Name: twin-screw extrusion process to produce renewable fiberboards
Uploaded: 2021-01-27T15:00:00
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1. 原材料の準備
<ol><li>油性亜麻シブを使用して、これは「全繊維」抽出装置51内のストローからバスト繊維の機械的抽出の予備段階の結果である。振動ふるいを使用して、まだ含まれている可能性のある短い繊維繊維を取り除く。 注:これらの短繊維繊維の除去は困難な場合がありますので、必要に応じて何度もこのふるいの操作を繰り返すことを躊躇しないでください?...

ここで概説するプロトコルは、リガンセルロース繊維を再生可能なボードで機械的補強として使用する前に、リグノセルロース系繊維の押出精製を処理する方法を説明しています。ここで、使用する二軸押出機はパイロットスケール機です。直径53mmのネジ(D)を備え、8Dを持つモジュール1を除き、8つのモジュール、各4Dの長さが装備されていますバレルの36D全長(すなわち、1,908 mm)に対応する?...

押し出しは、流れる材料が熱いダイを通して強制されるプロセスです。押出は、従って、圧力下で予熱されたプロダクトの形成を可能にする。最初の産業単ねじ押出機は1873年に登場しました。金属連続ケーブルの製造に使用されました。1930年以降、単ねじ押出はソーセージや過去を生産するために食品業界に適応しました。逆に、最初の二軸押出機は、食品業界の発展のために最初に使用されています。それは1940年代まで合成ポリマーの分野では現れなかった。このため、新しい機械が設計され、その動作も1.共貫通および共回転ねじを備えたシステムが開発され、混合と押出を同時に行うことができる。それ以来、押し出し技術は、新しいタイプのネジの設計を通じて継続的に開発されています。今日、食品業界は、二ねじ押出よりも高価ですが、二ねじ押出はより精巧な材料処理および最終製品へのアクセスを可能にするので、単一ねじ押出しよりも高価ですが、広範に使用されています。特にでんぷん質製品の押出調理だけでなく、タンパク質のテクスチャリングやペットフードや魚の飼料の製造にも使用されます。
最近では、二軸押出は、植物物質2、3のサーモメカノ化学分画に応用の分野を拡大している。この新しい概念は、単一ステップで植物の問題を変換または分画することができる実際の原子炉の開発に至った、 液体/固体分離2、3、4によって抽出物とラフィネートの別々の生産まで。農産化学研究所(LCA)で行われた研究は、農資源2、3の分画と評価のための二ねじ技術の複数の可能性を強調している。例のいくつかは次のとおりです:1)植物油5、6、7、8、9、10の機械的なプレスおよび/または「グリーン」溶媒抽出。2)ヘミセルロース11、12、ペクチン13、タンパク質14、15、およびポリフェノール抽出物16の抽出。3)第二世代バイオエタノール17を製造するための植物細胞壁の酵素分解。4)タンパク質18または多糖類19マトリックスを有するバイオコンポジット材料の製造。5)穀物、及びバイオベースのポリエステル20、21を混合することにより、熱可塑性材料の製造。6)熱可塑性ポリマーを配合することによりバイオコンポジットの製造、バイオベースかどうか、および植物充填剤22,23。7)紙パルプ13、24、および繊維板25、26、27、28、29、30、31、32を製造するためのリグノセルロース系材料の除細化。
二ねじ押出機は、しばしば連続的な熱メカノ化学(TMC)反応器として考えられる。確かに、それは単一ステップの化学、熱、および、また、機械的作用で結合する。化学物質1は、バレルに沿って様々な点で液体試薬を注入する可能性をもたらす。熱1はバレルの熱調節のために可能である。最後に、機械的なものは、スクリュープロファイルに沿ったネジ要素の選択に依存します。
繊維板を製造するリグノセルロース系材料の除細化のために、最新の作品は、稲わら25、28、コリアンダーストロー26、29、油性亜麻シブ27だけでなく、ヒマワリ30、32およびアマランス31樹皮を使用しています。このような用途に対するリグノセルロース系バイオマスの現在の関心(すなわち、機械的補強)は、木材系材料の生産に使用される森林資源の定期的な枯渇によって説明される。作物残渣は安価であり、広く入手可能であり得る。また、現在の木質粒子は有毒であり得る石油化学樹脂と混合される。多くの場合、現在の商業材料33の総コストの30%以上を占め、いくつかの樹脂はホルムアルデヒドの排出に寄与し、室内の空気質を34に削減する。研究の関心は、天然バインダーの使用にシフトしています。.
リグノセルロース系バイオマスは、主にセルロースとヘミセルロースで構成され、異種複合体を形成する。ヘミセルロースは、これらの複合体の周りに三次元ネットワークを形成するリグニンの層を含浸させる。繊維板の製造のためのリグノセルロース系バイオマスの使用は、一般的に、事前処理の欠乏を必要とする。このためには、セルロースとヘミセルロースを保護するリグニンを分解する必要があります。機械的、熱的、および化学的35、あるいは酵素36、37、38の前処理を適用する必要があります。これらのステップはまた、繊維の自己接着性を増加させ、外因性バインダーが最も頻繁に添加された場合でもバインダーレスボード27の生産を促進することができる。
前処理の主な目的は、マイクロメトリック繊維の粒径プロファイルを改善することです。簡単な研削は繊維サイズ27、39、40を減らす可能性を提供する。安価で、繊維比面の増加に寄与する。内部細胞壁の成分がよりアクセスしやすくなり、得られたパネルの機械的特性が改善される。例えば、消化と除細分化41によって、異なるパルププロセス42または蒸気爆発43、44、45、46、47によって、熱機械パルプが製造されるときに、除細化の効率が著しく高められる。最近では、LCAは、二軸押出25、26、27、28、29、30、31、32を使用してリグノセルロース繊維の独自の前処理を開発しました。TMC除細後、押出機は繊維内部の天然結合剤の均質な分散も可能にする。得られたプレミックスは、ファイバーボードに熱く押し込まれる準備ができています。
稲わらの除細取の間、二軸押出は消化プラス除留プロセス25と比較した。押出方法により、大幅に低減されたコスト、すなわち、パルプ化法よりも9倍低い方法が明らかになった。さらに、添加水量が減少し(パルプ法では4.0分ではなく1.0最大液体/固形比)、精製繊維の平均アスペクト比(16.3-17.9ではなく21.2-22.6)の明確な増加も観察されます。これらの繊維は高度に改良された機械強化機能を提供する。これは、稲わベースの繊維板について実証された、純粋な非劣化リグニン(例えば、ビオリグニン)をバインダーとして使用した(曲げ強度は最大50 MPa、水に24時間浸漬した後の厚さの膨潤に対して24%)。
