 4% to 20%, preferably 5% to 15% or 10%. The inventive method, the proportion of binder fibers and thus the costs can be reduced.
  • nonwoven elements refers to three-dimensional, flexible or rigid mats of a nonwoven fabric, that is to say of a structure of cross-linked fibers.
  • the nonwoven elements can be flexible or rigid, have different thicknesses and densities and can be used for numerous applications. These include applications
  • the insulating elements preferably have the following dimensions and basis weights:
  • the admixing of the binding fibers preferably takes place before the introduction of the additives (such as flame retardants and biocides), so that the binding fibers are also provided by the additives.
  • the additives such as flame retardants and biocides
  • the blending of the binder fibers can be done at different degrees of moisture of the natural fibers of the first intermediate product.
  • the admixing occurs at a dry matter content of natural fibers of about about 85%. This requires that the pre-drying of natural fibers already happens before mixing.
  • the admixing occurs at a dry matter content of natural fibers of about 40% to about 85%. Depending on how large the dry matter content of the first intermediate product, there is no pre-drying before mixing, but only after or during mixing.
  • An apparatus for carrying out a core function of this invention i. Pre-drying, blending of binder fibers and spraying of additives, preferably consists of a standing container which is fed from above with moist natural fibers and binder fibers and in which rising from below hot air is blown.
  • the two types of fiber are confused and mixed in the container and withdrawn from the container with the flow of hot air through a dispensing nozzle and tubing.
  • the natural fibers are pre-dried.
  • a spray device is installed, which allows a uniform application of the additives and at the same time does not hinder the material passage.
  • the container may have a propeller which rotates about a vertical axis.
  • admixing takes place in an aqueous suspension, ie at a dry matter content of the natural fibers of less than about 10%.
  • aqueous suspension ie at a dry matter content of the natural fibers of less than about 10%.
  • the temperature of the drying air is kept below the temperature required to activate the binding fibers.
  • the Temperature of the hot air in the range between about 80 ° C and about 200 ° C.
  • this pre-drying is done in a transport section in which the fibers are conveyed by hot air.
  • the second intermediate is thus a mixture of natural fibers and binder fibers, with a binder fiber content of 4% to 20%, preferably 5% to 15% or 10%, equipped with additives, and having a dry matter content of preferably about 40% to 75%.
  • the amount of dry matter depends very much on how much liquid is added by the spraying of the additives, and whether pre-drying takes place even after spraying.
  • the preparation of the first intermediate product ie the preprocessed plant fibers, is preferably done by the raw material is fiberized and digestible components of the raw material are separated.
  • Digestible components are in particular e.g. Lactic acid, acetic acid, amino acids, proteins and minerals.
  • the raw material is in a preferred variant of the invention grass silage (silated grass), preferably with a dry matter content of 20% to 40%, in particular 25% to 35%.
  • the raw material is gold oat (Trisetum flavescens).
  • the defibering in turn is preferably done in an aqueous suspension with a macerator and / or a Entstipper, which may optionally be preceded by a means for tearing the raw material, such as a hammer mill or a silo-removal tiller.
  • a macerator in conjunction with a Entstipper the macerator is preferably upstream of the Entstipper.
  • the separation of the digestible components is preferably done by separating the fibers from the aqueous suspension after defibering, leaving the digestible components in the suspension.
  • the digestible ingredients are preferably processed into feed or food additives in a separate branch of processing. This is done by concentrating these ingredients in the suspension into nutrients, with the water portion preferably being recycled.
  • the digestible components preferably include organic acids, proteins and minerals, and preferably also enzymes, vitamins and / or hormone-like substances, in particular vitamin D3 hormone.
  • the presence of these substances depends on the choice of the raw material, ie on the plants used and on optional silage additives.
  • a nonwoven fabric is preferably formed and the binding fibers are activated by heating, so that they bond with the natural fibers and form a matrix.
  • the web formation can be done by the second intermediate product has a dry matter content of about 60% to 85% or higher and is thus used directly for the formation of the web, wherein optionally a residual drying takes place during heating of the web to activate the binder fibers.
  • the web formation can be done by the second intermediate product has a dry matter content of 40% to about 60%, placed on a conveyor belt, after-dried by hot air, for example, and optionally loosened again, and then heated to activate the binding fibers.
  • the fleece laying, eventual drying and activation is preferably carried out in a continuous process for producing a nonwoven tape.
  • the nonwoven elements can be cut off.
  • the nonwoven laying, etc., but also done in batch mode, with individual nonwoven elements are formed in predetermined shapes.
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • the grass fibers are dewatered, mixed with binder fibers, provided with additives and prepared for lay-up.
  • the invention thus enables
  • Figure 1 shows schematically a process flow
  • Figure 2 shows a structure of a plant for nonwoven fabric production from grass plants.
  • the raw material grass is mown in the field.
  • it is preferably processed with a conditioner which strikes the stem structures in such a way that they soften and lose moisture more quickly.
  • the mown grass is wilted on the field, that is, dried to a dry matter content of 25-40%. It is then picked up and pressed in a silo with the exclusion of air or ensiled.
  • the raw material can be stored without loss for a very long time and is available for processing at any time and weather-independent.
  • Silage is preferably carried out in large, horizontal silos, but can also be done in silo bales or silos standing. Furthermore, also Silierangesstoff can be added.
  • the raw material is tapped from the silo, loosened 1 and fed to a metering device 2.
  • the crushed plant material With the crushed plant material with the addition of water, the production of a 4 stirrable and pumpable raw material suspension is possible.
  • the raw material suspension is fed to a mechanical defibration 5. This is accomplished by fiberizing aggregates, which have been used successfully in the pulp industry for decades, eg deflaker, macerators or refiners.
