Proceso de extrusión de doble tornillo para producir tableros de fibra renovables

Resumen

Se desarrolló un versátil proceso de extrusión de doble tornillo para proporcionar un pretratamiento termo-mecanoquímico eficiente en biomasa lignocelulósica, lo que conduce a una mayor relación de aspecto promedio de fibra. Un aglutinante natural también se puede agregar continuamente después de la refinación de la fibra, lo que lleva a tableros de fibra de base biológica con propiedades mecánicas mejoradas después del prensado en caliente del material extruido obtenido.

Resumen

Se desarrolló un versátil proceso de extrusión de doble tornillo para proporcionar un pretratamiento termo-mecanoquímico eficiente en biomasa lignocelulósica antes de usarlo como fuente de refuerzo mecánico en tableros de fibra totalmente de base biológica. Varios subproductos de cultivos lignocelulósicos ya han sido pretratado con éxito a través de este proceso, por ejemplo, pajitas de cereales (especialmente arroz), paja de cilantro, alas de paja de lino oleaginoso y corteza de amaranto y tallos de girasol.

El proceso de extrusión resulta en un marcado aumento en la relación de aspecto promedio de la fibra, lo que conduce a mejores propiedades mecánicas de los tableros de fibra. El extrusor de doble tornillo también se puede equipar con un módulo de filtración en el extremo del cañón. La extracción continua de diversos productos químicos (por ejemplo, azúcares libres, hemicelulosas, volátiles de fracciones de aceites esenciales, etc.) del sustrato lignocelulósico, y el refinado de fibras pueden, por lo tanto, realizarse simultáneamente.

El extrusor también se puede utilizar por su capacidad de mezcla: un aglutinante natural (por ejemplo, ligninas organosolventes, tortitas de aceite a base de proteínas, almidón, etc.) se puede agregar a las fibras refinadas en el extremo del perfil del tornillo. La premezcla obtenida está lista para ser moldeada a través de prensado en caliente, con el aglutinante natural contribuyendo a la cohesión de la placa de fibra. Tal proceso combinado en una sola pasada de extrusor mejora el tiempo de producción, el costo de producción y puede conducir a una reducción en el tamaño de producción de la planta. Debido a que todas las operaciones se realizan en un solo paso, la morfología de la fibra se conserva mejor, gracias a un tiempo de residencia reducido del material dentro del extrusor, lo que resulta en un mejor rendimiento del material. Tal operación de extrusión de un solo paso puede estar en el origen de una valiosa intensificación del proceso industrial.

En comparación con los materiales comerciales a base de madera, estos tableros de fibra totalmente de base biológica no emiten ningún formaldehído, y podrían encontrar varias aplicaciones, por ejemplo, contenedores intermedios, muebles, pisos domésticos, estanterías, construcción general, etc.

Introducción

La extrusión es un proceso durante el cual un material que fluye es forzado a través de un dado caliente. La extrusión, por lo tanto, permite la formación de productos precalentados bajo presión. El primer extrusor industrial de un solo tornillo apareció en 1873. Se utilizó para la fabricación de cables continuos metálicos. A partir de 1930, la extrusión de un solo tornillo se adaptó a la industria alimentaria para producir salchichas y pasados. Por el contrario, la primera extrusora de doble tornillo se ha utilizado por primera vez para desarrollos en la industria alimentaria. No apareció en el campo de los polímeros sintéticos hasta la década de 1940. Para ello, se diseñaron nuevas máquinas, y también se modeló su funcionamiento¹. Se desarrolló un sistema con tornillos co-penetrantes y co-giratorios, permitiendo que la mezcla y la extrusión se llevaran a cabo simultáneamente. Desde entonces, la tecnología de extrusión se ha desarrollado continuamente a través del diseño de nuevos tipos de tornillos. Hoy en día, la industria alimentaria hace un uso extensivo de la extrusión de doble tornillo, aunque es más cara que la extrusión de un solo tornillo, ya que la extrusión de doble tornillo permite el acceso a productos finales y procesamiento de materiales más elaborados. Se utiliza particularmente para la extrusión-cocción de productos almidonados, pero también para el texturizado de proteínas y la fabricación de alimentos para mascotas y piensos para peces.

