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Articolo metodologico

Processo di estrusione a doppia vite per produrre pannelli in fibra rinnovabile

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DOI:

10.3791/62072

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27 gennaio 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

In questo articolo

Sommario

È stato sviluppato un versatile processo di estrusione a doppia vite per fornire un efficiente pretrattamento termo-meccanico-chimico sulla biomassa lignocellulosica, che porta ad un aumento delle proporzioni medie delle fibre. Un legante naturale può anche essere aggiunto continuamente dopo la raffinazione delle fibre, portando a pannelli in fibra a base bio-con migliori proprietà meccaniche dopo la pressatura a caldo del materiale estruso ottenuto.

Abstract

È stato sviluppato un versatile processo di estrusione a doppia vite per fornire un efficiente pretrattamento termo-meccanico-chimico sulla biomassa lignocellulosica prima di utilizzarlo come fonte di rinforzo meccanico in pannelli in fibra completamente bio-based. Vari prodotti di coltura lignocellulosica sono già stati pretrattati con successo attraverso questo processo, ad esempio cannucce di cereali (in particolare riso), paglia di coriandolo, shive di paglia di lino oleaginosa e corteccia di fusti di amaranto e girasole.

Il processo di estrusione si traduce in un marcato aumento delle proporzioni medie delle fibre, portando a migliori proprietà meccaniche dei pannelli in fibra. L'estrusore a doppia vite può anche essere dotato di un modulo di filtrazione all'estremità della canna. L'estrazione continua di varie sostanze chimiche (ad esempio zuccheri liberi, emicellulosi, volatili da frazioni di olio essenziali, ecc.) dal substrato lignocellulosico e la raffinazione delle fibre possono, quindi, essere eseguite contemporaneamente.

L'estrusore può essere utilizzato anche per la sua capacità di miscelazione: un legante naturale (ad esempio, lignine Organosolv, oilcake a base proteica, amido, ecc.) può essere aggiunto alle fibre raffinate alla fine del profilo della vite. La premiscele ottenuta è pronta per essere modellata attraverso la pressatura a caldo, con il legante naturale che contribuisce alla coesione del fibratoio. Tale processo combinato in un unico passaggio estrusore migliora i tempi di produzione, i costi di produzione e può portare a una riduzione delle dimensioni di produzione dell'impianto. Poiché tutte le operazioni vengono eseguite in un unico passaggio, la morfologia delle fibre è meglio preservata, grazie a un ridotto tempo di residenza del materiale all'interno dell'estrusore, con conseguente miglioramento delle prestazioni del materiale. Tale operazione di estrusione in un'unica fase può essere all'origine di una preziosa intensificazione del processo industriale.

Rispetto ai materiali commerciali a base di legno, questi pannelli in fibra completamente bio-based non emettono alcuna formaldeide e potrebbero trovare varie applicazioni, ad esempio contenitori intermedi, mobili, pavimenti domestici, scaffalature, costruzione generale, ecc.

Introduzione

L'estrusione è un processo durante il quale un materiale che scorre viene forzato attraverso uno dao caldo. L'estrusione, quindi, consente la formazione di prodotti preriscaldati sotto pressione. Il primo estrusore industriale a vite singola apparve nel 1873. È stato utilizzato per la produzione di cavi metallici continui. Dal 1930 in poi, l'estrusione a vite singola è stata adattata all'industria alimentare per produrre salsicce e passato. Al contrario, il primo estrusore a doppia vite è stato utilizzato per la prima volta per gli sviluppi nell'industria alimentare. Non è apparso nel campo dei polimeri sintetici fino agli anni '40. A questo scopo, sono state progettate nuove macchine e il loro funzionamento è stato anchemodellato 1. È stato sviluppato un sistema con viti co-penetranti e co-rotanti, che consente di eseguire contemporaneamente la miscelazione e l'estrusione. Da allora, la tecnologia di estrusione si è sviluppata continuamente attraverso la progettazione di nuovi tipi di viti. Oggi, l'industria alimentare fa ampio uso dell'estrusione a doppia vite, sebbene sia più costosa dell'estrusione a vite singola in quanto l'estrusione a doppia vite consente l'accesso a prodotti finali e di lavorazione dei materiali più elaborati. È particolarmente utilizzato per la cottura estrusiva di prodotti amidacei, ma anche la testurizzazione delle proteine e la produzione di alimenti per animali domestici e mangimi per pesci.

