Двухшнековый экструзионный процесс для производства возобновляемых древесноволокнистых плит

Экструзия – это процесс, во время которого протекающий материал проталкивается через горячую матрицу. Таким образом, экструзия позволяет формировать предварительно нагретые продукты под давлением. Первый промышленный одношнековый экструдер появился в 1873 году. Он использовался для изготовления металлических непрерывных кабелей. С 1930 года одношнековая экструзия была адаптирована к пищевой промышленности для производства колбас и прошлого. И наоборот, первый двухшнековый экструдер впервые был использован для разработок в пищевой промышленности. Он не появлялся в области синтетических полимеров до 1940-х годов. Для этого были спроектированы новые машины, а также смоделировала их^{эксплуатация1.} Была разработана система с совместно проникающими и совместно вращающимися винтами, позволяющая одновременно осуществлять смешивание и экструзию. С тех пор технология экструзии непрерывно развивалась благодаря разработке новых типов винтов. Сегодня пищевая промышленность широко использует двухшнековую экструзию, хотя она дороже, чем одношнековая экструзия, поскольку двухшнековая экструзия позволяет получить доступ к более сложной обработке материалов и конечным продуктам. Он особенно используется для экструзии и приготовления крахмалистых продуктов, а также для текстурирования белков и производства кормов для домашних животных и рыб.

Совсем недавно область применения двухшнековой экструзии расширилась до термомеханохимического фракционирования растительного вещества^2,3. Эта новая концепция привела к разработке реальных реакторов, способных трансформировать или фракционировать вещества установки за один этап, вплоть до раздельного производства экстракта и рафината путем разделения жидкости и твердого вещества^2,3,4. Работы, проведенные в Лаборатории агропромышленной химии (БАК), выявили многочисленные возможности двухшнековой технологии фракционирования и валоризации агроресурсов^2,3. Некоторые из примеров: 1) Механическое прессование и/или «зеленая» экстракция растворителем растительного масла^{5,6,7,8,9,10.} 2) Экстракция гемицеллюлоз^11,12,пектинов^13,белков^14,15и полифенольных экстрактов^16. 3) Ферментативная деградация клеточных стенок растений для получения биоэтанола второго поколения^17. 4) Производство биокомпозитных материалов с белковыми^{матрицами 18} или полисахаридом^19. 5) Производство термопластичных материалов путем смешивания зерновых культур и полиэфиров на биологической^{основе 20,21.} 6) Производство биокомпозитов путем компаундирования термопластичная полимерная, на биологической основе или нет, и растительных наполнителей^22,23. 7) Дефибрация лигноцеллюлозных материалов для производства бумажной^{массы 13,24,}а также древесноволокнистых плит^{25,26,27,28,29,30,31,32.}

Двухшнековый экструдер часто рассматривается как непрерывный термомеханохимический реактор (TMC). Ведь он сочетает в одном шаге химические, термические, а также механические воздействия. Химический приводит к возможности впрыскивания жидких реагентов в различные точки вдоль ствола. Тепловой возможен за счет терморегуляции ствола. Наконец, механический зависит от выбора винтовых элементов вдоль винтового профиля.

Для дефибрации лигноцеллюлозных материалов для производства древесноволокнистых плит на самых последних работах использовались рисовая солома^25,28,кориандра^26,29,льняная льняная шивы^27, а также подсолнечник^30,32 и амарант³¹ кора. Нынешний интерес к лигноцеллюлозным биомассам для такого применения (т.е. механического армирования) объясняется регулярным истощением лесных ресурсов, используемых для производства древесных материалов. Растительные остатки недороги и могут быть широко доступны. Кроме того, современные частицы древесины смешиваются с нефтехимическими смолами, которые могут быть токсичными. Часто на долю некоторых смол приходится более 30% от общей стоимости текущих коммерческих материалов^33,некоторые смолы способствуют выбросам формальдегида и снижают качество воздуха в помещениях^34. Исследовательский интерес сместился в сторону использования натуральных связующих.

Лигноцеллюлозная биомасса в основном состоит из целлюлозы и гемицеллюлозы, образуя гетерогенный комплекс. Гемицеллюлозы пропитаны слоями лигнидов, которые образуют трехмерную сеть вокруг этих комплексов. Использование лигноцеллюлозной биомассы для производства древесноволокнистых плит, как правило, требует предварительной обработки дефибрации. Для этого необходимо расбить лигнины, защищающие целлюлозу и гемицеллюлозу. Механические, термические и химические³⁵ или даже ферментативные^36,37,38 предварительные обработки должны применяться. Эти этапы также увеличивают самоадгезию волокон, что может способствовать производству безсвязывающих плит^27, даже если чаще всего добавляется экзогенное связующее.

