由羽毛制成的纤维和纤维制品的制作方法

专利名称：由羽毛制成的纤维和纤维制品的制作方法
背景技术：
发明领域随着美国和其它国家的家禽消耗量的增加，家禽产量不断增长，这就伴随着导致了处置家禽所产生的废品量的增长。本发明涉及产品以及制造工艺，其是在纤维生产中利用这些废品中的一种，羽毛。这种纤维广泛用于许多种产品中。
现有技术的描述目前，羽毛是一种难以处置的废品。例如先将羽毛水解，然后干燥，磨成粉末作为家畜，主要是鸡的饲料添加剂。然而这是一种相当昂贵的加工过程，并产生需求量较少的低质量蛋白产品，也偶尔采用其它的处置方式，例如燃烧或埋掉，但这些方法对环境有害，并为此受到严格禁止。
还没报导过任何由羽毛制成的有用制品或是羽毛的其它用途。因此本发明不仅提供了新颖的产品和方法，还解决了废物处理方面的对环境污染比较敏感的问题。
意识到羽毛废品是可用纤维的潜在资源后，就开始通过生产制造各种商品的研究以证明和开发其商业用途。最初的项目是由羽毛纤维浆粕制造纸张，其具有额外的环保益处。由于纸产品主要由纤维素制成，随着采用羽毛生产的纸制品对羽毛需求的增加，对植物资源的需求也增加。通常纸浆是通过机械和/或化学地浸渍植物以产生造纸用的纤维，然后将该纤维收集并加工而成。该浆粕然后用于生产纸和纸制品。因此本发明除解决了一个重要的废品处理问题，还提供了一种减轻森林资源压力的方法，因为目前森林中的木材是生产大量纸制品的唯一的原材料来源。本发明提供了一种替代这些材料的资源，与采用木材作原料相比，这种原料资源产生很少的废品且工艺简单。考虑到羽毛用于有用产品中，羽毛已成为主要的家禽副产品，而不再是与环保有关的难以处理的问题。
本发明概述我们已研制了一种利用羽毛制造纤维和纤维浆粕的方法，所述纤维和纤维浆粕可用于制造多种成品。根据此发现，本发明的目的是提供一种由羽毛制造纤维和纤维浆粕的方法。
本发明的另一目的是提供由羽毛制成的新型的纤维和纤维制品。
从下面描述中很容易理解本发明的其它目的和优点。
附图简述

图1所示的是由羽毛制成纤维的基本步骤以及纤维和纤维浆粕的一些用途的示意图；图2是具有圆柱形底部的圆锥形分离器的示图，该分离器带有一圆锥形盖，分离出的纤维可通过该圆锥形盖排出；图3是A)一个具有与外圆柱同心的内输入管的分离器和B)利用与外圆柱同心的逐级扩张的圆形断面对A)分离器改型的分离器的附图；图4是梳刷式分离器的示图(侧视和顶视图)。
发明详述羽毛可用来生产替代现有的纤维素、丝和有机聚合物等的纤维。通过单独利用纤维或将其与其它纤维组合形成制造多种终产品的原料，可生产出多种产品，包括绝缘物质，织物和过滤材料等，但不限于此。通过添加粘合剂，胶粘剂和浆料助剂可增强纤维，或通过用其它助剂，例如染料，媒染剂，增白剂或氧化还原试剂等进行改性。本发明的纤维由于其容易得到和充足的来源而具有优势。此外，纤维或纤维混合物的物理特性根据纤维或纤维组合物的长度或组分很容易地进行改变。例如，从结构上讲，羽毛纤维有天然的大约50微米间隔的节点。这些节点在生产均匀长度为40～50μm的纤维时是潜在的裂开位置。此外不同种类的羽毛长度不同，家禽羽毛纤维长度近似为2cm，而外来鸟类，例如孔雀或鸵鸟的羽毛纤维为4至5cm或更长。羽毛纤维比其它天然纤维更薄，这可使产品有光滑细腻的表面。
由于所有鸟类的羽毛都具有生产有用纤维所必需的特点，因此可使用任何鸟类的羽毛。羽毛由许多细长的紧密平行排列的羽支构成，羽支在逐渐变尖的中空羽干的两侧形成毛羽。所述羽支有羽小支，其上又有未端为钩状翅钩的羽纤支，羽小支与相邻羽支的羽小支相互连结以将羽支连成连续的毛羽。羽毛废品中包括不溶纤维，可溶蛋白质，脂肪和水。羽毛的不溶纤维部分主要包括角蛋白和蛋白胶原。
