利用摩擦起电效应分离混合纤维的装置和方法

技术领域

本公开用于纺织品回收领域，一般涉及利用摩擦起电效应分离混合纤维的装置和方法。

背景技术

应该理解的是，作为本公开背景技术部分中的内容不应视为构成了任何国家的现有技术的一部分。

由于快速时尚趋势的增长，纺织废料已成为严重的全球问题。2014年全球产生约3000万吨纺织废料。仅在中国，每年产生的纺织废料就接近2000万吨，而纺织品回收行业回收了约300万吨废料。因此，只有15％的废物被回收利用。在中国香港，回收率甚至更低至4％。

羊毛的生产要经过多道工序，需要大量的资源。放牧羊需要大量土地，剪羊毛需要大量人力。此外，在用于生产服装之前，将这些剪下的羊毛加工成适于加工的羊毛还需要水、化学品、能源和人力。

自2017年以来，羊毛在制鞋业和运动鞋生产中的新用途恰逢羊毛价格上涨了30％，使羊毛成为最昂贵的纤维之一。昂贵的羊毛价格以及随着人们对羊毛生产对环境影响的意识的不断提高，对回收羊毛纤维的方法提出了日益增长的需求。不幸的是，目前没有可行的方法来分离和回用羊毛纤维。

将纺织材料机械分解成更小的纤维必须先进行材料分选过程，因为机械分解不是将混合织物分离为其组成纤维的合适方法。

近年，香港纺织及成衣研发中心(HKRITA)开发了水热工艺。这种化学方法将棉纱溶解成纤维素粉末，并使涤纶纤维不受影响，使它们可以重新纺丝。由于该过程有望分离混合织物，因此对预先材料分选的需求较小。

由HKRITA开发的水热分离工艺和系统代表了纺织品回收的一个重要突破，允许从它们的混合物(例如棉-涤纶混合物)中分离纺织材料。然而，该工艺不能回用基于蛋白质的纤维(例如羊毛纤维)，而基于蛋白质的纤维是最有价值的纤维材料之一。羊毛和其他基于蛋白质的纤维与该工艺不兼容，因为这些纤维也会溶解在化学溶液中。

发明内容

摩擦起电是一个长期观察到的物体相互摩擦时的电子转移过程。该过程导致一个物体在其表面获得电子并带负电，而另一个物体从其表面失去电子并带正电。这种效应已应用于颗粒材料混合物的分离，例如分离粉煤灰和更针对性地分离不同材料的塑料碎片。这引起了极大的兴趣，特别是对于分离塑料混合物，因为不需要水或化学品，因此不会产生废物或废水。

摩擦起电分离器仅用于采矿和矿物加工、聚合物工业中的分离，以及从工业废料中回收金属和塑料。目前，在纺织品回收领域，没有利用摩擦起电效应来分离纺织纤维的纺织品回收系统。

本公开旨在利用摩擦起电效应分离混合的天然和合成纤维。涉及的混合纤维将包含基于蛋白质的纤维(例如羊毛)、基于纤维素的纤维(例如棉)以及诸如涤纶纤维或腈纶纤维之类的合成纤维。为了便于分离，混合纤维会提前解缠，抽取成单缕纤维。该装置和方法可以在没有水和化学品的条件下进行。这意味着回用的纤维在使用前不需要清洁和干燥。

摩擦起电分离装置和方法可以帮助纺织行业将回收的纤维重新用于制作新衣服，同时可以最大限度地减少对原生纤维的需求。因此，该装置和方法可有助于减轻纺织废料问题。这实际上是一种社会效益，并且有助于回收有价值的羊毛纤维，纺织业将因此受惠，因为他们可以再利用再生纤维制作新衣服，从而减少对原生羊毛纤维的采购需求。

回用的纤维应保持适合在纺织品生产中重复使用的状态，例如，纤维长度≥20-30mm。回用的纤维可以与原生纤维混合制作新衣服。由于不需要水或化学品，该系统在纺织品回收行业应用更具成本效益和效率，对环境更友好。这让商业或教育机构可以轻松呈现摩擦起电分离效应的概念，以唤起再利用和节约资源的意识。

利用摩擦起电的分离系统的开发过程包括以下五个阶段：

阶段1：定义纺织品回收中摩擦起电分离方法的当前挑战，以设计系统架构和开发整个分离系统，考虑包括：1)合适的纤维预处理和操作环境；2)为了正确的充电极性用合适的管道材料对纤维进行摩擦起电；3)电极组和分离室的合适几何形状；4)保持连续分离的性能和可靠性。

阶段2：对不同参数的纺织材料进行分离测试，包括：1)测试环境和纤维预处理的温度和相对湿度；2)摩擦起电管道的长度、内径和材料；3)电极板尺寸和静电场强度；4)通过管道进行摩擦起电的气流的体积和速度；5)进入分离室的气流6)分离室的相应尺寸。

阶段3：分析阶段2中的参数以评估系统的最佳参数和设计。

阶段4：设计和开发摩擦起电干式分离室。丝线团内的纤维通过机械方法被逐一提取并流入管道进行摩擦起电，然后在两个电极板产生的匀强静电场作用下进入分离室，其中一个处于正的高电位且一个处于负的高电位，或者其中一个处于正或负的高电位且另一个接地，以用于纤维分离。真空泵通过手动或自动阀控制气流，控制用于将纤维输送通过整个系统的气流。进入用于相反极性的带电纤维的两个收集箱的气流稳定地保持平衡状态。

阶段5：进一步修改系统的材料选择、系统设计和工艺设计，以提高工艺连续性和容量，其包括以下特征：最大限度地减少纤维与分离室壁之间的相互作用；以及用以去除分离室内的积累后会影响分离室的残留纤维和电荷的复位过程，从而继续进行纤维分离工作。

