Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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。
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Protocol
1. 原材料の準備
- 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。ここでの目的は、重量供給器のホッパーにおける油性亜麻の震えの流れを改善し、したがって、二軸押出機への導入前にそれらの投下を促進することにある。 - Rouillyららで説明した方法論に従ってタンパク質を破壊/可塑化することによって得られる可塑化された亜麻仁ケーキを使用する。
注:そうすることで、タンパク質はより良い熱可塑性および粘着性の適性を示す。 - 1mmグリッドを取り付けたハンマーミルを使用して、可塑化された亜麻仁ケーキのアグログラニュールを粉砕し、500μm未満の粒子のみを保持するために得られた粉砕材料をふるいにかける。
2. 一定の重量供給装置とピストンポンプの適切な機能を確認する
- オペレータが生産中に動作する流量については、機械の詰まりを避けるために選択された(油性亜麻シブシジル(OFS)の場合は15kg/h、可塑化された亜麻仁ケーキの場合は1.50 kg/hから3.75 kg/hまで)、2つの一定のウェイトフィーダーに入力されたセット値と、これらのドーキングデバイスによって実際に分布する固体流量との間の対応を確認してください。
注:実際の固体流量は、既知の期間(5分)の一定重量フィーダーによって分配された固体の質量を計量することによって実験的に決定されます。設定値と実際の測定された流量との間に有意な偏差がある場合、これは計量フィーダーの誤動作を示している可能性があります。これを防ぐために、計量装置が配置されている領域に特に重点を置いて、全体のドージングユニットを徹底的に清掃する必要があります。実際、このタイプの誤動作の原因は、以前に使用された固体の痕跡がドージングユニットの最小のコーナーで見つかり得るため、デバイスのクリーニングが悪いことが非常に多い。問題が解決しない場合は、バランス自体の正しい測定をチェックし、必要に応じて再調整する必要があります。 - ピストンポンプを較正して、モーターの電力とポンプによって分配される実際の水流量との関係を確立します。
注: テストされた電力の各々について、実際の水流量は、ピストンポンプによって分布する水の質量を既知の時間(5分)の間計量することによって実験的に決定されます。5つの異なる電力が較正曲線を描くためにテストされる。テストされた最も高い電力は生産の間に選ばれたものより高い水流量を提供するように選ばれる。 - ポンプのキャリブレーションが完了したら、オペレータが生産中に作業する水流量(押出精製繊維の長さを保ちながら機械の詰まりを避けるため15kg/h)をチェックし、エンジンパワー用のピストンポンプに与えられた設定値と実際に分配される水流量との対応を確認します。
3. 二軸押出機を準備する
- 使用する機械構成に従って、二ねじ押出モジュール(AB1-GG-8D、FER、ABFタイプ)を次の1つ(2つのハーフクランプで)正しい順序で接続して正しく配置します。
- 繊維のデビブのみが行われる構成を設定します (図 1A)。
- あるいは、自然バインダーを追加して完了した構成を設定します(図1B)。
注: どちらの構成でも、最初のモジュールは油性亜麻のシブの導入に使用されます。8Dを持つタイプAB1-GG-8Dモジュールです長さ、Dはスクリュー径に対応する(すなわち、53mm)。このモジュールの大きな上部開口部は、主に震えの導入を容易にすることを目的としています。モジュール2~8は温度制御されています。これらは、構成の場合はモジュール5(ステップ3.1.2)を除き、閉じたモジュール(ステップ3.1.2)であり、これはABFタイプ(すなわち、メインバレル内の可塑化された亜麻仁ケーキの導入を強制するために使用されるサイドフィーダーの接続を確実にするサイド開口部を備えたモジュール)である。側面の供給者は一定のピッチおよび共役プロフィールの2つの共回転および共貫通アーキメディアンねじから成っている。
- 水入口パイプをモジュール2の端に横に置き、ピストンポンプを機械に接続します。
- 構成に使用するねじプロファイル (ステップ 3.1.1) または構成に使用されるねじ要素 (図2) を脇に置きます (図 3)。
注:これらのタイプ(T2F、C2F、C1F、CF1C、BB、またはINO0)、長さ、ピッチ(搬送および逆ねじ要素用)、および驚異的な角度(BBミキシングブロック用)を注意深くチェックして、正しいスクリュー要素であることを確認してください。 - 最初のペアから最後のペアまで、2 つのスプラインシャフトに沿ってねじ要素を挿入して、ねじプロファイル (図 3)を設定します。
注: テストされた 2 つの構成に使用されるねじプロファイルは異なり、両方とも以前の最適化25、26、27から得られます。 - ねじプロファイルを組み立てる場合は、スプラインシャフトに挿入したねじ要素のねじが、常に以前に組み立てられた要素と完全に一致していることを確認してください。
- ネジ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でネジで締め、機械のバレルを完全に閉じ、2つのネジポイントをメーカーが推奨する締め付けトルク(この研究で使用されるツインスクリュー押出機用の30daN m)に締め付けます。
- 機械のバレルを部分的に開き直した状態、すなわちシャフトが約1Dの距離でバレルに引き込まれた状態で、ねじを低速(25 rpm max)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。
注:ねじ要素の誤った取り付け(例えば、そのうちの1つのためのミスアライメント)の場合、ねじ要素の加速摩耗は必然的に観察されます。機械のバレルがほぼ完全に開いている両方のシャフトの回転をテストするとき、これはシャフトが正しく配置されたねじ要素の点で互いに接触する結果である。 - 両方のシャフトが完全にバレルの内側に閉じ込められるように、機械のバレルを完全に閉じます。
