由羽毛製成的纖維和纖維製品的製作方法

2023-09-23 13:54:40

專利名稱：由羽毛製成的纖維和纖維製品的製作方法
背景技術：
發明領域隨著美國和其它國家的家禽消耗量的增加，家禽產量不斷增長，這就伴隨著導致了處置家禽所產生的廢品量的增長。本發明涉及產品以及製造工藝，其是在纖維生產中利用這些廢品中的一種，羽毛。這種纖維廣泛用於許多種產品中。
現有技術的描述目前，羽毛是一種難以處置的廢品。例如先將羽毛水解，然後乾燥，磨成粉末作為家畜，主要是雞的飼料添加劑。然而這是一種相當昂貴的加工過程，並產生需求量較少的低質量蛋白產品，也偶爾採用其它的處置方式，例如燃燒或埋掉，但這些方法對環境有害，並為此受到嚴格禁止。
還沒報導過任何由羽毛製成的有用製品或是羽毛的其它用途。因此本發明不僅提供了新穎的產品和方法，還解決了廢物處理方面的對環境汙染比較敏感的問題。
意識到羽毛廢品是可用纖維的潛在資源後，就開始通過生產製造各種商品的研究以證明和開發其商業用途。最初的項目是由羽毛纖維漿粕製造紙張，其具有額外的環保益處。由於紙產品主要由纖維素製成，隨著採用羽毛生產的紙製品對羽毛需求的增加，對植物資源的需求也增加。通常紙漿是通過機械和/或化學地浸漬植物以產生造紙用的纖維，然後將該纖維收集並加工而成。該漿粕然後用於生產紙和紙製品。因此本發明除解決了一個重要的廢品處理問題，還提供了一種減輕森林資源壓力的方法，因為目前森林中的木材是生產大量紙製品的唯一的原材料來源。本發明提供了一種替代這些材料的資源，與採用木材作原料相比，這種原料資源產生很少的廢品且工藝簡單。考慮到羽毛用於有用產品中，羽毛已成為主要的家禽副產品，而不再是與環保有關的難以處理的問題。
本發明概述我們已研製了一種利用羽毛製造纖維和纖維漿粕的方法，所述纖維和纖維漿粕可用於製造多種成品。根據此發現，本發明的目的是提供一種由羽毛製造纖維和纖維漿粕的方法。
本發明的另一目的是提供由羽毛製成的新型的纖維和纖維製品。
從下面描述中很容易理解本發明的其它目的和優點。
附圖簡述

圖1所示的是由羽毛製成纖維的基本步驟以及纖維和纖維漿粕的一些用途的示意圖；圖2是具有圓柱形底部的圓錐形分離器的示圖，該分離器帶有一圓錐形蓋，分離出的纖維可通過該圓錐形蓋排出；圖3是A)一個具有與外圓柱同心的內輸入管的分離器和B)利用與外圓柱同心的逐級擴張的圓形斷面對A)分離器改型的分離器的附圖；圖4是梳刷式分離器的示圖(側視和頂視圖)。
發明詳述羽毛可用來生產替代現有的纖維素、絲和有機聚合物等的纖維。通過單獨利用纖維或將其與其它纖維組合形成製造多種終產品的原料，可生產出多種產品，包括絕緣物質，織物和過濾材料等，但不限於此。通過添加粘合劑，膠粘劑和漿料助劑可增強纖維，或通過用其它助劑，例如染料，媒染劑，增白劑或氧化還原試劑等進行改性。本發明的纖維由於其容易得到和充足的來源而具有優勢。此外，纖維或纖維混合物的物理特性根據纖維或纖維組合物的長度或組分很容易地進行改變。例如，從結構上講，羽毛纖維有天然的大約50微米間隔的節點。這些節點在生產均勻長度為40～50μm的纖維時是潛在的裂開位置。此外不同種類的羽毛長度不同，家禽羽毛纖維長度近似為2cm，而外來鳥類，例如孔雀或鴕鳥的羽毛纖維為4至5cm或更長。羽毛纖維比其它天然纖維更薄，這可使產品有光滑細膩的表面。
