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Article de méthode

Procédé d’extrusion à deux vis pour produire des panneaux de fibres renouvelables

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DOI :

10.3791/62072

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27 janvier 2021

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1Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (LCA), Université de Toulouse, INRAE, INPT, 2Balochistan University of Information Technology, Engineering and Management Sciences, 3Laboratoire Génie de Production (LGP), Université de Toulouse, INPT

Dans cet article

Résumé

Un procédé polyvalent d’extrusion à deux vis pour fournir un prétraitement thermo-mécano-chimique efficace sur la biomasse lignocellulosique a été développé, ce qui conduit à un rapport d’aspect moyen accru des fibres. Un liant naturel peut également être ajouté en continu après l’affinage des fibres, conduisant à des panneaux de fibres biosampés avec des propriétés mécaniques améliorées après pressage à chaud du matériau extrudé obtenu.

Résumé

Un procédé polyvalent d’extrusion à deux vis pour fournir un prétraitement thermo-mécano-chimique efficace sur la biomasse lignocellulosique avant de l’utiliser comme source de renforcement mécanique dans des panneaux de fibres entièrement bioséo-biosûres a été développé. Divers sous-produits végétaux lignocellulosiques ont déjà été prétrâtrés avec succès grâce à ce processus, par exemple les pailles de céréales (en particulier le riz), la paille de coriandre, les frissons de paille de lin oléagineux et l’écorce des tiges d’amarante et de tournesol.

Le processus d’extrusion entraîne une augmentation marquée du rapport d’aspect moyen des fibres, ce qui améliore les propriétés mécaniques des panneaux de fibres. L’extrudeuse à deux vis peut également être équipée d’un module de filtration à l’extrémité du canon. L’extraction continue de divers produits chimiques (par exemple, les sucres libres, les hémicelluloses, les volatils des fractions d’huiles essentielles, etc.) du substrat lignocellulosique, et le raffinage des fibres peuvent donc être effectués simultanément.

L’extrudeuse peut également être utilisée pour sa capacité de mélange: un liant naturel (par exemple, les lignines Organosolv, les tourteaux à base de protéines, l’amidon, etc.) peut être ajouté aux fibres raffinées à l’extrémité du profil de vis. Le prémélange obtenu est prêt à être moulé par pressage à chaud, le liant naturel contribuant à la cohésion des panneaux de fibres. Un tel processus combiné dans une seule passe d’extrudeuse améliore le temps de production, le coût de production et peut entraîner une réduction de la taille de la production de l’usine. Parce que toutes les opérations sont effectuées en une seule étape, la morphologie des fibres est mieux préservée, grâce à un temps de séjour réduit du matériau à l’intérieur de l’extrudeuse, ce qui se traduit par des performances améliorées du matériau. Une telle opération d’extrusion en une seule étape peut être à l’origine d’une intensification précieuse du processus industriel.

Comparativement aux matériaux commerciaux à base de bois, ces panneaux de fibres entièrement biosyés n’émettent pas de formaldéhyde, et ils pourraient trouver diverses applications, par exemple, des conteneurs intermédiaires, des meubles, des revêtements de sol domestiques, des étagères, une construction générale, etc.

Introduction

L’extrusion est un processus au cours duquel un matériau qui coule est forcé à travers une matrice chaude. L’extrusion permet donc la formation de produits préchauffés sous pression. La première extrudeuse industrielle à vis unique est apparue en 1873. Il a été utilisé pour la fabrication de câbles continus métalliques. À partir de 1930, l’extrusion à une seule vis a été adaptée à l’industrie alimentaire pour produire des saucisses et du passé. À l’inverse, la première extrudeuse à deux vis a d’abord été utilisée pour les développements de l’industrie alimentaire. Il n’est apparu dans le domaine des polymères synthétiques que dans les années 1940. À cette fin, de nouvelles machines ont été conçues et leur fonctionnement a également été modélisé1. Un système avec des vis co-pénétrantes et co-rotatives a été développé, permettant d’effectuer simultanément le mélange et l’extrusion. Depuis lors, la technologie d’extrusion s’est développée en permanence via la conception de nouveaux types de vis. Aujourd’hui, l’industrie alimentaire fait un usage intensif de l’extrusion à deux vis, bien qu’elle soit plus coûteuse que l’extrusion à une seule vis, car l’extrusion à deux vis permet d’accéder à un traitement des matériaux et à des produits finaux plus élaborés. Il est notamment utilisé pour l’extrusion-cuisson des produits féculents mais aussi pour la texturation de protéines et la fabrication d’aliments pour animaux de compagnie et d’aliments pour poissons.

