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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Benetzung von Faserstoff, wie sie im Oberbegriff der beigefügten unabhängigen Patentansprüche 1 und
6 definiert sind.
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Solch
ein Verfahren und eine Vorrichtung sind aus dem Dokument US-A-5496439
bekannt.
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Altpapier,
aus dem cellulosehaltiger Faserstoff wiederverwendet werden soll,
wird aufbereitet, um saubere Fasern daraus zu trennen und zurückzugewinnen.
Außer
cellulosehaltigen Fasern enthält Altpapier
verschiedene Typen von Verunreinigungen, etwa Kunststoff, Aluminiumfolien
oder Wachs, die in mehrlagigem Papier oder Karton verwendet werden, in
Druckpapier verwendete Druckfarbe und auch normalen Schmutz. Das
faserige Material in Altpapier enthält Luft zwischen Fasern sowie
innerhalb der Fasern selbst. Behälter,
die aus Milchkarton und Flüssigkeitskarton,
d. h. aus mehrlagigem Material hergestellt sind, wo cellulosehaltiger
Faserstoff mit z. B. Plastikmaterial und/oder Al-Folienmaterial kombiniert ist, stellen
eine riesige Abfallmenge dar, die recycelt werden muss.
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Typisch
wird mit einem Benetzungsmittel vermischtes Altpapier mechanisch
in einem Pulper oder einem Stofflöser behandelt, um das Papier
aufzulösen
und das feine Papiermaterial, faserhaltige Material, einzuweichen,
bis die Fasern genug angeschwollen sind, um getrennt zu werden.
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Das
Papiermaterial kann so lange eingeweicht werden, bis alle Fasern
darin durchnässt
sind, so dass sie aus jedem anderen im Papier vorhandenen Material,
z. B. Kunststoff, Al-Folien, Wachs, Druckfarbe usw. herausgewaschen
oder getrennt werden können.
Eine lange Behandlung neigt aber jedoch auch dazu, jedes im Altpapier
vorhandene nichtfaserige Material in sehr feine Partikel zu zerbrechen
oder zu zerschneiden, welche feinen nichtfaserigen Partikel schwer
von den cellulosehaltigen Fasern zu trennen sind. Die Partikel werden
mit den Akzeptfasern ausgetragen und werden zur nächsten Aufbereitungsstufe
der zu recycelnden Fasern befördert.
Insbesondere Kunststoffpartikel oder Al-Partikel sind geneigt, in
jeder nachfolgenden Aufbereitungsstufe schwierige Probleme zu verursachen.
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Die
Mahlbehandlung in einem Pulper ist auch geneigt, auf das faserige
Material selbst einzuwirken. Lange hochwertige Fasern sind während der Behandlung
geneigt zu zerbrechen, was zu einer reduzierten Recyclingfaserqualität führt.
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Um
zu verhindern, dass Fasern guter Qualität durch die Behandlung beeinflusst
werden und feines nichtfaseriges Material (Al-Folie oder Kunststoff) in
nachfolgende Aufbereitungsstufen gelangt, kann das Altpapier sehr
behutsam und nur eine kurze Zeit lang im Pulper aufbereitet werden.
Solch eine behutsame Behandlung während einer kurzen Zeitspanne führt jedoch
zu einer sehr begrenzten Kapazität
des Recyclingprozesses. Bis zu 35 % des faserigen Materials können nichtgetrennt
bleiben und mit dem nichtfaserigen Material ausgetragen werden,
ohne rückgeführt zu werden.
Dies führt
zu einer Steigerung der Kosten für
Abfallbehandlung. Es ist nicht nur unmöglich, das z. B. mit Al-Material
vermischte Fasermaterial zu verwenden, es scheint, dass auch die Rückgewinnung
des Al-Materials
unmöglich
wird.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Verfahren und eine Vorrichtung zur Benetzung von faserigem Material vorzusehen,
um eine maximale Menge hochwertiger Fasern zurückzugewinnen.
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Im
Besonderen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung vorzusehen, durch die faseriges Material sehr schnell
von nichtfaserigem Material getrennt werden kann, bei einer minimalen
Verschlechterung des faserigen Materials und bei einer maximalen
Abscheidung von Verunreinigungen.