Más recientemente, la extrusión de doble tornillo ha visto ampliado su campo de aplicación al fraccionamiento termomecanoquía de la materia vegetal^2,3. Este nuevo concepto ha llevado al desarrollo de reactores reales capaces de transformar o fraccionar las materias de la planta en un solo paso, hasta la producción separada de un extracto y un refinado por separación líquido/sólido^2,3,4. Los trabajos realizados en el Laboratorio de Química Agroindustrial (ACV) han puesto de manifiesto las múltiples posibilidades de la tecnología de doble tornillo para el fraccionamiento y valorización de agrorecursos^2,3. Algunos de los ejemplos son: 1) El prensado mecánico y/o la extracción con disolvente "verde" del aceite vegetal^{5,6,7,8,9,10.} 2) La extracción de hemicelulosas^11,12,pectinas^13,proteínas^14,15,y extractos polifenólicos^16. 3) La degradación enzimática de las paredes celulares de las plantas para la producción de bioetanol de segunda generación¹⁷. 4) La producción de materiales biocompuestos con matrices de proteína¹⁸ o polisacárido^19. 5) La producción de materiales termoplásticos mediante la mezcla de cereales y poliésteres de base biológica^20,21. 6) La producción de biocompuestos mediante la composición de un polímero termoplástico, de base biológica o no, y rellenos vegetales^22,23. 7) La desfibración de materiales lignocelulósicos para la producción de pasta de papel^13,24,y tableros de fibra^{25,26,27,28,29,30,31,32.}

El extrusor de doble tornillo a menudo se considera como un reactor termo-mecanoquíaico continuo (TMC). De hecho, combina en un solo paso acciones químicas, térmicas y, también, mecánicas. El químico resulta en la posibilidad de inyectar reactivos líquidos en varios puntos a lo largo del barril. El térmico es posible debido a la regulación térmica del barril. Por último, el mecánico depende de la elección de los elementos del tornillo a lo largo del perfil del tornillo.

Para la desfibración de materiales lignocelulósicos para producir tableros de fibra, los trabajos más recientes han utilizado paja de arroz^25,28,paja de cilantro^26,29,alas de lino oleaginoso^27, así como girasol^30,32 y amaranto³¹ cortezas. El interés actual de las biomasas lignocelulósicas para tal aplicación (es decir, el refuerzo mecánico) se explica por el agotamiento regular de los recursos forestales utilizados para producir materiales a base de madera. Los residuos de cultivos son baratos y pueden estar ampliamente disponibles. Además, las partículas de madera actuales se mezclan con resinas petroquímicas que pueden ser tóxicas. A menudo representan más del 30% del costo total de los materiales comerciales actuales^33,algunas resinas contribuyen a las emisiones de formaldehído y reducen la calidad del aire interior^34. El interés de la investigación se ha desplazado al uso de aglutinantes naturales.

La biomasa lignocelulósica está compuesta principalmente por celulosa y hemicelulosas, formando un complejo heterogéneo. Las hemicelulosas están impregnadas con capas de ligninas que forman una red tridimensional alrededor de estos complejos. El uso de biomasa lignocelulósica para la fabricación de tableros de fibra generalmente requiere un pretratamiento de desfibración. Para ello, es necesario descomponer las ligninas que protegen la celulosa y las hemicelulosas. Se deben aplicar pre-tratamientos mecánicos, térmicos y químicos35 o incluso enzimáticos ^36,37,38. Estos pasos también aumentan la autoa adhesión de las fibras, lo que puede promover la producción de placas sin aglutinantes^27, incluso si se agrega un aglutinante exógeno con mayor frecuencia.

El propósito principal de los pretratamientos es mejorar el perfil de tamaño de partícula de las fibras micrométricas. Una simple molienda ofrece la posibilidad de reducir el tamaño de la fibra^27,39,40. Barato, contribuye a aumentar la superficie específica de la fibra. Los componentes de la pared celular interna se vuelven más accesibles y se mejoran las propiedades mecánicas de los paneles obtenidos. La eficiencia de la desfibración se incrementa significativamente cuando se produce una pulpa termomecánica, por ejemplo, por digestión más defibración^41,a partir de diferentes procesos de despulpado⁴² o por explosión de vapor^{43,44,45,46,47.} Más recientemente, LCA ha desarrollado un pretratamiento original de fibras lignocelulósicas utilizando extrusión de doble tornillo^{25,26,27,28,29,30,31,32.} Después de la defibración de TMC, el extrusor también permite la dispersión homogénea de un aglutinante natural dentro de las fibras. La premezcla resultante está lista para ser prensada en caliente en tablas de fibra.

