СПОСОБ РАЗВОЛОКНЕНИЯ НАТУРАЛЬНЫХ КОЖ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C14B13/00 

Изобретение относится к технологии переработки отходов натуральных кож обувного и других производств.

Известен способ механического измельчения плотных волокнистых материалов, заключающийся в растягивании и разрыве участков материала между расходящимися рабочими плоскостями. По этому способу работают большинство устройств.

Недостатком этого способа, являются большие энергозатраты на разволокнение из-за высокой скорости и большого пути действия сил, а также высокой прочности на разрыв элементов натуральной кожи, так как прочность в основном обуславливается сложным переплетением волокон (здесь и в дальнейшем под понятием волокно подразумевается сплетение фибрильных волокон, представляющее собой пучок волокон элемент макроструктуры кожи, т.е. понятия пучок волокон и волокно в данном тексте адекватны). В результате взаимного давления, извитости и петлистости они оказываются зажатыми в объеме подобно тому, как зажаты отдельные пряди в сложном канате. Вырвать прядь из каната или пучок волокон из кожи можно только при значительном уменьшении длины образца. Материал разрывается между расходящимися рабочими плоскостями. Процесс разрыва на микроуровне представляет собой сочетание разрыва пучков волокон (так как противоположные концы пучка оказываются по разные стороны линии разрушения и жестко зажаты в структуре и силы, удерживающие пучок, превышают его собственный предел прочности), а также наличие растаскивания волокон (безобрывное расплетание и соскальзывание волокон). Это происходит для очень коротких волокон, а также для волокон, разрушение которых проходит по концу волокна, противоположный конец слабо зажат и "выходит" из материала без разрушения.

Преобладающим в данном процессе является именно разрыв волокон. Из-за этого конечный продукт содержит большое количество мелких волокон. Уменьшение сил связи между волокнами обусловлено в основном уменьшением размеров образцов, т. е. сближением противоположных краевых участков, которые относительно растрепаны и волокна в них освобождены. Ослабление сил связи при таком способе обработки, которое бы обеспечивало безобрывное разволокнение, возможно при размерах образца, соизмеримых с длиной пучков волокон (т.е. волокно проходит образец от одного края к другому и концы его на краях освобождены). Также к недостаткам способа надо отнести то, что в нем не исключена возможность после окончания процесса остатка в готовом продукте неразработанных фракций, особо прочных сплетений ("узлов"). Это требует введения дополнительной операции по отделению неразработанных частиц. Все вышесказанное обусловливает кроме большой энергоемкости способа еще и низкое качество готового продукта.

Наличие коротких волокон в дальнейшем при переработке требует применения связующих веществ для их скрепления, в некоторых случаях в количестве свыше 100% от веса волокна. При этом сильно ухудшаются гигиенические свойства материала.

Целью изобретения является снижение энергоемкости процесса и повышение качества получаемого продукта за счет обеспечения безобрывного разволокнения.

Цель достигается тем, что материал подвергается разволокнению в два этапа.

На первом этапе осуществляется ослабление усилий, удерживающих волокна в коже (ослабление структуры) посредством деформирования особым образом. Причем безобрывное разволокнение обеспечивается за счет ослабления кожевенной ткани по всему объему и независимо от размеров образцов.

На втором этапе производства роспуск материала на пучки волокон.

Деформирование материала особым образом заключается в воздействии на материал комплекса растягивающих и сжимающих нагрузок. Материал подвергают растяжению до величины относительной деформации, рассчитываемой по уравнению
ε_p[cos²α₁(1-μ²)+μ²]+2ε_p[cos²α₁(1+μ)-μ]+1- 0 (1)
где ε_р относительная деформация;
α₁ угол наклона оси пучка;
α₂ угол извитости волокон;
μ коэффициент Пуассона для кожи;
При растяжении пучки волокон начинают распрямляться и ориентироваться по направлению действующей нагрузки, так как при выпрямлении уменьшается извитость и петлистость волокон, то, следовательно, уменьшается усилие, удерживающее волокна в дерме. Растяжение материала до величины относительной деформации, определяемой по уравнению (1), обеспечивает выпрямление и ориентацию вдоль линии нагружения большинства волокон структуры и является наиболее оптимальной между недораспрямлением волокон и их перетяжкой, т.е. обеспечивает минимум энергозатрат для достижения необходимого эффекта: облегчения разволокнения за счет уменьшения усилий, удерживающих волокна в дерме. Для сохранения той структуры, которая создана в коже в результате растяжения, материал затем подвергают сжимающим нагрузкам.

Деформирование сжатием позволяет зафиксировать ориентированную структуру благодаря компенсации напряжений, обеспечивающих релаксацию деформаций, а также способствует разрыву тех редких спаек и склеек, которые остались в коже. Деформирование сжатием ведется до величины относительной деформации не менее 85% так как по известным данным при таких значениях в коже наступает предел текучести.

В результате обработки материала комплексом растягивающих и сжимающих нагрузок кожа из волокнисто-сетчатого материала с высокими физико-механическими свойствами превращается в материал, структура которого представляет собой пакет выпрямленных и ориентированных пучков волокон, почти не связанных между собой. Прочность такого материала значительно ниже.

После ослабления структуры материал подвергается непосредственно роспуску на отдельные пучки волокон. Так как прочность связей гораздо меньше прочности самих пучков волокон, процесс протекает легче, быстрее и безобрывно.

