СПОСОБ ОБРАБОТКИ КОМПЛЕКСНЫХ ЛУБЯНЫХ ВОЛОКОН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PROCESSING COMPLEX BAST FIBERS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к переработке лубяных волокон с последующим использованием их в текстильной промышленности при производстве пряжи, нетканых материалов, а также при производстве ваты, гигиенических материалов, конструкционных композитных материалов, целлюлозы и т.п.
Из уровня техники известен способ обработки льняных волокон, заключающийся в его механическом разрушении (разволокнении) гарнитурой расчесывающего барабана, очистке от костры, сорных примесей и нерасчесанных волокон, разделении волокон на фракции, раздельном съеме волокон каждой фракции (Патент РФ №2348745, публикация 10.03.2009 г., бюллетень №7).
Сущность способа состоит в том, что обрабатываемый слой волокон, зажатый между питающим цилиндром и питающим столиком, подвергается воздействию зубьев гарнитуры вращающегося расчесывающего барабана. Зубья гарнитуры внедряются в тело волокнистых пучков и раздирают их на более тонкие и короткие комплексы, разрушая при этом соединительные ткани, связывающие элементарные волокна друг с другом, обеспечивая получение котонина (модифицированного льняного волокна).
Недостатком описанного способа является то, что в процессе обработки часть элементарных волокон повреждается и/или разрушается под механическим воздействием зубьев гарнитуры расчесывающего барабана. Это приводит к получению котонина низкого качества, выражающегося в большом количестве пуха (коротких волокон) и поврежденных (ослабленных) волокон и большой их неровноте по длине и тонине
Известно устройство для обработки льняного волокна, состоящее из питающего столика и питающего цилиндра, двух пильчатых барабанов, двух сороотбойных ножей и двух устройств аэродинамического съема волокон.
Недостатком данного устройства является то, что зубья гарнитуры расчесывающего барабана, внедряясь в тело волокон, повреждают и/или разрушают при этом значительное количество элементарных волокон.
Наиболее близким аналогом (принят за прототип) заявленному техническому решению является «Способ обработки комплексных лубяных волокон и устройство для его реализации» (Патент РФ №2497982, публикация 10.11.2013 г., бюллетень №20).
Известный способ позволяет разрушать соединительные ткани, связывающие волокна друг с другом, путем циклического деформирования комплексных волокон.
Устройство обработки комплексных лубяных волокон (патент №2497982) содержит питающее и выпускное средства и средство для разрушения соединительных тканей, связывающих элементарные волокна друг с другом, выполненное в виде опоры и нажимных элементов.
Указанный в прототипе способ обработки комплексных лубяных волокон и устройство его реализующее обеспечивают снижение повреждения и разрушения элементарных волокон, в результате чего снижается содержание пуха и поврежденных волокон и повышается ровнота волокон по длине и по толщине.
Сущность указанного в прототипе способа обработки лубяных волокон заключается в том, что обработку комплексных лубяных волокон производят путем разрушения соединительных тканей, связывающих элементарные волокна, за счет циклического деформирования комплексных лубяных волокон и одновременного их вытягивания по всей длине комплексного волокна. При этом деформирование волокон осуществляют путем поперечного сжатия их между нажимными элементами и опорой.
Таким образом, в указанном способе комплексные лубяные волокна локально только сжимаются в поперечном направлении и вытягиваются по всей длине комплексного волокна. При таком растяжении комплексное лубяное волокно разорвется случайным образом в самом ослабленном месте. И разорванные части комплексного волокна перестанут испытывать растягивающее напряжение, которое возникает только тогда, когда противоположные концы волокна зажаты между питающим и выпускным средством. В результате соединительные ткани в комплексном лубяном волокне не разрушаются и элементарные волокна остаются в комплексном волокне.
Между тем, наиболее эффективно разрушение соединительных тканей в комплексном волокне достигается при одновременном комбинированном ударно-волновом деформировании материала, включающего не только его локальное сжатие, но и локальный изгиб, локальное растяжение и кручение.
Достигаемым техническим результатом при использовании заявленного изобретения является увеличение выхода элементарного лубяного волокна с улучшенным качеством за счет того, что в предлагаемом способе сокращается число неуправляемых случайных обрывов комплексных лубяных волокон по наиболее ослабленному сечению комплексного волокна, уменьшается количество не переработанного комплексного волокна и увеличивается выход элементарных лубяных волокон требуемого качества.
Технический результат достигается тем, что в способе обработки комплексных лубяных волокон, заключающемся в механическом разрушении соединительных тканей, связывающих элементарные лубяные волокна друг с другом, путем циклического ударно-волнового деформирования комплексных лубяных волокон, деформирование комплексных лубяных волокон осуществляют путем многократного локального воздействия на волокно комбинированными знакопеременными ударно-волновыми нагрузками последовательно на каждый локальный участок комплексного волокна при одновременном вытягивании волокна по всей длине.