本公开的一个目的是提供一种用于纺织品回收的摩擦起电纺织材料分离系统的装置和方法，该系统通过利用摩擦起电效应在没有水和化学品的条件下通过干式分离方法分离混合的天然和合成纤维。

根据本公开的部分实施例，蛋白质纤维、棉或纤维素纤维、合成纤维可以在以下参数和系统和工艺设计规范下被足够充电并且处于正确的极性以获得令人满意的分离效率。

根据本公开的一个方面，公开了一种利用摩擦起电效应分离混合纤维的装置，混合纤维包括基于蛋白质的纤维、基于纤维素的纤维和/或合成纤维，装置包括：纤维提取装置，纤维提取装置构造成从混合纤维中提取单缕纤维；摩擦起电装置，摩擦起电装置构造成利用摩擦起电效应使单缕纤维充电成带电纤维；纤维分离装置，纤维分离装置构造成一个或多个分离室，以根据带电纤维的极性分离带电纤维；纤维收集装置，纤维收集装置构造成收集分离后的纤维，和气流产生装置，气流产生装置构造成产生并维持稳定的气流，以携带纤维从纤维提取装置通过摩擦起电装置和纤维分离装置到达纤维收集装置。

在部分实施例中，纤维提取装置以机械和/或电的方式从混合纤维中提取单缕纤维。

在部分实施例中，单缕纤维的长度大于2cm。

在部分实施例中，纤维提取装置包括纺丝箱，纺丝箱包括送料器和齿辊，齿辊包括一个或多个齿，齿辊通过转动从混合纤维中提取单缕纤维。

在部分实施例中，摩擦起电装置包括导电材料制成的摩擦起电管道。

在部分实施例中，摩擦起电管道靠近纤维分离装置的至少一部分为直管，其中，直管包括使带电纤维进入纤维分离装置的输入管道。

在部分实施例中，输入管道的内径在6mm至10mm之间。

在部分实施例中，输入管道进入纤维分离装置的长度约为50cm。

在部分实施例中，摩擦起电管道接地。

在部分实施例中，摩擦起电管道经由纤维提取装置接地。

在部分实施例中，摩擦起电管道中的气流为50升/分钟或以上。

在部分实施例中，摩擦起电管道为金属管道。

在部分实施例中，取决于要分离的纤维类型金属管道的材料为铜或铝。

在部分实施例中，摩擦起电管道的长度在1.5米以上。

在部分实施例中，摩擦起电管道的内径在5mm至8mm之间。

在部分实施例中，摩擦起电管道的内径约为6mm。

在部分实施例中，摩擦起电管道中的至少一部分是利于产生摩擦起电效应的螺旋形管道。

在部分实施例中，纤维分离装置包括生成外部静电场的电极，其中电极具有实现适合带电纤维分离的电场分布和强度的锐度和圆度。

在部分实施例中，外部静电场为匀强电场。

在部分实施例中，电极为一对高压的电极板。

在部分实施例中，电极板中的一个处于正的高电位且另一个处于负的高电位、或者其中一个处于正或负的高电位且另一个接地。

在部分实施例中，电极板之间的电位差在60kv至100kv之间。

在部分实施例中，电极板的高度在25cm至50cm之间。

在部分实施例中，电极板的高度等于或短于分离室的壁的高度。

在部分实施例中，电极板之间的距离在10cm至15cm之间。

在部分实施例中，电极板的宽度覆盖全部分离室。

在部分实施例中，分离室的壁由多孔或无孔材料制成。

在部分实施例中，分离室的高度在25cm至50cm之间。

在部分实施例中，分离室的内径约为60mm，外径约为70mm。

在部分实施例中，分离室的壁由非导电材料制成。

在部分实施例中，分离室的壁呈中空圆柱体形状以最小化湍流。

在部分实施例中，分离室包括顶部喷嘴，顶部喷嘴构造成使得气流的扩散角最小化以降低带电纤维行进到正确的收集侧的距离，输入管道通过顶部喷嘴的中心以一定的输入角插入分离室。

在部分实施例中，输入角为0度、1度、2度或5度。

在部分实施例中，输入角向纤维分离装置的负电极偏置。

在部分实施例中，顶部喷嘴的材料为金属。

在部分实施例中，顶部喷嘴的材料为铜或铝。

在部分实施例中，顶部喷嘴中的至少一部分为正放或倒置的漏斗形、截头圆锥体形或子弹形。

在部分实施例中，分离室的顶部靠近分离室的壁设置有顶部开口，顶部喷嘴与分离室的壁之间具有间隙，顶部开口和间隙提供将外部空气和/或带电离子注入分离室的通道。

在部分实施例中，分离室的顶部输入管道周围设置有顶部开口，顶部喷嘴与输入管道的壁之间具有间隙，顶部开口和间隙提供将外部空气和/或带电离子注入分离室的通道。

在部分实施例中，顶部开口约为1cm，间隙约为1mm。

在部分实施例中，在顶部喷嘴的相对侧设置有两个注入孔，输入管道位于两个注入孔之间，两个注入孔构造成提供将不同极性的带电离子分别注入分离室的通道。

在部分实施例中，分离室包括底座，底座包括底座喷嘴和收集分离后的纤维以通往纤维收集装置的底部管道，其中，底座喷嘴包括两个吸入孔，两个吸入孔引导气流分别收集分离后的不同极性的带电纤维。

在部分实施例中，底座包括与外部空气连通的底部开口，底座喷嘴包括位于两个吸入孔之间的中间开口，底部开口和中间开口形成的通道引导气流吹走位于两个吸入孔之间的残留纤维。