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Es
ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung vorzusehen, die eine effektive Benetzung von
faserigem Material, etwa cellulosehaltigem Stoff ermöglichen,
um eine effektive Möglichkeit
zur Behandlung des faserigen Materials mit gewünschten Zusätzen, etwa Farbmitteln, Bleichmitteln,
Oberflächenspannung-senkenden
Mitteln oder Brandschutzmitteln oder mit Mitteln, die dem faserigen
Material hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften verleihen.
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Die
obigen Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung
erreicht, die Merkmale umfassen, wie sie im charakterisierenden
Teil der beigefügten
unabhängigen
Ansprüche
1 und 6 beschrieben sind.
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Ein
typisches Verfahren zur Benetzung von faserigem Material, etwa grob
geshreddertem Altpapier, umfasst folgende Schritte:
- (a) Einführung
des faserigen Materials in ein Benetzungsgehäuse (10);
- (b) Einführung
von Benetzungsflüssigkeit
in das Benetzungsgehäuse
und benetzt werden lassen des faserigen Materials durch die Benetzungsflüssigkeit,
- (c) Ableitung einer Suspension von benetztem faserigem Material
und Benetzungsflüssigkeit
aus dem Benetzungsgehäuse,
- (d) Herabsetzung des Drucks innerhalb des Benetzungsgehäuses im
Verlauf von oder nach Schritt (a) oder Schritt (b) auf einen Druck
p1 und
- (e) nach Schritt (d) Erhöhung
des Drucks innerhalb des Benetzungsgehäuses auf einen Druck p2, während
das faserige Material in der Benetzungsflüssigkeit eingetaucht gehalten
wird, und Wiederholung der Schritte (d) und (e) zumindest zweimal.
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Das
Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte (d) und (e), die
innerhalb einer Zeitspanne von < 1
Minute stattfinden.
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In
Schritt (d) wird der Druck innerhalb des Benetzungsgehäuses reduziert
z. B. durch eine Vakuumpumpe oder andere Mittel, die einen Sog darauf ausüben. Der
Druck wird bevorzugt auf einen Druck verringert, der 1–10 m Wassersäule entspricht.
Das Benetzungsgehäuse
ist dabei ein Gefäß des Vakuumgefäß-Typs,
das bei Bedarf einem wunschgemäßen Vakuum
standhalten kann. Durch das/den im Benetzungsgehäuse zustande gebrachte/n Vakuum oder
Niederdruck wird im Altpapier vorhandene Luft, Luft im Faserstoff
und auch Luft innerhalb der Fasern selbst dazu gezwungen, abgesaugt
zu werden. Im Faserstoff und in Fasern gebildete hohl1e1 Leerräume kollabieren.
Der Faserstoff, der am Anfang des Benetzungsprozesses auf der Oberfläche der
Benetzungsflüssigkeit
geschwommen haben kann, wird dadurch in die Flüssigkeit hineingetaucht.
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Mit
einer als solch bekannten Vakuumpumpe oder einer anderen ähnlichen
Vorrichtung kann das Vakuum oder der Unterdruck sehr schnell, in
einigen Sekunden fast sofort zustande gebracht werden. Das Vakuum
oder der Unterdruck wird nur für
die sehr kurze Zeitspanne erzeugt, die die Luft braucht, um aus dem
Faserstoff wunschgemäß abgezogen
zu werden. Sobald das faserige Material zweckentsprechend in der
Benetzungsflüssigkeit
eingetaucht ist, wird der Druck im Benetzungsgehäuse sehr schnell erhöht, z. B.
indem man Wasser oder Luft ins Benetzungsgehäuse fließen lässt, wobei das faserige Material
noch immer in der Benetzungsflüssigkeit
eingetaucht ist.
