Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для фибриллирования и сепарирования волокнистых материалов

Изобретение относится к области подготовки растительного сырья, в частности к устройствам для фибриллирования и сепарирования древесно-волокнистого полуфабриката, прошедшего стадию размола в ножевых размалывающих машинах, работающих по сухому способу размола, и может быть использовано для подготовки различных волокнистых растительных полуфабрикатов, например в плитной промышленности.

На современном этапе развития технологии получения древесно-волокнистого полуфабриката растительное сырье проходит стадию размола, которая представляет собой главным образом физико-механический процесс, при котором происходят изменения структуры и коллоидных свойств волокон: разрыв и частичное отделение первичной стенки, уменьшение длины, увеличение внешней удельной поверхности, повышение пластичности, частичное фибриллирование, после чего происходит усредненная оценка показателя качества древесной массы. В связи с этим, древесно-волокнистый полуфабрикат включает в себя неразработанные и слабо фибриллированные волокна. Готовая товарная продукция, изготовленная из такого древесно-волокнистого полуфабриката, имеет неудовлетворительное строение, внешний вид и низкие физико-механические свойства.

Устройств, в которых одновременно имеют место сепарирование и фибриллирование волокнистых материалов, на сегодняшний момент времени не существует. Известны устройства, в которых осуществляют только фибриллирование или только сепарирование волокнистых материалов.

Известно устройство для фибриллирования древесно-волокнистого полуфабриката. Устройство включает установленный в корпусе размольной камеры ротор, имеющий в своем составе вал с насаженной на него крестовиной, закрепленный одним концом в корпусе подшипника, расположенном в крышке, а вторым концом соединенный через втулочно-пальчиковую муфту с электродвигателем. Статор выполнен в виде полого цилиндра с установленными в нем взаимозаменяемыми гребенчатыми планками. Между лопастями крестовины и стенками статора с установленными гребенчатыми планками образуются карманы для загрузки и пропарки растительного сырья [1].

Недостатком данного устройства является невозможность сепарирования древесно-волокнистого полуфабриката в процессе размола и фибриллирования.

Известно устройство для сепарирования волокнистой суспензии. Устройство включает корпус с патрубками для подвода исходной суспензии и отвода отсортированной фракции и отходов. В корпусе на приводном валу установлен цилиндрический ротор, образующий с кольцевыми пластинами, закрепленными на внутренней поверхности корпуса, по крайней мере две кольцевые сортирующие щели. На торцах ротора закреплены лопатки. Лопатки закреплены таким образом, что их концы выступают над его цилиндрической поверхностью с перекрытием сортирующих щелей. Лопатки могут быть выполнены в виде лопастей центробежного насоса [2].

Недостатком данного устройства является невозможность сепарирования в воздушной среде и отсутствие эффекта фибриллирования волокна.

Таким образом, существующие устройства не позволяют сепарировать волокно с требуемыми геометрическими параметрами в процессе размола в воздушной среде и дополнительно фибриллировать его.

Изобретение решает задачу одновременного сепарирования и фибриллирования древесно-волокнистого полуфабриката, получаемого из растительного сырья непосредственно в процессе размола для улучшения качества получаемого продукта.

Техническим результатом изобретения является разработка конструкции сепаратора, позволяющего получать древесно-волокнистый полуфабрикат не только однородного гранулометрического состава, но и за счет дополнительного фибриллирования древесного волокна, увеличения его удельной поверхности, что обеспечивает связеобразование в готовом изделии.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для фибриллирования и сепарирования волокнистых материалов включает основание с отверстиями, выполненными в шахматном порядке, при этом в отверстия вставлены стаканы со стопорными кольцами в нижней части, а верхняя часть стакана выполнена в виде последовательно чередующихся зубьев с высотой 2,1-2,5 мм и углом при вершине зуба 23-25°, высотой 1,6-2,0 мм и углом при вершине зуба 31-32°, высотой 1,1-1,5 мм и углом при вершине зуба 42-43°.

Проходное сечение вставок не позволяет проходить неразмолотым пучкам волокна из-за их большого размера поперечного сечения. Волокна, имеющие требуемые геометрические размеры, проходят через вставки и одновременно подвергаются дополнительному фибриллированию благодаря острым краям вставок.

Высоты, углы при вершинах зубьев и чередование определялись экспериментальным путем. Зубья высотой 7,6-8,0 мм и углом при вершине 23-25° оказывают надрезающее и рвущее действие на волокна, способствуя образованию магистральной трещины и внутреннего фибриллирования, но при этом уменьшают площадь проходного сечения стакана. Зубья высотой 7,1-7,5 мм и углом при вершине 31-32° способствуют в меньшей степени образованию магистральной трещины и внутреннему фибриллированию, но при этом практически не уменьшают площадь проходного сечения стакана. Зубья высотой 6,6-7,0 мм и углом при вершине 42-43° способствуют как внутреннему, так и внешнему фибриллированию, а также разделению волокна по фракциям.