在部分实施例中，通过关闭两个吸入孔中的一个同时打开两个吸入孔中的另一个将残留纤维吹进两个吸入孔中打开的吸入孔，从而去除分离室中的残留纤维。

在部分实施例中，该去除过程在外部静电场关闭时进行。

在部分实施例中，纤维收集装置是具有孔的收集箱、袋或网，孔大到足以使气流通过，但小到足以阻止所收集的纤维移动通过。

在部分实施例中，纤维收集装置包括两个收集箱，两个收集箱分别收集分离后的不同极性的带电纤维，进入两个收集箱的气流保持相同和恒定。

在部分实施例中，气流产生装置包括真空泵。

在部分实施例中，利用摩擦起电效应分离混合纤维的装置还包括系统复位装置，系统复位装置构造成中和分离室内的残留电荷和/或收集分离室内的残留纤维。

在部分实施例中，系统复位装置通过直流法或交流法产生带电离子，其中，将正离子注入到纤维分离装置靠近正电极的一侧，将负离子注入到纤维分离装置靠近负电极的一侧，以中和分离室中的残留电荷。

在部分实施例中，产生带电离子的装置为静电消除器。

在部分实施例中，带电离子的注入在纤维分离过程的每个周期之后定期进行，当带电离子注入时，外部静电场关闭。

在部分实施例中，直流法产生的带电离子的注入在带电纤维分离过程的同时进行。

在部分实施例中，分离室的任何部分以及用于使空气或其他气体进入分离室的任何开口的几何形状被构造成控制分离室内部的气流稳定地流动以进行纤维分离，从而防止带电纤维与分离室的壁之间的相互作用。

在部分实施例中，利用摩擦起电效应分离混合纤维的装置在运行时所处的环境温度在15℃至25℃之间。

在部分实施例中，利用摩擦起电效应分离混合纤维的装置在运行时所处的环境相对湿度在RH25％至RH％35之间。

在部分实施例中，在进入利用摩擦起电效应分离混合纤维的装置之前，在室温以及相对湿度在RH25％至RH％35之间的环境下对混合纤维进行8小时预处理。

在部分实施例中，基于蛋白质的纤维为羊毛，基于纤维素的纤维为棉，合成纤维为腈纶纤维和/或涤纶纤维。

在部分实施例中，当摩擦起电装置的主要材料为铝时，纤维分离装置将基于蛋白质的纤维从基于纤维素的纤维、合成纤维中分离，当摩擦起电装置的主要材料为铜时，纤维分离装置将基于蛋白质的纤维和基于纤维素的纤维从合成纤维中分离。

根据本公开的另一个方面，公开了一种利用摩擦起电效应分离混合纤维的方法，混合纤维包括基于蛋白质的纤维、基于纤维素的纤维和/或合成纤维，其中，方法包括以下步骤：从混合纤维中提取单缕纤维；使用气流将单缕纤维携带到摩擦起电装置；在摩擦起电装置中利用摩擦起电效应使单缕纤维充电成带电纤维；使用气流将带电纤维携带到纤维分离装置；使带正电的纤维和带负电的纤维分别在纤维分离装置中向相反侧移动；使用气流将带电纤维携带到纤维收集装置；和在纤维收集装置中分别收集分离后的不同极性的带电纤维。

在部分实施例中，该方法还包括将带电离子定期注入到分离室以中和分离室中的残留电荷，其中，将正离子注入到纤维分离装置靠近正电极的一侧，将负离子注入到纤维分离装置靠近负电极的一侧。

在部分实施例中，该方法进一步包括去除分离室中的残留纤维。

提供发明内容以简化形式介绍一系列概念，这些概念将在下面的详细说明中进一步描述。发明内容无意限定所请求保护的主题的关键特征或基本特征，也无意用作帮助限定所请求保护的主题的范围。如下文的实施例所示，公开了本发明的其他方面。

附图说明

附图中相同的附图标记指代相同或功能相似的元件，其中包含某些实施例的图以进一步说明和阐明使用摩擦起电纺织材料分离系统以用于纺织品回收的方法和装置的各个方面、优点和特征，从而在没有水和化学品的条件下通过摩擦起电干式分离方法来分离混合的天然和合成纤维，如本文所公开的那样。应当理解，这些附图和图表仅描绘了本发明的某些实施例并且不旨在限制其范围。将通过使用以下附图以附加的特性和细节描述和解释本文所公开的用于纺织品回收的摩擦起电纺织材料分离系统，其中：