Più recentemente, l'estrusione a doppia vite ha visto il suo campo di applicazione esteso al frazionamento termo-meccanico-chimicodella materia vegetale 2,3. Questo nuovo concetto ha portato allo sviluppo di veri e propri reattori in grado di trasformare o frazionare le materie impiantise in un'unica fase, fino alla produzione separata di un estratto e di un raffinate mediante separazione liquido/solido2,3,4. Il lavoro svolto presso il Laboratorio di Chimica Agroindustriale (LCA) ha evidenziato le molteplici possibilità della tecnologia a doppia vite per il frazionamento e la valorizzazione delle agrorisorse2,3. Alcuni esempi sono: 1) La pressatura meccanica e/o l'estrazione "verde" di solventidell'olio vegetale 5,6,7,8,9,10. 2) L'estrazione di emicellulosi11,12,pectine13,proteine14,15ed estratti polifenolici16. 3) La degradazione enzimatica delle pareti cellulari vegetali per la produzione di bioetanolo di secondagenerazione 17. 4) La produzione di materiali biocompositi conmatrici proteiche 18 o polisaccaride19. 5) La produzione di materiali termoplastici miscelando cereali e poliesteri a base biologica20,21. 6) La produzione di biocompositi mediante composizione di un polimero termoplastico, a base biologica o meno, e riempitivi vegetali22,23. 7) La defibrazione dei materiali lignocellulosici per la produzione di pastadi carta 13,24e pannelliin fibra 25,26,27,28,29,30,31,32.

L'estrusore a doppia vite è spesso considerato un reattore termo-meccanochico-chimico continuo (TMC). In effetti, combina in un unico passaggio azioni chimiche, termiche e, anche, meccaniche. Quello chimico si traduce nella possibilità di iniettare reagenti liquidi in vari punti lungo la canna. Quello termico è possibile grazie alla regolazione termica della canna. Infine, quello meccanico dipende dalla scelta degli elementi della vite lungo il profilo della vite.

Per la defibrazione di materiali lignocellulosici per produrre pannelli in fibra, le opere più recenti hanno utilizzato pagliadi riso 25,28,paglia di coriandolo26,29,lino oleaginososhives 27 così comegirasole 30,32 e amaranto31 cortecce. L'attuale interesse delle biomasse lignocellulosiche per tale applicazione (cioè il rinforzo meccanico) si spiega con il regolare esaurimento delle risorse forestali utilizzate per la produzione di materiali a base di legno. I residui delle colture sono economici e possono essere ampiamente disponibili. Inoltre, le attuali particelle di legno vengono mescolate con resine petrolchimiche che possono essere tossiche. Spesso rappresentano oltre il 30% del costo totale degli attuali materiali commerciali33, alcuneresine contribuiscono alle emissioni di formaldeide e riducono la qualità dell'ariainterna 34. L'interesse per la ricerca si è spostato sull'uso di leganti naturali.

La biomassa lignocellulosica è composta principalmente da cellulosa ed emicellulosi, formando un complesso eterogeneo. Le emicellulosi sono impregnate di strati di lignine che formano una rete tridimensionale attorno a questi complessi. L'uso della biomassa lignocellulosica per la produzione di pannelli in fibra richiede generalmente un pretrattamento della defibrazione. Per questo, è necessario abbattere le lignine che proteggono la cellulosa e le emicellulosi. Devono essere applicati pre-trattamentimeccanici, termici e chimici 35 o addirittura enzimatici36,37, 38. Questi passaggi aumentano anche l'auto-adesione delle fibre, che può promuovere la produzione di tavole senza legante27 anche se viene aggiunto più spesso un legante esogeno.

Lo scopo principale dei pre-trattamenti è quello di migliorare il profilo granulometrico delle fibre micrometriche. Una semplice rettifica offre la possibilità di ridurre la dimensione della fibra27,39,40. Economico, contribuisce ad aumentare la superficie specifica della fibra. I componenti della parete interna della cella diventano più accessibili e le proprietà meccaniche dei pannelli ottenuti vengono migliorate. L'efficienza della defibrazione è significativamente aumentata quando viene prodotta una polpa termomeccarica, ad esempio mediante digestione più defibrazione41,da diversi processi di polpa42 o dall'esplosione di vapore43,44,45,46,47. Più recentemente, LCA ha sviluppato un pretrattamento originale di fibre lignocellulosiche utilizzando l'estrusione a doppia vite25,26,27,28,29,30,31,32. Dopo la defibrazione TMC, l'estrusore consente anche la dispersione omogenea di un legante naturale all'interno delle fibre. La premisce risultante è pronta per essere pressata a caldo in pannelli in fibra.

