Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von rohem Pflanzenmaterial
zum Zwecke der Gewinnung von feinstrukturierten Fasermassen und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
Beschreibung:
Die Verwendung nachwachsender Rohstoffe auf Basis von Pflanzenfasern
setzt voraus, dass der Schritt von den getrockneten Pflanzenteilen zu mechanisch
und chemisch möglichst homogenen Fasermassen zuverlässig realisiert werden kann.
Natürliche Faserrohstoffe sind Bündel der einzelnen Feinfasern (Fibrillen),
teilweise verholzt und damit relativ hart, teilweise bestehen auch – so bei
Hanf und Lein – Zonen leicht verdichteter Fasern, die sich leicht voneinander
trennen lassen, neben solchen, die sich nur schwer in die Feinstruktur auflösen.
Bei der klassischen Aufbereitung der genannten Stoffe werden die dadurch entstehenden
Rückstände Schäben genannt.
Die klassische Aufbereitung beruht darauf, dass sich die Faserbündel
bei grober mechanischer Einwirkung in Form von Quetsch- oder Schlagvorgängen weitgehend
voneinander lösen, die nicht aufgelösten Schäben werden dann mechanisch abgetrennt
und die feinen Faserbündel durch Hecheln weiter strukturiert.
Dieser Vorgang wird – von der traditionellen Handbearbeitung
abgesehen – heute zumeist mit relativ langsam taufenden Mühlen nach dem Prinzip
der Hammermühle oder Prallmühle, teilweise auch der Sternwalzenmühle durchgeführt.
Dabei kommt es zu zwei Problemen, die auf die Qualität der gewonnenen
Fasermasse Rückwirkungen haben: zum einen wird ein erheblicher Teil der Fasern gequetscht
(unter Zerstörung von Zellstrukturen), was bei deren Gebrauch eine geringere Elastizität
und verminderte Aufnahmefähigkeit für Luft, Feuchte und Flüssigkeiten zur Folge
hat. Zum andern neigen gerade die textiltechnisch besonders erwünschten langen Fasern
dazu, sich um die Walzen aufzuwickeln, was den gesamten Aufbereitungsvorgang zum
Stillstand bringen kann.
Weiterhin sind Mahleinrichtungen bekannt (DE
3212762 A1), die wie in einer Hammermühle Biomasse zu faserigen Partikeln
zerkleinern. Der faserige Charakter dieses Zerkleinerungsgutes ist deshalb erforderlich,
um es zum Pressen von Briketts ohne Bindemittel geeignet zu machen. Besonders wichtig
ist hier, dass durch einen besonderen Schneidvorgang eine Zerkleinerung erzielt
wird.
Auch bei einem bekannten Verfahren zur Gewinnung von Flachsfasern
(DE 4416805 A1) handelt es sich
um Kurzfasern, denn von den Flachsstängeln werden mittels sich relativ zueinander
bewegender Messer Abschnitte einer Länge zwischen 2 mm und 12 mm abgeschert. Das
Zerschneiden der Flachsstängel erfolgt mittels einer mit pendelnd aufgehängten Messern
bestückten, drehend angetriebenen Messerscheibe, deren Messer mit einer stationären
Gegenscheibe zusammenwirken.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, wonach aus rohem Pflanzenmaterial eine sehr homogene, fein fibrillierte
Fasermasse großer Faserlänge, z.B. zwischen 50 und 110 mm, bei guter Elastizität
ohne Schneidvorgänge gewonnen wird und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche
1 und 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände dieser Ansprüche sind in den
Ansprüchen 2 bis 6 und 8 bis 11 angegeben.
Das Pflanzenmaterial wird durch geschliffene Stahlmesser bei hoher
Umlaufgeschwindigkeit pulsierend beaufschlagt und fibrilliert. Als vorteilhaft hat
sich erwiesen, dass das Pflanzenmaterial bei Umlaufgeschwindigkeiten von etwa 4000
bis zu 8000 Umdrehungen je Minute (abhängig vom Durchmesser der Mühle) beaufschlagt
wird.
Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch, dass das Pflanzenmaterial
teilweise quer zu seiner Schubrichtung, auch in Wirrlage, beaufschlagt wird und
die Fibrilliarung durch direkte Trennwirkung und die bei der inneren Reibung entstehenden
Zugkräfte feinstrukturiert wird. Zur Steigerung der inneren Reibung kann dem Pflanzenmaterial
ein Mineral, z.B. Tonerde oder Quarzsand, beigegeben werden.
Als Pflanzenmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich
im Besonderen Einjahrespflanzen, wie Stroh von Hanf, Flachs, Öllein, Nessel, aber
auch Bambus- und Schilfarten, Ramie oder Getreide.
