专利名称：松散状生物质可成型材料的成型机的制作方法
技术领域：
本实用新型有关一种松散状生物质可成型材料的成型装置，将松散状的生物质材料在不依赖任何化学粘合剂的条件下成型为可燃烧材料或建筑材料，该可燃烧材料或建筑材料在受潮后不变形。
背景技术：
本实用新型所指的生物质可成型材料，是以农作物的秸杆、或者草本植物、灌木，或者木材加工中所产生的固体废弃物等为原料，将这些原料处理成松散状态，这种生物质材料的原料是由天然植物所产生的废弃物构成，具有成本低、可再生、资源丰富的特点。
燃烧是生物质材料的一种主要利用方式，由于其燃烧排放物没有二氧化硫、氧化氮类有害气体，因此是矿物质燃烧材料的最佳替换物。但是，未成型的松散状生物质材料，运输及储存体积过大，其利用成本过高，必须将其松散状的生物质材料进行必要的成型加工，极大可能地降低其体积，提高单位体积的燃烧效率，才能具有可利用的价值。然而作为一种生物质燃烧材料，保持其原生物质材料的燃烧排放特性是非常重要的，即其成型后的生物质燃烧材料中不能加入任何的化学粘合剂及浸渍材料，这对于松散状态下的生物质材料的成型加工是极为困难的。
对此，世界各国的科学家通过对生物质材料的特性的大量的研究，总结出生物质材料固化成型机理。目前，得到普遍认可的成型机理是，植物细胞中木质素在200～300℃时会软化、液化。此时，施以一定压力，将植物细胞中纤维素靠紧粘接，并与相邻的颗粒相互胶接，冷却后即可固化成型，可以实现不使用任何粘接剂的情况下生物质材料的成型。
对于生物质固化成型使用最多的是以螺旋杆进行输送和压缩，连续挤出物料至模具中高温加热成型，通常的所设定的加热温度应满足木质素的软化、液化温度(即240～260℃)，然后冷却固化。但是物料在模具中高温加热的过程中，原料的水分过高时，产生的水蒸汽不能顺利排出，造成成型后产品表面开裂，严重时产生爆鸣。因此，该种工艺在生物质材料粉碎后，必须进行烘干处理以排出水分，才能进行挤压成型。在挤压的过程中，利用电加热装置产生的高温，使得生物质材料中的木质素等物质溢出，从而达到粘接的作用。
长期的使用实践证明，这种传统的加工方法存在有如下不可克服的缺陷是，该工艺生产过程中能耗严重。因为在对物料进行预干燥，需要消耗大量的能源；另外，当物料被干燥至含水率小于10％再进行挤压加工时，其磨擦力大大地增大了，从而增大其挤压成型时阻力，也会使得产品的单位能耗过高；而且，在固化成型过程中，因需要进行加热处理，同样需要消耗大量能量。此外，上述的螺旋挤压式生物质成型机，其结构复杂，而且生产效率低。特别是在物料的含水率小于10％时，螺旋杆在高温、干摩擦的状态下，磨损相当严重，平均寿命为60至80小时。大量的实践证明，正是由于生物质材料的成型加工的能耗过大，加工成本过高，使得生物质材料的成型加工至今不能进行大范围的推广。
另一种常用挤压成型机，包括有一个筒状的成型模具，成型模腔设置于成型模具的侧壁上，在筒状的成型模腔内设有一个或者多个挤压头，该挤压头由各自的转动轴支撑。其工作原理是，由驱动动力带动筒状成型模腔转动，而挤压头则通过其与转动的成型模具挤压面间的磨擦而被动转动，将物料挤压入成型模具上分布的成型模腔内成型。从其成型的机理不难得知，在挤压头运动的线速度与成型模具的挤压面的线速度完全相同，挤压头和成型模具的挤压面之间的挤压腔内的上下两个运动表面的线速度完全相同。这种运动方式使成型的呈块状的生物质材料，结构密度较小，比较酥松，而且耐水性差，比较适合于作为饲料使用。但是采用这种成型方法制成的块状生物质材料，因其受潮后其连接强度大大地降低了，极容易粉碎，例如，利用上述方法加工的生物质燃烧材料，放入水中几分钟后即呈粉末状，因此，不能作为燃烧材料。