Основной целью предварительной обработки является улучшение профиля размера частиц микрометрических волокон. Простое шлифование дает возможность уменьшить размер волокна^{на 27,39,40.} Недорого, он способствует увеличению волокна удельной поверхности. Компоненты внутренней клеточной стенки становятся более доступными и улучшаются механические свойства полученных панелей. Эффективность дефибрации значительно повышается при получении термомеханической пульпы, например, путем сбраживания плюс дефибрация^41,из различных процессов^{варки целлюлозы 42} или путем парового взрыва^{43,44,45,46,47.} Совсем недавно LCA разработала оригинальную предварительную обработку лигноцеллюлозных волокон с использованием двухшнековой экструзии^{25,26,27,28,29,30,31,32.} После дефибрации TMC экструдер также обеспечивает однородную диспергацию натурального связующего внутри волокон. Полученный премикс готов к горячему прессованию в ДВП.

Во время дефибрации рисовой соломы двухшнековую экструзию сравнивали с процессом пищеварения плюс дефибрации^25. Метод экструзии показал значительно сниженную стоимость, т.е. в девять раз ниже, чем у пульпирования. Кроме того, уменьшается количество добавленной воды (максимальное соотношение жидкость/твердое вещество на 1,0 вместо 4,0 мин при варке целлюлозы), а также наблюдается явное увеличение среднего соотношения сторон рафинированных волокон (21,2-22,6 вместо 16,3-17,9). Эти волокна представляют собой значительно улучшенную способность механического укрепления. Это было продемонстрировано для древесноволокнистых плит на основе рисовой соломы, в которых в качестве связующего использовался чистый неразрушенный лигнин (например, биолигнин) (до 50 МПа для прочности на изгиб и 24% для набухания толщины после 24-часового погружения в^воду)28.

Интерес TMC к двухшнековом экструдеру также был подтвержден кориандром^26. Соотношение сторон рафинированных волокон варьируется от 22,9 до 26,5 вместо 4,5 для просто измельченных волокон. 100% древесноволокнистые плиты на основе кориандра получали путем добавления к очищенным экструзией соломинкам жмыха из семян в качестве белкового связующего (40% по массе). Их прочность на изгиб (до 29 МПа) и особенно устойчивость к воде (до 24% толщины набухания) были значительно улучшены по сравнению с панелями, изготовленными из просто измельченной соломы. Кроме того, эти панели не выделяют формальдегида и, как следствие, они более экологичны и полезны для здоровья человека, чем ДВП средней плотности (МДФ) и ДСП^29, классически встречающиеся на рынке.

Аналогичным образом, были успешно изготовлены панели на основе амарантов³¹ и подсолнечника^32,сочетающие экструзионно-рафинированные волокна из коры в качестве армирования и семенной жмых в качестве белкового связующего. Они показали прочность на изгиб 35 МПа и 36 МПа соответственно. Однако их водонепроницаемость оказалась ниже: 71% и 87% соответственно для толщины набухания. Самосклеивающиеся панели на основе экструзионно-рафинированных шивов из олеагинной льняной соломы также могут быть получены^27. В данном случае именно лигниозная фракция, высвобождаемая при двухвинтовой дефибрации ТМС, способствует самосклеивающейся. Однако полученные ДВП показывают более низкую механическую прочность (всего 12 МПа на изгиб) и очень высокую толщину набухания (127%).

Все экструдированные панели на основе волокна, представленные выше, могут найти промышленное применение и, следовательно, являются устойчивыми альтернативами современным коммерческим материалам на основе древесины. Согласно требованиям Международной организации по стандартизации (ISO)^48,49,50,их конкретное применение будет зависеть от их механических и чувствительных к воде характеристик.

В данной работе подробно описана процедура экструзии и рафинирования лигноцеллюлозных волокон перед их использованием в качестве механического армирования в возобновляемых плитах. Напомним, что этот процесс уменьшает количество воды, добавляемой по сравнению с традиционными методами варки целлюлозы, а также^{потребляет меньше энергии 25.} Та же двухшнековая машина также может быть использована для добавления натурального связующего в волокна.

Более конкретно представлен подробный план проведения двухшнековой экструзии-рафинирования шивов из соломы олеагинного льна(Linum usitatissimum L.). Солома, использованная в этом исследовании, была получена коммерчески. Это было из сорта Эверест, а растения были выращенные в юго-западной части Франции в 2018 году. В том же проходе экструдера пластифицированный льняной жмых (используемый в качестве экзогенного связующего) также может быть добавлен в середину ствола, а затем тесно смешан с рафинированными шипами вдоль второй половины винтового профиля. Однородная смесь, имеющая форму пушистого материала, собирается на выходе из машины. Одноступенчатая операция TMC проводится с помощью пилотной масштабной машины. Наша цель состоит в том, чтобы предоставить операторам подробную процедуру для правильного проведения экструзии-рафинирования шивов, а затем добавления торта. После этой операции полученный премикс готов к последующему изготовлению 100% масляных плит на основе льна с использованием горячего прессования.