На фиг.1 показано устройство для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 и 3 конструкция подающих валков; на фиг.4 схема основных сил, действующих в материале при прокатке между валками.

Устройство для разволокнения натуральных кож содержит быстровращающийся ротор 1, смонтированный внутри неподвижного корпуса 2, снабженного загрузочным патрубком 3 с питающими валками 4 и 5, выполненными в образующей гребенчатого типа с углом профиля β. В нижней части устройства установлен разгрузочный патрубок 6 с рабочей сеткой 7 для удаления готового продукта. На внутренней поверхности ротора 1 и барабана 2 закреплены планки 8 и 9 с игольчатой гарнитурой. Нижний валок 5 установлен на торсионах 10 для предотвращения заклинивания при попадании инородных тел, а также имеет механизмы 11 и 12 регулирования зазора и усилия прижатия валков. Валки 4 и 5 снабжены цепным приводом 13 от отдельного электродвигателя. Для выведения разволокненного материала из устройства служит вентилятор (не показан).

Первый этап ослабления кожевенной ткани посредством воздействия на материал комплекса растягивающих и сжимающих нагрузок реализован в устройстве в валках 4 и 5. Валки выполнены с образующей гребенчатого профиля (фиг.2). Шаг выступов t выбран таким, чтобы при прокатке не допустить скольжения и втягивания материала и укладку его по профилю, и определяется по формуле
t
(2)
где μ коэффициент трения между материалом и валком;
δ толщина материала;
β- угол профиля выступа валка.

Шаг выбран таким, чтобы обеспечивать фиксацию материала на гребнях и растяжение его между смежными зубьями. Необходимая при этом относительная деформация обеспечивается за счет глубины впадин профиля, которая зависит от угла профиля β Угол определяется из выражения
β arcsin
(3)
где ε_р относительная деформация, которую необходимо создать в материале.

Необходимая деформация сжатия обеспечивается установкой необходимого зазора между валками и усилия прижатия нижнего валка.

Устройство работает следующим образом. Отходы кож загружаются через патрубок 3. Здесь они захватываются подающими валками 4 и 5. При прохождении валков материал подвергается растяжению, а в плоскости осей валков, где зазор минимален, к растягивающим добавляются и сжимающие нагрузки. После прохождения валков структура материала нарушается и он теряет высокие прочностные свойства. В таком виде после валков кожа попадает в зону взаимодействия планок 8 и 9 ротора и барабана, где подвергается окончательному разделению на пучки волокон. Разволокненная кожевенная масса, перемещаясь по направлению движения ротора, попадает на сетку, через которую выводится из устройства при помощи вентилятора.

Так как процесс обработки материала на валках осуществляется в псевдостатическом режиме (из-за малого пути и скорости деформирования), то затраты энергии при этом не велики и дают возможность существенным образом сэкономить затраты энергии на раздергивание и свести процесс к однократному пропуску материала через игольчатые гарнитуры, т.е. сделать его еще и более производительным.

Благодаря ослаблению связей с кожей процесс разделения протекает безобрывно с сохранением первоначальной длины волокон, что важно при последующем их использовании.

Использование: в технологии переработки отходов натуральных кож обувного и других производств. Сущность изобретения: в способе разволокнения натуральных кож материал разделяют на пучки волокон в два этапа. На первом этапе производят ослабление усилий, удерживающих волокна по всему объему кожи. На втором этапе материал подвергают разволокнению на отдельные пучки волокон. При осуществлении первого этапа материал подвергают растяжению до величины относительной деформации, определяемой уравнением
ε_p[cos²α₁(1-μ)²+μ²] +
+2ε_p[cos²α₁•(1+μ)-μ]+1-1/cos²α₂= 0, - где α₂ угол извитости волокон; α₁ - угол оси пучка; ε_p - относительная деформация; μ - коэффициент Пуассона. Затем в растянутом состоянии материал подвергают сжатию до достижения предела текучести. Устройство для разволокнения натуральных кож содержит корпус с рабочей сеткой, установленный внутри него ротор, закрепленные на рабочих поверхностях ротора и корпуса измельчающие элементы и подающие валки. Подающие валки выполнены с гребенчатой образующей профиля. Шаг гребней t определяется из выражения,

где m - коэффициент трения между материалом и валком; d - толщина материала; b - угол профиля выступа валка. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ разволокнения натуральных кож, при котором кожу разделяют на пучки волокон в два этапа, на первом этапе производят ослабление усилий, удерживающих волокна по всему объему кожи, на втором этапе материал подвергают разволокнению на отдельные пучки волокон, отличающийся тем, что при осуществлении первого этапа материал подвергают растяжению до величины относительной деформации, определяемой уравнением
ε_p[cos²α₁(1-μ²)+μ²]+

где α₂ угол извитости волокон;
α₁ угол оси пучка;
ε_p относительная деформация растяжения;
μ коэффициент Пуассона,
а затем в растянутом состоянии материал подвергают сжатию до достижения предела текучести. 2. Устройство для разволокнения натуральных кож, содержащее корпус с рабочей сеткой, установленной внутри его, ротор и закрепленные на рабочих поверхностях ротора и корпуса измельчающие элементы, и снабженное подающими валками, отличающееся тем, что подающие валки выполнены с гребенчатой образующей профиля с шагом гребней t, определяемым из выражения:

где m коэффициент трения между материалом и валком;
d толщина материала;
b угол профиля выступа валка. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что гребни выполнены с углом профиля b, определяемым уравнением