УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 2021 года по МПК D21B1/30 D21H11/18 

Изобретение относится к устройству и способу производства нановолокон, в особенности наноцеллюлозы, из смеси веществ, содержащих волокна, главным образом волокнистую массу и/или целлюлозу.

На сегодняшний день разработан ряд устройств и способов для производства нановолокон из натурального сырья, главным образом из целлюлозы и/или волокнистой массы, для дальнейшего производства наноцеллюлозы. Среди прочего, в специальной литературе проводится различие между микро- и/или нановолокнами, причем используются многочисленные термины, такие как, например, микрофибриллированная целлюлоза (МФЦ) или нанофибриллированные волокна и/или нанофибриллированная целлюлоза (НФЦ). Такие материалы все чаще используются во многих технических областях, например, в качестве упрочняющих материалов или даже в качестве блокирующих слоев для бумаги, картона и подобных изделий.

Обработка волокон, особенно целлюлозы, осуществляется путем фибриллирования клеточных стенок и экспозиции нановолокон, в частности наноцеллюлозы. В результате, распад происходит в большей степени по длине волокон и в меньшей степени за счет укорочения волокон в поперечном направлении.

Среди прочего, современные микрофлюидизаторы широко используются в производстве наноцеллюлозы. В микрофлюидизаторе, например, ЕР 3088605 А1, происходит пересечение потока жидкости, содержащей первичные волокна, с потоком жидкости, содержащей вторичные волокна, что приводит к фибрилляции целлюлозы в наноцеллюлозу. Таким образом, волокна проходят под высоким давлением через микроканал с фиксированной внутренней геометрией, в которой из-за сил сдвига и ударных воздействий клеточные стенки волокон разрываются.

Еще один способ производства наноцеллюлозы реализуется в форме гомогенизатора, как описано в JP 201304142A1. При этом смесь веществ с волокнами продавливается под высоким давлением через седло клапана, а далее она продавливается под радиальным давлением через широкий исключительно микронный гомогенизационный зазор и переносится к радиальному уплотнительному кольцу. Действие такого гомогенизатора высокого давления основано на сдвиге волокон посредством изменений скорости жидкости, ударных нагрузок на уплотнительное кольцо и на кавитационную полость.

Также можно производить наноцеллюлозу с помощью рафинера или также шлифовального станка, как, например, описано в WO 201307255 8А1. В рафинерах обычно две шлифовальные пластины, соединенные друг с другом, движутся в направлении шлифовального зазора, а смесь веществ с волокнами вдавливается в центр шлифовальных пластин. Встречное движение полностью смоченных шлифовальных пластин обеспечивает распад волокон на нановолокна.

Известные способы и/или устройства требуют больших затрат энергии и, как правило, обрабатывают прерывания из-за засоров в узких местах, таких как седла клапана, каналы, сопла и тому подобное. Кроме того, известные устройства не подходят для обработки больших объемов смесей веществ с волокнами для производства нановолокон, в частности наноцеллюлозы, с низким потреблением энергии.

В рамках следующего объяснения в основном используются примеры из целлюлозно-бумажной промышленности для объяснения принципа распада волокон на нановолокна. Однако устройство в соответствии с изобретением и сопутствующий способ могут быть использованы не только на растительных волокнах, но и на смесях веществ с волокнами животного происхождения, таких как волокна из асцидий или волокна синтетического происхождения.

Цель данного изобретения состоит в том, чтобы преодолеть недостатки современного уровня техники и предложить устройство и способ, на базе которых пользователь сможет осуществлять распад волокна со смесью веществ, в частности волокон целлюлозы, для производства наноцеллюлозы, с учетом принципов простоты, энергоэффективности и практичности. Другие цели изобретения включают: повышение надежности процесса, минимизация закупорок или даже полное их устранение, а также обеспечение возможности обрабатывать большие объемы смесей веществ с волокнами, особенно целлюлозы. Кроме того, изобретение служит основой для повышения однородности смеси обрабатываемых веществ и/или обеспечения непрерывного производства.

Эти цели достигаются с помощью устройства и способа в соответствии с формулой изобретения.

В соответствии с изобретением волокна, подлежащие распаду, особенно целлюлоза или также волокнистая масса, предоставляются в форме смеси веществ с жидким компонентом, в частности с водой. Смесь веществ может содержать дисперсию волокон с различными диаметрами и/или длинами. Ранее распавшиеся волокна также могут содержаться в смеси веществ. Волокна, подлежащие распаду, могут включать большое количество микрофибрилл, которые обычно имеют диаметр от 10 до 100 нм и длину от 0,5 до 10 мкм.

В рамках настоящего изобретения под нановолокнами в первую очередь понимают удлиненные составляющие части волокон и/или микрофибрилл, которые имеют направление толщины или также диаметр в диапазоне приблизительно от 5 до 30 нм и значительно большее удлинение. Это отношение удлинения к толщине нановолокна может быть выражено как «аспектное отношение» и обычно превышает 50. Устройство для производства нановолокон, прежде всего наноцеллюлозы, из смеси веществ с волокнам в соответствии с изобретением включает следующие компоненты: как минимум, один разгрузочный элемент с разгрузочным отверстием для прохождения смеси веществ с волокнами; как минимум, один питатель для подачи смеси веществ с волокнами на разгрузочный элемент с заданным технологическим давлением; как минимум, одно устройство позиционирования для позиционирования разгрузочного элемента. Для распада смеси веществ с волокнами напротив, как минимум, одного разгрузочного элемента расположен подвижный блок обработки, причем при прохождении смеси веществ с волокнами через разгрузочный элемент образуется щелевидная зона обработки между разгрузочным элементом и смесью веществ, частично затрагивая поверхность подвижного блока обработки.