Plus récemment, l’extrusion à deux vis a vu son champ d’application étendu au fractionnement thermo-mécano-chimique de matière végétale2,3. Ce nouveau concept a conduit au développement de réacteurs réels capables de transformer ou de fractionner des matières végétales en une seule étape, jusqu’à la production séparée d’un extrait et d’un raffinat par séparation liquide/solide2,3,4. Les travaux réalisés au Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle (LCA) ont mis en évidence les multiples possibilités de la technologie à deux vis pour le fractionnement et la valorisation des agroressources2,3. Quelques exemples sont : 1) Le pressage mécanique et/ou l’extraction par solvant « vert » de l’huile végétale5,6,7,8,9,10. 2) L’extraction des hémicelluloses11,12,des pectines13,des protéines14,15,et des extraits polyphénoliques16. 3) La dégradation enzymatique des parois cellulaires des plantes pour la production de bioéthanol de deuxième génération17. 4) La production de matériaux biocomposites avec des matrices deprotéines 18 oude polysaccharides 19. 5) La production de matériaux thermoplastiques par mélange de céréales et de polyesters biosyants20,21. 6) La production de biocomposites par composition d’un polymère thermoplastique, biosourcé ou non, et de charges végétales22,23. 7) La défibration de matériaux lignocellulosiques pour la production de pâte à papier13,24,et de panneaux de fibres25,26,27,28,29,30,31,32.

L’extrudeuse à deux vis est souvent considérée comme un réacteur thermomécanochimique continu (TMC). En effet, il combine en une seule étape des actions chimiques, thermiques, et, aussi, mécaniques. Le chimique se traduit par la possibilité d’injecter des réactifs liquides en divers points le long du canon. Le thermique est possible grâce à la régulation thermique du canon. Enfin, la mécanique dépend du choix des éléments de vis le long du profil de vis.

Pour la défibation des matériaux lignocellulosiques afin de produire des panneaux de fibres, les travaux les plus récents ont utilisé de la paille de riz25,28,de la paille de coriandre26,29,des shives de lin oléagineux27 ainsi que des écorces de tournesol30,32 et d’amarante31. L’intérêt actuel des biomasses lignocellulosiques pour une telle application (c.-à-d. renforcement mécanique) s’explique par l’épuisement régulier des ressources forestières utilisées pour produire des matériaux à base de bois. Les résidus de culture sont peu coûteux et peuvent être largement disponibles. De plus, les particules de bois actuelles sont mélangées à des résines pétrochimiques qui peuvent être toxiques. Représentant souvent plus de 30% du coût total des matériaux commerciaux actuels33,certaines résines contribuent aux émissions de formaldéhyde et réduisent la qualité de l’air intérieur34. L’intérêt de la recherche s’est déplacé vers l’utilisation de liants naturels.

La biomasse lignocellulosique est principalement composée de cellulose et d’hémicelluloses, formant un complexe hétérogène. Les hémicelluloses sont imprégnées de couches de lignines qui forment un réseau tridimensionnel autour de ces complexes. L’utilisation de biomasse lignocellulosique pour la fabrication de panneaux de fibres nécessite généralement un prétraitement par défibration. Pour cela, il est nécessaire de décomposer les lignines qui protègent la cellulose et les hémicelluloses. Des prétrages mécaniques, thermiques et chimiques35 voire enzymatiques36,37,38 doivent être appliqués. Ces étapes augmentent également l’auto-adhésion des fibres, ce qui peut favoriser la production de panneaux sans liant27 même si un liant exogène est le plus souvent ajouté.

L’objectif principal des prétr traitements est d’améliorer le profil granulométrique des fibres micrométriques. Un simple broyage offre la possibilité de réduire la taille de la fibre27,39,40. Peu coûteux, il contribue à augmenter la surface spécifique de la fibre. Les composants de la paroi cellulaire interne deviennent plus accessibles et les propriétés mécaniques des panneaux obtenus sont améliorées. L’efficacité de la défibration est considérablement augmentée lorsqu’une pâte thermomécanique est produite, par exemple par digestion plus défibration41,à partir de différents procédés de mise en pâte42 ou par explosion de vapeur43,44,45,46,47. Plus récemment, LCA a développé un prétraitement original de fibres lignocellulosiques en utilisant l’extrusion à deux vis25,26,27,28,29,30,31,32. Après défibation TMC, l’extrudeuse permet également la dispersion homogène d’un liant naturel à l’intérieur des fibres. Le prémélange résultant est prêt à être pressé à chaud dans des panneaux de fibres.