  • these aggregates can also be connected in series. It has been shown that the sequence of macerator and deflaker is particularly well suited for the present task. In this sequence, the macerator, which can suck in the raw material suspension itself, takes over the further homogenization of the raw material suspension as well as the feed of the directly downstream degasser. This results in fibers with predominantly about 3-30 mm in length and about 0.05-0.5 mm thickness. In the course of defibration, a mass transfer of the soluble and digestible raw material components into the liquid phase takes place.
  • the fiberization can be carried out temperature-independently. It has however been found that a temperature of about 40 0 C in the suspension brings advantages in terms of processability, fiber quality achieved and the fiber cleaning.
  • the fibers are mechanically dewatered. 7. This is preferably done by removing the fibers from the suspension and then pressing the fibers in a screw press. The removal from the suspension is preferably carried out with a screening device, e.g. with a bow sieve or a drum sieve. With a screw press, for example, the fiber mixture can be dewatered to a dry matter content of approx. 36-46%.
  • the soluble and digestible raw material components of the suspension consist mainly of organic acids (lactic acid, acetic acid, amino acids), non-fermented sugars, proteins and minerals.
  • suitable silage aids eg bacterial cultures, the conversion of the raw material into the raw material can controlled fermentable sugars are controlled. For example, such a ratio of lactic acid to acetic acid can be achieved.
  • the soluble and digestible raw material components can be concentrated after separation from the fibers and used as a special feed.
  • All listed ingredients and properties can be used not only in animal nutrition, but also as an additive for human nutrition.
  • the required concentration of the ingredients can be done by filtration and / or evaporation. It should be noted that the minerals may partially precipitate out of the solution during the concentration.
  • the textile industry offers both continuous and batch processes which are well suited.
  • the binder fibers are added at a weight fraction of 4-25%, preferably 5-15% of the product weight.
  • the equipment 10 of the fibers with additives is made by spraying the loose fibers.
  • the spraying is preferably carried out in an air stream in which the fibers move freely.
  • the spraying can be carried out with the customary in the Dämrnstofldustrie flame retardants, eg with borates or ammonium compounds and with a water repellent and / or a fungicide.
  • These additives can be mixed in a solution or sprayed individually onto the fibers.
  • the fibers are adjusted to a dry matter content which is advantageous for the subsequent nonwoven laying and thermal bonding.
  • This dry matter content is preferably 60-85% of the total weight of the fibers.
  • the fibers are still elastic and can withstand mechanical processing well.
  • the fibers are less prone to sticking in cards or similar, possibly used for web forming equipment.
  • the fibers have limited self-weight at this moisture content and can therefore be laid to a non-woven with the largest possible volume or the lowest possible density.
  • the drying or pre-drying 8 can be achieved with various drying techniques, e.g. Air-layer dryer, drum dryer or belt dryer.
  • pre-drying 8 it is also possible to completely remove the fibers prior to web formation, i. to dry to a dry matter content of over 85%.
  • thermobonding 12 of the web When thermobonding 12 of the web (or activating the binder fibers), the heating of the web to the melting temperature of the sheath component of the support fibers and the adjustment of the desired plate thickness or density.
  • the plate density or thickness is adjusted with an overflowing band, which compresses the nonwoven fabric to a thickness of about 3 mm to 250 mm, thereby giving it a uniform surface.
  • the heating of the web is carried out with a supply air temperature of 120-180 0 C, preferably 140-170 0 C.
  • Thermobondierofen is also suitable for removing the residual moisture in the nonwoven fabric.
  • the nonwoven fabric After heating, the nonwoven fabric is cooled, cut to the desired mass of fiber mats 13, palletized and packaged.
  • FIG. 2 shows an overview of the structure of a nonwoven production line: a pre-processing unit 21 has the devices for tearing, defibering and dewatering, ie for providing the plant fibers 101.
  • a core unit 22 comprises the devices 9 for mixing 9, spraying 9 of additives and drying 8 and thus forming the fiber mixture 102.
  • a web-forming device 23 comprises the devices for fleece laying, Thermobondtechnik and for cutting to form nonwoven elements 103.
  • An optional concentrator 24 has the means to concentrate the digestive components 104 separated from the suspension into nutrients 105.
  • Nonwovens having a density of 25-90 kg / m 3 were produced from grass using the method according to the invention.
  • the low density panels are slightly flexible, somewhat compressible and comfortable to handle.
  • a thermal conductivity of 0.034-0.040 W / (m, K) was measured.
  • the binder fibers can be selected so that the product has increased mechanical compressive strength and is thus also suitable for impact sound insulation as well as directly plastered exterior facades.
  • Odorlessness and water repellency can be achieved by targeted influencing of the fibers, for example by being treated with an oxidizing agent or with a hydrophobing agent.
  • the process allows the use of a hitherto barely used raw material for the production of a high quality product. Associated with this are significant ecological advantages in the provision of raw materials (renewable raw material), processing (low energy consumption), product use (optimum combination of cold protection, thermal insulation and sound insulation) and product disposal (recyclability).

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Abstract

Verfahren zu Herstellung von Vlieselementen aus einem Rohstoff aus Graspflanzen, wobei ein erstes Zwischenprodukt aus vorverarbeiteten, feuchten Naturfasern mit einem Trockensubstanzanteil von 30% bis 50%, vorzugsweise annähernd 40% besteht, und zur Herstellung eines zweiten Zwischenproduktes aus dem ersten Zwischenprodukt die folgenden Schritte ausgeführt werden: Vortrocknen der Naturfasern; Zumischen von thermoaktivierbaren Bindefasern; Aufsprühen von Additiven; wobei die Reihenfolge dieser Schritte eine andere sein kann, und/oder einzelne Schritte miteinander ausführt werden können. Vorzugsweise ist der Rohstoff siliertes Gras, und wird zur Herstellung des ersten Zwischenproduktes der Rohstoff zerfasert und werden verdauliche Bestandteile des Rohstoffes abgetrennt.