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Der
erhöhte
Druck auf die Benetzungsflüssigkeit
zwingt die Flüssigkeit
dazu, in die kollabierten Leerräume
innerhalb der Fasern und andere Hohlräume zu fließen, aus denen Luft während des
Vakuum- oder Unterdruckbehandlungsschritts abgesaugt wurde. Fasern
schwellen schnell an, wenn Flüssigkeit
in die Fasern zwischen verschiedenen Lagen davon eindringt. Das
schnelle Anschwellen von Fasern löst die Fasern von jedem nicht
anschwellenden Material; etwa Kunststoff oder Al-Folienmaterial, an das die Fasern gebunden
sein können.
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Die
Schritte (d) und (e) werden zumindest einmal, bevorzugt mehrere
Male wiederholt. Dies kann leicht getan werden, weil die Zeitspanne
der Schritte (d) und (e) sehr kurz ist. Das Erhöhen und Senken des Drucks innerhalb
des Benetzungsgehäuses
findet mit einem Intervall von < 1
Minute, bevorzugt < 30
Sekunden, am bevorzugtesten < 10
Sekunden, statt.
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Die
vorliegende Erfindung kann auf einen periodischen Prozess oder einen
kontinuierlichen Prozess angewandt werden. In einem typischen periodischen
Prozess wird eine Charge des faserigen Materials in ein Benetzungsgehäuse eingeführt, wonach der
Druck im Benetzungsgehäuse
gesenkt wird und Benetzungsflüssigkeit
ins Benetzungsgehäuse
eingeführt
wird. Unmittelbar danach lässt
man den Druck im Gehäuse
z. B. auf das atmosphärische Druckniveau
steigen, wodurch Benetzungsflüssigkeit in
Hohlräume
und Kavitäten
des faserigen Materials eingesaugt wird, aus denen Luft während des
Vakuumbehandlungsschritts abgesaugt wurde. Die in die Fasern eindringende
Flüssigkeit
hat zur Folge, dass die Fasern anschwellen und sich dabei von jedem Material
lösen,
das nicht Gegenstand ähnlichen
Anschwellens ist.
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Gewünschtenfalls
kann das Benetzungsmittel vor dem Vakuumbehandlungsschritt in das
Benetzungsgehäuse
eingeführt
werden. Dann werden eine Charge faserigen Materials und Benetzungsflüssigkeit
in ein Benetzungsgehäuse
eingeführt,
wonach der Druck im Benetzungsgehäuse auf ein gewünschtes
Niveau gesenkt wird, um Luft aus dem faserigen Material abzusaugen.
Anschließend
lässt man
den Druck im Gehäuse
wieder steigen, um das Einsaugen von Benetzungsflüssigkeit
in Hohlräume
des faserigen Materials zu erzwingen.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung detaillierter anhand der
beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
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1 schematisch
eine Benetzungsbehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung während sie
gefüllt
wird;
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2 die
Benetzungsvorrichtung von 1 während eines
Vakuumbehandlungsschritts;
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3 die
Benetzungsvorrichtung von 1 nach dem
Vakuumbehandlungsschritt, wenn Druck im Gehäuse schnell erhöht ist;
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4 die
Benetzungsvorrichtung von 1 während des
Ableitungsschritts.
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1 stellt
ein Benetzungsgehäuse 10 zur Benetzung
von faserigem Material, etwa Altpapier, besonders Flüssigkeitskarton,
während
der Füllung des
Gehäuses
dar. Grob geshreddertes Altpapier in Stückchen mit einer Länge und
Breite von z. B. 1–20 cm,
bevorzugt ungefähr
10 cm, wird durch eine Leitung 12 in das Benetzungsgehäuse 10 eingeführt, deren
Ventil 14 geöffnet
ist. Benetzungsflüssigkeit, typisch
Wasser, wird durch eine Leitung 16 eingeführt, deren
Ventil geöffnet
ist. Ein Zusatz, wie Oberflächenspannung-reduzierendes
Mittel, Benetzungsmittel oder ein anderes erwünschtes geeignetes Mittel kann
dem Wasser zugesetzt werden. Das Benetzungsgehäuse wird befüllt, bis
das Altpapier und die Benetzungsflüssigkeit das Benetzungsgehäuse fast vollständig ausfüllen. Das
faserige Material schwimmt teilweise auf der Oberfläche der
Benetzungsflüssigkeit.