- バレルが閉じられたら、半分のクランプで機械にクランプし、バレルが完全に水平であることをレベルテスターの助けを借りて確認してください。
注:ツインスクリュー押出機のバレルが完全に水平でない場合、これは、ねじ要素やバレルの内壁の摩耗によって早期摩耗につながる可能性があります。 - ペリフェラル(導入する2つの固体用のウェイトフィーダーと注入する水用のピストンポンプ)をバレルに沿った必要な場所に配置する:油性亜麻の震えに使用されるフィーダーのモジュール1の上、サイドフィーダーのホッパー(それ自体はモジュール5に横に接続されている)の上に、プラスチック化された亜麻仁(ステップ3.2の場合)に使用されたものに対して(ステップ3.1.、および水注入のためのモジュール2の終わりに。
4. 設定(ステップ3.1.1)または構成(ステップ3.1.2)に従って二軸押出処理を行う
- 機械の監督から、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:構成(ステップ3.1.1)、給餌モジュール(モジュール1)の25°C、および以下のものについては110°C。構成(ステップ3.1.2)、モジュール1の場合は25°C、精製ゾーン(モジュール2~4)は110°C、プレミックス1(モジュール5~8)は80°C。
注:バレルの温度制御は、(i)各モジュールの周りに固定された2つの抵抗的な半分のクランプで(i)加熱し、モジュール内の冷たい水を循環させることによって冷却することによって、別のモジュールから別のモジュールに行われます。25 °Cは、給餌モジュールに対して特権を与えられます。繊維の効率的な精製のためには、110°Cの温度が好ましい。プレミックス操作には80°Cの温度で十分です。リファイニングゾーンとプレミックスゾーンは両方とも複数のモジュールに沿って配置されているため、同じゾーン内のすべてのモジュールに同じ設定温度が割り当てられます。 - 測定温度の安定性を待ち、これらの温度が設定点と等しいことを確認します。
メモ:測定温度は機械のコントロールパネルに与えられます。これらの温度の第二の制御を保障するために、バレルに沿って各モジュールのレベルで赤外線温度計でそれらを測定することも可能である。 - ゆっくりとねじを回します(つまり、最大50rpm)。
注:機械が空の間にねじが速すぎると、ネジ要素とバレルの内壁の早期研磨摩耗が発生する可能性があります。 - 二軸押出機に水(5kg/hの流量)をそっと供給します。
- 樽の端に水が出るまで約30s待ちます。
- 次に、3 kg/h の流量でモジュール 1 に溶性亜麻の震えを導入し始め、押出機から固体が出てくるのを待ちます (約 1 分)。
- 徐々に増加する(少なくとも3つの連続したステップで)ネジの速度、次に水流量と最後に所望の設定点に達するまで震え流量:それぞれ150rpm、15キロ/hおよび15キロ/h(表1)。
注: これらのセットポイントは、以前の研究で決定され、プロセス25、26、27の最適化の結果です。 - 時間の経過に伴うエンジンによって消費される電流の変動(電流の変動は125 A平均値から5%以下)に従って機械の安定化を待ちます。
メモ:安定化時間は通常10〜15分の範囲です。 - 構成(ステップ3.1.2)の場合のみ、機械がシジルおよび水の添加後にアンパージで安定した後、0.50 kg/hで、プラスチック化された亜麻仁ケーキの導入を開始し、所望の設定値に加えます。次に、可塑化された亜麻仁ケーキの流量を、所望の設定点まで3段階以上(1.50kg/hから3.75kg/hまで、シブに対する質量10%~25%の値に相当)を増加させる(表1)。
- 二ねじ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、次に、コンセントでの構成(ステップ3.1.1)または構成のためのプレミックス(ステップ3.1.2)のための押し出された震えのサンプリングを開始します。
注:ユニットを詰まらせないように、モーターによって引かれた電流は常にその限界値(すなわち、この研究で使用されるパイロットスケールの二軸押出機のための400 A)を下回る必要があります。したがって、この限界値が、フローの立ち上げフェーズ全体およびサンプリング中に到達しないことを確認する必要があります。製造中に、機械の冷却システムが設定値で少なくとも1つのモジュールの温度を維持できない場合、これは不適切なスクリュープロファイル(すなわち、この場所であまりにも制限的なねじ要素)の結果であり、処理された材料の局所的な自己加熱を引き起こす可能性があります。次に、例えば、加工される固体の熱重量分析(TGA)によって、この温度が繊維劣化を引き起こさないことを確認する必要があります。 - サンプリングプロセス全体の間、機械のバレルへの固体および水の有効な入り口を定期的に点検することによって機械供給がトラブルを起こさないようにしてください。
注:サンプリング時間全体の間に二ねじ押出機のモーターによって引かれた電流の安定したアンペレージは機械の安定した供給の確認である。 - 生産終了時に、2つの固体の注入ユニットとピストンポンプをオフにします。
- 徐々に50 rpmにネジの回転速度を下げながら、マシンを空にします。
- バレル端から何も出てこない場合は、モジュール1から大量に導入された多量の水でツインスクリュー押出機のバレルの内側を清掃し、ネジはまだ50rpmで回転します。固体残渣がバレルの出口で完全に消えるまで水を加えます。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。
5. 乾燥し、結果として生じる押出された押出(すなわち、押出精製されたシベまたはプレミックス)を調整する
- エクストルーデートが二軸押出プロセスの直後にファイバーボードに成形されない場合は、熱気流で8%から12%の湿度で乾燥させてからコンディショニングを行います。この目的のために、単純な換気オーブンを使用するか、または、乾燥する多量の押出物の場合には、連続的なベルト乾燥機を使用する。
注:このような湿度では、押出しは、時間の経過とともに真菌やカビの成長のリスクなしに調整することができます。包装は完全に密閉されたビニール袋で行われるべきであり、乾燥した場所に保管する必要があります。 - 繊維板成形が二軸押出プロセスの直後に行われる場合は、熱気流で3~4%の湿度で押し出しを乾燥させます。
