1.本发明属于竹材加工领域，具体涉及一种用于竹条螺旋开纤的设备及其竹纤维获取方法。
背景技术：
2.由于我国竹材资源广泛、且可再生周期短，近30年来，竹材加工及利用得到蓬勃发展。竹原纤维作为新型天然纤维已开始应用于床垫垫芯材料中，在汽车内饰等其它复合材料领域研究也大量增加。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。目前，国内外针对长竹原纤维的提取还仅停留在技术研究阶段，并未见有任何公司生产销售这类设备，在目标市场中鲜有竞争产品，市场处于“真空状态”。
3.竹原纤维制备的关键工序是对改性竹材进行机械分离，目前竹纤维生产中，机械制备方法主要是碾压法、梳解法。竹纤维提取工艺一般是：机械加工前，将竹子分片或竹筒压扁后进行软化处理，再沿竹子轴向进行碾压或梳解加工来分离竹纤维，然后对粗竹纤维进行精细化后处理，获得精纤维。目前机械加工方法主要存在问题是：未考虑竹子的微观结构特点，直接对整竹或竹片进行加工。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，纤维的长细度指标难以控制，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；而且，这些问题是现有技术本身无法克服和改变的。其次，对整竹或竹片进行软化，软化渗透不匀一直是竹纤维提取工艺中改性工序的主要问题，直接影响到后续竹纤维机械分离度及均匀度等指标。
4.目前的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，技术简单易操作；但是，难以制备出高质量竹纤维。现有技术生产的竹纤维只能用于床垫等技术指标要求不高的产品，限制了竹纤维的推广及应用。
5.近年来公开的一些竹纤维提取设备专利，在竹纤维的制备方法上作了一些探索，其中，发明名称为“一种脱层开纤的装置及方法”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对竹片或竹筒通过施加弯曲、轴压和扭转等载荷来分离竹纤维，各有利弊。
6.因此，亟需提供一种新的竹纤维提取方法及设备。
技术实现要素：
7.本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种用于竹条螺旋开纤的设备及其竹纤维获取方法。本发明从竹材束纤维分离的原理出发，提出通过强迫竹条螺旋运动来破坏竹材中的基体组织，着重解决现有技术会对竹纤维结构及强力产生损伤，以及纤维束分离不匀的难题，可以有效提高竹纤维的质量。本发明提出以竹材开片去黄或分层后的
竹条作为加工单元，软化竹条可以改变现有工艺中的竹筒或竹片的软化处理不均匀问题；同时，对竹条分层分类加工的工艺，可以有效改善现有技术中纤维细度不可控的问题，提高纤维提取的均匀性指标。其中，竹青部分竹条提取的竹纤维，可以用于纺织纤维的制备。
8.本发明所采用的具体技术方案如下：
9.第一方面，本发明提供了一种用于竹条螺旋开纤的设备，包括进料系统和螺旋开纤系统；
10.所述进料系统包括第一机架和与第一电机相连的进料辊；所述进料辊固定于第一机架的上面板，进料辊的转动面与上面板之间具有间隔并构成能共同对竹条施加摩擦力使其移动的进料空间；
11.所述螺旋开纤系统包括同为圆锥状且沿进料方向横截面逐渐减小的主轴和外筒体；所述主轴与第二电机连接，外表面沿轴向设有双螺旋叶片；所述双螺旋叶片的两个螺旋叶片螺旋方向相同且轴向对称布置，沿进料方向，双螺旋叶片的螺距逐渐减小；所述外筒体同轴套设于主轴外部且其内壁不影响双螺旋叶片的转动，外筒体、双螺旋叶片和主轴共同构成能使竹条呈螺旋状移动的开纤通道；待处理的竹条经所述进料系统送料后能进入所述开纤通道的进口。
12.作为优选，所述第一电机为调速电机，第一电机通过第一联轴器驱动进料辊转动；进料辊的两端均设有第一轴承，第一轴承通过轴承座固定于第一机架的上面板。
13.作为优选，所述上面板开设有导料槽，进料辊的转动面位于导料槽上方；所述进料辊的外表面设有平行轴线的齿状结构，用于增强进料摩擦力。
14.作为优选，所述第二电机带有减速器，第二电机通过第二联轴器驱动主轴转动。
15.作为优选，所述螺旋开纤系统置于第二机架上，外筒体的外侧焊接有固定于第二机架上的支撑架。
16.作为优选，所述外筒体的两端分别通过3～4条筋板焊接固定有法兰，筋板横截面形状尺寸以不影响进料为宜；主轴的两端分别通过第二轴承安装在所在侧的法兰中，并通过轴承盖实现限位固定。
17.作为优选，所述双螺旋叶片焊接于主轴上，双螺旋叶片外侧与外筒体内壁之间的间隙小于2mm。
18.作为优选，所述外筒体进料端的直径为250