如果不想用任何特殊的方法来处理羽毛，根据本发明，在生产有用纤维时采用图1中所提供的步骤来处理羽毛是有效的。任何鸟类的羽毛都可用于本发明的实践中，然而由于鸡是目前能获得羽毛的主要来源，本发明将参照鸡毛进行描述。所述方法包括五个基本步骤a)收集原材料羽毛；b)在有机溶剂中清洗羽毛；c)重复清洗步骤；d)干燥羽毛；e)将纤维从羽毛干上除去。
原材料羽毛收集之后，对其进行处理以除去油或脂肪，并对纤维进行消毒和部分脱水。在有机溶剂中进行搅拌清洗，优选是极性有机溶剂，例如约95％的乙醇中清洗约一个小时，溶剂的量为每磅羽毛近似1.0至1.5加仑溶剂。通过更有效的搅动可以调节较低的溶剂/固体比到必要的值以有效地进行去除油。此外还可在清洗溶剂中以约0.5％(V/V)的比例加入表面活性剂，例如多乙氧基醚(polysorbate 80)等。
从第一溶剂中取出后，进行第二清洗步骤以将可溶蛋白质除去，并进一步对羽毛进行消毒。研究发现在乙醇洗液(约70％)或其它有机溶剂或灭菌溶剂(例如叠氮化钠溶液)和/或混合物中，以每磅羽毛近似1.0至1.5加仑的溶剂量清洗一个小时是有效的。然后对羽毛进行干燥或以其它方式与溶剂分离。残留的溶剂通过干燥，例如在强制气体(forced-air)烘干机中在约60至约120℃的温度范围内干燥约6个小时去除，干燥时间取决于烘干机的效率。也可采用其它类似的干燥技术。
在清洗步骤之后，采用机械式粉碎或剪切方法将纤维从羽干上除去。纤维长度，颗粒尺寸和颗粒分布规模决定了应采用哪种适当的切碎装置。例如剥绒毛机产生长纤维(约2.5cm)Waring搅拌器产生中等长度的纤维(约1.5cm)，Wiley碾磨机产生短长度纤维(＜1.5cm)。使用这些设备将纤维从其它物质中分离开来是大家熟知的，并属于本领域的普通技术范围。它们可用于由羽毛制备纤维，而对已知工序无需或只需很少的改动。
在优选实施例中，利用一种高速恒流量离心式磨碎机，例如Brinkman离心式磨碎机(Brinkmann设备公司Westbury，NY)。在磨碎之前，先将羽毛喂入一个疏松机或切碎机以使长纤维变短，因此提高了磨碎机的速度和效率。羽毛喂入碾磨室中，碾磨室中有一在带大孔洞的隔离罩内旋转的转子。转子具有彼此间距足够大的齿，纤维首先经过转子齿间的间隙，然后通过隔离罩上的孔洞，孔洞的直径与最大的纤维长度近似相同。磨碎的羽毛纤维和羽干颗料的混合物由离心力驱动通过隔离罩。羽毛在磨碎机中的处理产生一种混合物，该混合物被送入一个或多个分离器以将纤维从混合物中分离出来。
利用剥绒毛机(如Temming和Grunert所述。Temming-LintersTechnical Information on Cotton Cellulose。1973.Peter TemmingAG，Gluckstodt，此处引为参考)或其它机械式分离技术，这取决于纤维的最终用途，可将羽毛纤维和羽干分离开来，如图2，3和4所示。混合物中的羽干材料的出现会产生更膨松的、粒状的轻质材料，这在生产过滤材料时是优选的。另一方面，除去它去产生更光滑更紧密的产品。
在如图2所示的圆锥形分离器中，磨碎的羽毛纤维和羽干颗粒混合物在气体压力作用下通过位于圆柱形底部A的进口喂入。然后混合物绕圆柱形底部加速运动，直至混合物的纤维部分达到垂直方向的平衡，即重力和向下的牵引力与同上的气流平衡(此处定义的牵引力是对气流的阻力)。当牵引力小于提升羽干颗粒所必需的力时，将进行分离即较轻的纤维向上进入分离器的圆锥形部分，并迫使其通过出口B离开分离器，而较重的羽干颗粒或者留在圆柱形部分中，或者，若其到达圆锥部分，较大的颗粒由向心力带出并沿侧壁落下。可选择的出口C用于在处理过程中循环包含纤维而未被分离出的羽干颗粒。
图3A和3B示出的分离器主要由两个同心中空圆柱体构成外圆筒(1)和内输入管(2)。分离器在连有收集单元(C)的底部和顶部都是密封的，在内管(2)和外圆筒(1)之间有密封垫。通过在B点采用真空或迫使空气通过点A而使空气流过系统。或者，也可反过来，即在A点实施真空或迫使气体通过点B使系统有效工作。