二軸押出機におけるTMC除細の関心もコリアンダーストロー26で確認されている。精製繊維のアスペクト比は、単にアースファイバーの場合、わずか4.5ではなく22.9~26.5から変化します。100%コリアンダー系繊維板は、タンパク質バインダーとして種子からケーキを押出精製ストローに添加して得られた(質量は40%)。曲げ強度(最大29 MPa)、特に水に対する抵抗力(厚さ24%まで膨れ上がった)は、単に破砕されたストローから作られたパネルと比較して大幅に改善されました。さらに、これらのパネルはホルムアルデヒドを放出せず、その結果、市場で古典的に見られる中密度繊維板(MDF)およびチップボード29 よりも環境的および人間の健康に優しい。
同様に、完全にアマランス31 とヒマワリ32に基づくパネルは、皮からの押出精製繊維を強化として、種子ケーキをタンパク質バインダーとして組み合わせて、正常に製造された。それぞれ35MPaと36MPaの曲げ強度を示した。しかし、その耐水性は、厚さの膨れ上がりのためにそれぞれ71%と87%と低いことがわかった。油性亜麻ストローからの押出精製シベジに基づく自己接着パネルも27個得ることができる。この場合、自己結合に寄与するのは、二軸ねじTMC除細化中に放出されるリグネオス画分である。しかし、得られたハードボードは、機械的強度が低く(わずか12MPa曲げ強度)、非常に高い厚さの膨潤(127%)を示す。
上に示したすべての押出された繊維ベースのパネルは産業適用を見つけることができる、従って、現在の商業用木質材料に持続可能な代替である。国際標準化機構(ISO)要件48、49、50によると、その特定の用途は機械および水の感度特性に依存します。
本論文では、リグノセルロース系繊維を再生可能な基板で機械的補強として使用する前に押し出し、精製する手順を詳細に説明する。念のため、このプロセスは、従来のパルプ処理方法論と比較して添加される水の量を減少させ、また、エネルギー消費も少ない25.同じ二ねじ機械は繊維に自然な結合剤を加えるためにまた使用することができる。
具体的には、油性亜麻(リナムウシタチシムL.) からシベの二軸押し出し精製を行うための詳細な概要が提示される。本研究で使用したストローは商業的に得られた。エベレスト品種から、2018年にフランス南西部で栽培された植物。同じ押出機パスでは、可塑化された亜麻仁ケーキ(外因性バインダーとして使用される)もバレルの真ん中に加えることができ、スクリュープロファイルの後半に沿って精製されたシジルに密接に混合することができます。ふわふわした材料の形態を有する均質混合物は、機械出口で収集される。1ステップのTMC操作はパイロットスケールマシンを使用して行われます。私たちの目標は、オペレータが適切に震えの押し出し精製を行い、ケーキの追加を行うための詳細な手順を提供することです。この操作に続いて、得られたプレミックスは、ホットプレスを使用して100%油性亜麻系ハードボードの後で製造する準備ができています。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Analogue durometer</td>
			<td>Bareiss</td>
			<td>HP Shore</td>
			<td>Device used for determining the Shore D surface hardness of fiberboards</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ash furnace</td>
			<td>Nabetherm</td>
			<td>Controller B 180</td>
			<td>Furnace used for the mineral content determinations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Belt dryer</td>
			<td>Clextral</td>
			<td>Evolum 600</td>
			<td>Belt dryer used for the continuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cold extraction unit</td>
			<td>FOSS</td>
			<td>FT 121 Fibertec</td>
			<td>Cold extractor used for determining the fiber content inside solid materials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Densitometer</td>
			<td>MA.TEC</td>
			<td>Densi-Tap IG/4</td>
			<td>Device used for determining apparent and tapped densities of extrudates once dried</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Double-helix mixer</td>
			<td>Electra</td>
			<td>MH 400</td>
			<td>Mixer used for preparing the solid mixture made of the raw shives and the plasticized linseed cake for producing board number 12</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber morphology analyzer</td>
			<td>Techpap</td>
			<td>MorFi Compact</td>
			<td>Analyzer used for determining the morphological characteristics of extrusion-refined shives</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gravimetric belt feeder</td>
			<td>Coperion K-Tron</td>
			<td>SWB-300-N</td>
			<td>Feeder used for the quantification of the oleaginous flax shives</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gravimetric screw feeder</td>
			<td>Coperion K-Tron</td>
			<td>K-ML-KT20</td>
			<td>Feeder used for the quantification of the plasticized linseed cake</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hammer mill</td>