Lors de la défibation de la paille de riz, l’extrusion à deux vis a été comparée à un procédé de digestion plus défibration25. La méthode d’extrusion a révélé un coût considérablement réduit, c’est-à-dire neuf fois inférieur à celui de la mise en pâte. En outre, la quantité d’eau ajoutée est réduite (rapport liquide/ solide max 1,0 au lieu de 4,0 min avec la méthode de mise en pâte), et une nette augmentation du rapport d’aspect moyen des fibres raffinées (21,2-22,6 au lieu de 16,3-17,9) est également observée. Ces fibres présentent une capacité de renforcement mécanique hautement améliorée. Ceci a été démontré pour les panneaux de fibres à base de paille de riz, dans lesquels de la lignine pure non détériorée (par exemple, biolignin) a été utilisée comme liant (jusqu’à 50 MPa pour la résistance à la flexion et 24% pour le gonflement de l’épaisseur après une immersion de 24 h dans l’eau)28.

L’intérêt de la défibation TMC dans l’extrudeuse à deux vis a également été confirmé avec la paille de coriandre26. Le rapport d’aspect des fibres raffinées varie de 22,9 à 26,5 au lieu de seulement 4,5 pour les fibres simplement broyées. Des panneaux de fibres 100% à base de coriandre ont été obtenus en ajoutant aux pailles raffinées par extrusion un gâteau de la graine comme liant protéique (40% en masse). Leur résistance à la flexion (jusqu’à 29 MPa) et surtout leur résistance à l’eau (jusqu’à 24% de gonflement d’épaisseur) ont été significativement améliorées par rapport aux panneaux fabriqués à partir de paille simplement broyée. De plus, ces panneaux n’émettent pas de formaldéhyde et, par conséquent, ils sont plus respectueux de l’environnement et de la santé humaine que les panneaux de fibres de densité moyenne (MDF) et les agglomérés29 que l’on trouve classiquement sur le marché.

De même, des panneaux entièrement à base d’amarante31 et de tournesol32,combinant des fibres raffinées par extrusion à partir d’écorce comme renfort et un gâteau de graines comme liant protéique, ont été produits avec succès. Ils ont montré des forces de flexion de 35 MPa et de 36 MPa, respectivement. Cependant, leur résistance à l’eau s’est avérée plus faible: 71% et 87%, respectivement, pour le gonflement de l’épaisseur. Des panneaux auto-collés à base de shives raffinés par extrusion à partir de paille de lin oléagineux peuvent également être obtenus27. Dans ce cas, c’est la fraction ligneuse, libérée lors de la défibration TMC à deux vis, qui contribue à l’auto-collage. Cependant, les panneaux durs obtenus présentent une résistance mécanique inférieure (seulement 12 MPa de résistance à la flexion) et un gonflement de très haute épaisseur (127%).

Tous les panneaux à base de fibres extrudées présentés ci-dessus peuvent trouver des applications industrielles et sont, par conséquent, des alternatives durables aux matériaux commerciaux actuels à base de bois. Selonles exigences48, 49,50del’Organisation internationale de normalisation (ISO), leurs applications spécifiques dépendront de leurs caractéristiques mécaniques et de sensibilité à l’eau.

Dans cet article, la procédure d’extrusion et d’affinement des fibres lignocellulosiques avant de les utiliser comme renfort mécanique dans des panneaux renouvelables est décrite en détail. Pour rappel, ce procédé réduit la quantité d’eau à ajouter par rapport aux méthodologies traditionnelles de mise en pâte, et il est également moins énergivore25. La même machine à deux vis peut également être utilisée pour ajouter un liant naturel aux fibres.

Plus précisément, un plan détaillé pour effectuer l’extrusion-affinage à deux vis des frissons de paille de lin oléagineux(Linum usitatissimum L.) est présenté. La paille utilisée dans cette étude a été obtenue commercialement. Il était de la variété Everest, et les plantes ont été cultivées dans la partie sud-ouest de la France en 2018. Dans la même passe extrudeuse, un gâteau de lin plasturé (utilisé comme liant exogène) peut également être ajouté au milieu du canon, puis mélangé intimement aux frissons raffinés le long de la seconde moitié du profil de vis. Un mélange homogène ayant la forme d’un matériau moelleux est recueilli à la sortie de la machine. L’opération TMC en une seule étape est effectuée à l’aide d’une machine à l’échelle pilote. Notre objectif est de fournir une procédure détaillée pour que les opérateurs effectuent correctement l’extrusion-affinage des frissons, puis l’ajout du gâteau. Suite à cette opération, le prémélange obtenu est prêt pour la fabrication ultérieure de panneaux durs à base de lin 100% oléagineux à l’aide d’un pressage à chaud.