由於所有鳥類的羽毛都具有生產有用纖維所必需的特點，因此可使用任何鳥類的羽毛。羽毛由許多細長的緊密平行排列的羽支構成，羽支在逐漸變尖的中空羽幹的兩側形成毛羽。所述羽支有羽小支，其上又有未端為鉤狀翅鉤的羽纖支，羽小支與相鄰羽支的羽小支相互連結以將羽支連成連續的毛羽。羽毛廢品中包括不溶纖維，可溶蛋白質，脂肪和水。羽毛的不溶纖維部分主要包括角蛋白和蛋白膠原。
如果不想用任何特殊的方法來處理羽毛，根據本發明，在生產有用纖維時採用圖1中所提供的步驟來處理羽毛是有效的。任何鳥類的羽毛都可用於本發明的實踐中，然而由於雞是目前能獲得羽毛的主要來源，本發明將參照雞毛進行描述。所述方法包括五個基本步驟a)收集原材料羽毛；b)在有機溶劑中清洗羽毛；c)重複清洗步驟；d)乾燥羽毛；e)將纖維從羽毛幹上除去。
原材料羽毛收集之後，對其進行處理以除去油或脂肪，並對纖維進行消毒和部分脫水。在有機溶劑中進行攪拌清洗，優選是極性有機溶劑，例如約95％的乙醇中清洗約一個小時，溶劑的量為每磅羽毛近似1.0至1.5加侖溶劑。通過更有效的攪動可以調節較低的溶劑/固體比到必要的值以有效地進行去除油。此外還可在清洗溶劑中以約0.5％(V/V)的比例加入表面活性劑，例如多乙氧基醚(polysorbate 80)等。
從第一溶劑中取出後，進行第二清洗步驟以將可溶蛋白質除去，並進一步對羽毛進行消毒。研究發現在乙醇洗液(約70％)或其它有機溶劑或滅菌溶劑(例如疊氮化鈉溶液)和/或混合物中，以每磅羽毛近似1.0至1.5加侖的溶劑量清洗一個小時是有效的。然後對羽毛進行乾燥或以其它方式與溶劑分離。殘留的溶劑通過乾燥，例如在強制氣體(forced-air)烘乾機中在約60至約120℃的溫度範圍內乾燥約6個小時去除，乾燥時間取決於烘乾機的效率。也可採用其它類似的乾燥技術。
在清洗步驟之後，採用機械式粉碎或剪切方法將纖維從羽幹上除去。纖維長度，顆粒尺寸和顆粒分布規模決定了應採用哪種適當的切碎裝置。例如剝絨毛機產生長纖維(約2.5cm)Waring攪拌器產生中等長度的纖維(約1.5cm)，Wiley碾磨機產生短長度纖維(＜1.5cm)。使用這些設備將纖維從其它物質中分離開來是大家熟知的，並屬於本領域的普通技術範圍。它們可用於由羽毛製備纖維，而對已知工序無需或只需很少的改動。
在優選實施例中，利用一種高速恆流量離心式磨碎機，例如Brinkman離心式磨碎機(Brinkmann設備公司Westbury，NY)。在磨碎之前，先將羽毛餵入一個疏鬆機或切碎機以使長纖維變短，因此提高了磨碎機的速度和效率。羽毛餵入碾磨室中，碾磨室中有一在帶大孔洞的隔離罩內旋轉的轉子。轉子具有彼此間距足夠大的齒，纖維首先經過轉子齒間的間隙，然後通過隔離罩上的孔洞，孔洞的直徑與最大的纖維長度近似相同。磨碎的羽毛纖維和羽幹顆料的混合物由離心力驅動通過隔離罩。羽毛在磨碎機中的處理產生一種混合物，該混合物被送入一個或多個分離器以將纖維從混合物中分離出來。
利用剝絨毛機(如Temming和Grunert所述。Temming-LintersTechnical Information on Cotton Cellulose。1973.Peter TemmingAG，Gluckstodt，此處引為參考)或其它機械式分離技術，這取決於纖維的最終用途，可將羽毛纖維和羽幹分離開來，如圖2，3和4所示。混合物中的羽乾材料的出現會產生更膨鬆的、粒狀的輕質材料，這在生產過濾材料時是優選的。另一方面，除去它去產生更光滑更緊密的產品。
