Device and method for separating mixed fibers using triboelectric effect

Abstract

The present invention discloses a device and method for separating mixed fibers using a triboelectric effect, which may separate protein-based fibers and / or cellulose-based fibers without water and chemicals. The mixed fibers include the protein-based fibers, the cellulose-based fibers and / or synthetic fibers, and the device includes: a fiber extraction device configured to extract single fibers from the mixed fibers; a triboelectric device configured to charge the single fibers into charged fibers using the triboelectric effect; a fiber separation device configured as one or more separation chambers to separate the charged fibers according to polarities thereof; a fiber collection device configured to collect the separated fibers; and an air flow generation device configured to generate and maintain an air flow flowing steadily to carry the single fibers from the fiber extraction device through the triboelectric device and the fiber separation device to the fiber collection device.

Description

DEVICE AND METHOD FOR SEPARATING MIXED FIBERS USING TRIBOELECTRIC EFFECT

[0001] Inventors: Edwin Yee Man KEH; Lei YAO; Kin Ming LEUNG; Siu Cheung HO; Kin Sang SIU

[0002] CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

[0003] This application claims the benefit of the US Provisional Patent Application No. 63 / 199,734, filed on January 21, 2021, and the China Patent Application No. 202111181117.0, filed on October 11, 2021, which are incorporated by reference herein in its entirety.FIELD OF THE INVENTION

[0004] The present disclosure is used in the field of textile recycling, and generally relates to a device and a method for separating mixed fibers using a triboelectric effect.BACKGROUND OF THE INVENTION

[0005] It should be understood that contents in the Background section of the present disclosure are not to be considered to form part of a prior art in any country.

[0006] Textile waste has become a serious global issue due to the growth of fast-fashion trends. About 30 million tons of textile waste was generated on a global basis in 2014. In China only, the annual textile waste production was close to 20 million tons, whereas the textile recycling industry recycled approximately 3 million tons of the waste. Thus, only 15 percent of the waste was recycled. In Hong Kong, the recycling percent was even lower at 4%.

[0007] The production of wool goes through many steps and requires a huge number of resources. A large amount of land is needed to graze the sheep and a great deal of manpower is needed to  shear them. Furthermore, water, chemicals, energy, and manpower are also needed to process these fleeces into wool before it is used to produce a garment.

[0008] The novel use of wool in the footwear industry and sneaker production has coincided with the jump in the wool price of 30 percent since 2017, making wool one of the most expensive fibers. High wool prices and increasing awareness of the environmental impact of wool production present a growing demand for ways to recycle wool fibers. Unfortunately, there are currently no viable methods of separating and recovering wool fibers.

[0009] Mechanical disintegration of textile materials into smaller fibers will have to be preceded by a material sorting process because mechanical disintegration is not a proper approach for separating blended fabrics to their constituent fibers.

[0010] Recently, hydrothermal process has been developed by the applicant of the present invention, the Hong Kong Research Institute of Textile and Apparel (HKRITA) . This chemical approach dissolves cotton yarns into cellulose powder and leaves polyester fibers unaffected, affording them for re-spinning. The need for preceded material sorting is smaller since the process is promising for separating blended fabrics.

[0011] The hydrothermal separation process and system developed by the HKRITA represent an important breakthrough for textile recycling, allowing the separation of textile materials from their blends (for example, cotton-polyester blends) . However, the process does not recover protein-based fibers (for example, wool fibers) , which are one of the most valuable fiber materials. Wool and other protein-based fibers are not compatible with that process since these fibers will also dissolve in a chemical solution.

[0012] Accordingly, there is a need in the art to have a device and a method for separating mixed fibers and recovering protein-based fibers. Furthermore, other desirable features and characteristics will become apparent from the subsequent detailed description and the appended claims, taken in conjunction with the accompanying drawings and this background of the disclosure.

[0013] SUMMARY OF THE INVENTION

[0014] Triboelectrification is a long-observed process of electron transfer when objects are rubbed with each other. The process results in one object gaining electrons on its surface and becoming negatively charged as well as another object losing electrons from its surface and becoming positively charged. This effect has been applied in the separation of mixtures of particulate materials, such as separating fly ash and more pertinently plastic chips of different materials. This has been of great interest, especially for separating plastic mixtures because no water or chemicals are required and hence no waste or wastewater will be produced.

[0015] Triboelectric separators have only been used for fractionation in mining and mineral processing and in the polymer industry, as well as for recycling metal and plastic from industrial waste. Currently, in the field of textile recycling, there are no textile recycling systems for the separation of textile fibers using the triboelectric effect.

[0016] The present disclosure is aimed to use the triboelectric effect to separate mixed natural and synthetic fibers. The mixed fibers considered will contain protein-based fibers (for example, wool) , cellulose-based fibers (for example, cotton) , and synthetic fibers, such as polyester fibers or acrylic fibers. To facilitate separation, the mixed fibers will be disentangled in advance and extracted into single fibers. A device and method may be implemented without water and chemicals. This means that the recovered fibers do not need to be cleaned and dried up before use.

[0017] The triboelectric separation device and method can help the textile industry to reuse the recycled fibers for making new clothing, which can simultaneously minimize the demand for virgin fibers. Hence, the device and method can help to mitigate a textile waste problem. This is actually a social benefit and helps to recycle the valuable wool fibers, and thus, the textile industry will be benefited as the recycled fibers can be reused for making new clothing, thus reducing the procurement demand for virgin wool fibers.

[0018] The recovered fibers should remain in a state fit for reusing in textile production, e.g., with fiber length ≥ 20–30 mm. The recovered fibers may be blended with virgin fibers for making new clothing. Because no water or chemicals are needed, the system is more cost-effective and efficient for application in the textile recycling industry and is more environmentally friendly. This  allows a business or education institute to easily present the triboelectric separation effect concept to bring up the awareness of reuse and saving of resources.

[0019] The development process of the triboelectric separation system involves the following five phases:

[0020] Phase 1: Define the current challenge of the triboelectric separation method in textile recycling for designing a system architecture and developing the whole separation system, considering: 1) an appropriate fiber pretreatment and operating environment; 2) triboelectrification of the fibers with a suitable pipe material for a correct charging polarity; 3) suitable geometries for an electrode set and a separation chamber; 4) the performance and reliability of keeping continuous separation.

[0021] Phase 2: Perform separation tests on textile materials with different parameters, including: 1) the temperature and relative humidity of a testing environment and the temperature and relative humidity for fiber pretreatment; 2) the length, inner diameter, and material of a triboelectric pipe; 3) the size of an electrode plate and the intensity of an electrostatic field; 4) the volume and velocity of an air flow triboelectrically charged through the pipe; 5) an air flow into the separation chamber; 6) the respective size of the separation chamber.

[0022] Phase 3: Analyze parameters in phase 2 to evaluate the optimal parameter and design of the system.

[0023] Phase 4: Design and develop a triboelectric dry separation chamber. The fibers in a fiber clump are extracted one by one using a mechanical method, flow into the pipe for triboelectrification, and then enter the separation chamber under the action of the uniform electrostatic field generated by the two electrode plates, one of which is at a positive high potential and the other is at a negative high potential, or one of which is at a positive or negative high potential and the other is grounded for fiber separation. A vacuum pump controls the air flow by a manual or automatic valve, so as to control the air flow used to deliver the fibers through the entire system. The air flow into two collection boxes for charged fibers with opposite polarities is stably kept in equilibrium.

[0024] Phase 5: Further modify the material selection, system design, and process design of the system to improve the process continuity and capacity, which includes the following features: minimization of the interaction between the fibers and the wall of the separation chamber; and a  reset process for removing residual fibers and charges which affect the separation chamber after accumulated in the separation chamber, thereby continuing the fiber separation work.

[0025] It is an object of the present disclosure to provide a device and method of a triboelectric textile material separation system for textile recycling, the system using a triboelectric effect to separate mixed natural and synthetic fibers through dry separation methodology without water and chemicals.

[0026] In accordance with some embodiments of the present disclosure, protein fibers, cotton or cellulose fibers, and synthetic fibers can be charged up enough and at the right polarities for a satisfactory separation efficiency under the following parameters and system and process design specifications.