‑
300mm，出料端的直径为150
‑
180mm，轴向长度为2.5m～3m。
19.作为优选，所述双螺旋叶片进料端的螺旋升角为50
°
～55
°
，出料端的螺旋升角为25
°
～30
°
。
20.第二方面，本发明提供了一种利用竹条螺旋开纤的竹纤维获取方法，具体如下：
21.s1：将经过原料分选的竹材截去梢部和尾部，随后将得到的竹材茎杆在竹材开片机上进行开片；以开片数多为宜；
22.s2：将开片后的竹材去除竹黄，获得定厚竹条；
23.s3：将所得定厚竹条进行改性预处理，得到软化竹条；
24.s4：将所得软化竹条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，实现纤维分离，具体如下：
25.开启第一电机，利用进料辊的旋转作用，使软化竹条通过进料空间的传输作用进
入开纤通道；开启第二电机，利用主轴旋转作用，使软化竹条向出口方向移动；由于双螺旋叶片的螺距逐渐减小，软化竹条在开纤通道中进行螺旋运动时受到的弯曲力及剪切应力逐渐增大，使竹条在运动中受力变形且基体组织不断被破坏，但纤维结构不会受到损伤，从而实现纤维束的无损分离；
26.s5：经开纤处理后的竹条从外筒体的出料口出料，随后通过纤维切断机得到所需长度的分离状束纤维，经后处理工艺后得到竹纤维。
27.本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
28.1)本发明通过强迫竹条发生螺旋运动来分离竹纤维，改变了现有竹材纤维机械分离技术的思路。避免了现有技术中给竹材直接施加拉、压载荷造成的纤维损伤。利用本发明的设备进行竹材开纤的过程中，可以最大限度地保持了纤维组织的完整，避免了纤维结构损伤及强力破坏，实现了纤维束无损分离。
29.2)本发明可以保证纤维连续完整、分离均匀，能得到长度整齐、细度可控的纤维。本发明可以根据需要对竹条按竹青、竹肉部位分类加工，可从根本上解决竹纤维的均匀性问题，获得细度均匀一致的竹纤维，尤其有助于解决纺织纤维制备中细度不匀的难题。
30.3)本发明先对竹材进行开片获得小截面竹条，通过对小截面竹条进行改性处理，可解决现有竹纤维加工工艺中，软化液渗透不匀的问题，从而减轻后续处理中脱胶控制的难度，有效提高和保证纤维的质量。
附图说明
31.图1为本发明竹纤维获取方法的工艺流程图；
32.图2为本发明设备的整体结构示意图；
33.图3为进料系统的结构示意图；
34.图4为螺旋开纤系统的结构示意图；
35.图5为主轴及其零件的爆炸图；
36.图中附图标记为：进料系统ⅰ、螺旋开纤系统ⅱ、第一电机1、第一固定件2、第一联轴器3、进料辊4、轴承座5、第二固定件6、第一机架7、第二电机8、第二联轴器9、主轴10、外筒体11、支撑架12、第三固定件13、第二机架14、第四固定件15、轴承盖16、第二轴承17、法兰18、双螺旋叶片19。
具体实施方式
37.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。
38.如图2所示，本发明提供了一种用于竹条螺旋开纤的设备，该设备主要包括进料系统ⅰ和螺旋开纤系统ⅱ。
39.如图3所示，进料系统ⅰ用于进料，主要包括第一机架7和进料辊4。进料辊4与第一电机1相连，通过第一电机1能带动进料辊4转动。第一机架7可以采用能对进料辊4起到支撑作用的任何结构，只要能使进料辊4的转动面与第一机架7之间具有一定的间隔(即进料空间)，通过该间隔能向后方螺旋开纤系统ⅱ中送入待处理的竹条。也就是说，进料辊4能与第一机架7共同对竹条进行夹持，且随着进料辊4的转动，两者会共同对竹条施加摩擦力，进而
促使竹条向前方移动。
40.在实际应用时，第一机架7可以采用如图3所示包括上面板的桌型结构，上面板可以开设导料槽，进料辊4的转动面位于导料槽上方。在进料辊4的外表面设有平行轴线的齿状结构，以增强摩擦，通过摩擦带动竹条进料。进料的竹条厚度应当与进料空间相匹配。为了更好的适应不同竹条厚度，可以将进料辊4设置为高度可调节的结构，或者将导料槽设置为深度可调节的结构。第一电机1可以采用调速电机，并通过第一固定件2安装固定于上面板上，第一固定件2可以采用螺栓。第一电机1通过第一联轴器3驱动进料辊4转动，进料辊4的两端均设有第一轴承，第一轴承通过轴承座5固定于第一机架7的上面板。轴承座5与上面板之间通过第二固定件6安装固定，第二固定件6可以采用螺栓。