在如圖2所示的圓錐形分離器中，磨碎的羽毛纖維和羽幹顆粒混合物在氣體壓力作用下通過位於圓柱形底部A的進口餵入。然後混合物繞圓柱形底部加速運動，直至混合物的纖維部分達到垂直方向的平衡，即重力和向下的牽引力與同上的氣流平衡(此處定義的牽引力是對氣流的阻力)。當牽引力小於提升羽幹顆粒所必需的力時，將進行分離即較輕的纖維向上進入分離器的圓錐形部分，並迫使其通過出口B離開分離器，而較重的羽幹顆粒或者留在圓柱形部分中，或者，若其到達圓錐部分，較大的顆粒由向心力帶出並沿側壁落下。可選擇的出口C用於在處理過程中循環包含纖維而未被分離出的羽幹顆粒。
圖3A和3B示出的分離器主要由兩個同心中空圓柱體構成外圓筒(1)和內輸入管(2)。分離器在連有收集單元(C)的底部和頂部都是密封的，在內管(2)和外圓筒(1)之間有密封墊。通過在B點採用真空或迫使空氣通過點A而使空氣流過系統。或者，也可反過來，即在A點實施真空或迫使氣體通過點B使系統有效工作。
通過入口管A將磨碎的羽毛纖維和羽幹顆粒的混合物送入分離器。輸入管有足夠的長度，使所有顆粒與氣流同速空氣攜帶的顆粒根據空氣阻力(D)和質量(M)即D/M比率而分離。當混合物的顆粒到達內管的底端時，它們或者連續向下進入C處密封的收集單元(重的羽幹顆粒)或向上到達外圓筒並在B點離開系統(較輕的纖維顆粒)。決定顆粒運行路徑的關鍵因素取決於其在內管端部處粒子的慣性是否太大以至於其不能旋轉至外管上方。
用一與外圓筒同心的、逐漸擴張的圓形截面D替代內管的下部可形成所述分離器的改型，即單管階梯狀分離器(圖3B)，圓形截面疊置於外圓筒內，每一部分作為一分離區，圓形截面尺寸遞減，其中G＝內輸入管A的直徑。
圖4所示的梳/刷式分離器將纖維從羽毛纖維和羽幹顆粒的混合物中分離出來。混合物從頂端入口A餵入，纖維通過旋轉刷1和梳2的相互作用進行梳理。混合物然後穿過一豎直擋板3，由風扇4產生的氣壓推動纖維通過擋板。擋板部分的豎直開口足夠大使纖維通過擋板而羽幹顆粒不能通過。擋板兩側的刷子阻止纖維陷在豎直開口之間阻塞擋板。纖維通過出口B排出，而較大的羽幹顆粒通過底出口C排出。
通過連接兩個或多個分離器，即將出口B連接到入口A上形成多級結構。分離器可以是相同的也可以是不同的，也可以連接到磨碎機形成一個連續系統。分離系統的其它變量包括氣流速度，空氣壓力和真空壓力。這些參數根據諸如混合物尺寸或裝置尺寸很容易進行調整。這些參數的調節在本領域技術範圍之內是可行的。作為技術示例的裝置可用於將纖維從羽乾材料中有效地分離出來。
纖維還可通過機械打擊進行進一步處理，例如用Hollender擊碎輪擊打，直至纖維鬆軟柔順、易彎曲。通過改變打擊和壓縮條件可按需求改變這些特性以及纖維長度。或者將纖維進行化學處理，用氧化還原試劑，例如10％的過氧化氫化學處理約1小時。此時，該纖維可用於生產產品，或進一步處理產生漿粕。
由剪切羽毛得到的纖維，混合物中有羽幹和羽支，該纖維可產生較粗的絕緣性。去除羽乾材料的纖維可產生適於衣服的良好的絕緣性。將羽幹從羽支材料中分離出來可產生例如在過濾塔中有用的無紡布纖維。開口容器包裝有纖維材料，通過擋板或隔膜在每端將其固定。此外通過將羽支紡成紗線，經編織後形成織物。
