פותח תהליך אקסטרוזיה רב-תכליתי של שני ברגים כדי לספק טיפול תרמו-מכני-כימי יעיל בביומסה ליגנוקלולוסית, מה שמוביל ליחס גובה-רוחב ממוצע של סיבים. קלסר טבעי ניתן גם להוסיף ברציפות לאחר זיקוק סיבים, המוביל סיבים מבוססי ביו עם תכונות מכניות משופרות לאחר לחיצה חמה של החומר המובלט המתקבל.
פותח תהליך שחול רב-תכליתי של שני ברגים כדי לספק טיפול טרום-כימי תרמו-מכני יעיל בביומסה ליגנוקלולוסית לפני השימוש בו כמקור לחיזוק מכני בסיבים מבוססי ביו מלאים. תוצרי לוואי שונים של יבולים ליגנוקלוסיים כבר טופלו בהצלחה בתהליך זה, למשל, קשיות דגנים (במיוחד אורז), קש כוסברה, שבירות מקש פשתן oleaginous, וקליפת גבעולי אמרנת וחמניות כאחד.
תהליך ההבלטה מביא לעלייה ניכרת ביחס הגובה-רוחב הממוצע של הסיבים, מה שמוביל לשיפור התכונות המכאניות של סיבים. האקסטרודר בעל הבורג התאום יכול גם להיות מצויד במודול סינון בקצה החבית. מיצוי מתמשך של כימיקלים שונים (למשל, סוכרים חינם, hemicelluloses, volatiles שברי שמן אתרי, וכו ‘) מן המצע lignocellulosic, ואת זיקוק סיבים יכול, אם כן, להתבצע בו זמנית.
האקסטרודר יכול לשמש גם ליכולת הערבוב שלו: קלסר טבעי (למשל, ליגני Organosolv, עוגות שמן על בסיס חלבון, עמילן וכו ‘) ניתן להוסיף את הסיבים מעודן בסוף פרופיל הבורג. Premix המתקבל מוכן להיות מעוצב באמצעות לחיצה חמה, עם קלסר טבעי תורם לכידות סיבים. תהליך משולב כזה במעבר אקסטרודר יחיד משפר את זמן הייצור, עלות הייצור, ועלול להוביל לירידה בגודל הייצור של המפעל. מכיוון שכל הפעולות מבוצעות בצעד אחד, מורפולוגיה סיבים נשמרת טוב יותר, הודות לזמן מגורים מופחת של החומר בתוך האקסטרודר, וכתוצאה מכך ביצועים חומריים משופרים. פעולת שחול חד-שלבית שכזו עשויה להיות במקורו של תהליך תעשייתי בעל ערך.
בהשוואה לחומרים מסחריים מבוססי עץ, סיבים מבוססי ביו מלא אלה אינם פולטים שום פורמלדהיד, והם יכולים למצוא יישומים שונים, למשל, מיכלי ביניים, רהיטים, ריצוף ביתי, מדפים, בנייה כללית וכו ‘.
שחול הוא תהליך שבמהלכו חומר זורם נאלץ לעבור מוות חם. שחול, אם כן, מאפשר היווצרות של מוצרים שחוממו מראש תחת לחץ. האקסטרודר התעשייתי הראשון שהופיע בשנת 1873. הוא שימש לייצור כבלים רציפים מתכתיים. משנת 1930 ואילך הותאמה הבלטה חד-בורגית לתעשיית המזון כדי לייצר נקניקיות ועבר. לעומת זאת, האקסטרודר התאום-בורג הראשון שימש לראשונה לפיתוחים בתעשיית המזון. הוא לא הופיע בתחום הפולימרים הסינתטיים עד שנות ה-40. לשם כך תוכננו מכונות חדשות, ותפעולן עוצב גםהוא 1. פותחה מערכת עם ברגים חודרים ומשתפים פעולה, המאפשרת ערבוב והבלטה בו זמנית. מאז, טכנולוגיית ההבלטה התפתחה ברציפות באמצעות תכנון של סוגים חדשים של ברגים. כיום, תעשיית המזון עושה שימוש נרחב של שחול בורג תאומים למרות שזה יקר יותר מאשר שחול בורג יחיד כמו שחול בורג תאומים מאפשר גישה לעיבוד חומר משוכלל יותר ומוצרים סופיים. הוא משמש במיוחד לבישול שחול של מוצרים עמילניים, אלא גם לסמסור חלבונים וייצור מזון לחיות מחמד ולהזנת דגים.