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Protocole

1. Préparer les matières premières

  1. Utilisez des frissons de lin oléagineux, qui sont le résultat d’une étape préliminaire d’extraction mécanique des fibres libériennes de la paille dans un dispositif d’extraction « toutes fibres »51. Utilisez un tamis vibrant pour enlever les fibres textiles courtes qu’elles peuvent encore contenir.
    REMARQUE: Comme l’enlèvement de ces fibres textiles courtes peut être difficile, n’hésitez pas à répéter cette opération de tamisage autant de fois que nécessaire. Ici, l’objectif est d’améliorer l’écoulement des shives de lin oléagineux dans la trémie du chargeur de poids, et, par conséquent, de faciliter leur dosage avant leur introduction dans l’extrudeuse à deux vis.
  2. Utiliser un tourteau de graines de lin plastifiant, obtenu par déstructuration/plasticisation des protéines selon la méthodologie décrite par Rouilly et al.18.
    REMARQUE: Ce faisant, les protéines montrent de meilleures aptitudes thermoplastiques et adhésives.
  3. Broyer les agro-granulés du gâteau de lin plastifiant à l’aide d’un broyeur à marteaux muni d’une grille de 1 mm, puis tamiser le matériau broyé obtenu pour ne retenir que les particules inférieures à 500 μm.

2. Vérifier le bon fonctionnement des mangeoires à poids constant et de la pompe à piston

  1. Pour les débits auxquels l’opérateur travaille pendant la production, choisi pour éviter le colmatage de la machine (15 kg/h pour les shives de lin oléagineux (OFS), et de 1,50 kg/h à 3,75 kg/h pour les tourteaux de lin plasturés), vérifier la correspondance entre la valeur de consigne entrée dans les deux mangeoires à poids constant et les débits solides réellement distribués par ces dispositifs de dosage.
    NOTA : Le débit réel de solide est déterminé expérimentalement en pesant la masse du solide distribuée par le chargeur à poids constant pendant une période de temps connue (5 min). S’il y a un écart important entre la valeur de jeu et le débit réel mesuré, cela peut indiquer un dysfonctionnement du chargeur de pesée. Pour éviter cela, toute l’unité de dosage doit être soigneusement nettoyée, en mettant particulièrement l’accent sur la zone où se trouve l’appareil de pesage. En fait, la cause de ce type de dysfonctionnement est très souvent un mauvais nettoyage de l’appareil, car des traces de solides précédemment utilisés peuvent être trouvées dans les plus petits coins de l’unité de dosage. Si le problème persiste, il sera alors nécessaire de vérifier le bon calibrage du solde lui-même et, si nécessaire, de le recalibrer.
  2. Étalonner la pompe à piston pour établir une relation entre la puissance électrique du moteur et le débit d’eau réel distribué par la pompe.
    NOTA: Pour chaque puissance électrique testée, le débit d’eau réel est déterminé expérimentalement en pesant la masse d’eau distribuée par la pompe à piston pendant une période de temps connue (5 min). Cinq puissances électriques différentes sont testées pour dessiner la courbe d’étalonnage. La puissance électrique la plus élevée testée est choisie de manière à obtenir un débit d’eau plus élevé que celui choisi lors de la production.
  3. Une fois l’étalonnage de la pompe effectué, vérifier le débit d’eau auquel l’opérateur travaille pendant la production (15 kg/h pour éviter le colmatage de la machine tout en préservant la longueur des fibres raffinées par extrusion) la correspondance entre la valeur de consigne donnée à la pompe à piston pour la puissance du moteur et le débit d’eau effectivement distribué.

