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Engineering

双螺丝挤压工艺，以生产可再生纤维板

Published: January 27, 2021 doi: 10.3791/62072
Automatic Translation
1, 1, 1,2,3, 3, 1, 1
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

Summary

开发了多功能双螺杆挤压工艺，为木质细胞生物量提供高效的恒温-机械化学预处理，从而提高了平均纤维纵横比。纤维精炼后还可以连续添加天然粘合剂，从而在热压获得挤压材料后，生物基纤维板具有改进的机械性能。

Abstract

开发了一种多用途的双螺杆挤压工艺，可在木质细胞分子生物质上提供高效的恒温-机械化学预处理，然后将其用作全生物基纤维板机械加固的来源。通过这一过程，各种木质细胞素作物副产品已经成功地进行了预处理，例如谷物稻草（特别是大米）、香菜稻草、从卵泡亚麻稻草中抽水，以及阿马兰和向日葵茎的树皮。

挤压过程导致平均纤维纵横比显著提高，从而提高了纤维板的机械性能。双螺杆挤出器也可以在桶的末端安装过滤模块。从木质细胞基质中连续提取各种化学物质（如无糖、血糖、精油馏分挥发物等），因此纤维精炼可以同时进行。

挤出机还可用于其混合能力：天然粘合剂（如有机木质素，蛋白油饼，淀粉等）可以添加到螺丝轮廓末端的精炼纤维中。获得的预混音可通过热压成型，天然粘合剂有助于纤维板的凝聚。这种组合工艺在单一的挤出机通过提高生产时间，生产成本，并可能导致工厂生产规模的减少。由于所有操作都是一步一步进行的，纤维形态保存得更好，这要归功于挤出器内材料的居住时间缩短，从而提高了材料性能。这种一步一步的挤出操作可能是宝贵的工业过程强化的起源。

与商用木基材料相比，这些完全基于生物的纤维板不会排放任何甲醛，它们可以找到各种应用，如中间容器、家具、家用地板、搁板、一般建筑等。

Introduction

挤压是一个过程，在此期间，流动的材料被迫通过热死。因此，挤出允许在压力下形成预热产品。第一台工业单螺杆挤出机出现于1873年。它用于制造金属连续电缆。从1930年起，单螺杆挤出适应食品工业生产香肠和过去。相反，第一台双螺杆挤出机已首次用于食品工业的发展。直到20世纪40年代，它才出现在合成聚合物领域。为此，设计了新的机器，其操作也建模了1。开发了一个具有共穿透和共旋转螺丝的系统，允许同时进行混合和挤压。此后，通过新型螺丝的设计，挤出技术不断发展。今天，食品行业广泛使用双螺杆挤压，虽然它比单螺杆挤出更昂贵，因为双螺杆挤出允许进入更精细的材料加工和最终产品。它特别用于淀粉制品的挤压烹饪，但也用于蛋白质的纹理和宠物食品和鱼饲料的制造。

最近，双螺杆挤压的应用领域已扩展到植物物质2、3的恒温-机械化学分馏。这一新概念已导致真正的反应堆的发展，能够改变或分馏工厂的问题，在一个单一的步骤，以单独生产提取物和通过液体/固体分离2，3，4的擦除。在农工化学实验室（LCA）进行的工作突出了双螺杆技术对农用资源2、3的分馏和价值化的多种可能性。其中一些例子是：1）植物油的机械压榨和/或"绿色"溶剂萃取5、6、7、8、9、10。2） 提取血细胞素11，12，肽13，蛋白质14，15，和多酚提取物16.3） 生产第二代生物乙醇的植物细胞壁的酶降解17。4） 生产含有蛋白质18或多糖19基质的生物复合物材料。5） 通过混合谷物和生物聚酯20，21生产热塑性材料。6） 通过混合热塑性聚合物（生物基与否）和植物填充剂22、23生产生物复合物。7） 用于生产纸浆13、24和纤维板25、26、27、28、29、30、31、32的木质细胞材料的去除。

双螺杆挤出器通常被认为是一个连续的热-机械化学（TMC）反应堆。事实上，它结合了一步化学，热，以及机械操作。化学一导致在桶的不同点注射液体试剂的可能性。由于桶的热调节，热电一个是可能的。最后，机械一个取决于沿螺钉轮廓的螺丝元件的选择。

为了去除木质细胞质材料来生产纤维板，最近的作品使用了稻草25、28、香菜稻草26、29、卵磷脂皮27以及向日葵30、32和阿马兰31树皮。木质细胞生物量目前对这种应用的兴趣（即机械加固）是由用于生产木本材料的森林资源经常枯竭所解释的。作物残留物价格低廉，可能广泛可用。此外，目前的木材颗粒与石油化工脂混合，可能有毒。往往占目前商业材料总成本的30%以上33，一些脂质有助于甲醛的排放，降低室内空气质量34。研究兴趣已转向使用天然粘合剂。

木质细胞生物量主要由纤维素和血细胞组成，形成异质复合物。血细胞素浸渍在木质层中，这些褐金素层在这些复合物周围形成一个三维网络。使用木质细胞生物量制造纤维板通常需要除颤预处理。为此，有必要分解保护纤维素和血糖的木质素。机械、热和化学35，甚至酶36，37，38预处理必须应用。这些步骤还增加了纤维的自粘性，即使最常添加外源粘合剂，也能促进无粘合板27的生产。

