JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Разработан универсальный двухшнековый процесс экструзии для обеспечения эффективной термомеханохимической предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы, что приводит к увеличению среднего соотношения сторон волокна. Натуральное связующее также может быть добавлено непрерывно после рафинирования волокна, что приводит к био-основе ДВП с улучшенными механическими свойствами после горячего прессования полученного экструдированного материала.

Аннотация

Был разработан универсальный двухшнековый процесс экструзии для обеспечения эффективной термомеханохимической предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы перед ее использованием в качестве источника механического армирования в полностью био-двизоволокнистых плитах. Различные лигноцеллюлозные побочные продукты сельскохозяйственных культур уже были успешно предварительно обработаны с помощью этого процесса, например, соломинки зерновых (особенно рис), солома кориандра, шивы из олеагинной льняной соломы и кора стеблей амарантов и подсолнечника.

Процесс экструзии приводит к заметному увеличению среднего соотношения сторон волокна, что приводит к улучшению механических свойств древесноволокнистых плит. Двухшнековый экструдер также может быть оснащен фильтрационным модулем на конце ствола. Непрерывная экстракция различных химических веществ (например, свободных сахаров, гемицеллюлоз, летучих веществ из фракций эфирных масел и т. д.) из лигноцеллюлозного субстрата и рафинирование волокна могут, следовательно, выполняться одновременно.

Экструдер также может быть использован для его смешивающей способности: натуральное связующее (например, лигнины Organosolv, жмых на основе белка, крахмал и т. Д.) Может быть добавлено к очищенным волокнам на конце шнекового профиля. Полученный премикс готов к формованию путем горячего прессования, при этом натуральное связующее способствует сплочению ДВП. Такой комбинированный процесс в одном проходе экструдера улучшает время производства, себестоимость продукции и может привести к уменьшению размера производства завода. Поскольку все операции выполняются в один этап, морфология волокна лучше сохраняется благодаря сокращению времени пребывания материала внутри экструдера, что приводит к улучшению характеристик материала. Такая одноступенчатая экструзионный процесс может быть источником ценной интенсификации промышленного процесса.

По сравнению с коммерческими материалами на основе древесины, эти полностью био-основанные ДВП не выделяют никакого формальдегида, и они могут найти различные применения, например, промежуточные контейнеры, мебель, бытовые полы, стеллажи, общее строительство и т. Д.

Введение

Экструзия - это процесс, во время которого протекающий материал проталкивается через горячую матрицу. Таким образом, экструзия позволяет формировать предварительно нагретые продукты под давлением. Первый промышленный одношнековый экструдер появился в 1873 году. Он использовался для изготовления металлических непрерывных кабелей. С 1930 года одношнековая экструзия была адаптирована к пищевой промышленности для производства колбас и прошлого. И наоборот, первый двухшнековый экструдер впервые был использован для разработок в пищевой промышленности. Он не появлялся в области синтетических полимеров до 1940-х годов. Для этого были спроектированы новые машины, а также смоделировала ихэксплуатация1. Была разработана система с совместно проникающими и совместно вращающимися винтами, позволяющая одновременно осуществлять смешивание и экструзию. С тех пор технология экструзии непрерывно развивалась благодаря разработке новых типов винтов. Сегодня пищевая промышленность широко использует двухшнековую экструзию, хотя она дороже, чем одношнековая экструзия, поскольку двухшнековая экструзия позволяет получить доступ к более сложной обработке материалов и конечным продуктам. Он особенно используется для экструзии и приготовления крахмалистых продуктов, а также для текстурирования белков и производства кормов для домашних животных и рыб.

Совсем недавно область применения двухшнековой экструзии расширилась до термомеханохимического фракционирования растительного вещества2,3. Эта новая концепция привела к разработке реальных реакторов, способных трансформировать или фракционировать вещества установки за один этап, вплоть до раздельного производства экстракта и рафината путем разделения жидкости и твердого вещества2,3,4. Работы, проведенные в Лаборатории агропромышленной химии (БАК), выявили многочисленные возможности двухшнековой технологии фракционирования и валоризации агроресурсов2,3. Некоторые из примеров: 1) Механическое прессование и/или «зеленая» экстракция растворителем растительного масла5,6,7,8,9,10. 2) Экстракция гемицеллюлоз11,12,пектинов13,белков14,15и полифенольных экстрактов16. 3) Ферментативная деградация клеточных стенок растений для получения биоэтанола второго поколения17. 4) Производство биокомпозитных материалов с белковымиматрицами 18 или полисахаридом19. 5) Производство термопластичных материалов путем смешивания зерновых культур и полиэфиров на биологическойоснове 20,21. 6) Производство биокомпозитов путем компаундирования термопластичная полимерная, на биологической основе или нет, и растительных наполнителей22,23. 7) Дефибрация лигноцеллюлозных материалов для производства бумажноймассы 13,24,а также древесноволокнистых плит25,26,27,28,29,30,31,32.

Двухшнековый экструдер часто рассматривается как непрерывный термомеханохимический реактор (TMC). Ведь он сочетает в одном шаге химические, термические, а также механические воздействия. Химический приводит к возможности впрыскивания жидких реагентов в различные точки вдоль ствола. Тепловой возможен за счет терморегуляции ствола. Наконец, механический зависит от выбора винтовых элементов вдоль винтового профиля.