將纖維與水和/或其它浸溼劑或選擇的添加劑混合得到纖維漿粕，根據產品最終用途製造生產產品。通過改變所採用的特殊添加劑可由漿粕製成不同種類和質量的產品。可用的潤溼劑是離子和非離子表面活性劑，例如十二烷基磺酸鈉和多乙氧基醚。
將漿粕與水和/或其它潤溼劑以所需量混合而產生纖維漿粥(pulpsluries)。這些漿粥可調成各種稠度以適於各種用途，包括擠壓形成各種形狀和尺寸的物品，例如淺盤，容器、花瓶，管，櫃架或杆。也可滾動並壓縮漿粥而製成類似於顆粒板的薄片或板。與適當的泡沫試劑例如PoroforBSH相結合，會產生多種用於添充，包裝和絕緣的輕質添料。纖維漿粥也可用於生產無紡布纖維，例如，選擇性過濾材料和普通的吸附劑。
添加劑如媒染劑和染料(例如，二氧化鈦和氧化鐵)；粘合劑(例如澱粉和酪蛋白)，發泡劑；硬化劑，化學上漿助劑(例如二聚酮乳劑)；填充料，以及其它植物(例如洋麻，棉屑，木質纖維素)或動物(例如骨膠原)纖維均可使用。這些添加劑對本領域技術人員是熟知的，並可根據最終產品的要求改變。也可按需使用化學交聯試劑，潤溼劑和/或氧化還原試劑。
可利用已有的技術和工藝生產感興趣的產品。這些步驟在本領域中是熟知的。上述的纖維漿粥直接放入已建立的生產圖表中。紙產品可如Smook，G.A.(Handbook for Pulp Paper Technologists.1989.Canadean Pulp and paper Assocication，Montreal(紙漿工藝手冊，1989，加拿大紙漿協會，蒙特婁))或Clark，Jd』A(Pulp Technology andTreatment for Paper(紙漿工藝和處理)，2nd ed.1985，MillerFreeman Publications，Inc.，San Francisco)所描述的那樣，生產印刷用紙張，工業用紙張，特殊紙張和薄紙。根據Higham，R.R.A.(A Handbookof Paperboard and Board.1970.Vol.IManufacturing Technology；and1971.Vol IITechnology of Conversion and Vsago，Business Bookslimited，London)或Chamberlain，M.R.和Bowler，J.F.(Dictionary ofConcerting.1992.Blackie Academic Professional，London)可在現有的波紋機器中直接由紙製品製成諸如紙板的波紋材料。根據Higham或Chanberlain和Bowler，Supra，可調整纖維漿粥的稠度以適於擠制，壓制以形成各種形狀和尺寸的物品，例如淺盤，容器，花瓶，管，框架或杆。滾動並壓縮纖維漿粕以形成諸如顆粒板的薄片或板。將纖維漿粕與適當的發泡劑相混合以產生多種輕質的用於填充包裝和絕緣的填料。纖維漿粕也可用於生產選擇性過濾材料和普通吸附劑，如Nachinkin，O.I.(polymeric Microlilters.1991.Ellis Horwool，New York)所述。