3. Préparez l’extrudeuse à deux vis

  1. Disposer correctement les modules d’extrudeuse à deux vis (types AB1-GG-8D, FER et ABF) en les reliant l’un après l’autre (au moyen de deux demi-pinces) dans le bon ordre en fonction de la configuration de la machine à utiliser:
    1. Configurez la configuration pour laquelle seule la défibation des fibres a lieu(Figure 1A).
    2. Vous pouvez également configurer la configuration qui est complétée par l’ajout du liant naturel(figure 1B).
      Remarque : pour les deux configurations, le premier module est utilisé pour l’introduction des shives de lin oléagineux. Il s’agit d’un module de type AB1-GG-8D, qui a un module 8D longueur, D correspondant au diamètre de la vis (c’est-à-dire 53 mm). La grande ouverture supérieure de ce module est principalement destinée à faciliter l’introduction des frissons. Les modules 2 à 8 sont à température contrôlée. Ce sont des modules fermés (type FER), à l’exception du module 5 dans le cas de la configuration (étape 3.1.2), qui est de type ABF (c’est-à-dire un module équipé d’une ouverture latérale pour assurer la connexion du chargeur latéral utilisé pour forcer l’introduction du gâteau de lin plasturé à l’intérieur du canon principal). Le chargeur latéral se compose de deux vis Archimède co-rotatives et co-pénétrantes de pas constant et de profil conjugué.
  2. Placer latéralement le tuyau d’entrée d’eau à l’extrémité du module 2 pour connecter la pompe à piston à la machine.
  3. Mettez de côté les éléments de vis(Figure 2)qui seront nécessaires pour mettre en place le profil de vis, soit celui utilisé pour la configuration (étape 3.1.1), soit celui utilisé pour la configuration (étape 3.1.2)(Figure 3).
    REMARQUE: Assurez-vous qu’il s’agit des éléments de vis corrects en vérifiant soigneusement leur type (T2F, C2F, C1F, CF1C, BB ou INO0), la longueur, le pas (pour les éléments de vis de transport et d’inversion) et leur angle d’échelonnement (pour les blocs de mélange BB).
  4. Configurez le profil de vis(Figure 3)en insérant les éléments de vis le long des deux arbres splines, de la première paire à la dernière.
    REMARQUE : Les profils de vis utilisés pour les deux configurations testées, sont différents et résultent tous deux de l’optimisation préalable25,26,27.
  5. Lors de l’assemblage du profil de vis, assurez-vous que les filetages des éléments de vis qui viennent d’être insérés sur les arbres splines sont toujours parfaitement alignés avec les éléments précédemment assemblés.
  6. Une fois l’ensemble du profil de vis assemblé, vissez à la main les points de vis à l’extrémité des deux arbres, fermez complètement le canon de la machine, puis serrez les deux points de vis au couple de serrage recommandé par le fabricant (30 daN m pour l’extrudeuse à deux vis utilisée dans cette étude) à l’aide d’une clé dynamométrique.
  7. Avec le canon de la machine partiellement rouvert, c’est-à-dire avec les arbres rétractés dans le canon sur une distance d’environ 1D, tournez les vis à basse vitesse (25 tr / min max) pour vous assurer que tout le profil de vis est correctement ajusté.
    NOTA : En cas d’installation incorrecte des éléments de vis (p. ex., le désalignement de l’un d’eux), on observera inévitablement une usure accélérée des éléments de vis. Lors de l’essai de la rotation des deux arbres avec le canon de la machine presque complètement ouvert, il en résulte que les arbres se touchent à l’extrémité de l’élément de vis mal positionné.
  8. Fermez complètement le canon de la machine afin que les deux arbres soient entièrement piégés à l’intérieur du canon.
  9. Une fois le canon fermé, serrez-le à la machine avec des demi-pinces et assurez-vous avec l’aide d’un testeur de niveau que le canon est parfaitement horizontal.
    REMARQUE: Si le canon de l’extrudeuse à deux vis n’est pas parfaitement horizontal, cela peut entraîner une usure prématurée par abrasion des éléments de vis et / ou des parois intérieures du canon.
  10. Placer les périphériques (les mangeoires de poids pour les deux solides à introduire, et la pompe à piston pour l’eau à injecter) aux endroits requis le long du canon : au-dessus du module 1 pour le chargeur utilisé pour les shives de lin oléagineux, au-dessus de la trémie du chargeur latéral (elle-même reliée latéralement au module 5) pour celui utilisé pour le tourteau de lin plasturé (cas de configuration (étape 3.1.2) uniquement) , et à la fin du module 2 pour l’injection d’eau.

