一种竹筒连续螺旋开纤设备及竹纤维获取方法

1.本发明属于竹材加工领域，具体涉及一种竹筒连续螺旋开纤设备及竹纤维获取方法。


背景技术：

2.竹原纤维又称为原生竹纤维或竹纤维，是近年来开发出的一种新的天然纤维。它是主要用物理机械方法将竹子直接加工制成的束纤维。竹纤维原料来源于天然可再生资源，产品使用后可生物降解，符合环保要求，是一种具有广阔前景的新材料。近年来，竹原纤维已开始应用于床垫、汽车内饰等复合材料领域。现有竹纤维生产中应用的机械方法是碾压法和梳解法，机械加工前，将整竹或竹片进行软化处理，再沿竹子轴向进行碾压或梳解等加工来提取粗竹纤维。梳解法通过高速旋转的针筒梳开竹纤维，主要缺点是加工出的竹纤维长短不一，长细度无法控制，且对纤维损伤大；碾压法可以获得长度整齐的纤维，但在挤压破坏基体组织的同时也不同程度的损伤了竹纤维的结构组织和强力。这些方法通过对软化后的竹材施加拉、压载荷破坏竹材基体组织来分离竹纤维。目前的技术，尽管简单易操作，但是梳解法加工出的竹纤维长短不一，碾压法加工使纤维强度受损、易断裂；均存在纤维分离不均匀，竹纤维的质量不易保证等问题；而且这些问题，是现有技术本身无法克服的。
3.目前，竹原纤维市场的快速成长，渴求先进的竹原纤维加工技术及装备。近年来，已公开的一些竹纤维提取专利，在竹纤维的制备方法上作了一些探索，其中，发明名称为“一种脱层成纤的装置及方法”的技术方案是利用竹片反拉开纤，发明名称为“竹筒锥模开纤机”的技术方案试图利用对竹筒轴向施压来分离竹纤维的设备，发明名称为“竹筒连续松纤机”的技术方案通过对竹筒施加扭转载荷，实现定长竹筒连续松纤。可以看出这些方法分别试图利用弯曲、轴压和扭转载荷来分离竹纤维，各有利弊。
4.因此，亟需提供一种新的竹纤维分离技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种竹筒连续螺旋开纤设备及竹纤维获取方法。本发明根据竹材层合结构特点，通过分析竹筒纤维分离的原理，提出使改性竹筒进行可控的螺旋运动来分离竹纤维的方法；着重解决现有竹纤维机械分离技术中，对竹纤维结构、强力的损伤以及竹纤维分离不匀等严重影响纤维质量的技术问题。
6.本发明所采用的具体技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供了一种竹筒连续螺旋开纤设备，包括推料装置和竹筒扭转装置；所述推料装置包括推料架和具有水平直导轨的第一机架；推料架横向设有用于实现竹筒轴向定位的凸台，凸台外侧壁沿周向均匀设有若干定位片，定位片能插入竹筒内部以实现竹筒的周向定位；推料架架设于所述导轨上，且能沿导轨做往复移动；
8.所述竹筒扭转装置包括能沿中心轴转动的第一摩擦轮；第一摩擦轮位于所述导轨
的端侧，第一摩擦轮与所述凸台相对的一侧面上设有用于固定竹筒的夹持件；竹筒的两端能分别固定于夹持件和凸台上，通过夹持件能实现竹筒一端的旋转，通过凸台能实现竹筒另一端的轴向推进，使竹筒能通过产生沿顺纹方向的自螺旋运动实现开纤并出料。