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Eine
Vakuumpumpe 20 ist über
eine Leitung 22 mit dem Gehäuse verbunden. In der Auffüllphase ist
die Leitung 22 durch ein Ventil 24 abgesperrt.
Eine Ablaufleitung 26 ist mit dem Boden des Benetzungsgehäuses verbunden,
um benetztes faseriges Material und Benetzungsflüssigkeit dadurch in ein unter dem
Benetzungsgehäuse
angeordnetes Gefäß 28 abzuleiten.
Um zu verhindern, das während
der Auffüllphase
aus dem Benetzungsgehäuse
Material abfließt,
wird ein Ventil 30 an der Leitung geschlossen.
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Ventile 14 und 18 werden
geschlossen, wenn das Gehäuse 10 bis
zu einem geeigneten Niveau mit einer Mischung aus faserigem Material
und Benetzungsflüssigkeit
gefüllt
ist. Das faserige Material, Stückchen
von Altpapier 32 oder ähnlichem,
schwimmen zumindest teilweise an der Oberfläche der Benetzungsflüssigkeit.
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2 stellt
die Vorrichtung während
der Vakuumbehandlungsphase dar. Die Ventile 14, 18 und 30 sind
geschlossen, und ein Vakuum entsprechend ungefähr 1–10 m Wassersäule wird
durch die Vakuumpumpe 20 zustande gebracht, wenn das Ventil 24 an
Leitung 22 geöffnet
wird. Luft wird aus dem Benetzungsgehäuse 10 abgesaugt.
Dadurch wird Luft auch aus dem Luftenthaltenden faserigem Material 32 und
den einzelnen Fasern im Gehäuse
abgesaugt. Cellulosehaltige Fasern enthalten kleine Mengen Luft
im Inneren der Faser, zwischen verschiedenen Schichten der Faser,
die abgesaugt werden kann. Dadurch kollabieren Hohlräume, und
Fasern und Papierstückchen
schrumpfen. In 2 sind schematisch Papierstückchen 32 dargestellt,
die im Vergleich zu den in 1 dargestellten
Papierstückchen
geschrumpft sind. Das erforderliche Vakuumdruck- oder Unterdruckniveau
wird in einem sehr kurzen Zeitabschnitt erreicht, der nur einige
Sekunden sein kann, in Abhängigkeit
z. B. vom Wirkungsgrad der Vakuumpumpe und dem aus dem Benetzungsgehäuse abzusaugendem
Luftvolumen.
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Sobald
genug Luft aus dem faserigen Material abgesaugt ist und das Material
kollabiert und vollständig
in der Benetzungsflüssigkeit
eingetaucht ist, wird das Ventil 24 geschlossen, und der
Druck im Gehäuse
kann wieder steigen. Der Druck kann erhöht werden, indem man zusätzliche
Benetzungsflüssigkeit
ins Gehäuse
fließen
lässt oder
indem ein in 3 dargestelltes Entlüftungsventil 33 geöffnet wird.
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Durch
die Druckerhöhung
wird Benetzungsflüssigkeit
gezwungen, in die Hohlräume
zu fließen, die
sich im faserigen Material und in den einzelnen Fasern gebildet
haben, als während
der Vakuumbehandlung Luft abgesaugt wurde. Die während der Vakuumbehandlung
deformierten und kollabierten Hohlräume wollen jetzt ihre ursprüngliche
Form dadurch annehmen, dass die kollabierten entleerten Räume ausgefüllt werden.
Weil das faserige Material in der Benetzungsflüssigkeit vollständig eingetaucht ist,
zwingt eine Druckerhöhung
die Benetzungsflüssigkeit,
die Leerräume
auszufüllen.
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Der
Druck im Gehäuse
wird sehr schnell erhöht,
um eine plötzliche „explosive" Neubildung der Hohlräume innerhalb
der Faser zu erreichen. Die Hohlräume werden dann mit Wasser
gefüllt,
d. h. die Fasern werden benetzt und schwellen an. Benetzte Fasern
werden flexibel und lassen sich leicht vom umliegendem Material
trennen, ohne die Faser zu zerbrechen oder das nichtfaserige Material
zu zerbrechen, dem die Fasern ursprünglich anhafteten. Aus 3 ist
zu ersehen, dass sich einzelne Fasern oder Faserbündel 34 vom
faserigen Material gelöst haben,
während
nichtfaseriges Material, wie z. B. Kunststoff, Al-Folie oder ähnliches
Material fast in seiner ursprünglichen
Größe, d. h.
in großen
Teilen oder Stückchen 36 bleibt.