Для дефибрации лигноцеллюлозных материалов для производства древесноволокнистых плит на самых последних работах использовались рисовая солома25,28,кориандра26,29,льняная льняная шивы27, а также подсолнечник30,32 и амарант31 кора. Нынешний интерес к лигноцеллюлозным биомассам для такого применения (т.е. механического армирования) объясняется регулярным истощением лесных ресурсов, используемых для производства древесных материалов. Растительные остатки недороги и могут быть широко доступны. Кроме того, современные частицы древесины смешиваются с нефтехимическими смолами, которые могут быть токсичными. Часто на долю некоторых смол приходится более 30% от общей стоимости текущих коммерческих материалов33,некоторые смолы способствуют выбросам формальдегида и снижают качество воздуха в помещениях34. Исследовательский интерес сместился в сторону использования натуральных связующих.

Лигноцеллюлозная биомасса в основном состоит из целлюлозы и гемицеллюлозы, образуя гетерогенный комплекс. Гемицеллюлозы пропитаны слоями лигнидов, которые образуют трехмерную сеть вокруг этих комплексов. Использование лигноцеллюлозной биомассы для производства древесноволокнистых плит, как правило, требует предварительной обработки дефибрации. Для этого необходимо расбить лигнины, защищающие целлюлозу и гемицеллюлозу. Механические, термические и химические35 или даже ферментативные36,37,38 предварительные обработки должны применяться. Эти этапы также увеличивают самоадгезию волокон, что может способствовать производству безсвязывающих плит27, даже если чаще всего добавляется экзогенное связующее.

Основной целью предварительной обработки является улучшение профиля размера частиц микрометрических волокон. Простое шлифование дает возможность уменьшить размер волокнана 27,39,40. Недорого, он способствует увеличению волокна удельной поверхности. Компоненты внутренней клеточной стенки становятся более доступными и улучшаются механические свойства полученных панелей. Эффективность дефибрации значительно повышается при получении термомеханической пульпы, например, путем сбраживания плюс дефибрация41,из различных процессовварки целлюлозы 42 или путем парового взрыва43,44,45,46,47. Совсем недавно LCA разработала оригинальную предварительную обработку лигноцеллюлозных волокон с использованием двухшнековой экструзии25,26,27,28,29,30,31,32. После дефибрации TMC экструдер также обеспечивает однородную диспергацию натурального связующего внутри волокон. Полученный премикс готов к горячему прессованию в ДВП.

Во время дефибрации рисовой соломы двухшнековую экструзию сравнивали с процессом пищеварения плюс дефибрации25. Метод экструзии показал значительно сниженную стоимость, т.е. в девять раз ниже, чем у пульпирования. Кроме того, уменьшается количество добавленной воды (максимальное соотношение жидкость/твердое вещество на 1,0 вместо 4,0 мин при варке целлюлозы), а также наблюдается явное увеличение среднего соотношения сторон рафинированных волокон (21,2-22,6 вместо 16,3-17,9). Эти волокна представляют собой значительно улучшенную способность механического укрепления. Это было продемонстрировано для древесноволокнистых плит на основе рисовой соломы, в которых в качестве связующего использовался чистый неразрушенный лигнин (например, биолигнин) (до 50 МПа для прочности на изгиб и 24% для набухания толщины после 24-часового погружения вводу)28.

Интерес TMC к двухшнековом экструдеру также был подтвержден кориандром26. Соотношение сторон рафинированных волокон варьируется от 22,9 до 26,5 вместо 4,5 для просто измельченных волокон. 100% древесноволокнистые плиты на основе кориандра получали путем добавления к очищенным экструзией соломинкам жмыха из семян в качестве белкового связующего (40% по массе). Их прочность на изгиб (до 29 МПа) и особенно устойчивость к воде (до 24% толщины набухания) были значительно улучшены по сравнению с панелями, изготовленными из просто измельченной соломы. Кроме того, эти панели не выделяют формальдегида и, как следствие, они более экологичны и полезны для здоровья человека, чем ДВП средней плотности (МДФ) и ДСП29, классически встречающиеся на рынке.

Аналогичным образом, были успешно изготовлены панели на основе амарантов31 и подсолнечника32,сочетающие экструзионно-рафинированные волокна из коры в качестве армирования и семенной жмых в качестве белкового связующего. Они показали прочность на изгиб 35 МПа и 36 МПа соответственно. Однако их водонепроницаемость оказалась ниже: 71% и 87% соответственно для толщины набухания. Самосклеивающиеся панели на основе экструзионно-рафинированных шивов из олеагинной льняной соломы также могут быть получены27. В данном случае именно лигниозная фракция, высвобождаемая при двухвинтовой дефибрации ТМС, способствует самосклеивающейся. Однако полученные ДВП показывают более низкую механическую прочность (всего 12 МПа на изгиб) и очень высокую толщину набухания (127%).

Все экструдированные панели на основе волокна, представленные выше, могут найти промышленное применение и, следовательно, являются устойчивыми альтернативами современным коммерческим материалам на основе древесины. Согласно требованиям Международной организации по стандартизации (ISO)48,49,50,их конкретное применение будет зависеть от их механических и чувствительных к воде характеристик.

В данной работе подробно описана процедура экструзии и рафинирования лигноцеллюлозных волокон перед их использованием в качестве механического армирования в возобновляемых плитах. Напомним, что этот процесс уменьшает количество воды, добавляемой по сравнению с традиционными методами варки целлюлозы, а такжепотребляет меньше энергии 25. Та же двухшнековая машина также может быть использована для добавления натурального связующего в волокна.