下面的例子只是想進一步說明本發明，而不是限制由權利要求書所界定的本發明範圍。
例子例1纖維的準備在500ml 95％的乙醇中攪拌清洗10g羽毛並對其消毒，時間約一小時，將清洗過的羽毛從清洗溶液中取出，在500m(70％的乙醇中進一步清洗並消毒一小時。從第二清洗溶液中取出之後，將羽毛乾燥，然後送過包含10個網孔擋板的商用Wiley磨碎機。再將所得到的材料穿過包含20個網孔的擋板的Wiley磨碎機。
例2纖維漿粕的準備將大約5g的商用酪膠(Elmer’s Glue，Borden Co.，Columbus，OH)加入到5克水中混和，然後加入10克乙醇，將溶液進行聲(sonicated)處理以除去氣泡，並與例1中所述的10克纖維混合形成纖維漿粥。
例3由纖維漿粕製備紙張將例2製得的漿粥均勻地鋪放在薄的12″×12″聚乙烯塑料層上，併疊放在一具有刮刀的11″×11″×1/4″的有機玻璃板上，以一12″×1″×1/8″直邊均勻搗實，並整夜用空氣乾燥。在塑料層上噴灑一層乙醇每平方英寸0.5-10噸壓力下通過2層帶聚乙烯內膜的有機玻璃層之間的液壓將其乾燥。在壓制後，從產品上移去聚乙烯層。此工藝足以產生81/2″×11″的紙張。
例4。
由纖維漿粕製備組合物將5g羽毛經過例1所述的清洗，消毒和乾燥之後，放入高速，商用Waring粉碎機中，並剪切2.5分鐘。使混合物由6″小風扇吹入2′×2′×10′家用篩子製成的箱子獲得無羽幹纖維部分。8′以上的纖維被收集起來。將一磅這種纖維放在Hollander擊碎輪中打擊三個小時，其在20加侖水中含有約0.5ml吐溫。然後將搗碎的纖維漿粥收集起來(注意有時用過氧化氫對纖維進行進一步的化學處理使纖維變白並增強纖維的漿狀特性)。樣品在強制氣流烘箱中，在105℃下整夜乾燥。大約8克經乾燥的纖維漿粕與2克有洋麻，0.5g酪膠溶液和300ml的水在Waring混和器中混和擊打5分鐘。然後將漿粥倒入槽的12″×12″聚乙烯塑料薄膜上，並由11″×11″×1/4″的有機玻璃板蓋住。漿粥沿聚乙烯膜用一刮刀使其均勻分布並用12″×1″×1/8″直邊搗實。漿粥整夜用空氣乾燥。將一層乙醇噴在乙烯膜上，然後在每平方英寸約0.5～10噸的壓力下在2層帶聚乙烯薄膜的有機玻璃板間的液壓下乾燥。從產品上移去聚乙烯，產生羽毛/洋麻纖維組合物層。
雖然上述例子描述了由手進行的工藝，對大批量生產而言，機械工藝是優選的。這些工藝在上述參考文獻中均有描述，此處都引為參考，纖維和纖維漿粕組合物可用在這些工藝中，無需或只需很少的改動。
權利要求
1.一種包括纖維的組合物，所述纖維從羽毛中分離出來，並用極性水溶有機溶劑清洗，其中對所述纖維進行處理以使其鬆軟且柔順，其中所述處理是開松或是用氧化還原試劑的化學處理。
2.如權利要求1所述的組合物，其中所述氧化還原試劑是過氧化氫和水。
3.如權利要求1所述的組合物，其中所述組合物還包括擇於膠粘劑，粘合劑，上漿助劑，染料，媒染劑和增白劑之中的添加劑。
4.一種包括纖維漿粕的組合物，其中所述纖維漿粕包括從羽毛中分離出的纖維和水或浸潤劑。
5.一種如權利要求4所述的組合物，其中所述纖維漿粕包括從羽毛中分離出的纖維和水和浸潤劑。
6.一種如權利要求4或5所述的組合物，其中所述組合物還包括擇於媒染劑，染料，粘合劑，起泡劑、硬化劑，化學上漿助劑，添料，植物纖維和動物纖維之中的添加劑。
