PL204973B1

PL204973B1 - Sposób wytwarzania maty z włókien, mata z włókien i zastosowanie takiej maty z włókien

Info

Publication number: PL204973B1
Application number: PL343828A
Authority: PL
Inventors: Bodil Engberg Pallesen
Original assignee: Eriksen Marianne Etlar
Priority date: 1998-05-01
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2010-02-26
Also published as: EA200001123A1; SK287030B6; WO1999057353A1; DK172928B1; ATE214111T1; CA2328853A1; DE69900994T2; PL343828A1; EP1090176B1; DK60998A; TR200003151T2; EA002302B1; CN1299422A; NO322217B1; KR20010043113A; DE69900994D1; CZ301723B6; EP1090176A1; CN1107132C; BR9910150A

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania maty z włókien z użyciem włókien roślinnych. Wynalazek dotyczy szczególnie zastosowania włókien roślinnych na maty, które wykonuje się przy wykorzystaniu skracanych i rozdzielanych włókien. Włókna roślinne wykorzystuje się jako zamiennik włókien z wełny mineralnej, włókien drzewnych, celulozy drzewnej, włókien syntetycznych itp.

Ponadto przedmiotem wynalazku jest mata z włókien wytwarzana sposobem według wynalazku, jak również zastosowanie takiej maty z włókien.

Jest rzeczą znaną wykorzystywanie włókien roślinnych do wytwarzania mat z włókien. Wytwarza się je poprzez zgrzeblenie włókien. Następnie tworzy się runo i ostatecznie wykonuje się igłowanie w celu wytworzenia gotowej maty z włókien. Taki sposób wiąże się z wieloma niedogodnościami. Konieczne było więc uzyskanie ściśle określonego poziomu wilgotności lnu, nie biorąc pod uwagę giętkości, w celu zrealizowania procesu igłowania. Konieczne wysuszenie powoduje jednak rozkład włókien lnianych i tym samym powoduje powstawanie pyłu oraz tworzenie się krótkich włókien, które mogą łatwo zostać wydarte z powstającej maty. Jest to więc proces kosztowny i równocześnie wiążący się z ryzykiem powstawania pyłu z wytwarzanej maty.

Wytwarzanie znanej maty ze zgrzeblonych włókien powoduje to, że włókna leżą w oddzielnych stosach, toteż pomiędzy pojedynczymi warstwami w macie z włókien nie występują mocne wiązania. Co więcej, stosuje się tu względnie długie włókna, których długość zwykle wynosi 100 - 150 mm, lecz także może wynosić do 200 mm. Maty z włókien lnu i konopi są tradycyjnie wykonywane z pakuł, które są produktem ubocznym podczas wytwarzania długich włókien do zgrzeblenia i przędzenia. Ma to miejsce w trzeparkach do lnu. Proces jest kosztowny i trudny, dlatego też pakuły razem z długimi włóknami tekstylnymi z włókien roślinnych, takich jak len i konopie, są względnie drogie. Oprócz tego znana technika stawia duże wymagania odnośnie jakości surowca, włączając stopień roszenia surowców.

Len jako roślina może mieć łodygę o długości 600 - 800 mm. Łodyga ma mocne pęczki włókien biegnące od korzenia do wierzchołka. Te pęczki włókien (włókna) są rozmieszczone w zewnętrznej części łodygi, w przestrzeni pomiędzy pęczkami włókien zaś znajduje się łodyga centralna złożona z komórek zdrewniałych, które po wystawieniu włókien na działanie czynników zewnętrznych dają tzw. paździerze.

Konopie jako roślina mają łodygi, które są znacznie dłuższe niż łodygi lnu. Mogą one mieć długość do 2000 - 3000 mm. W zasadzie łodyga konopi jest zbudowana w taki sam sposób jak łodyga lnu, z pęczkami włókien w warstwie zewnętrznej. Wewnątrz znajduje się część zdrewniała zawierająca komórki drzewne (paździerze), składające się z krótkich włókien o długości 0,5 - 0,6 mm (długość włókna elementarnego).

W celu oddzielenia włókien lnianych od włókien zdrewniałych w łodydze, należy je poddać roszeniu, które jest procesem mikrobiologicznym. Zazwyczaj ma to miejsce na polu poprzez. tzw. roszenie albo słanie na rosie. W wyniku roszenia hemiceluloza i pektyny wiążące razem włókna i części zdrewniałe ulegają rozkładowi. Stopień roszenia ma decydujące znaczenie w procesie wytwarzania włókien tekstylnych do zgrzeblenia i przędzenia. Tak więc granica pomiędzy dobrze zroszonym i nadmiernie zroszonym włóknem jest bardzo wąska. Jest to proces trudny do kontrolowania, ponieważ to proces biologiczny zachodzący w przyrodzie, od którego jednak zależy jakość.

Istnieje zapotrzebowanie na nowy sposób, dzięki któremu włókna roślinne, korzystnie włókna lniane i włókna konopne, będą mogły być stosowane do wytwarzania mat z włókien, który to sposób nie wiąże się z wadami znanych mat z włókien zgrzeblonych lub igłowanych, a który może także być stosowany na skalę przemysłową w odniesieniu do długich serii wyrobów.

Sposób, w którym zarzucono proces zgrzeblenia i igłowania został więc zaproponowany uprzednio. Z międzynarodowej publikacji nr WO 98/01611 jest znany sposób wytwarzania wyrobu z włókien, w którym włókna poddaje się obróbce wstępnej będącej kombinacją roszenia i rozkładu mechanicznego. Wytworzone włókna przetwarza się następnie na wyrób finalny w procesie formowania na sucho. Nie ma jednak szczególnego ujawnienia podprocesów w celu dostarczenia włókien o wł aś ciwościach pożądanych w wyrobie finalnym. Ponadto opisany sposób opiera się o zastosowanie względnie długich włókien, które mogą mieć długość odpowiadającą procesowi zgrzeblenia. Takie długie włókna mogą powodować trudności w etapach procesu stanowiących część sposobu. Oprócz tego nie ma wskazówek co do zbierania włókien w efektywny sposób na odpowiednim etapie procesu, mając na względzie dalszą obróbkę.