Description

HERSTELLUNG VON VLIESELEMENTEN AUS NATURFASERN
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung von Vliesstoffen, insbesondere zur Wärmedämmung und/oder Schalldämmung. Sie bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zu Herstellung von Dämmelementen aus Naturfasern sowie auf ein Dämmelement gemäss dem Oberbegriff der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.
STAND DER TECHNIK
Die Herstellung von Faservliesen aus Kunstfasern unter Beimischung von Stützfasern wird seit Jahrzehnten industriell umgesetzt. Ebenfalls bekannt ist die Herstellung von Dämmplatten aus Holz-, Flachs- oder Hanffasern unter Einsatz von Stützfesern. Eine solche Art der Herstellung von Dämmelementen aus Naturfasern ist beispielsweise aus DE 200 23 167 Ul bekannt: Holzfasern oder Flachsfasern werden mit Stützfasern aus Kunststoff vermengt und durch Erhitzen vernetzt.
US 2007/0044891 beschreibt die Herstellung eines Faservlieses zur Herstellung von Papiertaschentüchern, Wischtüchern etc. aus einem Gemisch aus Zellstoff mit Bindefasern .und eventuell weiteren Additiven wird in einem trockenen Verfahren ein Vlies gebildet. Das Vlies kann weiter getrocknet, bedampft, mit weiteren Stoffen behandelt und durch Erhitzen und Verschmelzen der Bindefasern vernetzt werden. Vor der Vlieslegung kann der Zellstoff in einem nassen Verfahren aufbereitet werden, um die Fasern voneinander zu trennen („debonding"). Anschliessend wird der Zellstoffbrei wieder getrocknet, bevor beispielsweise die Bindefasern zugesetzt werden.
Die Verarbeitung von Gras ist Inhalt von mehreren Patentanmeldungen: FR-A- 2294648 lehrt die mechanische Entwässerung von Luzerne und Gras zur anschliessenden Trocknung des Presskuchens zu Futterwürfeln. WO 2005/017251 zeigt die Zerfaserung von Gras zur Herstellung von Fasermaterial. Keine dieser Veröffentlichungen bezieht sich auf Faservliese, die aus Grasfasern hergestellt werden und unter Einsatz von Stützfasern dreidimensional gebunden sind.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anlage zu Herstellung von Vlieselementen aus Naturfasern der eingangs genannten Art zu schaffen, welche verbesserte Eigenschaften gegenüber bisher bekannten Vlieselementen aufweisen.
Diese Aufgabe lösen ein Verfahren und eine Anlage zu Herstellung von Vlieselementen aus Naturfasern sowie ein Vlieselement mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.
Im erfindungsgemässen Verfahren wird von Graspflanzen ausgegangen. Ein erstes Zwischenprodukt besteht aus vorverarbeiteten, feuchten Naturfasern mit einem
Trockensubstanzanteil von 30% bis 50%, vorzugsweise annähernd 40%. Zur
Herstellung eines zweiten Zwischenproduktes aus dem ersten Zwischenprodukt werden die folgenden Schritte ausgeführt werden:
• Vortrocknen der Naturfasern; • Zumischen von thermoaktivierbaren Bindefasern; • Aufsprühen von Additiven; wobei die Reihenfolge dieser Schritte eine andere sein kann, und/oder einzelne Schritte miteinander ausführt werden können.
Das erste Zwischenprodukt besteht also aus vorverarbeiten Grasfasern, im Folgenden auch als Naturfasern oder als Pflanzenfasern bezeichnet. Das zweite Zwischenprodukt ist ein Gemisch dieser Naturfasern mit Bindefasern und Additiven, welches Gemisch für eine anschliessende Vliesherstellung verwendbar ist.
Die Bezeichnung "Gras" umfasst alle Arten von Gräsern (Familie der Gramineen), einschliesslich Getreide wie Weizen, Gerste, Hafer, Roggen und Hirse sowie Zuckerrohr und Mais. Diese Rohstoffe werden in grünem Zustand geerntet und in Form von Silage für die ganzjährige, witterungsunabhängige Verarbeitung zwischengelagert. Ebenfalls unter den Begriff "Gras" fallen Rückstände aus der Verarbeitung von Zuckerhirse sowie Zuckerrohr, welche in Fachkreisen als Bagasse bezeichnet werden.
Die Bezeichnung "Bindefasern" umfasst Fasern, die thermisch aktiviert werden und in Mischung mit den Naturfasern diesen eine dreidimensional fixierte Struktur geben. Es kann sich dabei um Schmelzfasern aus Polypropylen oder Polyäthylen, um Kunststoff-Rezyklat oder auch um Bico (Bi-Component)-Fasern mit einer schmelzenden Mantelkomponente und einer temperaturbeständigeren Kernkomponente handeln. Bindefasern umfassen auch Fasern, die z.B. aus Stärke oder Milchsäure hergestellt wurden und biologisch abbaubar sind. Diese Fasern werden in der Fachwelt auch als Stützfasern bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Gewichtsanteil der Bindefasern 4% bis 20%, vorzugsweise 5% bis 15% oder bis 10%. Durch das erfindungsgemässe Verfahren können der Anteil von Bindefasern und damit die Kosten reduziert werden. Mit dem Begriff "Vlieselemente" werden dreidimensionale, flexible oder starre Matten aus einem Vliesstoff, also aus einer Struktur von vernetzten Fasern bezeichnet. Die Vlieselemente können flexibel oder starr sein, verschiedene Dicken und Dichten aufweisen und für zahlreiche Anwendungen genutzt werden. Dazu gehören unter anderem Anwendungen
- Als Dämmstoff zum Schutz vor Kälte, Hitze und Schall.