[0027] In accordance with an aspect of the present disclosure, there is disclosed a device for separating mixed fibers using a triboelectric effect, the mixed fibers including protein-based fibers, cellulose-based fibers, and / or synthetic fibers, the device including: a fiber extraction device configured to extract single fibers from the mixed fibers; a triboelectric device configured to charge the single fibers into charged fibers using the triboelectric effect; a fiber separation device configured as one or more separation chambers to separate the charged fibers according to polarities thereof; a fiber collection device configured to collect the separated fibers; and an air flow generation device configured to generate and maintain an air flow flowing steadily to carry the single fibers from the fiber extraction device through the triboelectric device and the fiber separation device to the fiber collection device.

[0028] In some embodiments, the fiber extraction device mechanically and / or electrically extracts the single fibers from the mixed fibers.

[0029] In some embodiments, the single fiber has a length greater than 2 cm.

[0030] In some embodiments, the fiber extraction device includes a spinning box, the spinning box includes a feeder and a toothed roller, the toothed roller includes one or more teeth, and the toothed roller extracts the single fibers from the mixed fibers by rotation.

[0031] In some embodiments, the triboelectric device includes a triboelectric pipe made of a conductive material.

[0032] In some embodiments, at least a part of the triboelectric pipe close to the fiber separation device is a straight pipe, and the straight pipe includes an input pipe for the charged fibers to enter the fiber separation device.

[0033] In some embodiments, the input pipe has an inner diameter between 6 mm and 10 mm.

[0034] In some embodiments, a part of the input pipe into the fiber separation device has a length of about 50 cm.

[0035] In some embodiments, the triboelectric pipe is grounded.

[0036] In some embodiments, the triboelectric pipe is grounded via the fiber extraction device.

[0037] In some embodiments, the air flow in the triboelectric pipe has a flow rate of more than 50 liters / minute.

[0038] In some embodiments, the triboelectric pipe is a metal pipe.

[0039] In some embodiments, the metal pipe is made of copper or aluminum depending on the type of the fibers to be separated.

[0040] In some embodiments, the triboelectric pipe has a length greater than 1.5 meters.

[0041] In some embodiments, the triboelectric pipe has an inner diameter between 5 mm and 8 mm.

[0042] In some embodiments, the triboelectric pipe has an inner diameter of about 6 mm.

[0043] In some embodiments, at least a part of the triboelectric pipe is a helical pipe facilitating the triboelectric effect.

[0044] In some embodiments, the fiber separation device includes an electrode for generating an external electrostatic field, and the electrode has a sharpness and a roundness to achieve an electric field distribution and an electric field intensity suitable for charged fiber separation.

[0045] In some embodiments, the external electrostatic field is a uniform electric field.

[0046] In some embodiments, the electrodes are a pair of high voltage electrode plates.

[0047] In some embodiments, one of the high voltage electrode plates is at a positive high potential and the other high voltage electrode plate is at a negative high potential, or one of the high voltage electrode plates is at a positive or negative high potential and the other high voltage electrode plate is grounded.

[0048] In some embodiments, the pair of high voltage electrode plates has a potential difference between 60 kV and 100 kV.

[0049] In some embodiments, the high voltage electrode plate has a height between 25 cm and 50 cm.

[0050] In some embodiments, the high voltage electrode plate has a height equal to or less than the height of the wall of the separation chamber.

[0051] In some embodiments, the high voltage electrode plates have a distance of between 10 cm and 15 cm apart.

[0052] In some embodiments, the high voltage electrode plate has a width covering the entire separation chamber.

[0053] In some embodiments, the wall of the separation chamber is made of a porous or pore-free material.

[0054] In some embodiments, the separation chamber has a height between 25 cm and 50 cm.

[0055] In some embodiments, the separation chamber has an inner diameter of about 60 mm and an outer diameter of about 70 mm.

[0056] In some embodiments, the wall of the separation chamber is made of a non-conductive material.

[0057] In some embodiments, the wall of the separation chamber has a hollow cylinder shape to minimize turbulence.

[0058] In some embodiments, the separation chamber includes a top nozzle configured to minimize a divergence angle of the air flow to reduce a distance by which the charged fibers travel to a correct collection side, and the input pipe is inserted into the separation chamber through the center of the top nozzle at an input angle.

[0059] In some embodiments, the input angle is 0 degrees, 1 degree, 2 degrees, or 5 degrees.

[0060] In some embodiments, the input angle is biased towards a negative electrode of the fiber separation device.

[0061] In some embodiments, the top nozzle is made of metal.

[0062] In some embodiments, the top nozzle is made of copper or aluminum.

[0063] In some embodiments, at least part of the top nozzles has a shape of an upright or inverted funnel, a truncated cone, or a bullet.

[0064] In some embodiments, a top opening is provided at the top of the separation chamber near the wall of the separation chamber, a gap is formed between the top nozzle and the wall of  the separation chamber, and the top opening and the gap provide a passage for injecting external air, charged ions, or external air and charged ions into the separation chamber.

[0065] In some embodiments, a top opening is provided at the top of the separation chamber around the input pipe, a gap is formed between the top nozzle and the wall of the input pipe, and the top opening and the gap provide a passage for injecting external air and / or charged ions into the separation chamber.

[0066] In some embodiments, the top opening has a size of about 1 cm and the gap has a size of about 1 mm.

[0067] In some embodiments, two injection holes are provided on opposite sides of the top nozzle, the input pipe is located between the two injection holes, and the two injection holes are configured to provide passages for injecting charged ions with different polarities into the separation chamber respectively.

[0068] In some embodiments, the separation chamber includes a base, the base includes a base nozzle and a bottom pipe for collecting the separated fibers to the fiber collection device, and the base nozzle includes two suction holes for directing the air flow to collect the separated charged fibers with different polarities respectively.

[0069] In some embodiments, the base includes a bottom opening in communication with the external air, the base nozzle includes a middle opening located between the two suction holes, and a passage formed by the bottom opening and the middle opening directs the air flow to blow away residual fibers located between the two suction holes.

[0070] In some embodiments, the residual fiber in the separation chamber is removed by closing one of the two suction holes while opening the other of the two suction holes to blow the residual fiber into the opened one of the two suction holes.

[0071] In some embodiments, the removal is performed when the external electrostatic field is turned off.

[0072] In some embodiments, the fiber collection device is a collection box, bag, or mesh with holes, and the holes are large enough to allow the air flow to pass therethrough, but small enough to prevent the collected fibers from moving therethrough.

[0073] In some embodiments, the fiber collection device includes two collection boxes which collect the separated charged fibers with different polarities respectively, and the air flow into the two collection boxes is kept the same and constant.

[0074] In some embodiments, the air flow generation device includes a vacuum pump.

[0075] In some embodiments, the device further includes a system reset device configured to neutralize residual charges in the separation chamber and / or collect the residual fibers in the separation chamber.

[0076] In some embodiments, the system reset device generates charged ions using a direct current method or an alternating current method, positive ions are injected into the side of the fiber separation device close to the positive electrode, and negative ions are injected into the side of the fiber separation device close to the negative electrode, so as to neutralize the residual charges in the separation chamber.

[0077] In some embodiments, the system reset device is a static electricity eliminator.

[0078] In some embodiments, the charged ions are injected periodically after each cycle of the fiber separation process, and the external electrostatic field is turned off when the charged ions are injected.

[0079] In some embodiments, the charged ions produced using the direct current method are injected simultaneously with the separation of the charged fibers.

[0080] In some embodiments, geometries of any part of the separation chamber and any opening for air or other gas to the separation chamber are configured to control the air flow inside the separation chamber to flow steadily for fiber separation, thereby preventing an interaction between the charged fibers and the wall of the separation chamber.

[0081] In some embodiments, the device is operated at an ambient temperature between 15℃and 25℃.

[0082] In some embodiments, the device is operated at an ambient relative humidity between RH25%and RH35%.