PL 204 973 B1

W mię dzynarodowej publikacji nr WO-A-9633306 ujawniono element termoizolacyjny, który jest wykonany z włókien roślinnych i ma trójwymiarową strukturę włókniny o przypadkowym rozkładzie. Ten dokument ujawnia stosowanie bardzo długich włókien i włókien termoplastycznych użytych w celu zapewnienia wiązania włókien w strukturze włókniny.

Celem wynalazku było zatem opracowanie sposobu wytwarzania nowego rodzaju mat z włókien i wskazanie etapów, które są korzystne w zakresie dostarczania włókien o jakości odpowiedniej w procesie i które dają w efekcie wyroby finalne o żądanych wł a ś ciwoś ciach. Ponadto celem by ł o uzyskanie maty z włókien wykonanej tym sposobem oraz wskazanie konkretnego zastosowania takiej maty z włókien.

Zgodny z wynalazkiem sposób wytwarzania maty z włókien charakteryzuje się tym, że stosowane włókna roślinne poddaje się wstępnej obróbce, gdy rośliny zbiera się poprzez ścinanie i młócenie, przy czym łodygi roślin rosi się całkowicie lub częściowo, a następnie skraca się i rozdziela się z utworzeniem masy włóknistej zawierającej głównie pojedyncze włókna o długoś ci w żądanym przedziale 0,1 - 30 mm, przy czym ewentualnie suszy się je do uzyskania żądanej zawartości wody, przy czym w procesie formowania maty na sucho włókna ukierunkowuje się przypadkowo, przy czym matę utrwala się wskutek powstawania wiązań co najmniej częściowo pomiędzy pojedynczymi, mniej lub bardziej fibrylowanymi włóknami.

Korzystnie jako obróbkę wstępną prowadzi się skracanie włókien do długości 3 - 20 mm, a szczególnie 4 - 15 mm.

Ponadto korzystnie rosi się włókna częściowo na polu, przy czym następnie poddaje się je ewentualnemu dalszemu kontrolowanemu roszeniu w wodzie zawierającej enzymy, przed skracaniem.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku stosuje się organiczne środki wiążące, syntetyczne organiczne środki wiążące albo naturalne środki wiążące z wytworzeniem wiązań pomiędzy włóknami.

Włókna dobiera się korzystnie spośród lnu i konopi.

Korzystnie łodygi trzepie się w młynie młotkowym i skraca się do żądanej długości, przy czym włókna w żądanym przedziale długości rozdziela się przy użyciu sita obrotowego, przy czym frakcję włóknistą formuje się na sucho w matę, podczas gdy włókna wdmuchuje się do głowicy formującej umieszczonej nad drutem formującym.

Ponadto korzystnie formowaną matę utrwala się poprzez dodanie 0 - 50% środka wiążącego.

Korzystnie formowana mata zawiera 0 - 10% paździerzy.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku wł ókna skraca się i rozdziela się w stanie suchym, przy czym obróbka wstępna obejmuje rozcieranie włókien, podczas gdy włókna gotuje się w czystej wodzie pod ciśnieniem albo gotuje się w prasie do wyciskania, przy czym są one poddane obróbce chemicznej np. poprzez dodanie zasady, przy czym myje się je i suszy przed formowaniem na sucho wytworzonych włókien.

Zgodna z wynalazkiem mata z włókien charakteryzuje się tym, że stanowi ją mata z włókniny o grubości 2 - 300 mm i gramaturze 30 - 8000 g/m².

Zgodna z wynalazkiem mata z włókien znajduje zastosowanie jako mata izolacyjna, pochłaniająca mata z włókien, jako element w formowanym wyrobie kompozytowym albo jako element w silnie wzmocnionym wyrobie kompozytowym.

Przy użyciu sposobu wprowadza się obróbkę wstępną, w której włókna skraca się i rozdziela w celu utworzenia masy wł ókien, zawierają cej gł ównie pojedyncze wł ókna o dł ugoś ci w żądanym przedziale, przy czym długość ich jest na tyle mała, że nie nadają się do zgrzeblenia. Skracanie można przeprowadzić celowo w odpowiednim urządzeniu, ponieważ kolejny proces nie wymaga zgrzeblenia i tym samym nie wymaga pewnej dł ugoś ci wł ókien. W wyniku skracania zachodzi fibrylacja, która powoduje, że pojedyncze włókna w następującym po tym procesie formowania na sucho mogą utworzyć arkusz, który jest spójny bez konieczności stosowania środka wiążącego, jako że pęczki włókien splatają się ze sobą. Tak więc powstają tu wiązania pomiędzy włóknami w postaci wiązań typu włókno-włókno pomiędzy pojedynczymi włóknami. Utworzona mata nie wymaga igłowania i proces formowania na sucho odbywa się także bez wiązania włókien przy użyciu pary wodnej. A zatem uzyskano bardzo prosty proces tworzenia maty z włókien. Utworzona mata z włókien jest przewiewna i ma dużą objętość oraz może być sprasowana w żądanym stopniu, w zależności od planowanego zastosowania. Możliwe będzie również dodanie środka wiążącego w większej lub mniejszej ilości, w zależności od żądanego zastosowania wyrobu finalnego.

Tradycyjny zbiór lnu i konopi do produkcji tekstylnej odbywa się poprzez wyrywanie, co jest procesem wolnym i pracochłonnym. Po wyrywaniu, gdzie cała roślina zostaje wyciągnięta, pozostawia się

PL 204 973 B1 ją do roszenia. Następnie łodygi prasuje się w bele i odwozi do fabryki włókien. Nasiona oddziela się w trzeparce, a sł omę przerabia się ukł adają c ł odygi równolegle i przerabiają c je w urzą dzeniach przetwórczych.