In der Automobilindustrie zur Herstellung von Innenverkleidungen.
- Als Matratzen.
- Als Bodenabdeckung und/oder Nährsubstrat in der Landwirtschaft. - Ähnliches.(Schuheinlagen, ...)
Die Dämmelemente weisen vorzugsweise die folgenden Dimensionen und Flächengewichte auf:
- Dämmmatten mit einer Dichte von 30-50 kg/m3 und einer Dicke von 50-250 mm: Flächengewicht 1,5-12,5 kg/m2, vorzugsweise 3-10 kg/m2
- Trittschallelemente und Fassadenplatten mit einer Dichte von 90-120 kg/m3 und einer Dicke von 10-100 mm: Flächengewicht 0,9-12 kg/m2, vorzugsweise 2-10 kg/m2.
Das Zumischen der Bindefasern geschieht vorzugsweise vor dem Einbringen der Additive (wie Flammschutzmittel und Biozide), so dass auch die Bindefasern durch die Additive ausgerüstet werden.
Das Zumischen der Bindefasern kann bei verschiedenen Feuchtigkeitsgraden der Naturfasern des ersten Zwischenproduktes geschehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geschieht das Zumischen bei einem Trockensubstanzanteil der Naturfasern von über ca. 85%. Dies bedingt, dass das Vortrocknen der Naturfasern bereits vor dem Zumischen geschieht. In einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung geschieht das Zumischen bei einem Trockensubstanzanteil der Naturfasern von rund 40% bis rund 85%. Je nachdem, wie gross der Trockensubstanzanteil des ersten Zwischenproduktes ist, findet keine Vortrocknung vor dem Zumischen statt, sondern lediglich nach oder während des Zumischens.
Eine Vorrichtung zur Ausführung einer Kernfunktion dieser Erfindung, d.h. des Vortrocknens, Zumischen von Bindefasern und Aufsprühen von Additiven, besteht vorzugsweise aus einem stehenden Behälter, der von oben mit feuchten Naturfasern sowie mit Bindefasern beschickt und in welchen von unten her aufsteigende Heissluft eingeblasen wird. Die zwei Fasertypen werden in dem Behälter durcheinander verwirbelt und durchmischt und mit dem Heissluftstrom durch einen Entnahmestutzen und eine Rohrleitung aus dem Behälter abgezogen. Dabei werden die Naturfasern vorgetrocknet. In die Rohrleitung ist eine Sprühvorrichtung eingebaut, die eine gleichmässige Beaufschlagung mittels der Additive erlaubt und gleichzeitig den Materialdurchzug nicht behindert. Zur Unterstützung der Verwirbelung und/oder der Heissluftförderung kann der Behälter einen Propeller aufweisen, der um eine senkrechte Achse rotiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung geschieht das Zumischen in einer wässrigen Suspension, also bei einem Trockensubstanzanteil der Naturfasern von unter ca. 10%. Damit sind die Anforderungen an die Entwässerung durch eine Vorverarbeitung zur Herstellung des ersten Zwischenproduktes relativ gering. Die Vortrocknung der Suspension nach dem Zumischen geschieht vorzugsweise mechanisch, optional gekoppelt mit einer Lufttrocknung.
Bei einer Vortrocknung durch Heissluft während oder nach dem Zumischen der Bindefasern wird die Temperatur der Trocknungsluft unterhalb der Temperatur gehalten, die zum Aktivieren der Bindefasern erforderlich ist. Vorzugsweise liegt die Temperatur der Heissluft im Bereich zwischen rund 80° C und rund 200° C. Vorzugsweise geschieht diese Vortrocknung in einem Transportabschnitt, in welchem die Fasern durch Heissluft gefördert werden.
Das zweite Zwischenprodukt ist also eine Mischung von Naturfasern und Bindefasern, mit einem Bindefaseranteil von 4% bis 20%, vorzugsweise 5% bis 15% oder bis 10%, mit Additiven ausgerüstet, und mit einem Trockensubstanzanteil von vorzugsweise rund 40% bis 75%. Der Trockensubstanzanteil hängt natürlich stark davon ab, wie viel Flüssigkeit durch das Aufsprühen der Additive zugefügt wird, und ob auch nach dem Aufsprühen eine Vortrocknung stattfindet.
Die Herstellung des ersten Zwischenproduktes, also der vorverarbeiteten Pflanzenfasern, geschieht vorzugsweise, indem der Rohstoff zerfasert wird und verdauliche Bestandteile des Rohstoffes abgetrennt werden. Verdauliche Bestandteile sind insbesondere z.B. Milchsäure, Essigsäure, Aminosäuren, Proteine und Mineralstoffe.
Der Rohstoff ist in einer bevorzugten Variante der Erfindung Grassilage (siliertes Gras), vorzugsweise mit einem Trockensubstanzanteil von 20% bis 40%, insbesondere 25% bis 35%. In einer anderen bevorzugten Variante der Erfindung ist der Rohstoff Goldhafer (Trisetum flavescens).