注:以前の研究では、熱く押される固体の3%〜4%の水分含有量は、成形終了時に脱気現象を制限するのに理想的であることが示されました。それが発生し、それが制御されていない場合、脱ガスは、繊維板の内部に欠陥(例えば、水疱または亀裂)を生成することができ、これらの欠陥は、その機械的抵抗26、27、31、32に悪影響を及ぼす。押出し後に押し出しが8%~12%の水分含量で気密性の高いビニール袋に保管された後に熱いプレスを行う場合、それらはさらに乾燥させるべきです、すなわち、成形前に3%-4%まで。
6. 熱いプレスでファイバーボードを成形する
注:ホットプレスの動作条件は、以前の研究26、27、31、32に基づいて選択されています。
- 金型を予熱します。次に、金型内部で熱く押す固体材料を配置する。最後に、この固体材料を3分間予熱してから、圧力を加えます。
注: すべてのファイバーボードで製造された、成形されるミックスの震えの割合は、使用する金型が形状が正方形で、15 cmの側面を持つ場合、100 gの質量を表します。 - 生のシブで30MPaの圧力を加え、押し出したもので10MPa、20 MPa、または30 MPaを加える(表2)。
- 金型温度を200°Cに設定します。
注:温度は、9、26、27、28、31、32を得たボードの品質(特に曲げ特性)に大きく影響するため、その男性と女性の両方の部品に赤外線温度計で金型温度を確認することが重要です。 - 成形時間を150sに設定します。
- 可塑化された亜麻仁ケーキの内容が異なる異なるファイバーボードを製造(0%から25%)構成を介して二ねじ押出を介して得られた押出精製繊維(ステップ3.1.1)または構成を介して得られた3つのプレミックスのうちの1つ(ステップ3.1.2)を使用する(表1および表2)。
- 参考として、また、生のOFSに基づいて2つの追加の繊維板を製造し、一方は外因性バインダー(基板番号11)を添加せず、もう1つは可塑化された亜麻仁ケーキ(ボード番号12)を25%(w/w)を添加して製造する(表2)。
注: これら 2 つのボードの成形条件は同じ、すなわち、金型温度の場合は 200 °C、成形時間は 150 s、加圧の場合は 30 MPa です。
7. ファイバーボードの状態と特徴付け
- ファイバーボードが製造されたら、一定の重量が達成されるまで、60%の相対湿度と25°Cの気候室に置きます。
注:ファイバーボードは、湿度の面で調整され、安定します。 - 平衡化したら、ファイバーボードを試験片に切ります。
注:ファイバーボードを切断するための最も適したツールは、垂直バンドソーです。 - 試験片から、曲げ特性(ISO 16978:2003規格)、ショアD表面硬度(ISO 868:2003規格)、内部ボンド強度(ISO 16260:2016規格)、水に浸漬した後の水感度を24時間(ISO16983:2003標準)に標準化した試験を用いて、ファイバーボードの特性評価を進めます。
- ファイバーボードで測定された特性を、パーティクルボード(NF EN 312)の仕様に特化したフランス規格の推奨事項と比較して、可能な用途を決定します。
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Representative Results
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、添加される水の量は、機械の詰まりのリスクを排除するのに十分低いです。「自由」な水(すなわち、過剰に添加されたであろう水、および繊維によって吸収されなかったであろう部分)がない場合、それは、従って、除留ゾーンの最後に濾過モジュールを配置する必要はなかった。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した(表3)。論理的には、押出精製前処理時に液体抽出物生成がない場合、生のシジと押し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。外観の点では、押出精製繊維はふわふわした材料の形態を有する(図4、左下)。これは、押出プロセス、特に高いせん断速度が適用され、亜麻のシハイブ構造の改変に寄与することを意味する。これは、生のシブで得られた値と比較して、押し出されたシブの低い明らかな、そして叩かれた密度によって最初に確認された(表4)。繊維の形態学的解析も、繊維形態解析装置を用いてアスペクト比の非常に有意な増加としてこの最初の観察も確認した(表5)。
熱圧を用いて成形した油性亜麻シブからのバインダレスボードを考慮する場合、TMCは構成に従って二軸押出を用いて前処理を行う(ステップ3.1.1)ことは明らかに興味深い。実際、押し出されたシブの中でセルロースとヘミセルロースからのリグニンの分離が行われます。熱いプレスの間に、リグニンは容易に動員され、自然な結合剤として使用することができる。また、生のシハイブに比べて平均繊維アスペクト比が高いと、押出精製繊維の粒径プロファイルは、機械的補強の性能の点でより有利である。これは、押出繊維のみから作られた基板(基板番号1、3、7)、すなわち、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、生のシジルの熱圧によって得られたボードと比較して、いずれも有意に改善された使用特性を有する(基板番号11)ことを意味する(表6)。押し出された震えからのボード番号1は10MPaの圧力で熱く押されるが、生のシベチから成形される基板番号11よりも機械的性能の観点からは大幅に優れているが、圧力値は3倍(30 MPa)である。一方で、リグニンを内部バインダーとしてその後の動員のための二軸押出機における前処理の利点は、一方で、平均繊維アスペクト比を増加させるため、このように明確に実証される。基板番号1、3、および7の使用特性の比較は、曲げ強度、ショアD表面硬度、または浸漬後の材料の耐水性のいずれであっても、これらの特性に対する成形時の高い加圧の有益な効果を示しています。圧力が高くなるにつれて、リグニン系バインダーの動員が27に促進される。溶融相では、その粘度が低下し、繊維の湿潤が最適化されます。