图1示出了从旧服装重新制造成新服装的服装到服装(G2G)回收过程操作流程图；

图2示出了摩擦起电系列的示意图；

图3示出了在两片材料接触时充电的原理图；

图4示出了由电极建立的外部静电场下不同极性纤维分离实验的原理图；

图5示出了根据本发明的实施例的用于利用摩擦起电效应的干式分离方法的整个过程的基本概念图；

图6示出了根据本发明的实施例的作为用于纺织材料纤维分离的摩擦起电装置的管道的示意图；

图7示出了根据本发明的实施例的产生匀强静电场以用于纤维分离的正负电极板的示意图；

图8示出了根据本发明的实施例的整个摩擦起电分离系统的流程的示意图；

图9a示出了根据本发明的实施例的通过摩擦起电管道至分离室的摩擦起电装置的概览示意图；

图9b示出了根据本发明的实施例的摩擦起电分离系统的原型的示意图；

图9c示出了根据本发明的实施例的纺丝箱的示意图；

图9d示出了根据本发明的实施例的齿辊的示意图；

图10a示出了根据本发明的实施例的分离室的系统部分的概览示意图。

图10b示出了根据本发明的实施例的使用的另一种顶部喷嘴的概览示意图；

图10c示出了根据本发明的实施例的两种顶部喷嘴的不同角度的视图；

图10d示出了根据本发明的实施例的顶部喷嘴的输入角的示意图；

图10e示出了根据本发明的实施例的顶部喷嘴的改进设计的示意图；

图10f示出了根据本发明的实施例的顶部喷嘴的不同角度的视图；

图11示出了根据本发明的实施例的带电纤维如何从输入管道进入分离室的示意图；

图12示出了根据本发明的实施例的空气通过开口从外部流入分离室的示意图；

图13示出了根据本发明的实施例的在顶部喷嘴和分离室的壁之间的间隙的示意图；

图14示出了根据本发明的实施例的由通过分离室以分离不同带电纤维的两个电极板产生的静电场的方向的示意图；

图15a示出了根据本发明的实施例的分离室的底座喷嘴的示意图；

图15b示出了根据本发明的实施例的底座喷嘴下方部分的示意图；

图16示出了根据本发明的实施例的分离室中的空气在到达连接到底部管道的分离箱之前流过两个吸入孔的示意图；

图17示出了根据本发明的实施例的分离系统的底座以及携带分离后的纤维的气流流出分离室并且进入纤维收集箱的示意图。

具体实施方式

本公开一般涉及一种在纤维解缠后利用摩擦起电效应分离混合纤维的方法。所涉及的混合纤维将包含羊毛纤维、棉/纤维素纤维和合成纤维，重要的是包括了羊毛纤维。这是一种新颖的方法，有利于纺织回收行业。

在以下详细描述中，方法、系统和设备本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开或其应用和/或使用。其中，顶部、底部、中间等方位名词对元件或结构的限定仅为了方便说明以示意区别，并不旨在限制元件或结构所在的实际位置。应该理解存在大量的变化。详细的描述将使本领域的普通技术人员无需过多的实验就能实现本公开的示例性实施例，并且应当理解，在不脱离所附权利要求中阐述的本公开的范围的情况下，可以对示例性实施例中描述的方法、系统和设备的功能和布置进行各种改变或修改。示例性实施例可以不限于下面描述的精确实施例，并且可以在没有这些具体细节中的一些的情况下实践。在其他情况下，如果已经众所周知，则没有详细描述其中的结构和方法。

图1示出了从旧服装重新制造成新服装的服装到服装(G2G)回收过程操作流程图。G2G的流程包括8个步骤：101.旧服装收集；102.将服装重新解开成纤维；103.清洁纤维；104.梳理纤维；105.将纤维拉成丝线团；106.转子纺丝；107.对纤维进行并捻和加捻以用于编织过程；以及108.编织服装。

图2示出了摩擦起电系列的示意图。当两个物体相互摩擦时，摩擦起电系列中位于上方的物体将更易失去电子而带正电，而位于下方的物体将更易获得电子而带负电。在本公开的纤维分离的示例中，不同种类的纤维必须被充以相反极性的电才能分离。例如，参考摩擦起电系列，如果用铜作为用于摩擦起电的材料，羊毛和棉会带正电，而涤纶会带负电，因此可以将涤纶从羊毛和棉中分离；如果用铝作为用于摩擦起电的材料，羊毛会带正电，而棉和涤纶会带负电，这样就可以将羊毛从棉和涤纶中分离。摩擦起电材料的选择取决于要分离的纤维材料。

图3示出了在两片材料接触时充电的原理图。其中，左图示出材料接触前不带电，右图示出材料分离后带相反极性的电。具体而言，一些电子会在接触位置从一种材料的表面移动到另一种材料的表面。分离后，获得电子的材料带负电，而失去电子的材料带正电。

图4示出了由电极建立的外部静电场下不同极性纤维分离实验的原理图。其中，左图示出由高电位感应的带正电荷的电极401以及与铜摩擦起电后带正电的羊毛纤维402，如图所示，羊毛纤维402与正电极401相互排斥。右图示出由高电位感应的带正电荷的电极401以及与铜摩擦起电后带负电的涤纶纤维403，如图所示，涤纶纤维403与正电极401相互吸引。

图5示出了根据本发明的实施例的用于利用摩擦起电效应的干式分离方法的整个过程的基本概念图。首先，将混合织物纤维的丝线团501进行解缠511，即送入图9c所示的纺丝箱960，以由图9d中所示的齿辊9602将纤维逐一提取。齿辊9602优选可以通过机械和/或电的方式转动，以对混合纤维进行解缠。然后，将提取的单缕纤维502通过气流输送到摩擦起电装置进行摩擦起电512。随后，带电纤维503被一对高压电极板建立的外部静电场捕获，与外部静电场相互作用以进行干式分离513。其中，一对高压电极板中的一个处于正的高电位且一个处于负的高电位，或者其中一个处于正或负的高电位且另一个接地。最后，纤维被收集以获得收集的纤维504。

图6示出了根据本发明的实施例的作为用于纺织材料纤维分离的摩擦起电装置的管道的示意图。单纤维被提取后，将被气流输送以在“纤维入口601”处进入摩擦起电管道。纤维会摩擦管道的内壁并由于摩擦起电效应而带电。不同材料的纤维会因得失电子而带不同的电。使用铜作为管道材料可帮助羊毛和棉纤维带正电，而涤纶和腈纶纤维带负电。另一种选择是使用铝作为管道材料，可以帮助羊毛带正电，而棉、涤纶和腈纶纤维带负电。管道材料的选择取决于要分离的材料。带电纤维在离开“纤维出口602”处之后被带到分离室，即被带到分离室让纤维流入的入口。在施加静电场的分离室中分离不同材料的纤维。管道可以是但不限于螺旋形，或任何其他适合充电水平需要或架构需要的适当形状和长度。优选导电材料来形成这种摩擦起电装置，这是因为导电材料与纤维接触时表面产生的电荷在纤维移动到其他位置后很快就会分散。因此，摩擦起电管道内壁的每个位置在每次摩擦起电后都可以立即恢复到中性状态，以始终准备好对摩擦起电系列中所预期的下一个纤维进行摩擦起电。