Durante la desfibración de la paja de arroz, la extrusión de doble tornillo se comparó con un proceso de digestión más defibración^25. El método de extrusión reveló un costo significativamente reducido, es decir, nueve veces menor que el de despulpado. Además, se reduce la cantidad de agua añadida (1.0 max relación líquido/sólido en lugar de 4.0 min con el método de despulpado), y también se observa un claro aumento en la relación de aspecto promedio de las fibras refinadas (21.2-22.6 en lugar de 16.3-17.9). Estas fibras presentan una capacidad de fortalecimiento mecánico altamente mejorada. Esto se demostró para los tableros de fibra a base de paja de arroz, en los que se utilizó lignina pura no deteriorada (por ejemplo, Biolignina) como aglutinante (hasta 50 MPa para la resistencia a la flexión y 24% para la hinchazón del espesor después de una inmersión de 24 h en agua)²⁸.

El interés de la desfibración de TMC en extrusora de doble tornillo también se ha confirmado con paja de cilantro²⁶. La relación de aspecto de las fibras refinadas varía de 22.9-26.5 en lugar de solo 4.5 para fibras simplemente molidas. Se obtuvieron tablas de fibra 100% a base de cilantro agregando a las pajitas refinadas por extrusión un pastel de la semilla como aglutinante de proteínas (40% en masa). Su resistencia a la flexión (hasta 29 MPa) y especialmente su resistencia al agua (hasta un 24% de hinchazón de espesor) mejoraron significativamente en comparación con los paneles hechos de paja simplemente triturada. Además, estos paneles no emiten formaldehído y, como consecuencia, son más respetuosos con el medio ambiente y la salud humana que el tablero de fibra de densidad media (MDF) y el aglomerado²⁹ que se encuentran clásicamente en el mercado.

Del mismo modo, se produjeron con éxito paneles totalmente basados en amaranto³¹ y girasol^32,combinando fibras refinadas por extrusión de corteza como refuerzo y torta de semillas como aglutinante de proteínas. Demostraron fuerzas de flexión de 35 MPa y de 36 MPa, respectivamente. Sin embargo, su resistencia al agua fue encontrada para ser más baja: el 71% y el 87%, respectivamente, para la hinchazón del grueso. También se pueden obtener paneles autoenlazados a base de alas refinadas por extrusión a partir de paja de lino oleaginoso²⁷. En este caso, es la fracción leñosa, liberada durante la desfibración TMC de doble tornillo, la que contribuye a la autoenlace. Sin embargo, los tableros duros obtenidos muestran una menor resistencia mecánica (sólo 12 MPa de resistencia a la flexión), y una hinchazón de espesor muy alto (127%).

Todos los paneles a base de fibra extruida presentados anteriormente pueden encontrar aplicaciones industriales y son, por lo tanto, alternativas sostenibles a los materiales comerciales actuales a base de madera. De acuerdo con los requisitos de la Organización Internacional de Normalización (ISO)^48,49,50,sus aplicaciones específicas dependerán de sus características mecánicas y de sensibilidad al agua.

En este trabajo, se describe en detalle el procedimiento para extruir y refinar fibras lignocelulósicas antes de utilizarlas como refuerzo mecánico en tableros renovables. Como recordatorio, este proceso reduce la cantidad de agua a añadir en comparación con las metodologías tradicionales de despulpado, y también consume menos energía^25. La misma máquina de doble tornillo también se puede utilizar para agregar un aglutinante natural a las fibras.

Más específicamente, se presenta un esquema detallado para llevar a cabo la extrusión-refinación de doble tornillo de alas de paja de lino oleaginoso(Linum usitatissimum L.). La paja utilizada en este estudio fue obtenida comercialmente. Era de la variedad Everest, y las plantas se cultivaron en la parte suroeste de Francia en 2018. En el mismo paso de extrusor, también se puede agregar una torta de linaza plastificada (utilizada como aglutinante exógena) en el centro del barril, y luego mezclar íntimamente a las alas refinadas a lo largo de la segunda mitad del perfil del tornillo. Una mezcla homogénea que tiene la forma de un material esponjoso se recoge en la salida de la máquina. La operación TMC de un solo paso se lleva a cabo utilizando una máquina a escala piloto. Nuestro objetivo es proporcionar un procedimiento detallado para que los operadores realicen correctamente la extrusión-refinación de aletas, y luego la adición de la torta. Tras esta operación, la premezcla obtenida está lista para su posterior fabricación de tableros duros 100% oleaginosos a base de lino mediante prensado en caliente.