構成(ステップ3.1.2)を使用して、シジルが除細化されると、可塑化された亜麻仁ケーキも二軸押出機に直接添加され、スクリュープロファイルの後半に精製された繊維と密接に混合された。可塑化された亜麻仁ケーキを10%から25%の間で添加した(表1)。親密な混合は、2つの連続したビロベパドル(BBエレメント)を使用し、ずらした列(90°)に取り付けられたもので得られました。これらはモジュール 7 と 8 のレベルに配置されます (図 3)。可塑化された亜麻仁ケーキを添加すると、機械の充填率が高いにもかかわらず、全比エネルギー消費量の観測増加は非常に小さくなります:1.35±0.04 kW h/kgの乾燥物質の最大値は、1.28±0.05 kW h/kgの乾燥物質の代わりに、シジルが浸透するが、外因性の添加なしの乾燥物質の場合は乾燥物質の1.35です。したがって、シブデビブに使用されるCF1C逆ねじ要素は、スクリュープロファイルの最も限定的な要素です。精製された繊維と亜麻仁ケーキの混合ゾーンは、したがって、機械の全体的なエネルギー消費量の増加に小さな程度に寄与する。
可塑化された亜麻仁ケーキを押出し精製繊維に添加すると、天然バインダーを濃縮したプレミックスが生じ、成形前に3%から4%の水分に乾燥する必要があります。全体として、この添加は、得られたファイバーボードの曲げ特性を増大させる(表6)。10 MPaの加圧の場合、25%の亜麻仁ケーキを添加すると、材料の曲げ強度が15%増加します(ボード番号1と2の比較)。2倍圧(20MPa)の場合、10%の亜麻系バインダー(ボード番号4)を加えると25%の増加が見られ、このバインダーの17.5%が加えると53%に上昇します(ボード番号5)。最後に、最高の形成圧力(30 MPa)の場合、曲げ強度の相対的な増加は最大(+12%)です。10%の亜麻仁ケーキが追加された場合(ボード番号7と8の比較)。
同時に、ショアD表面硬度と浸漬後の繊維板の耐水性は、プリミックス中の可塑化された亜麻仁ケーキ含有量とは大きく独立している。熱い押し付けの間に少なくとも20 MPaの圧力の適用は外因性結合剤の内容に関係なく、依然として厚さの膨脹の減少を伴う。このような形成条件下では、ハードボードの密度が高くなります。その後、内部空隙率が低下し、浸漬中の材料内部の水の拡散が減少します。
このようにプレミックスで亜麻仁ケーキが果たす外因性結合剤の役割は、プラスチックおよび接着挙動を有するタンパク質の有意な含有量(乾燥質量52の40.5%と推定される)の存在によって確認され、説明される。この役割は、油性亜麻タンパク質ベースの結合剤が生のシブに添加されたときにも確認される。実際、このバインダーの25%(基板番号12の場合)を有する場合、得られたボード(図4、右上)は、バインダーなしの3.6 MPaではなく10.6 MPaの曲げ強度を有する(基板番号11)。しかし、このパネルは押出精製繊維に基づくものすべてに比べて曲げ強度が低く、シジのTMC前処理が果たす本質的な役割を示す。
シハイブの除細化作用と同一の二軸ねじ装置内に外因性結合剤を加えた結果、23~25MPa程度の曲げ強度を有するファイバーボードが得られる。一例として、30MPa圧を加えて後者のプレミックスと熱圧に25%可塑化された亜麻仁ケーキを添加すると、対応する繊維板(基板番号10)は24.1MPaの曲げ強度、4.0GPaの曲げ弾性率、および0.70 MPaの内部ボンド強度を示す(図4、右下)。フランス規格(NF)EN 312(パーティクルボードの仕様に専用の規格)53の勧告に基づいて、このボードはすでにタイプP6ボードの機械的要件、すなわち、高ストレスで動作し、乾燥環境で使用されるボードの機械的要件を満たしています。24時間水に浸漬した後の厚みの腫れだけは、この規格(78%の代わりに16%の最大)の要件を満たしていません。術後処理(60°C30分間、 その後、80°Cで30分間、100°Cで45分間、60分間125°C、最後に90分間150°Cで室温に戻り、室温に戻って225分間)すると、最大49%の厚さの膨潤が減少し、同時に屈曲強度の増加(25.81.0±MPa)になります。しかし、この厚さの膨潤の減少は不十分なままである。将来の作業のために、他の追加のプロセス、例えば、コーティング、化学、または蒸気処理は、熱い圧入後に、この寸法安定性パラメータ27 をより大きく改善するために試験されるべきである。別の元の解決策は、ハイドロフォービング剤(例えば、植物油誘導体)を二軸押出機内のプレミックスに直接添加することができる。また、この最適なボードは、家の中で使用することができるので、それが市場に提案される前に、その耐火性を評価する必要があります。確かに、この特性は重要です。この材料の耐火性が不十分であることが判明した場合は、パネルが熱圧で成形される前に、ツインスクリュー押出機で直接プレミックスに耐火製品を添加することを考慮する必要があります。
図1:油性亜麻シブの唯一の繊維精製に使用される二軸押出機(A)の構成を簡略化し、(B)単一の押出機パスでの結合プロセス(油性亜麻シブの繊維精錬、可塑化された亜麻餅の添加、および2つの固体の親密な混合を含む)。 2 つのテスト済み構成のそれぞれについて、連続する単位操作について説明します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:スクリュープロファイルに沿って使用されるスクリュー要素の種類:(A)T2F、(B)C2F、(C)C1F、(D)CF1C、(E)BB、および(F)INO0スクリュー要素。(A)T2F要素は、その搬送作用に使用される台形二重飛行ねじである。糸の台形の形状により、T2F要素は非セルフクリーニングねじですが、非常に良好な搬送および嚥下特性を有します。したがって、それらは、使用される2つの固形物(すなわち、油性亜麻のシブ、および可塑化亜麻ケーキ)の供給領域に位置付けられている。(B)C2F要素は、コンジュゲートされた二重飛行ねじもその搬送作用に使用される。その糸の形はC2F要素の自己クリーニングねじを作る結合される。固体と液体が共存する場所に配置されます。(C)C1F要素は、単一飛行ねじです。C2F要素と比較して、これらの搬送ねじはより広い糸の紋章を有する。したがって、それらはC2F要素よりもよりよい推力および高い剪断効果を有する。(D)CF1C 要素は、左投げで、カットフライト、単一飛行のネジを結合します。これらの逆ねじ要素は、ねじプロファイルの中で最も制限が厳しい要素であり、最も重要な要素です。