图7示出了根据本发明的实施例的产生匀强静电场以用于纤维分离的正负电极板的示意图。分别在两个电极上施加相反极性的高电位，或者在其中一个电极上施加任意极性的高电位而另一个电极接地，从而在两个电极之间产生高电位差，由此产生外部静电场。电极可以是但不限于电极板，可以是任何其他适合产生电场以分离纤维的电极形式。例如，图中示出高电位的正电极板701和高电位的负电极板702。外部静电场将根据极性分离纤维。当带电纤维703随着气流进入分离室时，带电纤维703会在电力的作用下根据它们的极性被引导到不同的一侧。带负电的纤维被吸引靠近正电极。而带正电的纤维被吸引靠近负电极。收集器设置在合适的位置以收集存储分离的纤维。

图8示出了根据本发明的实施例的整个摩擦起电分离系统的流程的示意图。其中，描述了从丝线团801中提取纤维，将纤维解缠和个体化811，从而获得解缠的纤维802。随后，解缠的纤维802进入摩擦起电管道进行纤维充电812，获得带电纤维803。直到进入分离室进行分离813，最后被收集。其中，在分离步骤813中，通过铝摩擦起电的纤维831可将羊毛从包括羊毛、棉、腈纶和涤纶的混合纤维中分离，这是由于混合纤维与铝摩擦起电后，羊毛带正电荷，而棉、腈纶和涤纶带负电荷；而通过铜摩擦起电的纤维832可将羊毛和棉从包括羊毛、棉、腈纶和涤纶的混合纤维中分离，这是由于混合纤维与铜摩擦起电后，羊毛和棉带正电荷，而腈纶和涤纶带负电荷。在整个流程中，纤维均通过气动装置821被运输。

图9a示出了根据本发明的实施例的通过摩擦起电管道至分离室的摩擦起电装置的概览示意图。操作步骤包括：901.纤维放入入口；902.气流通过摩擦起电管道921携带纤维；903.纤维沿螺旋线做圆周运动，纤维与内壁摩擦发生摩擦起电效应；904.带电纤维将进入干式分离室；以及905.电极将根据极性分离纤维。图中还示出了摩擦起电管道921的顶视图911和侧视图912。从侧视图912可以看出，摩擦起电管道921呈螺旋状堆叠，长度可以是但不限于1.5米以上，内径可以位于但不限于5mm至8mm之间。气流携带纤维从入口931处进入摩擦起电管道921，从出口932处离开摩擦起电管道921。图中进一步示出了在步骤904中，气流携带带电纤维941进入由正电极板951和负电极板952建立的静电场，以进行分离步骤。

图9b示出了根据本发明的实施例的摩擦起电分离系统的原型的示意图。混合不同纤维的丝线团970(图9c)送入如图9b所示的纺丝箱960，纺丝箱960具有一个或多个齿辊9602(图9c)，将纤维逐一提取。然后通过由真空系统驱动的气流，将纤维吸入摩擦起电管道921，摩擦起电管道921可以是长管形或更有利于产生摩擦起电效应的螺旋形，以与管道壁摩擦进行摩擦起电。如果摩擦起电管道921更长或由于气流阻力增加而具有更多的圆弧段，则需要更强的真空系统。然后将纤维注入分离室964中，该分离室964置于与静电发生器9640相连的两个电极9642之间。静电场将分离带电不同的纤维。然后分离的纤维将再次被气流带到两个不同的收集箱966，一个用于收集带正电的纤维，而另一个用于收集带负电的纤维。在整个分离过程中，进入两个不同收集箱966的气流保持相同和恒定。在系统的末端有一个真空泵968，以维持通过整个系统的气流，从而将纤维从纺丝箱960提取后一直输送到收集箱966。分离室964的细节将在后面的段落中详细描述。

图9c示出了根据本发明的实施例的纺丝箱960的示意图。图中示出了通过送料器9600的旋转将丝线团970送入纺丝箱960，然后丝线团970内的纤维被齿辊9602逐一提取。

图9d示出了根据本发明的实施例的齿辊9602的示意图。图中示出了用于将纤维从丝线团970中逐一提取的齿辊9602上的齿9604。

图10a示出了根据本发明的实施例的分离室05的系统部分的概览示意图。输入管道01是摩擦起电管道的一部分，该部分是让纤维在管道中摩擦起电充电后进入分离室05的部分，如图11详细示出。分离室05的顶部设置有顶部喷嘴，可以控制气流进入分离室05以利于纤维分离，顶部喷嘴构造成使得气流的扩散角最小化以降低带电纤维行进到正确的收集侧的距离。顶部喷嘴中的至少一部分可以是为正放或倒置的漏斗形、截头圆锥体形或子弹形，例如顶部喷嘴02a、02b(图10b)和02c(图10f)。如图11所示，输入管道01通过顶部喷嘴02a的中心被插入其内。输入管道01的方向是被平行对准或呈其他角度布置的直管，如图10d详细示出。图12中在分离室05的顶部靠近分离室05的壁设置有顶部开口03，让空气从外部流入分离室05。如图13所示，顶部喷嘴02a和分离室05的壁之间具有大约但不限于1mm的间隙04，以引导气流进入分离室05。这样做的目的是产生气流以防止带电纤维与分离室05的壁相互作用，并最大限度地减少纤维进入分离室05时由气流引起的纤维的扩散，从而最大限度地减少纤维分离的难度。分离室05的壁由非导电材料制成，呈中空圆柱体形状。使用中空圆柱体形状也是为了使气流顺畅，使湍流最小化，从而创造一个有利于纤维分离的稳定的气流环境。分离室05的壁可以是多孔的，以让空气或其他气体从外部流动通过壁，以防止带电纤维与分离室05的壁相互作用。图14示出了位于分离室05内用于纤维分离的一对产生静电场的电极板06。位于分离室05底部的底座喷嘴07有两个作用。首先，如图16所示，两个吸入孔10将引导气流收集被电极板06产生的静电场分离到两个相对侧的不同极性的纤维。其次，如图15a所示，底座喷嘴07具有位于中间的中间开口08，以让来自空气中的气流吹走可能落在吸入孔10之间的纤维，从而最大限度地减少底部纤维的堆积，以便其可以被吸入孔10收集。分离室05的底座09包含如图16和17所示的、用于将吸入孔10收集的纤维输送到收集箱以通过气流储存收集的纤维的通道，还包含如图15b所示的、让来自外部的空气流动通过底部开口12然后通过中间开口08进入分离室05的通道。

