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Engineering

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

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

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.

Abstract

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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Protocol

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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Representative Results

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’aspect moyen. De plus, la quantité d’eau ajoutée est suffisamment faible pour éliminer tout risque de colmatage de la machine. En l’absence d’eau « libre » (c.-à-d. de l’eau qui aurait été ajoutée en excès et dont une partie n’aurait pas été absorbée par les fibres), il n’était donc pas nécessaire de positionner un module de filtration à l’extrémité de la zone de défibration. Après le prétraitement extrusion-affinage, la composition chimique des fibres raffinées par extrusion a été déterminée(tableau 3). Logiquement, en l’absence de génération d’extrait liquide pendant le prétraitement par extrusion-affinage, aucune différence significative dans la composition chimique n’a été observée entre les shives brutes et les shives extrudées. En termes d’apparence, les fibres raffinées par extrusion ont la forme d’un matériau moelleux(Figure 4,en bas à gauche). Cela signifie que le processus d’extrusion, en particulier le taux de cisaillement élevé appliqué, contribue à une modification de la structure des frissons de lin. Cela a d’abord été confirmé par les densités apparentes et taraudées plus faibles des frissons extrudés par rapport aux valeurs obtenues avec les frissons bruts(tableau 4). L’analyse morphologique des fibres a également confirmé cette première observation car une augmentation très significative de leur rapport d’aspect est également observée à l’aide d’un dispositif d’analyse de morphologie des fibres(tableau 5).

Lorsque l’on considère les planches sans liant à partir d’échaudes de lin oléagineux moulées à l’aide d’un pressage à chaud, le prétraitement défiblage TMC utilisant une extrusion à deux vis selon la configuration (étape 3.1.1) est d’un intérêt évident. En effet, une séparation des lignines de la cellulose et des hémicelluloses à l’intérieur des shives extrudées a lieu. Lors du pressage à chaud, les lignines peuvent ainsi être facilement mobilisées et utilisées comme liant naturel. De plus, avec un rapport d’aspect moyen des fibres plus élevé que pour les frissons bruts, le profil granulométrique des fibres raffinées par extrusion est plus favorable en termes de performance pour le renforcement mécanique. Cela signifie que les panneaux fabriqués uniquement à partir de fibres extrudées (planches numéros 1, 3 et 7), c’est-à-dire sans ajout de gâteau de lin plasturé comme liant externe, sont non seulement les trois cohésives, mais présentent surtout des propriétés d’utilisation considérablement améliorées par rapport à la planche obtenue par pressage à chaud des frissons bruts (planche numéro 11)(tableau 6). Bien que la planche numéro 1 des shives extrudées soit pressée à chaud à une pression de seulement 10 MPa, elle est même nettement meilleure du point de vue de ses performances mécaniques que la planche numéro 11, qui est moulée à partir des frisons brutes, mais à une valeur de pression trois fois supérieure (30 MPa). Les avantages du prétraitement dans l’extrudeuse à deux vis pour la mobilisation ultérieure des lignines en tant que liant interne d’une part, et pour augmenter le rapport d’aspect moyen des fibres d’autre part, sont ainsi clairement démontrés. Une comparaison des propriétés d’utilisation des cartes numéros 1, 3 et 7 montre également les effets bénéfiques d’une pression appliquée plus élevée pendant le moulage sur ces propriétés, qu’il s’agisse de la résistance à la flexion, de la dureté de surface Shore D ou de la résistance à l’eau du matériau après immersion. Au fur et à mesure que la pression augmente, la mobilisation du liant à base de lignine est favorisée27. Dans la phase fondue, sa viscosité est réduite et le mouillage des fibres est optimisé.