41.如图4所示，螺旋开纤系统ⅱ主要包括主轴10和外筒体11。主轴10和外筒体11同轴设置且均为圆锥状，两者结构走势相同，即沿进料方向横截面逐渐减小，较大的一端为进料端，较小的一端为出料端。主轴10与第二电机8连接，通过第二电机8可以带动主轴10转动。实际应用时，第二电机8可以连接减速器，并通过第二联轴器9驱动主轴10转动。主轴10的外表面沿轴向设有双螺旋叶片19，双螺旋叶片19的两个螺旋叶片螺旋方向相同且沿主轴10轴向对称布置，沿进料方向，双螺旋叶片19是变螺距的，且螺距逐渐减小。该种设置的目的是逐渐增加竹条螺旋运动中的弯曲及剪切应力，以达到竹材基体破坏的目的。当主轴转动时，竹条在进料推力及摩擦力作用下沿螺旋叶片运动，使竹条在运动中受力变形、基体破坏并出料。
42.外筒体11同轴套设于主轴10外部，外筒体11、双螺旋叶片19和主轴10共同构成能使竹条呈螺旋状移动的开纤通道，使得待处理的竹条经进料系统ⅰ送料后能进入开纤通道的进口。外筒体11与双螺旋叶片19之间应当构成小间隙，令外筒体11的内壁在不影响双螺旋叶片19转动的同时，还能使竹条沿着开纤通道螺旋状移动，竹条不会在外筒体11与双螺旋叶片19之间的间隙中移动。作为一种优选方式，双螺旋叶片19可以焊接于主轴10上，双螺旋叶片19外侧与外筒体11内壁之间的间隙小于2mm。
43.在实际应用时，螺旋开纤系统ⅱ整体置于第二机架14上。外筒体11的外侧焊接有支撑架12，通过支撑架12固定于第二机架14上，支撑架12与第二机架14之间通过第三固定件13实现安装固定，第三固定件13可以采用螺栓。外筒体11的两个端面分别设有法兰18，法兰18的外周焊接有3
‑
4个筋板。每个筋板的一端与法兰18焊接，另一端与外筒体11的端部内壁面连接，进而实现法兰18的固定。如图5所示，主轴10的两端分别通过第二轴承17安装在所在侧的法兰18中，每个法兰18的外侧均通过多个第四固定件15连接有轴承盖16，通过有轴承盖16实现第二轴承17的限位固定。第四固定件15可以采用螺栓。
44.在本实施例中，外筒体11进料端的直径为250
‑
300mm，出料端的直径为150
‑
180mm，轴向长度为2.5m～3m。双螺旋叶片19进料端的螺旋升角为50
°
～55
°
，出料端的螺旋升角为25
°
～30
°
。该种结构下的竹条进料方向与双螺旋叶片轴方向一致，且大端在进料端；双螺旋叶片为变螺距，从进料端至出料端螺距逐渐减小；使竹条在渐变适宜的载荷及应力作用下，逐步实现基体损伤及纤维的无损分离。
45.如图1所示，本发明还提供了一种利用竹条螺旋开纤的竹纤维获取方法，具体如下：
46.(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。
47.(2)开片加工：将经过原料分选的竹材梢部、尾部截去，所得的竹材茎杆在竹材开片机上开片，以片数多为宜。竹材胸径大，开片数多，一般不少于8片。
48.(3)去黄(或去黄分层)：将开片后的竹材去除竹黄，获得定厚竹条。定厚竹条指的是厚度一定的竹条，厚度的具体数值应当根据上述设备中进料辊4的转动面与第一机架7之间的间隔(即进料空间)大小确定。
49.在实际应用时，若是要加工纺织纤维或高质量纤维，可以先在竹材分层机上进行分层加工，可分2～3层，并把竹青层竹条和竹肉层竹条分开放置，随后再进行后续处理，以便得到质量更好的竹纤维。
50.(4)预处理：将所得的定厚竹条放入软化池中，进行改性处理，得到软化竹条。
51.(5)螺旋开纤：将软化竹条在上述设备上进行开纤处理，以破坏竹材中的基体组织，实现纤维束分离，具体如下：
52.开启第一电机1，利用进料辊4的旋转作用，使软化竹条通过进料空间的传输作用进入开纤通道。开启第二电机8，利用主轴10旋转作用，使软化竹条向出口方向移动。由于双螺旋叶片19的螺距逐渐减小，软化竹条在开纤通道中进行螺旋运动时受到的弯曲力及剪切应力逐渐增大，使竹条在运动中受力变形且基体组织不断被破坏，但纤维结构不会受到损伤，从而实现纤维组织的无损分离并自动出料。
53.(6)纤维切断：经开纤处理后的竹条从外筒体11的出料口出料，随后直接进入纤维切断机，按要求长度进行切断处理。
54.(7)纤维后处理：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。
55.竹材本质是竹纤维增强的天然复合材料，纤维束分离和其本身的材性及其载荷作用方式密切相关。本发明根据竹材的结构特点和力学特性，提出一种全新的长竹纤维机械分离方法。首先改变机械开纤的加工单元为小横截面的竹条，在预处理时易软化均匀，再通过机械装置使改性后的竹条沿螺旋叶片运动，竹条在强迫运动中受到弯扭等复合应力的持续作用，发生基体损伤及脱层开裂；随着竹条在变螺距螺旋运动中承受的弯曲扭转载荷不断加剧，使基体组织破坏、开裂，纤维分离。
56.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。