Более конкретно представлен подробный план проведения двухшнековой экструзии-рафинирования шивов из соломы олеагинного льна(Linum usitatissimum L.). Солома, использованная в этом исследовании, была получена коммерчески. Это было из сорта Эверест, а растения были выращенные в юго-западной части Франции в 2018 году. В том же проходе экструдера пластифицированный льняной жмых (используемый в качестве экзогенного связующего) также может быть добавлен в середину ствола, а затем тесно смешан с рафинированными шипами вдоль второй половины винтового профиля. Однородная смесь, имеющая форму пушистого материала, собирается на выходе из машины. Одноступенчатая операция TMC проводится с помощью пилотной масштабной машины. Наша цель состоит в том, чтобы предоставить операторам подробную процедуру для правильного проведения экструзии-рафинирования шивов, а затем добавления торта. После этой операции полученный премикс готов к последующему изготовлению 100% масляных плит на основе льна с использованием горячего прессования.

протокол

1. Подготовьте сырье

  1. Используют олеагинные льняные шивы, которые являются результатом предварительного этапа механического извлечения лубяных волокон из соломы в экстракционном устройстве51«всего волокна». Используйте вибрационное сито для удаления коротких текстильных волокон, которые они все еще могут содержать.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку удаление этих коротких текстильных волокон может быть затруднено, не стесняйтесь повторять эту операцию просеивания столько раз, сколько необходимо. Здесь цель состоит в том, чтобы улучшить поток олеагинных льняных шипов в бункере весовой подачи, и, следовательно, облегчить их дозирование перед введением их в двухшнековый экструдер.
  2. Используют пластифицированный льняной пирог, полученный путем деструктурирования/пластифицирования белков в соответствии с методологией, описанной Rouilly et al.18.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Таким образом, белки показывают лучшие термопластичные и адгезивные способности.
  3. Измельчите агрогранулаты пластифицированного льняного жмыха с помощью молотковой мельницы, оснащенной сеткой 1 мм, а затем просейте полученный измельченный материал, чтобы сохранить только частицы размером менее 500 мкм.

2. Проверьте правильное функционирование питателей постоянного веса и поршневого насоса

  1. Для скоростей потока, с которыми оператор работает во время производства, выбранных во избежание засорения машины (15 кг/ ч для масляных льняных шивов (OFS) и от 1,50 кг / ч до 3,75 кг / ч для пластифицированного льняного жмыха), проверьте соответствие между заданным значением, введенным в два корма с постоянным весом, и скоростями твердого потока, реально распределенными этими дозируемыми устройствами.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Фактический расход твердого вещества определяется экспериментально путем взвешивания массы твердого вещества, распределенной кормушкой с постоянным весом в течение известного периода времени (5 мин). Если имеется значительное отклонение между заданным значением и фактическим измеряемым расходом, это может свидетельствовать о неисправности весового питателя. Чтобы предотвратить это, весь дозируя блок должен быть тщательно очищен, с особым акцентом на область, где расположено весовой прибор. На самом деле причиной такого рода неисправностей очень часто является плохая очистка устройства, так как следы ранее использованных твердых веществ можно обнаружить в мельчайших углах дозирования агрегата. Если проблема сохраняется, необходимо будет проверить правильность измерения самого баланса и при необходимости перекалибровать его.
  2. Откалибруйте поршневой насос, чтобы установить связь между электрической мощностью двигателя и фактическим расходом воды, распределяемым насосом.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для каждой испытанной электрической мощности фактический расход воды определяется экспериментально путем взвешивания массы воды, распределяемой поршневым насосом в течение известного периода времени (5 мин). Пять различных электрических мощностей тестируются для рисования калибровочной кривой. Самая высокая испытаемая электрическая мощность выбирается таким образом, чтобы она обеспечивает более высокий расход воды, чем тот, который выбран во время производства.
  3. После того, как калибровка насоса была проведена, проверьте расход воды, с которой оператор работает во время производства (15 кг/ч, чтобы избежать засорения машины при сохранении длины экструзионно-рафинированных волокон) соответствие между заданным значением, заданным поршневым насосом для мощности двигателя, и фактически распределенным расходом воды.

