改进的模制纤维生产.pdf

使用农业残渣的模制纤维产品是经济和对环保有利的。模制纤维生产不同于模制纸浆。本发明公开了一种用于模制纤维成形体(10)生产的方法和设备，其使用低浓度纤维浆(12)经过真空成形和热固化。多孔材料用作真空成形(101)和热固化(102)站的模具插入件提供了提高的生产率并使简易脱模成为可能。自洁技术的结合进一步确保生产系统的持久性能。

1.  一种生产模制纤维成形体的改进方法，其包括使用低浓度植物纤维浆液经受真空成形以形成湿纤维成形体和热固化所述湿纤维成形体以生成最终的模制纤维成形体；其特征在于，多孔材料被用作真空成形和热固化的模具插入件。

2.  如权利要求1所述的生产模制纤维成形体的改进方法，其特征在于，真空成形方法由一对具有多孔模具插入件的匹配模具组成，以借助真空装置产生均匀厚度的湿纤维成形体。

3.  如权利要求2所述的生产模制纤维成形体的改进方法，其特征在于，当被合拢以获得高效的湿纤维成形体真空脱水时，真空成形模具被有效的密封。

4.  如权利要求1所述的生产模制纤维成形体的改进方法，其特征在于，热固化方法由一对具有多孔模具插入件的匹配模具组成，所述多孔模具插入件被加热装置加热。

5.  如权利要求4所述的生产模制纤维成形体的改进方法，其特征在于，当被合拢时所述热固化模具被有效密封，以减少固化所述模制纤维成形体所需的热能。

6.  如权利要求1所述的生产模制纤维成形体的改进方法，其特征在于，真空成形模具中的多孔模具插入件借助超声波和反冲装置清洁。

7.  用于生产模制纤维成形体的设备，其包括三个站，即纤维浆液前处理站、真空成形站和热固化站。

8.  如权利要求7所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其特征在于，真空成形站包括设置在顶部和底部装置中的一对匹配模具。

9.  如权利要求8所述的用于生产模制纤维成形体的设备，所述真空成形底部模具由一个模具平台、一个纤维浆液容器以及用于连接真空装置和压缩空气装置的真空室组成，所述模具平台具有用于安装多孔模具插入件的开口。

10.  如权利要求7所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其特征在于，所述真空成形顶部模具由具有用于模具插入件的开口的模具平台组成，所述模具插入件与成形的底部模具插入件相匹配。

11.  如权利要求10所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其特征在于，真空成形顶部模具平台包括连接真空装置和压缩空气装置的真空室。

12.  如权利要求11所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其特征在于，真空顶部和底部模具能够垂直移动并气密地合拢，以防止真空脱水过程期间周围空气渗透向湿纤维成形体。

13.  如权利要求12所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其特征在于，超声波换能器安装在纤维浆液容器上。

14.  如权利要求7所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其特征在于，热固化模具包括设置在顶部和底部模具装置中的一对匹配模具。

15.  如权利要求14所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其特征在于，热固化顶部模具由具有最优化空气通道和热接触表面的无孔模具基体组成。

16.  如权利要求15所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其特征在于，热固化底部模具由具有最优化空气通道和热接触表面的无孔模具基体组成。

17.  如权利要求16所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其持征在于，热固化顶部模具和热固化底部模具能够垂直移动并且合拢以施加热量和压力使湿纤维成形体固化从而生成模制纤维成形体。