לאחרונה, שחול בורג תאומים ראה את שדה היישום שלו מורחב לשבר התרמו-mechano-כימי של חומר צמחי2,3. תפיסה חדשה זו הובילה לפיתוח כורים אמיתיים המסוגלים להפוך או לשבר את ענייני הצמח בצעד אחד, עד לייצור נפרד של תמצית ו raffinate על ידי הפרדה נוזלית /מוצקה 2,3,4. העבודה שבוצעה במעבדה לכימיה אגרו-תעשייתית (LCA) הדגישה את האפשרויות המרובות של טכנולוגיית הבורג התאום לשברים ולהערכת אגרורסורסים2,3. חלק מהדוגמאות הן: 1) מיצוי הממס המכני ו/או “הירוק” של שמן צמחי5,6,7,8,9,10. 2) החילוץ של hemicelluloses11,12, פקטין13, חלבונים14,15, ותמציות פוליפנוליות16. 3) השפלה אנזימטית של קירות תא הצמח לייצור ביואתנול דור שני17. 4) ייצור של חומרים ביו קומפוזיציוניים עם חלבון18 או פוליסכריד19 מטריצות. 5) ייצור חומרים תרמופלסטיים על ידי ערבוב דגנים, ופוליאסטרים מבוססי ביו20,21. 6) הייצור של biocomposites על ידי הרכבה פולימר תרמופלסטי, ביו מבוסס או לא, ומילוי צמחים22,23. 7) דפיבינציה של חומרים ליגנוקלוסיים לייצור עיסת נייר13,24, ו סיבים25,26,27,28,29,30,31,32.
האקסטרודר בעל הבורג התאום נחשב לעתים קרובות לכור תרמו-מכנו-כימי מתמשך (TMC). אכן, הוא משלב בצעד אחד כימי, תרמי, וגם, פעולות מכניות. הגורם הכימי גורם לאפשרות להזריק ריאגנטים נוזליים בנקודות שונות לאורך החבית. התרמי אפשרי בשל הרגולציה התרמית של החבית. לבסוף, המכני תלוי בבחירת רכיבי הבורג לאורך פרופיל הבורג.
עבור דפיבינציה של חומרים ליגנוקלוסיים לייצור סיבים, העבודות האחרונות השתמשו קש אורז25,28, קש כוסברה26,29, פשתן oleaginous shives27 כמו גם חמניות30,32 ו amaranth31 נביחות. העניין הנוכחי של ביומסות lignocellulosic עבור יישום כזה (כלומר, חיזוק מכני) מוסבר על ידי דלדול קבוע של משאבי יער המשמשים לייצור חומרים מבוססי עץ. שאריות יבול הן זולות ועשויות להיות זמינות באופן נרחב. בנוסף, חלקיקי עץ נוכחיים מעורבבים עם שרפים פטרוכימיים אשר יכול להיות רעיל. לעתים קרובות מהווה יותר מ -30% מהעלות הכוללת של החומרים המסחריים הנוכחיים33, שרפים מסוימים תורמים לפליטות פורמלדהיד ולהפחית את איכות האוויר המקורה34. העניין המחקרי עבר לשימוש בקלסרים טבעיים.
ביומסה ליגנוקלוסית מורכבת בעיקר תאית ו hemicelluloses, יצירת קומפלקס הטרוגניים. המיצלולוזות ספוגות בשכבות של ליגנינים היוצרות רשת תלת מימדית סביב מתחמים אלה. השימוש בביומסה ליגנוקלוסית לייצור סיבים דורש בדרך כלל טיפול מקדים. בשביל זה, יש צורך לשבור את ליגנינים להגן על תאית hemicelluloses. מכני, תרמי, כימי35 או אפילו אנזימטי36,37,38 טיפולים קדם יש ליישם. צעדים אלה גם להגדיל את הדבקה עצמית של סיבים, אשר יכול לקדם את הייצור של לוחות קלסר27 גם אם קלסר אקסוגני מתווסף לרוב.
המטרה העיקרית של טיפולים מקדים היא לשפר את פרופיל גודל החלקיקים של סיבים מיקרומטריים. שחיקה פשוטה מציעה את האפשרות להקטין את גודל הסיבים27,39,40. זול, זה תורם להגדלת משטח סיב ספציפי. מרכיבי דופן התא הפנימי הופכים לנגישים יותר והתכונות המכאניות של הלוחות המתקבלים משופרות. היעילות של דפיבינציה מוגברת באופן משמעותי כאשר עיסת תרמו-מכני מיוצר, למשל, על ידי עיכול בתוספת דפיבינציה41, מתהליכי עיסת שונים42 או על ידי פיצוץ קיטור43,44,45,46,47. לאחרונה, LCA פיתחה טיפול מקדים מקורי של סיבים ליגנוקלוסיים באמצעות שחול בורג תאומים25,26,27,28,29,30,31,32. לאחר דפיביציה TMC, האקסטרודר מאפשר גם פיזור הומוגני של קלסר טבעי בתוך סיבים. Premix וכתוצאה מכך מוכן להיות חם לחוץ לתוך סיבים.
במהלך דפיביציה של קש אורז, שחול בורג תאומים הושווה לעיכול בתוספת תהליך דפיביציה25. שיטת ההבלטה חשפה עלות מופחתת משמעותית, כלומר, נמוכה פי תשעה מזו של העיסה. יתר על כן, כמות המים הנוספים מופחתת (יחס נוזלי/מוצק מרבי של 1.0 במקום 4.0 דקות בשיטת העיסה), וכן נצפתה עלייה ברורה ביחס הגובה-רוחב הממוצע של סיבים מזוקקים (21.2-22.6 במקום 16.3-17.9). סיבים אלה מציגים יכולת חיזוק מכני משופרת מאוד. זה הודגם עבור לוחות סיבים מבוססי קש אורז, שבו ליגנין טהור לא התדרדר (למשל, Biolignin) שימש קלסר (עד 50 MPa עבור כוח כיפוף ו 24% עבור נפיחות עובי לאחר טבילה 24 שעות במים)28.