预处理的主要目的是改善微量纤维的颗粒大小。简单的研磨提供了减少纤维尺寸27，39，40的可能性。价格低廉，有助于增加纤维特异性表面。内细胞壁的组件变得更加容易接近，获得的面板的机械性能得到改善。当产生热力机械纸浆时，除颤效率显著提高，例如，通过消化加除颤41，从不同的制浆过程42或蒸汽爆炸43，44，45，46，47。最近，LCA开发了使用双螺杆挤压25，26，27，28，29，30，31，32的木质细胞纤维的原始预处理。TMC除颤后，挤出器还使纤维内自然粘合剂的均匀分散。由此产生的预混音准备被热压入纤维板。

在除颤稻草的过程中，将双螺杆挤压与消化加除颤过程25进行比较。挤出方法显示成本显著降低，即比制浆方法低九倍。此外，还观察到加水量减少（1.0最大液/固体比，而不是用制浆方法4.0分钟），并观察到精炼纤维的平均纵横比（21.2-22.6而不是16.3-17.9）的明显增加。这些纤维具有高度提高的机械增强能力。这表现在稻草为基础的纤维板，其中纯非恶化木质素（如Biolignin）用作活页夹（高达50 MPa弯曲强度和24%厚度膨胀后24小时浸入水中）28。

TMC对双螺杆挤出机的去除兴趣也已用香菜吸管26得到证实。精炼纤维的纵横比从 22.9-26.5 不等，而简单的地面纤维的纵横比仅为 4.5。100% 基于香菜的纤维板是通过在挤出精制吸管中加入一个蛋糕作为蛋白质粘合剂（质量为 40%）获得的。与单纯压碎的吸管制成的面板相比，它们的柔韧强度（高达 29 MPa），尤其是对水的抵抗力（厚度膨胀高达 24%）显著提高。此外，这些面板不排放甲醛，因此，它们比市场上经典发现的中密度纤维板（MDF）和刨花板29 更环保、更有利于人体健康。

同样，完全基于amaanth31 和向日葵32的面板，结合了树皮中的挤出精炼纤维作为强化和种子蛋糕作为蛋白质活页夹，成功生产。他们分别表现出35MPa和36MPa的柔韧性优势。然而，他们发现，他们的抗水性较低：71%和87%，分别为厚度膨胀。基于从渗出亚麻吸管中挤出精制垫片的自粘板也可获得27个。在这种情况下，是双螺杆 TMC 除颤过程中释放的连体分数有助于自我粘合。然而，获得的硬板显示较低的机械强度（只有12 MPa弹性强度），和非常高的厚度肿胀（127%）。

以上介绍的所有挤出纤维基面板都可以找到工业应用，因此是当前商业木基材料的可持续替代品。根据国际标准化组织（ISO）的要求，48、49、50，其具体应用将取决于其机械和水的灵敏度特性。

本文详细描述了在再生板中使用木质细胞纤维作为机械加固之前挤压和精炼木质细胞纤维的程序。提醒一下，与传统的制浆方法相比，这个过程减少了水的添加量，而且能耗也更低。同一台双螺杆机也可用于在纤维中添加天然粘结剂。

更具体地说，提出了从卵泡亚麻（利努姆乌西塔西姆 L.）吸管进行双螺杆挤压精炼的详细大纲。这项研究中使用的稻草是商业获得的。它来自珠穆朗玛峰品种，植物于2018年在法国西南部种植。在同一挤出器通，一个塑料亚麻籽蛋糕（用作外源粘合剂）也可以添加到桶的中间，然后紧密地混合到精致的垫沿螺丝轮廓的后半部分。机器插座收集具有蓬松材料形式的同质混合物。TMC 的一步操作使用中试秤机进行。我们的目标是为操作员提供一个详细的程序，以便正确进行石块的挤压精炼，然后添加蛋糕。在此操作之后，获得预混音已准备好使用热压法后续生产 100% 基于乳胶的亚麻硬板。

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Protocol

1. 准备原材料

  1. 使用渗水亚麻，这是机械提取"全纤维"提取装置51中稻草的巴斯特纤维的初步阶段的结果。使用振动筛去除可能仍包含的短纺织纤维。
    注意：由于去除这些短纺织纤维可能很困难，请根据需要多次重复此筛分操作。在这里，目标是改善重量喂料器漏斗中的卵泡亚麻的流动，因此，在引入双螺杆挤出器之前，便于其施用。
  2. 使用塑料亚麻籽蛋糕，通过破坏/塑化蛋白质获得，根据Rouilly等人描述的方法。
    注意：通过这样做，蛋白质表现出更好的热塑性和粘合能力。
  3. 使用装有 1 mm 网格的锤子磨碎塑料亚麻籽蛋糕的农用颗粒，然后筛下获得的研磨材料，仅保留小于 500μm 的颗粒。

2. 检查恒定重量喂料器和活塞泵的正常功能

  1. 对于操作员在生产过程中工作的流量，选择避免机器堵塞（15 kg/h 为卵泡亚麻（OFS），从 1.50 kg/h 到 3.75 kg/h 的塑化亚麻籽蛋糕），检查输入到两个恒定重量喂食器的设定值与这些给定设备真正分布的固体流速之间的对应关系。
    注：实际固体流速通过权衡恒定重量馈线在已知时间段（5分钟）内分布的固体质量来实验确定。如果设定值与实际测量的流速之间存在显著偏差，则这可能表示称重馈线出现故障。为了防止这种情况，应彻底清洁整个配给装置，特别强调称重装置所在的区域。事实上，这种类型的故障的原因往往是设备清洁不良，因为以前使用的固体的痕迹可以在给料单元的最小角落找到。如果问题仍然存在，则有必要检查余额本身的正确测量，并在必要时重新校准余额。
  2. 校准活塞泵，以建立电机的电力与泵分配的实际水流速之间的关系。
    注：对于每个测试的电力，实际水流速通过权衡活塞泵在已知时间段（5分钟）内分配的水的质量来进行实验性确定。测试了五种不同的电力来绘制校准曲线。选择测试的最高功率，以便它提供比生产过程中选择的更高的水流速。
  3. 泵校准完成后，检查操作员在生产过程中的工作水流速（15 kg/h，以避免机器堵塞，同时保持挤出精炼纤维的长度），发动机功率给活塞泵的设定值与实际分配的水流速之间的对应关系。