18.  如权利要求7所述的用于生产模制纤维成形体的设备，其特征在于，用于热固化站的多孔模具插入件优选由多孔金属制成。

改进的模制纤维生产
技术领域
本发明涉及用于改进模制纤维成形体生产的一种方法和设备。
背景技术
由模制纤维制成的产品是环保的。生产模制纤维产品的原材料来源于通常作为废弃物对待的农业残渣。与纸浆不同，来源于农业残渣的纤维在它们被使用前不需要严格处理。当模制纤维产品被处理掉时，它们是可生物降解的并且排放物中性。
模制纤维成形体能用作食物包装、工业制品、消费产品以及其它的许多产品。它具有良好的缓冲性能，并且随时可使用不需要切割、弯曲和折叠。它也很轻并且易于堆放，这减小了存储和运输空间。模制纤维包装是一种花费经济和环保的选择用以替代现有的塑料和纸包装。
采用具有水基粘合剂的低浓度纤维浆的真空热成型方法能用于生产模制纤维成形体(参见专利申请SG20016232-2)。低浓度纤维浆，通常具有不到百分之一(重量)的纤维在水中，被倾注到真空成形模具中。现有的真空成形模具由均匀间隔开的钻孔组成，其允许液体和空气通过。所述钻孔与真空装置连接。必须在真空成形模具上放置一个筛子以确保在真空成形处理开始之后在其表面上沉积均匀的纤维层。所述筛子通常由按照所述模具成形的金属丝网制成。所述筛子用于两个主要目的。首先，用作过滤器以便纤维保留在筛子上而液体被真空力抽走；其次，在其整个表面上均匀地重新分配真空力以便纤维的沉积均匀。
被沉积的纤维借助热量和压力受到固化以形成最终的产品。作用在模具上的热量和压力也将导致所述筛子快速老化。结果，金属丝网筛子在有限次数的循环过程之后将在热成形过程中磨损和破损。而且，在每一个循环过程之后缠在筛子堆积物上的纤维残渣降低真空的效率和分配。最后，筛子将会被塞住并且失去作用。
金属丝网筛子的使用已经在纸和模制纸浆产品的生产中试验过。然而，存在一些缺陷，例如因为磨损和破损需要筛子的频繁更换；与所述筛子接触的产品表面通常是质地粗糙的并且对于一些用户在美观上不能接受；金属丝筛子需要被固定在模具上并且这占据模具上的宝贵空间。显然，由于需要清洁并最终更换所述金属丝网筛子，生产率受到很大影响。
尽管模制纸浆成形体已经在生产过程中将金属丝网筛子用得相当成功，然而模制纤维在许多方面是不同的。来自于农业残渣的纤维是木质纤维素。模制纤维使用粘合剂将纤维粘合在一起形成坚韧的成形体，其比相当的模制纸浆更有机械强度。模制纸浆不需要外部粘合剂因为纤维素纤维能自然地彼此粘合。结果，模制纤维生产导致金属丝网比模制纸浆磨损得更快。对于模制纤维生产因为粘合剂的使用脱模剂是另一个问题。必须寻求可以选择的模具设计和材料，以便克服在模制纤维成形体生产中与使用金属丝网筛子相关的问题。
用于生产模制纸浆的能量消耗是相当高的。大量的能量消耗在通过加热烘干模制成形体中。模制纸浆热烘干的两种主要技术有烘道(drying tunnel)和在模具中干燥。烘道技术占据巨大空间并引起模制成形体变形。在模具中干燥的技术在模制成形体仍处于模具中时将热量施加给它，并且因此以更好的精度和性能生产产品。它也需要更小的空间。大部分现有文献中将在模具中干燥称为在模具中固化。这在技术上存在误导，因为模制纸浆不需要固化，它仅仅需要干燥。另一方面，模制纤维需要热固化以化学激活粘合剂并由此将木质纤维素粘合在一起。干燥是物理现象而固化是化学现象。
可以理解解决上述问题将引起模制纤维产品生产中巨大的生产率提高和由此它们的价格竞争力。
题为“纤维浆液的真空成形”的美国专利US6083447公开了使用多孔模具生产模制纸浆品的一种方法和设备，所述模具浸入纤维浆液中。该发明未解决其中施加热量和压力的热成形方法的问题。未讨论脱模剂问题并且其只限于模制纸浆而不是模制植物纤维。