W odróżnieniu od wymienionych wyżej tradycyjnych zbiorów poprzez wyrywanie, przy użyciu sposobu według wynalazku można wprowadzić obróbkę wstępną/zbiór lnu w sposób różny od tradycyjnego. W przypadku lnu odbywa się to poprzez ścinanie lnu, np. poprzez pozostawienie go leżącego w postaci pokosu, po czym ziarna lnu m ł óci się , korzystnie poprzez zbiór kombajnem. Ł odygi lnu leżą przez odpowiedni czas po zbiorze ziaren, w wyniku czego roszenie zachodzi w żądanym zakresie. Tak więc, jeżeli pożądane są nie roszone włókna lnu, słomę lnianą zbiera się natychmiast po wymłóceniu. Łodygi zbiera się do prasowania albo zbiera się łącząc cięcie i prasowanie.

Konopie zbiera się poprzez ścinanie, np. pozostawiając w postaci pokosu, w dwóch lub więcej turach. Tak więc, pierwsze ścinanie może mieć miejsce przy pozostawieniu ścierniska o wysokości około 1 m, a następnie koszenie z pozostawieniem ścierniska o wysokości około 0,2 m. Po ścięciu, łodygi konopi pozostawia się przez odpowiedni czas do roszenia. Następnie łodygi prasuje się w bele oraz tnie i suszy przed dalszą przeróbką w celu utworzenia pojedynczych włókien, jak to opisano wyżej, np. poprzez skracanie i trzepanie w trzeparce/młynie młotkowym a następnie rozdzielanie na sicie, np. na sicie obrotowym.

Wstępna obróbka łodyg obejmuje skracanie i rozdzielanie. W praktyce okazało się, że młyn młotkowy jest odpowiedni do skracania i równoczesnego trzepania łodyg. Alternatywnie, łodygi można pociąć przed wprowadzeniem do młyna młotkowego, jak wspomniano przy okazji sposobów zbierania. Okazało się możliwe utrzymanie wysokiej wydajności i jednorodnej jakości bez względu na to, w jaki sposób łodygi wprowadza się do młyna młotkowego. Nie ma więc potrzeby powolnego podawania równolegle ułożonych łodyg, stosowanego w tradycyjnych trzeparkach do lnu.

Trzepanie, tzn. uwalnianie części zdrewniałych z pęczków włókien/pojedynczych włókien jest bardzo efektywne, jeżeli pracuje się na wysokich obrotach młyna. W tym procesie włókna ulegają skróceniu tak, że główna część utworzonych włókien ma długość 0,1 - 30 mm, korzystnie pomiędzy 4 - 15 mm. To trzepanie albo ekspozycja włókien są całkowicie różne od tradycyjnego trzepania, w którym wytwarza się bardzo długie włókna do zgrzeblenia i przędzenia.

Usuwanie paździerzy z włókien może mieć miejsce na sicie obrotowym lub podobnym. W praktyce trudno jest całkowicie oczyścić włókna z paździerzy i z pyłu. Możliwe jednak będzie pozostawienie mniejszej części we włóknach bez pogarszania jakości utworzonej maty. Tak więc, do pewnego stopnia, paździerze mogą być wykorzystane w dalszym procesie wytwarzania maty z włókien.

Dzięki zastosowaniu wynalazku nie ma takich samych wymagań dotyczących określonego stopnia roszenia. Sposób według wynalazku umożliwia więc stosowanie roszenia tradycyjnego albo roszenia kontrolowanego, np. w wodzie zawierającej enzymy. Można więc eksponować i używać włókien od całkowicie nie roszonych do silnie przeroszonych, w zależności od zastosowania. Można więc wykorzystywać łodygi, które nie były roszone, które były słane na rosie na polu bądź też takie, które były roszone w procesie roszenia kontrolowanego. Po roszeniu i suszeniu, len poddaje się obróbce mechanicznej w celu oddzielenia wiązek włókien od paździerzy. Utworzone włókna mogą być skracane poprzez cięcie, w celu uzyskania żądanych długości.

Poprzez lekkie roszenie i następującą po nim obróbkę mechaniczną i ewentualnie obróbkę chemiczną można rozłożyć pęczki włókien i utworzyć pojedyncze włókna. Pojedyncze włókna można wykorzystać do wytworzenia bardziej przewiewnych wyrobów niż w przypadku wykonywania wyrobów z pę czków włókien. Stwierdzono jednak, ż e utworzone wł ókna jednokomórkowe nie są odpowiednie do wytwarzania mat z włókien przy użyciu znanych procesów igłowania, ponieważ skrócenie ich długości czyni je niezdatnymi do zgrzeblenia.

Sposób według wynalazku koncentruje się szczególnie na włóknach lnianych i włóknach konopnych, lecz można go także zastosować w odniesieniu do innych włókien roślinnych, o strukturze odpowiadającej strukturze lnu i konopi.