9.作为优选，所述第一机架的顶部两侧设有互相平行的水平直导轨，推料架的底部两侧分别设有两个第二辊轮，第二辊轮能沿所在侧的导轨移动；推料架两侧面分别沿轴线方向对称开设竖向槽，槽内均设有仅能沿槽上下移动的第一辊轮；在第一机架的两侧设有能水平传动的第二链传动装置，第一辊轮与第二链传动装置的链条连接；第二链传动装置一侧的主动链轮还连接有第一链传动装置，并和第一链传动装置的从动轮依次安装在链轮轴上；链轮轴贯穿第一机架的两侧边，且两端通过一对带轴承的轴承座安装在第一机架上，第一链传动装置的主动轮外接第一电机，第一电机带有减速器；当第一链传动装置带动第二链传动装置工作时，第一辊轮随链条移动，带动推料架的第二辊轮沿导轨往复移动，同时，第一辊轮在推料架的竖向槽内上下移动。
10.进一步的，所述第一辊轮的中部设有第一辊轮轴，第一辊轮轴通过两个固定销轴与链条固定连接。
11.作为优选，所述凸台为锥形结构，横截面较大的一端固定于推料架上，且该端部沿周向均布若干定位片。
12.作为优选，竹筒通过所述夹持件和凸台固定时的中轴线与所述导轨平行。
13.作为优选，所述夹持件包括至少三个带拉簧的夹紧爪，所有夹紧爪能通过夹持竹筒外壁实现固定作用；所述夹紧爪为弧形结构，包括固定端和夹持端，夹持端能以固定端为轴心实现转动，固定端通过定位销固定于第一摩擦轮的侧壁面，夹持端具有用于增大摩擦力的齿状凸起；靠近所述夹持端的夹紧爪上固定有拉簧，通过拉簧能改变夹持端的位置，进而调整所有夹紧爪对竹筒的夹紧力大小。
14.作为优选，所述第一摩擦轮外接第二摩擦轮，两者共同构成摩擦轮传动；第二摩擦轮连接第二电机，第二电机为调速电机，通过联轴器驱动第二摩擦轮转动，进而通过摩擦力作用带动第一摩擦轮转动。
15.进一步的，所述第一摩擦轮还外接有托轮，支撑第一摩擦轮；托轮和第二摩擦轮均与第一摩擦轮的下半部分相切连接，共同实现对第一摩擦轮的支撑作用。
16.作为优选，所述推料架在沿导轨做往复移动的过程中，与第一摩擦轮之间互不干涉。
17.第二方面，本发明提供了一种利用竹筒连续螺旋开纤的竹纤维获取方法，具体如下：
18.s1：将经过原料分选的竹材截去梢部和根部，随后加工得到定长竹筒；
19.s2：去除所得定长竹筒中的竹节心，随后进行改性预处理，以得到软化竹筒；
20.s3：将所得软化竹筒通过如第一方面任一所述设备进行开纤处理，以破坏竹材中的基体组织，实现纤维束分离，具体如下：
21.将软化竹筒的一端通过夹持件固定于第一摩擦轮上，另一端通过凸台固定于推料架上；令推料架沿导轨做往复移动，同时，使第一摩擦轮开始转动；竹筒的一端随第一摩擦轮旋转，竹材基体在剪应力作用下被破坏，随着推料架不断靠近第一摩擦轮，竹材基体不断被破坏、裂纹持续扩展，竹筒层间和层内纤维束分离，但纤维结构不会受到损伤，使竹筒能
通过产生沿顺纹方向的自螺旋运动实现开纤，从而实现纤维束的无损分离；
22.s4：经开纤处理后的竹筒通过纤维切断机得到所需长度的纤维束，经后处理工艺后得到竹纤维。
23.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
24.1)现有的梳解法和碾压法，在纤维提取中均会使纤维组织受到强力损伤，且无法避免。本发明利用竹筒在螺旋运动时，主要是在周向剪切应力作用下破坏基体组织，因此保持了纤维组织的完整，避免了纤维结构及强力的损伤，进而实现纤维无损分离。
25.2)现有技术中，竹片主要在顺纹或径向方向受到拉伸、压缩作用，一直存在纤维束分离不匀的问题。由于竹筒是层合结构的厚壁圆筒，本发明通过圆周方向的剪应力能有效破坏竹筒层内、层间基体组织，竹筒螺旋运动能加速纤维之间分离，因此能获得均匀分离的竹纤维。