Способ в соответствии с изобретением предполагает использование такого устройства и включает в себя следующие стадии:

- Подготовка устройства согласно изобретению;

- Приготовление смеси веществ, которая содержит, как минимум, один жидкий компонент, предпочтительно воду, и волокна, предпочтительно целлюлозу;

- Перемещение подвижного блока обработки относительно, как минимум, одного разгрузочного элемента с заданной относительной скоростью;

- Прессование смеси веществ с волокнами, через, как минимум, один разгрузочный элемент с заданным способом давлением;

- Обработка смесей веществ посредством формирования щелевидной зоны обработки для распада волокон между разгрузочным элементом и частью поверхности подвижного блока обработки, находящейся под воздействием смеси веществ (части поверхностью, с которой соприкасается смесь веществ), посредством позиционирования разгрузочного элемента относительно подвижного блока обработки.

Посредством относительного перемещения блока обработки относительно разгрузочного элемента и, следовательно, разгрузочного отверстия, происходит создание поля сдвига, по меньшей мере, в сформированной щелевидной зоне обработки. Заданное технологическое давление создает изменение скорости текучей среды, соответственно смеси веществ, в зоне обработки и обеспечивает непрерывный поток смеси веществ, волокна которой распадаются в поле сдвига посредством разделения клеточных стенок. В процессе этого длинные и/или недостаточно распавшиеся, соответственно обработанные волокна и/или другой разрушающий материал могут быть выгружены из зоны обработки посредством относительного перемещения блока обработки и предотвращения блокировки устройства. Таким образом, можно обработать относительно большое количество смеси веществ и увеличить однородность смеси обрабатываемых веществ.

Кроме того, устройство в соответствии с изобретением может быть относительно простым и экономически эффективным в изготовлении и эксплуатации, поскольку не содержит сложных компонентов. Потенциально изнашиваемые детали можно найти без особого труда и заменить по низкой цене, благодаря чему можно значительно увеличить продолжительность работы.

В известных конфигурациях, таких как рафинер, необходима сравнительно высокая мощность холостого хода для перемещения контртел, полностью погруженных в смесь веществ и подвижных относительно друг друга. Данное изобретение отличается от современных технологий тем, что сравнительно незначительная часть поверхности блока обработки затрагивается смесью веществ, благодаря чему может быть достигнута особенно высокая энергетическая эффективность. Смесь обрабатываемых веществ очень сильно ускоряется при выходе из зоны обработки и может быть просто собрана в корпусе, который окружает, по меньшей мере, части блока обработки и/или разгрузочный элемент. Таким образом, часть блока обработки не находится в непосредственном контакте со смесью веществ. Следовательно, блок обработки можно перемещать с низким сопротивлением, в результате чего можно значительно снизить общее энергопотребление на величину сэкономленной мощности холостого хода.

Следовательно, устройство и, соответственно, способ в соответствии с изобретением превосходно подходят для обработки смесей веществ с синтетическими и/или органическими волокнами. Пропорция волокон в смеси веществ может быть выбрана для конкретной задачи в объеме от около 0,1 до 25 об. %, предпочтительно от 1 до 8 об. %

Посредством выгрузки вещества из смеси веществ на разгрузочном элементе на часть поверхности противоположно расположенного блока обработки можно запустить «пассивное» движение подвижного блока обработки в направлении движения.

Кроме того, это также может быть полезно, когда подвижная обрабатывающая головка выполнена с возможностью перемещения посредством приводного механизма в направлении движения, в основном вбок, предпочтительно в нормальном направлении, к одной из осей разгрузочного элемента.

Это соответствует «активному» и, следовательно, управляемому движению подвижного блока обработки в направлении движения. Ось разгрузочного элемента в основном соответствует определенной продольной оси, проходящей через разгрузочный элемент в центре разгрузочного отверстия. В процессе движение происходит преимущественно по направлению в сторону, предпочтительно в нормальном направлении, к оси разгрузочного элемента и может запускаться и регулироваться посредством приводного механизма. Таким образом, относительная скорость и, следовательно, величину сил сдвига в зоне обработки относительно просто настроить.

В принципе, не исключена также вероятность того, что направление движения подвижного блока обработки может быть, по существу, направлено противоположно направлению потока под определенным углом к части поверхности блока обработки, находящейся в контакте со смесью веществ.

Кроме того, также можно указать, что вращение подвижного блока обработки формируется симметрично, подобно диску, цилиндру, конусу или барабану, или ленточным элементам, таким как цепь или ремень.

Опытный специалист сможет осуществить выбор геометрии блока обработки с учетом доступных пространственных условий, скорости подачи и мощности привода и т.д. В некоторых случаях, однако, ленточные блоки обработки, у которых также только часть поверхности соприкасается со смесью веществ, могут оказаться выгодными. Вращательно-симметричные блоки обработки также предлагают относительно простую конструкцию для выполнения задания, к тому же они могут иметь очень стабильные размеры и не требовать чрезмерных затрат энергии для осуществления движения, поскольку в каждом случае вещество затрагивает лишь часть поверхности в процессе опрыскивания смесью веществ.

Также особенно эффективная схема решения заключается в следующем: подвижный блок обработки изготавливают в виде диска, который вращается вбок, предпочтительно в нормальном направлении, к разгрузочному элементу.

При реализации в виде диска или пластины, можно воспользоваться преимуществами низкой стоимости закупок, длительного срока службы и низких затрат на обслуживание.

Кроме того, может быть предусмотрено, что, как минимум, одно устройство позиционирования выполнено с возможностью перемещения параллельно оси вращения диска для установки заранее заданного радиального расстояния оси разгрузочного элемента от оси вращения.

Эта версия предоставляет отдельную дополнительную возможность для управления относительной скоростью в зоне обработки, настройка которой, благодаря различным окружным скоростям в зависимости от радиального расстояния до оси вращения, осуществляется относительно легко. Эта мера, которая, в частности, с помощью «пассивно» управляемых блоков обработки, обеспечивает эффективный способ настройки сил сдвига, может быть реализована в дополнение к управлению скоростью вращения приводного механизма или вместо него.

По данным дальнейшего исследования, разгрузочный элемент с разгрузочным отверстием может иметь протяженную функциональную поверхность для формирования гидродинамического подшипника в зоне обработки. Предпочтительно, чтобы разгрузочный элемент был единым целым с функциональной поверхностью, но, тем не менее, допускается наличие в его составе нескольких частей и исполнение его в виде сменной концевой секции.