			<td>Electra</td>
			<td>BC P</td>
			<td>Crusher used for the grinding of granules made of plasticized linseed cake</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heated hydraulic press</td>
			<td>Pinette Emidecau Industries</td>
			<td>PEI 400-t</td>
			<td>Hydraulic press used for molding the fiberboards through hot pressing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot extraction unit</td>
			<td>FOSS</td>
			<td>FT 122 Fibertec</td>
			<td>Hot extractor used for determining the water-soluble and fiber contents inside solid materials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image analysis software</td>
			<td>National Institutes of Health</td>
			<td>ImageJ</td>
			<td>Software used for determining the morphological characteristics of raw shives</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oleaginous flax straw</td>
			<td>Ovalie Innovation</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Raw material supplied for the experimental work</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Piston pump</td>
			<td>Clextral DKM</td>
			<td>Super MD-PP-63</td>
			<td>Pump used for the water quantification and injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanner</td>
			<td>Toshiba</td>
			<td>e-Studio 257</td>
			<td>Scanner used for taking an image of raw shives in gray level</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Side feeder</td>
			<td>Clextral</td>
			<td>E36</td>
			<td>Feeder used to force the introduction of the plasticized linseed cake inside the barrel (at the level of module 5) for configuration (b)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermogravimetric analyzer</td>
			<td>Shimadzu</td>
			<td>TGA-50</td>
			<td>Analyzer used for conducting the thermogravimetric analysis of the solids being processed</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Twin-screw extruder</td>
			<td>Clextral</td>
			<td>Evolum HT 53</td>
			<td>Co-rotating and co-penetrating pilot scale twin-screw extruder having a 36D total length (D is the screw diameter, i.e., 53 mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal oven</td>
			<td>Memmert</td>
			<td>UN30</td>
			<td>Oven used for the moisture content determinations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Universal testing machine</td>
			<td>Instron</td>
			<td>33R4204</td>
			<td>Testing machine used for determining the bending properties of fiberboards</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ventilated oven</td>
			<td>France Etuves</td>
			<td>XL2520</td>
			<td>Oven used for the discontinuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vibrating sieve shaker</td>
			<td>RITEC</td>
			<td>RITEC 600</td>
			<td>Sieve shaker used for the sieving of the plasticized linseed cake</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vibrating sieve shaker</td>
			<td>RITEC</td>
			<td>RITEC 1800</td>
			<td>Sieve shaker used for removing short bast fibers entrapped inside the oleaginous flax shives</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