[0083] In some embodiments, the mixed fibers are pretreated at a room temperature and a relative humidity between RH25%and RH35%for 8 hours before entering the device for separating mixed fibers using a triboelectric effect.

[0084] In some embodiments, the protein-based fibers are wool, the cellulose-based fibers are cotton, and the synthetic fibers are acrylic fibers and / or polyester fibers.

[0085] In some embodiments, the fiber separation device separates the protein-based fibers from the cellulose-based fibers and the synthetic fibers when the triboelectric device is mainly made of aluminum, and separates the protein-based fibers and the cellulose-based fibers from the synthetic fibers when the triboelectric device is mainly made of copper.

[0086] In accordance with another aspect of the present disclosure, there is disclosed a method for separating mixed fibers using a triboelectric effect, the mixed fibers including protein-based fibers, cellulose-based fibers, and / or synthetic fibers, the method including the following steps: extracting single fibers from the mixed fibers; carrying the single fibers to a triboelectric device using an air flow; charging the single fibers into charged fibers using the triboelectric effect in the triboelectric device; carrying the charged fibers to a fiber separation device using the air flow; moving the positively charged fibers and the negatively charged fibers to opposite sides in the fiber separation device respectively; carrying the charged fibers to a fiber collection device using the air flow; and collecting the separated charged fibers with different polarities in the fiber collection device respectively.

[0087] In some embodiments, the method further includes periodically injecting charged ions into the separation chamber to neutralize residual charges in the separation chamber, wherein positive ions are injected into the side of the fiber separation device close to a positive electrode and negative ions are injected into the side of the fiber separation device close to a negative electrode.

[0088] In some embodiments, the method further includes removing residual fibers in the separation chamber.

[0089] This Summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form that are further described below in the Detailed Description. This Summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used as an aid in determining the scope of the claimed subject matter. Other aspects and advantages of the present invention are disclosed as illustrated by the embodiments hereinafter.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0090] The appended drawings, where like reference numerals refer to identical or functionally similar elements, contain figures of certain embodiments to further illustrate and clarify various aspects, advantages, and features of a method and device for using a triboelectric textile material separation system for textile recycling to separate mixed natural and synthetic fibers through triboelectric dry separation methodology without water and chemicals as disclosed herein. It will be appreciated that these drawings and graphs depict only certain embodiments of the invention and are not intended to limit its scope. The triboelectric textile material separation system for textile recycling as disclosed herein will be described and explained with additional specificity and details through the use of the accompanying drawings in which:

[0091] FIG. 1 shows a flow chart of a Garment to Garment (G2G) recycle process operation by which an old garment is re-manufactured into a new garment;

[0092] FIG. 2 shows a diagram illustrating the electrode nature of different materials in the triboelectric series principle;

[0093] FIG. 3 shows a diagram illustrating the principle behind charging upon separation of two material sheets;

[0094] FIG. 4 shows a simplified diagram illustrating an experiment for separating fibers with different polarities in an external electrostatic field established by electrodes;

[0095] FIG. 5 shows a basic conceptual diagram of the entire process for the dry separation method using a triboelectric effect according to an embodiment of the present invention;

[0096] FIG. 6 shows a diagram illustrating a pipe as a triboelectric device for separating textile material fibers according to an embodiment of the present invention;

[0097] FIG. 7 shows a diagram illustrating the positive and negative electrode plates generating a uniform electrostatic field for fiber separation according to an embodiment of the present invention;

[0098] FIG. 8 shows a schematic diagram of a flow of an overall triboelectric separation system according to an embodiment of the present invention;

[0099] FIG. 9A shows an overview of the triboelectric device connected to a separation chamber through the triboelectric pipe according to an embodiment of the present invention;

[0100] FIG. 9B shows a diagram illustrating a prototype of the triboelectric separation system according to an embodiment of the present invention;

[0101] FIG. 9C shows a diagram illustrating a spinning box according to an embodiment of the present invention;

[0102] FIG. 9D shows a diagram illustrating a toothed roller according to an embodiment of the present invention;

[0103] FIG. 10A shows an overview diagram illustrating a system part of the separation chamber according to an embodiment of the present invention;

[0104] FIG. 10B shows an overview diagram illustrating another top nozzle used according to an embodiment of the present invention;

[0105] FIG. 10C shows views of two top nozzles according to an embodiment of the present invention at different angles;

[0106] FIG. 10D shows a diagram illustrating the input angle of the top nozzle according to an embodiment of the present invention;

[0107] FIG. 10E shows an overview diagram illustrating an improved design of the top nozzle according to an embodiment of the present invention;

[0108] FIG. 10F shows views of the top nozzle according to an embodiment of the present invention at a different angle;

[0109] FIG. 11 shows a diagram illustrating how charged fibers enter the separation chamber from an input pipe according to an embodiment of the present invention;

[0110] FIG. 12 shows a diagram in which air flows into the separation chamber from the outside through openings according to an embodiment of the present invention;

[0111] FIG. 13 shows a diagram illustrating a gap between the top nozzle and the wall of the separation chamber according to an embodiment of the present invention;

[0112] FIG. 14 shows a diagram illustrating the direction of the electrostatic field generated by the two electrode plates for separating different charged fibers through the separation chamber according to an embodiment of the present invention;

[0113] FIG. 15A shows a diagram illustrating a base nozzle of the separation chamber according to an embodiment of the present invention;

[0114] FIG. 15B shows a diagram illustrating a part below the base nozzle according to an embodiment of the present invention;

[0115] FIG. 16 shows a diagram in which air in the separation chamber flows through two suction holes before reaching a collection box connected to a bottom pipe according to an embodiment of the present invention; and

[0116] FIG. 17 shows a diagram illustrating a base of the separation system and an air flow carrying separated fibers flowing out of the separation chamber into the fiber collection box according to an embodiment of the present invention.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0117] The present disclosure generally relates to a method for separating mixed fibers using a triboelectric effect after the fibers are disentangled. The mixed fibers considered will contain wool fibers, cotton / cellulose fibers, and synthetic fibers, importantly wool fibers included. This is a novel method and beneficial for the textile recycling industry.

[0118] In the following detailed description, the method, system, and device are merely exemplary in nature and are not intended to limit the disclosure or its application and / or uses. The use of positional terms, such as top, bottom, middle, or the like, for elements or structures is merely for the convenience of description to illustrate distinctions and is not intended to limit the actual locations of the elements or structures. It should be appreciated that a vast number of variations exist. The detailed description will enable those of ordinary skill in the art to implement an exemplary embodiment of the present disclosure without undue experimentation, and it is understood that various changes or modifications may be made in the function and arrangement of methods, systems, and apparatuses described in the exemplary embodiment without departing from the scope of the present disclosure as set forth in the appended claims. The exemplary embodiments may not be limited to the precise embodiments described below, and may be practiced without some of these specific details. In other instances, structures and methods are not described in detail, if already well known.

[0119] The use of the terms “a” and “an” and “the” and “at least one” and similar referents in the context of describing the invention (especially in the context of the following claims) are to be  construed to cover both the singular and the plural, unless otherwise indicated herein or clearly contradicted by context. The terms “comprising, ” “having, ” and “including” are to be construed as open-ended terms (i.e., meaning “including, but not limited to, ” ) unless otherwise noted. The use of any and all examples, or exemplary language (e.g., “such as” ) provided herein, is intended merely to illuminate the invention better and does not pose a limitation on the scope of the invention unless otherwise claimed. No language in the specification should be construed as indicating any non-claimed element as essential to the practice of the invention.

[0120] The benefits, advantages, solutions to problems, and any element (s) that may cause any benefit, advantage, or solution to occur or become more pronounced are not to be construed as a critical, required, or essential features or elements of any or all of the claims. The invention is defined solely by the appended claims including any amendments made during the pendency of this application and all equivalents of those claims as issued.

[0121] FIG. 1 shows a flow chart of a Garment to Garment (G2G) recycle process operation by which an old garment is re-manufactured into a new garment. The G2G flow includes 8 steps: 101, collecting the old garment; 102, disentangling the garment into fibers; 103, cleaning the fibers; 104, carding the fibers; 105, drawing the fibers into a fiber clump; 106, spinning by a rotor; 107, doubling and twisting the fibers for a knitting process; and 108, knitting the garment.

