Name: 双螺丝挤压工艺，以生产可再生纤维板 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-01-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 21 s
Description: 了解双螺杆挤压工艺用于木质纤维素生物质的热机械化学预处理，以提高纤维长径比并连续添加天然粘合剂，从而改善生物基纤维板的机械性能。该方法成本低、用水少，支持可持续材料开发。

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作者谨此向资助本研究的法国奥克西塔尼大区（通过欧洲区域发展基金，GEOFIBNET 项目，资助编号 MP0013559）表示诚挚的感谢。

1. 准备原材料
<ol>
	<li>使用油性亚麻麻屑，其为从秸秆中机械提取韧皮纤维的初步阶段所产生的副产物 &#34;全光纤&#34; 提取装置51使用振动筛去除可能仍含有的短纤维。 
	注意：由于这些短纤维可能难以去除，可根据需要重复筛分操作多次。此处的目的是改善油用亚麻麻屑在称重进料器料斗中的流动性，从而在其进入双螺杆挤出机之前更便于定量给料。</li>
	<li>使用通过Rouilly等人所述方法对蛋白质进行解构/塑化处理而获得的塑化亚麻籽饼18. 
	注意：通过该方法，蛋白质表现出更佳的热塑性和粘附性能。</li>
	<li>使用装有1 mm筛网的锤式研磨机研磨塑化亚麻籽饼的颗粒，然后将所得研磨物料过筛，仅保留粒径小于500 µm的颗粒。</li>
</ol>
2. 检查恒重喂料器和活塞泵的正常运行
<ol>
	<li>在生产过程中，操作人员所采用的流速需避免设备堵塞（对于油性亚麻麻屑（OFS）为15 kg/h，对于塑化亚麻籽饼为1.50 kg/h至3.75 kg/h），应检查两个恒重进料器设定值与这些计量装置实际分配的固体流速之间的一致性。 
	注意：实际固体流速通过实验测定，即在已知时间段（5分钟）内称量恒重进料器所分配固体的质量来确定。如果设定值与实际测量流速之间存在显著偏差，则可能表明称重进料器出现故障。为防止此类情况，应彻底清洁整个计量单元，特别注意称重装置所在区域。事实上，此类故障的常见原因是设备清洁不充分，因为在计量单元的微小角落中可能残留之前使用的固体物质。如果问题仍然存在，则需检查天平本身的正确校准情况，并在必要时重新校准。</li>
	<li>校准活塞泵，以建立电机电功率与泵实际分配的水流速之间的关系。 
	注意：对于每个测试的电功率，通过在已知时间段（5分钟）内称量活塞泵所分配水的质量，实验测定实际水流速。测试五种不同的电功率以绘制校准曲线。所测试的最高电功率应确保其提供的水流速高于生产过程中所选用的水流速。</li>
	<li>完成泵的校准后，应验证操作人员在生产过程中所用水流速（15 kg/h，以避免设备堵塞并保持挤出精炼纤维的长度）下，活塞泵设定的电机功率值与实际分配的水流速之间的一致性。</li>
</ol>
3. 准备双螺杆挤出机
<ol>
	<li>按照所用设备的配置，依次正确安装双螺杆挤出机模块（AB1-GG-8D、FER 和 ABF 类型），通过两个半夹箍将各模块逐一连接：
	<ol>
		<li>设置仅进行纤维解纤的配置（图1A）。</li>
		<li>或者，设置额外添加天然粘结剂的完整配置（图1B）。 
		注：对于两种配置，第一个模块均用于引入油性亚麻麻屑。该模块为 AB1-GG-8D 型，长度为 8D，其中 D 对应螺杆直径（即 53 mm）。该模块较大的上部开口主要用于方便麻屑的进料。模块 2 至 8 具有温度控制功能，均为封闭式模块（FER 型），但在配置（步骤 3.1.2）中，模块 5 为 ABF 型（即配备侧向开口的模块，用于连接侧向喂料器，以强制将塑化亚麻籽粕送入主筒体）。侧向喂料器由两根同向旋转且相互啮合的阿基米德螺杆组成，螺距恒定，轮廓共轭。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将进水管置于模块 2 末端的侧面，用于连接柱塞泵与设备。</li>