Durante la defibrazione della paglia di riso, l'estrusione a doppia vite è stata confrontata con un processo di digestione piùdefibrazione 25. Il metodo di estrusione ha rivelato un costo significativamente ridotto, cioè nove volte inferiore a quello della polpa. Inoltre, la quantità di acqua aggiunta viene ridotta (rapporto liquido/solido 1,0 max invece di 4,0 min con il metodo di polpa), e si osserva anche un chiaro aumento delle proporzioni medie delle fibre raffinate (21,2-22,6 invece di 16,3-17,9). Queste fibre presentano una capacità di rinforzo meccanico altamente migliorata. Ciò è stato dimostrato per le fibre di paglia di riso, in cui la lignina pura non deteriorata (ad esempio, Biolignin) è stata utilizzata come legante (fino a 50 MPa per la resistenza alla flessione e il 24% per il gonfiore dello spessore dopo 24 ore di immersione in acqua)28.

L'interesse della defibrazione TMC nell'estrusore a doppia vite è stato confermato anche con paglia di coriandolo26. Le proporzioni delle fibre raffinate variano da 22,9 a 26,5 invece di solo 4,5 per le fibre semplicemente macinate. Le fibre di coriandolo al 100% sono state ottenute aggiungendo alle cannucce raffinate per l'estrusione una torta dal seme come legante proteico (40% in massa). La loro resistenza flessione (fino a 29 MPa) e soprattutto la loro resistenza all'acqua (fino al 24% di gonfiore dello spessore) sono state significativamente migliorate rispetto ai pannelli realizzati con paglia semplicemente frantumata. Inoltre, questi pannelli non emettono formaldeide e, di conseguenza, sono più rispettosi dell'ambiente e della salute umana rispetto al fibraio a media densità (MDF) e al truciolato29 classicamente presenti sul mercato.

Allo stesso modo, sono stati prodotti con successo pannelliinteramente a base di amaranto 31 e girasole32,che combinano fibre raffinate per l'estrusione dalla corteccia come rinforzo e torta di semi come legante proteico. Hanno mostrato punti di forza flessimentali rispettivamente di 35 MPa e 36 MPa. Tuttavia, la loro resistenza all'acqua è stata trovata inferiore: rispettivamente 71% e 87%, per gonfiore dello spessore. Pannelli auto-incollati a base di shives raffinati per l'estrusione di paglia di lino oleaginoso possono anche essereottenuti 27. In questo caso, è la frazione lignea, rilasciata durante la defibrazione TMC a doppia vite, che contribuisce all'auto-incollaggio. Tuttavia, i hardboard ottenuti mostrano una minore resistenza meccanica (solo 12 MPa di resistenza flessurale) e un gonfiore dello spessore molto elevato (127%).

Tutti i pannelli a base di fibra estrusa presentati sopra possono trovare applicazioni industriali e sono, quindi, alternative sostenibili agli attuali materiali commerciali a base di legno. Secondo i requisiti 48 ,49,50dell'OrganizzazioneInternazionale per la Standardizzazione (ISO), le loro applicazioni specifiche dipenderanno dalle loro caratteristiche meccaniche e di sensibilità dell'acqua.

In questo documento, viene descritta in dettaglio la procedura per estrudere e perfezionare le fibre lignocellulosiche prima di utilizzarle come rinforzo meccanico in pannelli rinnovabili. Come promemoria, questo processo riduce la quantità di acqua da aggiungere rispetto alle metodologie di polpa tradizionali, ed è anche meno dispendioso in termini di energia25. La stessa macchina a doppia vite può essere utilizzata anche per aggiungere un legante naturale alle fibre.

Più specificamente, viene presentato un contorno dettagliato per condurre l'estrusione-raffinazione a doppia vite di shives di lino oleoso(Linum usitatissimum L.). La paglia utilizzata in questo studio è stata ottenuta commercialmente. Proviene dalla varietà Everest e le piante sono state coltivate nella parte sud-occidentale della Francia nel 2018. Nello stesso passaggio estrusore, una torta di lino plastiata (utilizzata come legante esogeno) può anche essere aggiunta al centro della canna, e quindi mescolata intimamente agli shives raffinati lungo la seconda metà del profilo della vite. Una miscela omogenea avente la forma di un materiale soffice viene raccolta all'uscita della macchina. L'operazione TMC in un'unica fase viene condotta utilizzando una macchina su scala pilota. Il nostro obiettivo è quello di fornire una procedura dettagliata per gli operatori per condurre correttamente l'estrusione-raffinazione degli shives, e quindi l'aggiunta di torte. A seguito di questa operazione, la premiscela ottenuta è pronta per la successiva fabbricazione di hardboard 100% oleagino a base di lino mediante pressatura a caldo.