Das Zerfasern wiederum geschieht vorzugsweise in einer wässrigen Suspension mit einem Mazerator und/oder einem Entstipper, denen optional auch ein Mittel zum Zerreissen des Rohstoffes vorgeschaltet sein kann, beispielsweise eine Hammermühle oder eine Silo-Entnahmefräse. Bei Verwendung eines Mazerators in Verbindung mit einem Entstipper ist vorzugsweise der Mazerator dem Entstipper vorgeschaltet. Das Abtrennen der verdaulichen Bestandteile geschieht vorzugsweise durch Abtrennen der Fasern aus der wässrigen Suspension nach dem Zerfasern, wobei die verdaulichen Bestandteile in der Suspension verbleiben.
Die verdaulichen Bestandteile werden vorzugsweise in einem separaten Zweig der Verarbeitung zu Futter- oder Nahrungsmittelzusätzen verarbeitet. Dies geschieht durch Aufkonzentrieren dieser Bestandteile in der Suspension zu Nahrungsstoffen, wobei das Wasseranteil vorzugsweise rezykliert wird.
Die verdaulichen Bestandteile umfassen vorzugsweise organische Säuren, Proteine und Mineralstoffe, ferner vorzugsweise auch Enzyme, Vitamine und/oder hormonähnliche Stoffe, insbesondere Vitamin D3 -Hormon. Das Vorhandensein dieser Stoffe hängt von der Wahl des Rohstoffes ab, also von den verwendeten Pflanzen und von optional eingesetzten Silierhilfsmitteln.
Zur Herstellung des Vlieselementes aus dem zweiten Zwischenprodukt, also aus dem fertigen und konditionierten Fasergemisch wird vorzugsweise ein Vlies gebildet und werden durch Erhitzen die Bindefasern aktiviert, so dass sie mit den Naturfasern verkleben und eine Matrix bilden. Die Vliesbildung kann geschehen, indem das zweite Zwischenprodukt einen Trockensubstanzanteil von ca. 60% bis 85% oder höher aufweist und so direkt zur Bildung des Vlieses verwendet wird, wobei gegebenenfalls eine Resttrocknung beim Erhitzen des Vlieses zur Aktivierung der Bindefasern stattfindet. Alternativ kann die Vliesbildung geschehen, indem das zweite Zwischenprodukt einen Trockensubstanzanteil von 40% bis ca. 60%, aufweist, auf ein Transportband aufgelegt, durch beispielsweise Heissluft nachgetrocknet und optional wieder aufgelockert wird, und anschliessend zur Aktivierung der Bindefasern erhitzt wird.
Die Vlieslegung, eventuelle Nachtrocknung und Aktivierung geschieht vorzugsweise in einem kontinuerlichen Prozess zur Erzeugung eines Vliesbandes. Vom fertigen Vliesband können die Vlieselemente abgeschnitten werden. Alternativ kann die Vlieslegung etc. aber auch im Batch-Betrieb geschehen, wobei einzelne Vlieselemente in vorgegebenen Formen gebildet werden. .
Zusammengefasst weist das erfindungsgemässe Verfahren in einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung die folgenden Schritte auf:
(a) Der Rohstoff Gras wird in feuchtem Zustand verdichtet und luftdicht verpackt. Dieses Verfahren ist in der Landwirtschaft seit langem unter dem Begriff "silieren" bekannt.
(b) Das silierte Gras wird für die weitere Verarbeitung konditioniert, das heisst, so vorbereitet, dass die Herstellung einer rühr- und pumpfahigen Suspension möglich ist.
(c) Der konditionierte Rohstoff wird zerfasert und von verdaulichen Begleitstoffen weitgehend befreit.
(d) Die Grasfasern werden entwässert, mit Bindefasern gemischt, mit Additiven ausgerüstet und für die Vlieslegung vorbereitet.
(e) Aus dem vorbereiteten Fasergemisch wird ein dreidimensionales Vlies hergestellt und thermisch fixiert.
Die Erfindung ermöglicht also
Die Bereitstellung des Rohstoffs für die ganzjährige Nutzung in gleich bleibender
Qualität.
Die Herstellung von Grasfasern aus diesem Rohstoff. - Die Verarbeitung der Grasfasern zu einem dreidimensionalen, stabilen Vliesbzw. Dämmstoff.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. Dabei sind Merkmale der Verfahrensansprüche sinngemäss mit den Vorrichtungsansprüchen kombinierbar und umgekehrt. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Figur 1 zeigt schematisch einen Verfahrensablauf und Figur 2 eine Struktur einer Anlage zur Vliesherstellung aus Graspflanzen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine Vliesherstellung, beginnend mit der Rohstoffproduktion, anhand von Figur 1 beschrieben: Zunächst wird der Rohstoff Gras auf dem Feld gemäht. Dabei wird er vorzugsweise mit einem Konditionierer bearbeitet, welcher die Stängelstrukturen so aufschlägt, dass diese weicher werden und schneller Feuchtigkeit verlieren. Das gemähte Gras wird auf dem Feld angewelkt, das heisst, bis zu einem Trockensubstanzgehalt von 25-40% angetrocknet. Anschliessend wird es aufgenommen und in einem Silo unter Ausschluss von Luft verpresst bzw. siliert. In dieser Form ist der Rohstoff über sehr lange Zeit verlustfrei lagerfähig und steht jederzeit und witterungsunabhängig für die Verarbeitung zur Verfügung. Die Silierung erfolgt vorzugsweise in grossen, horizontalen Fahrsilos, kann aber auch in Siloballen oder stehenden Silos erfolgen. Ferner können auch Silierhilfsmittel beigegeben werden.