twin-screw extrusion process to produce renewable fiberboards

リグノセルロース系バイオマスに効率的なサーモメカノ化学前処理を提供する汎用的な二軸押出プロセスを、完全バイオベースのファイバーボードの機械的補強源として使用する前に開発されました。様々なリグノセルロース作物の副産物は、例えば、穀物ストロー(特に米)、コリアンダーストロー、油性亜麻ストローからのシブ、アマランスとヒマワリの両方の茎の樹皮など、このプロセスを通じて既に前処理に成功しています。
押出プロセスは、繊維の平均アスペクト比が著しい増加をもたらし、繊維板の機械的特性の向上につながります。二ねじ押出機はバレルの端にろ過モジュールと合わせることもできます。リグノセルロース基板からの種々の化学物質(例えば、遊離糖、ヘミセルロース、精油分画等からの揮発性物質)の連続抽出、及び繊維精製は、したがって、同時に行うことができる。
押出機は、その混合能力にも使用できます:天然バインダー(例えば、オルガノソバルリグニン、タンパク質ベースのオイルケーキ、デンプンなど)をスクリュープロファイルの最後に精製繊維に添加することができます。得られたプレミックスは、繊維板の凝集に寄与する天然結合剤を用いて、熱いプレスを介して成形される準備ができている。このような組み合わせプロセスを単一の押出機パスで、生産時間、生産コストを改善し、植物生産サイズの減少につながる可能性がある。すべての操作は一段階で行われるため、繊維形態は、押出機内の材料の滞留時間が短縮されたおかげで、より良く保存され、材料性能が向上します。このようなワンステップ押出操作は、貴重な工業プロセスの開始点に拡大され得る。
市販の木材系材料と比較して、これらの完全バイオベースのファイバーボードはホルムアルデヒドを放出せず、中間容器、家具、国内フローリング、棚、一般工事など、さまざまな用途を見つけることができます。

構成を用いた油性亜麻の繊維精製中(ステップ3.1.1)、水は意図的に1.0に等しい液体/固体比で添加された。以前の作品25、26、27によると、このような液体/固体比は、より低い比率よりも低い比率よりも、二ねじ押出機出口での精製繊維の長さを保存し、同時に平均アスペクト比の増加に寄与する。さらに、添加される水の量...

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Twin-Screw Extrusion Process to Produce Renewable Fiberboards

リグノセルロース系バイオマスに効率的なサーモメカノ化学前処理を提供する汎用的な二軸押出プロセスが開発され、平均繊維アスペクト比の向上につながります。天然バインダーは、繊維精錬後に連続的に添加することもできるので、得られた押出材料の熱圧式の後に機械的特性を向上させたバイオベースのファイバーボードに繋がることができます。

再生可能なファイバーボードを製造する二軸押出プロセス

A versatile twin-screw extrusion process to provide an efficient thermo-mechano-chemical pre-treatment on lignocellulosic biomass before using it as ...