7.一種由羽毛製成纖維的方法，該方法包括a)收集羽毛原材料，b)在極性水溶有機溶劑中清洗所述羽毛，c)重複上述清理步驟，d)將溶劑從上述羽毛上除去，和e)將纖維從羽幹上除去。
8.如權利要求7的方法，其中步驟b)進行約一個小時。
9.如權利要求7的方法，其中所述極性水溶有機溶劑是乙醇，優選為約95％的乙醇。
10.如權利要求7的方法，其中所述清洗步驟b)在約1.0至約1.5加侖的極性水溶有機溶劑對每磅羽毛的比率下進行的。
11.如權利要求7的方法，其中，所述極性水溶有機溶劑還包括表面活性劑。
12.如權利要求7的方法，其中所述清洗步驟c)在極性水溶有機溶劑中進行。
13.如權利要求12的方法，其中，所述極性水溶有機溶劑是乙醇，優選是約70％的乙醇。
14.如權利要求13的方法，其中所述極性水溶有機溶劑是滅菌試劑，優選為疊氮化鈉溶液。
15.如權利要求7的方法，其中，所述清洗步驟c)在乙醇和滅菌試劑的混合物中進行。
16.如權利要求7的方法，其中所述清洗步驟c)在約1.0至約1.5加侖的溶劑對一磅羽毛的比率下進行。
17.如權利要求7的方法，其中所述溶劑去除步驟通過在約60℃至約120℃的溫度下加熱所述纖維進行。
18.如權利要求7的方法，其中所述纖維通過機械粉碎或剪切而從羽幹上分離開來。
19.如權利要求7的方法，其中所述方法還包括，在纖維從羽幹上分離之後，將纖維材料與羽乾材料分離的步驟。
20.如權利要求7或19的方法，其中，所述方法還包括這樣的步驟，纖維受到處理以使其變軟柔順。
21.如權利要求20的方法，其中所述處理是開松或用氧化還原試劑進行化學處理，其中所述氧化還原試劑是過氧化氫和水。
22.如權利要求7的方法，其中利用磨碎，粉碎或切的方式將所述纖維從羽幹上除去，而產生羽毛纖維和羽幹顆粒的混合物。
23.如權利要求22的方法，其中所述方法還包括將羽毛纖維與羽幹顆粒分離的步驟。
24.如權利要求22的方法，其中利用剝絨毛機，圓錐形分離器，分離器或梳/刷分離器執行分離步驟。
25.如權利要求22的方法，其中利用至少兩臺或一臺剝絨毛機，一臺圓錐形分離器。一臺分離器，和一梳/刷分離器的組合，通過將第一分離器的出口與下一分離器的入口相連而將分離器連接起來，從而進行分離步驟。
26.如權利要求22的方法，其中所述方法還包括處理纖維使其柔軟。
27.如權利要求26的方法，其中所述處理步驟是打擊，或用氧化還原試劑進行化學處理。
28.如權利要求27的方法，其中所述氧化還原試劑是過氧化氫和水。
29.一種製造纖維漿粕的方法，所述方法包括將羽毛上分離下來的纖維與水或浸溫劑混合。
30.一種製造纖維漿粕的方法，其中所述方法包括將羽毛上分離下來的纖維與水和浸溼劑混合。
全文摘要
由羽毛製得的纖維或纖維漿粕可製成多種終產品。這種終產品的例子是紙,紙狀產品,無紡布和紡織纖維,絕緣材料、過濾材料、擠壓件和複合紙以及複合板。
文檔編號D21C5/00GK1188520SQ96194574
公開日1998年7月22日 申請日期1996年5月17日 優先權日1995年6月6日
發明者W·F·施密特, M·J·利內, G·加斯內爾三世, C·託馬斯, R·M·沃特斯 申請人:美國政府農業部