Использование такой версии разгрузочного элемента позволяет формировать гидродинамический подшипник, в результате чего разгрузочный элемент можно разместить бесконтактно на предварительно определенном рабочем расстоянии от части поверхности, на которую воздействует смесь веществ. Часть поверхности, на которую воздействует смесь веществ, по своей форме и размеру, по сути, соответствует функциональной поверхности.

Это позволяет без особых затруднений увеличить силы сдвига, необходимые для разрушения волокон, благоприятные давления, такие как рабочее давление смесей веществ и/или контактное давление разгрузочных элементов без истирания разгрузочного элемента на поверхности блока обработки. Одним из способов, позволяющих сбежать истирания разгрузочного элемента и/или функциональной поверхности, является формирование жидкостного клина в зоне обработки.

Кроме того, более целесообразным решением может стать, если функциональная поверхность будет иметь большее продольное удлинение в направлении движения, чем в поперечном сечении и/или против направления движения.

За счет оптимизации формы функциональной поверхности может быть достигнута гомогенизация вывода вещества по периметру функциональной поверхности. Таким образом, можно улучшить стабильность гидродинамического подшипника и однородность и/или качество смеси обрабатываемых веществ.

Кроме того, можно также предусмотреть, чтобы функциональная поверхность была сформирована в форме, дополняющей часть поверхности подвижного блока обработки, на которую воздействует смесь веществ.

Особенно в случаях с искривленной внутренней и наружной поверхностью блока обработки, например, цилиндры или конусы, однородность вывода смеси веществ из зоны обработки, которая образует неравномерную часть поверхности, соприкасающуюся со смесью веществ, может быть увеличена с помощью этого измерения. Это может в значительной степени способствовать гомогенизации по функциональной области локальных скоростей вывода и/или поперечных сил на волокнах, подлежащих обработке в зоне обработки.

Кроме того, может быть предусмотрено, что, по меньшей мере, один разгрузочный элемент выполнен с возможностью регулировки под заданным телесным углом к оси разгрузочного элемента относительно поверхности подвижного блока обработки.

Преимущества этого типа конструкции заключаются в регулировке и стабилизации гидродинамического подшипника. Кроме того, угловое расположение разгрузочного элемента, особенно с «пассивно» перемещаемыми движущимися телами, может использоваться для установки относительной скорости и/или сил сдвига в зоне обработки. Эта возможность является относительно простой и недорогой для реализации и позволяет повысить качество смесей обрабатываемых веществ.

В соответствии с конкретной конструкцией, возможно, что, по меньшей мере, одно устройство позиционирования для установки рабочего расстояния и/или телесного угла, как минимум, между одним разгрузочным элементом и частью поверхности подвижного блока обработки, подверженной воздействию смеси веществ, будет регулируемым.

Это может быть сделано в качестве отдельной меры или в сочетании с другими мерами, такими как угловое размещение или даже установка рабочего давления смеси веществ.

При этом особенно эффективным может оказаться регулирование относительной скорости подвижного блока обработки для установки сил сдвига в щелевидной зоне обработки. Также целесообразным решением может стать использование устройства позиционирования для регулирования рабочего расстояния между одним разгрузочным элементом и соответствующей частью поверхности, на которую воздействует смесь веществ, для установки сил сжатия на подвижном блоке обработки.

Таким образом, например, можно с точностью установить контактное давление разгрузочных элементов с зависимостью от скорости вывода смеси обрабатываемых веществ, в результате чего можно установить точный уровень сил сдвига в щелевидной зоне обработки.

В соответствии с дополнительным благоприятным исследованием может быть предусмотрено, что телесный угол оси, по меньшей мере, одного разгрузочного элемента, предпочтительно для образования необходимого жидкостного клина гидродинамического подшипника, контролируется посредством, по меньшей мере, одного устройства позиционирования.

Таким образом, уровень сил сдвига в зоне обработки может быть установлен точно. Кроме того, эта мера может быть использована для компенсации изношенных разгрузочных элементов и/или функциональных поверхностей. Это позволяет улучшить однородность и/или качество обрабатываемой смеси веществ в течение времени эксплуатации и соответственно срока службы изнашиваемых деталей.

Это может быть особенно выгодно, если концевая секция, по меньшей мере, одного разгрузочного элемента относительно противоположной части поверхности, на которую воздействует смесь веществ, частично амортизирована.

Концевая секция разгрузочного элемента может включать в себя функциональную поверхность, посредством которой происходит стабилизация гидродинамического подшипника. Можно сконструировать концевую секцию такой же подвижной, как плавающий подшипниковый узел для разгрузочного элемента, или же настроить ее предварительно для того, чтобы компенсировать износ разгрузочного элемента и/или функциональной поверхности. Кроме того, можно избежать закупорки длинных или недостаточно обработанных волокон.

Можно также предусмотреть, чтобы, по меньшей мере, два разгрузочных элемента были расположены симметрично в направлении по окружности и/или в радиальном направлении относительно подвижного блока обработки.

Благодаря расположению нескольких разгрузочных элементов с общим блоком обработки, каждый из которых образует зону обработки, пропускная способность смеси веществ может быть значительно увеличена. Это особенно выгодно, поскольку во время работы один или несколько разгрузочных элементов можно относительно легко «включить / выключить», и возможны работы по техническому обслуживанию отдельных разгрузочных элементов. Кроме того, эта мера может использоваться для минимизации или даже полной компенсации любых изгибающих моментов, прикладываемых к блоку обработки технологическим давлением и/или контактным давлением. Это обеспечивает более стабильное и неприхотливое в обслуживании устройство.

Кроме того, может быть предусмотрено, чтобы, по меньшей мере, второй разгрузочный элемент был расположен напротив первого разгрузочного элемента, при этом первый разгрузочный элемент закреплен за первой поверхностью подвижного блока обработки, а соответствующий второй разгрузочный элемент закреплен за второй поверхностью, лежащей напротив первой поверхности.