W niektórych matach z włókien, gdzie pożądane jest rozcieranie włókien roślinnych na miazgę, np. w pochłaniaczach włóknistych, prowadzi się wstępną obróbkę włókien przed uformowaniem maty z włókien. Rozcieranie na miazgę może mieć miejsce podczas gotowania włókien w wodzie pod ciśnieniem albo podczas gotowania w prasie do wyciskania. Ponadto mogą być one poddane obróbce chemicznej, np. poprzez dodanie zasady do wody. Następnie utworzone włókna myje się i suszy przed ich dalszym wykorzystaniem w procesie formowania na sucho. Alternatywnie, można także przeprowadzić czyszczenie na mokro masy włókien na tym etapie wytwarzania. Tak więc włókna,

PL 204 973 B1 które są czyszczone na sicie i przetwarzane na miazgę, mogą być podawane do hydrocyklonu, w wyniku czego okazało się moż liwe usunięcie poprzez czyszczenie bardzo dużej części paździerzy w gotowej pulpie. Okazało się wię c moż liwe uzyskanie pulpy, która zawiera tylko do 0,1% paź dzierzy. Ponieważ paździerze zostają usunięte, wzrasta wytrzymałość wytwarzanej następnie maty z włókien, ponieważ mata z włókien zawierać będzie więcej włókien do wiązań włókien, jako że mata z włókien zawiera więcej włókien na jednostkę powierzchni, ponieważ ciężar jednego paździerza odpowiada ciężarowi dużej liczby włókien. W praktyce okazało się możliwe zwiększenie wytrzymałości gotowego wyrobu poprzez oczyszczanie z paździerzy w hydrocyklonie. Ponieważ przepustowość hydrocyklonu jest mała, korzystne jest usunięcie tak wielu paździerzy w procesie czyszczenia na sucho, jak to tylko możliwe. Następującą po tym obróbkę/czyszczenie w hydrocyklonie korzystnie prowadzi się w połączeniu ze sposobami wstępnej obróbki włókien, włączając przerób na miazgę.

Wytworzone włókna są następnie używane do formowania macy z włókien w procesie formowania na sucho, co zasadniczo odpowiada procesowi formowania na sucho stosowanemu w formowaniu na sucho papieru.

Utworzone pojedyncze włókna będą mniej lub bardziej fibrylowane, co zwiększa tendencję włókien do owijania i zwijania się ze sobą. Tym samym uzyskuje się automatycznie wiązania pomiędzy włóknami w macie z włókien. W niektórych obszarach zastosowań nie będzie więc konieczne dodawanie środków wiążących. Będzie jednak również możliwe dodawanie środków wiążących w celu wytworzenia wiązań pomiędzy pojedynczymi włóknami. Powstająca mata z włókien będzie więc mieć jednorodną spójną strukturę na całej grubości.

Środki wiążące, które można stosować, to organiczne środki wiążące, syntetyczne organiczne środki wiążące albo naturalne środki wiążące. W charakterze środków wiążących można stosować polimery, np. tworzywa termoplastyczne. W szczególności podczas wytwarzania wyrobów kompozytowych i wyrobów o wysokiej wytrzymałości, gdzie powstały arkusz z włókien można uważać za wzmocnienie z włókien umieszczone w osnowie z polimerów, można zastosować względnie duże ilości środków wiążących. W takich wyrobach będzie więc do 50% środków wiążących w stosunku do gotowego wyrobu.

Środki wiążące mogą być także wprowadzone w postaci włókien syntetycznych, np. włókien dwuskładnikowych złożonych z polipropylenu i polietylenu, poliestru, winylu itp. W takiej sytuacji utrwalanie arkusza zachodzić będzie w wyniku podgrzewania do temperatury topienia tworzywa, w wyniku czego powstają wiązania pomiędzy włóknami. Jako przykłady naturalnych środków wiążących można wymienić skrobię i produkty kwasu mlekowego. Takie środki wiążące można dodawać jako składnik w iloś ci do 5 - 15%.

Ilość i typ środków wiążących będą więc zależeć od planowanego zastosowania wytworzonej maty z włókien. Mata z włókien przeznaczona na maty izolacyjne będzie więc zawierać bardzo mało środka wiążącego albo w ogóle będzie go pozbawiona. W przeciwieństwie do tego, przykładowo arkusz kompozytowy ma właściwości odpowiadające znanym z płyt pilśniowych oraz wiórowych i będzie zawierać większą ilość środka wiążącego (10 - 50%), a środek wiążący i mata z włókien przejdą przez prasowanie równocześnie z wytwarzaniem wiązań pomiędzy włóknami. Tym samym wytwarza się zwarty i mocny arkusz.

Ponadto możliwe będzie modyfikowanie właściwości wytwarzanego wyrobu poprzez zmianę długości włókien w wyrobie. Tak więc w pewnych wyrobach korzystne będzie aby część, np. 10% albo więcej paździerzy z procesu oddzielania, była wprowadzona do procesu formowania na sucho, tak aby utworzyć bardziej zwartą i wytrzymałą matę.

Jeżeli pożądane są maty miękkie i przewiewne, nie dodaje się paździerzy i równocześnie nie wykonuje się żadnego znaczącego prasowania uformowanej na sucho warstwy. Co więcej, w takich przewiewnych wyrobach będą stosowane włókna roślinne, korzystnie włókna lniane, które są odpowiednio roszone, tak aby po skróceniu i rozdzieleniu zawierały wiele fibryli, przyczyniających się do uzyskania spójnej maty z włókien, która równocześnie jest przewiewna.

Dzięki sposobowi według wynalazku, maty z włókien można produkować znacznie taniej niż maty zgrzeblone/igłowane. Włókna można przetwarzać na matę z włókien z dodatkiem bardzo małej ilości środka wiążącego w porównaniu z wytwarzaniem odpowiadających mat z włókien powstałych z wł ókien drzewnych, z powodu wię kszej dł ugoś ci wł ókna skróconych wł ókien roś linnych. Tak wię c włókna drzewne będą mieć typowo długość 1 - 3 mm, co znacznie się różni od typowej długości włókien roślinnych, która jak wspomniano wyżej będzie w szczególności wynosić 4 - 15 mm.

PL 204 973 B1

Jak powiedziano, matę z włókien można wykonać bez użycia środka wiążącego albo z bardzo małą ilością środka wiążącego. W przypadku wytwarzania mat do celów izolacyjnych, dodatek środka wiążącego w ilości 0 - 15%, korzystnie 2 - 3% będzie wystarczający do wytworzenia spójnej maty z wł ókien, z wł ókien lnu i konopi, która jest ł atwa do manipulacji. Dla porównania, odpowiadają ca pł yta izolacyjna z włókien drzewnych będzie normalnie zawierać 15 - 20% środka wiążącego, co podwyższa cenę wyrobu.