4. Effectuer le traitement d’extrusion à deux vis selon la configuration (étape 3.1.1) ou la configuration (étape 3.1.2)

  1. A partir de la supervision de la machine, entrez les températures réglées de chacun des modules et lancez la régulation de température du canon : pour la configuration (étape 3.1.1), 25 °C pour le module d’alimentation (module 1) et 110 °C pour les suivants ; pour la configuration (étape 3.1.2), 25 °C pour le module 1, 110 °C pour la zone d’affinage (modules 2 à 4) et 80 °C pour la zone de prémélange (modules 5 à 8).
    NOTA: Le contrôle de la température du canon s’effectue séparément d’un module à l’autre par (i) chauffage avec deux demi-pinces résistives fixées autour de chaque module, et (ii) refroidissement par circulation d’eau froide à l’intérieur du module. Une 25 °C est privilégiée pour le module d’alimentation. Pour un affinage efficace des fibres, une température de 110 °C est préférée. Une température de 80 °C est suffisante pour l’opération de prémélange. Étant donné que les zones d’affinage et de prémélange sont toutes deux situées le long de plusieurs modules, la même température de réglage est attribuée à tous les modules de la même zone.
  2. Attendez la stabilité des températures mesurées et assurez-vous que ces températures sont égales aux points de repère.
    NOTA: Les températures mesurées sont indiquées sur le panneau de commande de la machine. Afin d’assurer un second contrôle de ces températures, il est également possible de les mesurer avec un thermomètre infrarouge au niveau de chaque module le long du canon.
  3. Tournez lentement les vis (c.-à-d. 50 tr/min max).
    REMARQUE: L’usure abrasive prématurée des éléments de vis et des parois intérieures du canon peut se produire si les vis tournent trop rapidement alors que la machine est vide.
  4. Nourrissez délicatement l’extrudeuse à deux vis avec de l’eau (débit de 5 kg/h).
  5. Attendez environ 30 s jusqu’à ce que l’eau sorte au bout du baril.
  6. Ensuite, commencez à introduire les shives de lin oléagineux dans le module 1 à un débit de 3 kg/h, et attendez (environ 1 min) que le solide commence à sortir de l’extrudeuse.
  7. Augmenter progressivement (au moins en trois étapes successives) la vitesse des vis, puis le débit d’eau et enfin le débit de shives jusqu’à ce que les points de réglage souhaités soient atteints: 150 tr / min, 15 kg / h et 15 kg / h, respectivement (Tableau 1).
    NOTE : Ces points de repère ont été déterminés dans des études antérieures et résultent de l’optimisation du procédé25,26,27.
  8. Attendez la stabilisation de la machine en suivant l’évolution du courant électrique consommé par le moteur dans le temps (variation du courant électrique ne dépassant pas 5% par rapport à la valeur moyenne de 125 A).
    REMARQUE: Le temps de stabilisation est généralement compris entre 10 et 15 min.
  9. Pour la configuration (étape 3.1.2) uniquement, commencer à introduire le gâteau de graines de lin plastifiant à 0,50 kg/h une fois que la machine s’est stabilisée en ampénage après les frissons et l’addition d’eau aux valeurs de jeu souhaitées. Ensuite, augmentez le débit du gâteau de graines de lin plasturé en au moins trois étapes successives jusqu’au point de jeu souhaité (de 1,50 kg/h à 3,75 kg/h, ce qui correspond à des valeurs comprises entre 10% et 25% en masse par rapport aux shives) (Tableau 1).
  10. Une fois que le courant électrique consommé par le moteur extrudeuse à deux vis est parfaitement stable, assurez-vous que le profil de température mesuré le long du canon est conforme aux valeurs de réglage données par l’opérateur, puis commencez à prélever les frissons extrudés pour la configuration (étape 3.1.1) ou le prémélange pour la configuration (étape 3.1.2) à la sortie.
    NOTA : Afin de ne pas obstruer l’unité, le courant aspiré par le moteur doit toujours rester en dessous de sa valeur limite (c.-à-d. 400 A pour l’extrudeuse à deux vis à l’échelle pilote utilisée dans la présente étude). Il convient donc de vérifier que cette valeur limite n’est pas atteinte pendant toute la phase de montée en puissance de l’écoulement ainsi que pendant l’échantillonnage. Pendant la production, si le système de refroidissement de la machine n’est pas en mesure de maintenir la température d’au moins un module à sa valeur de réglage, cela peut être la conséquence d’un profil de vis inapproprié (c’est-à-dire des éléments de vis trop restrictifs à cet endroit), ce qui provoque un auto-échauffement local du matériau traité. Il est alors nécessaire de s’assurer, par exemple, au moyen d’une analyse thermogravimétrique (TGA) du solide traité, que cette température ne provoque aucune dégradation des fibres.
  11. Pendant tout le processus d’échantillonnage, assurez-vous que l’alimentation de la machine est sans problème en vérifiant régulièrement l’entrée effective des solides et de l’eau dans le canon de la machine.
    NOTA: Un ampérage stable du courant aspiré par le moteur de l’extrudeuse à deux vis pendant toute la durée de prélèvement est une confirmation d’une alimentation stable de la machine.
  12. À la fin de la production, éteignez les deux unités de dosage solides et la pompe à piston.
  13. Videz la machine tout en réduisant progressivement la vitesse de rotation des vis à 50 tr/ min.
  14. Lorsque rien ne sort de l’extrémité du canon, nettoyez l’intérieur du canon de l’extrudeuse à deux vis avec beaucoup d’eau, introduite en excès à partir du module 1, tandis que les vis tournent toujours à 50 tr / min. Ajouter de l’eau jusqu’à ce que les résidus solides disparaissent complètement à la sortie du canon. Ensuite, arrêtez la rotation des vis et désactivez la commande de chauffage de la machine.