图10b示出了根据本发明的实施例的使用的另一种顶部喷嘴02b的概览示意图。顶部喷嘴02b的材料可为金属，例如可以是但不限于铜或铝。

图10c示出了根据本发明的实施例的两种顶部喷嘴02a、02b的不同角度的视图。

图10d示出了根据本发明的实施例的顶部喷嘴02a的输入角的示意图。图10d以顶部喷嘴02a的设计为例，示出了如何改变涡轮增压的输入管道01的输入角A以输送到分离室05，其中输入角A1为0度偏置，输入角A2为1度偏置，输入角A3为2度偏置，输入角A4为5度偏置。

图10e示出了根据本发明的实施例的顶部喷嘴02a的改进设计的示意图。图中示出了在顶部喷嘴02a的相对侧具有另外两个注入孔13。注入孔13的目的是让静电消除器在交流法中产生的正负离子流入分离室05，以中和纤维分离过程一段时间后留在分离室05内的电荷。这是因为电荷会在分离室05内积累，可能是由于例如带电纤维与分离室05的壁之间的摩擦导致。如果电荷积累过强，会影响纤维的分离效率。除了在每次纤维分离过程后通过交流法进行中和外，直流法产生的离子也可以在纤维分离过程期间从相对两侧注入分离室05。在靠近正电极的一侧，正离子可以连续注入分离室05。同时，在靠近负电极的一侧，负离子也可以不断地注入分离室05。由于一些纤维一旦进入分离室05就已经到达正确的分离侧，因此它们不再需要携带电荷与电极板06产生的外部静电场相互作用以到达正确的一侧。由于这些纤维的电荷在与分离室05的壁的相互作用的过程中可能会损失到分离室05的壁上，因此在开始时去除不需要的电荷可以最大限度地减少分离室05中积累的电荷，从而延长每次分离过程的周期。交流法或直流法产生的离子可以通过两个注入孔13以及由顶部开口03和间隙04形成的通道进入分离室05。

图10f示出了根据本发明的实施例的顶部喷嘴02c的不同角度的视图。在顶部喷嘴02c中，在分离室05的顶部输入管道01周围设置有顶部开口14，其允许空气从外部通过顶部喷嘴02c与输入管道01的壁之间的间隙15流入分离室05。其作用是防止带电纤维与顶部喷嘴02c的壁和分离室05的壁相互作用。其还可以在纤维刚从输入管道01进入分离室05时限制纤维的扩散。通过直流法或交流法由静电消除器产生的离子也可以通过顶部开口14和间隙15注入分离室05。

图11示出了根据本发明的实施例的带电纤维如何从输入管道01进入分离室05的示意图。

图12示出了根据本发明的实施例的空气通过顶部开口03从外部流入分离室05的示意图。顶部开口03具有但不限于约1cm的开口。其目的是让空气流入分离室05，以吹走粘在分离室壁上的带电纤维。静电消除器发射的离子可以通过顶部开口03和间隙04进入分离室05，以中和系统复位期间由带电纤维留在分离室05内的电荷。

图13示出了根据本发明的实施例的在顶部喷嘴02a和分离室05的壁之间的间隙04的示意图。在顶部喷嘴02a和分离室05的壁之间存在约但不限于1mm的间隙04，其允许空气流入分离室05以吹走带电纤维避免其粘在分离室壁上。

图14示出了根据本发明的实施例的由通过分离室05以分离不同带电纤维的两个电极板06产生的静电场的方向140的示意图。

图15a示出了根据本发明的实施例的分离室05的底座喷嘴07的示意图。底座喷嘴07具有两个特征。首先，具有两个吸入孔10，用于吸入空气以收集分离的纤维。其次，具有两个孔之间的中间开口08，用于让空气流入分离室05以最大限度地减少纤维的积累。

图15b示出了根据本发明的实施例的底座喷嘴07下方部分的示意图。底座喷嘴07下方部分具有底部开口12，以让空气从外部流动，然后到达中间开口08以进入分离室05。

图16示出了根据本发明的实施例的分离室05中的空气在到达与底部管道11连接的收集箱之前流过两个吸入孔10的示意图。空气的流量在两个吸入孔10中保持相同和恒定。

图17示出了根据本发明的实施例的分离系统的底座09以及携带分离后的纤维的气流流出分离室05并且进入纤维收集箱的示意图，其示出了分离室05的底座09。

为了获得有效的分离效果，在进入摩擦起电纺织品分离系统之前，必须对纤维进行预处理。纤维必须保持在低湿度以将纤维的含水量控制在一定的低水平，从而能够获得足够的电荷以通过静电场分离。建议(但不限于)在室温下在环境相对湿度RH25％至RH35％的环境中对纤维进行8小时的预处理。