Zur Verarbeitung wird der Rohstoff vom Silo abgestochen, aufgelockert 1 und einer Dosiereinrichtung 2 zugeführt. Diese führt den Rohstoff in eine oder mehrere Hammermühlen, wo er zerrissen 3 oder aufgerissen und auf ca. 10-30 mm Länge und ca. 1-3 mm Dicke zerkleinert wird. Dadurch werden die Pflanzenteile für die nachfolgende Zerfaserung vorbereitet. Mit dem zerkleinerten Pflanzenmaterial ist unter Zugabe von Wasser die Herstellung 4 einer rühr- und pumpfähigen Rohstoffsuspension möglich. Die Rohstoffsuspension wird einer mechanischen Zerfaserung 5 zugeführt. Diese wird durch Zerfaserungsaggregate bewerkstelligt, die in der Zellstoffindustrie seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt werden, z.B. Entstipper (defibrator), Mazeratoren oder Refiner. Zur Optimierung der Zerfaserung im Hinblick auf die Faserlänge und die Faserdicke können diese Aggrregate auch hintereinander geschaltet werden. Es hat sich gezeigt, dass die Abfolge von Mazerator und Entstipper für die vorliegende Aufgabenstellung besonders gut geeignet ist. In dieser Abfolge übernimmt der Mazerator, der die Rohstoffcuspension selber ansaugen kann, die weitere Homogenisierung der Rohstoffsuspension sowie die Beschickung des direkt nachgeschalteten Entstippers. Dadurch entstehen Fasern mit vorwiegend ca. 3-30 mm Länge und ca. 0,05-0,5 mm Dicke. Im Zuge der Zerfaserung erfolgt auch ein Massentrasfer der löslichen und verdaulichen Rohstoffbestandteile in die Flüssigphase. Die Zerfäserung kann Temperatur-unabhängig durchgeführt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine Temperatur von über 400C in der Suspension Vorteile bezüglich der Verarbeitbarkeit, der erzielten Faserqualität sowie der Faserreinigung bringt.
Nach der Zerfaserung werden die Fasern mechanisch entwässert 7. Dies erfolgt vorzugsweise durch Entnahme 6 der Fasern aus der Suspension und anschliessende Verpressung der Fasern in einer Schneckenpresse. Die Entnahme aus der Suspension erfolgt vorzugsweise mit einer Siebeinrichtung, z.B. mit einem Bogensieb oder einem Trommelsieb. Mit einer Schneckenpresse lässt sich das Fasergemisch beispielsweise auf einen Trockensubstanzgehalt von ca. 36-46% entwässern.
Die löslichen und verdaulichen Rohstoffbestandteile aus der Suspension bestehen vor allem aus organischen Säuren (Milchsäure, Essigsäure, Aminosäuren), nicht fermentierten Zuckern, Proteinen und Mineralstoffen. Durch Zugabe von geeigneten Silier-Hilfsmitteln, z.B. Bakterienkulturen, kann die Umwandlung der im Rohstoff enthaltenen fermentierbaren Zucker gezielt gesteuert werden. Zum Beispiel kann so ein bestimmtes Verhältnis von Milchsäure zu Essigsäure erreicht werden.
Die löslichen und verdaulichen Rohstoffbestandteile können nach der Abtrennung von den Fasern aufkonzentriert und als Spezialfüttermittel verwendet werden.
Hervorzuheben ist dabei der Wert dieses Spezialfuttermittels als Säuerungsmittel, als
Geschmacksträger und als eigentliches Futtermittel. Zusätzlich können je nach der verwendeten Grasart auch wertvolle Enzyme, Vitamine oder hormonähnliche
Substanzen in diesem Stoffstrom enthalten sein. Ein Beispiel hierzu ist die Grasart Goldhafer (Trisetum flavescens), welche ein Vitamin D3-Derivat enthält, welches teilweise wasserlöslich ist und den Knochenaufbau von Säugetieren und Menschen unterstützt.
Alle aufgeführten Inhaltstoffe und Eigenschaften können nicht nur in der tierischen Ernährung, sondern auch als Zusatzstoff für die menschliche Ernährung genutzt werden. Die erforderliche Aufkonzentration der Inhaltstoffe kann durch Filtration und/oder Eindampfung erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass die Mineralstoffe bei der Aufkonzentration teilweise aus der Lösung ausfallen können.
Im Folgenden wird die weitere Verarbeitung der entwässerten Fasern beschrieben: In den nachfolgenden Schritten erfolgen die Trocknung bzw. Vortrocknung 8 der Fasern, die Beimischung 9 der Bindefasern sowie die Ausrüstung 10 der Fasern mit Additiven.
Für die Beimischung 9 der Bindefasern bietet die Textilindustrie sowohl kontinuierliche als auch chargenweise Verfahren an, die gut geeignet sind. Bei der Verarbeitung von Grasfasern erfolgt die Zudosierung der Bindefasern mit einem Gewichtsanteil von 4-25%, vorzugsweise von 5-15% des Produktgewichtes. Die Ausrüstung 10 der Fasern mit Additiven erfolgt durch Besprühen der losen Fasern. Um einen möglichst gleichmässigen Auftrag der Additive auf die Fasern sicher zu stellen, erfolgt die Besprühung vorzugsweise in einem Luftstrom, in welchem sich die Fasern frei bewegen. Die Besprühung kann mit den in der Dämrnstoffindustrie üblichen Flammhemmern, z.B. mit Boraten oder Ammoniumverbindungen sowie mit einem Hydrophobierungsmittel und/oder einem Fungizid erfolgen. Diese Additive können in einer Lösung gemischt oder einzeln auf die Fasern aufgesprüht werden.