3. Подготовьте двухшнековый экструдер

  1. Правильно расположите двухшнековые модули экструдера (типы AB1-GG-8D, FER и ABF), соединив их один за другим (с помощью двух полузажимов) в правильном порядке в соответствии с используемой конфигурацией машины:
    1. Настройте конфигурацию, для которой происходит только дефибрация волокна(рисунок 1A).
    2. В качестве альтернативы, установите конфигурацию, которая завершается добавлением натурального связующего(рисунок 1B).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для обеих конфигураций первый модуль используется для введения олеагинных льняных шивов. Это модуль типа AB1-GG-8D, который имеет 8D длина, D, соответствующая диаметру винта (т.е. 53 мм). Большое верхнее отверстие этого модуля в первую очередь предназначено для облегчения введения шивов. Модули от 2 до 8 контролируются температурой. Они представляют собой закрытые модули (тип FER), за исключением модуля 5 в случае конфигурации (этап 3.1.2), который относится к типу ABF (т.е. модуль, оснащенный боковым отверстием для обеспечения соединения бокового питателя, используемого для принудительного введения пластифицированного льняного жмыха внутрь основного ствола). Боковой питатель состоит из двух совместно вращающихся и совместно проникающих архимедовых винтов постоянного шага и сопряженного профиля.
  2. Расположите впускную трубу воды сбоку в конце модуля 2, чтобы подключить поршневой насос к машине.
  3. Отложите в сторону винтовые элементы(рисунок 2),которые понадобятся для настройки винтового профиля, либо тот, который используется для конфигурирования (шаг 3.1.1), либо тот, который используется для конфигурирования (шаг 3.1.2)(рисунок 3).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что это правильные винтовые элементы, тщательно проверив их тип (T2F, C2F, C1F, CF1C, BB или INO0), длину, шаг (для элементов транспортировочного и обратного винтов) и их ошеломляющий угол (для блоков смешивания BB).
  4. Настройте профиль винта(рисунок 3),вставив винтовые элементы вдоль двух шлицевых валов, от первой пары до последней.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Винтовые профили, используемые для двух протестированных конфигураций, различны и оба являются результатом предварительной оптимизации25,26,27.
  5. При сборке винтового профиля убедитесь, что резьба винтовых элементов, только что вставленных на шлицевые валы, всегда идеально выровнена с ранее собранными элементами.
  6. После того, как весь винтовой профиль собран, прикрутите вручную точки винта на конце двух валов, полностью закройте ствол машины, а затем затяните две точки винта до крутящего момента затяжки, рекомендованного производителем (30 даН м для двухшнекового экструдера, используемого в этом исследовании) с помощью динамометрового ключа.
  7. Когда ствол машины частично открыт, т.е. с валами, втянутыми в ствол на расстояние примерно 1D, поворачивать винты на низкой скорости (максимум 25 об/мин), чтобы убедиться, что весь профиль винта правильно установлен.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В случае неправильной установки винтовых элементов (например, перекоса для одного из них) неизбежно будет наблюдаться ускоренный износ винтовых элементов. При испытании вращения обоих валов при почти полностью открытом стволе машины это приводит к тому, что валы соприкасались друг с другом в точке неправильно расположенного винтового элемента.
  8. Полностью закройте ствол машины так, чтобы оба ствола были полностью захвачены внутри ствола.
  9. Как только ствол будет закрыт, прижмите его к машине с помощью полузажимов и убедитесь с помощью тестера уровня, что ствол идеально горизонтальный.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если ствол двухшнекового экструдера не является идеально горизонтальным, это может привести к преждевременному износу в результате истирания винтовых элементов и/или внутренних стенок ствола.
  10. Расположите периферийные устройства (весовые питатели для двух вводимых твердых веществ и поршневой насос для впрыскиваемой воды) в требуемых местах вдоль ствола: над модулем 1 для питателя, используемого для масличных льняных шипов, над бункером бокового питателя (сам соединен с боков к модулю 5) для модуля, используемого для пластифицированного льняного жмыха (только в случае конфигурации (этап 3.1.2)) , а в конце модуля 2 для впрыска воды.

4. Проводите двухшнековую экструзионную обработку в соответствии с конфигурацией (этап 3.1.1) или конфигурацией (этап 3.1.2)

  1. Из наблюдения за машиной введите заданные температуры каждого из модулей и запустите температурный контроль ствола: для конфигурации (этап 3.1.1), 25 °C для модуля подачи (модуль 1) и 110 °C для следующих; для конфигурации (этап 3.1.2), 25 °C для модуля 1, 110 °C для зоны очистки (модули 2-4) и 80 °C для предварительного смешения (модули 5-8).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Регулирование температуры ствола осуществляется отдельно от одного модуля к другому путем (i) нагрева двумя резистивными полузажимами, закрепленными вокруг каждого модуля, и (ii) охлаждения путем циркуляции холодной воды внутри модуля. 25 °C является привилегированной для модуля подачи. Для эффективного рафинирования волокон предпочтительна температура 110 °C. Температура 80 °C достаточна для операции предварительного смешения. Поскольку зоны рафинирования и предварительного смешения расположены вдоль нескольких модулей, всем модулям в одной зоне назначается одинаковая установленная температура.
  2. Дождитесь стабильности измеренных температур и убедитесь, что эти температуры равны заданным точкам.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Измеренные температуры указаны на панели управления машины. Чтобы обеспечить второй контроль этих температур, также можно измерить их инфракрасным термометром на уровне каждого модуля вдоль ствола.
  3. Медленно поворачивайте винты (т.е. 50 об/мин макс.).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Преждевременный абразивный износ винтовых элементов и внутренних стенок ствола может произойти, если винты вращаются слишком быстро, пока машина пуста.
  4. Осторожно покормите двухшнековый экструдер водой (расход 5 кг/ч).
  5. Подождите около 30 с, пока вода не выйдет в конце бочки.
  6. Затем начните вводить олеагинные льняные шипы в модуль 1 со скоростью потока 3 кг / ч и подождите (около 1 мин), пока твердое вещество начнет выходить из экструдера.
  7. Постепенно увеличивайте (по крайней мере, в три последовательных шага) скорость вращения винтов, затем расход воды и, наконец, скорость потока шивов до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые заданные точки: 150 об/мин, 15 кг/ч и 15 кг/ч соответственно(таблица 1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эти заданные точки были определены в предыдущих исследованиях и являются результатом оптимизации процесса25,26,27.
  8. Дождитесь стабилизации машины, следя за эволюцией электрического тока, потребляемого двигателем с течением времени (отклонение электрического тока не более 5% от среднего значения 125 А).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Время стабилизации обычно находится в диапазоне от 10 до 15 минут.
  9. Только для конфигурации (этап 3.1.2) начинают вводить пластифицированный льняной жмых со скоростью 0,50 кг/ч после того, как машина стабилизируется в точек точек после шипов и добавления воды к желаемым заданным значениям. Затем увеличивают расход пластифицированного льняного жмыха по меньшей мере в три последовательных этапа до желаемого заданного значения (с 1,50 кг/ч до 3,75 кг/ч, что соответствует значениям от 10% до 25% по массе по отношению к шивам)(таблица 1).
  10. Как только электрический ток, потребляемый двухшнековым двигателем экструдера, будет идеально стабильным, убедитесь, что температурный профиль, измеренный вдоль ствола, соответствует заданным оператором значениям, а затем начните отбор проб экструдированных шипов для конфигурации (этап 3.1.1) или премикса для конфигурации (шаг 3.1.2) на выходе.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы не засорять устройство, ток, потребляемый двигателем, всегда должен оставаться ниже его предельного значения (т.е. 400 А для двухшнекового экструдера пилотной шкалы, используемого в настоящем исследовании). Поэтому следует проверить, что это предельное значение не достигается в течение всего этапа наращивания потока, а также во время отбора проб. Во время производства, если система охлаждения машины не в состоянии поддерживать температуру по меньшей мере одного модуля на его заданном значении, это может быть следствием неподходящего винтового профиля (т.е. слишком ограничительного винтового элемента в этом месте), что вызывает локальный самонагрев обрабатываемого материала. Затем необходимо убедиться, например, с помощью термогравиметрического анализа (TGA) обрабатываемого твердого вещества, что эта температура не вызывает деградации волокна.
  11. В течение всего процесса отбора проб убедитесь, что подача в машину бесперебойна, регулярно проверяя эффективное поступление твердых веществ и воды в ствол машины.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Стабильная точек тока, потребляемая двигателем двухшнекового экструдера в течение всего времени отбора проб, является подтверждением стабильной подачи машины.
  12. В конце производства отключите два твердых дозирования и поршневой насос.
  13. Опорожняем машину, постепенно снижая скорость вращения винтов до 50 об/мин.
  14. Когда из конца ствола ничего не выйдет, очистите внутреннюю часть ствола двухшнекового экструдера большим количеством воды, введенной в большом избытке из модуля 1, в то время как винты все еще вращаются со скоростью 50 оборотов в минуту. Добавляйте воду до тех пор, пока твердые остатки полностью не исчезнут на выходе из бочки. Затем остановите вращение винтов и отключите управление нагревом машины.