Деформирование комплексных лубяных волокон осуществляют одновременно комбинированными локальными знакопеременными ударными поперечными сжимающими, локальными ударными поперечными изгибающими и локальными продольными растягивающими нагрузками при одновременном щадящем, неразрушающем вытягивании комплексного лубяного волокна по всей его длине.
Деформирование комплексных лубяных волокон осуществляют одновременно комбинированными знакопеременными поперечными сжимающими, поперечными изгибающими и продольными растягивающими нагрузками с частотой 5…85 кГц.
Деформирование комплексных лубяных волокон осуществляют при помощи ультразвукового привода.
Устройство обработки комплексных лубяных волокон содержит питающее и выпускное средства и блок для разрушения соединительных тканей, связывающих элементарные волокна между собой, при этом блок для механического разрушения соединительных тканей представляет собой опорную площадку, ультразвуковой привод и ультразвуковой ударно-волновой рабочий инструмент.
Ультразвуковой ударно-волновой рабочий инструмент выполнен, по меньшей мере, с рабочей контактной поверхностью, имеющей плоскую форму в виде узкого прямоугольника.
Ультразвуковой ударно-волновой рабочий инструмент выполнен, по меньшей мере, с рабочей контактной поверхностью, имеющей в поперечном сечении форму волны.
5
2
Ультразвуковой ударно-волновой рабочий инструмент выполнен из материала, имеющего акустическую жесткость 150…480×10 кг/мс, например из алюминиевого, титанового сплава или из стали. При таком уровне акустической жесткости ультразвукового ударно-волнового рабочего инструмента ультразвуковая волна, излучаемая инструментом, вызывает в материале соединительных тканей комплексного лубяного волокна интенсивное волновое сжимающее напряжение, которое преобразуется в последующей волне разгрузки, формирующейся на свободных поверхностях волокна, в растягивающие напряжения. Эти растягивающие напряжения вызывают в материале соединительных тканей образование микротрещин с последующим разрушением соединительных тканей.
Предлагаемый способ позволяет разрушать соединительные ткани, связывающие элементарные волокна друг с другом путем циклического ударно-волнового деформирования комплексных лубяных волокон.
При этом деформирование комплексных лубяных волокон осуществляют путем многократного локального ударно-волнового воздействия на волокно комбинированными знакопеременными нагрузками последовательно на каждый локальный участок комплексного волокна при одновременном щадящем неразрушающем вытягивании комплексного лубяного волокна по всей длине.
2
Воздействие осуществляют с частотой 5…85 кГц при помощи ультразвукового привода, способного обеспечить на ударно-волновом рабочем инструменте ультразвуковые колебания с интенсивностью 1…10 Вт/см и амплитудой колебаний 20…80 мкм.
На фиг 1 представлена технологическая схема, поясняющая последовательность реализации операций заявляемого способа и работу заявляемого устройства.
Устройство для обработки комплексных лубяных волокон 1 и получения элементарных лубяных волокон 2 содержит питающее 3 и выпускное 4 средства и ультразвуковой блок для механического разрушения соединительных тканей в комплексных лубяных волокнах. Рабочий ультразвуковой инструмент 5 приводится в действие ультразвуковой колебательной системой, включающей в себя преобразователь электрических колебаний 7 и волноводную систему 8. Подложка 9 прижимает комплексные лубяные волокна 1 к рабочей поверхности ультразвукового инструмента 5.
2
1
2
1
Комплексные лубяные волокна 1 посредством питающего устройства 3 подаются в ультразвуковой блок между рабочим инструментом 5 и подложкой 9 и попадают в выпускное устройство 4. Угловая скорость вращения валиков выпускного устройства 4 - ω несколько больше угловой скорости вращения валиков подающего устройства 3 - ω. Поэтому линейная скорость V лубяных волокон на выходе из выпускного устройства 4 несколько больше линейной скорости V комплексных лубяных волокон 1 на выходе из питающего устройства 3. В связи с этим в пространстве между выпускным и питающим устройствами в лубяных волокнах возникает градиент скоростей и волокна начинают вытягиваться. Но градиент скоростей подобран таким образом, что обеспечивается щадящее неразрушающее вытяжение волокон и волокна не рвутся случайным образом.