5. Sécher et conditionner les extrudats résultants (c.-à-d. shives ou prémélanges raffinés par extrusion)

  1. Lorsque les extrudats ne doivent pas être moulés dans des panneaux de fibres immédiatement après le processus d’extrusion à deux vis, séchez-les avec un flux d’air chaud à une humidité comprise entre 8% et 12% avant leur conditionnement. À cette fin, utilisez un four ventilé simple ou, dans le cas de grandes quantités d’extrudat à sécher, un séchoir à courroie continue.
    REMARQUE: Avec une telle humidité, les extrudats peuvent être conditionnés sans risque de croissance de champignons ou de moisissures au fil du temps. L’emballage doit être effectué dans des sacs en plastique parfaitement scellés, qui doivent être stockés dans un endroit sec.
  2. Séchez les extrudats avec un flux d’air chaud à une humidité comprise entre 3% et 4% lorsque le moulage en panneaux de fibres a lieu immédiatement après le processus d’extrusion à deux vis.
    NOTE: Des études antérieures ont montré qu’une teneur en humidité de 3% à 4% du solide à presser à chaud est idéale pour limiter les phénomènes de dégazage à la fin du moulage. Lorsqu’il se produit et qu’il n’est pas contrôlé, le dégazage peut générer des défauts (par exemple, cloques ou fissures) à l’intérieur du panneau de fibres, et ces défauts ont un impact négatif sur sa résistance mécanique26,27,31,32. Lorsque le pressage à chaud est effectué après que les extrudats ont été stockés dans des sacs en plastique hermétiques à une teneur en humidité de 8% à 12%, ils doivent être séchés davantage, c’est-à-dire jusqu’à 3%-4%, avant le moulage.

6. Mouler les panneaux de fibres par pressage à chaud

NOTE: Les conditions de fonctionnement pour le pressage à chaud ont été choisies sur la base des études précédentes26,27,31,32.

  1. Préchauffer le moule. Ensuite, positionnez le matériau solide à presser à chaud à l’intérieur du moule. Enfin, préchauffez ce matériau solide pendant 3 min avant d’appliquer la pression.
    NOTE: Pour tous les panneaux de fibres produits, la proportion de shives dans le mélange à mouler représente une masse de 100 g lorsque le moule utilisé est de forme carrée et avec 15 cm de côtés.
  2. Appliquer une pression de 30 MPa avec les frissons bruts, et 10 MPa, 20 MPa ou 30 MPa avec les extrudés(tableau 2).
  3. Réglez la température du moule à 200 °C.
    REMARQUE: Parce que la température influence grandement la qualité (en particulier les propriétés de flexion) des planches obtenues9,26,27,28,31,32,il est important de vérifier la température du moule avec un thermomètre infrarouge sur ses pièces mâles et femelles.
  4. Réglez le temps de moulage à 150 s.
  5. Fabriquer différents panneaux de fibres avec différents contenus de gâteau de graines de lin plastifiantes (de 0% à 25%) en utilisant les fibres raffinées par extrusion obtenues par extrusion à deux vis via la configuration (étape 3.1.1) ou l’un des trois prémélanges obtenus par configuration (étape 3.1.2)(tableau 1 et tableau 2).
  6. A titre de référence, on fabrique également deux panneaux de fibres supplémentaires à base de L’OFS brut, l’un sans ajout de liant exogène (numéro de panneau 11) et l’autre avec l’ajout de 25% (p/p) de tourteaux de lin plasturés (tableau numéro 12)(tableau 2).
    REMARQUE: Pour ces deux cartes, les conditions de moulage sont les mêmes, c’est-à-dire 200 ° C pour la température du moule, 150 s pour le temps de moulage et 30 MPa pour la pression appliquée.

7. Conditionner et caractériser les panneaux de fibres

  1. Une fois les panneaux de fibres produits, placez-les dans une chambre climatique à 60% d’humidité relative et 25 °C jusqu’à ce qu’un poids constant soit atteint.
    REMARQUE: Les panneaux de fibres seront ensuite conditionnés et stabilisés en termes d’humidité.
  2. Une fois équilibrés, couper les panneaux de fibres en éprouvettes.
    REMARQUE: L’outil le plus approprié pour couper des panneaux de fibres est une scie à bande verticale.
  3. À partir des éprouvettes, procéder à la caractérisation des panneaux de fibres à l’aide d’essais normalisés pour les propriétés de flexion (norme ISO 16978:2003), dureté de surface Shore D (norme ISO 868:2003), résistance à la liaison interne (norme ISO 16260:2016) et sensibilité à l’eau après immersion dans l’eau pendant 24 h (norme ISO 16983:2003).
  4. Comparer les propriétés mesurées pour les panneaux de fibres avec les recommandations de la norme Français dédiée aux spécifications des panneaux de particules (NF EN 312) afin de déterminer leurs utilisations possibles.