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Protocollo

1. Preparare le materie prime

  1. Utilizzare sciiti di lino oleagino, che sono il risultato di una fase preliminare di estrazione meccanica delle fibre bast dalla paglia in un dispositivo di estrazione "tutta fibra"51. Utilizzare un setaccio vibrante per rimuovere le fibre tessili corte che possono ancora contenere.
    NOTA: Poiché la rimozione di queste fibre tessili corte può essere difficile, non esitare a ripetere questa operazione di setacciatura tutte le volte che è necessario. Qui, l'obiettivo è quello di migliorare il flusso del lino oleaginoso nella tramoggia dell'alimentatore di peso e, quindi, facilitarne il dosing prima della loro introduzione nell'estrusore a doppia vite.
  2. Utilizzare una torta di lino plastiata, ottenuta destrutturando/plastizzando le proteine secondo la metodologia descritta da Rouilly etal.
    NOTA: In questo modo, le proteine mostrano migliori attitudini termoplastiche e adesive.
  3. Macinare gli agro-granulati di torta di lino plastizzata utilizzando un mulino a martelli dotato di una griglia da 1 mm, quindi setacciare il materiale macinato ottenuto per trattenere solo le particelle più piccole di 500 μm.

2. Controllare il corretto funzionamento degli alimentatori a peso costante e della pompa a pistone

  1. Per le portate alle quali l'operatore lavora durante la produzione, scelto per evitare l'intasamento della macchina (15 kg/h per gli shive di lino oleagino (OFS) e da 1,50 kg/h a 3,75 kg/h per la torta di lino plastificata), verificare la corrispondenza tra il valore impostato immesso nei due alimentatori a peso costante e le portate solide realmente distribuite da questi dispositivi di dosamento.
    NOTA: La portata solida effettiva è determinata sperimentalmente pesando la massa del solido distribuita dall'alimentatore di peso costante per un periodo di tempo noto (5 min). Se c'è una deviazione significativa tra il valore impostato e la portata effettiva misurata, ciò può indicare un malfunzionamento dell'alimentatore di pesata. Per evitare ciò, l'intera unità di dosing deve essere accuratamente pulita, con particolare attenzione all'area in cui si trova il dispositivo di pesatura. In effetti, la causa di questo tipo di malfunzionamento è molto spesso una cattiva pulizia del dispositivo, poiché tracce di solidi precedentemente utilizzati possono essere trovate negli angoli più piccoli dell'unità di dosing. Se il problema persiste, sarà quindi necessario controllare la corretta misurazione dell'equilibrio stesso e, se necessario, ricalibrarlo.
  2. Calibrare la pompa del pistone per stabilire una relazione tra la potenza elettrica del motore e la portata effettiva dell'acqua distribuita dalla pompa.
    NOTA: Per ogni potenza elettrica testata, la portata effettiva dell'acqua viene determinata sperimentalmente pesando la massa dell'acqua distribuita dalla pompa del pistone per un periodo di tempo noto (5 min). Vengono testate cinque diverse potenze elettriche per disegnare la curva di calibrazione. Viene scelta la massima potenza elettrica testata in modo da erogare una portata d'acqua più elevata di quella scelta durante la produzione.
  3. Una volta effettuata la taratura della pompa, verificare la portata dell'acqua alla quale l'operatore lavora durante la produzione (15 kg/h per evitare l'intasamento della macchina preservando la lunghezza delle fibre raffinate all'estrusione) la corrispondenza tra il valore impostato dato alla pompa del pistone per la potenza del motore e la portata d'acqua effettivamente distribuita.