传统挤出理论认为，在挤出过程中，物料在挤出腔中被压缩的程度越大，成型出的成品越致密，表面越光滑。受该传统挤出理论的影响，现有挤出模具的成型模腔大都为收缩状，其出口口径小于入口口径，以在成型时对物料进行压缩，提高其致密性。但在实际使用过程中，由于散状生物质材料的力传导距离较小，只有3-5mm，挤压过程中正压力不能传导到成型腔中，因此，该收缩状的成型腔实际上并不能像理论中那样对物料进行压缩，从而对成形后的制品的致密性影响不大。而这种收缩状的成型模腔由于物料的出口口径小于入口口径，需要较大的挤压力才能将物料挤压出去，因此，极大增加了挤出过程中能量的消耗，提高了生物质材料制品的加工成本。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种松散状生物质材料的成型机，使其成型后的产品具有所需的连接强度和耐潮湿性；最大限度地减少在制造过程中的能耗，提高生产效率，从而降低制造成本；本实用新型的另一目的在于提供一种松散状生物质材料的成型机，最大限度地减少了成型产品中的化学添加剂，以降低成型产品在制造和使用过程中的环境污染。
本实用新型的目的是这样实现的，一种松散状生物质可成型材料的成型机，至少包括相互滚压的两个或两个以上滚筒，相滚压的相邻两滚筒成线速度差速运动，相滚压的相邻两滚筒至少一滚筒为中空结构，该滚筒筒壁设有连通于中空部的成型模腔；该滚筒一端部设有出料口，相滚压的两滚筒之间形成挤压腔，挤压腔大端形成有进料口。
在本实用新型成型机中，所述部分或全部相滚压的两滚筒都为中空结构，滚筒筒壁设有连通于中空部的成型模腔；滚筒一端部设有出料口。
上述本实用新型的成型模腔至少由沿入口端到出口端的成型段和扩大段构成，至少该扩大段的出口端口径大于成型段口径，模腔的入口处设有导向收缩段。
本实用新型中，相滚压的两滚筒中转动线速度大的滚筒上的导向收缩段沿滚筒转向设于成型模腔的一侧，转动线速度小的滚筒上的导向收缩段沿滚筒转向的反向设于成型模腔的一侧。
本实用新型的成型模腔中，所述扩大段可为柱状扩大段或渐扩状扩大段；所述渐扩状扩大段可为锥形扩大段或弧形渐扩扩大段。
上述本实用新型的滚筒由电机及与其连接的减速装置构成的动力装置驱动。所述相滚压的两滚筒可分别由不同的动力装置驱动；也可由联接传动机构的同一动力装置驱动。所述传动机构由两个分别固设于相滚压的两滚筒轴上且相互啮合的齿轮构成。
本实用新型中，相滚压的两滚筒的转速相同，而两滚筒直径不同；或相滚压的两滚筒的转速不同，而两滚筒直径相同；以实现相互滚压的两滚筒线速度差速运动本实用新型是在常温状态下挤压成型，即在成型时不再进行高温加热。可以节省大量的因高温加热所需的能耗。最重要的是，本实用新型使得生物质材料在成型时，仅利用生物质材料在挤压状态下通过压力和粒子间的剪切摩擦力作用，使纤维素延展、挤压出原生态的木质素，利用该原生态木制素粘合力，将相邻纤维质粘接成型。因此利用本实用新型成型的产品具有较好的塑性和耐潮湿性。本发明人经大量试验证明，利用本实用新型成型的产品，即使是放入水中浸泡40多个小时仍保持其成型时的形状，干燥后仍不会失去原来使用功能。
本实用新型的成型机在挤压成型时，由于滚筒间存在线速度差速，使物料在进入成型模腔之前，在挤压腔内先被施加一剪切力，在该剪切力作用下，挤压腔内的粒状物料首先被碾搓、拉伸而成片状。随着压腔体积的不断缩小，呈片状物料层叠状进入成型模腔内，通过进一步挤压，不仅使每层间的密度不断增大，同时，呈片状的粒子在该正挤压力的作用下，一部分粒子变形后进入片状粒子间的间隙缝；而形成上下啮合的状态，从而构成本实用新型的成型后产品的特定的结构模型，以及优于利用现有成型的产品的力学特性。