Благодаря использованию нескольких разгрузочных элементов, каждый из которых образует зону обработки вместе с блоком обработки, можно значительно увеличить пропускную способность смеси веществ. За счет противоположного расположения двух соответствующих разгрузочных элементов может быть достигнуто уменьшение изгибающих моментов, вплоть до полной компенсации изгибающих моментов, например, на ведущем валу блока обработки или также на самом блоке обработки. Эта мера может быть полезной как для ленточных блоков обработки, так и для вращательно-симметричных блоков обработки, таких как цилиндр или диск, при условии, что часть поверхности соответствующих разгрузочных элементов, затронутая действием смеси веществ, лежит напротив первой и второй поверхностей.

Кроме того, может быть предусмотрено, что, по меньшей мере, два разгрузочных элемента расположены вдоль направления движения и/или перпендикулярно направлению перемещения подвижных блоков обработки.

В этом случае также возможно, что разгрузочные элементы расположены в шахматном порядке со смещением относительно друг друга, по меньшей мере, в одном направлении. Расположение нескольких разгрузочных элементов позволяет повысить производительность просто благодаря использованию общего блока обработки. Это преимущество, аналогичное вышеупомянутому расположению разгрузочных элементов, расположенных напротив друг друга относительно первой и второй поверхностей, следует, прежде всего, видеть в том, что потребляемая мощность для привода подвижного блока обработки увеличивается лишь незначительно или даже вообще весьма незначительно. Таким образом, большое количество смеси веществ можно одновременно обрабатывать очень эффективно и экономично. Поэтому легко представить, что несколько разгрузочных элементов могут быть расположены вокруг цилиндра или также конуса. Таким образом, разгрузочные элементы в основном также могут быть расположены напротив первой поверхности, то есть, например, наружной поверхности цилиндра, за счет чего достигается компенсация изгибающих моментов на ведущем валу блока обработки. Также возможно расположить разгрузочные элементы в направлении вдоль окружности диска, что оказывает такое же влияние на диск.

Особенно предпочтительной является также схема расположения, в соответствии с которой может быть предусмотрено, что, по меньшей мере, подвижный блок обработки изолирован от приводного механизма корпусом посредством, по меньшей мере, одного контактного и/или бесконтактного уплотнительного компонента, предпочтительно лабиринтного уплотнения, не требующего обслуживания.

Из-за относительно простой конструкции устройства в соответствии с изобретением можно обойтись без сложных уплотняющих составов. Обработка смеси веществ происходит под воздействием технологического давления, однако, как правило, смесь веществ после вывода подвергается воздействию атмосферных условий. Корпус, который, по меньшей мере, экранирует часть поверхности блока обработки, на которую воздействует смесь веществ, против окружающей среды, является предпочтительным для сбора смеси обрабатываемых веществ. Для герметизации отверстий корпуса, таких как разгрузочные элементы или приводной вал, могут быть использованы простые, например, контактные резиновые уплотнения, или также самоуплотняющиеся, не требующие обслуживания лабиринтные уплотнения в том виде, в каком они известны специалисту. Это обеспечивает особенно длительные интервалы технического обслуживания и низкие производственные затраты.

Весьма эффективным оказалось решение, согласно которому в корпусе размещен резервуар для сбора и/или дальнейшей обработки смеси обрабатываемых веществ. В некоторых случаях, по существу, полное уплотнение корпуса выгодно для того, чтобы подвергать зону обработки отрицательному или положительному давлению или также формировать в ней атмосферу защитного газа, в результате чего на качество смеси обрабатываемых веществ особенно влияют.

Согласно дальнейшим исследованиям, возможно проведение химической и/или ферментативной, и/или механической предварительной обработки смеси веществ перед подачей смеси веществ, предпочтительно, во время процесса измельчения в рафинере.

Посредством химической и/или ферментативной предварительной обработки можно конкретно влиять на разделение компонентов волокна, благодаря чему можно облегчить распад на нановолокна, особенно на наноцеллюлозу. Такая предварительная обработка может проводиться во внешнем устройстве или даже в секции устройства подачи, предназначенного для этой цели. В равной степени возможна механическая предварительная обработка для установки заданной длины волокна и/или дисперсии длин и/или диаметров волокна. Такую обработку можно, к примеру, проводить с помощью рафинера и связанных с ним процессов, известных специалистам. Таким образом, подходящая предварительная обработка может быть использована для улучшения качества смеси обрабатываемых веществ.

Кроме того, это также может быть полезным, если, по меньшей мере, повторяются этапы процесса прессования и обработки, по меньшей мере, частей смеси обрабатываемых веществ.

Посредством повторной обработки смесей веществ, содержащих волокна, можно повысить качество и однородность смеси обрабатываемых веществ. При этом можно снова подавать, по меньшей мере, части или даже все количество смесей обрабатываемых веществ через устройство. В этом процессе циркуляционную систему между резервуаром для сбора и питателем можно использовать для получения заданного диаметра волокна и/или дисперсии длины. В определенных случаях целесообразно отрегулировать жидкие компоненты обрабатываемой смеси и смеси веществ, предназначенных для переработки, путем, например, добавления воды. Посредством этого может быть достигнуто особенно точное измельчение компонентов волокна в нановолокна, особенно наноцеллюлозу, с относительно низкими затратами энергии и/или давления.

Для лучшего понимания изобретения ниже представлены фигуры, содержащие его детальное описание:

Изобретение показано в очень упрощенном схематическом представлении:

Фиг. 1 Схематическое изображение поперечного сечения через разгрузочный элемент и блок обработки для объяснения принципа работы;

Фиг.2 Схематическое изображение поперечного сечения через разгрузочный элемент с функциональной поверхностью и блоком обработки для объяснения принципа работы;

Фиг. 3 Схематическое изображение поперечного сечения возможных конструктивных форм устройства с двумя разгрузочными элементами, которые расположены на расстоянии друг от друга в направлении вдоль окружности к первой поверхности (а) и расположены на первой и второй поверхностях, расположенных напротив (б);

Фиг. 4 Схематическое изображение поперечного сечения блоков обработки в виде цилиндров (а), конусов (б) и ленты (в) с несколькими разгрузочными элементами;

Фиг. 5 Схематическое изображение разгрузочного элемента в поперечном сечении, наклоненном под телесным углом (а), с гибким концевым участком (б), с функциональной поверхностью, соответствующей форме (в), и на виде снизу (г);

Фиг. 6 Схематическое представление возможной компоновки устройства для производства нановолокон.