Protocolo

1. Preparar las materias primas

1. Utilizar alas de lino oleaginoso, que son el resultado de una etapa preliminar de extracción mecánica de las fibras bast de paja en un dispositivo de extracción "toda la fibra"⁵¹. Use un tamiz vibratorio para eliminar las fibras textiles cortas que aún pueden contener.
   NOTA: Como la eliminación de estas fibras textiles cortas puede ser difícil, no dude en repetir esta operación de tamizado tantas veces como sea necesario. Aquí, el objetivo es mejorar el flujo de las aezo de lino oleaginoso en la tolva del alimentador de peso, y, por lo tanto, facilitar su dosificación antes de su introducción en la extrusora de doble tornillo.
2. Utilizar una torta de linaza plastificada, obtenida por desestructuración/plastificación de las proteínas según la metodología descrita por Rouilly et al.^18.
   NOTA: Al hacerlo, las proteínas muestran mejores aptitudes termoplásticas y adhesivas.
3. Moler los agro-granulados de la torta de linaza plastificada utilizando un molino de martillo equipado con una rejilla de 1 mm, y luego tamizar el material molido obtenido para retener sólo las partículas menores de 500 μm.

2. Comprobar el correcto funcionamiento de los alimentadores de peso constante y de la bomba de pistón

1. Para los caudales a los que trabaja el operario durante la producción, elegidos para evitar la obstrucción de la máquina (15 kg/h para las aezídas de lino oleaginoso (OFS), y de 1,50 kg/h a 3,75 kg/h para la torta de linaza plastificada), compruebe la correspondencia entre el valor establecido introducido en los dos alimentadores de peso constante y los caudales sólidos realmente distribuidos por estos dispositivos dosificadores.
   NOTA: El caudal sólido real se determina experimentalmente pesando la masa del sólido distribuida por el alimentador de peso constante durante un período de tiempo conocido (5 min). Si hay una desviación significativa entre el valor establecido y el caudal real medido, esto puede indicar un mal funcionamiento del alimentador de pesaje. Para evitar esto, toda la unidad de dosificación debe limpiarse a fondo, con especial énfasis en el área donde se encuentra el dispositivo de pesaje. De hecho, la causa de este tipo de mal funcionamiento es muy a menudo una mala limpieza del dispositivo, ya que se pueden encontrar rastros de sólidos utilizados anteriormente en las esquinas más pequeñas de la unidad de dosificación. Si el problema persiste, entonces será necesario comprobar la correcta medición de la balanza en sí y, si es necesario, recalibrarlo.
2. Calibrar la bomba de pistón para establecer una relación entre la potencia eléctrica del motor y el caudal de agua real distribuido por la bomba.
   NOTA: Para cada potencia eléctrica probada, el caudal de agua real se determina experimentalmente pesando la masa del agua distribuida por la bomba de pistón durante un período de tiempo conocido (5 min). Se prueban cinco potencias eléctricas diferentes para dibujar la curva de calibración. Se elige la potencia eléctrica más alta probada para que ofrezca un caudal de agua más alto que el elegido durante la producción.
3. Una vez realizada la calibración de la bomba, compruebe el caudal de agua al que trabaja el operario durante la producción (15 kg/h para evitar la obstrucción de la máquina conservando al mismo tiempo la longitud de las fibras refinadas por extrusión) la correspondencia entre el valor establecido dado a la bomba de pistón para la potencia del motor y el caudal de agua realmente distribuido.