それらは材料の激しい混合および機械的なせん断、またその居住時間の増加を可能にする。CF1Cねじは繊維の除細動が起こる場所である。(E)BB要素は、ビロブパドルである。それらは材料に強い混合効果を可能にする。したがって、彼らは、油性亜麻を一方で加えた水で均質に含浸させ、押出精製繊維と可塑化された亜麻仁ケーキを密接に混合するために特に重要な親密な混合作用を促進する。(F)INO0 要素は、二重および単一飛行のねじの間で要素をリンクしています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:油性亜麻のシブの繊維精製のためのねじ構成(A) (B)単一の押出機パスにおける結合プロセスについては、油性亜麻シブの繊維精製、可塑化亜麻ケーキの添加、及び2つの固形物の親密な混合を含む。 次いで、モジュール2の終わりに水を注入する。固体と液体の親密な混合は、モジュール5のレベルで行われる。最後に、機械的剪断を通した繊維の機械的な除細化はモジュール8で行われる。(B)結合されたプロセスが単一の押出し器のパスで行われると、ねじプロファイルの前半(すなわち、モジュール1から4)に、水性亜麻のシベの繊維精製が行われ、その中間に可塑化された亜麻仁ケーキが加え、スクリュープロファイルの後半に沿って2つの固体が混入する。より正確には、可塑化された亜麻仁ケーキの導入は、モジュール5のレベルでサイドフィーダーを介して行われ、すなわち、繊維精錬工程の後、そして2つの固体の親密な混合がモジュール6〜8に沿って行われる。T2F、C2F、C1F、およびCF1Cの各ねじの場合、上記の2つの数字は、それぞれそのピッチと長さ(Dの割合、ねじ径)を示します。BBミキシングブロックの場合、それらはそれぞれ驚異的な角度と長さを表します。INO0 要素の長さは 0.25 D です。流量制限効果のあるねじ設定のゾーンは、シェーディングされた領域に対応します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:OFS(左上)とERF(左下)の油性亜麻の震え、ボード番号12(右上)と10(右下)の写真。 ボード番号12と10の両方に25%の可塑化された亜麻仁ケーキが含まれています。ボード番号12はOFS生のシベで作られていますが、ボード番号10はP3プレミックスに由来します(すなわち、押出し精製繊維が含まれています)。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
| 押出デミネーション | ERF | P1 | P2 | P3 |
| 構成 | (3.1.1.) | (3.1.2.) | (3.1.2.) | (3.1.2.) |
| 二軸押出条件 | ||||
| ねじ回転速度 (rpm) | 150 | 150 | 150 | 150 |
| 油性亜麻の流入流量 (kg/h) | 15.00 | 15.00 | 15.00 | 15.00 |
| 可塑化亜麻仁ケーキの流入流量(kg/h) | 0.00 | 1.50 | 2.63 | 3.75 |
| 注入水の流入流量(kg/h) | 15.00 | 15.00 | 15.00 | 15.00 |
表1:構成(A)および(B)に使用される二軸押し出し条件。 ERF、コンフィギュレーションから発生する押出精製ファイバ(ステップ3.1.1);P1、プレミックス番号1は、構成(ステップ3.1.2)から発生し、10%の含有量(シブの重量に比例して)可塑化された亜麻仁ケーキの含有量。P2、プレミックス番号2は、構成(ステップ3.1.2)から発生し、17.5%の含有量(シベの重量に比例して)可塑化された亜麻仁ケーキの。P3は、構成(ステップ3.1.2)から生じるプレミックス番号3(ステップ3.1.2)と、可塑化された亜麻仁ケーキの25%の含有量(シベの重量に比例して)を有する。
| ファイバーボード番号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 原料 | ERF | P3 | ERF | P1 | P2 | P3 | ERF | P1 | P2 | P3 | OFS | 整化亜麻仁ケーキのOFSプラス25%(w/w) |
| 金型温度(°C) | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 |
| 成形時間(複数可) | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 | 150 |
| 加圧(MPa) | 10 | 10 | 20 | 20 | 20 | 20 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
表2:ファイバーボードの製造に使用する成形パラメータ。 OFS、油性亜麻は震える(すなわち、以前は二軸押出を通じて処理されていない生のシベチ)。OFSと可塑化された亜麻仁ケーキから成り、基板番号12を製造するために用いられる固体混合物を、二重らせんミキサーを用いて機械的に得た。
| 材料 | OFS27 | ERF |
| 水分(%) | 8.4 ± 0.2 | 8.3 ± 0.2 |
| ミネラル(乾燥物質の割合) | 2.0 ± 0.1 | 2.0 ± 0.1 |
| セルロース(乾燥物質の% | 45.6 ± 0.4 | 44.3 ± 0.4 |
| ヘミセルロース(乾燥物の割合) | 22.4 ± 0.1 | 22.8 ± 0.1 |
| リグニン(乾燥物質の割合) | 25.1 ± 0.6 | 23.7 ± 0.5 |
| 水溶性成分(乾燥物質の割合) | 4.1 ± 0.1 | 4.3 ± 0.1 |
表3:押出精製前処理の前後に油性亜麻がシブする化学組成。水分中の内容物は、ISO 665:2000規格54に従って決定した。それらは、平衡化された材料、すなわち、気候室(60%相対湿度、25°C)での調整後に測定した。ミネラル中の内容は、ISO 749:1977規格55に従って決定された。セルロース中の内容物は、ヘミセルロース、およびリグニンを、酸性洗剤繊維(ADF)−中性洗剤繊維(NDF)製ヴァンソエスト及びワイン56,57の方法を用いて決定した。水溶性化合物中の内容物は、沸騰水中の1時間後の試験試料の質量損失を測定することによって測定した。すべての測定は重複して行われた。表の結果は、標準偏差±平均値に対応します。