题为“具有热气体供给和再循环的可热成形垫模具”的美国专利US5529479公开了使用多孔模具用于在塑料部件被加热时从模具空腔释放气体。
题为“用于辊子支撑和间距结构的多孔模具”的美国专利US6302671描述了一种方法，多孔模具用于制作一个成形模制纸浆结构以积极地支撑网状材料的至少一个辊子。
发明内容
制造模制纤维成形体的本发明公开了采用低浓度纤维浆液真空成形和热固化的改进的制造方法和设备。
本发明的一个目的是提高制造模制纤维成形体的生产率。制成所需形状的多孔材料用作真空成形模具和热固化模具中的模具插入件以省去筛子的使用。结果，生产停机时间被降低，因为不再需要在真空成形和热固化模具上保持和更换筛子。以多孔材料用作真空成形方法中的模具插入件，在施加真空从浆液中抽出液体之后，湿纤维的均匀层沉积在多孔模具插入件上。所述多孔模具插入件将真空力均匀地重新分配在其整个表面上。多孔模具插入件具有开口和互连地孔以允许液体和空气从一个表面穿过到另一个表面。根据纤维材料的尺寸分布，多孔模具插入件的孔的尺寸在5微米到200微米的范围之间。优选所述孔的尺寸小于最小纤维尺寸，以便不引起孔通道的阻塞。
本发明的另一个目的是使成品的模制成形体在热固化过程后能从热固化模具脱模。热固化过程使用一对匹配模具，其中施加热量和压力。所施加的热量和压力产生蒸汽并且蒸汽必须从合拢的匹配模具释放。至少一个匹配模具的插入件由多孔材料制成，由此借助真空装置蒸汽能被抽走。在仅一个模具由多孔材料制成的模具插入件的情况下，则另一个模具表面被充分弄粗糙以防止热固化的模制纤维成形体粘住模具。所述多孔模具表面和弄粗糙的模具表面具有范围在8微米至40微米的粗糙度。大于40微米的粗糙度是允许的，但是将影响成品成形体的美观。不同于光滑表面模具，所设计的粗糙度使大量微观气穴能构建在模具表面和模制纤维成形体之间。所述气穴减小模制纤维成形体与热固化模具之间的粘结。注意多孔模具插入件的表面本身是粗糙的。所述多孔材料，优选多孔金属，具有足够的机械强度以经受在热固化过程中施加热量和压力的总量。加热温度范围从100摄氏度到200摄氏度。所示加的压力在0.5MPa到5MPa的范围内。
另外本发明的另一个目的是在生产模制纤维成形体中减少能量消耗。大部分能量消耗在热固化过程中，其中大量热能用于干燥湿纤维成形体中过多的水分。可以理解减少湿纤维成形体中水分的量将减少热能。本发明最优化机械脱水装置的使用以减少包含在通过真空成形过程制成的湿纤维成形体中的水含量。真空成形方法采用一对匹配的模具即顶部模具和底部模具。顶部模具和底部模具打开以允许纤维浆液加入。纤维浆液中的水穿过所述多孔模具插入件被真空装置抽走以便在底部模具上形成湿纤维成形体的均匀层。为了从湿纤维成形体抽出更多的水分，顶部模具和底部模具合拢并密封以防止空气在湿纤维成形体的真空脱水期间渗透。同时，顶部模具和底部模具向湿纤维成形体施加轻微的压力。在湿纤维成形体中包含的水分达到预定水平时，通常在20％至50％(重量)的范围内，机械脱水过程停止。注意如果在合拢时顶部模具和底部模具没有密封，真空脱水将无效，因为将抽出周围的空气而不是湿纤维成形体中的水。
另外本发明的另一个目的是通过为多孔模具插入件结合设置在内部的自洁装置来减少维护。自洁装置包括超声波换能器和反冲的使用。真空成形多孔模具插入件容易受到因纤维夹在孔中产生的阻塞影响。被阻塞的真空成形模具插入件将影响模制纤维成形体的均匀性和增加能量消耗。最终，被阻塞的真空成形模具插入件将失去作用。根据本发明，真空成形模具插入件用超声波方法和反冲进行清洁。
图1是改进的模制纤维成形体生产方法的方框图。
图2示出在打开位置的真空成形站横截面视图，在纤维浆液容器中具有纤维浆液。
图3示出真空成形站的横截面视图，其具有合拢的顶部模具和底部模具。
图4示出在打开位置的热固化站的横截面视图，并且湿纤维成形体放置在底部模具插入件上。
