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

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 végétale^2,3. 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/solide^2,3,4. 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 agroressources^2,3. Quelques exemples sont : 1) Le pressage mécanique et/ou l’extraction par solvant « vert » de l’huile végétale^{5,6,7,8,9,10.} 2) L’extraction des hémicelluloses^11,12,des pectines^13,des protéines^14,15,et des extraits polyphénoliques^16. 3) La dégradation enzymatique des parois cellulaires des plantes pour la production de bioéthanol de deuxième génération^17. 4) La production de matériaux biocomposites avec des matrices de^{protéines 18} ou^{de polysaccharides 19.} 5) La production de matériaux thermoplastiques par mélange de céréales et de polyesters biosyants^20,21. 6) La production de biocomposites par composition d’un polymère thermoplastique, biosourcé ou non, et de charges végétales^22,23. 7) La défibration de matériaux lignocellulosiques pour la production de pâte à papier^13,24,et de panneaux de fibres^{25,26,27,28,29,30,31,32.}

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 riz^25,28,de la paille de coriandre^26,29,des shives de lin oléagineux²⁷ ainsi que des écorces de tournesol^30,32 et d’amarante^31. 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 actuels^33,certaines résines contribuent aux émissions de formaldéhyde et réduisent la qualité de l’air intérieur^34. 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 enzymatiques^36,37,38 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 fibre^27,39,40. 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 défibration^41,à partir de différents procédés de mise en pâte⁴² ou par explosion de vapeur^{43,44,45,46,47.} Plus récemment, LCA a développé un prétraitement original de fibres lignocellulosiques en utilisant l’extrusion à deux vis^{25,26,27,28,29,30,31,32.} 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 défibration^25. 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 coriandre^26. 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 tournesol^32,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 obtenus^27. 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 exigences^{48, 49,50de}l’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.