Weitere Einzelheiten der Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen
sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand von Abbildungen
ein ausführliches Beispiel der Erfindung näher erläutert wird:
1: Beispiel für das Anordnungsprinzip
auf einer zylinderförmigen Walze,
2: Beispiel für das Anordnungsprinzip
auf einem sternförmigen Träger.
3: Neigung des Messerstahls propellerartig.
Die Messermühle besteht aus einer sich drehenden Achse, an der –
senkrecht zur Achsenrichtung – fest oder drehbar zahlreiche
(mindestens 12, vorteilhaft sind bspw. 72 Messerstücke) Stahlstücke befestigt
werden, deren Arbeitskante jeweils zu einem Messer geschliffen wird. Erfindungsgemäß
sind diese Schliffe für die bei Mühlen üblichen Verhältnisse sehr schmal (0,5 bis
2 mm), so dass die geschliffenen Messer in großer Anzahl auf einer schnell drehenden
(z.B. 4000 bis 8000 Umdrehungen je Minute) Walze angebracht werden können.
Es sind zwei verschiedene Messeranordnungen möglich:
1: Beispiel für das Anordnungsprinzip
auf einer zylinderförmigen Walze,
2: Beispiel für das Anordnungsprinzip
auf einem sternförmigen Träger.
Dabei ist wesentlich zu beachten, dass im Außenbereich der mit Messern
bestückten Welle keine Einkerbungen, Vertiefungen, Ausbuchtungen o.dgl. den Gang
der Fasermasse behindern. Die Messerbefestigung wird daher vorteilhafterweise versenkt
in die tragende Achse oder die Hülle der Hauptwalze eingebaut.
Es kann vorteilhaft sein, die Ebene der Messerstücke gegenüber der
Drehebene zu neigen; auf diese Weise arbeitet sich die Messermühle teilweise leichter
durch das Material, das Prinzip dieser Anordnung zeigt 3.
Bei geeigneter Führung der zu bearbeitenden Masse bewirken die durch
die Messermühle entstehenden hochfrequenten Schläge auf die rohen Faserbündel, dass
diese teilweise untereinander reiben, wobei es zu einem quetschfreien, ziehenden
Zerreißen in Längsrichtung der Faserbündel kommt. Es ergibt sich eine wollartige
Konsistenz des Produktes.
Dieser Effekt kann durch Zugabe von Mineralien, bspw. Tonerde, Quarzsand
o.dgl., noch gesteigert werden. Mit einem einzigen Arbeitsgang lassen sich so auch
sehr inhomogene Fasermassen aufbereiten.
Eine besonders vorteilhafte Gestaltung stellt die Kombination der
genannten Prinzipien zur Konstruktion der Messermühle mit einem dafür angepassten
Stator dar. Es hat sich gezeigt, dass ein nicht rotationssymmetrischer Querschnitt
– beispielsweise ein Oval – als Form des Stators zu einem zeitweiligen
Ausweichen des teilbehandelten Rohmaterials führt, was positive Auswirkungen auf
die Elastizität der Fasern zur Folge hat.
Die Funktion des Stators als Führungshülle für das zu behandelnde
Material kann mit seiner Funktion als Siebwerk, Prall- oder Reibewand kombiniert
werden, indem zur Führung Stäbe, Gitter oder geriffelt bzw. rauh gestaltete Blechwände
Verwendung finden.
Auch die Anordnung stehender Messer an der Wandung kann bei einigen
Faserarten Vorteile bieten.
Das Konstruktionsprinzip führt außerdem zu einer relativ leichten
Form der die Faseraufbereitung bewerkstelligenden Vorrichtung, so dass diese mobil
gestaltet werden kann, um beispielsweise auch direkt auf dem Feld eingesetzt zu
werden.
Vorteilhafte Konstruktionsformen ergeben sich ferner dadurch, dass
eine Messermühle nach dem geschilderten Prinzip in Modulbauweise hergestellt werden
kann, so dass – beispielsweise in an sich bekannter Weise mit Klauenkupplungen
oder entsprechenden Aufnehmern – mehrere gleichartige oder kompatible Einheiten
zu einer längeren Walze vereint werden können.
Die Vorrichtung kann mit herkömmlichen peripheren Einheiten kombiniert
werden, so vorteilhaft bspw. mit einem Ballenauflöser vor der Messermühle und einem
Siebgerät sowie einem Sammelbehälter nachgeschaltet, womit weitere die Qualität
verbessernde Behandlungsvorgänge durchgeführt werden können.
Eine weitere Variante ergibt sich dann, wenn die Ebene des Messerstahls
nicht vollkommen flach in Drehrichtung liegt, sondern leicht im Sinne der Anordnung
bei einem Propeller geneigt wird. Auf diese Weise lässt sich ein Einfluss auf die
Fördergeschwindigkeit nehmen und dem Verstopfen der Mühle bei schwergängigen Materialien
vorbeugen, vgl. hierzu 3.