	<li>预先准备好将用于构建螺杆构型的螺杆元件（图2），根据所用配置（步骤 3.1.1）或配置（步骤 3.1.2）选择相应的螺杆元件（图3）。 
	注：请仔细核对螺杆元件的类型（T2F、C2F、C1F、CF1C、BB 或 INO0）、长度、螺距（针对输送和反向螺杆元件）以及错列角度（针对 BB 混合块），以确保选用正确的元件。</li>
	<li>通过将螺杆元件依次安装到两根花键轴上，从第一对开始至最后一对，完成螺杆构型的组装（图3）。 
	注：本研究中测试的两种配置所采用的螺杆构型不同，且均经过前期优化25,26,27。</li>
	<li>在组装螺杆构型时，务必确保刚安装到花键轴上的螺杆元件螺纹与先前已安装的元件完全对齐。</li>
	<li>当整个螺杆构型组装完成后，手动将螺杆端头拧紧在两根轴的末端，完全闭合设备筒体，然后使用扭矩扳手将两个螺杆端头拧紧至制造商推荐的紧固扭矩（本研究使用的双螺杆挤出机为 30 daN·m）。</li>
	<li>在筒体部分打开的状态下（即轴向筒体内缩约 1D 距离），以低速（最大 25 rpm）转动螺杆，以确认整个螺杆构型安装正确。 
	注：若螺杆元件安装不当（例如其中某一元件未对齐），将不可避免地观察到螺杆元件加速磨损。当筒体几乎完全打开时测试两根轴的旋转，若存在元件位置错误，会导致两根轴在该错位元件处发生接触。</li>
	<li>完全闭合设备筒体，使两根轴完全封闭在筒体内。</li>
	<li>筒体闭合后，使用半夹箍将其固定在设备上，并借助水平仪确保筒体完全水平。 
	注：若双螺杆挤出机筒体未完全水平，可能导致螺杆元件和/或筒体内壁因摩擦而提前磨损。</li>
	<li>将外围设备（用于引入两种固体物料的失重式喂料器，以及用于注水的柱塞泵）安装至筒体上相应位置：油性亚麻麻屑喂料器位于模块 1 上方；塑化亚麻籽粕喂料器位于侧向喂料器的料斗上方（该侧向喂料器本身侧向连接至模块 5，仅适用于配置（步骤 3.1.2））；注水口位于模块 2 末端。</li>
</ol>
4. 根据配置（步骤 3.1.1）或配置（步骤 3.1.2）进行双螺杆挤出处理
<ol>
	<li>在设备监控界面中，输入各模块的设定温度，并启动筒体的温度控制：对于配置（步骤 3.1.1），进料模块（模块 1）设定为 25 °C，其余模块设定为 110 °C；对于配置（步骤 3.1.2），模块 1 设定为 25 °C，精炼区（模块 2 至 4）设定为 110 °C，预混区（模块 5 至 8）设定为 80 °C。 
	注：筒体的温度控制通过以下方式逐个模块独立实现：(i) 使用固定在每个模块周围的两个电阻式半夹套进行加热；(ii) 通过在模块内部循环冷水进行冷却。进料模块优先采用 25 °C。为实现纤维的有效精炼，推荐使用 110 °C 的温度。预混操作采用 80 °C 的温度已足够。由于精炼区和预混区均分布在多个模块上，同一区域内的所有模块均设定相同的温度。</li>
	<li>等待实测温度达到稳定，并确认实测温度与设定值一致。 
	注：实测温度可在设备控制面板上读取。为对温度进行二次校验，也可使用红外测温仪在筒体各模块位置进行测量。</li>
	<li>缓慢启动螺杆（即最高 50 rpm）。 
	注：若设备空载时螺杆转速过快，可能导致螺杆元件和筒体内壁发生过早的磨粒磨损。</li>
	<li>以 5 kg/h 的流速向双螺杆挤出机中缓慢加入水。</li>
	<li>等待约 30 秒，直至水从筒体末端排出。</li>
	<li>随后，在模块 1 以 3 kg/h 的流速开始加入油性亚麻麻屑，并等待（约 1 分钟）直至固体物料开始从挤出机排出。</li>
	<li>逐步（至少分三个连续阶段）提高螺杆转速，然后提高水的流速，最后提高麻屑的流速，直至达到目标设定值：分别为 150 rpm、15 kg/h 和 15 kg/h（表 1）。 
	注：这些设定值基于前期研究确定，是工艺优化的结果25,26,27。</li>
	<li>通过监测电机随时间变化的电流消耗情况，等待设备达到稳定状态（电流波动不超过 125 A 平均值的 5%）。 