由于，本实用新型中滚筒可同时都设置成型模腔，所以，当两滚筒相互滚压时，可同时在滚筒的成型模腔内加工产品，这样，可大幅提高生产效率，同时也可降低加工成本。
由于本实用新型的成型模腔由成型段和扩大段构成，在不减小滚筒筒壁厚度和强度的情况下，减小了成型段的长度，使其与松散状生物质材料力传导距离较小的特点相适应，在保证成型质量的前提下，减小了物料在成型腔内的挤压摩擦长度和时间，因此极大的降低了物料的挤出阻力；只需要较小的正压力即可将物料压出成型；从而极大减小物料通过成型模腔的能耗，降低生物质材料制品的加工成本。实验证明，利用本实用新型的成型模腔成型制品的能耗比采用传统收缩状成型模腔的能耗减小30％以上。
进一步，本实用新型的成型模腔的入口端还设有导向收缩段，该导向收缩段的入口面积大于成型段的入口面积，物料在成型时，首先进入导向收缩段被压缩后通过成型段成型，由于物料在成型段之前已经首先被压缩，因此成型段的长度可更短一些，仅用于定型物料即可，这样不但可提高成型制品的质量，并且由于扩大段的存在，同样也降低了挤出能耗。
大量的试验证明，利用本实用新型成型的松散状态的生物质材料，具有如下优点；1)成型后的型材具有较高的连接强度，无需任何的化学粘接剂，可以从根本上避免其在制造和使用时对室内和环境的污染；2)成型后型材的吸湿性大大地降低了，具有较好的耐水性，适于在潮湿的环境中使用或者保存；3)制造成本大大地降低了，有利于生物质材料的推广利用。
图1为本实用新型成型机一种结构示意图。
图2为图1中滚筒的横截面示意图。
图3为本实用新型成型机另一种结构示意图。
图4为图3中滚筒的横截面示意图。
图5为本实用新型成型机又一种结构示意图。
图6为本实用新型成型机再一种结构示意图。
图7至图13为本实用新型中成型模腔结构示意图。
图14为本实用新型中滚筒端部结构示意图。
图15为本实用新型成型机滚筒直径不同的结构示意图。
图16为本实用新型成型机三个滚筒的结构示意图。
具体实施方式
实施例1一种松散状生物质可成型材料的成型机，至少包括相互滚压的两个或两个以上滚筒，相滚压的相邻两滚筒成线速度差速运动，相滚压的相邻两滚筒至少一滚筒为中空结构，该滚筒筒壁设有连通于中空部的成型模腔；该滚筒一端部设有出料口，相滚压的两滚筒之间形成挤压腔，挤压腔大端形成有进料口。
为了比较清楚说明本实用新型的技术方案，以下仅以两个滚筒为例进行说明。
如图1、图2所示，本实施例中包括有滚筒1和滚筒2，该滚筒1和滚筒2成线速度差速运动，在本实施例中，滚筒1为中空结构，该滚筒1筒壁设有连通于中空部的成型模腔12；该滚筒1一端部设有出料口13；而滚筒2上没有设置成型模腔；滚筒1和滚筒2之间形成挤压腔3，挤压腔3大端形成有进料口31。
本实用新型的成型机在挤压成型时，由于相滚压的相邻两滚筒间存在线速度差速，使物料在进入成型模腔之前，在挤压腔内先被施加一剪切力，在该剪切力作用下，挤压腔内的粒状物料首先被碾搓、拉伸而成片状。随着压腔体积的不断缩小，呈片状物料层叠状进入成型模腔内，通过进一步挤压，不仅使每层间的密度不断增大，同时，呈片状的粒子在该正挤压力的作用下，一部分粒子变形后进入片状粒子间的间隙缝；而形成上下啮合的状态，从而构成本实用新型的成型后产品的特定的结构模型。
所述成型模腔12至少由沿入口端到出口端的成型段121和扩大段122构成，至少该扩大段122的出口端口径大于成型段121口径，模腔12的入口处设有导向收缩段123。