| 材料 | 見かけの密度(kg/m3) | タップされた密度(kg/m3) |
| OFS27 | 117 ± 5 | 131 ± 4 |
| ERF | 71 ± 1 | 90 ± 1 |
表 4: 押出し精製前処理の前後に、油性亜麻の見かけと叩き込み密度が高い。油性亜麻のシブのタップ密度は、密度計を使用して三重で測定された。見かけの密度は圧縮前に得られた。表の結果は、標準偏差±平均値に対応します。n.d.、未決定。
| 材料 | ファイバ長 (μm) | 繊維径 (μm) | 縦横比 | 罰金 (%) |
| OFS27 | 5804 ± 4013 | 1107 ± 669 | 6 ± 6 | n.d. |
| ERF | 559 ± 27 | 20.9 ± 0.2 | 27 ± 2 | 56 ± 2 |
表5:押出精製前処理の前後に油性亜麻が震える形態学的特徴。 生のシベジの形態学的解析(すなわち、押出精製前処理前)は、約3,000個の粒子27のスキャンからソフトウェアを用いて画像解析を行った。押出精製されたシベのことは、繊維形態測定および特性解析用の分析装置を用いて行った。これらの測定に対して、三重で測定を行い、各実験に対して約15,000個の粒子を分析した。表の結果は、標準偏差±平均値に対応します。
| ファイバーボード番号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 曲げプロパティ | ||||||||||||
| 厚さ(mm) | 4.18 ± 0.07 | 5.03 ± 0.14 | 3.73 ± 0.11 | 3.88 ± 0.01 | 4.12 ± 0.02 | 4.56 ± 0.06 | 3.62 ± 0.12 | 3.81 ± 0.09 | 4.06 ± 0.12 | 4.37 ± 0.12 | 3.99 ± 0.07 | 4.69 ± 0.25 |
| 密度 (kg/m3) | 1051 ± 16 | 1165 ± 78 | 1191 ± 59 | 1241 ± 34 | 1256 ± 41 | 1248 ± 37 | 1213 ± 54 | 1268 ± 17 | 1274 ± 23 | 1253 ± 32 | 1069 ± 19 | 1181 ± 40 |
| 曲げ強度(MPa) | 11.6 ± 1.0 | 13.3 ± 1.4 | 16.6 ± 1.4 | 20.9 ± 2.2 | 25.5 ± 1.9 | 22.6 ± 2.1 | 21.7 ± 1.9 | 24.4 ± 1.8 | 23.5 ± 2.1 | 24.1 ± 2.5 | 3.6 ± 0.4 | 10.7 ± 0.9 |
| 弾性係数 (MPa) | 2474 ± 138 | 2039 ± 227 | 2851 ± 295 | 3827 ± 303 | 4272 ± 396 | 3806 ± 260 | 3781 ± 375 | 4612 ± 285 | 3947 ± 378 | 4014 ± 409 | 1071 ± 98 | 2695 ± 370 |
| ショア D サーフェス ハーネス (°) | 70.7 ± 2.2 | 69.0 ± 3.0 | 70.6 ± 1.9 | 70.5 ± 2.2 | 70.3 ± 2.0 | 71.1 ± 1.8 | 69.0 ± 2.7 | 70.8 ± 2.0 | 70.0 ± 2.2 | 71.0 ± 1.7 | 61.4 ± 4.8 | 61.8 ± 3.6 |
| 内部ボンド強度(MPa) | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | n.d. | 0.70 ± 0.05 | n.d. | n.d. |
| 24時間の間に水中に浸漬した後の水感受性 | ||||||||||||
| 厚さの腫れ (%) | 139.5 ± 14.3 | 135.4 ± 10.9 | 76.1 ± 6.8 | 73.1 ± 1.8 | 82.3 ± 5.6 | 90.5 ± 3.9 | 64.0 ± 4.2 | 87.1 ± 5.6 | 100.1 ± 4.4 | 77.7 ± 2.2 | 159.9 ± 11.1 | 179.8 ± 16.3 |
| 吸水量(%) | 145.4 ± 10.0 | 143.1 ± 16.2 | 66.5 ± 6.3 | 65.2 ± 3.5 | 69.1 ± 2.2 | 83.0 ± 5.0 | 54.4 ± 1.6 | 59.8 ± 1.1 | 86.3 ± 6.7 | 63.3 ± 1.7 | 156.8 ± 5.9 | 150.1 ± 7.0 |
表6:熱圧で製造した繊維板の機械的特性、厚み腫脹、および吸水性。 厚さおよび密度は、試験片を計量し、電子キャリパーを用いて寸法を測定することによって決定した。曲げ特性は、ISO 16978:2003規格58に従って決定された。ショアD表面硬度は、ISO 868:2003規格59に従って決定された。内部ボンド強度は、ISO 16260:2016規格60に従って決定した。水に浸漬した後の水感受性(すなわち、厚さ膨潤および吸水性)を、ISO 16983:2003規格61に従って決定した。全ての判定を4回行った。表の結果は、標準偏差±平均値に対応します。n.d.、未決定。
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Discussion
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)に対応する長さ。その長さは、単一のパスで複数の基本的な操作の連続を処理された材料に適用するのに十分な長さである、すなわち、供給、圧縮、繊維状固体と添加水の間の親密な混合、膨張、圧縮、強い剪断、そして膨張。ここでは、押出精製前処理を油性亜麻ストローからのシベに適用することに成功した。これらは、「全繊維」抽出装置51を用いて油性亜麻ストローから技術的な繊維を機械的に抽出した後に採取した残渣を構成する。同一の二軸スクリューマシンでは、押出精製工程の直後に除細化されたリグノセルロース系バイオマスに外因性結合剤を添加することもできる。スクリュープロファイルの後半は、このように精製された繊維とこの外部バインダーの親密なブレンドに専念しています。ここでは、これは追加のバインダーとして使用された以前に可塑化された亜麻仁ケーキです。それはさまざまな率を使用して精製繊維に加えられた(震えに比例して10%から25%まで)。得られた100%の油性亜麻ベースのプレミックスは、ホットプレスを介してハードボードに変換された。