3. Prepare la extrusora de doble tornillo

1. Organice correctamente los módulos extrusores de doble tornillo (tipos AB1-GG-8D, FER y ABF) conectándolos uno tras otro (por medio de dos medias abrazaderas) en el orden correcto según la configuración de la máquina a utilizar:
   1. Configurar la configuración para la que sólo se lleva a cabo la desfibración de fibra (Figura 1A).
   2. Alternativamente, configure la configuración que se completa con la adición del aglutinante natural (Figura 1B).
      Nota : para ambas configuraciones, el primer módulo se utiliza para la introducción de alas de lino oleaginoso. Este es un módulo de tipo AB1-GG-8D, que tiene un módulo 8D longitud, D correspondiente al diámetro del tornillo (es decir, 53 mm). La gran abertura superior de este módulo está destinada principalmente a facilitar la introducción de las alas. Los módulos 2 a 8 tienen temperatura controlada. Son módulos cerrados (tipo FER), excepto el módulo 5 en el caso de configuración (paso 3.1.2), que es de tipo ABF (es decir, módulo equipado con una abertura lateral para asegurar la conexión del alimentador lateral utilizado para forzar la introducción de la torta de linaza plastificada dentro del barril principal). El alimentador lateral consta de dos tornillos arquímedes co-giratorios y co-penetrantes de paso constante y perfil conjugado.
2. Coloque la tubería de entrada de agua lateralmente al final del módulo 2 para conectar la bomba de pistón a la máquina.
3. Apartar los elementos de tornillo (Figura 2) que serán necesarios para configurar el perfil del tornillo, ya sea el utilizado para la configuración (paso 3.1.1) o el utilizado para la configuración (paso 3.1.2) (Figura 3).
   NOTA: Asegúrese de que estos son los elementos de tornillo correctos comprobando cuidadosamente su tipo (T2F, C2F, C1F, CF1C, BB o INO0), longitud, paso (para los elementos de tornillo de transporte y marcha atrás) y su ángulo de escalonamiento (para los bloques de mezcla BB).
4. Configure el perfil del tornillo(Figura 3)insertando los elementos del tornillo a lo largo de los dos ejes entaulados, desde el primer par hasta el último.
   NOTA: Los perfiles de tornillo utilizados para las dos configuraciones ensayadas, son diferentes y ambos resultan de la optimización previa^25,26,27.
5. Al montar el perfil del tornillo, asegúrese de que las roscas de los elementos del tornillo que se acaban de insertar en los ejes entaulados estén siempre perfectamente alineadas con los elementos previamente ensamblados.
6. Una vez montado todo el perfil del tornillo, atornille a mano los puntos del tornillo en el extremo de los dos ejes, cierre completamente el barril de la máquina y luego apriete los dos puntos del tornillo al par de apriete recomendado por el fabricante (30 daN m para el extrusor de doble tornillo utilizado en este estudio) utilizando una llave de torsión.
7. Con el cañón de la máquina parcialmente reabierto, es decir, con los ejes retraídos en el cañón a una distancia de aproximadamente 1D, gire los tornillos a baja velocidad (25 rpm máximo) para asegurarse de que todo el perfil del tornillo esté correctamente ajustado.
   NOTA: En el caso de una instalación incorrecta de los elementos del tornillo (por ejemplo, la desalineación de uno de ellos), se observará inevitablemente un desgaste acelerado de los elementos del tornillo. Al probar la rotación de ambos ejes con el barril de la máquina casi completamente abierto, esto da como resultado que los ejes se toquen entre sí en el punto del elemento de tornillo colocado incorrectamente.
8. Cierre completamente el cañón de la máquina para que ambos ejes estén completamente atrapados dentro del barril.
9. Una vez que el barril está cerrado, sujete a la máquina con medias abrazaderas, y asegúrese con la ayuda de un probador de nivel que el barril está perfectamente horizontal.
   NOTA: Si el cañón de la extrusora de doble tornillo no es perfectamente horizontal, esto puede conducir a un desgaste prematuro por abrasión de los elementos del tornillo y /o las paredes internas del barril.
10. Colocar los periféricos (los alimentadores de peso para los dos sólidos que se introducirán y la bomba de pistón para el agua que se va a inyectar) en los lugares requeridos a lo largo del barril: por encima del módulo 1 para el alimentador utilizado para las alas de lino oleaginoso, por encima de la tolva del alimentador lateral (a su vez conectado lateralmente al módulo 5) para el utilizado para la torta de linaza plastificada (caso de configuración (paso 3.1.2) solamente) , y al final del módulo 2 para la inyección de agua.

4. Llevar a cabo el tratamiento de extrusión de doble tornillo según la configuración (paso 3.1.1) o la configuración (paso 3.1.2)