3. Preparare l'estrusore a doppia vite

  1. Disporre correttamente i moduli estrusori a doppia vite (tipi AB1-GG-8D, FER e ABF) collegandoli uno dopo l'altro (per mezzo morsetto) nell'ordine corretto in base alla configurazione della macchina da utilizzare:
    1. Impostare la configurazione per la quale avviene solo la defibrazione della fibra (Figura 1A).
    2. In alternativa, impostare la configurazione completata con l'aggiunta del legante naturale (Figura 1B).
      NOTA: Per entrambe le configurazioni, il primo modulo viene utilizzato per l'introduzione di shives di lino oleaginoso. Questo è un modulo di tipo AB1-GG-8D, che ha un lunghezza, D corrispondente al diametro della vite (cioè 53 mm). L'ampia apertura superiore di questo modulo ha principalmente lo scopo di facilitare l'introduzione degli shives. I moduli da 2 a 8 sono a temperatura controllata. Si tratta di moduli chiusi (tipo FER), ad eccezione del modulo 5 in caso di configurazione (fase 3.1.2), di tipo ABF (cioè modulo dotato di apertura laterale per garantire il collegamento dell'alimentatore laterale utilizzato per forzare l'introduzione della torta di lino plastiizzata all'interno della canna principale). L'alimentatore laterale è costituito da due viti archimedee co-rotanti e co-penetranti di passo costante e profilo coniugato.
  2. Posizionare lateralmente il tubo di ingresso dell'acqua alla fine del modulo 2 per collegare la pompa del pistone alla macchina.
  3. Accantonare gli elementi della vite (Figura 2) necessari per impostare il profilo della vite, sia quello utilizzato per la configurazione (passaggio 3.1.1) sia quello utilizzato per la configurazione (passaggio 3.1.2) (Figura 3).
    NOTA: Assicurarsi che questi siano gli elementi della vite corretti controllando attentamente il loro tipo (T2F, C2F, C1F, CF1C, BB o INO0), la lunghezza, il passo (per gli elementi della vite di trasporto e inverso) e il loro angolo di sfalsamento (per i blocchi di miscelazione BB).
  4. Impostare il profilo della vite (Figura 3) inserendo gli elementi della vite lungo i due alberi stecche, dalla prima coppia all'ultima.
    NOTA: I profili a vite utilizzati per le due configurazioni testate, sono diversi ed entrambi derivano dall'ottimizzazioneprecedente 25,26,27.
  5. Quando si assembla il profilo della vite, assicurarsi che i filetti degli elementi della vite appena inseriti sugli alberi sfilati siano sempre perfettamente allineati con gli elementi assemblati in precedenza.
  6. Una volta assemblato l'intero profilo della vite, avvitare a mano i punti della vite all'estremità dei due alberi, chiudere completamente la canna della macchina e quindi stringere i due punti vite alla coppia di serraggio raccomandata dal produttore (30 daN m per l'estrusore a doppia vite utilizzato in questo studio) utilizzando una chiave di coppia.
  7. Con la canna della macchina parzialmente riaperta, cioè con gli alberi retratti nella canna su una distanza di circa 1D, ruotare le viti a bassa velocità (25 giri/min max) per garantire che l'intero profilo della vite sia montato correttamente.
    NOTA: In caso di installazione errata degli elementi della vite (ad esempio, il disallineamento per uno di essi), si osserverà inevitabilmente l'usura accelerata degli elementi della vite. Quando si testa la rotazione di entrambi gli alberi con la canna della macchina quasi completamente aperta, ciò si traduce in alberi che si toccano l'un l'altro nel punto dell'elemento vite posizionato in modo errato.
  8. Chiudere completamente la canna della macchina in modo che entrambi gli alberi siano completamente intrappolati all'interno della canna.
  9. Una volta chiusa la canna, fissarla alla macchina con semi morsetti e assicurarsi, con l'aiuto di un tester di livello, che la canna sia perfettamente orizzontale.
    NOTA: Se la canna dell'estrusore a doppia vite non è perfettamente orizzontale, ciò può portare a un'usura prematura per abrasione degli elementi della vite e / o delle pareti interne della canna.
  10. Posizionare le periferiche (gli alimentatori di peso per i due solidi da introdurre e la pompa a pistone per l'acqua da iniettare) nei punti richiesti lungo la canna: sopra il modulo 1 per l'alimentatore utilizzato per gli shives di lino oleagino, sopra la tramoggia dell'alimentatore laterale (a sua volta collegato lateralmente al modulo 5) per quello utilizzato per la torta di lino plastificata (caso di configurazione (solo fase 3.1.2) , e alla fine del modulo 2 per l'iniezione d'acqua.

4. Effettuare il trattamento di estrusione a doppia vite in base alla configurazione (fase 3.1.1) o alla configurazione (passaggio 3.1.2)

