再生可能なファイバーボードを製造する二軸押出プロセス

押し出しは、流れる材料が熱いダイを通して強制されるプロセスです。押出は、従って、圧力下で予熱されたプロダクトの形成を可能にする。最初の産業単ねじ押出機は1873年に登場しました。金属連続ケーブルの製造に使用されました。1930年以降、単ねじ押出はソーセージや過去を生産するために食品業界に適応しました。逆に、最初の二軸押出機は、食品業界の発展のために最初に使用されています。それは1940年代まで合成ポリマーの分野では現れなかった。このため、新しい機械が設計され、その動作も^1.共貫通および共回転ねじを備えたシステムが開発され、混合と押出を同時に行うことができる。それ以来、押し出し技術は、新しいタイプのネジの設計を通じて継続的に開発されています。今日、食品業界は、二ねじ押出よりも高価ですが、二ねじ押出はより精巧な材料処理および最終製品へのアクセスを可能にするので、単一ねじ押出しよりも高価ですが、広範に使用されています。特にでんぷん質製品の押出調理だけでなく、タンパク質のテクスチャリングやペットフードや魚の飼料の製造にも使用されます。

最近では、二軸押出は、植物物質^2、3のサーモメカノ化学分画に応用の分野を拡大している。この新しい概念は、単一ステップで植物の問題を変換または分画することができる実際の原子炉の開発に至った、 液体/固体分離^2、3、4によって抽出物とラフィネートの別々の生産まで。農産化学研究所(LCA)で行われた研究は、農資源^2、3の分画と評価のための二ねじ技術の複数の可能性を強調している。例のいくつかは次のとおりです:1)植物油^{5、6、7、8、9、10}の機械的なプレスおよび/または「グリーン」溶媒抽出。2)ヘミセルロース^11、12、ペクチン^13、タンパク質^14、15、およびポリフェノール抽出物¹⁶の抽出。3)第二世代バイオエタノール¹⁷を製造するための植物細胞壁の酵素分解。4)タンパク質¹⁸または多糖類¹⁹マトリックスを有するバイオコンポジット材料の製造。5)穀物、及びバイオベースのポリエステル^20、21を混合することにより、熱可塑性材料の製造。6)熱可塑性ポリマーを配合することによりバイオコンポジットの製造、バイオベースかどうか、および植物充填剤^22,23。7)紙パルプ^13、24、および繊維板25、26、27、28、29、30、31、32を製造するためのリグノセルロース系材料の除細化。

二ねじ押出機は、しばしば連続的な熱メカノ化学(TMC)反応器として考えられる。確かに、それは単一ステップの化学、熱、および、また、機械的作用で結合する。化学物質1は、バレルに沿って様々な点で液体試薬を注入する可能性をもたらす。熱1はバレルの熱調節のために可能である。最後に、機械的なものは、スクリュープロファイルに沿ったネジ要素の選択に依存します。

繊維板を製造するリグノセルロース系材料の除細化のために、最新の作品は、稲わら^25、28、コリアンダーストロー^26、29、油性亜麻シブ²⁷だけでなく、ヒマワリ^30、32およびアマランス³¹樹皮を使用しています。このような用途に対するリグノセルロース系バイオマスの現在の関心(すなわち、機械的補強)は、木材系材料の生産に使用される森林資源の定期的な枯渇によって説明される。作物残渣は安価であり、広く入手可能であり得る。また、現在の木質粒子は有毒であり得る石油化学樹脂と混合される。多くの場合、現在の商業材料³³の総コストの30%以上を占め、いくつかの樹脂はホルムアルデヒドの排出に寄与し、室内の空気質^を34に削減する。研究の関心は、天然バインダーの使用にシフトしています。.

リグノセルロース系バイオマスは、主にセルロースとヘミセルロースで構成され、異種複合体を形成する。ヘミセルロースは、これらの複合体の周りに三次元ネットワークを形成するリグニンの層を含浸させる。繊維板の製造のためのリグノセルロース系バイオマスの使用は、一般的に、事前処理の欠乏を必要とする。このためには、セルロースとヘミセルロースを保護するリグニンを分解する必要があります。機械的、熱的、および化学的^35、あるいは酵素^36、37、38の前処理を適用する必要があります。これらのステップはまた、繊維の自己接着性を増加させ、外因性バインダーが最も頻繁に添加された場合でもバインダーレスボード²⁷の生産を促進することができる。