1. Desde la supervisión de la máquina, introduzca las temperaturas establecidas de cada uno de los módulos e inicie el control de temperatura del barril: para la configuración (paso 3.1.1), 25 °C para el módulo de alimentación (módulo 1) y 110 °C para los siguientes; para la configuración (paso 3.1.2), 25 °C para el módulo 1, 110 °C para la zona de refinado (módulos 2 a 4) y 80 °C para el de premezcla (módulos 5 a 8).
   NOTA: El control de temperatura del cañón se lleva a cabo por separado de un módulo a otro mediante (i) calentamiento con dos medias abrazaderas resistivas fijadas alrededor de cada módulo, y (ii) enfriamiento mediante la circulación de agua fría dentro del módulo. Un 25 °C es privilegiado para el módulo de alimentación. Para un refinado eficiente de las fibras, se prefiere una temperatura de 110 °C. Una temperatura de 80 °C es suficiente para la operación de premezcla. Dado que las zonas de refinación y premezcla se encuentran a lo largo de varios módulos, a todos los módulos de la misma zona se les asigna la misma temperatura establecida.
2. Espere a la estabilidad de las temperaturas medidas y asegúrese de que estas temperaturas sean iguales a los puntos de set.
   NOTA: Las temperaturas medidas se dan en el panel de control de la máquina. Para garantizar un segundo control de estas temperaturas, también es posible medirlas con un termómetro infrarrojo a nivel de cada módulo a lo largo del barril.
3. Gire lentamente los tornillos (es decir, 50 rpm máximo).
   NOTA: El desgaste abrasivo prematuro de los elementos del tornillo y las paredes internas del barril puede ocurrir si los tornillos giran demasiado rápido mientras la máquina está vacía.
4. Alimente suavemente la extrusora de doble tornillo con agua (caudal de 5 kg/h).
5. Espere alrededor de 30 s hasta que el agua salga al final del barril.
6. Luego, comience a introducir las alas de lino oleaginoso en el módulo 1 a una tasa de flujo de 3 kg / h, y espere (durante aproximadamente 1 minuto) a que el sólido comience a salir de la extrusora.
7. Aumentar gradualmente (al menos en tres pasos sucesivos) la velocidad de los tornillos, luego el caudal de agua y finalmente el caudal de aletas hasta alcanzar los puntos de ajuste deseados: 150 rpm, 15 kg/h y 15 kg/h, respectivamente (Tabla 1).
   NOTA: Estos puntos de set fueron determinados en estudios previos y resultado de la optimización del proceso^25,26,27.
8. Espere a la estabilización de la máquina siguiendo la evolución de la corriente eléctrica consumida por el motor a lo largo del tiempo (variación de la corriente eléctrica no más del 5% desde el valor promedio de 125 A).
   Nota: El tiempo de estabilización es generalmente en el rango de 10 a 15 min.
9. Sólo para la configuración (paso 3.1.2), comience a introducir la torta de linaza plastificada a 0,50 kg/h una vez que la máquina se haya estabilizado en amperaje después de las aletas y el agua además de los valores establecidos deseados. A continuación, aumentar el caudal de la torta de linaza plastificada en al menos tres pasos sucesivos hasta el punto de ajuste deseado (de 1,50 kg/h a 3,75 kg/h, que corresponde a valores entre el 10% y el 25% en masa en relación con las aezo) (Tabla 1).
10. Una vez que la corriente eléctrica consumida por el motor extrusor de doble tornillo sea perfectamente estable, asegúrese de que el perfil de temperatura medido a lo largo del barril se ajuste a los valores establecidos por el operador y, a continuación, comience a muestrear las araneas extruidas para la configuración (paso 3.1.1) o la premezcla para la configuración (paso 3.1.2) en la salida.
    NOTA: Para no obstruir la unidad, la corriente extraída por el motor debe permanecer siempre por debajo de su valor límite (es decir, 400 A para la extrusora de doble tornillo a escala piloto utilizada en este estudio). Por lo tanto, debe comprobarse que no se alcanza este valor límite durante toda la fase de aumento del flujo, así como durante el muestreo. Durante la producción, si el sistema de refrigeración de la máquina no es capaz de mantener la temperatura de al menos un módulo en su valor establecido, esto puede ser la consecuencia de un perfil de tornillo inadecuado (es decir, elementos de tornillo demasiado restrictivos en esta ubicación), lo que causa un autocalentamiento local del material tratado. Entonces es necesario asegurarse, por ejemplo, por medio de un análisis termogravimétrico (TGA) del sólido que se está procesando, de que esta temperatura no cause ninguna degradación de la fibra.
11. Durante todo el proceso de muestreo, asegúrese de que la alimentación de la máquina esté libre de problemas comprobando regularmente la entrada efectiva de sólidos y agua en el barril de la máquina.
    NOTA: Un amperaje estable de la corriente extraída por el motor de la extrusora de doble tornillo durante todo el tiempo de muestreo es una confirmación de una alimentación estable de la máquina.
12. Al final de la producción, apague las dos unidades de dosificación sólidas y la bomba de pistón.
13. Vacíe la máquina mientras reduce gradualmente la velocidad de rotación de los tornillos a 50 rpm.
14. Cuando no salga nada del extremo del cañón, limpie el interior del cañón de la extrusora de doble tornillo con mucha agua, introducida en gran exceso desde el módulo 1, mientras que los tornillos siguen girando a 50 rpm. Añadir agua hasta que los residuos sólidos desaparezcan por completo a la salida del barril. Luego, detenga la rotación de los tornillos y apague el control de calefacción de la máquina.