通过入口管A将磨碎的羽毛纤维和羽干颗粒的混合物送入分离器。输入管有足够的长度，使所有颗粒与气流同速空气携带的颗粒根据空气阻力(D)和质量(M)即D/M比率而分离。当混合物的颗粒到达内管的底端时，它们或者连续向下进入C处密封的收集单元(重的羽干颗粒)或向上到达外圆筒并在B点离开系统(较轻的纤维颗粒)。决定颗粒运行路径的关键因素取决于其在内管端部处粒子的惯性是否太大以至于其不能旋转至外管上方。
用一与外圆筒同心的、逐渐扩张的圆形截面D替代内管的下部可形成所述分离器的改型，即单管阶梯状分离器(图3B)，圆形截面叠置于外圆筒内，每一部分作为一分离区，圆形截面尺寸递减，其中G＝内输入管A的直径。
图4所示的梳/刷式分离器将纤维从羽毛纤维和羽干颗粒的混合物中分离出来。混合物从顶端入口A喂入，纤维通过旋转刷1和梳2的相互作用进行梳理。混合物然后穿过一竖直挡板3，由风扇4产生的气压推动纤维通过挡板。挡板部分的竖直开口足够大使纤维通过挡板而羽干颗粒不能通过。挡板两侧的刷子阻止纤维陷在竖直开口之间阻塞挡板。纤维通过出口B排出，而较大的羽干颗粒通过底出口C排出。
通过连接两个或多个分离器，即将出口B连接到入口A上形成多级结构。分离器可以是相同的也可以是不同的，也可以连接到磨碎机形成一个连续系统。分离系统的其它变量包括气流速度，空气压力和真空压力。这些参数根据诸如混合物尺寸或装置尺寸很容易进行调整。这些参数的调节在本领域技术范围之内是可行的。作为技术示例的装置可用于将纤维从羽干材料中有效地分离出来。
纤维还可通过机械打击进行进一步处理，例如用Hollender击碎轮击打，直至纤维松软柔顺、易弯曲。通过改变打击和压缩条件可按需求改变这些特性以及纤维长度。或者将纤维进行化学处理，用氧化还原试剂，例如10％的过氧化氢化学处理约1小时。此时，该纤维可用于生产产品，或进一步处理产生浆粕。
由剪切羽毛得到的纤维，混合物中有羽干和羽支，该纤维可产生较粗的绝缘性。去除羽干材料的纤维可产生适于衣服的良好的绝缘性。将羽干从羽支材料中分离出来可产生例如在过滤塔中有用的无纺布纤维。开口容器包装有纤维材料，通过挡板或隔膜在每端将其固定。此外通过将羽支纺成纱线，经编织后形成织物。
将纤维与水和/或其它浸湿剂或选择的添加剂混合得到纤维浆粕，根据产品最终用途制造生产产品。通过改变所采用的特殊添加剂可由浆粕制成不同种类和质量的产品。可用的润湿剂是离子和非离子表面活性剂，例如十二烷基磺酸钠和多乙氧基醚。
将浆粕与水和/或其它润湿剂以所需量混合而产生纤维浆粥(pulpsluries)。这些浆粥可调成各种稠度以适于各种用途，包括挤压形成各种形状和尺寸的物品，例如浅盘，容器、花瓶，管，柜架或杆。也可滚动并压缩浆粥而制成类似于颗粒板的薄片或板。与适当的泡沫试剂例如PoroforBSH相结合，会产生多种用于添充，包装和绝缘的轻质添料。纤维浆粥也可用于生产无纺布纤维，例如，选择性过滤材料和普通的吸附剂。
添加剂如媒染剂和染料(例如，二氧化钛和氧化铁)；粘合剂(例如淀粉和酪蛋白)，发泡剂；硬化剂，化学上浆助剂(例如二聚酮乳剂)；填充料，以及其它植物(例如洋麻，棉屑，木质纤维素)或动物(例如骨胶原)纤维均可使用。这些添加剂对本领域技术人员是熟知的，并可根据最终产品的要求改变。也可按需使用化学交联试剂，润湿剂和/或氧化还原试剂。