3. 准备双螺杆挤出机

  1. 根据要使用的机器配置，通过一个接一个（通过两个半夹子）连接双螺杆挤出器模块（AB1-GG-8D、FER 和 ABF 类型），正确排列双螺杆挤出器模块：
    1. 设置仅进行纤维除颤的配置（图 1A）。
    2. 或者，设置配置，并添加自然粘合剂（图1B）完成。
      注意：对于这两种配置，第一个模块用于引入渗漏亚麻片。这是一个AB1-GG-8D模块，它有一个8D长度，D 对应于螺丝直径（即 53 毫米）。此模块的大上部开口主要是为了便于引入垫片。模块 2 到 8 受温度控制。它们是封闭的模块（类型 FER），但配置情况下的模块 5（步骤 3.1.2）除外，该模块属于 ABF 类型（即配备侧开口的模块，以确保用于强制在主桶内引入塑化亚麻籽蛋糕的侧馈线的连接）。侧馈线由两个共同旋转和共穿透恒距和共联轮廓的阿奇门迪安螺丝组成。
  2. 将水入口管道横向放置在模块 2 的末尾，以便将活塞泵连接到机器。
  3. 将设置螺钉配置文件所需的螺丝元件（图 2）放在一边，无论是用于配置的螺钉（步骤 3.1.1）或用于配置的螺钉元件（步骤 3.1.2）（图 3）。
    注意：通过仔细检查它们的类型（T2F、C2F、C1F、CF1C、BB 或 INO0）、长度、间距（用于输送和反向螺丝元件）及其惊人的角度（用于 BB 混合块），确保这些螺钉元件是正确的。
  4. 通过沿两个拼接轴插入螺钉元件（图 3）来设置螺钉配置文件（从第一对到最后一对）。
    注：用于测试的两种配置的螺丝配置文件是不同的，并且都来自之前的优化 25、26、27。
  5. 组装螺钉轮廓时，确保插入夹头轴上的螺钉元素的螺纹始终与先前组装的元件完全对齐。
  6. 组装完整个螺钉轮廓后，用手拧紧两轴末端的螺丝点，完全关闭机器的筒子，然后用扭矩扳手将两个螺钉点拧紧到制造商推荐的紧固扭矩（本研究中使用的双螺杆挤出器为 30 daN m）。
  7. 随着机器的筒子部分重新打开，即轴在大约 1D 的距离内缩回到桶中，以低速（最大 25 rpm）转动螺钉，以确保整个螺钉轮廓正确安装。
    注意：如果螺杆元件安装不正确（例如其中一个元件的不对齐），将不可避免地观察到螺杆元件的加速磨损。当测试两个轴的旋转与机器的桶几乎完全打开，这导致轴接触对方在位置不正确的螺丝元件点。
  8. 完全关闭机器的桶，使两个轴完全被困在桶内。
  9. 一旦枪管关闭，用半夹子将其夹在机器上，并在水平测试员的帮助下确保桶完全水平。
    注意：如果双螺杆挤出器的桶不是完全水平的，则可能导致螺杆元件和/或桶内壁磨损的过早磨损。
  10. 定位外围设备（引入两个固体的重量馈线， 和活塞泵的水被注入）在所需的地方沿桶：上面模块1用于卵泡亚麻垫片的支线，在侧支线的漏斗（本身横向连接到模块5）为一个用于塑化亚麻籽蛋糕（配置的情况下（仅步骤3.1.2），并在模块2的末尾进行注水。