由于本实用新型的成型模腔由成型段和扩大段构成，在不减小滚筒筒壁厚度和强度的情况下，减小了成型段的长度，使其与松散状生物质材料力传导距离较小的特点相适应，在保证成型质量的前提下，减小了物料在成型腔内的挤压摩擦长度和时间，因此极大的降低了物料的挤出阻力；只需要较小的正压力即可将物料压出成型；从而极大减小物料通过成型模腔的能耗，降低生物质材料制品的加工成本。
在本实施例中，当滚筒1线速度大于滚筒2时，该滚筒1上成型模腔12的导向收缩段123沿滚筒1的转向设于成型模腔的一侧(如图1、图2所示)；反之，当滚筒1线速度小于滚筒2时，该滚筒1上成型模腔12的导向收缩段123沿滚筒1的转向的相反方向设于成型模腔的一侧(图中未示)。物料粒状在滚筒2的滚动表面和滚筒1的滚动表面的相对差速运动的作用下，被碾搓、拉伸呈片状从挤压腔3大端挤压入导向收缩段123的浅端，在导向收缩段123被压缩后，由导向收缩段123的深端进入模腔12的成型段121成型。
本实用新型的成型机，滚筒2与滚筒1的滚压面产生相对差速运动，使物料在进入成型模腔12之前，先在挤压腔3内被施加一剪切力，在该剪切力作用下，挤压腔3内的粒状物料首先被碾搓、拉伸而成片状。随着挤压腔3体积的不断缩小，在该剪切力的作用下，挤压腔3内的原料相互摩擦，同时被挤压入导向收缩段123的浅端123a(如图7所示)，在导向收缩段123被压缩后，由导向收缩段123的深端123b进入模腔12的成型段121成型。呈片状物料层叠状进入成型模腔12内，通过进一步挤压，不仅使每层间的密度不断增大，同时，呈片状的粒子在该正挤压力的作用下，一部分粒子变形后进入片状粒子间的间隙缝；而形成上下啮合的状态，从而构成本实用新型的成型后产品的特定的结构模型，以及优于利用现有成型的产品的力学特性。
如图7所示，本实施例中，滚筒1的成型模腔12由沿入口端到出口端的成型段121和扩大段122构成，该扩大段122的出口口径大于成型段121口径，这样物料在通过成型模腔12成型时，首先通过成型段121成型后，通过扩大段122被挤出，由于该扩大段122的出口端口径大于成型段121的口径，因此，物料在扩大段122摩擦很小或者没有摩擦。这样，在不减小滚筒1筒壁厚度和强度的情况下，减小了成型段121的长度，使其与松散状生物质材料力传导距离较小的特点相适应，在保证成型质量的前提下，减小了物料在成型模腔12内的挤压摩擦长度和时间，因此，极大的降低了物料的挤出阻力，只需要较小的正压力即可将物料压出成型，从而极大减小物料通过成型模腔12的能耗，降低生物质材料制品的加工成本。
本实用新型的成型机是在常温状态下挤压成型，即在成型时不再进行高温加热。可以节省大量的因高温加热所需的能耗。最重要的是，本实用新型使得生物质材料在成型时，仅利用生物质材料在挤压状态下通过压力和粒子间的剪切摩擦力作用，使纤维素延展、挤压出原生态的木质素，利用该原生态木制素粘合力，将相邻纤维质粘接成型。因此利用本实用新型成型的产品具有较好的塑性和耐潮湿性。
进一步，如图7所示，本实施例中该成型模腔12的扩大段122为柱状扩大段，形成从入口端12a到出口端12b成型段121口径小于扩大段122的口径的阶梯状模腔12。
在本实施例中，如图8至图10所示，所述扩大段122还可为锥形渐扩扩大段或弧形渐扩扩大段。其中锥形渐扩扩大段可为一个(如图8)或一个以上(如图9)，该一个以上的锥形渐扩扩大段的渐扩角沿入口端到出口端方向依次加大。由于成型模腔1 2呈渐扩状，挤出时的挤出阻力较小，因此只需要较小的正压力即可将物料挤出成型，极大降低了成型时的能耗，降低了成本。