Mit der Trocknung bzw. Vortrocknung 8 werden die Fasern auf einen Trockensubstanzgehalt eingestellt, der für die nachfolgende Vlieslegung und Thermobondierung vorteilhaft ist. Dieser Trockensubstanzgehalt liegt vorzugsweise bei 60-85% des Gesamtgewichtes der Fasern. In diesem Zustand sind die Fasern noch elastisch und können einer mechanischen Bearbeitung gut standhalten. Zudem neigen die Fasern weniger zum Anhaften in Karden oder ähnlichen, eventuell zur Vliesbildung eingesetzten Geräten. Im Weiteren haben die Fasern bei diesem Feuchtigkeitsgehalt in beschränktes Eigengewicht und können deshalb zu einem Vlies mit möglichst grossem Volumen bzw. möglichst geringer Dichte gelegt werden.
Die Trocknung bzw. Vortrocknung 8 kann mit verschiedenen Trocknungstechniken erzielt werden, z.B. Flugschichttrockner, Trommeltrockner oder Bandtrockner.
Es sind grundsätzlich verschiedene Reihenfolgen der Verarbeitungsschritte Mischung 9 mit Bindefasern, Zudosierung der Additive 10 und Trocknung bzw. Vortrocknung 8 möglich. Dabei ist zu beachten, dass auch der Transport der Fasern im Luftstrom zu einem nicht unbedeutenden Trocknungseffekt fuhren kann und dazu auch gezielt genutzt werden kann. Alternativ zur Vortrocknung 8 ist es auch möglich, die mit Bindefasern und Additiven ausgerüsteten Fasern ohne eigentliche Vortrocknung 8, d.h. mit einem Trockensubstanzgehalt von 36-50% der Vliesbildung zu übergeben.
Als weitere Alternative zur Vortrocknung 8 ist es auch möglich, die Fasern vor der Vliesbildung vollständig, d.h. auf einem Trockensubstanzgehalt von über 85% zu trocknen.
Für die Vlieslegung bietet die Industrie verschiedene Verfahren an, z.B. air lay, direkte Vliesbildung 11, Aufstreuen, Krempel, oder ähnliche, welche für die vorliegende Aufgabenstellung geeignet sind.
Beim Thermo bondieren 12 des Vlieses (oder Aktivieren der Bindefasern) erfolgen die Erhitzung des Vlieses auf die Schmelztemperatur der Mantelkomponente der Stützfasern sowie die Einstellung der gewünschten Plattendicke bzw. -dichte. Die Plattendichte bzw. -dicke wird mit einem überlaufenden Band eingestellt, welches das Faservlies auf eine Dicke von ca. 3 mm bis 250 mm verdichtet und ihm dabei eine gleichmässige Oberfläche verleiht. Die Erhitzung des Vlieses erfolgt mit einer Zuluft-Temperatur von 120-1800C, vorzugsweise von 140-1700C. Der Thermobondierofen ist auch zur Entnahme der Restfeuchte im Faservlies geeignet.
Nach der Erhitzung wird das Faservlies gekühlt, auf die gewünschten Masse der Fasermatten zugeschnitten 13, palettiert und verpackt.
Figur 2 zeigt übersichtsmässig die Struktur einer Anlage zur Vliesherstellung: eine Vorverarbeitungseinheit 21 weist die Vorrichtungen zum Zerreissen, Zerfasern und Entwässern auf, also zur Bereitstellung der Pflanzenfasern 101. Eine Kerneinheit 22 weist die Vorrichtungen zum Mischen 9, Aufsprühen 9 von Additiven und Trocknen 8 und somit zur Bildung des Fasergemisches 102 auf. Eine Vlieserzeugungseinrichtung 23 weist die Vorrichtungen zur Vlieslegung, Thermobondierung und zum Zuschneiden zum Bilden von Vlieselementen 103 auf. Eine optionale Konzentrationseinrichtung 24 weist die Mittel zum Auflconzentrieren der aus der Suspension abgetrennten verdaulichen Bestandteile 104 zu Nahrungsstoffen 105 auf.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wurden aus Gras Vliese mit einer Dichte von 25-90 kg/m3 hergestellt. Die Platten mit geringer Dichte sind leicht flexibel, etwas stauchfähig und angenehm zu handhaben. Es wurden eine Wärmeleitfähigkeit von 0,034-0,040 W/(m,K) gemessen.
Für die Platten mit höherer Dichte können die Bindefasern so ausgewählt werden, dass das Produkt eine erhöhte mechanische Druckfestigkeit aufweist und so auch für Anwendungen als Trittschallisolation sowie für direkt verputzte Aussenfassaden geeignet ist.
Die Anwendung des Vlieses zur Herstellung von Matratzen können spezielle Bindefasern eingesetzt werden, welche das Rückstellverhalten des Vlieses beeinflussen.
Weitere Eigenschaften, z.B. Geruchsfreiheit und Wasserabstossung, können durch gezielte Beeinflussung der Fasern erreicht werden, beispielsweise indem sie mit einem Oxidationsmittel oder mit einem Hydrophobierungsmittel behandelt werden.
Das Verfahren ermöglicht die Nutzung eines bisher industriell kaum genutzten Rohstoffs zur Herstellung eines hochwertigen Produktes. Damit verbunden sind bedeutende ökologische Vorteile bei der Rohstoffbereitstellung (nachwachsender Rohstoff), der Verarbeitung (geringer Energieaufwand), der Produktnutzung (optimale Kombination von Kälteschutz, Wärmeschutz und Schallschutz) sowie der Produktentsorgung (Rezyklier barkeit).