На фиг. 1 изображено основание устройства для фибриллирования и сепарирования с установленными стаканами (вид спереди); фиг. 2 - основание устройства для фибриллирования и сепарирования с установленными стаканами (вид сзади); фиг. 3 - стакан с зубьями; фиг. 4 - развертка стакана с зубьями.

Устройство состоит из установленных в основании 1 (фиг. 1) устройства для фибриллирования и сепарирования стаканов 2 (фиг. 1), с последовательно чередующимися разновысокими зубьями, выполненными в форме цилиндра с длиной образующей, равной h₄=5,3-5,7 мм, закрепленных при помощи стопорного кольца 3 (фиг. 3), установленного в паз 4 (фиг. 3). Как показано на фиг. 2, стаканы с зубьями 2 установлены так, что расстояние между их осями составляет: а=12-15 мм, а между осями и краем основания b=15-17 мм.

Каждый стакан имеет на выходе в верхней части острые зубья трех видов (фиг. 4): 4 зуба высотой h₁=7,6-8,0 мм и углом при вершине α=23-25°; 4 зуба высотой h₂=7,1-7,5 мм и углом при вершине β=31-32°; 8 зубьев 3 высотой h₃=6,6-7,0 мм и углом при вершине γ=42-43°.

Устройство работает следующим образом.

В процессе подготовки сухим способом размола растительного сырья в ножевой размалывающей машине пучки слабо размолотых волокон, скользя вдоль внутренней стенки сепаратора - выступающие острые края зубьев, проходя через цилиндрические стаканы 2 (фиг. 1) с острыми зубьями (фиг. 4), разделяются вдоль на отдельные волокна и фибриллы (имеет место начес пучков волокон и отдельных волокон). Разделенные волокна, имеющие требуемые геометрические размеры, проходят через стаканы и одновременно подвергаются дополнительному фибриллированию благодаря острым зубьям. Зубья высотой 7,6-8,0 мм и углом при вершине 23-25° оказывают надрезающее и рвущее действие на волокна, способствуя образованию магистральной трещины и внутреннему фибриллированию. Зубья высотой 7,1-7,5 мм и углом при вершине 31-32° способствуют образованию внешнего фибриллирования. Зубья высотой 6,6-7,0 мм и углом при вершине 42-43° способствуют как внутреннему, так и внешнему фибриллированию, а также разделению волокна по фракциям.

Пример 1. При получении древесно-волокнистых полуфабрикатов в воздушной среде с использованием устройства для фибриллирования и сепарирования волокнистых материалов использовалась щепа влажностью 45%, имеющая следующий породный состав: сосна - 94%, лиственница - 4%, береза и осина - 2%. Размол осуществлялся при величине рабочего зазора 2 мм. Зубья стакана имели следующие геометрические характеристики высоты: 2,1 мм, 1,6 мм, 1,1, и углы при вершине соответственно 23, 31, 42.

В результате получаем волокнистый полуфабрикат, имеющий высокие значения фракционного показателя качества, достигающие 40 г степени помола массы 22,2 ДС. Полученный волокнистый полуфабрикат имеет высокие значения показателей отношения длины волокна к его диаметру и удельной поверхности достигающие 19,2 и 21100 мм² соответственно.

Пример 2. По устройству прототипа. При получении древесно-волокнистых полуфабрикатов в одну ступень размола использовалось технологическая щепа влажностью 45%, имеющая следующий породный состав: сосна - 94%, лиственница - 4%, береза и осина - 2%. Термическая обработка щепы осуществлялась при температуре 180°С и давлении 1,0 МПа в течение 4 минут. Продолжительность размола составляет 80 секунд при давлении пара в размольной камере 1,0 МПа и зазоре между гранями лопастей ротора и ножами гребенчатых планок статора, равном 0,2 мм. В результате получаем волокнистый полуфабрикат, имеющий значения фракционного показателя качества, не превышающие 30,1 г степени помола массы 18,3 ДС. Вследствие полученный волокнистый полуфабрикат имеет не высокие значения показателей отношения длины волокна к его диаметру и удельной поверхности, достигающие 13,8 и 18206 мм² соответственно.

В таблице 1 представлены показатели измельчаемого волокнистого полуфабриката по заявленному устройству в сравнении с прототипом.

Как видно из таблицы 1, волокнистый материал имеет более высокие значения всех качественных показателей, что обеспечивается конструктивными особенностями устройства для сепарирования и фибриллирования. В результате полученный древесно-волокнистый полуфабрикат не только однороден по своему гранулометрическому составу, но и с увеличенной за счет дополнительного фибриллирования удельной поверхностью волокна, что несомненно будет способствовать лучшему связеобразованию, а следовательно, и более высоким значениям физико-механических показателей готовой продукции.

Источники информации

1. Авторское свидетельство 2483150, 27.05.2013, МПК D21D 1/02, D21D 1/32.

2. Авторское свидетельство 2052006, 10.01.1996, МПК D21D 5/18.