繊維の精製だけでなく、外部バインダーの添加も可能な構成(ステップ3.1.2)に適用される多数の基本的な操作のために、使用される機械のバレルの長さは、処理の成功のために決定的である。36Dまたは40Dの長さよりも適切ですが、少なくとも32Dのバレル長が必要です。制限的な要素の2つの連続したゾーン間で輸送された混合物の拡大はより良く、これは固体混合物の成分と水の間の交換を支持する。
さらに、ねじプロファイルは、二ねじプロセス2、3、4にとって重要です。特に、制限領域(すなわち、激しい機械的作業の領域)は、細心の注意を払って選択する必要があります。ここでは、リグノセルロース系バイオマスの除細化に使用される逆ねじ元素と、天然バインダーを用いた精製繊維の除菌後の密接な混合の前に、このバイオマスと水を含浸させるために必要な混合元素に関する懸念をもたらす。これらの要素の類型(すなわち、逆ねじ要素のピッチ、および混合ブロックの幅および傾斜角)、それらのそれぞれの長さ、およびスクリュープロファイルに沿ったそれらの位置は、製造される製剤に適合させることができる。
同様に、作動条件の最適化(すなわち、固体の流入流量、水の流入流量、ねじ回転速度、および温度プロファイル)は、新しい製剤が2、3、4を生成するために必要となる。実際、スクリュープロファイルと同様に、実施する動作条件は、処理された各リグノセルロース系バイオマスの性質(例えば、セルロース、ヘミセルロースとリグニン間の分布、他の成分の存在、形態、入口における固体粒子の硬度など)に適合させる必要があります。このように、二軸押出機の充填率は、詰まりを避けながら、その滞留時間を最適化し、機械の生産性を向上させることを目的として、新しい製剤ごとに調整することができます。
したがって、ここで提示する除級前処理の主な制限である対ねじ装置の充填率である。加工する原料の性質、使用するスクリュープロファイル、および適用される押出条件(すなわち、固体の入力流量、液体/固形分比、およびねじ回転速度)に応じて、二軸ねじツール内部の混合物の平均滞留時間は同一ではない。機械の生産性を高めるために、目的は、常にそれに行われるTMC作業の十分な品質を維持しながら、処理された植物材料の流れを可能な限り増加させることである。
生産時に使用されるスクリュー回転速度で、その生産性を高めるために使用される二ねじ機の最大回転速度にできるだけ近く選択すると、固体材料と水の入ってくる流れが高くなりすぎると、マシンが過剰充填される可能性があります。したがって、機械が過剰充填されないように、最適な充填率を選択することが重要です。このような詰まりを避けるために、ツインスクリューツールは、少なくとも30分、すなわち、十分に長い時間のために使用されるべきです。製造中にそのモータによって消費される電流の安定性は、過給しない機械の確認になります。そのコントロールパネルは、時間の経過とともに電流の進化に従うことを容易にします。結論として、二ねじ押出技術は、したがって、合成樹脂を含まない再生可能なファイバーボードを製造するための汎用性と高性能ツールです。まず第一に、リグノセルロース繊維の連続的TMC欠乏は、精製繊維の平均アスペクト比の増加を通じて機械的補強に対するそれらの適性の増加につながり、行うことができる。この二軸ねじツールは、古典的に使用される他の除細化方法、すなわち、単純な研削、パルプ加工、蒸気爆発に代わる信頼できる代替手段と考えることができます。
稲わらに対して行われた最近の研究は、このツールが、紙のプロセスに起因する方法よりも、その除細化中の繊維の長さを保存する可能性を提供し、消化段階に続いて125を除き、減少させる可能性を示した。同じ研究はまた、二ねじ押出機で行われた除細量は水の消費が少なく、より低コストで行うことができることを示した。二軸除細取の間、リグニンの放出は、得られた繊維板27の凝集(自己結合による)に部分的に寄与する。これらは「自己結合ボード」と呼ばれています。
同じ二軸ねじ押出機で、よりコンパクトなために、従来精製された繊維に可変比率で外部バインダーを連続的に追加することも可能です。これにより、プレミックス準備ユニットの寸法作成だけでなく、生産時間とコストを削減できます。繊維の前処理とプレミックスの調製の全体的なプロセスは、このように繊維板ホットプレスの前に大幅に強化されています。外因性結合剤の添加は、得られた材料の使用特性の大幅な改善にも寄与する。この革新的なプロセスは、従って、異なるリグノセルロース性生物塊および異なる天然結合剤に適応することができるので、特に汎用性がある。
将来的には、ツインスクリューツールの優れた混合能力をさらに活用する必要があります。例えば、繊維板の耐水性を向上させる疎水剤、抗真菌剤、難燃剤、色等の様々な機能性添加剤の前混合物を補完するために使用することができ、最終成形プロセスに備え、完全に機能化されたプレミックスを提供する。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
何一つ
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Analogue durometer | Bareiss | HP Shore | Device used for determining the Shore D surface hardness of fiberboards |
| Ash furnace | Nabetherm | Controller B 180 | Furnace used for the mineral content determinations |
| Belt dryer | Clextral | Evolum 600 | Belt dryer used for the continuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder |
| Cold extraction unit | FOSS | FT 121 Fibertec | Cold extractor used for determining the fiber content inside solid materials |