图5示出在合拢位置的热固化站。
图6示出一个示例性系统，其具有并排的真空成形和热固化站以便于湿纤维成形体的传送。
图7示出真空成形底部模具的分解视图，所述真空成形底部模具具有多孔模具插入件、有开口的模具平台和有浆液容器的真空室。
所述改进的模制纤维成形体生产方法包括四个主要步骤。它们是(1)纤维浆液前处理；(2)真空成形以及(3)热固化以及(4)后处理。
所述生产方法开始于纤维浆液的前处理。充分精制的植物纤维例如从棕榈油、椰子壳、大麻、洋麻和其他含纤维的植物获得的纤维被加入一个混合槽。所述混合槽能用水预装满或者水能与所述纤维同时加入。纤维的量是百分之0.1至5(重量)相对于于百分之99.9至95(重量)的水。纤维被例如叶轮的搅拌器搅拌以将它们分散在水中。所述低浓度纤维混合物被充分搅拌直到获得均匀的浆液。然后水基粘合剂加入到混合槽中并且整个混合物被连续搅拌。搅拌作用引起粘合剂附着到纤维上。起作用的粘合剂例如胶粘剂、湿强粘合剂和少量的脱模剂例如固体石蜡被加入所述浆液。整个混合物被搅拌直至获得均匀的混合物。纤维混合浆液将被喂向真空成形过程。所述纤维混合浆液通常储存在缓冲罐中，所述缓冲罐具有足够的向若干真空成形热固化机械喂给的能力。所述缓冲罐被连续搅拌以确保纤维浆液保持均匀状态。
真空成形过程101的目的是由纤维浆液12产生湿纤维成形体10。所述湿纤维成形体10具有预期的形状、厚度和均匀度。包含在湿纤维成形体10中的水分受到控制由此它应当不是太湿而在热固化阶段消耗太多的热能；并且它应当不是太干以至热固化过程102不能完全激活粘合剂粘合纤维。
真空成形站101由顶部模具30和底部模具20组成。所述顶部模具30是一个阳模并且底部模具20是一个具有预期外形轮廓的相匹配阴模。顶部模具30和底部模具20被精确制造并且在合拢时彼此匹配。引导装置例如引导销能够用于在合拢期间帮助顶部模具30和底部模具20的对齐。底部模具20由三个主要部分构成，它们是：纤维浆液容器28、模具平台21和多孔模具插入件22。纤维浆液容器28是与模具机械脱水过程停止平台21连接的不透水容器。所述模具平台由无孔材料制成并位于真空室23上，所述真空室23与例如真空泵的真空装置15连接。当真空装置15不使用时，真空室23也能允许压缩空气穿过。合适的密封装置被用于确保模具平台21和真空室23以不漏气或气密的方式连接在一起。模具平台21具有许多开口24以容纳模具插入件22。模具插入件22被制成预期的外形轮廓并且能被紧密地插入模具平台21上的开口24中。刚性连接装置(positive attachment means)例如螺钉能用于将模具插入件22固定在模具平台21上。多孔模具插入件22具有开放的孔，其允许空气和液体从一侧向另一侧穿过。在此情况中，多孔模具插入件22的外形轮廓表面通过所述孔与真空室23连接。
在本发明的一个实施方案中，真空成形站101的顶部模具30以与底部模具20类似的方式构建。顶部模具也由两部分构成，它们是：多孔阳模具插入件31和模具平台32。真空室33构建在模具平台32中。真空装置15与真空室33连接。模具平台32具有许多开口36。多孔阳模具插入件31固定在模具平台32的开口36上。多孔模具插入件31通过真空室33与真空装置15连接。真空室33也允许压缩空气穿过多孔模具插入件31。模具平台32由无孔材料制成。
真空成形站101的顶部模具30能垂直移动39由此顶部模具30能下降并与底部模具20精确配合。适合的引导装置被构建在顶部模具30和底部模具20中用以帮助两个模具合拢时的精确配合。当真空成形顶部模具30和底部模具20完全合拢时，在两个模具20和30之间的空间45基本是气密的。当施加同时的真空抽吸作用时，能在合拢的模具20和30上维持轻微的压力以帮助从湿纤维成形体10挤水。气密空间45增加真空脱水的效果，因为没有周围空气渗透的发生。应注意真空脱水与热脱水相比是非常有效利用能量的。在顶部模具30和底部模具30之间没有适当的空气密封，真空能将被浪费，因为周围空气将被抽走而不是湿纤维成形体10中的水。