进一步，如图7至图10所示，本实施例中的成型模腔12的入口端设置的导向收缩段123，其入口面积大于成型段121的入口面积，物料是由该导向收缩段123进入成型模腔12的成型段121的。这样物料在挤压腔3中被碾搓、挤压后，由于该导向收缩段123具有较大的入口面积，因此很容易进入该导向压缩段123内，并在导向收缩段123被压缩挤压后通过成型段121成型，进一步提高物料的挤出效率；提高挤出制品的成型质量。
如图11至图13所示，在本发明中，该成型模腔12的截面形状，可根据实际所需成型的制品为各种形状。圆形截面，可成型出圆形棒材。横截面为菱形，成型出菱柱状制品。其横截面为六边形，可成型出六棱柱状制品。该截面还可为工字型材形、矩形或其他不规则形状等。
如图1、图3所示，在本实施例中所述滚筒2和滚筒1均由动力装置驱动而转动，所述的动力装置由电机9以及与其连接的减速装置8组成。
在本实施例中，如图5、图6所示，滚筒1和滚筒2可分别由不同的动力装置驱动；也可以由同一动力装置驱动(如图1、图3所示)，当两滚筒由同一动力装置驱动时，该动力装置通过两个分别与两滚筒同轴固设且相啮合的齿轮71、72来驱动滚筒。
本实施例中，滚筒1和滚筒2的直径可以相同，如图1至4所示，由两滚筒的不同转速来实现线速度的差速运动；也可以是两滚筒具有相同转速，而直径不同，如图15所示，以实现线速度的差速运动。
本实施例中滚筒1的端部结构如图14所示，滚筒1筒壁由筋板15连接于轴承座，再由轴承61与轴6连接；筋板15间隔形成出料口13.当然本实用新型滚筒端部也可以采用其它常用的结构，但在一端部至少要形成有出料口。
作为本实施例的另一种实施方式，也可以为滚筒2上设置成型模腔，而滚筒1上没有设置成型模腔(图中未示)；其效果与前述相同。
作为另一种实施方式，本实用新型中滚筒还可设置为两个以上，如图16所示，成型机包括滚筒1、滚筒2和滚筒2’，滚筒1分别与滚筒2和2’滚压，滚筒1与滚筒2及滚筒2’呈线速度差速运动，滚筒1为中空结构，其滚筒筒壁设有连通于中空部的成型模腔12，一端部设有出料口13，滚筒1与滚筒2之间及滚筒1与滚筒2’之间形成有挤压腔，挤压腔大端形成有进料口。
该两个以上滚筒的成型机的其他原理及效果与前述两个滚筒的相同，在此不再赘述。
实施例2如图3、图4所示，本实施例的基本原理和结构与实施例1相同，其区别在于，所述部分或全部相滚压的两滚筒都为中空结构。以具有两个滚筒为例，如图4所示，所述滚筒1和滚筒2都为中空结构，滚筒1和滚筒2的筒壁上均设有连通于中空部的成型模腔12；且两滚筒1、2的一端部都设有出料口13、23。转动线速度大的滚筒1上的成型模腔12的导向收缩段123沿滚筒1转向设于成型模腔12的一侧；转动线速度小的滚筒2上的成型模腔12的导向收缩段123沿滚筒2转向的反向设于成型模腔12的一侧。
滚筒2与滚筒1的滚压面产生相对差速运动，使物料在进入成型模腔12之前，先在挤压腔3内被施加一剪切力，在该剪切力作用下，挤压腔3内的粒状物料首先被碾搓、拉伸而成片状。随着挤压腔3体积的不断缩小，在该剪切力的作用下，挤压腔3内的原料相互摩擦，同时被挤压入导向收缩段123的浅端123a，在导向收缩段123被压缩后，由导向收缩段123的深端123b进入模腔12的成型段121成型。呈片状物料层叠状进入成型模腔12内，通过进一步挤压，不仅使每层间的密度不断增大，同时，呈片状的粒子在该正挤压力的作用下，一部分粒子变形后进入片状粒子间的间隙缝；而形成上下啮合的状态；利用本实用新型的成型机加工的产品的例行性能优于利用现有成型机加工的产品。
由于，两滚筒上同时都设置成型模腔，且两滚筒成线速度差速运动，所以，当两滚筒相互滚压时，可同时在两滚筒的成型模腔内加工产品，这样，在相同的时间里，比实施例1中一个滚筒上设置成型模腔来加工产品的结构，效率可成倍提高，同时也可降低加工成本。