| Densitometer | MA.TEC | Densi-Tap IG/4 | Device used for determining apparent and tapped densities of extrudates once dried |
| Double-helix mixer | Electra | MH 400 | Mixer used for preparing the solid mixture made of the raw shives and the plasticized linseed cake for producing board number 12 |
| Fiber morphology analyzer | Techpap | MorFi Compact | Analyzer used for determining the morphological characteristics of extrusion-refined shives |
| Gravimetric belt feeder | Coperion K-Tron | SWB-300-N | Feeder used for the quantification of the oleaginous flax shives |
| Gravimetric screw feeder | Coperion K-Tron | K-ML-KT20 | Feeder used for the quantification of the plasticized linseed cake |
| Hammer mill | Electra | BC P | Crusher used for the grinding of granules made of plasticized linseed cake |
| Heated hydraulic press | Pinette Emidecau Industries | PEI 400-t | Hydraulic press used for molding the fiberboards through hot pressing |
| Hot extraction unit | FOSS | FT 122 Fibertec | Hot extractor used for determining the water-soluble and fiber contents inside solid materials |
| Image analysis software | National Institutes of Health | ImageJ | Software used for determining the morphological characteristics of raw shives |
| Oleaginous flax straw | Ovalie Innovation | N/A | Raw material supplied for the experimental work |
| Piston pump | Clextral DKM | Super MD-PP-63 | Pump used for the water quantification and injection |
| Scanner | Toshiba | e-Studio 257 | Scanner used for taking an image of raw shives in gray level |
| Side feeder | Clextral | E36 | Feeder used to force the introduction of the plasticized linseed cake inside the barrel (at the level of module 5) for configuration (b) |
| Thermogravimetric analyzer | Shimadzu | TGA-50 | Analyzer used for conducting the thermogravimetric analysis of the solids being processed |
| Twin-screw extruder | Clextral | Evolum HT 53 | Co-rotating and co-penetrating pilot scale twin-screw extruder having a 36D total length (D is the screw diameter, i.e., 53 mm) |
| Universal oven | Memmert | UN30 | Oven used for the moisture content determinations |
| Universal testing machine | Instron | 33R4204 | Testing machine used for determining the bending properties of fiberboards |
| Ventilated oven | France Etuves | XL2520 | Oven used for the discontinuous drying of extrudates at the exit of the twin-screw extruder |
| Vibrating sieve shaker | RITEC | RITEC 600 | Sieve shaker used for the sieving of the plasticized linseed cake |
| Vibrating sieve shaker | RITEC | RITEC 1800 | Sieve shaker used for removing short bast fibers entrapped inside the oleaginous flax shives |
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