可利用已有的技术和工艺生产感兴趣的产品。这些步骤在本领域中是熟知的。上述的纤维浆粥直接放入已建立的生产图表中。纸产品可如Smook，G.A.(Handbook for Pulp & Paper Technologists.1989.Canadean Pulp and paper Assocication，Montreal(纸浆工艺手册，1989，加拿大纸浆协会，蒙特利尔))或Clark，Jd’A(Pulp Technology andTreatment for Paper(纸浆工艺和处理)，2nd ed.1985，MillerFreeman Publications，Inc.，San Francisco)所描述的那样，生产印刷用纸张，工业用纸张，特殊纸张和薄纸。根据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)可在现有的波纹机器中直接由纸制品制成诸如纸板的波纹材料。根据Higham或Chanberlain和Bowler，Supra，可调整纤维浆粥的稠度以适于挤制，压制以形成各种形状和尺寸的物品，例如浅盘，容器，花瓶，管，框架或杆。滚动并压缩纤维浆粕以形成诸如颗粒板的薄片或板。将纤维浆粕与适当的发泡剂相混合以产生多种轻质的用于填充包装和绝缘的填料。纤维浆粕也可用于生产选择性过滤材料和普通吸附剂，如Nachinkin，O.I.(polymeric Microlilters.1991.Ellis Horwool，New York)所述。
下面的例子只是想进一步说明本发明，而不是限制由权利要求书所界定的本发明范围。
例子例1纤维的准备在500ml 95％的乙醇中搅拌清洗10g羽毛并对其消毒，时间约一小时，将清洗过的羽毛从清洗溶液中取出，在500m(70％的乙醇中进一步清洗并消毒一小时。从第二清洗溶液中取出之后，将羽毛干燥，然后送过包含10个网孔挡板的商用Wiley磨碎机。再将所得到的材料穿过包含20个网孔的挡板的Wiley磨碎机。
例2纤维浆粕的准备将大约5g的商用酪胶(Elmer’s Glue，Borden Co.，Columbus，OH)加入到5克水中混和，然后加入10克乙醇，将溶液进行声(sonicated)处理以除去气泡，并与例1中所述的10克纤维混合形成纤维浆粥。
例3由纤维浆粕制备纸张将例2制得的浆粥均匀地铺放在薄的12″×12″聚乙烯塑料层上，并叠放在一具有刮刀的11″×11″×1/4″的有机玻璃板上，以一12″×1″×1/8″直边均匀捣实，并整夜用空气干燥。在塑料层上喷洒一层乙醇每平方英寸0.5-10吨压力下通过2层带聚乙烯内膜的有机玻璃层之间的液压将其干燥。在压制后，从产品上移去聚乙烯层。此工艺足以产生81/2″×11″的纸张。
例4。
由纤维浆粕制备组合物将5g羽毛经过例1所述的清洗，消毒和干燥之后，放入高速，商用Waring粉碎机中，并剪切2.5分钟。使混合物由6″小风扇吹入2′×2′×10′家用筛子制成的箱子获得无羽干纤维部分。8′以上的纤维被收集起来。将一磅这种纤维放在Hollander击碎轮中打击三个小时，其在20加仑水中含有约0.5ml吐温。然后将捣碎的纤维浆粥收集起来(注意有时用过氧化氢对纤维进行进一步的化学处理使纤维变白并增强纤维的浆状特性)。样品在强制气流烘箱中，在105℃下整夜干燥。大约8克经干燥的纤维浆粕与2克有洋麻，0.5g酪胶溶液和300ml的水在Waring混和器中混和击打5分钟。然后将浆粥倒入槽的12″×12″聚乙烯塑料薄膜上，并由11″×11″×1/4″的有机玻璃板盖住。浆粥沿聚乙烯膜用一刮刀使其均匀分布并用12″×1″×1/8″直边捣实。浆粥整夜用空气干燥。将一层乙醇喷在乙烯膜上，然后在每平方英寸约0.5～10吨的压力下在2层带聚乙烯薄膜的有机玻璃板间的液压下干燥。从产品上移去聚乙烯，产生羽毛/洋麻纤维组合物层。
虽然上述例子描述了由手进行的工艺，对大批量生产而言，机械工艺是优选的。这些工艺在上述参考文献中均有描述，此处都引为参考，纤维和纤维浆粕组合物可用在这些工艺中，无需或只需很少的改动。
权利要求
1.一种包括纤维的组合物，所述纤维从羽毛中分离出来，并用极性水溶有机溶剂清洗，其中对所述纤维进行处理以使其松软且柔顺，其中所述处理是开松或是用氧化还原试剂的化学处理。