	注：通常稳定时间在 10 至 15 分钟之间。</li>
	<li>仅针对配置（步骤 3.1.2），在麻屑和水加入至目标设定值后，待设备电流稳定，开始以 0.50 kg/h 的流速向设备中加入塑化后的亚麻籽粕。随后，至少分三个连续阶段逐步提高塑化亚麻籽粕的流速，直至达到目标设定值（从 1.50 kg/h 到 3.75 kg/h，相当于麻屑质量的 10% 至 25%）（表 1）。</li>
	<li>当双螺杆挤出机电机消耗的电流完全稳定后，确认沿筒体测得的温度分布符合操作员设定的温度值，然后开始在出口处采集配置（步骤 3.1.1）的挤出麻屑或配置（步骤 3.1.2）的预混物料样品。 
	注：为避免设备堵塞，电机运行电流必须始终低于其极限值（本研究所用中试规模双螺杆挤出机为 400 A）。因此，在整个流量上升阶段及采样过程中，应确保未达到该极限值。在生产过程中，若设备冷却系统无法将至少一个模块的温度维持在设定值，可能是由于螺杆构型不当（即该位置螺杆元件过于限制），导致物料局部自热。此时，应通过例如对正在处理的固体进行热重分析（TGA）等方式，确认该温度未引起纤维降解。</li>
	<li>在整个采样过程中，应定期检查固体和水是否正常进入筒体，以确保设备进料顺畅。 
	注：在整个采样期间，双螺杆挤出机电机电流的稳定是设备进料稳定的确认依据。</li>
	<li>生产结束后，关闭两个固体计量单元和柱塞泵。</li>
	<li>在螺杆仍以 50 rpm 转动的情况下，逐渐降低螺杆转速，将设备排空。</li>
	<li>当筒体末端不再有物料排出时，从模块 1 大量注入过量的水，在螺杆仍以 50 rpm 转动的情况下清洗双螺杆挤出机筒体内部。持续加水直至筒体出口处完全无固体残留。随后，停止螺杆转动，并关闭设备的加热控制。</li>
</ol>
5. 干燥并处理所得的挤出物（即挤出精炼的麻屑或预混料）
<ol>
	<li>若挤出物在双螺杆挤出后不立即模压成纤维板，则应在调节前使用热空气流将其干燥至含水率在8%至12%之间。可使用普通通风烘箱；若需干燥大量挤出物，建议采用连续式带式干燥机。 
	注意：在此含水率下，挤出物可在调节过程中避免随时间推移发生真菌或霉菌生长的风险。包装时应使用完全密封的塑料袋，并存放于干燥处。</li>
	<li>若纤维板模压在双螺杆挤出后立即进行，则应使用热空气流将挤出物干燥至含水率在3%至4%之间。 
	&#8203;注意：先前研究表明，热压前固体物料的含水率在3%至4%时，可有效抑制模压结束时的排气现象。若排气发生且未受控，可能导致纤维板内部出现缺陷（如气泡或裂纹），从而对材料的力学性能产生不利影响26,27,31,32。若挤出物已在含水率为8%至12%的条件下密封于塑料袋中储存，则在模压前需进一步干燥至3%–4%。</li>
</ol>
6. 通过热压成型纤维板
注意：热压工艺的操作条件是基于先前的研究26,27,31,32确定的。
<ol>
	<li>预热模具。然后，将待热压的固体材料放入模具内。最后，在施加压力前，将该固体材料预热 3 分钟。 
	注意：对于所有制备的纤维板，当使用边长为 15 cm 的方形模具时，混合料中麻秆所占比例对应的质量为 100 g。</li>
	<li>对原始麻秆施加 30 MPa 的压力，对挤出处理后的麻秆则施加 10 MPa、20 MPa 或 30 MPa 的压力（表 2）。</li>
	<li>将模具温度设定为 200 °C。 
	注意：由于温度对所得板材的质量（尤其是弯曲性能）有显著影响9,26,27,28,31,32，因此必须使用红外测温仪分别检测模具的公模和母模部分的温度。</li>
	<li>设定模压时间为 150 秒。</li>
	<li>利用通过双螺杆挤出配置（步骤 3.1.1）获得的挤出精炼纤维，或通过配置（步骤 3.1.2）获得的三种预混料之一，制备不同亚麻籽粕添加量（0% 至 25%）的多种纤维板（表 1 和 表 2）。</li>
	<li>作为对照，另制备两种基于原始 OFS 的纤维板：一种不添加外源粘结剂（板材编号 11），另一种添加 25%（w/w）的塑化亚麻籽粕（板材编号 12）（表 2）。 