  1. Dalla supervisione della macchina, inserire le temperature impostate di ciascuno dei moduli e avviare il controllo della temperatura della canna: per la configurazione (fase 3.1.1), 25 °C per il modulo di alimentazione (modulo 1) e 110 °C per i seguenti; per la configurazione (fase 3.1.2), 25 °C per il modulo 1, 110 °C per la zona di raffinazione (moduli da 2 a 4) e 80 °C per quello di premiscelazione (moduli da 5 a 8).
    NOTA: Il controllo della temperatura della canna viene effettuato separatamente da un modulo all'altro mediante (i) riscaldamento con due semi morsetti resistivi fissati attorno a ciascun modulo e (ii) raffreddamento facendo circolare acqua fredda all'interno del modulo. Un 25 °C è privilegiato per il modulo di alimentazione. Per una raffinazione efficiente delle fibre, si preferisce una temperatura di 110 °C. Una temperatura di 80 °C è sufficiente per l'operazione di premiscelatura. Poiché le zone di raffinazione e premiscelazione si trovano entrambe lungo più moduli, a tutti i moduli della stessa zona viene assegnata la stessa temperatura impostata.
  2. Attendere la stabilità delle temperature misurate e assicurarsi che queste temperature siano uguali ai set point.
    NOTA: Le temperature misurate sono fornite sul pannello di controllo della macchina. Al fine di garantire un secondo controllo di queste temperature, è anche possibile misurarle con un termometro a infrarossi a livello di ogni modulo lungo la canna.
  3. Ruotare lentamente le viti (cioè 50 giri/min max).
    NOTA: L'usura abrasiva prematura degli elementi della vite e delle pareti interne della canna può verificarsi se le viti girano troppo rapidamente mentre la macchina è vuota.
  4. Alimentare delicatamente l'estrusore a doppia vite con acqua (portata di 5 kg/h).
  5. Attendere circa 30 s fino a quando l'acqua esce alla fine della canna.
  6. Quindi, iniziare a introdurre il lino oleaginoso shives nel modulo 1 a una portata di 3 kg / h e attendere (per circa 1 minuto) che il solido inizi a uscire dall'estrusore.
  7. Aumentare gradualmente (almeno in tre fasi successive) la velocità delle viti, quindi la portata dell'acqua e infine la portata degli shives fino al raggiungere i set point desiderati: rispettivamente 150 giri/min, 15 kg/h e 15 kg/h(tabella 1).
    NOTA: Questi set point sono stati determinati in studi precedenti e derivano dall'ottimizzazione delprocesso 25,26,27.
  8. Attendere la stabilizzazione della macchina seguendo l'evoluzione della corrente elettrica consumata dal motore nel tempo (variazione della corrente elettrica non superiore al 5% rispetto al valore medio di 125 A).
    NOTA: Il tempo di stabilizzazione è di solito nell'intervallo da 10 a 15 minuti.
  9. Solo per la configurazione (fase 3.1.2), iniziare a introdurre la torta di lino plastizzata a 0,50 kg/h una volta che la macchina si è stabilizzata in amperaggio dopo gli shives e l'acqua oltre ai valori impostati desiderati. Quindi, aumentare la portata della torta di lino plastizzata in almeno tre fasi successive fino al set point desiderato (da 1,50 kg/h a 3,75 kg/h, che corrisponde a valori tra il 10% e il 25% in massa rispetto agli shives)(tabella 1).
  10. Una volta che la corrente elettrica consumata dal motore estrusore a doppia vite è perfettamente stabile, assicurarsi che il profilo di temperatura misurato lungo la canna sia conforme ai valori impostati forniti dall'operatore, quindi iniziare a campioare gli shive estrusi per la configurazione (fase 3.1.1) o la premiscela per la configurazione (fase 3.1.2) all'uscita.
    NOTA: Per non ostruire l'unità, la corrente prelevata dal motore deve rimanere sempre al di sotto del suo valore limite (cioè 400 A per l'estrusore a doppia vite in scala pilota utilizzato nel presente studio). Si dovrebbe pertanto verificare che questo valore limite non venga raggiunto durante l'intera fase di ramp-up del flusso e durante il campionamento. Durante la produzione, se il sistema di raffreddamento della macchina non è in grado di mantenere la temperatura di almeno un modulo al valore impostato, questa può essere la conseguenza di un profilo a vite inappropriato (cioè elementi a vite troppo restrittivi in questa posizione), che provoca un autoriscaldamento locale del materiale trattato. È quindi necessario assicurarsi, ad esempio, mediante un'analisi termogravimetrica (TGA) del solido in lavorazione, che questa temperatura non causi alcuna degradazione della fibra.
  11. Durante l'intero processo di campionamento, assicurarsi che l'alimentazione della macchina sia senza problemi controllando regolarmente l'ingresso effettivo di solidi e acqua nella canna della macchina.
    NOTA: Un amperaggio stabile della corrente prelevata dal motore dell'estrusore a doppia vite durante l'intero tempo di campionamento è una conferma di un'alimentazione stabile della macchina.
  12. Al termine della produzione, spegnere le due unità di dosamento solido e la pompa a pistone.
  13. Svuotare la macchina riducendo gradualmente la velocità di rotazione delle viti a 50 giri/min.
  14. Quando non esce nulla dall'estremità della canna, pulire l'interno della canna dell'estrusore a doppia vite con molta acqua, introdotta in grande eccesso dal modulo 1, mentre le viti ruotano ancora a 50 giri/min. Aggiungere acqua fino a quando i residui solidi scompaiono completamente all'uscita della canna. Quindi, interrompere la rotazione delle viti e spegnere il controllo di riscaldamento della macchina.