[0122] FIG. 2 shows a schematic diagram of a triboelectric series. When two objects are rubbed with each other, in the triboelectric series, the upper object more easily loses electrons to be charged positively, and the lower object more easily gains electrons to be charged negatively. In the fiber separation example of the present disclosure, different kinds of fibers have to be charged with opposite polarities to be separated. For example, referring to the triboelectric series, if copper is used as a triboelectric material, wool and cotton are charged positively, and polyester is charged negatively, such that the polyester may be separated from the wool and the cotton; if aluminum is used as the triboelectric material, the wool is charged positively, and the cotton and the polyester are charged negatively, such that the wool may be separated from the cotton and the polyester. The triboelectric material is selected dependent on fiber materials to be separated.

[0123] FIG. 3 shows a principle diagram of charging upon contact of two material sheets. The left drawing shows that materials are not charged before contact, and the right drawing shows that the materials are charged with opposite polarities after separation. Specifically, some electrons  may move from the surface of one material to the surface of the other material at the contact location. After separation, the material gaining electrons is charged negatively, and the material losing electrons is charged positively.

[0124] FIG. 4 shows a principle diagram of an experiment for separating fibers with different polarities in an external electrostatic field established by electrodes. The left drawing shows the electrode 401 positively charged by induction of a high potential and wool fibers 402 positively charged after triboelectrification with copper, and the wool fibers 402 and the positive electrode 401 repel each other as shown. The right drawing shows the electrode 401 positively charged by the induction of the high potential and polyester fibers 403 negatively charged after triboelectrification with copper, and the polyester fibers 403 and the positive electrode 401 attract each other as shown.

[0125] FIG. 5 shows a basic conceptual diagram of an entire process for a dry separation method using a triboelectric effect according to an embodiment of the present invention. First, a fiber clump 501 of mixed fabric fibers are disentangled 511, that is, fed into a spinning box 960 shown in FIG. 9C, so as to extract fibers one by one by a toothed roller 9602 shown in FIG. 9D. The toothed roller 9602 is preferably rotated mechanically and / or electrically to disentangle the mixed fibers. Extracted single fibers 502 are then conveyed by an air flow to a triboelectric device for triboelectrification 512. Subsequently, charged fibers 503 are captured by an external electrostatic field established by a pair of high-voltage electrode plates, and interact with the external electrostatic field to perform dry separation 513. One of the pair of high-voltage electrode plates is at a positive high potential and the other is at a negative high potential, or one of the pair of high-voltage electrode plates is at a positive or negative high potential and the other is grounded. Finally, the fibers are collected to obtain collected fibers 504.

[0126] FIG. 6 shows a schematic diagram of a pipe as a triboelectric device for separating textile material fibers according to an embodiment of the present invention. After extraction, the single fibers are conveyed by the air flow to enter the triboelectric pipe at a fiber inlet 601. The fibers may rub against the inner wall of the pipe and become charged due to the triboelectric effect. Fibers of different materials may be charged differently due to the acquisition or loss of electrons. The use of copper as a pipe material helps to positively charge wool and cotton fibers and negatively charge polyester and acrylic fibers. Another option is to use aluminum as the pipe material, which  may help to positively charge the wool and negatively charge the cotton, polyester, and acrylic fibers. The pipe material is selected dependent on the material to be separated. After leaving a fiber outlet 602, the charged fibers are carried to a separation chamber, i.e., to an inlet of the separation chamber into which the fibers flow. The fibers of different materials are separated in the separation chamber where the electrostatic field is applied. The pipe may have, but is not limited to, a spiral shape, or has any other suitable shape and length suitable for a charge level requirement or architectural requirement. Since charges are generated on a surface when a conductive material contacts the fibers quickly disperse after the fibers are moved elsewhere, preferably, such a triboelectric device is made of a conductive material. Therefore, each position of the inner wall of the triboelectric pipe may be immediately returned to a neutral state after each time of triboelectrification, so as to always get ready to triboelectrically charge the next fiber expected in the triboelectric series.

[0127] FIG. 7 shows a schematic diagram of positive and negative electrode plates generating a uniform electrostatic field for fiber separation according to an embodiment of the present invention. High potentials with opposite polarities are applied to the two electrodes respectively, or a high potential with an arbitrary polarity is applied to one of the electrodes and the other electrode is grounded, such that a high potential difference is generated between the two electrodes, thereby generating the external electrostatic field. The electrodes may be, but are not limited to, the electrode plates and may be in any other electrode form suitable for generating an electric field to separate fibers. For example, a high-potential positive electrode plate 701 and a high-potential negative electrode plate 702 are shown in the drawing. The external electrostatic field separates the fibers according to the polarity. When entering the separation chamber with the air flow, the charged fibers 703 are directed to different sides according to their polarities under the action of electricity. The negatively charged fibers are attracted towards the positive electrode. The positively charged fibers are attracted towards the negative electrode. A collector is provided at a proper position to collect and store the separated fibers.

[0128] FIG. 8 shows a schematic diagram of a flow of an overall triboelectric separation system according to an embodiment of the present invention. The fibers are described to be extracted from the fiber clump 801, disentangled and individualized 811, thereby obtaining disentangled fibers 802. Subsequently, the disentangled fibers 802 enter the triboelectric pipe to be charged 812, thus  obtaining the charged fibers 803. The fibers enter the separation chamber for separation 813 and are collected finally. In the separation step 813, since after the mixed fibers 831 including wool, cotton, acrylon, and polyester are triboelectrically charged by aluminum, the wool is charged positively, and the cotton, the acrylon, and the polyester are charged negatively, the wool may be separated from the mixed fibers; since after the mixed fibers 832 including the wool, the cotton, the acrylon, and the polyester are triboelectrically charged by copper, the wool and the cotton are charged positively, and the acrylon and the polyester are charged negatively, the wool and the cotton may be separated from the mixed fibers. The fibers are transported by a pneumatic device 821 throughout the flow.

[0129] FIG. 9A shows a schematic overview of the triboelectric device connected to the separation chamber through the triboelectric pipe according to an embodiment of the present invention. Operation steps include: 901, the fibers are placed into an inlet; 902, the air flow carries the fibers through the triboelectric pipe 921; 903, the fibers do circular motion along a spiral line, and the fibers rub against the inner wall to generate the triboelectric effect; 904, the charged fibers enter the dry separation chamber; and 905, the electrodes separate the fibers according to the polarities. Also shown are a top view 911 and a side view 912 of the triboelectric pipe 921. From the side view 912, the triboelectric pipe 921 is stacked spirally, the length may be, but is not limited to, 1.5 meters or more, and the inner diameter may be, but is not limited to, between 5 mm and 8 mm. The air flow carries the fibers into the triboelectric pipe 921 from the inlet 931 and out of the triboelectric pipe 921 from an outlet 932. The drawing further shows that in step 904, the air flow carries the charged fibers 941 into the electrostatic field established by the positive electrode plate 951 and the negative electrode plate 952 for the separation step.

[0130] FIG. 9B shows a schematic diagram of a prototype of the triboelectric separation system according to an embodiment of the present invention. The fiber clump 970 (FIG. 9C) in which different fibers are mixed is fed into the spinning box 960 as shown in FIG. 9B, and the spinning box 960 has one or more toothed rollers 9602 (FIG. 9C) to extract the fibers one by one. The fibers are then sucked into the triboelectric pipe 921 by the air flow driven by a vacuum system, and the triboelectric pipe 921 may have a long tube shape or a spiral shape better facilitating generation of the triboelectric effect, such that the fibers rub against the wall of the pipe for triboelectrification. If the triboelectric pipe 921 is longer or has more arc segments due to an increased air flow  resistance, a stronger vacuum system is required. The fibers are then injected into the separation chamber 964, and the separation chamber 964 is placed between the two electrodes 9642 connected to an electrostatic generator 9640. The electrostatic field will separate the differently charged fibers. The separated fibers are then again carried by the air flow to two different collection boxes 966, one for collecting the positively charged fibers and the other for collecting the negatively charged fibers. The air flow into the two different collection boxes 966 is kept the same and constant throughout the separation process. A vacuum pump 968 is provided at the end of the system to maintain the air flow through the entire system, so as to always transport the fibers to the collection box 966 after the fibers are extracted from the spinning box 960. Details of the separation chamber 964 will be described in detail in later paragraphs.