Jak powiedziano, maty z włókien mogą być przewiewne i miękkie w wyniku zastosowania włókien roszonych, dających wiele fibryli w procesie skracania/rozdzielania. Jeżeli włókna roślinne są tylko lekko roszone albo nie roszone, wiele włókien roślinnych pozostanie nadal związanych w pęczkach włókien. Daje to twardszą i bardziej szorstką matę z włókien, ponieważ powstała masa włókien będzie zawierać względnie większą część pęczków włókien niż pojedynczych włókien.

Mata z włókien zawierająca pęczki włókien będzie mniej miękka i gęsta. W takiej macie wytrzymałość włókna jest jednak większa. Dzięki temu będzie ona nadawać się na płyty do zastosowań, gdzie wymagana jest większa wytrzymałość. Poprzez regulację obróbki wstępnej w postaci stopnia roszenia, połączonego ewentualnie z obróbką chemiczną i/lub enzymatyczną, możliwe będzie także wpływanie na właściwości wytworzonej maty z włókien.

Właściwości włókien mogą więc być kombinowane, w zależności od obszaru zastosowań.

Pęczki włókien będą zawierać kilka pojedynczych włókien albo maksymalnie do 10 - 30 włókien.

Maty z włókien będą zwykle wykonane z włókien, które są hydrofobowe, ponieważ włókna z lnu i konopi są w większym lub mniejszym stopniu hydrofobowe. Matę z włókien hydrofobowych wytwarza się więc poprzez zastosowanie włókien, które poddano tylko obróbce mechanicznej (nie chemicznej). Oznacza to, że łodygi są roszone przez krótszy albo dłuższy okres czasu i suszone do uzyskania zawartości wody 8 - 10%, korzystnie 10 - 16%. Stopień hydrofobowości zależy od jakości surowca. Im silniejsze roszenie, tym mniejszy stopień hydrofobowości. Włókna mogą pochłaniać wilgoć z otoczenia i ponownie wydzielać wilgoć oraz zachowywać odporność na gnicie i atak pleś ni w normalnej wilgotności atmosferycznej.

Alternatywnie, możliwe będzie również wytwarzanie mat z włókien, w których włókna uczyniono hydrofilowymi. Możliwa więc będzie wstępna obróbka włókien poprzez rozcieranie na miazgę albo oddziaływanie enzymami oraz mycie i suszenie, w celu dalszego przerobu włókien na celulozę. Może to mieć miejsce w wyniku gotowania w wodzie pod ciśnieniem albo gotowania w prasach do wyciskania. Taką obróbkę wstępną można przeprowadzić z dodatkiem chemikaliów roztwarzających jak np. wodorotlenku sodu, bądź też bez nich.

Mata wykonana tym sposobem może być np. używana tam, gdzie występuje potrzeba efektu pochłaniania, jak np. we wkładkach sanitarnych, pieluszkach, ręcznikach papierowych itp.

Proces formowania na sucho umożliwia wytwarzanie maty z włókien o większym lub mniejszym stopniu sprasowania oraz o większej lub mniejszej grubości. Będzie więc możliwe wytwarzanie mat z wł ókien o gruboś ci od 2 - 5 mm do gruboś ci rzę du 2 - 300 mm albo nawet grubszych. Ukształ towane maty z włókien mogą być wytwarzane z upakowaniem od gramatury 30 g/m² do gramatury 3000 g/m²albo więcej. Przykładowo, maty do zastosowań w prasowanych elementach kompozytowych mogą być produkowane jako maty o gramaturze do 8000 g/m².

Oprócz tego, w procesie wytwarzania mat z włókien możliwe będzie domieszanie wełny papierowej, środków wiążących (włókien syntetycznych albo organicznych środków wiążących), paździerzy z lnu lub konopi, włókien drzewnych albo domieszanie środków opóź niających palenie w celu wykonania mat izolacyjnych o właściwościach ognioodpornych. Wytwarzane maty z włókien mogą więc zawierać dodatki materiałów ognioodpornych, jak np. soli takich jak boraks i kwas borny, wodorotlenku aluminium, fosforanu aluminium, siarczanu amonowego lub innych, np. w ilościach rzędu 0 - 15% całkowitej masy maty.

Wytwarzając maty w postaci przewiewnej można więc je wykorzystać jako maty izolacyjne w celu zastąpienia mat izolacyjnych wykonanych z wełny mineralnej i wełny szklanej. Wytworzone maty z włókien mogą być ponadto używane jako płyty budowlane, zamienniki płyt pilśniowych i płyt wiórowych poprzez dodanie paździerzy, środków wiążących oraz poprzez prasowanie wytworzonej maty z włókien.

Mata z włókien wytworzona sposobem według wynalazku może zawierać do 100% włókien lnianych albo konopnych bądź też kombinację tych włókien. Oprócz tego, maty z włókien mogą być wykonane z domieszką innych włókien, które mogą być organiczne albo nieorganiczne. Mimo iż korzystne jest produkowanie mat z włókien, z włókien roślinnych wytwarzanych sposobem według wynalazku ze

PL 204 973 B1 względów ekonomicznych, będzie także możliwe zastosowanie włókien roślinnych w postaci długich włókien, tzw. pakuł.

Tak więc możliwe będzie wykorzystanie pakuł z przemysłu tekstylnego, z lnu jak również i z konopi, gdzie pakuły, np. w młynach młotkowych, są skracane do żądanej długości włókna przed uformowaniem maty w włókna w procesie formowania na sucho.