Для начала следует отметить, что в различных описанных конфигурациях одни и те же компоненты обозначены теми же ссылками и/или одинаковыми обозначениями компонентов, в результате чего данные, содержащиеся в полном описании, могут быть логически перенесены на те же части с одинаковыми ссылками и/или одинаковые обозначения компонентов. Кроме того, спецификации положения, выбранные в описании, такие как, например, вверх, вниз в сторону и т.д., относятся к непосредственно описанной и изображенной фигуре, и эти спецификации положения должны логически переноситься на новые положения в случае изменения положения.

На Фиг. 1 схематически изображено устройство 1 для производства нановолокон 5, в особенности наноцеллюлозы 6, из смеси веществ с волокнами 3, в частности волокнистой массы 4. Принцип распадения смеси 2 с волокнами можно увидеть из иллюстрации поперечного сечения. В соответствии с изобретением подвижный блок обработки 7 расположен относительно, по меньшей мере, одного противоположно расположенного разгрузочного элемента 11. Между разгрузочным элементом 11 и частью поверхности 10 блока обработки 7, подверженной влиянию смеси веществ, формируется щелевидная зона обработки 16.

Как схематически показано на Фиг. 1, смесь веществ 2 включает жидкий компонент, а также волокна 3, которые могут состоять, в частности, из волокнистой массы 4 или целлюлозы. Смесь веществ 2 проталкивается через разгрузочный элемент 11 при заданном технологическом давлении 15. В процессе этого подвижный блок обработки 7 может, например, пассивно перемещаться по схеме относительного движения посредством вывода смеси 2 обрабатываемых веществ из зоны обработки 16 в направлении движения 23. Аналогичным образом, блок обработки 7 может активно перемещаться, например, как показано на Фиг. 6, в направлении движения 23 с помощью приводного механизма 20. При прохождении смеси веществ 2 с волокнами 3 через разгрузочный элемент 11, силы сдвига, возникающие в сформированной щелевидной зоне обработки 16, используются для распада волокон 3, особенно целлюлозы 4, до нановолокон 5, особенно наноцеллюлозы 6.

Пример конфигурации на Фиг. 1 представляет блок обработки 7, сформированный в виде диска 22. В этом случае блок обработки 7 вращается вокруг оси вращения 24 и/или амортизирован. Разгрузочный элемент 11 имеет ось разгрузочного элемента 21, которая по существу соответствует воображаемой продольной оси, проходящей через разгрузочный элемент 11 в центре разгрузочного отверстия 12. Как это особенно отчетливо видно из обобщенного вида на Фиг. 1 и Фиг. 2, относительная скорость 27 в зоне обработки 16 может быть установлена через радиальное расстояние 25 между осью разгрузочного элемента 21 и осью вращения 24.

Из обобщенного вида, представленного на Фиг. 1 и Фиг. 2 по Фиг. 6 видно, что в направлении движения 23 подвижный блок обработки 7 проходит мимо разгрузочного элемента 11. Это относительное перемещение предпочтительно происходит преимущественно в направлении вбок, особенно предпочтительно нормально движение к оси разгрузочного элемента 21.

На Фиг. 2 показана дополнительная и, возможно, независимая конструкция устройства, относящегося к изобретению. В этой конструкции разгрузочный элемент 11 имеет, по меньшей мере, частично функциональную поверхность 13, окружающую разгрузочное отверстие 12. Как показано, функциональная поверхность 13 может быть сформирована как единое целое с разгрузочным элементом 11. Однако возможно, что функциональная поверхность 13 может быть прикреплена к разгрузочному элементу 11 как часть концевой секции 14 или также как отдельный компонент для обеспечения простой взаимозаменяемости. При прохождении и/или вдавливании смеси веществ 2 через разгрузочный элемент 11 в зоне обработки 16 может быть сформирован гидродинамический подшипник 29. В этом случае зона обработки 16 включает в себя функциональную поверхность 13 и соответствующая часть поверхности 10, находящаяся под воздействием смеси веществ, которая лежит напротив. За счет образования жидкостного клина в гидродинамическом подшипнике 29 можно избежать контакта разгрузочных элементов Пи/или функциональной поверхности 13 с блоком обработки 7.

На Фиг. 2 также можно видеть, что разгрузочный элемент 11 имеет рабочее расстояние 17 от части поверхности 10, на которую воздействует смесь веществ. Такое рабочее расстояние 17 также может быть установлено для устройства, схематично представленного на Фиг. 1.

Пример конфигурации устройства позиционирования 18 для позиционирования разгрузочного элемента 11 показан на Фиг. 3, 4 и Фиг. 6 и логически переносим на Фиг. 1, 2 и 5. Как это особенно очевидно на Фиг. 3а и б, устройство позиционирования 18 может использоваться для перемещения, по меньшей мере, одного разгрузочного элемента 11 в направлении блока обработки 7 и/или под прямым углом к нему. Такое устройство позиционирования 18 может быть использовано, в частности, для настройки рабочего расстояния 17.

На Фиг. 3а, б, а также на Фиг. 4а-в схематично представлены устройства 1, на которых два или более разгрузочные элемента 11 расположены относительно блока обработки 7. Здесь на Фиг. 3а показаны два разгрузочных элемента 11, которые расположены на расстоянии от первой области поверхности 8 блока обработки 7 симметрично относительно оси вращения 24. На Фиг. 3б схематически представлена ситуация, в которой два разгрузочных элемента, расположенных противоположно и симметрично друг другу, лежат на первой поверхности 8, соответственно, на второй поверхности 9 блока обработки 7. За счет конструкции блока обработки 7 в виде диска 22 в конструкциях, представленных на Фиг. 3а и б, любые изгибающие моменты на диске 22 и, тем самым, на оси вращения могут быть скомпенсированы.