5. Высушите и кондиционирует полученные экструдаты (т.е. экструзионно-рафинированные шивы или премикс)

  1. Когда экструдаты не должны быть отлиты в ДВП сразу после процесса двухшнековой экструзии, высушите их потоком горячего воздуха до влажности от 8% до 12% перед их кондиционированием. Для этого используйте простую вентилируемую печь или, в случае большого количества экструдата, подлежащего сушке, непрерывную ленточную сушилку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При такой влажности экструдаты могут быть кондиционированы без риска грибка или плесени с течением времени. Упаковка должна осуществляться в идеально запечатанные полиэтиленовые пакеты, которые следует хранить в сухом месте.
  2. Высушите экструдаты потоком горячего воздуха до влажности от 3% до 4%, когда формование ДВП происходит сразу после процесса двухшнековой экструзии.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Предыдущие исследования показали, что содержание влаги от 3% до 4% твердого вещества, которое должно быть горячего прессования, идеально подходит для ограничения явлений дегазирования в конце формования. Когда это происходит и не контролируется, дегазирование может генерировать дефекты (например, волдыри или трещины) внутри ДВП, и эти дефекты оказывают негативное влияние на ее механическое сопротивление26,27,31,32. Когда горячее прессование осуществляется после того, как экструдаты были сохранены в герметичных полиэтиленовых пакетах при влажности от 8% до 12%, их следует высушить дополнительно, т.е. до 3%-4%, перед формованием.

6. Формование ДВП путем горячего прессования

ПРИМЕЧАНИЕ: Условия эксплуатации для горячего прессования были выбраны на основе предыдущих исследований26,27,31,32.

  1. Предварительно нагреть форму. Затем поместите твердый материал для горячего прессования внутри формы. Наконец, предварительно нагрейте этот твердый материал в течение 3 минут, прежде чем применять давление.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для всех производимых древесноволокнистых плит доля шивов в формованной смеси представляет собой массу 100 г, когда используемая форма имеет квадратную форму и с 15 см сторонами.
  2. Применяют давление 30 МПа с сырыми шивами и 10 МПа, 20 МПа или 30 МПа с экструдированных(таблица 2).
  3. Установите температуру пресс-формы на 200 °C.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку температура сильно влияет на качество (особенно на изгибающие свойства) получаемыхплит 9,26, 27,28,31,32,важно проверить температуру пресс-формы с помощью инфракрасного термометра как намужской,так и на женской частях.
  4. Установите время формования на 150 с.
  5. Производство различных древесноволокнистых плит с различным содержанием пластифицированного льняного жмыха (от 0% до 25%) с использованием экструзионно-рафинированных волокон, полученных путем двухшнековой экструзии через конфигурацию (этап 3.1.1) или одного из трех премиксов, полученных путем конфигурации (этап 3.1.2)(таблица 1 и таблица 2).
  6. В качестве ссылок также производят два дополнительных ДВП на основе сырого OFS, один без добавления экзогенного связующего (плита No 11), а другой с добавлением 25% (мас./мас.) пластифицированного льняного жмыха (плита No 12)(таблица 2).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для этих двух плит условия формования одинаковы, т.е. 200 °C для температуры пресс-формы, 150 с для времени формования и 30 МПа для приложенного давления.