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Benetzungsflüssigkeit
dringt sehr schnell z. B. innerhalb einiger Sekunden, ins faserige
Material ein, wonach die Mischung aus faserigem Material und Benetzungsflüssigkeit,
wie in 4 dargestellt, durch Öffnen des Ventils 30 an
Leitung 26 abgeleitet werden kann, die zum Ablaufbehälter 28 führt. Vom Ablaufbehälter kann
die Mischung zu einem Abscheider befördert werden (nicht dargestellt),
in dem nichtfaseriges großstückiges Material
leicht von der Suspension aus feinen getrennten Fasern und Benetzungsflüssigkeit
getrennt werden kann.
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Um
Benetzung und Anschwellen der Fasern zu verbessern, werden die Prozesse
in 2 und 3 wiederholt, d. h. Vakuum wird
im Gehäuse
ein zweites Mal erzeugt, um zusätzliche
Lluft abzusaugen, wonach man den Druck im Gehäuse wieder steigen lässt. Nachfolgende
Vakuum- und Druckerhöhungsschritte
können
gewünschtenfalls
in einem getrennten zweiten, dritten und vierten Gehäuse durchgeführt werden.
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Die
Vakuum- und Druckschritte können
so oft wie notwendig wiederholt werden. Es kann notwendig sein,
die Benetzung in mehreren nachfolgenden Schritten durchzuführen, besonders
wenn verhindert wird, dass Luft vollständig oder bis zu einem gewünschten
Grad aus dem faserigen Material abgesaugt wird. Dies ist z. B. der
Fall bei Benetzung von Flüssigkeitskarton,
bei dem faseriger Material auf beiden Seiten durch festes z. B.
Plastik- oder Al-Folienmaterial bedeckt ist. Fasern lösen sich
Lage für Lage
von den Rändern
von Stückchen
des mehrlagigen Papiermaterials, weil Luft nur aus den äußersten Lagen
während
jedes Vakuumschritts abgesaugt wird. Dem kann geholfen werden, wenn
vor dem Einführen
des Materials ins Benetzungsgehäuse
Löcher in
die dichten Deckschichten gerissen oder gepickt werden, um für den Benetzungsvorgang
mehr Ausgangspunkte zu bieten.
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Die
vorliegende Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
- – durch
den Vakuum-Benetzungsprozess können Fasern
schneller vom mehrlagigen Material, etwa Milchkarton oder Flüssigkeitskarton
getrennt werden, wodurch kleinere und billigere Prozessbehälter als
bisher eingesetzt werden können
fürs Auflösen, Waschen
und Trennen; einige Prozessschritte überflüssig werden;
- – vom
Prozess müssen
kleinere Volumen verunreinigten Materials getrennt werden, weil
Faserstoff vollständiger
zurückgewonnen
wird und in den Verunreinigungen nicht mehr enthalten ist;
- – die
Größe nichtfaserigen
Materials wird in diesem Prozess nicht so viel wie während früherer Prozesse
reduziert, das nichtfaserige Material behält eine Größe bei, die eine leichte Trennung
daraus erlaubt;
- – für nachfolgende
Prozessbehandlungsschritte, etwa Bleiche, ist eine wesentlich kürzere Zeit
notwendig, weil das faserige Material vollständiger benetzt wird; kürzere Bleichdauer
bedeutet geringere Beschädigung
des Faserstoffs;
- – Produktion
kann wesentlich gesteigert werden, wenn Produktionsvorrichtung der
gleichen Größe wie bisher
eingesetzt wird;
- – oder
die gleiche Produktion wie zuvor kann durch eine wesentlich kleinere
Produktionsanlage erreicht werden;
- – die
Benetzungsflüssigkeit,
in der Zusatzmittel oder Behandlungsmittel gelöst oder gemischt sein können, wird
unmittelbar tief in Luft enthaltendes faseriges Material eingebracht,
wodurch der Zusatz oder das Mittel unmittelbar aus dem Inneren des
Materials herauswirken kann;
- – in
das Luft enthaltende faserige Material gleichmäßig eingedrungene Benetzungsflüssigkeit
ergibt eine gleichmäßige Behandlung
des Materials;
- – das
faserige Material wird in kürzerer
Zeit vollständiger
benetzt als in bisher bekannten Benetzungsprozessen, wodurch das
faserige Material auch schneller als bisher zu einer maximalen Größe anschwillt;
- – wenn
Luft enthaltendes faseriges Material mit dem vorliegenden Vakuumprozess
benetzt wird, sind oft mechanische Vorbehandlungsschritte wie Zerschneiden,
Zerhacken und Auflösen
nicht nötig,
um eine größere Benetzungsoberfläche zu erhalten.