Подача, как минимум, одного разгрузочного элемента 11 может в каждом случае осуществляться через отдельное подающее устройство 19 или также через общее подающее устройство 19 для подачи смесей веществ 2, содержащих волокна 3. По соображениям простоты представление такого подающего устройства 19 не показано на Фиг. 1, 2, 4 и 5.

Подвижный блок обработки 7 может быть сформирован в соответствии с изобретением как вращательно-симметричное тело, такое как цилиндр, барабан, конус или диск 22, как схематически представлено на Фиг. 4а, 4б и 3. В качестве альтернативы, можно сформировать подвижный блок обработки 7 в форме ленты, например, в виде цепи или ремня, как схематически показано на Фиг. 4в. В частности, на Фиг. 3 и 4 видно, что несколько разгрузочных элементов 11 могут быть закреплены за общим блоком обработки 7. При этом подвижный блок обработки 7 может быть подключен к приводному механизму 20, как можно видеть на Фиг. 3, 4 и 6. Такой приводной механизм 20 может, например, быть выполнен в виде гидравлического или пневматического двигателя и, особенно предпочтительно, в качестве электрического двигателя и может быть снабжен регулятором скорости.

Устройство позиционирования 18, схематически представленное на Фиг. 3, 4 и 6, может быть выполнено с возможностью регулировки и/или позиционирования для установки рабочего расстояния 17 и/или телесного угла 26, по меньшей мере, между одним разгрузочным элементом 11 и частью поверхности 10 подвижного блока обработки, находящейся под воздействием смеси веществ. Также можно предположить, что используя общее позиционирующее устройство 18, несколько разгрузочных элементов 11 могут быть размещены вместе относительно блока обработки. Кроме того, на Фиг. 3 и 4 видно, что, по меньшей мере, два разгрузочных элемента 11 могут быть расположены в направлении по окружности и/или в радиальном направлении относительно подвижного блока обработки 7. При этом разгрузочные элементы 11 могут быть расположены симметрично и/или смещены относительно друг друга на первой поверхности 8 и/или второй поверхности 9.

Не проиллюстрирована специальная конфигурация цилиндров, конусов, ремней или цепей, в которой, по меньшей мере, один второй разгрузочный элемент 11 расположен, по существу, напротив первого разгрузочного элемента 11, посредством чего первый разгрузочный элемент 11 закреплен за первой областью поверхности 8 блока обработки 7, а соответствующий второй разгрузочный элемент 11 закреплен за второй областью поверхности 9, лежащей напротив первой области 8. Эта видно из Фиг. 3б для блока обработки 7, сформированного как диск, и может быть экстраполирована специалистом другим вращательно-симметричным и/или ленточным блокам обработки 7.

На Фиг. 5а-г изображены несколько разгрузочных элементов 11 в разных возможных ко нфигурациях.

Здесь на Фиг. 5а показан разгрузочный элемент 11, ось разгрузки 21 которого расположена под предпочтительным заранее заданным телесным углом относительно перпендикуляра части поверхности 10 блока обработки 7, затронутой смесью веществ. Такое расположение разгрузочного элемента 11 может быть выполнено с помощью устройства позиционирования 18, как описано выше. Из этого схематического представления также отчетливо видно образование гидродинамического подшипника 29.

Другой пример разгрузочного элемента 11 схематически показан на Фиг. 5б, в котором концевой участок 14 разгрузочного элемента 11, обращенный к части поверхности 10, затронутой смесью веществ, по меньшей мере, частично амортизирован.

Таким образом, тип плавающего подшипника концевой секции 14 может быть сформирован во время формирования гидродинамического подшипника 29, не вызывая заклинивания или засорения концевой секции 14.

На Фиг. 5в показан схематический вид в разрезе через разгрузочный элемент 11, отверстие одного разгрузочного элемента, окружающее функциональную поверхность 13, и блок обработки 7 с криволинейной поверхностью. Функциональная поверхность 13 по существу сформирована в форме, дополняющей частичную поверхность 10 блока обработки 7, на которую воздействует смесь веществ. Таким образом, в особенности возможны вогнутые и выпуклые формы функциональной поверхности 13, как это особенно четко показано на Фиг. 5г.

На Фиг. 5г еще одна возможная конфигурация разгрузочного элемента 11 и функциональной поверхности 13 схематично представлена в виде снизу. Таким образом, функциональная поверхность 13 образована с большим продольным удлинением в направлении движения 23, чем в поперечном сечении и/или против предполагаемого направления движения 23. Показанные стрелки движения схематически показывают однородный вывод смеси 2 обрабатываемых веществ. При использовании такой профилированной функциональной поверхности 13 форма может быть оптимизирована специалистом для соответствующего применения и геометрии блока обработки 7. Зона обработки 16 должна, как уже пояснялось ранее, по существу, образовываться между функциональной поверхностью 13 и соответствующей частью поверхности 10, подвергающейся воздействию смеси веществ.

В соответствии с изобретением разгрузочные элементы 11 и их комбинация, изображенные на Фиг. 5а-г, могут быть включены в описание Фиг. 2, 3, 4 и 6, и по соображениям краткости не рассматриваются отдельно, а приводятся в качестве ссылок на соответствующие дискуссии.

На Фиг. 6 показан общий схематичный вид устройства 1, относящегося к изобретению. Здесь просто расположен разгрузочный элемент 11, выровненный относительно подвижного блока обработки 7. Позиционирование разгрузочного элемента 11 выполняется с помощью устройства позиционирования 18. Подача смеси веществ 2 происходит через подающее устройство 19. Блок обработки 7, выполненный в виде диска 22, приводится в движение в направлении движения 23 приводным механизмом 20.

