双螺丝挤压工艺，以生产可再生纤维板

Summary

开发了多功能双螺杆挤压工艺，为木质细胞生物量提供高效的恒温-机械化学预处理，从而提高了平均纤维纵横比。纤维精炼后还可以连续添加天然粘合剂，从而在热压获得挤压材料后，生物基纤维板具有改进的机械性能。

Abstract

开发了一种多用途的双螺杆挤压工艺，可在木质细胞分子生物质上提供高效的恒温-机械化学预处理，然后将其用作全生物基纤维板机械加固的来源。通过这一过程，各种木质细胞素作物副产品已经成功地进行了预处理，例如谷物稻草（特别是大米）、香菜稻草、从卵泡亚麻稻草中抽水，以及阿马兰和向日葵茎的树皮。

挤压过程导致平均纤维纵横比显著提高，从而提高了纤维板的机械性能。双螺杆挤出器也可以在桶的末端安装过滤模块。从木质细胞基质中连续提取各种化学物质（如无糖、血糖、精油馏分挥发物等），因此纤维精炼可以同时进行。

挤出机还可用于其混合能力：天然粘合剂（如有机木质素，蛋白油饼，淀粉等）可以添加到螺丝轮廓末端的精炼纤维中。获得的预混音可通过热压成型，天然粘合剂有助于纤维板的凝聚。这种组合工艺在单一的挤出机通过提高生产时间，生产成本，并可能导致工厂生产规模的减少。由于所有操作都是一步一步进行的，纤维形态保存得更好，这要归功于挤出器内材料的居住时间缩短，从而提高了材料性能。这种一步一步的挤出操作可能是宝贵的工业过程强化的起源。

与商用木基材料相比，这些完全基于生物的纤维板不会排放任何甲醛，它们可以找到各种应用，如中间容器、家具、家用地板、搁板、一般建筑等。

Introduction

挤压是一个过程，在此期间，流动的材料被迫通过热死。因此，挤出允许在压力下形成预热产品。第一台工业单螺杆挤出机出现于1873年。它用于制造金属连续电缆。从1930年起，单螺杆挤出适应食品工业生产香肠和过去。相反，第一台双螺杆挤出机已首次用于食品工业的发展。直到20世纪40年代，它才出现在合成聚合物领域。为此，设计了新的机器，其操作也建模了^1。开发了一个具有共穿透和共旋转螺丝的系统，允许同时进行混合和挤压。此后，通过新型螺丝的设计，挤出技术不断发展。今天，食品行业广泛使用双螺杆挤压，虽然它比单螺杆挤出更昂贵，因为双螺杆挤出允许进入更精细的材料加工和最终产品。它特别用于淀粉制品的挤压烹饪，但也用于蛋白质的纹理和宠物食品和鱼饲料的制造。

最近，双螺杆挤压的应用领域已扩展到植物物质^2、3的恒温-机械化学分馏。这一新概念已导致真正的反应堆的发展，能够改变或分馏工厂的问题，在一个单一的步骤，以单独生产提取物和通过液体/固体分离^2，3，4的擦除。在农工化学实验室（LCA）进行的工作突出了双螺杆技术对农用资源^2、3的分馏和价值化的多种可能性。其中一些例子是：1）植物油的机械压榨和/或”绿色”溶剂萃取^{5、6、7、8、9、10。}2） 提取血细胞素^11，12，肽^13，蛋白质^14，15，和多酚提取物¹⁶.3） 生产第二代生物乙醇的植物细胞壁的酶降解^17。4） 生产含有蛋白质¹⁸或多糖¹⁹基质的生物复合物材料。5） 通过混合谷物和生物聚酯^20，21生产热塑性材料。6） 通过混合热塑性聚合物（生物基与否）和植物填充剂^22、23生产生物复合物。7） 用于生产纸浆^13、24和纤维板^{25、26、27、28、29、30、31、32}的木质细胞材料的去除。

双螺杆挤出器通常被认为是一个连续的热-机械化学（TMC）反应堆。事实上，它结合了一步化学，热，以及机械操作。化学一导致在桶的不同点注射液体试剂的可能性。由于桶的热调节，热电一个是可能的。最后，机械一个取决于沿螺钉轮廓的螺丝元件的选择。

为了去除木质细胞质材料来生产纤维板，最近的作品使用了稻草^25、28、香菜稻草26、29、卵磷脂皮²⁷以及向日葵^30、32和阿马兰³¹树皮。木质细胞生物量目前对这种应用的兴趣（即机械加固）是由用于生产木本材料的森林资源经常枯竭所解释的。作物残留物价格低廉，可能广泛可用。此外，目前的木材颗粒与石油化工脂混合，可能有毒。往往占目前商业材料总成本的30%以上^33，一些脂质有助于甲醛的排放，降低室内空气质量^34。研究兴趣已转向使用天然粘合剂。

木质细胞生物量主要由纤维素和血细胞组成，形成异质复合物。血细胞素浸渍在木质层中，这些褐金素层在这些复合物周围形成一个三维网络。使用木质细胞生物量制造纤维板通常需要除颤预处理。为此，有必要分解保护纤维素和血糖的木质素。机械、热和化学^35，甚至酶^36，37，38预处理必须应用。这些步骤还增加了纤维的自粘性，即使最常添加外源粘合剂，也能促进无粘合板²⁷的生产。