[0131] FIG. 9C shows a schematic diagram of the spinning box 960 according to an embodiment of the present invention. The drawing shows that the fiber clump 970 is fed into the spinning box 960 by the rotation of the feeder 9600, and then, the fibers in the fiber clump 970 are extracted one by one by the toothed roller 9602.

[0132] FIG. 9D shows a schematic diagram of the toothed roller 9602 according to an embodiment of the present invention. The drawing shows teeth 9604 on the toothed roller 9602 for extracting the fibers one by one from the fiber clump 970.

[0133] FIG. 10A shows a schematic overview of a system part of the separation chamber 05 according to an embodiment of the present invention. An input pipe 01 is a part of the triboelectric pipe that allows the fibers to enter the separation chamber 05 after triboelectrically charged in the pipe, as shown in detail in FIG. 11. The top of the separation chamber 05 is provided with a top nozzle which may control the air flow to enter the separation chamber 05 to facilitate the fiber separation, and the top nozzle is configured to minimize the divergence angle of the air flow, so as to reduce the distance by which the charged fibers travel to the correct collection side. At least part of the top nozzles may be in the shape of an upright or inverted funnel, a truncated cone, or a bullet, such as the top nozzles 02a, 02b (FIG. 10B) , and 02c (FIG. 10F) . As shown in FIG. 11, the input pipe 01 is inserted through the center of the top nozzle 02a. The input pipe 01 is a straight pipe aligned in parallel or arranged at another angle, as shown in detail in FIG. 10D. In FIG. 12, a top opening 03 is provided at the top of the separation chamber 05 near the wall of the separation chamber 05 to allow air to flow into the separation chamber 05 from the outside. As shown in FIG.  13, a gap 04 with a size of, but not limited to, about 1 mm is formed between the top nozzle 02a and the wall of the separation chamber 05 to guide the air flow into the separation chamber 05, which aims at generating the air flow to prevent the charged fibers from interacting with the wall of the separation chamber 05 and minimizing the divergence of the fibers caused by the air flow as the fibers enter the separation chamber 05, thereby minimizing the difficulty of fiber separation. The wall of the separation chamber 05 is made of a non-conductive material and has a shape of a hollow cylinder. The hollow cylinder shape is also used to smooth the air flow and minimize turbulence, thereby creating a stable air flow environment conducive to fiber separation. The wall of the separation chamber 05 may be porous to allow air or other gas to flow through the wall from the outside, so as to prevent the charged fibers from interacting with the wall of the separation chamber 05. FIG. 14 shows the pair of electrostatic-field-generating electrode plates 06 located in the separation chamber 05 for fiber separation. A base nozzle 07 located at the bottom of the separation chamber 05 has two functions. First, as shown in FIG. 16, two suction holes 10 guides the air flow to collect the fibers with different polarities separated to two opposite sides by the electrostatic field generated by the electrode plate 06. Second, as shown in FIG. 15A, the base nozzle 07 has a middle opening 08 in the middle to allow the air flow to blow away the fibers which may fall between the suction holes 10, thereby minimizing the accumulation of the fibers at the bottom, such that the fibers may be collected by the suction holes 10. A base 09 of the separation chamber 05 includes a passage for conveying the fibers collected by the suction hole 10 to the collection box to store the collected fibers by the air flow, as shown in FIGS. 16 and 17, and a passage for allowing the air from the outside to flow through a bottom opening 12 and then through the middle opening 08 into the separation chamber 05, as shown in FIG. 15B.

[0134] FIG. 10B shows a schematic overview of another top nozzle 02b used according to an embodiment of the present invention. The top nozzle 02b may be made of a metal which may be, but is not limited to, copper or aluminum, for example.

[0135] FIG. 10C shows views of two top nozzles 02a, 02b according to an embodiment of the present invention at different angles.

[0136] FIG. 10D shows a schematic diagram of the input angle of the top nozzle 02a according to an embodiment of the present invention. FIG. 10D shows a way of changing the input angle A of the turbocharged input pipe 01 for conveyance to the separation chamber 05 with the design of  the top nozzle 02a as an example, the input angle A1 is biased by 0 degrees, the input angle A2 is biased by 1 degree, the input angle A3 is biased by 2 degrees, and the input angle A4 is biased by 5 degrees.

[0137] FIG. 10E shows a schematic diagram of an improved design of the top nozzle 02a according to an embodiment of the present invention. The drawing shows that two further injection holes 13 are provided on opposite sides of the top nozzle 02a. The injection hole 13 aims at allowing positive and negative ions generated by a static electricity eliminator in an alternating current method to flow into the separation chamber 05, so as to neutralize charges remaining in the separation chamber 05 after the fiber separation process is performed for a period of time. This is because the charges may be accumulated in the separation chamber 05 possibly due to friction between, for example, the charged fibers and the wall of the separation chamber 05. Too many accumulated charges may affect the fiber separation efficiency. In addition to the neutralization by the alternating current method after each fiber separation process, ions generated by a direct current method may also be injected into the separation chamber 05 from opposite sides during the fiber separation process. On the side close to the positive electrode, the positive ions may be continuously injected into the separation chamber 05. Meanwhile, on the side close to the negative electrode, the negative ions may also be continuously injected into the separation chamber 05. Since some of the fibers reach the correct separation side once the fibers enter the separation chamber 05, these fibers are no longer required to carry charges to interact with the external electrostatic field generated by the electrode plate 06 to reach the correct side. Since the charges of these fibers may be lost to the wall of the separation chamber 05 during the interaction with the wall of the separation chamber 05, removal of the unwanted charges at the beginning may minimize the charges accumulated in the separation chamber 05, thereby prolonging the cycle of each separation process. The ions generated by the alternating current method or the direct current method may enter the separation chamber 05 through the two injection holes 13 and the passage formed by the top opening 03 and the gap 04.

[0138] FIG. 10F shows a view of the top nozzle 02c according to an embodiment of the present invention at a different angle. In the top nozzle 02c, a top opening 14 is provided at the top of the separation chamber 05 around the input pipe 01, and allows air to flow from the outside into the separation chamber 05 through the gap 15 between the top nozzle 02c and the wall of the input  pipe 01. The air has the function of preventing the charged fibers from interacting with the wall of the top nozzle 02c and the wall of the separation chamber 05. The air may also limit the divergence of the fibers when the fibers just enter the separation chamber 05 from the inlet pipe 01. The ions generated by the static electricity eliminator using the direct current method or the alternating current method may also be injected into the separation chamber 05 through the top opening 14 and the gap 15.

[0139] FIG. 11 shows a schematic diagram of a way in which the charged fibers enter the separation chamber 05 from the input pipe 01 according to an embodiment of the present invention.

[0140] FIG. 12 shows a schematic diagram in which the air flows into the separation chamber 05 from the outside through the top opening 03 according to an embodiment of the present invention. The top opening 03 has a size of, but is not limited to, about 1 cm. The top opening aims at allowing the air to flow into the separation chamber 05 to blow away the charged fibers sticking to the wall of the separation chamber. The ions emitted by the static electricity eliminator may enter the separation chamber 05 through the top opening 03 and the gap 04 to neutralize the charges left in the separation chamber 05 by the charged fibers during system reset.

[0141] FIG. 13 shows a schematic diagram of the gap 04 between the top nozzle 02a and the wall of the separation chamber 05 according to an embodiment of the present invention. The gap 04 with a size of, but not limited to, about 1 mm is formed between the top nozzle 02a and the wall of the separation chamber 05, and allows the air to flow into the separation chamber 05 to blow away the charged fibers, so as to prevent the charged fibers from sticking to the wall of the separation chamber.