Как видно из Фиг. 6, устройство 1 имеет корпус 28, который изображен в открытом виде. Корпус 28 служит для захвата вещества во время обработки и может быть герметизирован, по меньшей мере, от приводного механизма 20 с помощью одного или нескольких уплотнительных элементов 30. Примеры таких уплотнительных элементов 30 также можно увидеть на Фиг. 3, при этом они могут быть выполнены как контактные или также бесконтактные. Смесь обрабатываемых веществ 2 может быть собрана в резервуаре для сбора 31. Также возможно соединить подающее устройство 19 с резервуаром для сбора 31 для создания принципа циркуляции.

В рамках настоящего изобретения отдельные этапы процесса также могут быть автоматизированы и, предпочтительно, находиться под управлением центрального, не иллюстрированного, системного контроллера. Кроме того, предусмотрено управление с помощью панели управления или сенсорного экрана для мониторинга и управления системой.

Настройка заданной дисперсии длин волокон и/или поперечных сечений волокон и/или их распределения может быть задана пользователем и управляться с помощью системного контроллера. Повторная пропускная способность, по меньшей мере, частей смеси обрабатываемых веществ 2 также может быть использована для установки однородности и/или качества нановолокон 5 соответственно наноцеллюлозы 6.

Консистенция смеси веществ 2 может влиять на качество смеси обрабатываемых веществ 2. В данном устройстве 1 и соответствующих процессах суспензии, то есть смеси веществ 2, с содержанием волокон от 0,1 до прибл. 10 об. %, предпочтительно от 1 до прибл. 8 об. %, могут быть надежно и легко обработаны. Консистенции до 25 об. % и более также возможны. Здесь при определенных обстоятельствах может потребоваться, чтобы специалист прибегнул к подходящим подающим устройствам 19, которые способны доставлять смеси веществ 2 с такой высокой консистенцией при применении достаточно высокого технологического давления 15. Особенно подходящими для этого являются, например, конфигурации винтов подачи высокого давления.

Варианты выполнения изобретения показывают возможные варианты конструкции, однако следует отметить, что это далеко не все варианты конструкции изобретения. В действительности вариантов гораздо больше, включая различные комбинации отдельных вариантов конструкций между собой. Возможности зависят от изучения технических приемов в процессе создания с учетом навыков конкретного специалиста, работающего в этой области техники.

Объем защиты определяется формулой изобретения. Однако для интерпретации формулы изобретения необходимо использовать описание и чертежи. Отдельные признаки или комбинации признаков из проиллюстрированных и описанных вариантов осуществления могут представлять собой автономные, инновационные решения. Основную задачу для автономных инновационных решений можно взять из описания.

Следует понимать, что вся информация о диапазонах значений в показательном описании включает все подзоны, например, следует понимать, что спецификация 1-10 включает все подзоны, начиная с нижнего предела 1 и верхнего предела 10, это означает, что все подзоны начинаются с нижнего предела, равного 1 или более, и заканчиваются верхним пределом, равным 10 или менее, например, от 1 до 1,7, или от 3,2 до 8,1 или от 5,5 до 10.

Во избежание недоразумений следует отметить, что для лучшего понимания конструкции некоторые элементы не изображены в масштабе, и/или увеличены и/или уменьшены.

Список ссылок

1 Устройство

2 Смесь веществ

3 Волокно

30 Уплотнительный элемент

31 Резервуар для сбора

4 Волокнистая масса

5 Нановолокно

6 Наноцеллюлоза

7 Блок обработки

8 Первая поверхность

9 Вторая поверхность

10 Часть поверхности, находящаяся под воздействием смеси веществ

11 Разгрузочный элемент

12 Разгрузочное отверстие

13 Функциональная поверхность

14 Концевая секция

15 Технологическое давление

16 Зона обработки

17 Рабочее расстояние

18 Устройство позиционирования

19 Устройство подачи

20 Приводной механизм

21 Ось разгрузочного элемента

22 Диск

23 Направление движения

24 Ось вращения

25 Радиальное расстояние

26 Телесный угол

27 Относительная скорость

28 Корпус

29 Гидродинамический подшипник

Изобретение относится к устройству (1) и способу производства нановолокон (5), в частности наноцеллюлозы (6), из смеси веществ (2) с волокнами (3, 4), для чего создается устройство (1), включающее в себя по меньшей мере один разгрузочный элемент (11) с разгрузочным отверстием (12) для прохождения смеси веществ (2) с волокнами; по меньшей мере одно подающее устройство (19) для подачи смеси веществ (2) с волокнами к разгрузочному элементу (11) с заданным рабочим давлением (15); по меньшей мере одно устройство позиционирования (18) для позиционирования разгрузочного элемента (11) и тем самым для распадения смеси веществ (2) с волокнами; подвижный блок обработки (7) напротив по меньшей мере одного разгрузочного элемента (11), в результате чего при прохождении смеси веществ (2) с волокнами (3) через разгрузочный элемент (11) формируется щелевидная зона обработки (16) между разгрузочным элементом (11) и частью поверхности подвижного блока обработки (7), на которую воздействует смесь веществ (10). 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство (1) для производства нановолокон (5), а именно наноцеллюлозы (6), из смеси веществ (2), содержащих волокно (3, 4), которое включает в свой состав:

- по меньшей мере один разгрузочный элемент (11) с разгрузочным отверстием (12) для вывода смеси веществ, содержащей волокно (2);

- по меньшей мере одно устройство подачи (19) для подачи смеси (2) веществ, содержащей волокно, на разгрузочный элемент (11) с заданным технологическим давлением (15);

- по меньшей мере одно устройство позиционирования (18) для позиционирования разгрузочных элементов (11);

где для распада смеси веществ (2), содержащей волокно, подвижный блок обработки (7) расположен напротив по меньшей мере одного разгрузочного элемента (11), посредством чего на выходе смеси веществ (2), содержащих волокно (3), через разгрузочный элемент (11) образуется щелевидная зона обработки (16) между разгрузочным элементом (11) и частью поверхности подвижного блока обработки (7), находящейся под воздействием смеси веществ (10).