26.3)现有技术是对竹片加工，本发明能实现竹材整筒连续加工，提高了生产效率，且工艺简便、加工的纤维整齐。
附图说明
27.图1为竹纤维获取方法的工艺流程图；
28.图2为竹筒连续螺旋开纤设备一个角度的结构示意图；
29.图3为竹筒连续螺旋开纤设备另一个角度的结构示意图；
30.图4为第一辊轮与第二链传动装置连接的局部结构示意图；
31.图5为第二辊轮的局部结构示意图；
32.图6为夹持件的局部结构示意图；
33.图中附图标记为：底板1、第一电机2、第一链传动装置3、第一机架4、链轮轴5、第二链传动装置6、推料架7、第一摩擦轮8、夹紧爪9、定位销10、拉簧11、第二电机12、联轴器13、第二摩擦轮14、第一轴承座组件15、第一轴16、第二机架17、第二轴18、第二轴承座组件19、托轮20、定位片21、凸台22、第一辊轮23、固定销轴24、第一辊轮轴25、第二辊轮轴26、第一固定件27、第二辊轮28、顶紧螺栓29、调节板螺钉30、调节板31、调节销轴32、夹紧爪固定螺钉33。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
35.竹材本质上属于一种非均匀纤维增强梯度复合材料，具有层合结构特点；竹材纤维的强度模量远远大于基体材料，且纤维束沿纵向平行排列。本发明根据竹材的结构特点和力学特性，研究纤维分离的原理，提出使改性竹筒进行可控的复合螺旋运动来分离竹纤维。给竹筒一端施加扭矩，另一端施加轴向载荷，使竹筒产生螺旋运动；随着竹筒一端转动，竹筒基体组织在剪应力下破坏，使筒体纤维层间、层内发生错移而脱粘，伴随竹筒另一端持续推进，基体裂纹不断生成并扩展，导致纤维分离。基于上述思路，本发明提供了一种竹筒连续螺旋开纤设备，如图2和3所示，该设备主要包括推料装置和竹筒扭转装置。
36.推料装置主要包括推料架7和第一机架4，第一机架4上设有水平且平直的导轨。推
料架7架设于导轨上，能沿导轨做往复移动。推料架7横向设有凸台22，凸台22的轴线与导轨的轴线平行。实际应用时，凸台22伸入竹筒的筒体内部实现卡合固定，用于对竹筒进行轴向定位。凸台22的外侧壁沿周向均匀设有多个定位片21，定位片21能随凸台一同插入竹筒内部，以对竹筒进行周向定位，防止竹筒的该端部发生旋转。实际应用时，凸台22可以设置为锥形结构，横截面较大的一端固定于推料架7上，以便于更好的固定竹筒，同时，也可以在该较大的端部设置定位片21，通过定位片21的设置可以进一步增强凸台的周向摩擦力，使得竹筒的该端部不会发生转动。定位片21的尺寸可以根据凸台尺寸进行设置，如可以采用大约为15x6mm(长x宽)，厚度2-3mm的片状结构。
37.在本实施例中，第一机架4的顶部两侧分别设有互相平行的水平直导轨，推料架7的底部两侧分别设有两个第二辊轮28，且第二辊轮28能沿所在侧的导轨移动。如图5所示，第二辊轮28的中间有第二辊轮轴26，第二辊轮28能沿第二辊轮轴26发生转动。第二辊轮轴26竖直设置于推料架7的底部，上端通过第一固定件27固定于推料架7上，下端露出第二辊轮28底部，并通过顶紧螺栓29实现固定。第一固定件27可以采用螺母。第二辊轮轴26下部露出段的横截面大于第二辊轮28底部横截面，以起到对第二辊轮28的支撑作用。