根据本发明，摩擦起电纺织材料分离系统具有5个关键模块，包括：

1.纤维提取模块：如图9c所示，混合纺织物纤维的丝线团970通过送料器9600送入纺丝箱960。然后，如图9d所示的齿辊9602将单独的纤维逐一提取。单独提取的纤维然后由气流携带进入摩擦起电管道921进行摩擦起电，然后通过分离室964并在分离室964中进行分离。纤维长度可以是但不限于2cm或以上。

2.气流模块：真空系统保持稳定的气流通过整个系统。将纺丝箱960中提取的单缕纤维输送到摩擦起电管道921，直至分离室964，分离后输送到不同的收集箱966。如图17所示，进入两个不同收集箱966的气流保持稳定和平衡。摩擦起电管道921内的气流可以是但不限于50LPM(升/分钟)或以上。管道内的气流必须足够大，以避免单独提取的纤维缠结。在本发明的实施例中，真空系统位于整个气流的末端和收集箱之后，也可根据系统架构的需要设置在其他地方。收集装置可以是具有孔的收集箱、袋或网，孔大到足以使气流通过，但小到足以阻止所收集的纤维移动通过。

3.摩擦起电模块：纤维从纺丝箱960中逐一提取后，由气流送入摩擦起电管道921中进行充电，以为进入分离室964之前作分离的准备。摩擦起电管道921的材料可以是但不限于铜或铝。纤维会摩擦管道的内壁并由于摩擦起电效应被充电。环境温度可以位于但不限于15℃～25℃之间，环境相对湿度可以位于但不限于RH25％～RH35％之间。

使用铜作为管道材料可以使羊毛和棉纤维带正电，而使涤纶和腈纶纤维带负电。另一种选择是使用铝作为管道材料，可以使羊毛纤维带正电，而使棉、涤纶和腈纶纤维带负电。管道材料的选择取决于要根据摩擦起电系列分离的材料。图2是摩擦起电系列的示例。需要注意的是，在一些摩擦起电系列中，棉可能被认为是中性的。可能的解释是在实验过程中确定的摩擦起电系列的较高的相对湿度或者棉花吸收的大量水分导致摩擦起电后电荷的快速衰减。

优选用导电材料形成摩擦起电管道921，因为内壁上的那些刚刚使纤维摩擦起电的位置在纤维移动到其他位置后可以立即恢复中性。因此，导电管道内壁上的每个位置都可以像摩擦起电系列中所预期的那样为不同的纤维充电。可选地，管道通过连接到在电插座中接地的纺丝箱960而接地。

摩擦起电管道921长度建议可以是但不限于1.5米或以上。管道的内径可以是但不限于6mm左右。输入管道01部分的管道内径可以位于但不限于6mm至10mm之间，进入分离室964的长度可以约为但不限于50cm，这部分管道是与摩擦起电管道的材料相同的硬管直管部分，以便更好地控制输入角度和平滑气流，以最大限度地减少由于管道弯曲而导致的气流偏向一侧。输入管道01可以插入不同类型的顶部喷嘴，如图10a-f中所示的顶部喷嘴02a、02b和02c，用于控制输入角度和来自摩擦起电管道921和系统外部的气流，以最大限度地减少纤维和分离室壁之间的相互作用以及纤维必须行进到正确一侧才能成功分离的距离。

4.分离室模块：如图10a所示为分离室05设计图。分离室05包括：由非导电材料制成的空心圆柱体形状的管作为分离室05的壁，可具有但不限于02a、02b或02c之一的构型的顶部喷嘴，产生匀强静电场以分离位于分离室05中间的、带相反电荷的纤维的两个电极板06，以及位于底部的分离室05的底座09。分离室05的底座09具有底座喷嘴07，其壁上设置有一个或多个底部开口12，使空气从外面流入。底座喷嘴07具有两个特征，中间开口08和两个吸入孔10。中间开口08的作用是让空气通过底部开口12流入分离室05，从而吹走纤维，并最大限度地减少两个吸入孔10之间积累的纤维量。两个吸入孔10用来收集分离的纤维并通过底部管道11，从而输送到两侧相应的纤维收集箱。

顶部喷嘴02a、02b和02c的设计允许空气在分离室05中流动以控制气流，从而最大限度地减少纤维与分离室壁之间的相互作用。对于顶部喷嘴02a和02b，空气从分离室外部通过顶部开口03和间隙04流入。对于顶部喷嘴02c，空气从分离室外部通过顶部开口14和间隙15流入。这有助于纤维通过气流移动而不接触其他部分，从而最大限度地减少与分离室壁的电荷交换。其重要性在于，如果纤维携带的电荷通过摩擦转移到分离室壁上，分离室壁将带电，进而产生与电极板06施加的外部静电场相反的静电场，这反过来又会影响分离效率和处理容量，这是因为需要频繁的系统重置以清除在分离室05的壁上积聚的电荷。例如，当带负电的纤维被吸引到正电极一侧时，如果它较早到达正确的一侧，或者在它到达分离室05时已经在正确的一侧，它会被吸引并移动直到它接触到分离室壁。由于纤维通过气流移动，纤维将摩擦分离室05的壁并将其负电荷转移到靠近正电极的分离室05的壁上。类似地，带正电的纤维也将其正电荷转移到靠近负电极的分离室05的壁上。因此，建立了相反的静电场。因此，必须设计成最大限度地减少纤维与分离室05的壁之间的相互作用。分离室05的壁、任何喷嘴和任何开口的几何形状都应设计成控制分离室系统内的气流，以在带电纤维被吸走收集之前保持带电纤维不会接触分离室系统内的任何部分。