En utilisant la configuration (étape 3.1.2), une fois les frissons défibrés, le gâteau de graines de lin plastifiant a également été ajouté directement dans l’extrudeuse à deux vis et intimement mélangé avec les fibres raffinées dans la seconde moitié du profil de vis. Le gâteau de lin plasturé a été ajouté à une teneur comprise entre 10% et 25%(tableau 1). Le mélange intime a été obtenu grâce à l’utilisation de deux séries successives de palettes bilobes (éléments BB), montées en rangées décalées (90°). Ceux-ci sont positionnés au niveau des modules 7 et 8(figure 3). Lorsque le gâteau de graines de lin plastifiant est ajouté, l’augmentation observée de la consommation d’énergie spécifique totale est très faible malgré un remplissage plus élevé de la machine : 1,35 ± 0,04 kW h/kg de matière sèche max au lieu de 1,28 ± 0,05 kW h/kg de matière sèche dans le cas d’une configuration (étape 3.1.1) pour laquelle les frissons sont défibrées mais sans ajout de liant exogène. Les éléments de vis inverse CF1C utilisés pour la défibation des shives sont donc les éléments les plus restrictifs du profil de vis. La zone de mélange des fibres raffinées et du gâteau aux graines de lin contribue donc dans une faible mesure à l’augmentation de la consommation globale d’énergie de la machine.

L’ajout du gâteau de graines de lin plastifiant aux fibres raffinées par extrusion donne un prémélange enrichi en liant naturel, qui doit être séché à une teneur en humidité comprise entre 3% et 4% avant moulage. Globalement, cet ajout augmente les propriétés de flexion des panneaux de fibres obtenus(tableau 6). Pour une pression appliquée de 10 MPa, l’ajout de 25% de gâteau de lin entraîne une augmentation de 15% de la résistance à la flexion du matériau (comparaison des numéros de planche 1 et 2). Pour une pression doublée (20 MPa), une augmentation de 25% est observée lorsque 10% de liant à base de lin est ajouté (planche numéro 4) et elle monte à 53% lorsque 17,5% de ce liant est ajouté (planche numéro 5). Enfin, pour la pression de formage la plus élevée (30 MPa), l’augmentation relative de la résistance à la flexion est maximale (+12%) lorsque 10% de gâteau de lin est ajouté (comparaison des numéros de planche 7 et 8).

Dans le même temps, la dureté de surface Shore D et la résistance à l’eau des panneaux de fibres après immersion sont largement indépendantes de la teneur en gâteau de lin plastifiant dans le prémélange. L’application d’une pression d’au moins 20 MPa lors du pressage à chaud s’accompagne tout de même d’une réduction du gonflement de l’épaisseur, quelle que soit la teneur en liant exogène. Dans de telles conditions de formage, la densité des panneaux durs augmente. Leur porosité interne est alors réduite, et la diffusion de l’eau à l’intérieur du matériau lors de l’immersion est ainsi réduite.

Le rôle de liant exogène joué par le gâteau de lin dans le prémélange est ainsi confirmé et expliqué par la présence d’une teneur importante (estimée à 40,5% de sa masse sèche52)de protéines à comportement plastique et adhésif. Ce rôle est également confirmé lorsque le liant à base de protéines de lin oléagineux est ajouté aux frissons bruts. En effet, avec 25% de ce liant (cas de planche numéro 12), la planche obtenue(figure 4,en haut à droite) présente une résistance à la flexion de 10,6 MPa au lieu de seulement 3,6 MPa sans liant (planche numéro 11). Cependant, ce panneau a une résistance à la flexion inférieure à celle de tous ceux basés sur les fibres raffinées par extrusion, illustrant le rôle essentiel joué par le prétraitement TMC des frissons.

Grâce à l’action combinée de défibration des shives et à l’ajout d’un liant exogène au sein d’un même dispositif à deux vis, des panneaux de fibres d’une résistance à la flexion d’environ 23 à 25 MPa sont obtenus. A titre d’exemple, avec l’ajout de 25% de gâteau de lin plasturé au prémélange et le pressage à chaud de ce dernier en appliquant une pression de 30 MPa, le panneau de fibres correspondant (numéro de planche 10) présente une résistance à la flexion de 24,1 MPa, un module de flexion de 4,0 GPa et une résistance de liaison interne de 0,70 MPa(Figure 4,en bas à droite). Sur la base des recommandations de la norme Français (NF) EN 312 (norme dédiée aux spécifications des panneaux de particules)53,cette carte répond déjà aux exigences mécaniques des panneaux de type P6, c’est-à-dire des panneaux fonctionnant sous haute contrainte et utilisés dans des environnements secs. Seul son épaisseur gonflante après immersion dans l’eau pendant 24 h ne répond pas aux exigences de cette norme (78% au lieu de 16% max). Un traitement post-durcissement (60 °C pendant 30 min, puis 80 °C pendant 30 min, puis 100 °C pendant 45 min, puis 125 °C pendant 60 min, et enfin 150 °C pendant 90 min avant de revenir à température ambiante pendant 225 min) de ce matériau conduit à une réduction du gonflement de l’épaisseur allant jusqu’à 49%, en même temps qu’une augmentation de la résistance à la flexion (25,8 ± 1,0 MPa). Cependant, cette réduction du gonflement de l’épaisseur reste insuffisante. Pour les travaux futurs, d’autres procédés supplémentaires, par exemple le revêtement, le traitement chimique ou le traitement à la vapeur, après pressage à chaud devraient être testés afin d’améliorer davantage ce paramètre de stabilitédimensionnelle 27. Une autre solution originale pourrait être l’ajout d’agents hydrophobants, par exemple des dérivés d’huile végétale, au prémélange directement dans l’extrudeuse à deux vis. De plus, comme cette planche optimale peut être utilisée à l’intérieur des maisons, sa résistance au feu devra être évaluée avant d’être proposée sur le marché. En effet, cette caractéristique est d’une importance capitale. Si la résistance au feu de ce matériau s’avère insuffisante, l’ajout d’un produit ignifuge au prémélange directement dans l’extrudeuse à deux vis doit être envisagé avant que le panneau ne soit moulé par pressage à chaud.

Figure 1
Figure 1: Configurations simplifiées de l’extrudeuse à deux vis utilisée (A) pour le seul affinage de fibres d’échaférences de lin oléagineux, et (B) pour le procédé combiné en une seule passe extrudeuse, y compris l’affinage de fibres d’échaférences de lin oléagineux, l’ajout de tourteaux de lin plasturés, puis le mélange intime des deux solides. Pour chacune des deux configurations testées, les opérations unitaires successives sont mentionnées. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2: Type d’éléments à vis utilisés le long des profils de vis: (A) T2F, (B) C2F, (C) C1F, (D) CF1C, (E) BB et (F) Éléments à vis INO0. (A)Les éléments T2F sont des vis trapézoïdales à double vol utilisées pour leur action de transport. En raison de la forme trapézoïdale de leurs filetages, les éléments T2F sont des vis non autonettoyantes mais ont de très bonnes caractéristiques de transmission et de déglutition. Ils sont donc positionnés dans les aires d’alimentation des deux solides utilisés (c.-à-d. les frissons de lin oléagineux et les tourteaux de lin plasturés). (B) Les éléments C2F sont des vis conjuguées à double vol également utilisées pour leur action de transport. La forme de leurs filetages est conjuguée, ce qui rend les éléments C2F des vis autonettoyantes. Ils sont positionnés là où le solide et le liquide coexistent. (C) Les éléments C1F sont des vis à vol unique. Par rapport aux éléments C2F, ces vis de transport ont une crête de filetage plus large. Par conséquent, ils ont une meilleure poussée et un effet de cisaillement plus élevé que les éléments C2F. (D) Les éléments CF1C sont des vis conjuguées à vol coupé, à vol unique avec un pas gaucher. Ces éléments de vis inversée sont les éléments les plus restrictifs et les plus importants du profil de vis. Ils permettent un mélange intense et un cisaillement mécanique du matériau ainsi qu’une augmentation de son temps de séjour. Les vis CF1C sont l’endroit où la défibation des fibres a lieu. (E) Les éléments BB sont des pagaies billobées. Ils permettent un fort effet de mélange sur le matériau. Ils favorisent donc une action de mélange intime qui est particulièrement importante pour imprégner de manière homogène les frissons de lin oléagineux avec l’eau ajoutée d’une part, et mélanger intimement les fibres raffinées par extrusion et le gâteau de graines de lin plasturé d’autre part. (F) Les éléments INO0 sont des éléments de liaison entre les vis à double et à simple vol. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3: Configurations de vis (A) pour l’affinage des fibres uniquement des frissons de lin oléagineux, et (B) pour le procédé combiné en une seule passe extrudeuse, y compris l’affinage des fibres des frissons de lin oléagineux, l’ajout de tourteaux de lin plasturés, puis le mélange intime des deux solides. (A)Lorsque les frissons de lin oléagineux ne sont raffinés qu’en extrusion, ils sont introduits dans le module 1. Ensuite, de l’eau est injectée à la fin du module 2. Le mélange intime du solide et du liquide est réalisé au niveau du module 5. Enfin, la défibation mécanique des fibres par cisaillement mécanique a lieu dans le module 8. (B) Lorsque le procédé combiné est effectué dans une seule passe extrudeuse, l’affinage des fibres des shives de lin oléagineux est effectué dans la première moitié du profil de vis (c’est-à-dire des modules 1 à 4), l’ajout de gâteau de graines de lin plastifiant en son milieu, et le mélange intime des deux solides le long de la seconde moitié du profil de vis. Plus précisément, l’introduction du gâteau de graines de lin plastifiant se fait par l’intermédiaire d’un chargeur latéral au niveau du module 5, c’est-à-dire après l’étape d’affinage des fibres, et le mélange intime des deux solides est effectué le long des modules 6 à 8. Pour les vis T2F, C2F, C1F et CF1C, les deux nombres mentionnés indiquent leur pas et leur longueur (en proportion de D, le diamètre de la vis), respectivement. Pour les blocs de mélange BB, ils représentent respectivement leur angle et leur longueur stupéfiants. Les éléments INO0 ont une longueur de 0,25 D. Les zones de la configuration de vis avec un effet limitant le débit correspondent aux zones ombragées. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4: Photographie de l’OFS (en haut à gauche) et de l’ERF (en bas à gauche) des shives de lin oléagineux, et des planches numéros 12 (en haut à droite) et 10 (en bas à droite). Les planches numéro 12 et 10 contiennent toutes deux 25% de gâteau de lin plastifiant. Le panneau numéro 12 est fait des frissons bruts ofs tandis que le tableau numéro 10 provient du prémélange P3 (c’est-à-dire qu’il contient les fibres raffinées par extrusion). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Dénomination extrudée Erf P1 P2 P3
configuration (3.1.1.) (3.1.2.) (3.1.2.) (3.1.2.)
Conditions d’extrusion à deux vis
Vitesse de rotation de la vis (tr/min) 150 150 150 150
Débit d’entrée des shives de lin oléagineux (kg/h) 15.00 15.00 15.00 15.00
Débit d’entrée des tourteaux de lin plasturés (kg/h) 0.00 1.50 2.63 3.75
Débit d’entrée de l’eau injectée (kg/h) 15.00 15.00 15.00 15.00

Tableau 1 : Conditions d’extrusion à deux vis utilisées pour les configurations (A) et (B). ERF, fibres raffinées par extrusion provenant de la configuration (étape 3.1.1) ; P1, prémélange numéro 1 issu de la configuration (étape 3.1.2) et ayant une teneur de 10 % (proportionnellement au poids des frissons) de tourteau de lin plastifiant ; P2, prémélange numéro 2 provenant de la configuration (étape 3.1.2) et ayant une teneur de 17,5 % (proportionnellement au poids des frissons) de tourteaux de lin plasturés ; P3, prémélange numéro 3 issu de la configuration (étape 3.1.2) et présentant une teneur de 25% (proportionnelle au poids des frissons) de tourteaux de lin plasturés.

Numéro de panneaux de fibres 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
matière première Erf P3 Erf P1 P2 P3 Erf P1 P2 P3 OFS OFS plus 25% (p / p) de gâteau de lin plastifiant
Température de la moisissure (°C) 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200
Temps de moulage (s) 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150
Pression appliquée (MPa) 10 10 20 20 20 20 30 30 30 30 30 30

Tableau 2 : Paramètres de moulage utilisés pour la fabrication des panneaux de fibres. OFS, shives de lin oléagineux (c.-à-d. shives crus qui n’ont pas été traités auparavant par extrusion à deux vis). Fabriqué à partir d’OFS et de gâteau de graines de lin plastifiant, le mélange solide utilisé pour la production de la planche numéro 12 a été obtenu mécaniquement à l’aide d’un mélangeur à double hélice.

matériel OFS27 Erf
Humidité (%) 8,4 ± 0,2 8.3 ± 0.2
Minéraux (% de la matière sèche) 2,0 ± 0,1 2,0 ± 0,1
Cellulose (% de la matière sèche) 45,6 ± 0,4 44,3 ± 0,4
Hémicelluloses (% de la matière sèche) 22,4 ± 0,1 22,8 ± 0,1
Lignines (% de la matière sèche) 25,1 ± 0,6 23,7 ± 0,5
Composants solubles dans l’eau (% de la matière sèche) 4.1 ± 0.1 4.3 ± 0.1

Tableau 3: Composition chimique des shives de lin oléagineux avant et après le prétraitement extrusion-affinage. Les teneurs en humidité ont été déterminées conformément à la norme ISO 665:200054. Ils ont été mesurés à partir de matériaux équilibrés, c’est-à-dire après conditionnement dans une chambre climatique (humidité relative de 60 %, 25 °C). Les teneurs en minéraux ont été déterminées conformément à la norme ISO 749:197755. Le contenu en cellulose, hémicelluloses, et lignines ont été déterminés en utilisant la méthode acid detergent fiber (ADF) - neutral detergent fiber (NDF) de Van Soest and Wine56,57. Le contenu des composés solubles dans l’eau a été déterminé en mesurant la perte de masse de l’échantillon d’essai après 1 h dans de l’eau bouillante. Toutes les mesures ont été effectuées en double exemplaire. Les résultats du tableau correspondent aux valeurs moyennes ± les écarts types.

matériel Densité apparente (kg/m3) Masse volumique taraudée (kg/m3)
OFS27 117 ± 5 131 ± 4
Erf 71 ± 1 90 ± 1

Tableau 4: Densités apparentes et taraudées du lin oléagineux avant et après le prétraitement extrusion-affinage. La densité taraudée des shives de lin oléagineux a été mesurée en trois exemplaires à l’aide d’un densitomètre. La densité apparente a été obtenue avant compactage. Les résultats du tableau correspondent aux valeurs moyennes ± les écarts types. s.d., non déterminé.

matériel Longueur des fibres (μm) Diamètre des fibres (μm) Proportions Amendes (%)
OFS27 5804 ± 4013 1107 ± 669 6 ± 6 s.d.
Erf 559 ± 27 20,9 ± 0,2 27 ± 2 56 ± 2

Tableau 5 : Caractéristiques morphologiques des frissons de lin oléagineux avant et après le prétraitement extrusion-affinage. L’analyse morphologique des frissons bruts (c’est-à-dire avant le prétraitement extrusion-affinage) a été réalisée par analyse d’image à l’aide d’un logiciel à partir d’un scan d’environ 3 000 particules27. Celui des shives extrusion-raffinés a été réalisé utilisant un analyseurpour la mesure et la caractérisation de morphologie de fibre. Pour ces mesures, des déterminations ont été effectuées en triple exemplaire et, pour chaque expérience, environ 15 000 particules ont été analysées. Les résultats du tableau correspondent aux valeurs moyennes ± les écarts types.

Numéro de panneaux de fibres 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Propriétés de pliage
Épaisseur (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
Densité (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
Résistance à la flexion (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
Module élastique (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
Harnais de surface Shore D (°) 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
Force de liaison interne (MPa) s.d. s.d. s.d. s.d. s.d. s.d. s.d. s.d. s.d. 0,70 ± 0,05 s.d. s.d.
Sensibilité à l’eau après immersion dans l’eau pendant 24 h
Gonflement de l’épaisseur (%) 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
Absorption d’eau (%) 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

Tableau 6 : Propriétés mécaniques, gonflement de l’épaisseur et absorption d’eau des panneaux de fibres fabriqués par pressage à chaud. L’épaisseur et la densité ont été déterminées en pesant les éprouvettes et en mesurant leurs dimensions à l’aide d’un étrier électronique. Les propriétés de flexion ont été déterminées conformément à la norme ISO 16978:200358. La dureté de surface Shore D a été déterminée conformément à la norme ISO 868:200359. La force de liaison interne a été déterminée conformément à la norme ISO 16260:201660. La sensibilité à l’eau après immersion dans l’eau (c.-à-d. gonflement de l’épaisseur et absorption d’eau) a été déterminée conformément à la norme ISO 16983:200361. Toutes les déterminations ont été effectuées quatre fois. Les résultats du tableau correspondent aux valeurs moyennes ± les écarts types. s.d., non déterminé.

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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 matériau traité la succession de plusieurs opérations élémentaires en un seul passage, c’est-à-dire l’alimentation, la compression, le mélange intime entre le solide fibreux et l’eau ajoutée, l’expansion, la compression, le cisaillement intense, puis l’expansion. Ici, le prétraitement extrusion-affinage a été appliqué avec succès aux frissons de paille de lin oléagineux. Ils constituent le résidu collecté après l’extraction mécanique de fibres techniques à partir de paille de lin oléagineux à l’aide d’un dispositif d’extraction « toutes fibres »51. Dans la même machine à deux vis, il est également possible d’ajouter un liant exogène à la biomasse lignocellulosique défibrée immédiatement après l’étape d’extrusion-affinage. La seconde moitié du profil de vis est ainsi consacrée au mélange intime des fibres raffinées et de ce liant externe. Ici, il s’agit d’un gâteau de graines de lin précédemment plasturé qui a été utilisé comme liant supplémentaire. Il a été ajouté aux fibres raffinées en utilisant différents taux (de 10% à 25% en proportion des frissons). Les prémélanges à base de lin 100% oléagineux qui en ont résulté ont ensuite été transformés en panneaux durs par pressage à chaud.

En raison du grand nombre d’opérations élémentaires à appliquer pour la configuration (étape 3.1.2), qui permet non seulement l’affinage des fibres mais aussi l’ajout d’un liant externe, la longueur du canon de la machine à utiliser est déterminante pour la réussite du traitement. Une longueur de canon d’au moins 32D est requise, bien que des longueurs de 36D ou même 40D soient plus appropriées. L’expansion du mélange transporté entre deux zones successives d’éléments restrictifs est alors meilleure et cela favorise les échanges entre les constituants du mélange solide et l’eau.

De plus, le profil de vis est d’une importance clé pour les procédés à deux vis2,3,4. En particulier, les zones restrictives (c’est-à-dire les zones de travail mécanique intense) doivent être choisies avec le plus grand soin. Ici, cela conduit à des préoccupations avec les éléments de vis inverses utilisés pour la défibration de la biomasse lignocellulosique, et les éléments de mélange nécessaires à l’imprégnation de cette biomasse avec de l’eau avant la défibration et le mélange intime ultérieur des fibres raffinées avec un liant naturel. La typologie de ces éléments (c.-à-d. le tangage des éléments de vis inversées, la largeur et l’angle d’étalement des blocs de mélange), leurs longueurs respectives et leur positionnement le long du profil de vis peuvent être adaptés à la formulation à produire.

De même, l’optimisation des conditions de fonctionnement (c’est-à-dire les débits d’entrée des solides, le débit d’entrée d’eau, la vitesse de rotation des vis et le profil de température) sera nécessaire pour que toute nouvelle formulation soit produite2,3,4. En effet, tout comme le profil de vis, les conditions opératoires à mettre en œuvre devront être adaptées à la nature de chaque biomasse lignocellulosique traitée (ex. répartition entre cellulose, hémicelluloses et lignines, présence possible d’autres constituants, morphologie et dureté des particules solides à l’entrée, etc.). Le taux de remplissage de l’extrudeuse à deux vis peut ainsi être ajusté à chaque nouvelle formulation dans le but d’optimiser son temps de séjour et d’augmenter la productivité de la machine, tout en évitant le colmatage.

C’est donc le taux de remplissage du dispositif à deux vis qui est la principale limite du prétraitement défibring présenté ici. Selon la nature de la matière première à traiter, le profil de vis utilisé et les conditions d’extrusion appliquées (c.-à-d. débits d’entrée des solides, rapport liquide/solide et vitesse de rotation de la vis), le temps de séjour moyen du mélange à l’intérieur de l’outil à deux vis n’est pas le même. Afin d’augmenter la productivité de la machine, l’objectif est toujours d’augmenter le plus possible le flux de matériel végétal traité tout en préservant une qualité suffisante du travail TMC effectué sur celle-ci.

À la vitesse de rotation des vis utilisée pendant la production et choisie aussi près que possible de la vitesse de rotation maximale de la machine à deux vis utilisée pour augmenter sa productivité, la machine peut être surrempli si les flux entrants de matériau (s) solide (s) et d’eau deviennent trop élevés. Il est donc important que les opérateurs choisissent le taux de remplissage optimal pour s’assurer que la machine n’est pas trop remplie. Pour éviter un tel colmatage, l’outil à deux vis doit être utilisé pendant une période suffisamment longue, c’est-à-dire au moins une demi-heure. La stabilité du courant électrique consommé par son moteur lors de la production sera la confirmation d’une machine qui ne suralimente pas. Son panneau de commande permet de suivre facilement l’évolution du courant électrique au fil du temps. Pour conclure, la technologie d’extrusion à deux vis est donc un outil polyvalent et performant pour produire des panneaux de fibres renouvelables, exempts de résines synthétiques. Tout d’abord, la défibration TMC continue des fibres lignocellulosiques, conduisant à une augmentation de leur aptitude au renforcement mécanique par une augmentation du rapport d’aspect moyen des fibres raffinées, peut être effectuée. L’outil à deux vis peut être considéré comme une alternative crédible à d’autres méthodes de défibration classiquement utilisées, c’est-à-dire un simple meulage, des processus de mise en pâte et une explosion de vapeur.

Une étude récente réalisée sur la paille de riz a montré que cet outil offre la possibilité de mieux préserver la longueur des fibres lors de leur défibration qu’une méthode résultant de procédés sur papier et impliquant une étape de digestion suivie d’une défibration25. La même étude a également montré que la défibation effectuée dans une extrudeuse à deux vis consommait moins d’eau et pouvait être effectuée à moindre coût. Lors de la défibration à deux vis, la libération de lignines contribue également en partie à la cohésion (par auto-collage) des panneaux de fibres obtenus27. Ceux-ci sont appelés « planches auto-collées ».

Dans la même extrudeuse à deux vis et pour une plus grande compacité, il est également possible d’ajouter en continu un liant externe aux fibres précédemment raffinées dans des proportions variables. Cela réduit le temps et les coûts de production, ainsi que le dimensionnement de l’unité de préparation du prémélange. Le processus global de prétraitement des fibres et de préparation du prémélange est ainsi considérablement intensifié avant le pressage à chaud des panneaux de fibres. L’ajout d’un liant exogène contribue également à une amélioration substantielle des propriétés d’utilisation des matériaux obtenus. Ce procédé innovant est donc particulièrement polyvalent car il peut être adapté à différentes biomasses lignocellulosiques et à différents liants naturels.

À l’avenir, l’excellente capacité de mélange de l’outil à deux vis devrait être davantage exploitée. Par exemple, il pourrait être utilisé pour compléter le prémélange de divers additifs fonctionnels, par exemple, des agents hydrophobes pour améliorer la résistance à l’eau des panneaux de fibres, des agents antifongiques, des retardateurs de flamme, des couleurs, etc., afin de fournir un prémélange entièrement fonctionnel prêt pour le processus de moulage final.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

aucun

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