2. Устройство (1) по п. 1, отличающееся тем, что подвижный блок обработки (7) выполнен с возможностью перемещения посредством приводного механизма (20) в направлении движения (23), преимущественно вбок, предпочтительно в нормальном направлении, к одной из осей (21) разгрузочного элемента (11).

3. Устройство (1) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что вращение подвижного блока обработки (7) формируется симметрично, подобно диску (22), цилиндру, или конусу, или ленточному элементу, например цепи или ремню.

4. Устройство (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что подвижный блок обработки (7) выполнен в виде диска (22), вращающегося вбок, предпочтительно в нормальном направлении, к разгрузочному элементу (11).

5. Устройство (1) по п. 4, отличающееся тем, что по меньшей мере одно устройство позиционирования (18) выполнено с возможностью перемещения параллельно оси (24) вращения диска (22) для установки заранее определенного радиального расстояния (25) оси (21) разгрузочного элемента от оси вращения (24).

6. Устройство (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что разгрузочный элемент (11) сформирован по меньшей мере частично с функциональной поверхностью (13), окружающей разгрузочное отверстие (12) для образования гидродинамического подшипника (29) в зоне обработки (16).

7. Устройство (1) по п. 6, отличающееся тем, что функциональная поверхность (13) имеет большую продольную протяженность в направлении движения (23), чем в поперечном сечении, и/или против направления движения (23).

8. Устройство (1) по п. 6 или 7, отличаеющееся тем, что функциональная поверхность (13), по сути, дополняет по форме часть поверхности подвижного блока обработки (7), которая находится под воздействием смеси веществ (10).

9. Устройство (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере один разгрузочный элемент (11) выполнен с возможностью регулировки под заданный телесный угол (26) оси (21) разгрузочного элемента относительно области поверхности (8) подвижного блока обработки (7).

10. Устройство (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере одно устройство позиционирования (18) выполнено с возможностью регулировки для установки рабочего расстояния (17) и/или телесного угла (26) между по меньшей мере одним разгрузочным элементом (11) и частью поверхности подвижного блока обработки (7), которая находится под воздействием смеси веществ (10).

11. Устройство (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что концевая секция (14) по меньшей мере одного разгрузочного элемента (11) установлена по меньшей мере частично с возможностью перемещения относительно части поверхности (10), которая находится под воздействием смеси веществ.

12. Устройство (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере два разгрузочных элемента (11) расположены симметрично в направлении по окружности и/или в радиальном направлении относительно подвижного блока обработки (7).

13. Устройство (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере второй разгрузочный элемент (11) расположен, по существу, напротив первого разгрузочного элемента (11), причем первый разгрузочный элемент (11) закреплен за первой областью поверхности (8) подвижного блока обработки (7), а второй разгрузочный элемент (11) закреплен за второй областью поверхности (9), лежащей напротив первой области поверхности (8).

14. Устройство (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере два разгрузочных элемента (11) расположены по направлению движения (23) и/или перпендикулярно направлению движения (23) подвижного блока обработки (7).

15. Устройство (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере подвижный блок обработки (7) изолирован от приводного механизма (20) корпусом (28) с помощью контактного и/или бесконтактного уплотнительного компонента (30), предпочтительно лабиринтного уплотнения, не требующего обслуживания.

16. Способ производства нановолокон (5), а именно наноцеллюлозы (6), из смеси веществ (2), содержащей волокно (3), в частности волокнистую массу (4), включает следующие технологические этапы:

- предоставление устройства (1) в соответствии с пп. 1-15;

- предоставление смеси веществ (2), которая включает как минимум один жидкий компонент, предпочтительно воду, и волокна (3), предпочтительно волокнистую массу (4);

- перемещение подвижного блока обработки (7) относительно по меньшей мере одного разгрузочного элемента (11) с заданной относительной скоростью (27);

- продавливание смеси веществ (2), содержащей волокна (3), через по меньшей мере один разгрузочный элемент (11) при заданном технологическом давлении (15);

- обработка смеси веществ (2) посредством формирования щелевидной зоны обработки (16) для распада волокон (3) между разгрузочным элементом (11) и частью поверхности подвижного блока обработки (7), которая находится под воздействием смеси веществ (10), посредством позиционирования разгрузочного элемента (11) относительно подвижного блока обработки (7).

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что подвижный блок обработки (7) перемещают посредством приводного механизма (20) в направлении движения (23), в основном вбок, предпочтительно в нормальном направлении, к одной из осей (21) разгрузочного элемента (11).

18. Способ по пп. 16, 17, отличающийся тем, что по меньшей мере один разгрузочный элемент (11) с разгрузочным отверстием (12), образованным по меньшей мере частично с функциональной поверхностью (13), используется для образования гидродинамического подшипника (29) между разгрузочным элементом (11) и частью поверхности, которая находится под воздействием смеси веществ (10).

19. Способ по пп. 16-18, отличающийся тем, что относительная скорость (27) блока обработки (7), перемещаемого для установки сил сдвига, сформированных в щелевидной зоне обработки (16), регулируется.

20. Способ по пп. 16-19, отличающийся тем, что рабочее расстояние (17) по меньшей мере между одним разгрузочным элементом (11) и соответствующей частью поверхности, которая находится под воздействием смеси веществ (10), предназначено для установки сил сжатия на перемещение блока обработки (7), регулируется посредством по меньшей мере одного устройства позиционирования (18).

21. Способ по пп. 16-20, отличающийся тем, что телесный угол (26) оси (21) по меньшей мере одного разгрузочного элемента (11), предпочтительно для образования необходимого жидкостного клина гидродинамического подшипника (29), регулируется посредством по меньшей мере одного устройства позиционирования (18).

22. Способ по пп. 16-21, отличающийся тем, что перед подачей смеси веществ (2) проводят химическую, и/или ферментативную, и/или механическую предварительную обработку смеси веществ (2), предпочтительно в процессе измельчения в рафинере.

23. Способ по пп. 16-22, отличающийся тем, что, по меньшей мере, этапы процесса прессования и обработки повторяются по меньшей мере с частями смеси обрабатываемых веществ (2).