7. Состояние и характеристика древесноволокнистых плит

  1. После того, как ДВП были изготовлены, поместите их в климатическую камеру при относительной влажности 60% и 25 °C до достижения постоянного веса.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Затем ДВП будут кондиционированы и стабилизированы с точки зрения влажности.
  2. После уравновешить, разрезать ДВП на тестовые образцы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Наиболее подходящим инструментом для резки ДВП является вертикальная лентовидная пила.
  3. Из тестовых образцов переходите к характеристике древесноволокнистых плит с использованием стандартизированных испытаний на изгибающие свойства (стандарт ISO 16978:2003), твердость поверхности Shore D (стандарт ISO 868:2003), прочность внутреннего сцепления (стандарт ISO 16260:2016) и чувствительность к воде после погружения в воду в течение 24 ч (стандарт ISO 16983:2003).
  4. Сравните свойства, измеренные для ДВП, с рекомендациями французского стандарта, посвященного спецификациям для ДСП (NF EN 312), чтобы определить их возможное использование.

Результаты

Во время рафинирования волокон льняных шивов с использованием конфигурации (этап 3.1.1) воду намеренно добавляли в соотношении жидкость/твердое вещество, равное 1,0. Согласно предыдущим работам25,26,27,такое соотношение жидкость/твердое вещ...

Обсуждение

Протокол, описанный здесь, описывает, как обрабатывать экструзионно-рафинирование лигноцеллюлозных волокон перед их использованием в качестве механического армирования в возобновляемых плитах. Здесь используется двухшнековый экструдер, который представляет собой пилотную масштаб?...

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

никакой

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Analogue durometerBareissHP ShoreDevice used for determining the Shore D surface hardness of fiberboards
Ash furnaceNabethermController B 180Furnace used for the mineral content determinations
Belt dryerClextralEvolum 600Belt dryer used for the continuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder
Cold extraction unitFOSSFT 121 FibertecCold extractor used for determining the fiber content inside solid materials
DensitometerMA.TECDensi-Tap IG/4Device used for determining apparent and tapped densities of extrudates once dried
Double-helix mixerElectraMH 400Mixer used for preparing the solid mixture made of the raw shives and the plasticized linseed cake for producing board number 12
Fiber morphology analyzerTechpapMorFi CompactAnalyzer used for determining the morphological characteristics of extrusion-refined shives
Gravimetric belt feederCoperion K-TronSWB-300-NFeeder used for the quantification of the oleaginous flax shives
Gravimetric screw feederCoperion K-TronK-ML-KT20Feeder used for the quantification of the plasticized linseed cake
Hammer millElectraBC PCrusher used for the grinding of granules made of plasticized linseed cake
Heated hydraulic pressPinette Emidecau IndustriesPEI 400-tHydraulic press used for molding the fiberboards through hot pressing
Hot extraction unitFOSSFT 122 FibertecHot extractor used for determining the water-soluble and fiber contents inside solid materials
Image analysis softwareNational Institutes of HealthImageJSoftware used for determining the morphological characteristics of raw shives
Oleaginous flax strawOvalie InnovationN/ARaw material supplied for the experimental work
Piston pumpClextral DKMSuper MD-PP-63Pump used for the water quantification and injection
ScannerToshibae-Studio 257Scanner used for taking an image of raw shives in gray level
Side feederClextralE36Feeder used to force the introduction of the plasticized linseed cake inside the barrel (at the level of module 5) for configuration (b)
Thermogravimetric analyzerShimadzuTGA-50Analyzer used for conducting the thermogravimetric analysis of the solids being processed
Twin-screw extruderClextralEvolum HT 53Co-rotating and co-penetrating pilot scale twin-screw extruder having a 36D total length (D is the screw diameter, i.e., 53 mm)
Universal ovenMemmertUN30Oven used for the moisture content determinations
Universal testing machineInstron33R4204Testing machine used for determining the bending properties of fiberboards
Ventilated ovenFrance EtuvesXL2520Oven used for the discontinuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder
Vibrating sieve shakerRITECRITEC 600Sieve shaker used for the sieving of the plasticized linseed cake
Vibrating sieve shakerRITECRITEC 1800Sieve shaker used for removing short bast fibers entrapped inside the oleaginous flax shives