如图10f所示，靠近输入管道01的顶部喷嘴02c的间隙15的设计也需要考虑到限制纤维在到达分离室05时的扩散，以便最大限度地减少其必须行进到正确的分离侧的距离。

如图10d所示，顶部喷嘴02a的修改示例是使输入管道01以不同角度插入顶部喷嘴02a中从而控制纤维的输入角。通常合成纤维会携带高强度的电荷，无论极性如何，然后是蛋白质或棉纤维，与负电极的角度偏置可以帮助增加合成纤维必须行进到正确的分离侧的距离，从而尽量减少其摩擦分离室05的壁以产生相反静电场的机会。

喷嘴可以进一步修改成让静电消除器在直流法中产生的离子流入。如图10e所示，这是一个修改顶部喷嘴02a的示例，它在相对的两侧设置两个注入孔13，其间为输入管道01。在靠近负电极的一侧，直流法产生的负离子可以通过靠近负电极的注入孔13之一输入，目的是中和已经到达分离室05的最靠近负电极的半侧的带正电的纤维。由于这些带正电的纤维已经到达正确的分离侧，其携带的电荷不会对进一步分离有显著帮助，而是通过将其电荷留在分离室05靠近负电极的壁上以产生与电极板06特意施加的外部静电场相反的静电场从而使系统分离效率降低。类似地，在靠近正电极的一侧，直流法产生的正离子可以通过靠近正电极的注入孔13之一输入以中和带负电的纤维。该过程可以在分离过程期间同时进行，并且必须调节离子数量以适应纤维分离的需要。

分离室05的壁的材料是非导电的，因此外部静电场可以通过。优选与带电纤维具有较小摩擦起电效应的材料，其可最大限度地减少纤维与分离室05的壁之间的电荷交换。多孔材料也可用于形成分离室05的壁，以通过让空气流过壁推动纤维不与其接触而进一步防止纤维接触分离室05的壁，从而最大限度地减少电荷转移。

分离室05的形状被制成中空圆柱体形状，以最小化湍流，从而产生相当稳定的气流来携带带电纤维被电极板06产生的静电场分离。分离室05的内径可以是但不限于60mm，外径可以是但不限于70mm。分离室05的壁的高度可以位于但不限于25cm至50cm之间。

两块电极板06，其中一个处于正的高电位且一个处于负的高电位，或者其中一个处于正或负的高电位且另一个接地，产生穿过分离室05的匀强静电场，以根据极性分离带电纤维。

电极板06的高度可以位于但不限于25cm至50cm之间，其等于或短于分离室05的壁。电极的形状也可修改为具有所需的锐度和圆度，以实现适合纤维分离的电场分布和强度。宽度取决于它必须包括多少个分离室，只要能够产生足够均匀的静电场以覆盖所有分离室即可。电极板06之间的电位差可以位于但不限于60kv至100kv之间。电极板06之间的距离可以位于但不限于10cm至15cm之间。

分离室05的任何部分以及用于使空气或其他气体进入分离室05的任何开口的几何形状被构造成控制分离室05内部的气流稳定地流动以进行纤维分离，从而防止带电纤维与分离室05的壁之间的相互作用。

5.系统复位模块：用于中和分离室05内的残留纤维的电荷和累积的复位过程。一方面，由于电荷的积累，留在分离室05内的电荷的中和需要定期进行。分离室05内的电荷积累很可能是由于带电纤维与分离室壁之间的相互作用所致，这种积累会影响分离性能。在纤维分离过程的每个周期之后，由静电消除器通过交流法发射的离子定期进行中和，离子可以通过顶部喷嘴02a和02b的顶部开口03和间隙04进入分离室05，或者通过顶部喷嘴02c的顶部开口14和间隙15进入分离室05。另一方面，用于收集纤维的吸入孔10之间可能会留下少量纤维，这可能是由于气流进入两个吸入孔10的牵引力相同所致。残留纤维的去除是通过暂时停止通过任一吸入孔10的气流来进行的，因此残留纤维进入另一个吸入孔10，然后进入收集箱。电极板06施加的外部静电场在复位过程期间被关闭。

用于摩擦起电纺织材料分离系统的新商业模式。它利用摩擦起电效应将解缠后的混合纤维分离。所涉及的混合纤维将包含羊毛纤维、棉/纤维素纤维和合成纤维(例如涤纶纤维PET或腈纶纤维)，重要的是包括羊毛纤维。这对纺织品回收行业来说是一种新颖而有益的做法。非常适合零售行业和教育环境的服装回收和生产线。

在设计摩擦起电纺织材料分离系统之前需要评估不同的变量，包括环境温度、材料水分、织物材料充电性质、气流速度、电压、摩擦起电方法、空气管道材料和织物材料的充电和放电时机等。生产过程的工程是在有限的空间内实现最大容量，并使包括公用设施和支持系统在内的整个系统小型化，以及允许高效和稳健操作的布局，以开发干式分离方法和规模化的系统。

使用摩擦起电效应分离混合纤维，在分离之前，混合纤维将被解缠。该过程是干式分离过程，不涉及水或化学品。这意味着回用的纤维在使用前不需要清洁和干燥。回用的纤维可与原生纤维混合以制作新衣服，以提高行业中的纺织品回收率。

本发明已得到发展，并在不断改进以提高自动化水平，以提高产品输出质量。

未来的工作包括系统生产能力的提高和织物分离精度的提高。这将允许更好的分离质量、时间并减少人力需求。

原型系统位于香港科学园R10,RCC,19W，供内部使用和修改中。

在描述本发明的上下文中(尤其是在权利要求的上下文中)，术语“一”和“一个”以及“该”和“至少一个”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“有”、“具有”、“包括”和“包含”应被解释为开放式术语(即，意为“包括但不限于”)。