2.如权利要求1所述的组合物，其中所述氧化还原试剂是过氧化氢和水。
3.如权利要求1所述的组合物，其中所述组合物还包括择于胶粘剂，粘合剂，上浆助剂，染料，媒染剂和增白剂之中的添加剂。
4.一种包括纤维浆粕的组合物，其中所述纤维浆粕包括从羽毛中分离出的纤维和水或浸润剂。
5.一种如权利要求4所述的组合物，其中所述纤维浆粕包括从羽毛中分离出的纤维和水和浸润剂。
6.一种如权利要求4或5所述的组合物，其中所述组合物还包括择于媒染剂，染料，粘合剂，起泡剂、硬化剂，化学上浆助剂，添料，植物纤维和动物纤维之中的添加剂。
7.一种由羽毛制成纤维的方法，该方法包括a)收集羽毛原材料，b)在极性水溶有机溶剂中清洗所述羽毛，c)重复上述清理步骤，d)将溶剂从上述羽毛上除去，和e)将纤维从羽干上除去。
8.如权利要求7的方法，其中步骤b)进行约一个小时。
9.如权利要求7的方法，其中所述极性水溶有机溶剂是乙醇，优选为约95％的乙醇。
10.如权利要求7的方法，其中所述清洗步骤b)在约1.0至约1.5加仑的极性水溶有机溶剂对每磅羽毛的比率下进行的。
11.如权利要求7的方法，其中，所述极性水溶有机溶剂还包括表面活性剂。
12.如权利要求7的方法，其中所述清洗步骤c)在极性水溶有机溶剂中进行。
13.如权利要求12的方法，其中，所述极性水溶有机溶剂是乙醇，优选是约70％的乙醇。
14.如权利要求13的方法，其中所述极性水溶有机溶剂是灭菌试剂，优选为叠氮化钠溶液。
15.如权利要求7的方法，其中，所述清洗步骤c)在乙醇和灭菌试剂的混合物中进行。
16.如权利要求7的方法，其中所述清洗步骤c)在约1.0至约1.5加仑的溶剂对一磅羽毛的比率下进行。
17.如权利要求7的方法，其中所述溶剂去除步骤通过在约60℃至约120℃的温度下加热所述纤维进行。
18.如权利要求7的方法，其中所述纤维通过机械粉碎或剪切而从羽干上分离开来。
19.如权利要求7的方法，其中所述方法还包括，在纤维从羽干上分离之后，将纤维材料与羽干材料分离的步骤。
20.如权利要求7或19的方法，其中，所述方法还包括这样的步骤，纤维受到处理以使其变软柔顺。
21.如权利要求20的方法，其中所述处理是开松或用氧化还原试剂进行化学处理，其中所述氧化还原试剂是过氧化氢和水。
22.如权利要求7的方法，其中利用磨碎，粉碎或切的方式将所述纤维从羽干上除去，而产生羽毛纤维和羽干颗粒的混合物。
23.如权利要求22的方法，其中所述方法还包括将羽毛纤维与羽干颗粒分离的步骤。
24.如权利要求22的方法，其中利用剥绒毛机，圆锥形分离器，分离器或梳/刷分离器执行分离步骤。
25.如权利要求22的方法，其中利用至少两台或一台剥绒毛机，一台圆锥形分离器。一台分离器，和一梳/刷分离器的组合，通过将第一分离器的出口与下一分离器的入口相连而将分离器连接起来，从而进行分离步骤。
26.如权利要求22的方法，其中所述方法还包括处理纤维使其柔软。
27.如权利要求26的方法，其中所述处理步骤是打击，或用氧化还原试剂进行化学处理。
28.如权利要求27的方法，其中所述氧化还原试剂是过氧化氢和水。
29.一种制造纤维浆粕的方法，所述方法包括将羽毛上分离下来的纤维与水或浸温剂混合。
30.一种制造纤维浆粕的方法，其中所述方法包括将羽毛上分离下来的纤维与水和浸湿剂混合。
全文摘要
由羽毛制得的纤维或纤维浆粕可制成多种终产品。这种终产品的例子是纸,纸状产品,无纺布和纺织纤维,绝缘材料、过滤材料、挤压件和复合纸以及复合板。
文档编号D21C5/00GK1188520SQ96194574
公开日1998年7月22日 申请日期1996年5月17日 优先权日1995年6月6日
发明者W·F·施密特, M·J·利内, G·加斯内尔三世, C·托马斯, R·M·沃特斯 申请人:美国政府农业部