Ссылки

  1. Martelli, F. G. . Twin-screw extruders: a basic understanding. , (1983).
  2. Evon, P., Vandenbossche, V., Candy, L., Pontalier, P. Y., Rouilly, A. Twin-screw extrusion: a key technology for the biorefinery. Biomass extrusion and reaction technologies: principles to practices and future potential. American Chemical Society, ACS Symposium Series. 1304 (2), 25-44 (2018).
  3. Vandenbossche, V., Candy, L., Evon, P. h., Rouilly, A., Pontalier, P. Y. Extrusion. Green Food Processing Techniques: Preservation, Transformation and Extraction. 10, 289-314 (2019).
  4. Bouvier, J. M., Campanella, O. H. The Generic Extrusion Process IV: Thermomechanical pretreatment and Solid-Liquid Separation. Extrusion Processing Technology: Food and Non-Food Biomaterials. , 351-392 (2014).
  5. Evon, P., Vandenbossche, V., Pontalier, P. Y., Rigal, L. Direct extraction of oil from sunflower seeds by twin-screw extruder according to an aqueous extraction process: feasibility study and influence of operating conditions. Industrial Crops and Products. 26 (3), 351-359 (2007).
  6. Evon, P., Vandenbossche, V., Pontalier, P. Y., Rigal, L. Aqueous extraction of residual oil from sunflower press cake using a twin-screw extruder: feasibility study. Industrial Crops and Products. 29 (2-3), 455-465 (2009).
  7. Evon, P., Amalia Kartika, I., Cerny, M., Rigal, L. Extraction of oil from jatropha seeds using a twin-screw extruder: Feasibility study. Industrial Crops and Products. 47, 33-42 (2013).
  8. Uitterhaegen, E., et al. Extraction of coriander oil using twin-screw extrusion: Feasibility study and potential press cake applications. Journal of the American Oil Chemists' Society. 92 (8), 1219-1233 (2015).
  9. Evon, P., et al. The thermo-mechano-chemical twin-screw reactor, a new perspective for the biorefinery of sunflower whole plant: aqueous extraction of oil and other biopolymers, and production of biodegradable fiberboards from solid raffinate. Oilseeds & fats, Crops and Lipids. 23 (5), 505 (2016).
  10. Uitterhaegen, E., Evon, P. Twin-screw extrusion technology for vegetable oil extraction: a review. Journal of Food Engineering. 212, 190-200 (2017).
  11. N'Diaye, S., Rigal, L. Factors influencing the alkaline extraction of poplar hemicelluloses in a twin-screw reactor: correlation with specific mechanical energy and residence time distribution of the liquid phase. Bioresource Technology. 75 (1), 13-18 (2000).
  12. Prat, L., Guiraud, P., Rigal, L., Gourdon, C. A one dimensional model for the prediction of extraction yields in a two phases modified twin-screw extruder. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 41 (9), 743-751 (2002).
  13. Maréchal, V., Rigal, L. Characterization of by-products of sunflower culture: commercial applications for stalks and heads. Industrial Crops and Products. 10 (3), 185-200 (1999).
  14. Colas, D., Doumeng, C., Pontalier, P. Y., Rigal, L. Twin-screw extrusion technology, an original solution for the extraction of proteins from alfalfa (Medicago sativa). Food and Bioproducts Processing. 91 (2), 175-182 (2013).
  15. Colas, D., Doumeng, C., Pontalier, P. Y., Rigal, L. Green crop fractionation by twin-screw extrusion: Influence of the screw profile on alfalfa (Medicago sativa) dehydration and protein extraction. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 72, 1-9 (2013).
  16. Celhay, C., Mathieu, C., Candy, L., Vilarem, G., Rigal, L. Aqueous extraction of polyphenols and antiradicals from wood by-products by a twin-screw extractor: Feasibility study. Comptes Rendus Chimie. 17 (3), 204-211 (2014).
  17. Vandenbossche, V., et al. Suitability assessment of a continuous process combining thermo-mechano-chemical and bio-catalytic action in a single pilot-scale twin-screw extruder for six different biomass sources. Bioresource Technology. 211, 146-153 (2016).
  18. Rouilly, A., Orliac, O., Silvestre, F., Rigal, L. New natural injection-moldable composite material from sunflower oil cake. Bioresource Technology. 97 (4), 553-561 (2006).
  19. Peyrat, E., Rigal, L., Pluquet, V., Gaset, A. Vegetable material from cereal plants and process for making the same. European Patent. , (2000).
  20. Chabrat, &. #. 2. 0. 1. ;., Abdillahi, H., Rouilly, A., Rigal, L. Influence of citric acid and water on thermoplastic wheat flour/poly(lactic acid) blends. I: Thermal, mechanical and morphological properties. Industrial Crops and Products. 37 (1), 238-246 (2012).
  21. Abdillahi, H., Chabrat, &. #. 2. 0. 1. ;., Rouilly, A., Rigal, L. Influence of citric acid on thermoplastic wheat flour/poly(lactic acid) blends. II. Barrier properties and water vapor sorption isotherms. Industrial Crops and Products. 50, 104-111 (2013).
  22. Gamon, G., Evon, P. h., Rigal, L. Twin-screw extrusion impact on natural fibre morphology and material properties in poly(lactic acid) based biocomposites. Industrial Crops and Products. 46, 173-185 (2013).
  23. Uitterhaegen, E., et al. Performance, durability and recycling of thermoplastic biocomposites reinforced with coriander straw. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 113, 254-263 (2018).
  24. Manolas, C., Gaset, A., Jamet, J. P., Rigal, L., N'Diaye, S. Process for depithing pith containing plants, in particular sorghum. European Patent. , (1995).
  25. Theng, D., et al. Comparison between two different pretreatment technologies of rice straw fibers prior to fiberboard manufacturing: twin-screw extrusion and digestion plus defibration. Industrial Crops and Products. 107, 184-197 (2017).
  26. Uitterhaegen, E., et al. Impact of a thermomechanical fiber pre-treatment using twin-screw extrusion on the production and properties of renewable binderless coriander fiberboards. International Journal of Molecular Sciences. 18, 1539 (2017).
  27. Evon, P. h., et al. Production of fiberboards from shives collected after continuous fibre mechanical extraction from oleaginous flax. Journal of Natural Fibers. , (2018).
  28. Theng, D., et al. Production of fiberboards from rice straw thermo-mechanical extrudates using thermopressing: influence of fiber morphology, water addition and lignin content. European Journal of Wood and Wood Products. 77 (1), 15-32 (2019).