[0142] FIG. 14 shows a schematic diagram of the direction 140 of the electrostatic field generated by the two electrode plates 06 for separating different charged fibers through the separation chamber 05 according to an embodiment of the present invention.

[0143] FIG. 15A shows a schematic diagram of the base nozzle 07 of the separation chamber 05 according to an embodiment of the present invention. The base nozzle 07 has two features. First, the base nozzle has the two suction holes 10 for sucking air to collect the separated fibers. Second, the base nozzle has the middle opening 08 between the two holes for the air to flow into the separation chamber 05 to minimize fiber accumulation.

[0144] FIG. 15B shows a schematic diagram of a part below the base nozzle 07 according to an embodiment of the present invention. The part below the base nozzle 07 has the bottom opening 12 to allow air to flow from the outside and then to the middle opening 08 to enter the separation chamber 05.

[0145] FIG. 16 shows a schematic diagram in which the air in the separation chamber 05 flows through the two suction holes 10 before reaching the collection box connected with a bottom pipe 11 according to an embodiment of the present invention. The flow rate of the air is kept the same and constant in the two suction holes 10.

[0146] FIG. 17 shows a schematic diagram of the base 09 of the separation system and the air flow carrying the separated fibers flowing out of the separation chamber 05 into the fiber collection box according to an embodiment of the present invention, and the base 09 of the separation chamber 05 is shown.

[0147] In order to obtain an effective separation effect, the fibers have to be pretreated before entering the triboelectric textile separation system. The fibers have to be kept at a low humidity to control the moisture content of the fibers to a certain low level, such that sufficient charges may be obtained for separation by the electrostatic field. It is recommended (without limitation) to pretreat the fibers at the room temperature at the ambient relative humidity of RH25%to RH35%for 8 hours.

[0148] According to the present invention, the triboelectric textile material separation system has 5 key devices, including:

[0149] Fiber extraction device

[0150] As shown in FIG. 9C, the fiber clump 970 of the mixed textile fibers is fed into the spinning box 960 by the feeder 9600. Then, the individual fibers are extracted one by one by the toothed roller 9602 as shown in FIG. 9D. The individually extracted fibers are then carried by the air flow into the triboelectric pipe 921 for triboelectrification, and then through the separation chamber 964 and separated in the separation chamber 964. The length of the fibers may be, but is not limited to, 2 cm or more.

[0151] Air flow generation device

[0152] The vacuum system keeps an air flow flowing steadily passing through the entire system. The single fibers extracted in the spinning box 960 are conveyed to the triboelectric pipe 921 to  the separation chamber 964, separated, and then conveyed to different collection boxes 966. As shown in FIG. 17, the air flow into the two different collection boxes 966 is kept stable and balanced. The flow rate of the air flow in the triboelectric pipe 921 may be, but is not limited to, 50 LPM (liters / minute) or more. The air flow in the pipe has to be large enough to avoid entanglement of the individually extracted fibers. In the embodiment of the present invention, the vacuum system is located at the end of the overall air flow and behind the collection box, but may be located elsewhere as required by the system architecture. A collection device may be a collection box, bag, or mesh with holes, and the holes are large enough to allow the air flow to pass therethrough, but small enough to prevent the collected fibers from moving therethrough.

[0153] Triboelectric device

[0154] After being extracted one by one in the spinning box 960, the fibers are conveyed by the air flow into the triboelectric pipe 921 and charged, so as to get ready for separation before entering the separation chamber 964. The triboelectric pipe 921 may be made of, but not limited to, copper or aluminum. The fibers may rub against the inner wall of the pipe and become charged due to the triboelectric effect. The ambient temperature may be, but is not limited to, between 15℃ and 25℃, and the ambient relative humidity may be, but is not limited to, between RH25%and RH35%.

[0155] The use of copper as a pipe material may positively charge wool and cotton fibers and negatively charge polyester and acrylic fibers. Another option is to use aluminum as the pipe material, which may positively charge the wool fibers and negatively charge the cotton, polyester and acrylic fibers. The pipe material is selected dependent on the material to be separated according to the triboelectric series. FIG. 2 is an example of the triboelectric series. It should be noted that in some triboelectric series, cotton may be considered to be neutral. A possible explanation is that the higher relative humidity of the triboelectric series determined during the experiment or the large amount of moisture absorbed by the cotton leads to the rapid decay of the charges after triboelectrification.

[0156] Since positions on the inner wall by which the fibers are just charged triboelectrically may return to be neutral immediately after the fibers are moved to other positions, preferably, the triboelectric pipe 921 is made of a conductive material. Therefore, each position on the inner wall of the conductive pipe may charge different fibers as expected in the triboelectric series. Optionally, the pipe is grounded by connection to the spinning box 960 which is grounded in an electric socket.

[0157] The length of the triboelectric pipe 921 is suggested to be, but not limited to, 1.5 meters or more. The inner diameter of the pipe may be, but is not limited to, around 6 mm. The inner diameter of the input pipe 01 of the pipe may be, but is not limited to, between 6 mm and 10 mm, the length of the part of the pipe into the separation chamber 964 may be, but is not limited to, about 50 cm, and this part of the pipe is a stiff straight pipe of the same material as the triboelectric pipe to better control the input angle and smooth the air flow, so as to minimize the deflection of the air flow towards one side due to pipe bending. The input pipe 01 may be inserted into different types of top nozzles, such as the top nozzles 02a, 02b, and 02c shown in FIGS. 10A-F, to control the input angle and the air flow from the triboelectric pipe 921 and the outside of the system, so as to minimize the interaction between the fibers and the wall of the separation chamber and the distance by which the fibers have to travel to the correct side for successful separation.

[0158] Fiber Separation device

[0159] FIG. 10A shows a design of the separation chamber 05. The separation chamber 05 includes: a hollow-cylinder-shaped pipe made of a non-conductive material and serving as the wall of the separation chamber 05, a top nozzle which may have, but is not limited to, the configuration of one of 02a, 02b, and 02c, the two electrode plates 06 which generate the uniform electrostatic field to separate the oppositely charged fibers located in the middle of the separation chamber 05, and the base 09 of the separation chamber 05 located at the bottom. The base 09 of the separation chamber 05 has the base nozzle 07, the wall of which is provided with one or more bottom openings 12 for the inflow of the air from the outside. The base nozzle 07 has two features: the middle opening 08 and the two suction holes 10. The middle opening 08 has a function of allowing the air to flow into the separation chamber 05 through the bottom opening 12, thereby blowing away the fibers and minimizing the number of the fibers accumulated between the two suction holes 10. The two suction holes 10 are configured to collect the separated fibers, and the filters are conveyed to respective fiber collection boxes on the two sides through the bottom pipe 11.

[0160] The design of the top nozzles 02a, 02b, and 02c allows the air to flow in the separation chamber 05 to control the air flow, thereby minimizing the interaction between the fibers and the wall of the separation chamber. For the top nozzles 02a and 02b, the air flows into the separation chamber from the outside of the separation chamber through the top opening 03 and the gap 04. For the top nozzle 02c, the air flows into the separation chamber from the outside of the separation  chamber through the top opening 14 and the gap 15. This helps the fibers to move by the air flow without contacting other parts, thereby minimizing charge exchange with the wall of the separation chamber. The importance of this is that if the charges carried by the fibers are transferred by friction to the wall of the separation chamber, the wall of the separation chamber becomes charged and then generates an electrostatic field which is opposite to the external electrostatic field applied by the electrode plate 06, which in turn affects the separation efficiency and process capacity, and this is because frequent system resetting is required to remove the charges accumulated on the wall of the separation chamber 05. For example, when the negatively charged fiber is attracted to the positive electrode side, if the fiber earlier reaches the correct side, or is already on the correct side when reaching the separation chamber 05, the fiber may be attracted and move until it contacts the wall of the separation chamber. Since the fibers are moved by the air flow, the fibers rub against the wall of the separation chamber 05 and transfer negative charges thereof to the wall of the separation chamber 05 close to the positive electrode. Similarly, the positively charged fibers also transfer positive charges thereof to the wall of the separation chamber 05 close to the negative electrode. Therefore, opposite electrostatic fields are established. Therefore, corresponding parts have to be designed to minimize the interaction between the fibers and the wall of the separation chamber 05. The geometries of the wall, any nozzle, and any opening of the separation chamber 05 should be designed to control the air flow in the separation chamber system, so as to keep the charged fibers from contacting any part in the separation chamber system before the charged fibers are sucked away for collection.