2
При включении электрического генератора ультразвуковых колебаний преобразователь 7 преобразует электрические колебания в ультразвуковые, которые по волноводной системе 8 передаются на рабочий инструмент 5. Рабочая поверхность ультразвукового инструмента излучает в окружающую среду ультразвуковые колебания с интенсивностью 1…10 Вт/см. Когда комплексные лубяные волокна 1 прижаты подложкой 9 к рабочей поверхности ультразвукового инструмента 5, энергия ультразвуковых колебаний передается в материал комплексного волокна и соединительных тканях, связывающих элементарные волокна между собой, возникают поперечные напряжения сжатия-растяжения. Если рабочая поверхность ультразвукового инструмента имеет волнообразную форму, комплексное лубяное волокно начинает локально изгибаться в соответствии с профилем рабочей поверхности ультразвукового инструмента и в материале соединительных тканей возникают изгибающие напряжения и деформации. При изгибе комплексного волокна его длина в месте изгиба локально увеличивается, волокно растягивается в месте изгиба, вследствие чего в волокне формируются тангенцальные напряжения сдвига. В результате в зоне волокна, примыкающей к рабочей поверхности ультразвукового инструмента, возникают комбинированные локальные деформации, включающие в себя локальные циклические знакопеременные деформации поперечного сжатия и последующего расширения, локального изгиба и последующего выпрямления волокна, локального удлинения. Под воздействием этих комбинированных локальных деформаций в соединительных тканях комплексного волокна, которые обладают большей жесткостью и меньшей упругостью по сравнению с более упругими целлюлозными стенками элементарных лубяных волокон, возникают разрушающие напряжения, зарождаются и распространяются трещины. При частоте колебаний 5…85 кГц в каждой локальной области комплексного волокна, движущегося под действием вращающихся валиков питающего 3 и выпускного 4 устройств между подложкой 9 и рабочим инструментом 5, возникают многократные знакопеременные разрушающие напряжения, которые приводят к образованию трещин в материале соединительных тканей и их последующему разрушению.
5
2
В заявляемом устройстве обработки комплексных лубяных волокон блок для механического ударно-волнового разрушения соединительных тканей представляет собой ультразвуковой привод, ударно-волновой рабочий инструмент и опорную площадку. Характеристики опорной площадки, ее размеры и масса, форма рабочей поверхности и акустическая жесткость материала, из которого выполнена опорная площадка, оказывают важное влияние на процесс разрушения соединительных тканей комплексного лубяного волокна. Материал опорной площадки может быть выбран из ассортимента тех же материалов, что и ударно-волновой ультразвуковой рабочий инструмент - из алюминиевого, или титанового сплава, или из стали, обладающих акустической жесткостью в диапазоне 150…480×10 кг/мс. В этом случае волна, выходящая из рабочего инструмента, или из комплексного лубяного волокна, отражаясь от поверхности опорной площадки в виде волны сжатия, вызывает в материале соединительных тканей дополнительные разрушающие напряжения. Если форма рабочей поверхности опорной площадки соответствует в противофазе волной форме рабочей поверхности ультразвукового инструмента, это обеспечивает более эффективный локальный изгиб комплексного лубяного волокна, как это показано на фиг. 1, и усиливает разрушающее воздействие на материал соединительных тканей.
Опорная площадка может быть выполнена и упругой, например из жесткого полиуретана. В этом случае ударно-волновое воздействие на комплексное лубяное волокно происходит в более щадящем режиме. Но при краткосрочном внедрении рабочей поверхности ультразвукового инструмента в упругую опорную площадку в материале соединительных тканей комплексного лубяного волокна, зажатого между поверхностями рабочего инструмента и опорной площадки, за счет трения об эти поверхности боковых поверхностей самого волокна возникают существенные тангенциальные сдвиговые нагрузки, вызывающее дополнительное образование микротрещин и последующее разрушение соединительных тканей комплексного лубяного волокна.
Для более надежного разрушения всех соединительных тканей в комбинированном волокне на пути движения потока комплексных волокон может быть установлен набор из двух и более аналогичных ультразвуковых блоков. При этом местоположение ультразвуковых блоков в этом наборе может чередоваться. Например, в первом блоке ультразвуковой рабочий инструмент расположен сверху, а опорная площадка - снизу, а в следующем блоке, рабочий инструмент расположен снизу, а опорная площадка сверху. Это обеспечит более широкий спектр деформаций в материале соединительных тканей комплексных лубяных волокон и их более эффективное разрушение с выделением элементарных лубяных волокон.
Таким образом, поскольку в предлагаемом способе сокращается число неуправляемых случайных обрывов комплексных лубяных волокон по наиболее ослабленному сечению комплексного волокна, уменьшается количество не переработанного комплексного волокна и увеличивается выход элементарных лубяных волокон требуемого качества, то заявленное техническое решение полностью обеспечивает увеличение выхода элементарного лубяного волокна с улучшенным качеством, что соответствует достигаемому техническому результату.