	&#8203;注意：这两种板材的模压条件相同，即模具温度为 200 °C，模压时间为 150 秒，施加压力为 30 MPa。</li>
</ol>
7. 纤维板的处理与表征
<ol>
	<li>纤维板制备完成后，将其置于相对湿度为60%、温度为25 °C的气候箱中，直至达到恒定质量。 
	注：此后纤维板的湿度将得到调节并趋于稳定。</li>
	<li>达到平衡后，将纤维板切割成测试试样。 
	注：切割纤维板最合适的工具是立式带锯。</li>
	<li>利用标准测试方法对试样进行纤维板性能表征，包括抗弯性能（ISO 16978:2003标准）、邵氏D表面硬度（ISO 868:2003标准）、内结合强度（ISO 16260:2016标准）以及浸水24小时后的吸水厚度膨胀率（ISO 16983:2003标准）。</li>
	<li>将测得的纤维板性能与法国针对刨花板规格制定的标准（NF EN 312）中的推荐值进行比较，以确定其可能的应用领域。</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文所述方案介绍了在将木质纤维素纤维用作可再生板材中的机械增强材料之前，对其进行挤出精炼处理的方法。所使用的双螺杆挤出机为中试规模设备，螺杆直径（D）为53 mm，配备八个模组，除第一模组长度为8D外，其余每个模组长度均为4D，总筒体长度相当于36D（即1,908 mm）。该长度足以在单次通过过程中对物料连续施加多种基本操作，包括进料、压缩、纤维固体与添加水之间的充分混合、膨胀、再次压缩、强烈剪切，最后再次膨胀。在此，挤出精炼预处理已成功应用于油用亚麻秸秆脱胶后所得的麻屑。这些麻屑是在利用机械方法从油用亚麻秸秆中提取工艺纤维后所收集的残余物。 &#34;全光纤&#34; 提取装置51在同一台双螺杆设备中，也可在挤出精炼步骤之后立即向脱纤化的木质纤维素生物质中添加外源性粘结剂。螺杆构型的后半部分专门用于精炼纤维与该外源粘结剂的充分混合。本实验中采用的是预先塑化处理的亚麻籽粕作为额外粘结剂，并以不同比例（占麻芯质量的10%至25%）添加至精炼纤维中。所得的完全基于油料亚麻的预混料随后通过热压成型转化为硬质板材。
由于配置过程中需要执行大量...

挤压是一种将流动材料强制通过高温模具的工艺。因此，挤压能够在压力作用下对预热物料进行成型。第一台工业用单螺杆挤出机出现于1873年，用于制造连续金属电缆。自1930年起，单螺杆挤压技术被引入食品工业，用于生产香肠和面团。相反，第一台双螺杆挤出机最初是为食品工业的发展而开发的，直到20世纪40年代才应用于合成高分子领域。为此，人们设计了新型设备，并对设备运行过程进行了建模1。一种具有相互啮合并同向旋转螺杆的系统被开发出来，实现了混合与挤压的同时进行。自那时以来，通过设计新型螺杆结构，挤压技术不断发展。如今，食品工业广泛采用双螺杆挤压技术，尽管其成本高于单螺杆挤压，但双螺杆挤压能够实现更复杂的材料加工并获得更高质量的最终产品。该技术尤其用于淀粉类产品的挤压蒸煮，同时也用于蛋白质的组织化以及宠物食品和鱼饲料的制造。
近年来，双螺杆挤出技术的应用领域已扩展至植物原料的热-机械-化学分离2,3。这一新概念推动了真正意义上的反应器的开发，使其能够一步完成对植物原料的转化或分离，甚至通过液固分离分别获得提取物和萃余物2,3,4。农业化学实验室（LCA）开展的研究工作凸显了双螺杆技术在农业资源分离与高值化利用方面的多种可能性2,3。其中一些实例包括：1）植物油的机械压榨和/或&#34;绿色&#34;溶剂提取5,6,7,8,9,10；2）半纤维素11,12、果胶13、蛋白质14,15以及多酚类提取物16的提取；3）通过酶解植物细胞壁生产第二代生物乙醇17；4）利用蛋白质18或多糖19基质制备生物复合材料；5）通过混合谷物与生物基聚酯制备热塑性材料20,21；6）将热塑性聚合物（无论是否为生物基）与植物填料共混制备生物复合材料22,23；7）对木质纤维素材料进行解纤以生产纸浆13,24和纤维板25,26,27,28,29,30,31,32。