[0161] As shown in FIG. 10F, in the design of the gap 15 close to the top nozzle 02c of the input pipe 01, the limitation of the divergence of the fibers when the fibers reach the separation chamber 05 is also required to be considered, so as to minimize the distance by which the fibers have to travel to the correct separation side.

[0162] As shown in FIG. 10D, in a modified example of the top nozzle 02a, the input pipe 01 is inserted into the top nozzle 02a at a different angle, so as to control the input angle of the fiber. Typically, the synthetic fibers carry high-intensity charges regardless of the polarity, the protein or cotton fibers carry charges at a second intensity level, the angular bias towards the negative electrode may help to increase the distance by which the synthetic fibers have to travel to the  correct separation side, thereby minimizing a chance that the fibers rub against the wall of the separation chamber 05 to create the opposing electrostatic field.

[0163] The nozzle may be further modified to allow the inflow of the ions generated by the static electricity eliminator in the direct current method. FIG. 10E shows an example of one modified top nozzle 02a in which the two injection holes 13 are provided at two opposite sides with the input pipe 01 in between. On the side close to the negative electrode, the negative ions generated by the direct current method may be input through one of the injection holes 13 close to the negative electrode, so as to neutralize the positively charged fibers reaching the half side of the separation chamber 05 closest to the negative electrode. Since these positively charged fibers reach the correct separation side, the charges carried by these fibers do not contribute significantly to further separation, but are left on the wall of the separation chamber 05 close to the negative electrode to create the electrostatic field opposite to the external electrostatic field intentionally applied by the electrode plate 06, thereby reducing the system separation efficiency. Similarly, on the side close to the positive electrode, the positive ions generated by the direct current method may be input through one of the injection holes 13 close to the positive electrode to neutralize the negatively charged fibers. This process may be performed simultaneously during the separation process, and the ion number has to be adjusted to meet the requirements of the fiber separation.

[0164] The wall of the separation chamber 05 is made of a non-conductive material, such that the external electrostatic field may pass through the wall. Materials with a less triboelectric effect with the charged fibers are preferred, and minimize the charge exchange between the fibers and the wall of the separation chamber 05. Porous materials may also be used to form the wall of the separation chamber 05, such that the air flows through the wall to push the fibers, so as to further prevent the fibers from contacting the wall of the separation chamber 05, thereby minimizing charge transfer.

[0165] The separation chamber 05 is shaped as a hollow cylinder to minimize turbulence, thereby creating a fairly steady air flow to carry the charged fibers for separation by the electrostatic field generated by the electrode plate 06. The separation chamber 05 may have an inner diameter of, but not limited to, 60 mm and an outer diameter of, but not limited to, 70 mm. The height of the wall of the separation chamber 05 may be, but is not limited to, between 25 cm and 50 cm.

[0166] One of the two electrode plates 06 is at the positive high potential and the other is at the negative high potential, or one of the two electrode plates is at the positive or negative high potential and the other is grounded, so as to generate the uniform electrostatic field across the separation chamber 05 to separate the charged fibers according to the polarities.

[0167] The height of the electrode plate 06 may be, but is not limited to, between 25 cm and 50 cm, and is equal to or less than that of the wall of the separation chamber 05. The shape of the electrode may also be modified to have a desired sharpness and roundness to achieve an electric field distribution and an electric field intensity suitable for fiber separation. The width of the electrode plate depends on the number of the separation chambers which have to be included, as long as a sufficiently uniform electrostatic field may be generated to cover all the separation chambers. The potential difference between the electrode plates 06 may be, but is not limited to, between 60 kV and 100 kV. The distance between the electrode plates 06 may be, but is not limited to, between 10 cm and 15 cm.

[0168] The geometries of any part of the separation chamber 05 and any opening for the air or other gas to enter the separation chamber 05 are configured to control the air flow inside the separation chamber 05 to flow steadily for fiber separation, thereby preventing the interaction between the charged fibers and the wall of the separation chamber 05.

[0169] System reset device

[0170] there is provided a reset process for neutralizing the charges of the residual fibers in the separation chamber 05 and removing the residual fibers. On the one hand, neutralization of the charges remaining in the separation chamber 05 is required to be performed periodically due to the accumulation of the charges. The charge accumulation in the separation chamber 05 is likely caused by the interaction between the charged fibers and the wall of the separation chamber, and the accumulation may affect the separation performance. After each cycle of the fiber separation process, neutralization is periodically performed by the ions emitted by the static electricity eliminator using the direct current method, and the ions may enter the separation chamber 05 through the top openings 03 and the gaps 04 of the top nozzles 02a, 02b, or through the top opening 14 and the gap 15 of the top nozzle 02c. On the other hand, a small number of fibers may be left between the suction holes 10 for collecting the fibers, which may be caused by the same drawing force for the air flow to enter the two suction holes 10. The residual fibers are removed by  temporarily stopping the air flow through any one of the suction holes 10, such that the residual fibers enter the other suction hole 10 and then enter the collection box. The external electrostatic field applied by the electrode plate 06 is turned off during the reset process.

[0171] The present invention is used as a new business model for a triboelectric textile material separation system. It uses the triboelectric effect to separate mixed fibers after they are disentangled. The mixed fibers considered will contain wool fibers, cotton / cellulose fibers, and synthetic fibers (for example, Polyethylene Terephthalate (PET) or acrylic fibers) , importantly wool fibers included. This is a novel and beneficial practice for the textile recycling industry. The present invention is quite suitable for a garment recycling and production line in a retail business and education environment.

[0172] Different variables are required to be evaluated before the design of the triboelectric textile material separation system, including an environment temperature, material moisture, fabric material charging properties, an air flow speed, a voltage, triboelectric methodology, an air pipe material, charging and discharging time of fabric materials, or the like. The production process is engineered to achieve a maximum capacity in a limited space, miniaturize the entire system including public utilities and support systems, and allow a layout of efficient and robust operations, so as to develop a dry separation method and a scale system.

[0173] When the triboelectric effect is used to separate the mixed fibers, prior to separation, the mixed fibers are disentangled. This process is a dry separation process, and no water or chemicals are involved. This means that the recovered fibers do not need to be cleaned and dried up before use. The recovered fibers may be blended with virgin fibers for making new clothing, so as to increase the textile recovery rate in the industry.

[0174] The present invention is developed, and continuously improved to improve the automation level, so as to improve the product output quality.

[0175] Future work includes system production capacity enhancement and fabric separation accuracy improvement. This will allow a better separation quality and a short time, and reduce manpower requirements.

[0176] The prototype system is located in R10, RCC, 19W, Hong Kong Science Park, and is for internal use and under modification.

[0177] This illustrates the fundamental method for separating mixed fibers using a triboelectric effect after the fibers are disentangled in accordance with the present disclosure. It will be apparent that variants of the above-disclosed and other features and functions, or alternatives thereof, may be combined into many other different methods or apparatuses. The present embodiment is, therefore, to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the disclosure is indicated by the appended claims rather than by the preceding description, and all changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.