38.为了实现推料架7沿导轨的往复移动，本实施例采用了第二链传动装置和第一链传动装置。如图4所示，在推料架7两侧面分别沿轴线方向对称开设竖向槽，槽内均设有仅能沿槽上下移动的第一辊轮23。在第一机架4的两侧面上设有能水平传动的第二链传动装置6，第一辊轮23的中部设有第一辊轮轴25，第一辊轮23能沿第一辊轮轴25转动，第一辊轮轴25通过两个固定销轴24与第二链传动装置6的链条固定连接，即替换链条相应位置链节处的销轴。第二链传动装置6一侧的主动链轮还连接有第一链传动装置3，并和第一链传动装置3的从动轮依次安装在链轮轴5上。链轮轴5贯穿第一机架4的两侧边，且两端通过一对带轴承的轴承座安装在第一机架4上。也就是说，链轮轴5的轴向与推料架7的移动方向垂直。第一链传动装置3的主动轮外接第一电机2，第一电机2固定于底板1上，第一电机2带有减速器。第一电机2带动主动轮转动，通过第一链传动作用使链轮轴5转动，链轮轴5通过第二链传动装置3的传动作用使链条移动。由于第一辊轮23通过第一滚轮轴25与链条连接，随着链条的移动，位于推料架7两侧的第一辊轮23均会对推料架7产生水平方向的推力作用，带动推料架7的第二辊轮28沿导轨往复移动，同时，两侧的第一辊轮23也会在推料架7对应侧的竖向槽内上下移动。
39.竹筒扭转装置主要包括能沿中心轴转动的第一摩擦轮8，第一摩擦轮8位于导轨的端侧。由于竹筒在推料架7作用下轴向移动，在第一摩擦轮8中部开设有圆孔，同时为了推料架7在沿导轨做往复移动的过程中，与第一摩擦轮8之间互不干涉，孔洞的大小和位置应当与凸台22相匹配，从而防止推料架7在靠近第一摩擦轮8时，凸台22会与第一摩擦轮8发生碰撞。第一摩擦轮8与凸台22相对的一侧面上设有用于固定竹筒的夹持件，夹持件可以沿着孔洞外周均匀布设。竹筒的两端能分别固定于夹持件和凸台22上，通过夹持件能实现竹筒一端的旋转，通过凸台22能实现竹筒另一端的轴向推进，使竹筒能通过产生沿顺纹方向的自螺旋运动实现开纤。竹筒通过夹持件和凸台22固定时的中轴线应当与导轨平行，从而使得竹筒两端的受力更加均匀，开纤效果更好。
40.夹持件可以采用现有技术中的结构，只要能保证所有夹持件的夹紧力可以调节，以适应不同竹筒的粗细。在本实施例中，如图6所示，夹持件可以采用如下结构：夹持件包括
至少三个带拉簧11的夹紧爪9，所有夹紧爪9能通过夹持竹筒外壁实现固定作用。夹紧爪9为弧形结构，包括固定端和夹持端，夹持端能以固定端为轴心实现转动，固定端通过定位销10固定于第一摩擦轮8的侧壁面，夹持端具有用于增大摩擦力的齿状凸起。齿状凸起可以采用三角形细齿结构，且齿向与夹持件的中心线平行。靠近夹持端的夹紧爪9上通过夹紧爪固定螺钉33固定有拉簧11，拉簧的另一端挂在调节销轴32的轴颈上，若干个调节销轴32均布在调节板31上，调节板31通过调节板螺钉30安装在第一摩擦轮8的内侧面。通过改变拉簧11调节端的位置，能调整所有夹紧爪9对竹筒的夹紧力大小。
41.为了实现第一摩擦轮8的转动，本实施例在第一摩擦轮8的外轮周处还设有第二摩擦轮14，第一摩擦轮8和第二摩擦轮14相切设置，且两者共同构成摩擦轮传动。第二摩擦轮14连接第二电机12，第二电机12为调速电机，第二电机12通过联轴器13驱动第二摩擦轮14转动，进而通过摩擦力作用带动第一摩擦轮8转动。第二电机12固定于第二机架17上，第二摩擦轮14的中部有第一轴16，两侧均设有第一轴承座组件15，且通过第一轴承座组件15固定于第二机架17上。