この二軸押出技術は、ファイバーボード成形前にリグノセルロース系生物塊の前処理を継続的かつ効率的に行うために使用できます。均質な熱機械パルプは低コストで、水の量を減らして製造される。そして押出の多様性は単一のパスの自然な結合剤の付加を可能にする。結合された温度の水分含有量を使用することは、リグノセルロース繊維の二軸押し出しを成功させるための鍵です。だから、あなたは常に水の過剰から始める、その後、あなたは希望のテクスチャを得るまで量を減らす。プロセスは本当に敏感なので、私たちはすべての感覚に頼る必要があります。だから、ビデオは、近い将来に紙、匂いとタッチに視力と聴覚を追加します。この手順をデモンストレーションすると、私の研究室のエンジニアであるローラン・ラボンヌが行われます。ローランは、研究室の博士課程の学生であるサイフ・ウラ・カーンの支援を受けます。まず、ハーフクランプを使用して、繊維のデビブレーション専用の正しい構成で二軸押出機モジュールを接続します。モジュール2の端に水入口パイプを横に置いてピストンポンプを機械に接続し、ねじ要素のタイプ、長さ、ピッチ、および驚異的な角度を確認します。2 つのスプラインシャフトに沿ってネジ要素をペアで挿入し、挿入された各ねじ要素のスレッドが常に以前に組み立てられた要素と完全に一致するように注意します。ねじプロファイル全体を組み立てたら、2つのシャフトの端にあるネジポイントを手動でねじ込みます。機械のバレルを完全に閉じ、トルクレンチを使用して、メーカーが推奨する締め付けトルクに2つのネジポイントを締めます。機械のバレルを部分的に開き直し、シャフトが約1次元の距離にわたってバレルに引き込まれた状態で、ネジを1分あたり最大25回転で回して、スクリュープロファイル全体が正しく取り付けられていることを確認します。両方のシャフトが完全にバレルの内側に閉じ込められている場合は、マシンにバレルを固定するために半分のクランプを使用し、バレルが完全に水平であることを確認するためにレベルテスターを使用します。二ねじ押出処理の場合は、各モジュールの設定温度を入力し、バレルの温度制御を開始します。温度が安定したら、1分間に最大50回転でネジを回し、1時間あたり5キログラムの流量でゆっくりと二軸押出機に水を供給します。水がバレルの端から出てくるのを約30秒間待ってから、油性亜麻が1時間の流量3キログラムでモジュール1に震えます。固形が押出し機から出始めるまで約1分待ってから、少なくとも3つの成功ステップでネジ、水、震えの流量の速度を徐々に増加させ、所望の設定点に達するまで待ちます。時間の経過に伴うエンジンによって消費される電流が125 amp平均値から5%以下になるまで、機械が10〜15分間安定するようにします。天然バインダーの添加のために、機械が安定したら、1時間あたり0.5キログラムの速度で可塑化された亜麻仁ケーキの導入を開始します。次に、目的の設定点まで、少なくとも3つの連続したステップで流量を増加させる。二軸押出機モーターで消費される電流が完全に安定したら、バレルに沿って測定された温度プロファイルがオペレータによって与えられた設定値に準拠していることを確認し、出口で押し出された震えのサンプリングを開始します。生産終了時に、2つの固体ドージングユニットとピストンポンプをオフにし、徐々にネジの回転速度を1分あたり50回転に減らしながら機械を空にします。バレル端から追加のサンプリングが出ない場合は、固体残基がバレルの出口で完全に消えるまで、ネジがまだ回転している間、水を使用してツインスクリュー押出機のバレルの内側をきれいにします。次に、ねじの回転を停止し、機械の加熱制御をオフにします。二軸押出処理の直後に、押出しが乾燥したら3%~4%の湿度に熱風で押出しを乾燥させ、予熱金型に材料を配置し、材料を予熱します。3分後、材料に適切な圧力を加え、すでに設定されている摂氏200度で150秒間材料を成形します。プレスが開いたら、パネルをデボルドし、その結束を確認します。押出精製前処理に続いて、押出精製繊維の化学組成を決定することができる。押出精製前処理中の液抽出物生成がない場合、生のシジと押出されたものとの間に化学組成に有意な差は認められなかった。外観の面では、押出精製繊維はふわふわした材料形態を有し、押出過程、特に高いせん断速度が適用されることを示し、亜麻のシブ構造の改変に寄与する。これは、生のシブで得られた値と比較して、押し出された震えの低い見かけおよびタップされた密度によって確認される。繊維の形態学的解析はまた、繊維形態解析装置を用いて、そのアスペクト比の非常に有意な増加としてこの観察を確認する。押出された繊維のみから作られた板は、外部バインダーとして可塑化された亜麻仁ケーキを添加することなく、3つの凝集体だけでなく、とりわけ生シブの熱圧によって得られたボードに比べて著しく改善された使用特性を有する。全体的に、押出精製繊維に可塑化された亜麻仁ケーキを添加すると、得られた繊維板の曲げ特性が増加する。実際、このバインダーの25%を添加すると、得られたボードは、わずか3.6ではなく10.6メガパスカルの曲げ強度を有する。プロセスの強化のために、繊維の精製および結合剤の付加は単一のパスで行うことができる。このプロセスは、すべてのタイプの原材料に適応します。

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