5. Asciugare e condizionare gli estrusati risultanti (cioè shives o premiscele raffinati con estrusione)

  1. Quando gli estrusedi non devono essere modellati in pannelli di fibra immediatamente dopo il processo di estrusione a doppia vite, asciugarli con un flusso d'aria calda a un'umidità compresa tra l'8% e il 12% prima del loro condizionamento. A tal fine, utilizzare un semplice forno ventilato o, nel caso di grandi quantità di estruso da asciugare, un essiccatore a nastro continuo.
    NOTA: Con tale umidità, gli estrusedi possono essere condizionati senza il rischio di crescita di funghi o muffe nel tempo. L'imballaggio deve essere effettuato in sacchetti di plastica perfettamente sigillati, che devono essere conservati in un luogo asciutto.
  2. Asciugare gli estrusati con flusso d'aria calda a un'umidità compresa tra il 3% e il 4% quando lo stampaggio in fibra di legno avviene immediatamente dopo il processo di estrusione a doppia vite.
    NOTA: Studi precedenti hanno dimostrato che un contenuto di umidità dal 3% al 4% del solido da pressare a caldo è ideale per limitare i fenomeni di degassamento alla fine dello stampaggio. Quando si verifica e non è controllato, il degassamento può generare difetti (ad esempio, vesciche o crepe) all'interno del cartongesso, e questi difetti hanno un impatto negativo sulla sua resistenzameccanica 26,27,31,32. Quando la pressatura a caldo viene eseguita dopo che gli estrusioni sono stati conservati in sacchetti di plastica ermetici con un contenuto di umidità dall'8% al 12%, devono essere asciugati ulteriormente, cioè fino al 3%-4%, prima dello stampaggio.

6. Modellare le pannelli in fibra premendo a caldo

NOTA: Le condizioni operative per la pressatura a caldo sono state scelte sulla base di studiprecedenti 26,27,31,32.

  1. Preririffescere lo stampo. Quindi, posizionare il materiale solido da premere a caldo all'interno dello stampo. Infine, preririvole questo materiale solido per 3 minuti prima di applicare la pressione.
    NOTA: Per tutti i pannelli in fibra prodotti, la proporzione di shives nel mix da modellare rappresenta una massa di 100 g quando lo stampo utilizzato è di forma quadrata e con lati di 15 cm.
  2. Applicare una pressione di 30 MPa con gli shives grezzi e 10 MPa, 20 MPa o 30 MPa con quelli estrusi(tabella 2).
  3. Impostare la temperatura dello stampo su 200 °C.
    NOTA: Poiché la temperatura influenza notevolmente la qualità (in particolare le proprietà di piegatura) delle schedeottenute 9,26,27,28,31,32, è importante controllare la temperatura dello stampo con un termometro a infrarossi sia sulle sue parti maschili che femminili.
  4. Impostare il tempo di stampaggio su 150 s.
  5. Produrre diversi pannelli in fibra con diversi contenuti di torta di lino plastizzata (dallo 0% al 25%) utilizzando le fibre raffinate per l'estrusione ottenute mediante estrusione a doppia vite tramite configurazione (fase 3.1.1) o una delle tre premiscele ottenute tramite configurazione (fase 3.1.2)(tabella 1 e tabella 2).
  6. Come riferimenti, fabbricare anche due pannelli in fibra supplementari a base di OFS grezzi, uno senza aggiunta di legante esogeno (scheda numero 11) e l'altro con l'aggiunta del 25% (w/w) di torta di lino plastizzato (scheda numero 12)(tabella 2).
    NOTA: Per queste due schede, le condizioni di stampaggio sono le stesse, cioè 200 °C per la temperatura dello stampo, 150 s per il tempo di stampaggio e 30 MPa per la pressione applicata.

7. Condizionare e caratterizzare le pannelli in fibra

  1. Una volta prodotte le fibre, posizionarle in una camera climatica al 60% di umidità relativa e 25 °C fino a raggiungere un peso costante.
    NOTA: Le fibre di legno saranno quindi condizionate e stabilizzate in termini di umidità.
  2. Una volta equilibrati, tagliare le fibre di legno in campioni di prova.
    NOTA: Lo strumento più adatto per il taglio di pannelli in fibra è una sega a banda verticale.
  3. Dalle provette, procedere con la caratterizzazione delle pannelli in fibra utilizzando test standardizzati per le proprietà di piegatura (standard ISO 16978:2003), durezza superficiale Shore D (standard ISO 868:2003), resistenza del legame interno (standard ISO 16260:2016) e sensibilità dell'acqua dopo immersione in acqua per 24 ore (standard ISO 16983:2003).
  4. Confrontare le proprietà misurate per le fibre di legno con le raccomandazioni dello standard francese dedicato alle specifiche per le schede di particelle (NF EN 312) al fine di determinarne i possibili usi.