Claims

1.A device for separating mixed fibers using a triboelectric effect, the mixed fibers comprising protein-based fibers, cellulose-based fibers and / or synthetic fibers, the device comprising:a fiber extraction device configured to extract single fibers from the mixed fibers;a triboelectric device configured to charge the single fibers into charged fibers using the triboelectric effect;a fiber separation device configured as one or more separation chambers to separate the charged fibers according to polarities thereof;a fiber collection device configured to collect separated fibers; andan air flow generation device configured to generate and maintain an air flow flowing steadily to carry the single fibers from the fiber extraction device through the triboelectric device and the fiber separation device to the fiber collection device.2.The device according to claim 1, wherein the fiber extraction device mechanically, electrically, or mechanically and electrically extracts the single fibers from the mixed fibers, and wherein the single fiber has a length greater than 2 cm.3.The device according to claim 2, wherein the fiber extraction device comprises a spinning box comprising a feeder and a toothed roller, wherein the toothed roller comprises one or more teeth, and the toothed roller extracts the single fibers from the mixed fibers by rotation.4.The device according to claim 1, wherein the triboelectric device comprises a triboelectric pipe made of a conductive material; wherein at least a part of the triboelectric pipe close to the fiber separation device is a straight pipe, and the straight pipe comprises an input pipe for the charged fibers to enter the fiber separation device; wherein the input pipe has an inner  diameter between 6 mm and 10 mm, and wherein a part of the input pipe into the fiber separation device has a length of about 50 cm.5.The device according to claim 4, wherein the triboelectric pipe is grounded via the fiber extraction device; wherein the air flow in the triboelectric pipe has a flow rate of more than 50 liters / minute; wherein the triboelectric pipe is a metal pipe; wherein the metal pipe is made of copper or aluminum; wherein the triboelectric pipe has a length greater than 1.5 meters; wherein the triboelectric pipe has an inner diameter between 5 mm and 8 mm, and wherein the triboelectric pipe has an inner diameter of about 6 mm.6.The device according to claim 4, wherein at least a part of the triboelectric pipe is a helical pipe facilitating the triboelectric effect.7.The device according to claim 1, wherein the fiber separation device comprises an electrode for generating an external electrostatic field, and the electrode has a sharpness and a roundness to achieve an electric field distribution and an electric field intensity suitable for charged fiber separation.8.The device according to claim 7, wherein the external electrostatic field is a uniform electric field; wherein the electrodes are a pair of high voltage electrode plates; wherein one of the high voltage electrode plates is at a positive high potential and the other high voltage electrode plate is at a negative high potential, or one of the high voltage electrode plates is at a positive or negative high potential and the other high voltage electrode plate is grounded; wherein the pair of high voltage electrode plates has a potential difference between 60 kV and 100 kV; wherein the high voltage electrode plate has a height between 25 cm and 50 cm; wherein the high voltage electrode plate has a height equal to or less than the height of a wall of the separation chamber; wherein the high voltage electrode plates have a distance of between 10 cm and 15 cm apart; wherein the high voltage electrode plate has a width covering the separation chamber.9.The device according to claim 1, wherein a wall of the separation chamber is made of a porous or pore-free material; wherein the separation chamber has a height between 25 cm and 50 cm;wherein the separation chamber has an inner diameter of about 60 mm and an outer diameter of about 70 mm; wherein the wall of the separation chamber is made of a non-conductive material; and wherein the wall of the separation chamber has a hollow cylinder shape to minimize turbulence.10.The device according to claim 4, wherein the separation chamber comprises a top nozzle configured to minimize a divergence angle of the air flow to reduce a distance by which the charged fibers travel to a correct collection side, and the input pipe is inserted into the separation chamber through the center of the top nozzle at an input angle; wherein the input angle is 0 degrees, 1 degree, 2 degrees, or 5 degrees; wherein the input angle is biased towards a negative electrode of the fiber separation device; wherein the top nozzle is made of copper or aluminum; wherein at least part of the top nozzles has a shape of an upright or inverted funnel, a truncated cone, or a bullet.11.The device according to claim 10, wherein a top opening is provided at the top of the separation chamber near the wall of the separation chamber, a gap is formed between the top nozzle and the wall of the separation chamber, and the top opening and the gap provide a passage for injecting external air, charged ions, or external air and charged ions into the separation chamber.12.The device according to claim 10, wherein a top opening is provided at the top of the separation chamber around the input pipe, a gap is formed between the top nozzle and the wall of the input pipe, and the top opening and the gap provide a passage for injecting external air, charged ions, or external air and charged ions into the separation chamber.13.The device according to claim 11 or 12, wherein the top opening has a size of about 1 cm and the gap has a size of about 1 mm.14.The device according to claim 10, wherein two injection holes are provided on opposite sides of the top nozzle, the input pipe is located between the two injection holes, and the two injection holes are configured to provide passages for injecting charged ions with different polarities into the separation chamber respectively.15.The device according to claim 1, wherein the separation chamber comprises a base, the base comprises a base nozzle and a bottom pipe for collecting the separated fibers to the fiber collection device, and the base nozzle comprises two suction holes for directing the air flow to collect the separated charged fibers with different polarities respectively.16.The device according to claim 15, wherein the base comprises a bottom opening in communication with the external air, the base nozzle comprises a middle opening located between the two suction holes, and a passage formed by the bottom opening and the middle opening directs the air flow to blow away residual fibers located between the two suction holes.17.The device according to claim 16, wherein the residual fiber in the separation chamber is removed by closing one of the two suction holes while opening the other of the two suction holes to blow the residual fiber into the opened one of the two suction holes; wherein the removal is performed when the external electrostatic field is turned off.18.The device according to claim 1, wherein the fiber collection device is a collection box, bag, or mesh with holes, and the holes are large enough to allow the air flow to pass therethrough, but small enough to prevent the collected fibers from moving therethrough; wherein the fiber collection device comprises two collection boxes which collect the separated charged fibers with different polarities respectively, and the air flow into the two collection boxes is kept the same and constant.19.The device according to claim 1, wherein the air flow generation device comprises a vacuum pump.20.The device according to claim 1 further comprising a system reset device configured to neutralize residual charges in the separation chamber and / or collect the residual fibers in the separation chamber.21.The device according to claim 20, wherein the system reset device generates charged ions using a direct current method or an alternating current method, positive ions are injected into the side of the fiber separation device close to the positive electrode, and negative ions are injected into the side of the fiber separation device close to the negative electrode, so as to neutralize the residual charges in the separation chamber; wherein the system reset device is a static electricity eliminator.22.The device according to claim 21, wherein the charged ions are injected periodically after each cycle of the fiber separation process, and the external electrostatic field is turned off when the charged ions are injected.23.The device according to claim 21, wherein the charged ions produced using the direct current method are injected simultaneously with the separation of the charged fibers.24.The device according to claim 1, wherein geometries of any part of the separation chamber and any opening for air or other gas to the separation chamber are configured to control the air flow inside the separation chamber to flow steadily for fiber separation, thereby preventing an interaction between the charged fibers and the wall of the separation chamber.25.The device according to claim 1, wherein the device is operated at an ambient temperature between 15℃ and 25℃; and wherein the device is operated at an ambient relative humidity between RH25%and RH35%.26.The device according to claim 1, wherein the protein-based fibers are wool, the cellulose-based fibers are cotton, and the synthetic fibers are acrylic fibers and / or polyester fibers.27.The device according to claim 1, wherein the fiber separation device separates the protein-based fibers from the cellulose-based fibers and the synthetic fibers when the triboelectric device is mainly made of aluminum, and separates the protein-based fibers and the cellulose-based fibers from the synthetic fibers when the triboelectric device is mainly made of copper.28.A method for separating mixed fibers using a triboelectric effect, the mixed fibers comprising protein-based fibers, cellulose-based fibers and / or synthetic fibers, the method comprising:extracting single fibers from the mixed fibers;carrying the single fibers to a triboelectric device using an air flow;charging the single fibers into charged fibers using the triboelectric effect in the triboelectric device;carrying the charged fibers to a fiber separation device using the air flow;moving the positively charged fibers and the negatively charged fibers to opposite sides in the fiber separation device respectively;carrying the charged fibers to a fiber collection device using the air flow; andcollecting the separated charged fibers with different polarities in the fiber collection device respectively.29.The method according to claim 28 further comprising: periodically injecting charged ions into the separation chamber to neutralize residual charges in the separation chamber, wherein positive ions are injected into the side of the fiber separation device close to a positive electrode and negative ions are injected into the side of the fiber separation device close to a negative  electrode; wherein the method further comprises removing residual fibers in the separation chamber.30.The method according to claim 28 further comprising the step of pretreating the mixed fibers at a room temperature and a relative humidity between RH25%and RH35%for 8 hours before separating the mixed fibers using the triboelectric effect.

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