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zu Herstellung von Dämmmatten aus einem Rohstoff aus Graspflanzen, wobei ein erstes Zwischenprodukt (101) aus vorverarbeiteten, feuchten Naturfasern mit einem Trockensubstanzanteil von 30% bis 50%, vorzugsweise annähernd 40% besteht, und zur Herstellung eines zweiten
Zwischenproduktes (102) aus dem ersten Zwischenprodukt (101) die folgenden Schritte ausgeführt werden:
• Vortrocknen (8) der Naturfasern;
• Zumischen (9) von thermoaktivierbaren Bindefasern; • Aufsprühen (10) von Additiven; wobei die Reihenfolge dieser Schritte (8, 9, 10) eine andere sein kann, und/oder einzelne Schritte miteinander ausführt werden können.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1 , wobei der Gewichtsanteil der Bindefasern 4% bis 20%, vorzugsweise 5% bis 15% oder bis 10% beträgt.
3. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die Bindefasern zu Naturfasern mit einem Trockensubstanzanteil von über 85% zugemischt werden (9).
4. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die Bindefasern zu Naturfasern mit einem Trockensubstanzanteil von 40% bis 85% zugemischt werden (9).
5. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die Bindefasern zu Naturfasern in einer wässrigen Suspension, mit einem Trockensubstanzanteil unter 10% zugemischt werden (9).
6. Verfahren gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei das Vortrocknen (8) mindestens teilweise in einem oder mehreren Transportabschnitten geschieht, in welchen die Fasern durch einen heissen Luftstrom gefördert werden.
7. Verfahren gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei zur Herstellung des ersten Zwischenproduktes ein pflanzlicher Rohstoff (100) aus Graspflanzen zerfasert wird und verdauliche Bestandteile des Rohstoffes (100) abgetrennt werden.
8. Verfahren gemäss Anspruch 9, wobei zum Zerfasern des Rohstoffes dieser optional zerrissen wird (3), vorzugsweise mittels einer Hammermühle oder einer Silo-Entnahmefräse und in einer wässrigen Suspension (4) mittels eines mechanischen Zerfaserungsaggregates, vorzugsweise eines Mazerators und/oder eines Entstippers, zerfasert wird (5).
9. Verfahren gemäss Anspruch 10, wobei sowohl ein Mazerator als auch ein Entstipper vorliegen und der Mazerator dem Entstipper vorgeschaltet ist.
10. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Abtrennen der verdaulichen Bestandteile durch Abtrennen (7) der Fasern aus der wässrigen Suspension nach dem Zerfasern (5) geschieht, wobei die verdaulichen Bestandteile in der Suspension verbleiben.
11. Verfahren gemäss Anspruch 12, wobei die verdaulichen Bestandteile (104) vor allem organische Säuren, Proteine und Mineralstoffe enthalten und zu einem Spezialfuttermittel und/oder einem Lebensmittel-Zusatzstoff (105) aufkonzentriert werden.
12. Verfahren gemäss Anspruch 13, wobei die verdaulichen Bestandteile (104) zusätzlich auch Enzyme, Vitamine und/oder hormonähnliche Stoffe, insbesondere Vitamin D3 -Hormon, aufweisen.
13. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Rohstoff (100) Grassilage (siliertes Gras) ist, vorzugsweise mit einem Trockensubstanzanteil von 20% bis 40%, insbesondere 25% bis 35% .
14. Verfahren gemäss einem der bisherigen Ansprüche, wobei aus dem zweiten Zwischenprodukt (102) eine Dämmmatte erzeugt wird durch
• Bildung (11) eines Vlieses aus dem zweiten Zwischenprodukt ( 102);
• Aktivieren (12) der Bindefasern durch Erhitzen des Vlieses; wodurch die Bindefasern und Naturfasern des Vlieses miteinander verklebt werden.
15. Verfahren gemäss Anspruch 16, wobei das zweite Zwischenprodukt (102) einen Trockensubstanzanteil von ca. 60% bis 85% oder höher aufweist und so zur Bildung des Vlieses verwendet wird, und eine Resttrocknung beim Erhitzen des Vlieses zur Aktivierung (12) der Bindefasern stattfindet.
16. Verfahren gemäss Anspruch 16, wobei das zweite Zwischenprodukt (102) einen Trockensubstanzanteil von 40% bis ca. 60%, aufweist, auf ein Transportband aufgelegt, nachgetrocknet und optional wieder aufgelockert wird, und anschliessend zur Aktivierung (12) der Bindefasern erhitzt wird.
17. Dämmmatten, hergestellt nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 18.
18. Vorrichtung zur Herstellung von Dämmmatten aus Graspflanzen, aufweisend eine Kerneinheit (22) zur Bildung eines zweiten Zwischenproduktes (102) aus einem ersten Zwischenprodukt (101), wobei die Kerneinheit (22) aufweist eine heissluftbasierte Trockeneinrichtung, eine Mischvorrichtung zum Mischen von Naturfasern mit thermoaktivierbaren Bindefasern, und eine Einrichtung zum Einbringen von Additiven auf die Fasern.
19. Vorrichtung gemäss Anspruch 20, aufweisend eine Vorverarbeitungseinrichtung (21) mit Mitteln zum Zerfasern der Graspflanzen, zum Abtrennen von verdaulichen Bestandteilen, und zur Herstellung des ersten Zwischenproduktes (101).
20. Vorrichtung gemäss Anspruch 20 oder 21, aufweisend eine Vlieserzeugungseinrichtung (23) mit Mitteln zum Legen eines Vlieses aus dem zweiten Zwischenprodukt (102) und mit Mitteln zum Erhitzen des Vlieses über eine Aktivierungstemperatur der Bindefasern.
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