5. Seque y acondicione los extrudados resultantes (es decir, alas refinadas por extrusión o premezcla)

1. Cuando los extruidos no se van a moldear en tableros de fibra inmediatamente después del proceso de extrusión de doble tornillo, séquelos con una corriente de aire caliente a una humedad entre el 8% y el 12% antes de su acondicionamiento. Para ello, utilizar un horno ventilado simple o, en el caso de grandes cantidades de extrusión a secar, un secador de banda continua.
   NOTA: Con dicha humedad, los extruidos se pueden acondicionar sin el riesgo de crecimiento de hongos o moho con el tiempo. El embalaje debe llevarse a cabo en bolsas de plástico perfectamente selladas, que deben almacenarse en un lugar seco.
2. Seque las extrusiones con flujo de aire caliente a una humedad entre el 3% y el 4% cuando el moldeo de la placa de fibra tenga lugar inmediatamente después del proceso de extrusión de doble tornillo.
   NOTA: Estudios anteriores mostraron que un contenido de humedad del 3% al 4% del sólido a prensar en caliente es ideal para limitar los fenómenos de desgasificación al final del moldeo. Cuando se produce y no está controlado, la desgasificación puede generar defectos (por ejemplo, ampollas o grietas) en el interior del tablero de fibra, y estos defectos tienen un impacto negativo en su resistencia mecánica^26,27,31,32. Cuando el prensado en caliente se lleva a cabo después de que los extruidos se hayan almacenado en bolsas de plástico herméticas con un contenido de humedad del 8% al 12%, deben secarse más, es decir, hasta un 3%-4%, antes del moldeo.

6. Moldear los tableros de fibra por prensado en caliente

NOTA: Las condiciones de funcionamiento para el prensado en caliente se han elegido sobre la base de estudios anteriores^26,27,31,32.

1. Precalentar el molde. Luego, coloque el material sólido que se presionará en caliente dentro del molde. Por último, precalentar este material sólido durante 3 min antes de aplicar la presión.
   NOTA: Para todos los tableros de fibra producidos, la proporción de aletas en la mezcla a moldear representa una masa de 100 g cuando el molde utilizado es de forma cuadrada y con lados de 15 cm.
2. Aplicar una presión de 30 MPa con las alas crudas, y 10 MPa, 20 MPa o 30 MPa con las extruidas (Tabla 2).
3. Ajuste la temperatura del molde a 200 °C.
   NOTA: Debido a que la temperatura influye en gran medida en la calidad (especialmente las propiedades de flexión) de las placas obtenidas^{9,26,27, 28,31,32,}es importante comprobar la temperatura del molde con un termómetro infrarrojo tanto en sus partes masculinas como femeninas.
4. Establezca el tiempo de moldeo en 150 s.
5. Fabricar diferentes tableros de fibra con diferentes contenidos de torta de linaza plastificada (de 0% a 25%) utilizando las fibras refinadas por extrusión obtenidas mediante extrusión de doble tornillo mediante configuración (paso 3.1.1) o una de las tres premezclas obtenidas mediante configuración (paso 3.1.2)(Tabla 1 y Tabla 2).
6. Como referencias, también fabricar dos tableros de fibra adicionales basados en el OFS en bruto, uno sin la adición de aglutinante exógeno (tablero número 11) y el otro con la adición de 25% (p/p) de torta de linaza plastificada (tablero número 12) (Tabla 2).
   NOTA: Para estas dos placas, las condiciones de moldeo son las mismas, es decir, 200 °C para la temperatura del molde, 150 s para el tiempo de moldeo y 30 MPa para la presión aplicada.