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Fürs Benetzen
von Luft enthaltendem faserigem Material haben sich kurze Benetzungsimpulse, d.
h. kurze Vakuum- und Druckimpulse sehr vorteilhaft erwiesen. Es
können
sehr kurze Impulse von nur einigen Sekunden < 1 Minute, bevorzugt < 30 Sekunden, bevorzugter < 10 Sekunden benutzt
werden. Die Länge
der Periode und der Bedarf von wiederholten Behandlungsperioden
hängt von
dem zu benetzenden faserigen Material ab. Das Aufheizen der Benetzungsflüssigkeit
ist auch geneigt, den vorliegenden Benetzungsprozess zu verbessern.
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Der
vorliegende Vakuum-Benetzungsprozess ist besonders nützlich bei
der Benetzung von mehrlagigem faserigem Material, etwa Flüssigkeitskarton,
bei dem das faserige Material auf beiden Seiten durch eine undurchlässige Lage
beschichtet ist. Die Benetzung setzt auf allen Seiten der grob geshredderten
Materialstücke
im Benetzungsgehäuse
ein. Durch mehrmaliges Wiederholen der kurzen Vakuum- und Druckschritte
kann das faserige Material Lage für Lage von den Seiten des mehrlagigen Materials
entfernt werden, ohne das mehrlagige Material in kleine Stücke zerschneiden
zu müssen
und ohne bereits entfernte Fasern im Behandlungsbehälter aufbewahren
zu müssen,
bis alle Fasern entfernt, abgelöst
sind. Die Behandlung von dichtem, wasser-undurchlässigem mehrlagigem
Material kann natürlich
beschleunigt werden, indem die oberen Lagen vorsichtig porös gemacht
werden, um das Eindringen von Flüssigkeit
auch zwischen die Lagen zu ermöglichen.
Auch Chemikalien, etwa Oberflächenspannung-reduzierende
Mittel oder andere allgemeine Benetzungsmittel können verwendet werden, um die Benetzung
im vorliegenden Benetzungsprozess zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung kann zur Benetzung von Bandmaterial, geklebtem
mehrlagigem Papier, Band mit Silikonüberzug eingesetzt werden, ohne
vorher den Klebstoff auflösen
zu müssen.
Die vorliegende Erfindung bietet einen Benetzungsprozess bei, in
dem Verunreinigungen sehr behutsam behandelt werden und deshalb
leicht von den Fasern getrennt werden, oft in einem einzigem oder
einigen Trennschritten im Vergleich zu bisherigen Prozessen.
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Außer normalem
Benetzen und Anschwellen, Defibrieren, kann der Benetzungsprozess
eingesetzt werden für
- – Aufbereitung
von Fasern mit hydrophoben oder hydrophilen Mitteln;
- – Tieffärbung von
Fasern;
- – Flammenschutz
von Fasern;
- – Bleiche
von Fasern;
- – Verbesserung
der Nassfestigkeit von Faserstoff;
- – Imprägnierung
von Fasern.
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Die
vorliegende Erfindung soll nicht auf die in der vorliegenden Beschreibung
erwähnten
beispielhaften Anwendungen begrenzt werden, sondern vielmehr alle
Anwendungen im Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche einschließen.