4. 根据配置（步骤 3.1.1） 或配置（步骤 3.1.2） 进行双螺杆挤压处理

  1. 从机器的监控中，输入每个模块的设定温度，并开始控制桶的温度：用于配置（步骤 3.1.1）、馈送模块（模块 1） 的 25 °C 和以下模块的 110 °C：用于配置（步骤 3.1.2）、用于模块 1 的 25 °C、用于精炼区 110 °C（模块 2 到 4）和用于预混合的 80 °C（模块 5 到 8）。
    注：桶的温度控制由一个模块单独进行，由 （一） 加热，每个模块周围固定两个电阻半夹，（ii） 通过在模块内循环冷水进行冷却。25°C 的馈送模块享有特权。为了高效提炼纤维，首选110°C的温度。80 °C 的温度足以进行预混合操作。由于精炼和预混合区域都位于几个模块中，同一区域的所有模块都分配相同的设定温度。
  2. 等待测量温度的稳定性，并确保这些温度与设定点相等。
    注意：测量的温度在机器的控制面板上给出。为了确保对这些温度进行第二次控制，也可以用红外温度计测量每个模块沿桶的水平。
  3. 慢慢转动螺丝（即最大50转）。
    注意：如果螺钉在机器空时转得太快，则可能会过早磨损螺杆元件和桶的内壁。
  4. 用水（5公斤/小时流速）轻轻喂双螺杆挤出器。
  5. 等待大约30，直到水在桶的末端出来。
  6. 然后，开始以 3 kg/h 流速在模块 1 中引入卵泡亚麻，并等待（约 1 分钟）固体开始从挤出器中出来。
  7. 逐渐增加（至少连续三步）螺丝的速度，然后水流速，最后抖动流速，直到达到所需的设定点：150转/分钟，15公斤/小时和15公斤/小时，分别（表1）。
    注：这些设定点是在以前的研究中确定的，并且是过程优化的结果25、26、27。
  8. 通过跟随发动机随时间消耗的电流的演变（电流的变化从 125 A 平均值不超过 5%）来等待机器稳定。
    注意：稳定时间通常在 10 到 15 分钟之间。
  9. 仅对于配置（步骤 3.1.2），在机器在除水和水添加到所需的设定值后，以 0.50 kg/h 的速度开始引入塑化亚麻籽蛋糕。然后，将塑化亚麻籽蛋糕的流速至少连续三步提高到所需的设定点（从 1.50 kg/h 到 3.75 kg/h，按质量对应 10% 到 25% 之间的值）（表 1）。
  10. 双螺杆挤出机电流完全稳定后，确保沿桶测量的温度轮廓符合操作员给出的设定值，然后开始采样挤压的垫片进行配置（第 3.1.1 步）或出口处配置的预混（步骤 3.1.2）。
    注意：为了不堵塞装置，电机绘制的电流必须始终低于其限制值（即本研究中使用的导引秤双螺杆挤出器的 400 A）。因此，应检查在整个流量上升阶段和采样过程中未达到此限制值。在生产过程中，如果机器的冷却系统无法保持至少一个模块的温度在其设定值，这可能是一个不适当的螺丝轮廓（即在这个位置限制性太强的螺丝元件）的结果，这会导致处理材料的局部自热。然后，有必要确保，例如，通过正在处理的固体的温度测量分析 （TGA），该温度不会导致任何纤维降解。
  11. 在整个取样过程中，通过定期检查固体和水的有效进入机器桶，确保机器进料无故障。
    注：在整个采样过程中，双螺杆挤出机的电机绘制的电流稳定放大，证实了机器的稳定进给。
  12. 生产结束时，关闭两个固体给注装置和活塞泵。
  13. 清空机器，同时逐渐将螺丝的旋转速度降低到 50 rpm。
  14. 当桶端没有出任何东西时，用大量的水清洁双螺杆挤出器的桶内，从模块 1 中引入大量过量，而螺丝仍在 50 rpm 旋转。加入水，直到固体残留物在桶出口完全消失。然后，停止螺丝的旋转，并关闭机器的加热控制。

5. 干燥并调节由此产生的挤压（即挤出精制垫片或预混）

  1. 当挤出物在双螺杆挤压过程后不能立即模制成纤维板时，用热气流将它们干燥到调理前的 8% 到 12% 之间的湿度。为此，使用简单的通风烤箱，或在大量挤出干燥的情况下，连续皮带干燥机。
    注意：在这样的湿度下，挤出物可以调节，而不会随着时间的推移出现真菌或霉菌生长的风险。包装应在完全密封的塑料袋中进行，塑料袋应存放在干燥的地方。
  2. 当双螺杆挤出过程后立即进行纤维板成型时，将热气流的挤出物干燥至 3% 到 4% 之间的湿度。
    注：先前的研究表明，3%至4%的固体被热压的湿度是限制成型结束时脱气现象的理想选择。当它发生，它不被控制，脱气可以产生缺陷（如水泡或裂缝）在纤维板内，这些缺陷有负面影响，其机械电阻26，27，31，32。当在挤出物储存在含水量为 8% 至 12% 的密封塑料袋中后进行热压时，应进一步干燥，即在成型前应进一步干燥，即高达 3%-4%。

6. 通过热压塑造纤维板

注：热压的操作条件是在以往研究26、27、31、32的基础上选择的。

  1. 预热模具。然后，将固体材料放置在模具内加热压。最后，在施加压力之前，将这种固体材料预热3分钟。
    注意：对于生产的所有纤维板，当使用的模具为方形且有 15 厘米两侧时，要成型的混合物中的垫片比例代表 100 克的质量。
  2. 使用生垫压 30 MPa，使用挤压的（表 2）施加 10 MPa、20 MPa 或 30 MPa 的压力。
  3. 将模具温度设置为 200 °C。
    注：由于温度对板的质量（特别是弯曲特性）有很大影响，因此用红外温度计检查其男性和女性部件的模具温度非常重要。
  4. 将成型时间设置为 150 s。
  5. 制造不同纤维板，不同含量的塑化亚麻籽蛋糕（0%至25%）使用通过配置（步骤 3.1.1）或通过配置（步骤 3.1.2）获得的三个预混（步骤 3.1.2）（表 1 和 表 2）获得的挤压精炼纤维。
  6. 作为参考，还根据原始的 OFS 生产另外两块纤维板，一块不添加外源粘合剂（板号 11），另一块则添加 25% （w/w） 的塑化亚麻籽蛋糕（板号 12） （表 2）。
    注意：对于这两个板，成型条件相同，即模具温度为 200 °C，成型时间为 150 s，应用压力为 30 MPa。

7. 纤维板的状况和特征

  1. 一旦纤维板已经生产出来，将它们放置在一个气候室在60%的相对湿度和25°C，直到达到恒定的重量。
    注意：然后纤维板将根据湿度进行调节和稳定。
  2. 一旦平衡，将纤维板切成测试标本。
    注：最适合切割纤维板的工具是垂直带锯。
  3. 从测试标本中，使用标准化的弯曲性能测试（ISO 16978：2003 标准）、岸 D 表面硬度（ISO 868：2003）对纤维板进行定性 标准）、内部粘结强度（ISO 16260：2016 标准）和浸入水中后水敏度为 24 h（ISO 16983：2003 标准）。
  4. 比较纤维板测量的特性与专门针对粒子板规格的法国标准的建议，以确定其可能用途。

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Representative Results

在使用配置（步骤 3.1.1）对含卵亚麻水进行纤维精炼时，故意以等于 1.0 的液体/固体比率添加水。根据先前的25、26、27年作品，这种液体/固体比率比较低的比率更能保持双螺杆挤出口精炼纤维的长度，同时有助于提高其平均纵横比。此外，添加的水量足够低，可以消除机器堵塞的任何风险。因此，在没有"免费"水（即会过量添加的水，其中一部分不会被纤维吸收）的情况下，没有必要将过滤模块放置在除颤区的末端。经过挤压精炼预处理后，确定了挤出精炼纤维的化学成分（表3）。从逻辑上讲，在挤出精炼预处理过程中没有产生液体提取物的情况下，在生垫片和挤出物之间没有明显的化学成分差异。在外观方面，挤出精制纤维具有蓬松材料的形式（图4，左下角）。这意味着挤出过程，特别是采用的高剪切率，有助于亚麻抖动结构的改变。与用生垫获得的值（表4）相比，挤出的垫片的表观密度和挖掘密度较低，这首先证实了这一点。纤维的形态分析也证实了这一首次观测，因为使用纤维形态分析装置（表5）观察到其纵横比显著增加。

考虑使用热压成型的无铅亚麻片的无粘结板时，TMC 根据配置（步骤 3.1.1）使用双螺杆挤出进行除颤预处理，显然具有兴趣。事实上，在挤压的垫片中，木质素与纤维素和血糖分离。因此，在热压过程中，木质素可以很容易地被调集并用作天然粘合剂。此外，由于平均纤维纵横比高于生纤维，挤出精炼纤维的颗粒尺寸剖面在机械加固性能方面更为有利。这意味着，仅由挤出纤维（板号 1、3 和 7）制成的板，即不添加塑料亚麻籽蛋糕作为外部粘合剂，不仅具有所有三种凝聚力，而且与通过热压生垫（板 11）（表 6）获得的板相比，其使用性能显著提高。虽然从挤出的垫片中，1号板在压力只有10MPa的压力下被热压，但从机械性能来看，它甚至比从原始垫片中成型的11号板要好得多，但压力值是原垫片的三倍（30 MPa）。因此，双螺杆挤出器预处理一方面可以明显地证明，将木质素作为内部粘合剂进行调动，另一方面用于提高平均纤维宽比。对板号 1、3 和 7 的使用特性的比较还显示了在成型过程中高应用压力对这些属性的有益影响，无论是柔韧强度、岸 D 表面硬度，还是浸入后材料的防水性。随着压力的增大，以木质素为基础的活页夹的动员被推广到27。在熔融阶段，其粘度降低，纤维湿润优化。

使用配置（步骤 3.1.2），一旦除颤，塑化亚麻籽蛋糕也直接添加到双螺杆挤出器中，并在螺丝轮廓的后半部分与精制纤维紧密混合。塑化亚麻籽蛋糕的含量在10%至25%之间（表1）。由于连续使用两系列的比洛贝桨（BB元素），安装在交错的行（90°），获得亲密的混合。这些模块位于模块 7 和 8 的水平（图 3）。添加塑化亚麻籽蛋糕时， 尽管机器的填充量较高，但观察到的总特定能耗增加非常小：1.35 ± 0.04 kW h/kg 的干物质最大值，而不是 1.28 ± 0.05 kW h/kg 的干物质，在配置的情况下（步骤 3.1.1），其中垫片被除法，但没有添加外源粘合剂。因此，用于抖抖除颤的 CF1C 反向螺杆元件是螺钉轮廓中最严格的元素。因此，精制纤维和亚麻籽蛋糕的混合区在一定程度上增加了机器的整体能耗。

在挤出精制纤维中加入塑化亚麻籽蛋糕可产生富含天然粘合剂的预混音，在成型前必须干燥至水分含量在 3% 到 4% 之间。总的来说，这种添加增加了获得的纤维板的弹性特性（表6）。对于 10 MPa 的施加压力，添加 25% 的亚麻籽蛋糕可使材料的柔韧强度增加 15%（与板数 1 和 2 的比较）。对于加倍压力（20 MPa），当添加 10% 亚麻活页夹（板数 4）时，观察到增加 25%;如果添加此活页夹的 17.5%（板数 5），则增加 53%。最后，对于最高形成压力（30 MPa），弯曲强度的相对增加最大（+12%）当添加 10% 亚麻籽蛋糕时（7 号和 8 号板的比较）。

同时，浸入后岸D表面硬度和纤维板的防水性在很大程度上独立于预混的塑化亚麻籽蛋糕含量。热压期间至少施加 20 MPa 的压力，无论外源粘合剂含量如何，仍伴随着厚度膨胀的减少。在这样的形成条件下，硬板的密度增加。然后减少其内部孔隙，从而减少浸入过程中材料内水的扩散。

因此，亚麻籽蛋糕在预混音中所起的外源性粘结剂的作用得到证实和解释，因为存在含有大量含有塑料和粘合剂行为的蛋白质（估计占其干质量52的40.5%）。当将基于亚麻蛋白的活页夹添加到原始垫片中时，这一作用也得到了确认。事实上，使用此活页夹的 25%（板号 12）的板获得（图 4，右上图）具有 10.6 MPa 的柔韧强度，而不是只有 3.6 MPa 无活页夹（板号 11）。然而，该面板的弯曲强度低于所有基于挤出精制纤维的纤维，说明了TMC预处理垫片所起的重要作用。

由于除雾和在同一双螺杆装置中添加外源粘合剂的组合作用，获得了弯曲强度约为 23 至 25 MPa 的纤维板。例如，通过施加 30 MPa 压力，在预混音和热压中加入 25% 的塑化亚麻籽蛋糕，相应的纤维板（板 10）显示弯曲强度为 24.1 MPa，柔性模态为 4.0 GPa，内部粘结强度为 0.70 MPa（图4，右下）。根据法国标准 （NF） EN 312 （专用于粒子板规格的标准）53的建议，该板已满足 P6 型板的机械要求，即在高应力下工作的板，用于干燥环境。只有浸入水中24小时后其厚度膨胀不符合此标准的要求（78%，而不是最大16%）。治疗后（60 °C 30分钟，然后80°C 30分钟， 然后 100 °C 45 分钟，然后 125 °C 60 分钟，最后 150 °C 90 分钟，然后返回室温 225 分钟）的这种材料导致厚度膨胀减少高达 49%，同时增加柔韧强度 （25.8 ± 1.0 MPa）.然而，这种减少厚度肿胀仍然不够。对于未来的工作，其他额外的过程，如涂层，化学，或蒸汽处理，热压后应测试，以改善这个维度稳定参数27 在更大程度上。另一个原始的解决方案可能是在双螺杆挤出器的预混料中加入疏水剂，例如植物油衍生物。此外，由于这种最佳板可能用于房屋内部，因此在向市场推荐之前，需要评估其防火性能。事实上，这一特点至关重要。如果这种材料的耐火性不足，应在面板通过热压成型之前考虑将防火产品直接添加到双螺杆挤出器的预混料中。

Figure 1
图1：用于（A）用于唯一的纤维精炼的双螺杆挤出器的简化配置，以及（B）用于单个挤出器通过的组合工艺，包括卵泡绒垫的纤维精炼、添加塑料化亚麻籽蛋糕，以及两个固体的亲密混合。 对于两个测试配置中的每一个，都提到了连续的单位操作。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2：沿螺钉配置文件使用的螺丝元件类型：（A） T2F、（B） C2F、（C） C1F、（D） CF1C、（E） BB 和（F） INO0 螺丝元件。 （A） T2F 元件是用于输送动作的梯形双飞螺钉。由于其螺纹的梯形形状，T2F元件是非自清洁螺丝，但具有非常好的输送和吞咽特性。因此，它们位于所使用的两种固体（即卵泡亚麻和塑料亚麻籽蛋糕）的喂养区域。（B） C2F 元件是结合的双飞行螺丝，也用于其输送操作。其螺纹的形状是结合的，这使得C2F元素自清洁螺丝。它们位于固体和液体共存的位置。（C） C1F 元件为单飞行螺丝。与 C2F 元件相比，这些输送螺钉具有更宽的螺纹波峰。因此，它们比C2F元件具有更好的推力和更高的剪切效果。（D） CF1C 元件是与左手音高结合的切割飞行、单飞螺丝。这些反向螺丝元件是螺钉轮廓中最严格和最重要的元素。它们允许对材料进行强烈的混合和机械剪切，并增加其居住时间。CF1C 螺钉是纤维脱胎的地方。（E） BB 元素是双叶桨。它们允许对材料产生强烈的混合效果。因此，他们促进一种亲密的混合作用，这对于同质地浸渍含水的亚麻水，另一方面将挤出精炼的纤维和塑化亚麻籽蛋糕紧密混合尤为重要。（F） INO0 元素将双飞螺钉和单飞螺丝之间的元素连接起来。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3：螺丝配置（A）仅用于卵泡亚麻片的纤维精炼，（B）用于单个挤出器通过的组合工艺，包括卵泡亚麻片的纤维精炼，添加塑化亚麻籽蛋糕，然后亲密混合两种固体。 然后，在模块 2 的末尾注入水。固体和液体的亲密混合在模块 5 的水平进行。最后，通过机械剪切对纤维进行机械除颤，在8单元中进行。（B） 当联合过程在单个挤出器通路中进行时，在螺钉轮廓的前半部分（即从模块 1 到 4）中进行卵泡亚麻垫的纤维精炼，在中间添加塑化亚麻籽蛋糕，以及沿螺丝轮廓的后半部分紧密混合两个固体。更确切地说，采用塑料亚麻籽蛋糕是通过模块 5 级别的侧馈线（即纤维精炼步骤后）进行的，并且沿模块 6 到 8 进行两个固体的亲密混合。对于 T2F、C2F、C1F 和 CF1C 螺钉，上述两个数字分别表示其间距和长度（按 D 的比例，螺丝直径）。对于BB混合块，它们分别代表其惊人的角度和长度。INO0 元素长度为 0.25 D。螺丝配置中具有流量限制效果的区域与阴影区域相对应。请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4： OFS（左上）和ERF（左下）的卵泡亚麻的照片，以及12号板（右上）和10号（右下）。 12号和10号菜盘都含有25%的塑化亚麻籽蛋糕。板号 12 由 OFS 原始垫片制成，而板号 10 则来自 P3 预混料（即包含挤出精制纤维）。 请单击此处查看此图的较大版本。

挤压面额 埃尔夫 P1 P2 P3
配置 (3.1.1.) (3.1.2.) (3.1.2.) (3.1.2.)
双螺杆挤压条件
螺丝旋转速度（转速） 150 150 150 150
渗漏亚麻的入口流量（公斤/小时） 15.00 15.00 15.00 15.00
塑化亚麻籽蛋糕的入口流量（公斤/小时） 0.00 1.50 2.63 3.75
注入水的入口流量（公斤/小时） 15.00 15.00 15.00 15.00

表1：用于配置（A）和（B）的双螺杆挤出条件。 ERF，来自配置的挤出精炼纤维（步骤3.1.1）;P1，预混1号源于配置（步骤3.1.2），10%的含量（与绒毛重量成正比）的塑化亚麻籽蛋糕：P2，预混2号源于配置（步骤3.1.2），17.5%的含量（与绒毛重量成正比）：P3，预混3号源于配置（步骤3.1.2）和25%的含量（与绒毛的重量成正比）的塑化亚麻籽蛋糕。

纤维板编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
原料 埃尔夫 P3 埃尔夫 P1 P2 P3 埃尔夫 P1 P2 P3 OFS OFS 加 25% （w/w） 的塑料亚麻籽蛋糕
模具温度（°C） 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200
成型时间 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150
应用压力（MPa） 10 10 20 20 20 20 30 30 30 30 30 30

表2：用于制造纤维板的成型参数。 OFS，渗漏亚麻（即以前没有通过双螺杆挤压处理过的生皮）。由 OFS 和塑化亚麻籽蛋糕制成，用于生产 12 号板的固体混合物是使用双螺旋搅拌机机械获得的。

材料 OFS27 埃尔夫
湿气 （%） 8.4 ± 0.2 8.3 ± 0.2
矿物（干物质的百分比） 2.0 ± 0.1 2.0 ± 0.1
纤维素（干物质的百分比） 45.6 ± 0.4 44.3 ± 0.4
血糖（干物质的百分比） 22.4 ± 0.1 22.8 ± 0.1
木质素（干物质的百分比） 25.1 ± 0.6 23.7 ± 0.5
水溶性成分（干物质的百分比） 4.1 ± 0.1 4.3 ± 0.1

表3：挤出精炼预处理前后的卵泡亚麻的化学成分。水分含量是按照ISO 665：2000标准54确定的。它们是用均等材料测量的，即在气候室调节后（相对湿度为60%，25°C）。矿物含量是按照ISO 749：1977标准55确定的。纤维素、血糖和木质素中的内容是使用Van Soest和葡萄酒56，57的酸洗涤剂纤维（ADF）-中性洗涤剂纤维（NDF）方法确定的。水溶性化合物中的内容通过测量沸水中1小时后测试样品的质量损失来确定。所有测量都是重复进行的。表中的结果对应于平均值±标准偏差。

材料 表观密度 （公斤/米3） 点击密度 （公斤/米3）
OFS27 117 ± 5 131 ± 4
埃尔夫 71 ± 1 90 ± 1

表4：挤出精炼预处理前后，明显和挖掘的卵泡亚麻的密度。利用凹陷仪用三倍测量了卵泡亚麻的挖掘密度。表观密度是在压实之前获得的。表中的结果对应于平均值±标准偏差。不，未确定。

材料 纤维长度（微米） 纤维直径（微米） 纵横比 罚款 （%）
OFS27 5804 ± 4013 1107 ± 669 6 ± 6 n.d.
埃尔夫 559 ± 27 20.9 ± 0.2 27 ± 2 56 ± 2

表5：挤出精炼预处理前后渗出亚麻的形态特征。 通过图像分析，使用扫描约3000个粒子27的软件，对原始垫片（即在挤压精炼预处理前）进行形态分析。挤出精制垫片使用纤维形态测量和定性分析仪进行。对于这些测量，测定以三分位进行，每个实验分析约15，000个粒子。表中的结果对应于平均值±标准偏差。

纤维板编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
弯曲属性
厚度（毫米） 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 （公斤/米3） 1051 ± 16 1165 ± 78 1191 ± 59 1241 ± 34 1256 ± 41 1248 ± 37 1213 ± 54 1268 ± 17 1274 ± 23 1253 ± 32 1069 ± 19 1181 ± 40
柔韧强度 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
弹性模组（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
岸D表面线束（°） 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
内部债券强度（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.
浸入水中后24小时水的敏感性
厚度肿胀 （%） 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（%） 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：机械性能、厚度膨胀和热压制造的纤维板吸水。 厚度和密度通过称量测试标本和使用电子卡钳测量其尺寸来确定。弯曲属性是根据ISO 16978：2003标准58确定的。岸D表面硬度是根据ISO 868：2003标准59确定的。内部债券强度根据ISO 16260：2016标准60确定。浸入水中后的水敏感性（即厚度膨胀和吸水）是根据ISO 16983：2003标准61确定的。所有决定都进行了四次。表中的结果对应于平均值±标准偏差。不，未确定。

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Discussion

此处概述的协议描述了如何在将木质细胞纤维用作可再生板的机械加固之前处理其挤压精炼。在这里，使用的双螺杆挤出机是一台中试秤机。螺丝直径为 53 mm （D），配备 8 个模块，每个模块长度为 4D，但具有 8D 的模块 1 除外长度，相当于36D总长度（即1，908毫米）的桶。其长度足够长，适用于加工材料，在单次通过中继承几个基本操作，即喂食、压缩、纤维固体与添加的水之间的亲密混合、膨胀、压缩、强剪切，然后膨胀。在这里，挤出精炼预处理成功应用于从卵泡亚麻吸管的垫片。它们构成机械提取技术纤维后收集的残留物，使用"全纤维"提取装置51。在同一台双螺杆机器中，挤出精炼步骤后，还可以立即在去除的木质细胞生物量中添加外源性粘合剂。因此，螺钉轮廓的后半部分致力于精炼纤维和这种外部粘合剂的紧密混合。在这里，这是一个以前塑料化的亚麻籽蛋糕，用作额外的活页夹。它已添加到精炼纤维使用各种速率（从10%到25%的比例，以抖动）。由此产生的 100% 基于亚麻的卵胶预混后通过热压转化为硬板。

由于需要大量基本操作用于配置（步骤 3.1.2），这不仅允许纤维的精炼，而且还允许添加外部粘合剂，因此使用的机器的桶的长度对治疗的成功具有决定性意义。桶的长度至少为 32D，但 36D 甚至 40D 的长度更合适。那么，在连续两个限制性元素区之间运输的混合物的扩展效果更好，这有利于固体混合物和水成分之间的交流。

此外，螺丝轮廓对于双螺钉工艺2、3、4至关重要。特别是，必须极其谨慎地选择限制性区域（即紧张的机械工作领域）。在这里，这导致对用于去除木质细胞生物量的反向螺杆元素的关注，以及在除颤和随后将精制纤维与天然粘合剂紧密混合之前，将这种生物量浸渍所需的混合元素与水混合。这些元素的类型（即反向螺杆元件的间距，以及混合块的宽度和交错角度），它们各自的长度，以及它们沿螺丝轮廓的定位，可以适应要生产的配方。

同样，对于任何新配方产生2、3、4，所需的操作条件优化（即固体的入口流速、水的入口流速、螺丝旋转速度和温度轮廓）。事实上，就像螺丝轮廓一样，要实施的操作条件必须适应处理过的每个木质细胞生物量的性质（例如，纤维素、血细胞和木质素之间的分布、其他成分的可能存在、形态和入口固体颗粒的硬度等）。因此，双螺杆挤出机的灌装率可以调整到每个新配方，以优化其居住时间，提高机器的生产率，同时避免堵塞。

因此，双螺杆装置的填充率是此处提出的除颤预处理的主要限制。根据要加工的原材料的性质、使用的螺钉轮廓和应用的挤出条件（即固体的输入流率、液体/固体比率和螺丝旋转速度），双螺杆工具内混合物的平均居住时间不一样。为了提高机器的生产率，我们的目标始终是尽可能增加处理过的植物材料的流动，同时保持对机器进行TMC工作的足够质量。

在生产过程中使用的螺丝旋转速度，并尽可能接近用于提高生产率的双螺杆机器的最大旋转速度，如果固体材料和水的传入流量过高，机器可能会过满。因此，运营商必须选择最佳灌装率，以确保机器不会过多灌装。为了避免这种堵塞，双螺杆工具应使用足够长的时间，即至少半小时。其电机在生产过程中消耗的电流的稳定性将确认机器不会过度进食。其控制面板使随时间演变的电流变得容易。最后，双螺杆挤出技术是一种多功能和高性能的工具，生产可再生纤维板，不含合成脂。首先，可以通过提高精炼纤维的平均纵横比，对木质细胞纤维进行连续的TMC除颤，从而提高其机械增强能力。双螺杆工具可以被认为是一个可信的替代其他除颤方法经典使用，即简单的研磨，制浆过程和蒸汽爆炸。

最近对稻草进行的一项研究显示，这种工具提供了在纤维除颤过程中比纸张过程产生的、涉及消化阶段以及除颤25的方法更好地保持纤维长度的可能性。同一项研究还表明，在双螺杆挤出器中进行的除颤工作耗水量较小，而且成本较低。在双螺丝除颤过程中，木质素的释放也部分有助于获得纤维板27的凝聚力（通过自我粘合）。这些被称为"自保税板"。

在同一双螺杆挤出器中，为了提高紧凑度，还可以以可变比例连续地将外部粘合剂添加到先前精制的纤维中。这减少了生产时间和成本，以及预混合制备单元的尺寸。因此，在纤维板热压之前，纤维的预处理和预混剂的制备过程将大大加强。外源粘合剂的添加也有助于显著改善所获得材料的使用特性。因此，这种创新过程特别多才多艺，因为它可以适应不同的木质细胞生物量和不同的天然粘结剂。

今后，应进一步发挥双螺杆工具的优良混合能力。例如，它可用于补充各种功能添加剂的预混合，例如疏水剂，以提高纤维板、抗真菌剂、阻燃剂、颜色等的耐水性，为最终成型过程提供完全功能化的预混合。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

没有

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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工程，第167期，双螺杆挤出，热-机械化学预处理，纤维精炼，纤维纵横比，作物副产品，木质纤维素，可再生纤维，机械加固，热压榨，天然粘合剂，全生物基纤维板
双螺丝挤压工艺，以生产可再生纤维板
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Evon, P., Labonne, L., Khan, S. U., Ouagne, P., Pontalier, P. Y., Rouilly, A. Twin-Screw Extrusion Process to Produce Renewable Fiberboards. J. Vis. Exp. (167), e62072, doi:10.3791/62072 (2021).

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