预处理的主要目的是改善微量纤维的颗粒大小。简单的研磨提供了减少纤维尺寸^27，39，40的可能性。价格低廉，有助于增加纤维特异性表面。内细胞壁的组件变得更加容易接近，获得的面板的机械性能得到改善。当产生热力机械纸浆时，除颤效率显著提高，例如，通过消化加除颤^41，从不同的制浆过程⁴²或蒸汽爆炸43，44，45，46，47。最近，LCA开发了使用双螺杆挤压^{25，26，27，28，29，30，31，32}的木质细胞纤维的原始预处理。TMC除颤后，挤出器还使纤维内自然粘合剂的均匀分散。由此产生的预混音准备被热压入纤维板。

在除颤稻草的过程中，将双螺杆挤压与消化加除颤过程²⁵进行比较。挤出方法显示成本显著降低，即比制浆方法低九倍。此外，还观察到加水量减少（1.0最大液/固体比，而不是用制浆方法4.0分钟），并观察到精炼纤维的平均纵横比（21.2-22.6而不是16.3-17.9）的明显增加。这些纤维具有高度提高的机械增强能力。这表现在稻草为基础的纤维板，其中纯非恶化木质素（如Biolignin）用作活页夹（高达50 MPa弯曲强度和24%厚度膨胀后24小时浸入水中^）28。

TMC对双螺杆挤出机的去除兴趣也已用香菜吸管²⁶得到证实。精炼纤维的纵横比从 22.9-26.5 不等，而简单的地面纤维的纵横比仅为 4.5。100% 基于香菜的纤维板是通过在挤出精制吸管中加入一个蛋糕作为蛋白质粘合剂（质量为 40%）获得的。与单纯压碎的吸管制成的面板相比，它们的柔韧强度（高达 29 MPa），尤其是对水的抵抗力（厚度膨胀高达 24%）显著提高。此外，这些面板不排放甲醛，因此，它们比市场上经典发现的中密度纤维板（MDF）和刨花板²⁹ 更环保、更有利于人体健康。

同样，完全基于amaanth³¹ 和向日葵³²的面板，结合了树皮中的挤出精炼纤维作为强化和种子蛋糕作为蛋白质活页夹，成功生产。他们分别表现出35MPa和36MPa的柔韧性优势。然而，他们发现，他们的抗水性较低：71%和87%，分别为厚度膨胀。基于从渗出亚麻吸管中挤出精制垫片的自粘板也可获得²⁷个。在这种情况下，是双螺杆 TMC 除颤过程中释放的连体分数有助于自我粘合。然而，获得的硬板显示较低的机械强度（只有12 MPa弹性强度），和非常高的厚度肿胀（127%）。

以上介绍的所有挤出纤维基面板都可以找到工业应用，因此是当前商业木基材料的可持续替代品。根据国际标准化组织（ISO）^{的要求，48、49、50，}其具体应用将取决于其机械和水的灵敏度特性。

本文详细描述了在再生板中使用木质细胞纤维作为机械加固之前挤压和精炼木质细胞纤维的程序。提醒一下，与传统的制浆方法相比，这个过程减少了水的添加量，而且能耗也更低^。同一台双螺杆机也可用于在纤维中添加天然粘结剂。

更具体地说，提出了从卵泡亚麻（利努姆乌西塔西姆 L.）吸管进行双螺杆挤压精炼的详细大纲。这项研究中使用的稻草是商业获得的。它来自珠穆朗玛峰品种，植物于2018年在法国西南部种植。在同一挤出器通，一个塑料亚麻籽蛋糕（用作外源粘合剂）也可以添加到桶的中间，然后紧密地混合到精致的垫沿螺丝轮廓的后半部分。机器插座收集具有蓬松材料形式的同质混合物。TMC 的一步操作使用中试秤机进行。我们的目标是为操作员提供一个详细的程序，以便正确进行石块的挤压精炼，然后添加蛋糕。在此操作之后，获得预混音已准备好使用热压法后续生产 100% 基于乳胶的亚麻硬板。

Protocol

1. 准备原材料 使用渗水亚麻，这是机械提取”全纤维”提取装置51中稻草的巴斯特纤维的初步阶段的结果。使用振动筛去除可能仍包含的短纺织纤维。注意：由于去除这些短纺织纤维可能很困难，请根据需要多次重复此筛分操作。在这里，目标是改善重量喂料器漏斗中的卵泡亚麻的流动，因此，在引入双螺杆挤出器之前，便于其施用。 使用塑料亚麻籽蛋糕，通过?…

Representative Results

在使用配置（步骤 3.1.1）对含卵亚麻水进行纤维精炼时，故意以等于 1.0 的液体/固体比率添加水。根据先前的25、26、27年作品，这种液体/固体比率比较低的比率更能保持双螺杆挤出口精炼纤维的长度，同时有助于提高其平均纵横比。此外，添加的水量足够低，可以消除机器堵塞的任何风险。因此，在没有”免费”水（即会过量添…

Discussion

此处概述的协议描述了如何在将木质细胞纤维用作可再生板的机械加固之前处理其挤压精炼。在这里，使用的双螺杆挤出机是一台中试秤机。螺丝直径为 53 mm （D），配备 8 个模块，每个模块长度为 4D，但具有 8D 的模块 1 除外长度，相当于36D总长度（即1，908毫米）的桶。其长度足够长，适用于加工材料，在单次通过中继承几个基本操作，即喂食、压缩、纤维固体与添加的水之间的亲密混合、膨胀…

Materials

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