本实施例的其他效果与实施例1相同，在此不再赘述。
权利要求1.一种松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于至少包括相互滚压的两个或两个以上滚筒，相滚压的相邻两滚筒成线速度差速运动，相滚压的相邻两滚筒至少一滚筒为中空结构，该滚筒筒壁设有连通于中空部的成型模腔；该滚筒一端部设有出料口，相滚压的两滚筒之间形成挤压腔，挤压腔大端形成有进料口。
2.如权利要求1所述的松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于所述部分或全部相滚压的两滚筒都为中空结构，滚筒筒壁设有连通于中空部的成型模腔；滚筒一端部设有出料口。
3.如权利要求1或2所述的松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于所述成型模腔至少由沿入口端到出口端的成型段和扩大段构成，至少该扩大段的出口端口径大于成型段口径，模腔的入口处设有导向收缩段。
4.如权利要求3所述的松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于相滚压的两滚筒中转动线速度大的滚筒上的导向收缩段沿滚筒转向设于成型模腔的一侧，转动线速度小的滚筒上的导向收缩段沿滚筒转向的反向设于成型模腔的一侧。
5.如权利要求4所述的松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于所述扩大段可为柱状扩大段或渐扩状扩大段；所述渐扩状扩大段可为锥形扩大段或弧形渐扩扩大段。
6.如权利要求1所述的松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于所述滚筒由电机及与其连接的减速装置构成的动力装置驱动。
7.如权利要求6所述的松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于所述相滚压的两滚筒分别由不同的动力装置驱动。
8.如权利要求6所述的松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于所述相滚压的两滚筒由联接传动机构的同一动力装置驱动。
9.如权利要求8所述的松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于所述传动机构由两个分别固设于相滚压的两滚筒轴上且相互啮合的齿轮构成。
10.如权利要求7至9所述的松散状生物质可成型材料的成型机，其特征在于相滚压的两滚筒的转速相同，而两滚筒直径不同；或相滚压的两滚筒的转速不同，而两滚筒直径相同。
专利摘要本实用新型有关一种松散状生物质可成型材料的成型装置，至少包括相互滚压的两个或两个以上滚筒，相滚压的相邻两滚筒成线速度差速运动，相滚压的相邻两滚筒至少一滚筒为中空结构，该滚筒筒壁设有连通于中空部的成型模腔；该滚筒一端部设有出料口，相滚压的两滚筒之间形成挤压腔，挤压腔大端形成有进料口。利用本实用新型成型的松散状态的生物质材料，具有如下优点；1)成型后的型材具有较高的连接强度，无需任何的化学粘接剂，可以从根本上避免其在制造和使用时对室内和环境的污染；2)成型后型材的吸湿性大大地降低了，具有较好的耐水性，适于在潮湿的环境中使用或者保存；3)制造成本大大地降低了，有利于生物质材料的推广利用。
文档编号B27N5/02GK2638954SQ03277208
公开日2004年9月8日 申请日期2003年7月18日 优先权日2003年7月18日
发明者车战斌 申请人:车战斌