העניין של דפיביציה TMC ב extruder בורג תאומים אושרה גם עם קש כוסברה26. יחס הגובה-רוחב של סיבים מזוקקים נע בין 22.9-26.5 במקום 4.5 בלבד עבור סיבי קרקע פשוטים. 100% סיבים מבוססי כוסברה התקבלו על ידי הוספת קשיות מעודן שחול עוגה מהזרע כמו קלסר חלבון (40% במסה). כוחם הגמישות (עד 29 MPa) ובמיוחד ההתנגדות שלהם למים (עד 24% נפיחות בעובי) שופרו באופן משמעותי בהשוואה ללוחות העשויים מקש כתוש פשוט. יתר על כן, לוחות אלה אינם פולטים פורמלדהיד, וכתוצאה מכך, הם ידידותיים יותר לסביבה ובריאות האדם מאשר סיבים בצפיפות בינונית (MDF) ו chipboard29 קלאסי נמצא בשוק.
באופן דומה, לוחות המבוססים לחלוטין על amaranth31 וחמניות32, שילוב סיבים מזוקקים שחול מקליפה כמו חיזוק עוגת זרעים כמו קלסר חלבון, יוצרו בהצלחה. הם הראו עוצמות גמישות של 35 MPa ו 36 MPa, בהתאמה. עם זאת, עמידות המים שלהם נמצאה נמוכה יותר: 71% ו 87%, בהתאמה, עבור נפיחות עובי. לוחות עם מליטה עצמית המבוססים על שבלול מעודן מקש פשתן oleaginous ניתן להשיג גם27. במקרה זה, זה שבר ligneous, שוחרר במהלך defibration TMC בורג תאומים, התורם מליטה עצמית. עם זאת, לוחות קשים המתקבלים מראים חוזק מכני נמוך יותר (רק 12 MPa חוזק flexural), ונפיחות עובי גבוה מאוד (127%).
כל לוחות מבוססי סיבים המובלטים המוצגים לעיל יכולים למצוא יישומים תעשייתיים ולכן הם חלופות בנות קיימא לחומרים מסחריים מבוססי עץ נוכחיים. על פי דרישות הארגון הבינלאומי לתקינה (ISO)48,49,50, היישומים הספציפיים שלהם יהיו תלויים במאפיינים המכניים שלהם רגישות למים.
במאמר זה, ההליך כדי להבליט ולשכלל סיבים ליגנוקלוסיים לפני השימוש בהם כחיזוק מכני בלוחות מתחדשים מתואר בפירוט. כתזכורת, תהליך זה מפחית את כמות המים שיש להוסיף בהשוואה למתודולוגיות עיסת מסורתיות, וזה גם פחות אנרגיה לצרוך25. אותה מכונת בורג תאומים יכולה לשמש גם להוספת קלסר טבעי לסיבים.
ליתר דיוק, מוצג מתווה מפורט לניהול זיקוק ההבלטה התאום-בורג של shives מפשתן oleaginous(לינום usitatissimum L.) קש. הקש ששימש במחקר זה הושג באופן מסחרי. זה היה ממגוון האוורסט, והצמחים מעובדים בחלק הדרום מערבי של צרפת בשנת 2018. באותו מעבר הבלטה, ניתן להוסיף עוגת פשתן מפלסטיק (המשמשת כקלסר אקסוגני) גם באמצע החבית, ולאחר מכן לערבב באופן אינטימי את התשישים המעודנים לאורך החצי השני של פרופיל הבורג. תערובת הומוגנית בעלת צורה של חומר רך נאספת בשקע המכונה. פעולת TMC חד-שלבית מתבצעת באמצעות מכונת קנה מידה של טייס. המטרה שלנו היא לספק הליך מפורט עבור המפעילים לנהל כראוי את זיקוק שחול של shives, ולאחר מכן את תוספת העוגה. בעקבות פעולה זו, premix המתקבל מוכן לייצור הבא של 100% הארדבורדים מבוססי פשתן oleaginous באמצעות לחיצה חמה.
הפרוטוקול המתואר כאן מתאר כיצד לעבד את הזיקוק שחול של סיבים ליגנוקלוסיים לפני השימוש בהם כחיזוק מכני בלוחות מתחדשים. כאן, האקסטרודר בעל הבורג התאום המשמש הוא מכונת סולם טייס. עם ברגים בקוטר 53 מ”מ (D), הוא מצויד בשמונה מודולים, כל אחד באורך 4D, למעט מודול 1 בעל 8D אורך, המתאים לאורך כולל של 36D (כלומ…
The authors have nothing to disclose.
ללא
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 |