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Risultati

Durante la raffinazione delle fibre di lino oleaginoso utilizzando la configurazione (fase 3.1.1), l'acqua è stata deliberatamente aggiunta con un rapporto liquido/solido pari a 1,0. Secondo i lavori precedenti25,26,27, un tale rapporto liquido/solido preserva meglio la lunghezza delle fibre raffinate all'uscita dell'estrusore a doppia vite rispetto ai rapporti inferiori, il che contribuisce contemporaneamente ad aumentare le lo...

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Discussione

Il protocollo qui delineato descrive come elaborare l'estrusione-raffinazione delle fibre lignocellulosiche prima di utilizzarle come rinforzo meccanico in tavole rinnovabili. Qui, l'estrusore a doppia vite utilizzato è una macchina su scala pilota. Con viti di 53 mm di diametro (D), è dotato di otto moduli, ciascuno di lunghezza 4D, ad eccezione del modulo 1 che ha un 8D lunghezza, corrispondente a una lunghezza totale 36D (cioè 1.908 mm) per la canna. La sua lunghezza è abbastanza lunga da applicare al materiale lavora...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Durometro analogicoBareissHP Shore Dispositivoutilizzato per determinare la durezza superficiale Shore D dei pannelli di fibra
Forno per ceneriNabethermController B 180Forno utilizzato per la determinazione del contenuto di minerali
Essiccatore a nastroClextralEvolum 600Essiccatore a nastro utilizzato per l'essiccazione continua degli estrusi all'uscita dell'estrusore bivite
Unità di estrazione a freddoFOSSFT 121 FibertecEstrattore a freddo utilizzato per determinare il contenuto di fibre all'interno di materiali solidi
DensitometroMA. TECDensi-Tap IG/4Dispositivo utilizzato per determinare le densità apparenti e maschiate degli estrusi una volta essiccati
Miscelatore a doppia elicaElectraMH 400Miscelatore utilizzato per la preparazione della miscela solida composta dai canecchi grezzi e dal panello di semi di lino plastificato per la produzione della scheda numero 12
Analizzatore morfologico delle fibreTechpapMorFi CompactAnalizzatore utilizzato per la determinazione delle caratteristiche morfologiche dei peli raffinati per estrusione
Alimentatore gravimetrico a nastroCoperion K-TronSWB-300-NAlimentatore utilizzato per la quantificazione dei cantelli
oleosi di lino Alimentatore gravimetrico a cocleaCoperion K-Tron K-ML-KT20Alimentatore utilizzato per la quantificazione del panello di lino plastificato
Mulino a martelliElectraBC PFrantoio utilizzato per la macinazione di granuli di panello di semi di lino plastificato
Pressa idraulica riscaldataPinette Emidecau IndustriesPEI 400-tPressa idraulica utilizzata per lo stampaggio dei pannelli di fibra mediante pressatura a caldo
Unità di estrazione a caldoFOSSFT 122 FibertecEstrattore a caldo utilizzato per la determinazione del contenuto di fibre e idrosolubili all'interno di materiali solidi
Softwaredi analisi delle immaginiNational Institutes of HealthImageJSoftware utilizzato per la determinazione delle caratteristiche morfologiche dei canacchi
paglia di lino oleaginosaOvalie Innovation, N/AMateria prima fornita per il lavoro sperimentale
Pompa a pistoneClextral DKM, Super MD-PP-63Pompa utilizzata per la quantificazione e l'iniezione dell'acqua
ScannerToshibae-Studio 257Scanner utilizzato per scattare un'immagine di canaspi grezzi in livello di grigio
Alimentatore lateraleClextralE36Alimentatore utilizzato per forzare l'introduzione del panello di semi di lino plastificato all'interno del fusto (a livello del modulo 5) per la configurazione (b)
Analizzatore termogravimetricoShimadzuTGA-50Analizzatore utilizzato per condurre l'analisi termogravimetrica dei solidi in lavorazione
Estrusore biviteClextralEvolum HT 53Estrusore bivite su scala pilota co-rotante e co-penetrante con una lunghezza totale di 36D (D è il diametro della vite, cioè 53 mm)
Forno universaleMemmertUN30Forno utilizzato per la determinazione del contenuto di umidità
Macchina di prova universaleInstron33R4204Macchina di prova utilizzata per determinare le proprietà di flessione dei pannelli di fibra
Forno ventilatoFrancia EtuvesXL2520Forno utilizzato per l'essiccazione discontinua degli estrusi all'uscita dell'estrusore bivite
Setacciatorevibrante RITECRITEC 600Setacciatore utilizzato per la setacciatura del panello di semi di lino plastificato
Setacciatore vibranteRITECRITEC 1800Setacciatore utilizzato per la rimozione delle fibre corte di rafia intrappolate all'interno dei cangili oleosi di lino
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Riferimenti

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