Włókna, które mogą być wykorzystywane przez sposób według wynalazku mogą mieć różny skład:

- włókna skrócone, które są roszone lub nie roszone, składające się z oczyszczonych włókien lnianych i/lub konopnych z domieszką do 10% paździerzy;

- włókna skrócone, które są roszone lub nie roszone, głównie jako pojedyncze włókna, składające się z włókien lnianych i/lub konopnych z domieszką paździerzy z lnu i/lub konopi w ilości do 90% paździerzy;

- włókna krótkie, które są roszone lub nie roszone, głównie jako pęczki włókien i paździerze z lnu i/lub konopi;

- paź dzierze oddzielone w procesie czyszczenia lnu i/lub konopi;

- frakcja pyłowa oddzielona w procesie czyszczenia, składająca się z bardzo krótkich włókien wraz z paździerzy.

Jakość włókna zależeć będzie od żądanych właściwości wyrobu finalnego. W korzystnym sposobie wytwarzania mat z włókien, które nadają się na maty izolacyjne, łodygi roślin suszy się do uzyskania zawartości wody 10 - 16%. Następnie łodygi trzepie się i skraca w młynie młotkowym, tak że główna część włókien ma korzystnie długość 3 - 20 mm, gdzie włókna mieć będą średnią długość 4 - 15 mm. Ma to miejsce korzystnie poprzez zastosowanie sita obrotowego. Następnie włókna formuje się na sucho, co korzystnie ma miejsce poprzez zastosowanie głowicy formującej umieszczonej nad skrzynką próżniową, zaś pomiędzy nimi znajduje się drut formujący, na którym osadzają się włókna, utrzymywane przez podciśnienie. Utwardzanie następuje w wyniku prasowania z dodatkiem 0 - 5% środka wiążącego. Alternatywnie, można jeszcze zastosować do 50% środka wiążącego, jeżeli są szczególnie duże wymagania co do wygody manipulacji wytworzoną matą z włókien.

Mata z włókien uformowana sposobem według wynalazku nie musi być w kształcie płaskiej płyty lub arkusza. Możliwe więc będzie wykonanie obróbki końcowej równocześnie z ustanawianiem lub w bezpośrednim połączeniu z ustanawianiem więzów pomiędzy włóknami.

Możliwe będzie więc nadanie przestrzennego kształtu macie z włókien, np. kształtu falistego, który umożliwia jej zastosowanie jako włókien wzmacniających w płycie kompozytowej, np. w płycie kompozytowej o wysokiej wytrzymałości albo w płycie kompozytowej przeznaczonej do obróbki. Alternatywnie, mata z włókien może być uformowana w celu uzyskania kształtu żądanego opakowania, np. kształtu skrzynki albo czaszy. Tak więc mata z włókien, mocna i o stabilnym kształcie, może być wykorzystywana do pakowania wyrobów albo na doniczki dla roślin. Opakowanie/doniczka na rośliny może być uformowane w operacji prasowania połączonej bezpośrednio z etapem utwardzania.

Sposób i mata z włókien według wynalazku będą opisane bardziej szczegółowo za pomocą następujących przykładów.

P r z y k ł a d 1.

Ten przykład ilustruje sposób wytwarzania maty z włókien lnianego do zastosowania w charakterze maty izolacyjnej, jako zamiennika wełny mineralnej. Można zastosować słomę z lnu, zarówno z lnu na olej jak i do przędzenia, jak też i konopie. Najlepsze włókna uzyskuje się z lnu do przędzenia, który jest dobrze zroszony oraz ewentualnie z konopi, jeżeli są dostatecznie zroszone. Oto przykład wytwarzania mat z włókien do celów izolacyjnych, na bazie lnu do przędzenia:

Łodygi lnu układa się w postaci pokosu i po około 10 dniach na polu ziarna zbiera się przy użyciu zwykle używanego kombajnu. Następnie słoma leży na polu w postaci pokosu słomy i ulega roszeniu. Proces roszenia można nadzorować obserwując zmiany koloru słomy. Żądany stopień roszenia uzyskuje się wtedy, gdy kolor słomy/włókien zmienia się na jasnoszary. Może być konieczne odwrócenie pokosu w celu uzyskania równomiernego roszenia.

Proces roszenia nadzoruje się starannie i codziennie pobiera się próbki dla oceny, jak daleko posunął się proces roszenia w trzepanej ręcznie słomie.

Gdy pojawi się żądana zmiana koloru, słomę zbiera się prasując w bele, korzystnie bele okrągłe, a normalnie ma to miejsce przy zawartości około 85% suchej masy w słomie (15% wody).

Bele transportuje się do fabryki, gdzie suszy się je do uzyskania zawartości wody równej 12%. Po wysuszeniu belę rozwija się/rozcina i słomę lnianą wprowadza się do młyna młotkowego, gdzie

PL 204 973 B1 odbywa się trzepanie. Z młyna masa włókien, która obecnie składa się z włókien jak również z części zdrewniałych/paździerzy, jest podawana przez cyklon na sito obrotowe, w wyniku czego oddziela się paździerze wraz z pyłem. Teraz zwełniona masa włókien ma przeciętną długość około 4 - 15 mm. Niektóre włókna są jednak dłuższe. Długość włókien można do pewnego stopnia regulować poprzez regulację sita w młynie młotkowym oraz poprzez regulację sita w kolejnych sortowaniach na sicie obrotowym. Normalnie włókna czyści się aż do uzyskania zawartości 5% paździerzy. W wyniku dalszego czyszczenia uzyskuje się względnie większą stratę włókien.

Oczyszczoną masę włókien transportuje się rurami do urządzenia do produkcji mat, gdzie ma miejsce formowanie na sucho. Odbywa się to np. poprzez zastosowanie głowicy formującej umieszczonej nad skrzynką próżniową, zaś pomiędzy nimi jest umieszczony drut formujący, na którym osadzają się włókna i są utrzymywane przez podciśnienie. Urządzenie do produkcji mat reguluje się w taki sposób, aby uzyskać matę z włókien/matę o żądanej wysokości. Reguluje się to za pośrednictwem prędkości z jaką podajnik włókna (łamacz bel) jest zasilany przez dmuchawę transportową i dalej do głowicy formującej. Równocześnie reguluje się prędkość przesuwu na drucie.