42.为了对第一摩擦轮8实现有效支撑，在第一摩擦轮8的外轮周处还设有托轮20，托轮20和第一摩擦轮8相切设置。托轮20和第二摩擦轮14均与第一摩擦轮8的下半部分相切连接，共同实现对第一摩擦轮8的支撑作用。托轮20的中部有第二轴18，两侧均设有第二轴承座组件19，且第二轴18通过第二轴承座组件19固定于第二机架17上。在第一摩擦轮8转动时，在摩擦力的作用下会带动托轮20转动。
43.如图1所示，本发明还提供了一种利用竹筒连续螺旋开纤的竹纤维获取方法，该方法的步骤具体如下：
44.(1)原料分选：将各批次竹材按照产地、竹种、竹龄分类，存放在各指定区域。
45.(2)竹筒定长：将经过原料分选的竹材去除竹根和竹稍，加工出定长竹筒。定长竹筒指的是长度一定的竹筒，长度需要根据上述设备中第一摩擦轮8与推料架7之间的最大间隔距离设置，从而使得竹筒的两端能够分别固定于夹持件和凸台22上。定长竹筒的长度一般可以取2m-4m，此时对应的设备中第一摩擦轮8与推料架7之间的最大间隔距离也应当为2m-4m。
46.(3)去除竹节心：去除所得定长竹筒中的竹节心。
47.(4)预处理：将去除竹节心的竹筒放入软化池中，进行改性处理，得到具有适当强度的软化竹筒。这里的适当强度需要根据竹筒壁厚及长度确定，使得软化竹筒在下一步的螺旋开纤过程中，能够通过产生沿顺纹方向的自螺旋运动实现开纤，不会由于软化过度导致竹筒弯曲失稳，也不会由于软化不足影响纤维分离。
48.(5)螺旋开纤：将所得软化竹筒通过上述设备进行开纤处理，以破坏竹材中的基体组织，实现纤维分离，具体如下：
49.将软化竹筒的一端通过夹持件固定于第一摩擦轮8上，另一端通过凸台22固定于推料架7上。令推料架7沿导轨做往复移动，同时，使第一摩擦轮8开始转动。竹筒的一端随第一摩擦轮8旋转，竹材基体在剪应力作用下被破坏，随着推料架7不断靠近第一摩擦轮8，竹材基体不断被破坏、裂纹持续扩展，竹筒层间和层内纤维分离，但纤维结构不会受到损伤，使竹筒能通过产生沿顺纹方向的自螺旋运动实现开纤，从而实现纤维束的无损分离。
50.(6)纤维切断：经开纤处理后的竹筒出料后，直接进入纤维切断机，按要求长度切
断，得到所需长度的纤维束。
51.(7)纤维后处理：随后按纤维的供货要求进行后续的酸洗、烘干及开松等后处理工序，以满足不同的使用要求，最后得到满足要求的竹纤维。
52.竹筒相当于具有层合结构的圆筒，当竹筒一端扭转时，圆周方向的剪切应力沿径向增加能有效破坏竹筒的基体组织，且由于沿竹筒厚度纤维层扭转位移基本按线性增加，因此，促使竹筒纤维层间发生脱粘滑移；同时随着竹筒螺旋运动，加速基体裂纹扩展，使得竹筒纤维之间脱粘，因此能获得均匀分离的竹纤维。本发明中竹筒发生螺旋运动时，沿竹筒周向扭切应力使竹材中基体组织破坏，随着竹筒的推进，不断增加的切应力加速了基体裂纹扩展，有效保持竹纤维结构完整及竹纤维的强力，且使竹纤维得到充分、有效分离，提高了竹纤维均匀度及物理力学性能。
53.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。