适量的纤维浆液12被配送29到真空成形站101上的浆液容器28中。纤维浆液12填满浆液容器28并覆盖底部模具20。一旦达到适合的容量，真空装置15被致动将水抽出。在真空抽吸之下，纤维浆液12中的水穿过多孔模具插入件22中的孔进入真空室23并排出真空成形站101。然后一层湿纤维沉积在模具插入件22的表面形成湿纤维成形体10。因为多孔模具的孔平均尺寸小于纤维尺寸，纤维被阻止从所述孔穿过。均匀分布的孔有助于在整个多孔模具插入件22的表面上均匀地分配真空吸力。这致使在模具插入件22的表面上生成均匀的一层湿纤维成形体10。在此阶段，湿纤维成形体10通常包含多于50％的水。所述湿纤维成形体10在此阶段不固化。
然后顶部模具30被降低并且将湿纤维成形体10压在底部模具20上。真空装置15被致动用以通过顶部和底部多孔模具插入件31和22从湿纤维成形体10中抽出更大量的水。施加几个大气压的压力用以方便通过真空抽吸装置15将水从湿纤维成形体10中抽出，而顶部和底部模具30和20紧密地合拢和空气密封35以防止空气渗透。真空脱水是最有效的，没有外部空气渗透，因为真空抽吸目的是去除湿纤维成形体10中的水分子。这个过程有助于减少在后续热固化阶段102中用于干燥所述产品所需的热能量。这还引起整个生产循环时间的减少，由于需要更少时间固化模制纤维成形体80。
在真空成形过程101之后，湿纤维成形体10将热固化以激活湿纤维成形体10中的粘合剂。所述热固化过程还将模制纤维成形体80压至预期的厚度。在一个优选实施方案中，湿纤维成形体10由真空成形顶部模具30提起。在合拢的顶部和底部模具30和20开始分开时，真空15施加在顶部模具30上，而真空15从底部模具20停止。为了进一步便于湿纤维成形体10从底部模具20的分离，压缩空气经过真空室23和经过底部模具插入件22的孔被泵送。从底部模具表面出来的所述压缩空气有助于将湿纤维成形体10推开。顶部模具30的拉动作用和底部模具20的推动作用确保湿纤维成形体10向顶部模具30的平稳转移。然后顶部模具30移入必要的通路以将湿纤维成形体10移入热固化站102。
热固化站102的目的是施加热量和压力以固化粘合剂并由此将纤维粘合在一起形成最终的形状和尺寸。热固化站102也由一对匹配的模具50和60组成，与真空成形站101类似。根本的区别是热固化模在经受比真空成形模具更高压力和温度方面的能力。在100至200摄氏度范围内的温度被施加到热固化模具。所施加的压力在0.5MPa至5MPa的范围内。所述一对匹配的模具是热固化顶部模具60和热固化底部模具50。热固化底部模具50由三个主要部分组成。它们是热固化模具基体，模具插入件52和加热装置58。热固化基体51包括许多容纳模具插入件52的空腔组成。足够量的用作空气通道的通孔53构建在模具基体51中将所述空腔连接到真空装置15。这些通孔53也使压缩空气能通过。当多孔模具插入件52与热固化模具基体51配合时，它们也连接到真空装置15。模具插入件52优选由多孔金属例如铜合金(青铜)或铝合金制成。模具基体51由加热装置58加热。在一个优选实施方案中，加热装置58是与模具基体51的基部固定的电加热构件。加热装置58也能是包含在模具基体51中循环的热传递液体的加热管。在加热装置58和模具基体51之间接触的最大表面必须确保获得高的热传递效率。因为类似的原因，同样重要的是保证在模具基体51和多孔模具插入件52之间的最大接触表面。在真空成形模具和热固化模具之间设计方面的主要不同变得显而易见。真空成形模具20和30具有大的真空室23和33和通道以最优化真空的传送和水的抽出；而热固化模具50和60具有较小的真空通道53和63并具有在加热装置58和67以及模具插入件52和62之间接触的大表面以最优化热传递。