Jeżeli pragnie się wytwarzać matę do zastosowania w charakterze izolacji ścian, sufitów itp., wysokość maty reguluje się np. na 200 mm przy żądanej gramaturze np. 3000 g/m². Do pewnych zastosowań izolacyjnych pożądane jest uzyskanie tak lekkiej maty z włókien jak to tylko możliwe i w tych warunkach maty z włókien nie prasuje się.

Jeżeli pożądane jest wytworzenie maty bardziej zwartej i ewentualnie o mniejszej wysokości, odbywa się to poprzez regulację stopnia sprasowania maty z włókien przed, po albo w trakcie ewentualnego utwardzania, które korzystnie zachodzi w piecu.

W trakcie procesu, w którym wszystkie wł ókna spadają na druty formuj ą ce i przesuwają się do przodu, dodaje się 2 - 3% środka wiążącego, np. w postaci dwuskładnikowej, złożonego z polietylenu i polipropylenu. Utwardzanie maty z włókien następuje w wyniku obróbki cieplnej w piecu w temperaturze około 145°C albo w innej temperaturze, w zależności od typu środka wiążącego, tzn. mata z wł ókien jest przeprowadzana przez drut formują cy przez piec o żądanej temperaturze.

W. trakcie procesu (przed utwardzaniem w piecu) dodaje się ewentualne substancje ognioodporne, np. sole takie jak boraks (0 - 15%), kwas borny (0 - 15%), wodorotlenek glinu (0 - 15%) albo inne. Sole mogą spadać na włókna albo mogą być natryskiwane.

Po utwardzeniu maty z włókien zwija się ją na wałku i pakuje albo tnie na określony kształt. W trakcie tego procesu matę z włókien można ściśle zwinąć. Podczas rozwijania mata z włókien odzyskuje te same wymiary i kształt jak przed zwijaniem, ponieważ mata z włókien „nadyma się”.

Gotowa mata jest miękka i elastyczna. W zależności od stopnia roszenia, kolor będzie żółtawy/jasnoszary do ciemnoszarego. Matę z włókien można wytwarzać mniejszym kosztem niż zwykle produkowane igłowane maty z włókien zgrzeblonych. Mata z włókien ma termiczne właściwości izolacyjne odpowiadające wartości lambda -0,40. Mata z włókien natychmiast odrzuca wilgoć wskutek właściwości hydrofobowych, lecz mata z włókien nadal zachowuje zdolność pobierania i oddawania wilgoci do otoczenia.

P r z y k ł a d 2.

Przykład ten ilustruje sposób wytwarzania maty z włókien na bazie celulozy z lnu, do zastosowania w przemyśle tekstylnym, jak np. na papier pochłaniający albo materiał na pokrowce.

Włókna wytwarza się tak jak opisano wyżej w przykładzie 1, przed formowaniem mat. Stopień roszenia może być od całkowicie nie roszonych do silnie zroszonych włókien. Zwełnione i teraz oczyszczone włókna poddaje się rozcieraniu na miazgę. Może to mieć miejsce w trakcie gotowania w wodzie pod ciśnieniem albo gotowania w prasie do wyciskania. Obróbkę wstępną prowadzi się z dodatkiem chemikaliów roztwarzają cych jak np. sody kaustycznej (wodorotlenku sodu) albo bez nich. Obróbka w prasie do wyciskania może odbywać się przy względnie wysokim poziomie suchej substancji, około 10%, lecz także przy niższym procencie suchej substancji.

Jeżeli stosuje się obróbkę z wyciskaniem, impregnacja włókien zachodzi równocześnie z odcinaniem masy włókna. Po obróbce z wyciskaniem, masę włókna przenosi się do zbiornika i gotuje przez około 1 godzinę w temperaturze około 100°C. Następnie pulpę oczyszcza się z pozostałości cukru i ligniny. Masa włókna składa się teraz z jednorodnie rozłożonych włókien w zawiesinie zawierającej od 0 - 5% zanieczyszczeń, głównie pochodzących z paździerzy. Można je usunąć poprzez oczyszczanie odśrodkowe w hydrocyklonie. Przed czyszczeniem w hydrocyklonie pulpę można poddać rafinacji w rafinerze, jeżeli pożądana jest fibrylacja włókien. Przykładowo rafinerze tarczowym, rafinerze „szerokokątnym” albo młynie tnącym.

PL 204 973 B1

Po roztwarzaniu pulpa lniana składa się z prawie czystej celulozy o zawartości 80 - 95% celulozy. Zawartość suchej substancji wynosi 75 - 90%. Zmierzono rozkład długości włókien ze wskaźnikiem Bayer McNett 200 - 300, korzystnie 240 - 280. Zmierzono wytrzymałość w celulozie lnianej w Nm/m²/cm²uzyskując od 100 - 160 albo więcej.

Jeżeli pożądana jest pulpa bielona, można dodać 2% nadtlenku wodoru, uzyskując jasność około 75.

Gotową pulpę suszy się i rozwłóknia w trzeparce/młynie młotkowym, jeżeli pożądane jest całkowite rozwłóknienie włókien przed uformowaniem maty z włókien. Formowanie odbywa się w sposób opisany w przykładzie 1, lecz w zależności od zastosowania wytwarza się cieńszą matę, jak np. do zastosowania jako papier pochłaniający we wkładkach sanitarnych itp. (około 70 - około 200 g/m²). Bardzo cienką matę (20 g/m²) można zastosować na powłoki, dodając około 15% lub mniej hydrofobowych środków wiążących.

Nawet bez bielenia pulpy, wyroby są bardzo jasne, od jasnoszarego do białawego.

P r z y k ł a d 3.