7. Acondicionar y caracterizar los tableros de fibra

1. Una vez producidos los tableros de fibra, colócalos en una cámara climática al 60% de humedad relativa y 25 ºC hasta que se consiga un peso constante.
   NOTA: Los tableros de fibra se acondicionarán y estabilizarán en términos de humedad.
2. Una vez equilibrado, corte los tableros de fibra en muestras de prueba.
   NOTA: La herramienta más adecuada para cortar tableros de fibra es una sierra de banda vertical.
3. A partir de las muestras de ensayo, se procede a la caracterización de los tableros de fibra mediante ensayos estandarizados para las propiedades de flexión (norma ISO 16978:2003), dureza superficial Shore D (norma ISO 868:2003), resistencia a la unión interna (norma ISO 16260:2016) y sensibilidad al agua después de la inmersión en agua durante 24 h (norma ISO 16983:2003).
4. Compare las propiedades medidas para los tableros de fibra con las recomendaciones de la norma francesa dedicada a las especificaciones para tableros de partículas (NF EN 312) para determinar sus posibles usos.

Resultados

Durante el refinado de fibras de alas de lino oleaginoso mediante configuración (paso 3.1.1), se añadió agua deliberadamente en una relación líquido/sólido igual a 1,0. De acuerdo con trabajos anteriores^25,26,27,tal relación líquido/sólido preserva mejor la longitud de las fibras refinadas en la salida del extrusor de doble tornillo que las relaciones más bajas, lo que simultáneamente contribuye a un aumento en su rel...

Discusión

El protocolo descrito aquí describe cómo procesar la extrusión-refinación de fibras lignocelulósicas antes de utilizarlas como refuerzo mecánico en tableros renovables. Aquí, el extrusor de doble tornillo utilizado es una máquina de escala piloto. Con tornillos de 53 mm de diámetro (D), está equipado con ocho módulos, cada uno de 4D de longitud, a excepción del módulo 1 que tiene un 8D longitud, correspondiente a una longitud total de 36D (es decir, 1.908 mm) para el cañón. Su longitud es lo suficientement...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Analogue durometer	Bareiss	HP Shore	Device used for determining the Shore D surface hardness of fiberboards
Ash furnace	Nabetherm	Controller B 180	Furnace used for the mineral content determinations
Belt dryer	Clextral	Evolum 600	Belt dryer used for the continuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder
Cold extraction unit	FOSS	FT 121 Fibertec	Cold extractor used for determining the fiber content inside solid materials
Densitometer	MA.TEC	Densi-Tap IG/4	Device used for determining apparent and tapped densities of extrudates once dried
Double-helix mixer	Electra	MH 400	Mixer used for preparing the solid mixture made of the raw shives and the plasticized linseed cake for producing board number 12
Fiber morphology analyzer	Techpap	MorFi Compact	Analyzer used for determining the morphological characteristics of extrusion-refined shives
Gravimetric belt feeder	Coperion K-Tron	SWB-300-N	Feeder used for the quantification of the oleaginous flax shives
Gravimetric screw feeder	Coperion K-Tron	K-ML-KT20	Feeder used for the quantification of the plasticized linseed cake
Hammer mill	Electra	BC P	Crusher used for the grinding of granules made of plasticized linseed cake
Heated hydraulic press	Pinette Emidecau Industries	PEI 400-t	Hydraulic press used for molding the fiberboards through hot pressing
Hot extraction unit	FOSS	FT 122 Fibertec	Hot extractor used for determining the water-soluble and fiber contents inside solid materials
Image analysis software	National Institutes of Health	ImageJ	Software used for determining the morphological characteristics of raw shives
Oleaginous flax straw	Ovalie Innovation	N/A	Raw material supplied for the experimental work
Piston pump	Clextral DKM	Super MD-PP-63	Pump used for the water quantification and injection
Scanner	Toshiba	e-Studio 257	Scanner used for taking an image of raw shives in gray level
Side feeder	Clextral	E36	Feeder used to force the introduction of the plasticized linseed cake inside the barrel (at the level of module 5) for configuration (b)
Thermogravimetric analyzer	Shimadzu	TGA-50	Analyzer used for conducting the thermogravimetric analysis of the solids being processed
Twin-screw extruder	Clextral	Evolum HT 53	Co-rotating and co-penetrating pilot scale twin-screw extruder having a 36D total length (D is the screw diameter, i.e., 53 mm)
Universal oven	Memmert	UN30	Oven used for the moisture content determinations
Universal testing machine	Instron	33R4204	Testing machine used for determining the bending properties of fiberboards
Ventilated oven	France Etuves	XL2520	Oven used for the discontinuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder
Vibrating sieve shaker	RITEC	RITEC 600	Sieve shaker used for the sieving of the plasticized linseed cake
Vibrating sieve shaker	RITEC	RITEC 1800	Sieve shaker used for removing short bast fibers entrapped inside the oleaginous flax shives