热固化顶部模具60也由三个主要部分组成，它们是模具基体61、模具插入件62和加热装置67。顶部模具插入件62与相应的底部模具插入件52精确配合。当顶部模具60和底部模具50完全合拢时，留下一个缝隙，该间隙与干的模制纤维成形体80的厚度相同。引导装置例如引导销能用于在合拢期间帮助顶部和底部模具60和50对齐。气密空间形成在顶部和底部模具60和50的两个相对表面之间。真空被产生在该空间中并由此使包含在湿的模制纤维成形体10中的水分蒸发所需的温度能降低。这与真空炉的原理相似。所施加的热量和压力使模制纤维成形体中的粘合剂固化并使之成型为最终预期的形状和厚度。由于含在模制纤维成形体80中水分的蒸发产生的蒸汽穿过真空通道53和63排出并离开所述站102。在热固化循环完成时，接着顶部和底部模具60和50打开以释放模制纤维成形体80。穿过真空室54的压缩空气气流有助于模制纤维成形体80从模具插入件52分离。热固化顶部模具60或附加的提起和放置装置能用于将模制纤维成形体80移动到适当的收集区。相似地，压缩空气气流也有助于使模制纤维成形体从顶部模具插入件62分离。
脱模是模制纤维成形体生产中的主要问题。本发明使用多孔模具插入件和弄粗糙过的表面以降低模制纤维成形体对模具表面的粘结。注意多孔模具表面是足够粗糙的。在顶部模具插入件不用多孔材料制成时的情况中，则底部模具插入件的表面将被充分弄粗糙。用于使模具表面粗糙的一种常规技术是通过喷沙，通常在8至40微米粗糙度的范围内。多孔模具和粗糙处理过的模具表面在模制纤维成形体和模具表面之间形成随机分布的微观气穴，其彻底减少它们对彼此的粘结。由于多孔模具插入件产生的空气净化的进一步辅助，模制纤维成形体80能方便地从模具脱离。
真空成形站101上的多孔模具插入件22容易被陷入所述孔中的细小纤维阻塞。具有粘合剂的所述陷入的纤维必须被清除以保持多孔模具插入件22的功能。根据使用的纤维的种类和尺寸、以及孔的尺寸、模具插入件的厚度和孔隙率，多孔模具插入件22在一定操作循环之后将失去它们的效用。
本发明公开了使用超声波清洗技术和反冲用于完成多孔模具插入件的自洁。如果没有结合自洁功能，因为纤维和杂质的堵塞多孔性丧失，多孔模具的可用性将受到限制。超声波换能器安装在真空成形模具20的纤维浆液容器28上。水被注入底部模具浆液容器28中，并且充分覆盖所有的多孔模具插入件22。然后超声波换能器被打开。所述超声波换能器产生超声波，其产生渗透入所述孔的微小气泡。这些微小气泡连续地产生和破裂。微小气泡的破裂有助于使所述孔中陷入的纤维和其它杂质脱离。为了更有利于多孔模具插入件的清洁，使用反冲。反冲是由泵送到真空室中的压缩空气完成，其迫使水、纤维和杂质移出多孔模具插入件。超声波清洗和反冲的结合恢复真空成形模具的效用。在此描述的建造在内部的自洁功能通常花费几秒钟完成并且在数百个循环中只需要执行一次。
热固化模制纤维成形体能进一步被后处理站103处理，后处理站103处理例如涂覆、印花、修边、杀菌和包装。这些后处理方法和设备在所述领域中是公知的，并且在此不进行讨论。
本发明的优选实施方案公开了独立真空成形站、热固化站的使用，每个站使用多孔模具插入件以允许脱模并且使模制纤维成形体的均匀性提高。它还公开了机械脱水装置的使用，尤其是真空脱水，以获得水从湿纤维成形体中去除的高速率，其引起能量消耗的减少。它还进一步允许所述多孔模具插入件通过结合超声波换能器和引入使用压缩空气的反冲的自洁。本发明的优选实施方案提高了模制纤维成形体生产的生产率。