Ten przykład ilustruje sposób wytwarzania formowanych kompozytów na bazie maty z włókien lnianego lub konopnego.

Jako bazy do uzyskania płyty z włókien o wysokiej wytrzymałości można użyć względnie nie roszonych włókien, ewentualnie z dodatkiem paździerzy. Wytrzymałość włókna we włóknach nie roszonych do lekko roszonych jest wyższa niż dla włókien silnie roszonych. Len jak również i konopie będą odpowiednim surowcem ze względu na wysoką wytrzymałość włókien. Oddzielone części zdrewniałe, paździerze, mogą również być wykorzystane w kompozytach odpowiadających płytom wiórowym.

Matę z włókien wytwarza się jak wyżej w przykładzie 1 przed formowaniem maty. Wytwarza się matę o żądanej wysokości i gramaturze, np. 300 g/m². Przy zastosowaniu względnie nie roszonego lnu albo konopi, mata z włókien jest bardzo sztywna i twarda. Zawartość paździerzy można regulować w zależ noś ci od potrzeb. Im wyż sza zawartość, tym sztywniejsza mata przed formowaniem.

Podczas wytwarzania maty natryskuje się tzw. kompatylizer włókna roślinnego, tzn. dokonuje się chemicznej modyfikacji za pomocą np. izocyjanianu (około 1 - 2%) w celu zapewnienia, że włókna hydrofobowe uzyskają powierzchnię, która jest kompatybilna z tradycyjnymi środkami wiążącymi jak formaldehyd itp., używanymi jako środek wiążący w płycie z włókien. Inną możliwością może być EVA (kopolimer etylenu z octanem winylu) albo naturalne środki wiążące.

Włókna także klei się przed, w trakcie albo bezpośrednio po wykonaniu maty albo natychmiast po prasowaniu na gorąco, w próżni albo w autoklawowaniu/formowaniu, tak jak w tradycyjnych sposobach wytwarzania płyt pilśniowych i płyt wiórowych.

Formowane kompozyty na bazie konopi albo lnu mają wytrzymałość na poziomie twardego masonitu.

Jeżeli pożądane jest wytwarzanie wysoce wzmocnionego kompozytu, stosuje się większy udział organicznych środków wiążących, takich jak polimery syntetyczne, obejmujące tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne, np. polipropylen, polioctan i poliester. Dodaje się około 50% środka wiążącego. Dodatkowy środek wiążący wprowadza się podczas wytwarzania maty, a następnie matę z włókien prasuje się pod wysokim ciśnieniem na żądany kształt. Formowanie przebiega jak w przykładzie 1.

Wysoce wzmocnione kompozyty mają wytrzymałość na poziomie wypełnienia włóknem szklanym i są użyteczne jako zamienniki kompozytów z tworzyw sztucznych i kompozytów z włóknem szklanym.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania maty z włókien, znamienny tym, że stosowane włókna roślinne poddaje się wstępnej obróbce, gdy rośliny zbiera się poprzez ścinanie i młócenie, przy czym łodygi roślin rosi się całkowicie lub częściowo, a następnie skraca się i rozdziela się z utworzeniem masy włóknistej zawierającej głównie pojedyncze włókna o długości w przedziale 0,1 - 30 mm, przy czym ewentualnie suszy się je do uzyskania żądanej zawartości wody w przedziale 6 - 20%, przy czym w trakcie formowania maty z włókien na sucho pozostawia się przypadkowe ukierunkowanie włókien, korzystnie z utworzeniem arkusza, który jest spoisty bez dodania spoiwa wskutek powstawania pojedynczych wzajemnych wiązań występujących co najmniej częściowo pomiędzy pojedynczymi, mniej lub bardziej fibrylowanymi włóknami roślinnymi.

PL 204 973 B1
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako obróbkę wstę pną prowadzi się skracanie włókien do długości 3 - 20 mm, a szczególnie 4 - 15 mm.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rosi się włókna częściowo na polu, przy czym następnie poddaje się je ewentualnemu dalszemu kontrolowanemu roszeniu w wodzie zawierającej enzymy, przed skracaniem.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e stosuje się organiczne środki wiążące, syntetyczne organiczne środki wiążące albo naturalne środki wiążące z wytworzeniem wiązań pomiędzy włóknami.
5. Sposób wedł ug zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, ż e wł ókna dobiera się spośród lnu i konopi.
6. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e ł odygi trzepie się w mł ynie młotkowym i skraca się do żądanej długości, przy czym włókna w żądanym przedziale długości rozdziela się przy użyciu sita obrotowego, przy czym frakcję włóknistą formuje się na sucho w matę, podczas gdy włókna wdmuchuje się do głowicy formującej umieszczonej nad drutem formującym.
7. Sposób według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że formowaną matę utrwala się poprzez dodanie 0 - 50% środka wiążącego.
8. Sposób wedł ug zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, ż e formowana mata zawiera 0 - 10% paź dzierzy.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że włókna skraca się i rozdziela się w stanie suchym, przy czym obróbka wstępna obejmuje rozcieranie włókien, podczas gdy włókna gotuje się w czystej wodzie pod ciś nieniem albo gotuje się w prasie do wyciskania, przy czym są one poddane obróbce chemicznej np. poprzez dodanie zasady, przy czym myje się je i suszy przed formowaniem na sucho wytworzonych włókien.
10. Mata z włókien wykonana sposobem zdefiniowanym w zastrz. 1 - 9, znamienna tym, że stanowi ją mata z włókniny o grubości 2 - 300 mm i gramaturze 30 - 8000 g/m².
11. Zastosowanie maty z włókien wytworzonej sposobem zdefiniowanym w zastrz. 1 - 9 jako maty izolacyjnej, jak pochłaniającej maty z włókien, jako elementu w formowanym wyrobie kompozytowym albo jako elementu w silnie wzmocnionym wyrobie kompozytowym.