前処理の主な目的は、マイクロメトリック繊維の粒径プロファイルを改善することです。簡単な研削は繊維サイズ^27、39、40を減らす可能性を提供する。安価で、繊維比面の増加に寄与する。内部細胞壁の成分がよりアクセスしやすくなり、得られたパネルの機械的特性が改善される。例えば、消化と除細分化41によって、異なるパルププロセス⁴²または蒸気爆発^{43、44、45、46、47}によって、熱機械パルプが製造されるときに、除細化の効率が著しく高められる。最近では、LCAは、二軸押出25、26、27、28、29、30、31、32を使用してリグノセルロース繊維の独自の前処理^を開発しました。TMC除細後、押出機は繊維内部の天然結合剤の均質な分散も可能にする。得られたプレミックスは、ファイバーボードに熱く押し込まれる準備ができています。

稲わらの除細取の間、二軸押出は消化プラス除留プロセス²⁵と比較した。押出方法により、大幅に低減されたコスト、すなわち、パルプ化法よりも9倍低い方法が明らかになった。さらに、添加水量が減少し(パルプ法では4.0分ではなく1.0最大液体/固形比)、精製繊維の平均アスペクト比(16.3-17.9ではなく21.2-22.6)の明確な増加も観察されます。これらの繊維は高度に改良された機械強化機能を提供する。これは、稲わベースの繊維板について実証された、純粋な非劣化リグニン(例えば、ビオリグニン)をバインダーとして使用した(曲げ強度は最大50 MPa、水に24時間浸漬した後の厚さの膨潤に対して24%)。

二軸押出機におけるTMC除細の関心もコリアンダーストロー²⁶で確認されている。精製繊維のアスペクト比は、単にアースファイバーの場合、わずか4.5ではなく22.9~26.5から変化します。100%コリアンダー系繊維板は、タンパク質バインダーとして種子からケーキを押出精製ストローに添加して得られた(質量は40%)。曲げ強度(最大29 MPa)、特に水に対する抵抗力(厚さ24%まで膨れ上がった)は、単に破砕されたストローから作られたパネルと比較して大幅に改善されました。さらに、これらのパネルはホルムアルデヒドを放出せず、その結果、市場で古典的に見られる中密度繊維板(MDF)およびチップボード²⁹ よりも環境的および人間の健康に優しい。

同様に、完全にアマランス³¹ とヒマワリ³²に基づくパネルは、皮からの押出精製繊維を強化として、種子ケーキをタンパク質バインダーとして組み合わせて、正常に製造された。それぞれ35MPaと36MPaの曲げ強度を示した。しかし、その耐水性は、厚さの膨れ上がりのためにそれぞれ71%と87%と低いことがわかった。油性亜麻ストローからの押出精製シベジに基づく自己接着パネルも²⁷個得ることができる。この場合、自己結合に寄与するのは、二軸ねじTMC除細化中に放出されるリグネオス画分である。しかし、得られたハードボードは、機械的強度が低く(わずか12MPa曲げ強度)、非常に高い厚さの膨潤(127%)を示す。

上に示したすべての押出された繊維ベースのパネルは産業適用を見つけることができる、従って、現在の商業用木質材料に持続可能な代替である。国際標準化機構(ISO)要件^48、49、50によると^、その特定の用途は機械および水の感度特性に依存します。

本論文では、リグノセルロース系繊維を再生可能な基板で機械的補強として使用する前に押し出し、精製する手順を詳細に説明する。念のため、このプロセスは、従来のパルプ処理方法論と比較して添加される水の量を減少させ、また、エネルギー消費も少ない^25.同じ二ねじ機械は繊維に自然な結合剤を加えるためにまた使用することができる。

具体的には、油性亜麻(リナムウシタチシムL.) からシベの二軸押し出し精製を行うための詳細な概要が提示される。本研究で使用したストローは商業的に得られた。エベレスト品種から、2018年にフランス南西部で栽培された植物。同じ押出機パスでは、可塑化された亜麻仁ケーキ(外因性バインダーとして使用される)もバレルの真ん中に加えることができ、スクリュープロファイルの後半に沿って精製されたシジルに密接に混合することができます。ふわふわした材料の形態を有する均質混合物は、機械出口で収集される。1ステップのTMC操作はパイロットスケールマシンを使用して行われます。私たちの目標は、オペレータが適切に震えの押し出し精製を行い、ケーキの追加を行うための詳細な手順を提供することです。この操作に続いて、得られたプレミックスは、ホットプレスを使用して100%油性亜麻系ハードボードの後で製造する準備ができています。