  29. Simon, V., et al. VOC and carbonyl compound emissions of a fiberboard resulting from a coriander biorefinery: comparison with two commercial wood-based building materials. Environmental Science and Pollution Research. 27, 16121-16133 (2020).
  30. Verdier, T., et al. Using glycerol esters to prevent microbial growth on sunflower-based insulation panels. Construction Materials. , (2020).
  31. Evon, P. h., et al. Low-density insulation blocks and hardboards from amaranth (Amaranthus cruentes) stems, a new perspective for building applications. 3rd Euromaghreb Conference: Sustainability and Bio-based Materials on the road of Bioeconomy. , (2020).
  32. Labonne, L., Samalens, F., Evon, P. h. Sunflower fiberboards: influence of molding conditions on bending properties and water uptake. 5th International Conference on Structural Analysis of Advanced Materials. , (2021).
  33. Van Dam, J. E. G., Van den Oever, M. J. A., Keijsers, E. R. P. Production process for high density high performance binderless boards from whole coconut husk. Industrial Crops and Products. 20 (1), 97-101 (2004).
  34. Salthammer, T., Mentese, S., Marutzky, R. Formaldehyde in the indoor environment. Chemical Reviews. 110 (4), 2536-2572 (2010).
  35. Zhang, D., Zhang, A., Xue, L. A review of preparation of binderless fiberboards and its self-bonding mechanism. Wood Science and Technology. 49, 661-679 (2015).
  36. Felby, C., Pedersen, L. S., Nielsen, B. R. Enhanced auto adhesion of wood fibers using phenol oxidases. Holzforschung. 51, 281-286 (1997).
  37. Felby, C., Hassingboe, J., Lund, M. Pilot-scale production of fiberboards made by laccase oxidized wood fibers: board properties and evidence for cross-linking of lignin. Enzyme and Microbial Technology. 31 (6), 736-741 (2002).
  38. Felby, C., Thygesen, L. G., Sanadi, A., Barsberg, S. Native lignin for bonding of fiber boards: evaluation of bonding mechanisms in boards made from laccase-treated fibers of beech (Fagus sylvatica). Industrial Crops and Products. 20 (2), 181-189 (2004).
  39. Okuda, N., Sato, M. Manufacture and mechanical properties of binderless boards from kenaf core. Journal of Wood Science. 50, 53-61 (2004).
  40. Velásquez, J. A., Ferrando, F., Salvadó, J. Binderless fiberboard from steam exploded miscanthus sinensis: The effect of a grinding process. Holz als Roh- und Werkstoff. 60, 297-302 (2002).
  41. Theng, D., et al. All-lignocellulosic fiberboard from corn biomass and cellulose nanofibers. Industrial Crops and Products. 76, 166-173 (2015).
  42. Migneault, S., et al. Medium-density fiberboard produced using pulp and paper sludge from different pulping processes. Wood and Fiber Science. 42 (3), 292-303 (2010).
  43. Velásquez, J. A., Ferrando, F., Farriol, X., Salvadó, J. Binderless fiberboard from steam exploded miscanthus sinensis. Wood Science and Technology. 37 (3), 269-278 (2003).
  44. Xu, J., Widyorini, R., Yamauchi, H., Kawai, S. Development of binderless fiberboard from kenaf core. Journal of Wood Science. 52 (3), 236-243 (2006).
  45. Quintana, G., Velásquez, J., Betancourt, S., Gañán, P. Binderless fiberboard from steam exploded banana bunch. Industrial Crops and Products. 29 (1), 60-66 (2009).
  46. Mancera, C., El Mansouri, N. E., Vilaseca, F., Ferrando, F., Salvado, J. The effect of lignin as a natural adhesive on the physico-mechanical properties of Vitis vinifera fiberboards. BioResources. 6 (3), 2851-2860 (2011).
  47. Mancera, C., El Mansouri, N. E., Pelach, M. A., Francesc, F., Salvadó, J. Feasibility of incorporating treated lignins in fiberboards made from agricultural waste. Waste Management. 32 (10), 1962-1967 (2012).
  48. ISO. ISO 16895-1:2008, Wood-based panels - Dry-process fibreboard - Part 1: Classifications. International Organization for Standardization. , (2008).
  49. ISO. ISO 16895-2:2010, Wood-based panels - Dry process fibreboard - Part 2: Requirements. International Organization for Standardization. , (2010).
  50. ISO. ISO 16893-2:2010, Wood-based panels - Particleboard - Part 2: Requirements. International Organization for Standardization. , (2010).
  51. Ouagne, P., Barthod-Malat, B., Evon, P. h., Labonne, L., Placet, V. Fibre extraction from oleaginous flax for technical textile applications: influence of pre-processing parameters on fibre extraction yield, size distribution and mechanical properties. Procedia Engineering. 200, 213-220 (2017).
  52. ISO. ISO 5983-1:2005, Animal Feeding Stuffs - Determination of nitrogen content and calculation of crude protein content - Part 1: Kjeldahl method. International Organization for Standardization. , (2005).
  53. AFNOR. NF EN 312 (2010-11), Particleboards - Specifications. Association Française de Normalisation. , (2010).
  54. ISO. ISO 665:2000, Oilseeds - Determination of moisture and volatile matter content. International Organization for Standardization. , (2000).
  55. ISO. ISO 749:1977, Oilseed residues - Determination of total ash. International Organization for Standardization. , (1977).
  56. Van Soest, P. J., Wine, R. H. Use of detergents in the analysis of fibrous feeds. IV. Determination of plant cell wall constituents. Journal of AOAC International. 50 (1), 50-55 (1967).
  57. Van Soest, P. J., Wine, R. H. Determination of lignin and cellulose in acid detergent fiber with permanganate. Journal of AOAC International. 51 (4), 780-785 (1968).
  58. ISO. ISO 16978:2003, Wood-based panels - Determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength. International Organization for Standardization. , (2003).
  59. ISO. ISO 868:2003, Plastics and ebonite - Determination of indentation hardness by means of a durometer (Shore hardness). International Organization for Standardization. , (2003).
  60. ISO. ISO 16260:2016, Paper and board - Determination of internal bond strength. International Organization for Standardization. , (2016).
  61. ISO. ISO 16983:2003, Wood-based panels - Determination of swelling in thickness after immersion in water. International Organization for Standardization. , (2003).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

167

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены