Twin-Screw Extrusieproces om hernieuwbare vezelplaten te produceren

Extrusie is een proces waarbij een stromend materiaal door een hete matrijs wordt geperst. Extrusie maakt het daarom mogelijk om voorverwarmde producten onder druk te vormen. De eerste industriële single-screw extruder verscheen in 1873. Het werd gebruikt voor de vervaardiging van metalen doorlopende kabels. Vanaf 1930 werd extrusie met één schroef aangepast aan de voedingsmiddelenindustrie om worsten en verleden te produceren. Omgekeerd is de eerste twin-screw extruder voor het eerst gebruikt voor ontwikkelingen in de voedingsmiddelenindustrie. Het verscheen pas in de jaren 1940 op het gebied van synthetische polymeren. Voor dit doel werden nieuwe machines ontworpen en hun werking werd ook gemodelleerd¹. Er werd een systeem met co-penetrerende en co-roterende schroeven ontwikkeld, waardoor het mengen en extrusie tegelijkertijd kon worden uitgevoerd. Sindsdien heeft de extrusietechnologie zich voortdurend ontwikkeld door het ontwerpen van nieuwe soorten schroeven. Tegenwoordig maakt de voedingsindustrie uitgebreid gebruik van twin-screw extrusie, hoewel het duurder is dan single-screw extrusie, omdat twin-screw extrusie toegang geeft tot meer uitgewerkte materiaalverwerking en eindproducten. Het wordt met name gebruikt voor extrusie-koken van zetmeelrijke producten, maar ook voor het texturing van eiwitten en de vervaardiging van voeder voor gezelschapsdieren en visvoer.

Meer recentelijk heeft twin-screw extrusie zijn toepassingsgebied uitgebreid tot de thermomechano-chemische fractionering van plantaardig materiaal^2,3. Dit nieuwe concept heeft geleid tot de ontwikkeling van echte reactoren die in één stap in staat zijn plantenaangelegenheden te transformeren of te fractioneren, tot de afzonderlijke productie van een extract en een raffinaat door vloeistof/vaste scheiding^2,3,4. De werkzaamheden van het Laboratorium voor Agro-industriële Chemie (LCA) hebben de vele mogelijkheden van de twin-screw technologie voor de fractionering en valorisatie van agroresources^2,3benadrukt . Enkele voorbeelden zijn: 1) De mechanische persing en/of “groene” oplosmiddelextractie van plantaardige olie^5,6,7,8,9,10. 2) De extractie van hemicelluloses^11,12, pectines¹³, eiwitten^14,15, en polyfenolische extracten¹⁶. 3) De enzymatische afbraak van plantencelwanden voor de productie van bio-ethanol van de tweede generatie¹⁷. 4) De productie van biocomposietmaterialen met eiwit¹⁸ of polysacharide¹⁹ matrices. 5) De productie van thermoplastische materialen door het mengen van granen, en bio-based polyesters^20,21. 6) De productie van biocomposieten door het samenstellen van een thermoplastisch polymeer, al dan niet biobased, en plantenvullers^22,23. 7) De defibration van lignocellulosic materialen voor het produceren van document pulp^13,24,en vezelplaten^{25,26,27,28,29,30,31,32}.

De twin-screw extruder wordt vaak beschouwd als een continue thermo-mechano-chemische (TMC) reactor. Inderdaad, het combineert in een enkele stap chemische, thermische en, ook, mechanische acties. De chemische resulteert in de mogelijkheid om vloeibare reagentia op verschillende punten langs het vat te injecteren. De thermische is mogelijk door de thermische regeling van het vat. Ten slotte hangt de mechanische af van de keuze van de schroefelementen langs het schroefprofiel.

Voor de defibratie van lignocellulosische materialen om vezelplaten te produceren, hebben de meest recente werken rijststro^25,28,korianderstro^26,29,oliehoudende vlassnuves²⁷ en zonnebloem^30,32 en amarant³¹ schorsen gebruikt. Het huidige belang van lignocellulosische biomassa voor een dergelijke toepassing (d.w.z. mechanische versterking) wordt verklaard door de regelmatige uitputting van bosbronnen die worden gebruikt voor de productie van materialen op basis van hout. Gewasresten zijn goedkoop en kunnen op grote schaal beschikbaar zijn. Bovendien worden huidige houtdeeltjes gemengd met petrochemische harsen die giftig kunnen zijn. Vaak goed voor meer dan 30% van de totale kosten van de huidige commerciële materialen³³, dragen sommige harsen bij tot de uitstoot van formaldehyde en verminderen zij de luchtkwaliteit binnenshuis³⁴. De onderzoeksinteresse is verschoven naar het gebruik van natuurlijke bindmiddelen.

Lignocellulosische biomassa bestaat voornamelijk uit cellulose en hemicelluloses en vormt een heterogeen complex. Hemicelluloses zijn geïmpregneerd met lagen lignines die een driedimensionaal netwerk vormen rond deze complexen. Het gebruik van lignocellulosische biomassa voor de vervaardiging van vezelplaten vereist over het algemeen een defibratievoorbehandeling. Hiervoor is het noodzakelijk om de lignines af te breken die cellulose en hemicelluloses beschermen. Mechanische, thermische en chemische³⁵ of zelfs enzymatische^36,37,38 voorbehandelingen moeten worden toegepast. Deze stappen verhogen ook de zelfhechting van vezels, wat de productie van bindmiddelloze platen²⁷ kan bevorderen, zelfs als meestal een exogene bindmiddel wordt toegevoegd.

Het primaire doel van voorbehandelingen is het verbeteren van het deeltjesgrootteprofiel van micrometrische vezels. Een eenvoudige slijping biedt de mogelijkheid om de vezelgrootte^27,39,40te verminderen. Goedkoop, het draagt bij aan het verhogen van het vezelspecifieke oppervlak. De componenten van de binnenste celwand worden toegankelijker en de mechanische eigenschappen van de verkregen panelen worden verbeterd. De efficiëntie van defibratie wordt aanzienlijk verhoogd wanneer thermomechanische pulp wordt geproduceerd, bijvoorbeeld door vergisting plus defibratie⁴¹, uit verschillende pulpprocessen⁴² of door stoomexplosie^{43,44,45,46,47}. Meer recent heeft LCA een originele voorbehandeling van lignocellulosische vezels ontwikkeld met behulp van twin-screw extrusie^{25,26,27,28,29,30,31,32}. Na TMC-defibratie maakt de extruder ook de homogene dispersie van een natuurlijk bindmiddel in vezels mogelijk. De resulterende premix is klaar om warm te worden geperst in vezelplaten.

Tijdens de defibratie van rijststro werd extrusie met dubbele schroeven vergeleken met een spijsvertering plus defibratieproces²⁵. De extrusiemethode bracht een aanzienlijk lagere kosten aan het licht, d.w.z. negen keer lager dan de pulpmethode. Bovendien wordt de hoeveelheid toegevoegd water verminderd (1,0 maximale vloeistof/vaste verhouding in plaats van 4,0 min met de pulpmethode) en wordt ook een duidelijke toename van de gemiddelde beeldverhouding van geraffineerde vezels (21,2-22,6 in plaats van 16,3-17,9) waargenomen. Deze vezels bieden een sterk verbeterd mechanisch versterkingsvermogen. Dit werd aangetoond voor vezelplaten op basis van rijststro, waarbij zuivere niet-verslechterde lignine (bijv. Biolignine) werd gebruikt als bindmiddel (tot 50 MPa voor buigsterkte en 24% voor diktezwelling na 24 uur onderdompeling in water)²⁸.

De interesse van TMC-defibratie in twin-screw extruder is ook bevestigd met korianderstro²⁶. De beeldverhouding van geraffineerde vezels varieert van 22,9-26,5 in plaats van slechts 4,5 voor eenvoudig gemalen vezels. 100% op koriander gebaseerde vezelplaten werden verkregen door aan de extrusie-geraffineerde rietjes een cake uit het zaad toe te voegen als eiwitbinder (40% in massa). Hun buigsterkte (tot 29 MPa) en vooral hun weerstand tegen water (tot 24% dikte zwelling) werden aanzienlijk verbeterd in vergelijking met panelen gemaakt van eenvoudig gemalen stro. Bovendien stoten deze panelen geen formaldehyde uit en zijn ze bijgevolg milieu- en mensvriendelijker dan vezelplaat met gemiddelde dichtheid (MDF) en spaanplaat²⁹ die klassiek op de markt worden aangetroffen.

Evenzo werden panelen volledig op basis van amarant³¹ en zonnebloem³², die extrusie-geraffineerde vezels uit schors als versterking en zaadcake als eiwitbinder combineerden, met succes geproduceerd. Ze vertoonden buigsterktes van respectievelijk 35 MPa en 36 MPa. Hun waterbestendigheid bleek echter lager te zijn: respectievelijk 71% en 87% voor diktezwelling. Zelfgebonden panelen op basis van extrusie-geraffineerde shives uit oliehoudende vlasstro kunnen ook worden verkregen²⁷. In dit geval is het de ligneous fractie, vrijgegeven tijdens de twin-screw TMC defibration, die bijdraagt aan de zelfbinding. Verkregen hardboards vertonen echter een lagere mechanische sterkte (slechts 12 MPa buigsterkte) en een zeer hoge dikte zwelling (127%).

Alle hierboven gepresenteerde geëxtrudeerde panelen op basis van vezels kunnen industriële toepassingen vinden en zijn daarom duurzame alternatieven voor de huidige commerciële materialen op basis van hout. Volgens de iso-eisen (International Organization for Standardization)^48,49,50zijn hun specifieke toepassingen afhankelijk van hun mechanische en watergevoeligheidskenmerken.

In dit artikel wordt de procedure beschreven om lignocellulosische vezels te extruderen en te verfijnen voordat ze worden gebruikt als mechanische versterking in hernieuwbare platen. Ter herinnering, dit proces vermindert de hoeveelheid water die moet worden toegevoegd in vergelijking met traditionele pulpmethoden, en het verbruikt ook minder energie²⁵. Dezelfde tweeschroefsmachine kan ook worden gebruikt voor het toevoegen van een natuurlijk bindmiddel aan vezels.

Meer specifiek wordt een gedetailleerd overzicht gepresenteerd voor het uitvoeren van de twin-screw extrusie-raffinage van shives uit oleaginous vlas(Linum usitatissimum L.) stro. Het stro dat in deze studie werd gebruikt, werd commercieel verkregen. Het was van de Everest-variëteit en de planten werden in 2018 in het zuidwesten van Frankrijk gekweekt. In dezelfde extruderpas kan ook een geplastificeerde lijnzaadcake (gebruikt als exogene bindmiddel) in het midden van het vat worden toegevoegd en vervolgens intiem worden gemengd met de verfijnde shives langs de tweede helft van het schroefprofiel. Een homogeen mengsel met de vorm van een pluizig materiaal wordt verzameld bij de uitlaat van de machine. De eenstaps TMC-bewerking wordt uitgevoerd met behulp van een proefschaalmachine. Ons doel is om een gedetailleerde procedure te bieden voor de operators om de extrusie-raffinage van shives goed uit te voeren, en vervolgens de caketoevoeging. Na deze bewerking is het verkregen premix klaar voor latere vervaardiging van 100% oleaginous vlasgebaseerde hardboards met behulp van hete persing.