双螺杆挤出机通常被视为一种连续的热-机械-化学（TMC）反应器。实际上，它能够在单一步骤中结合化学、热力以及机械作用。化学作用体现在可沿料筒不同位置注入液体试剂；热力作用则通过料筒的温度调控实现；而机械作用则取决于螺杆构型中螺杆元件的选择。
为了将木质纤维素材料解纤以制备纤维板，最近的研究已采用水稻秸秆25,28、芫荽秸秆26,29、油用亚麻麻秆27，以及向日葵30,32和苋菜31的韧皮作为原料。目前之所以关注将木质纤维素生物质用于此类应用（即机械增强），其原因在于用于生产木材基材料的森林资源正不断减少。农作物残余物成本低廉且来源广泛。此外，当前木材颗粒通常与可能具有毒性的石化树脂混合使用。这些树脂往往占现有商用材料总成本的30%以上33，并会释放甲醛，降低室内空气质量34。因此，研究兴趣已转向天然粘结剂的使用。
木质纤维素生物质主要由纤维素和半纤维素构成，形成一种异质复合物。半纤维素被木质素层浸渍，木质素在这些复合物周围形成三维网络结构。利用木质纤维素生物质制造纤维板通常需要进行解纤预处理。为此，必须降解保护纤维素和半纤维素的木质素。需采用机械、热力、化学35甚至酶法36,37,38预处理方法。这些步骤还可增强纤维的自粘性，即使通常仍会添加外源胶粘剂，也能促进无胶粘剂板材的生产27。
预处理的主要目的是改善微米级纤维的粒径分布。简单的研磨即可实现纤维尺寸的减小27,39,40。该方法成本低廉，有助于增加纤维的比表面积，使细胞壁内部组分更易被接触，从而提升所得板材的力学性能。当采用热机械制浆方法（例如消化结合解纤41）、不同制浆工艺42或蒸汽爆破43,44,45,46,47）生产浆料时，解纤效率显著提高。近年来，LCA 开发了一种利用双螺杆挤出技术对木质纤维素纤维进行预处理的创新方法25,26,27,28,29,30,31,32。在 TMC 解纤后，挤出机还可实现天然粘结剂在纤维内部的均匀分散。所得预混料可直接用于热压成型制备纤维板。
在稻草脱纤过程中，双螺杆挤出法与消化结合脱纤工艺进行了比较25。结果表明，挤出法的成本显著降低，仅为制浆法的九分之一。此外，挤出法所需添加的水量更少（最大液固比为1.0，而制浆法最小为4.0），且精炼纤维的平均长径比明显提高（21.2–22.6，而制浆法为16.3–17.9）。这些纤维表现出显著增强的力学强化能力。这一点在以稻草为基础的纤维板中得到了验证，其中使用了纯的未降解木质素（如Biolignin）作为粘结剂，在水中浸泡24小时后，其弯曲强度可达50 MPa，厚度膨胀率为24%28。
在双螺杆挤出机中对芫荽秸秆进行TMC脱纤处理的研究兴趣也已得到证实26。精炼后纤维的长径比为22.9–26.5，而仅经粉碎处理的纤维长径比仅为4.5。通过向挤出精炼后的秸秆中添加质量分数为40%的种子饼作为蛋白质粘结剂，成功制备了100%基于芫荽的纤维板。与仅由压碎秸秆制成的板材相比，这些板材的弯曲强度（最高达29 MPa）尤其是耐水性能（厚度膨胀率低至24%）显著提高。此外，这些板材不释放甲醛，因此相较于市场上常见的中密度纤维板（MDF）和刨花板，对环境和人体健康更加友好29。
类似地，完全基于苋菜31和葵花32的板材也已成功制备，这些板材采用挤出精炼的树皮纤维作为增强材料，并以油籽粕作为蛋白质粘结剂。其弯曲强度分别为35 MPa和36 MPa。然而，它们的耐水性较差：厚度膨胀率分别为71%和87%。基于油料亚麻秸秆经挤出精炼得到的麻屑制备的自粘结板材也可实现27。在此情况下，自粘结作用主要来源于双螺杆热机械处理（TMC）脱纤维过程中释放出的木质素组分。然而，所得硬质板的力学强度较低（弯曲强度仅为12 MPa），且厚度膨胀率非常高（达127%）。
上述所有挤出式纤维基板材均具有工业应用前景，因此是目前商用木材基材料的可持续替代品。根据国际标准化组织（ISO）的要求48,49,50，其具体应用将取决于材料的力学性能和对水的敏感性特征。
本文详细描述了在将木质纤维素纤维用作可再生板材中的机械增强材料之前，对其进行挤出和精炼的步骤。需要指出的是，与传统的制浆方法相比，该工艺减少了所需添加的水量，同时能耗也更低25。同一台双螺杆设备还可用于向纤维中添加天然粘合剂。
更具体而言，本文详细阐述了对油用亚麻（Linum usitatissimum L.） straw 中的麻屑进行双螺杆挤出精炼的操作流程。本研究中所用 straw 为商业采购，来源于 Everest 品种，于 2018 年在法国西南部种植。在同一挤出过程中，可在机筒中部加入塑化后的亚麻籽饼（作为外源性粘结剂），随后在螺杆后半段与精炼后的麻屑充分混合。最终在设备出口处收集到一种呈蓬松状的均匀混合物。该一步式 TMC 操作采用中试规模设备完成。本研究的目标是为操作人员提供详细的实验步骤，以正确实施麻屑的挤出精炼过程以及后续的饼粕添加。完成该操作后，所得预混料即可用于通过热压工艺进一步制造 100% 油用亚麻基硬质板材。

<table><tbody><tr><td>邵氏硬度计（模拟式）</td><td>Bareiss</td><td>HP Shore</td><td>用于测定纤维板邵氏D表面硬度的设备</td></tr><tr><td>灰分炉</td><td>Nabetherm</td><td>Controller B 180</td><td>用于测定矿物质含量的炉子</td></tr><tr><td>带式干燥机</td><td>Clextral</td><td>Evolum 600</td><td>用于在双螺杆挤出机出口处连续干燥挤出物的带式干燥机</td></tr><tr><td>冷萃取装置</td><td>FOSS</td><td>FT 121 Fibertec</td><td>用于测定固体材料内部纤维含量的冷萃取器</td></tr><tr><td>密度计</td><td>MA.TEC</td><td>Densi-Tap IG/4</td><td>用于测定干燥后挤出物的表观密度和振实密度的设备</td></tr><tr><td>双螺带混合机</td><td>Electra</td><td>MH 400</td><td>用于制备由原始麻屑和塑化亚麻籽饼组成的固体混合物，以生产12号板材</td></tr><tr><td>纤维形态分析仪</td><td>Techpap</td><td>MorFi Compact</td><td>用于测定挤出精炼后麻屑形态特征的分析仪</td></tr><tr><td>重力带式进料器</td><td>Coperion K-Tron</td><td>SWB-300-N</td><td>用于定量油用亚麻麻屑的进料器</td></tr><tr><td>重力螺杆进料器</td><td>Coperion K-Tron</td><td>K-ML-KT20</td><td>用于定量塑化亚麻籽饼的进料器</td></tr><tr><td>锤式粉碎机</td><td>Electra</td><td>BC P</td><td>用于粉碎由塑化亚麻籽饼制成的颗粒的破碎机</td></tr><tr><td>加热液压机</td><td>Pinette Emidecau Industries</td><td>PEI 400-t</td><td>通过热压成型纤维板所用的液压机</td></tr><tr><td>热萃取装置</td><td>FOSS</td><td>FT 122 Fibertec</td><td>用于测定固体材料中水溶性物质和纤维含量的热萃取器</td></tr><tr><td>图像分析软件</td><td>National Institutes of Health</td><td>ImageJ</td><td>用于测定原始麻屑形态特征的软件</td></tr><tr><td>油用亚麻秸秆</td><td>Ovalie Innovation</td><td>N/A</td><td>实验工作所用的原料</td></tr><tr><td>柱塞泵</td><td>Clextral DKM</td><td>Super MD-PP-63</td><td>用于水量定量和注入的泵</td></tr><tr><td>扫描仪</td><td>Toshiba</td><td>e-Studio 257</td><td>用于获取原始麻屑灰度图像的扫描仪</td></tr><tr><td>侧向进料器</td><td>Clextral</td><td>E36</td><td>用于在位置5模块处强制将塑化亚麻籽饼送入机筒内的进料器，适用于配置(b)</td></tr><tr><td>热重分析仪</td><td>Shimadzu</td><td>TGA-50</td><td>用于对加工中的固体样品进行热重分析的分析仪</td></tr><tr><td>双螺杆挤出机</td><td>Clextral</td><td>Evolum HT 53</td><td>同向旋转、啮合型中试规模双螺杆挤出机，总长度为36D（D为螺杆直径，即53 mm）</td></tr><tr><td>通用烘箱</td><td>Memmert</td><td>UN30</td><td>用于测定含水率的烘箱</td></tr><tr><td>万能试验机</td><td>Instron</td><td>33R4204</td><td>用于测定纤维板弯曲性能的测试机</td></tr><tr><td>鼓风烘箱</td><td>France Etuves</td><td>XL2520</td><td>用于在双螺杆挤出机出口处间歇干燥挤出物的烘箱</td></tr><tr><td>振动筛分仪</td><td>RITEC</td><td>RITEC 600</td><td>用于对塑化亚麻籽饼进行筛分的筛分仪</td></tr><tr><td>振动筛分仪</td><td>RITEC</td><td>RITEC 1800</td><td>用于去除滞留在油用亚麻麻屑内部的短韧皮纤维的筛分仪</td></tr></tbody></table>

双螺杆挤出法制备可再生纤维板

Twin-Screw Extrusion Process to Produce Renewable Fiberboards

开发了一种多功能双螺杆挤出工艺，可在将木质纤维素类生物质用作全生物基纤维板中机械增强材料之前，对其进行高效的热-机械-化学预处理。通过该工艺已成功预处理了多种木质纤维素类作物副产物，例如谷物秸秆（尤其是水稻秸秆）、芫荽秸秆、油用亚麻秸秆的麻芯，以及苋菜和向日葵茎秆的树皮。
挤出工艺显著提高了纤维的平均长径比，从而改善了纤维板的力学性能。双螺杆挤出机的机筒末端还可配备过滤模块，因此可同时连续提取木质纤维素原料中的多种化学成分（如游离糖、半纤维素、精油组分中的挥发性物质等），并完成纤维的精炼处理。
挤出机还可利用其混合能力：在螺杆末端可向精炼后的纤维中添加天然粘合剂（如有机溶剂木质素、蛋白质基油饼、淀粉等）。所得预混料可直接通过热压成型，其中天然粘合剂有助于纤维板的内聚性。这种在单次挤出过程中完成的整合工艺可缩短生产时间、降低生产成本，并可能减小工厂生产规模。由于所有操作均在一步内完成，材料在挤出机内的停留时间缩短，从而更好地保持了纤维形态，提升了材料性能。此类一步式挤出操作可能成为有价值的工业过程强化技术的基础。
与商用的木材基材料相比，这些完全生物基的纤维板不释放任何甲醛，可应用于多种领域，例如中型容器、家具、民用地板、货架、一般性建筑等。

在使用配置进行含油亚麻麻屑的纤维精炼时（步骤 3.1.1），特意以液固比等于 1.0 的比例添加了水。根据先前的研究25,26,27，与较低的液固比相比，该液固比能更好地保持双螺杆挤出机出口处精炼纤维的长度，同时有助于提高其平均长径比。此外，所添加的水量足够低，可完全避免设备堵塞的风险。由于不存在“游离”水（即过量添加且部分未被纤维吸收的水），因此无需在解纤区末端安装过滤模块。经过挤出精炼预处理后，测定了挤出精炼纤维的化学组成（表 3）。从逻辑上讲，由于在挤出精炼预处理过程中未产生液体提取物，因此原料麻屑与挤出后麻屑之间的化学组成无显著差异。在外观方面，挤出精炼后的纤维呈蓬松状材料形态（图 4，左下）。这表明挤出过程，特别是所施加的高剪切速率，导致了亚麻麻屑结构的改变。这一点首先通过挤出后麻屑的表观密度和振实密度明显低于原料麻屑的数值得到证实（...