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Résultats

Lors de l’affinage des fibres des shives de lin oléagineux à l’aide de la configuration (étape 3.1.1), de l’eau a été délibérément ajoutée à un rapport liquide/solide égal à 1,0. Selon les travaux précédents25,26,27,un tel rapport liquide/solide préserve mieux la longueur des fibres raffinées à la sortie de l’extrudeuse à deux vis que des rapports inférieurs, ce qui contribue simultanément à une augmentation de leur rapport d’as...

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Discussion

Le protocole décrit ici décrit comment traiter l’extrusion-affinage de fibres lignocellulosiques avant de les utiliser comme renfort mécanique dans des panneaux renouvelables. Ici, l’extrudeuse à deux vis utilisée est une machine à l’échelle pilote. Avec des vis de 53 mm de diamètre (D), il est équipé de huit modules, chacun de longueur 4D, à l’exception du module 1 qui a un 8D longueur, correspondant à une longueur totale 36D (c’est-à-dire 1 908 mm) pour le canon. Sa longueur est suffisamment longue pour appliquer au ma...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Duromètre analogiqueBareissHP ShoreAppareil utilisé pour la détermination de la dureté superficielle Shore D des panneaux de fibres
Four à cendresNabethermController B 180Four utilisé pour la détermination de la teneur en minéraux
Sécheur à bandeClextralEvolum 600Séchoir à bande utilisé pour le séchage continu des extrudats à la sortie de l’extrudeuse à double vis
Unité d’extraction à froidFOSSFT 121 FibertecExtracteur à froid utilisé pour déterminer la teneur en fibres à l’intérieur des matériaux solides
DensitomètreMA. TECDensi-Tap IG/4Appareil utilisé pour déterminer les densités apparentes et taraudées des extrudats une fois séchés
Mélangeur à double héliceElectraMH 400Mélangeur utilisé pour la préparation du mélange solide composé des anas bruts et du tourteau de lin plastifié pour la production de la planche numéro 12
Analyseur de morphologie des fibresTechpapMorFi CompactAnalyseur utilisé pour déterminer les caractéristiques morphologiques des anas raffinés par extrusion
Alimentateur gravimétrique à bandeCoperion K-TronSWB-300-NAlimentateur utilisé pour la quantification des anas de lin oléagineux
Alimentateur gravimétrique à visCoperion K-TronK-ML-KT20Alimentateur utilisé pour la quantification du tourteau de lin plastifié
Broyeur à marteauxElectraBC PConcasseur utilisé pour le broyage de granulés en tourteau de lin plastifié
Presse hydraulique chaufféePinette Emidecau IndustriesPEI 400-tPresse hydraulique utilisée pour le moulage des panneaux de fibres par pressage à chaud
Unité d’extraction à chaudFOSSFT 122 FibertecExtracteur à chaud utilisé pour déterminer les teneurs en fibres solubles dans l’eau et en fibres à l’intérieur des matériaux solides
Logiciel d’analyse d’imagesNational Institutes of HealthImageJLogiciel utilisé pour déterminer les caractéristiques morphologiques des anas bruts
Paille de lin oléagineuseOvalie InnovationN/AMatière première fournie pour les travaux expérimentaux
Pompe à pistonClextral DKMSuper MD-PP-63Pompe utilisée pour la quantification et l’injection d’eau
ScannerToshibae-Studio 257Scanner utilisé pour la prise d’une image d’anas bruts en niveau de gris
Alimentateur latéralClextralE36Alimentateur utilisé pour forcer l’introduction du tourteau de lin plastifié à l’intérieur du fût (au niveau du module 5) pour la configuration (b)
Analyseur thermogravimétriqueShimadzuTGA-50Analyseur utilisé pour effectuer l’analyse thermogravimétrique des solides en cours de traitement
Extrudeuse bivisClextralEvolum HT 53Extrudeuse bivis co-rotative et co-pénétrante à l’échelle pilote d’une longueur totale de 36D (D est le diamètre de la vis, c’est-à-dire 53 mm)
Four universelMemmertUN30Four utilisé pour la détermination de la teneur en humidité Machine d’essai
universelleInstron33R4204Machine d’essai utilisée pour déterminer les propriétés de flexion des panneaux de fibres
Four ventiléFrance EtuvesXL2520Four utilisé pour le séchage discontinu des extrudats à la sortie de l’extrudeuse bivis
Tamis vibrantRITECRITEC 600Tamis vibrant utilisé pour le tamisage du tourteau de lin plastifié
Tamis vibrant Tamiseur vibrantRITECRITEC 1800Agitateur de tamis utilisé pour éliminer les fibres libériennes courtes emprisonnées à l’intérieur des anas de lin oléagineux

Références

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