开发了一种多功能双螺杆挤出工艺，可对木质纤维素生物质进行高效的热-机械-化学预处理，从而提高纤维的平均长径比。在纤维细化后，还可连续添加天然粘合剂，随后对所得挤出材料进行热压，制得力学性能改善的生物基纤维板。

一种多功能双螺杆挤出工艺，用于在将木质纤维素生物质用作...之前，对其进行高效的热-机械-化学预处理

这种双螺杆挤出技术可用于在纤维板模压前连续高效地预处理木质纤维素类生物质。该工艺以较低成本生产出均匀的热机械浆，且用水量较少。此外，挤出工艺的多功能性使得可在单次加工过程中添加天然粘合剂。使用综合温度和含水量是成功进行木质纤维素纤维双螺杆挤出的关键。因此，你总是先使用过量的水，然后逐步减少水量，直至获得理想的质地。由于该过程非常敏感，我们必须依赖所有的感官进行判断。因此，视频将为论文增添视觉和听觉体验，不久的将来还将加入嗅觉和触觉。本实验操作将由我实验室的工程师Laurent Labonne进行演示，实验室博士生Saif Ullah Khan将协助完成。首先使用半夹具将双螺杆挤出机模块按仅用于纤维解纤的正确配置连接。将进水管横向安装在第二段模块末端，以便将柱塞泵连接至设备，并检查螺杆元件的类型、长度、螺距和错列角度。将螺杆元件成对地插入两条带键槽的轴上，注意确保每个插入螺杆元件的螺纹始终与已安装的螺杆元件完全对齐。当整个螺杆轮廓组装完毕后，手动拧紧两根轴末端的螺杆固定点。完全闭合设备的机筒，并使用扭矩扳手将两个螺杆固定点拧紧至制造商推荐的紧固扭矩。将机筒部分重新打开，并将轴向机筒内回缩约一个直径的距离，以不超过每分钟25转的速度旋转螺杆，确保整个螺杆轮廓正确安装到位。当两个螺杆完全进入机筒后，使用半夹具将机筒固定在设备上，并使用水平仪检测，确保机筒完全水平。进行双螺杆挤出处理时，输入各模块的设定温度，启动机筒的温度控制。待温度稳定后，以不超过每分钟50转的速度转动螺杆，并以每小时5千克的流速向双螺杆挤出机中缓慢加入水。 在将含油亚麻屑以每小时三公斤的流速引入第一模块之前，等待约30秒，直至水从机筒末端流出。待固体开始从挤出机出口排出后，等待约一分钟，然后逐步分至少三个连续阶段提高螺杆转速、水流速率和亚麻屑进料速率，直至达到目标设定值。让设备稳定运行10至15分钟，直至电机随时间变化的电流消耗与125安培的平均值相差不超过5%。添加天然粘合剂时，待设备运行稳定后，以每小时0.5千克的速率开始加入塑化亚麻籽粕。随后，至少分三个连续步骤逐步增加进料速率，直至达到目标设定值。当双螺杆挤出机电机消耗的电流完全稳定后，需确认沿机筒测得的温度分布符合操作员设定的数值，并开始在出口处采集挤出的麻秆颗粒样品。生产结束时，关闭两个固体加料单元和柱塞泵，并在逐渐降低螺杆转速至每分钟50转的同时排空设备。当机筒末端不再有物料排出时，保持螺杆旋转，用水清洗双螺杆挤出机机筒内部，直至机筒出口处的固体残留物完全消失。随后，停止螺杆转动，并关闭设备的加热控制。双螺杆挤出过程结束后，立即用热空气流将挤出物干燥至含水量在3%至4%之间。挤出物干燥后，将其放入预热好的模具中并预热材料。三分钟后，在材料和模具上施加适当的压力，并在已设定的200摄氏度条件下模压150秒。压机打开后，取出板材并检查其

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了解双螺杆挤压工艺用于木质纤维素生物质的热机械化学预处理，以提高纤维长径比并连续添加天然粘合剂，从而改善生物基纤维板的机械性能。该方法成本低、用水少，支持可持续材料开发。

双螺杆挤出法制备可再生纤维板

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