التوأم المسمار عملية البثق لإنتاج الألواح الليفية المتجددة

Summary

تم تطوير عملية قذف مزدوج المسمار متعددة الاستخدامات لتوفير معالجة مسبقة حرارية ميكانيكية كيميائية فعالة على الكتلة الحيوية الليجنوسيلولوسية ، مما يؤدي إلى زيادة متوسط نسبة العرض إلى الارتفاع للألياف. ويمكن أيضا أن يضاف الموثق الطبيعية باستمرار بعد تكرير الألياف، مما يؤدي إلى الألواح الليفية الحيوية مع تحسين الخصائص الميكانيكية بعد الضغط الساخن من المواد المقذوفة التي تم الحصول عليها.

Abstract

تم تطوير عملية قذف مزدوج المسمار متعددة الاستخدامات لتوفير معالجة مسبقة فعالة حرارية ميكانيكية كيميائية على الكتلة الحيوية الليجنوسيلولوسية قبل استخدامها كمصدر للتعزيز الميكانيكي في الألواح الليفية القائمة على أساس حيوي بالكامل. وقد تم بالفعل بالفعل معالجة مختلف المنتجات الثانوية للمحاصيل الليجنوسيلولوسية بنجاح من خلال هذه العملية ، على سبيل المثال ، قش الحبوب (وخاصة الأرز) ، و قش الكزبرة ، والشيفات من قش الكتان الأولياجي ، ونباح كل من الأمارانث وينبع عباد الشمس.

تؤدي عملية البثق إلى زيادة ملحوظة في متوسط نسبة العرض إلى الارتفاع للألياف ، مما يؤدي إلى تحسين الخصائص الميكانيكية للألواح الليفية. كما يمكن تزويد الطارد التوأم بوحدة ترشيح في نهاية البرميل. الاستخراج المستمر لمختلف المواد الكيميائية (مثل السكريات الحرة، الهيميسيلولوز، المواد المتطايرة من كسور الزيت الأساسية، وما إلى ذلك) من الركيزة الليجنوسيلولوسية، وتكرير الألياف يمكن، لذلك، أن يتم في وقت واحد.

يمكن أيضا استخدام الطارد لقدرته على الاختلاط: يمكن إضافة الموثق الطبيعي (على سبيل المثال ، الأورجانوسلف ليجنين ، كعك الزيت القائم على البروتين ، النشا ، وما إلى ذلك) إلى الألياف المكررة في نهاية الملف الشخصي المسمار. وpremix التي تم الحصول عليها على استعداد لتكون مصبوب من خلال الضغط الساخن، مع الموثق الطبيعية المساهمة في التماسك الألياف. هذه العملية مجتمعة في تمريرة مقذوف واحد يحسن وقت الإنتاج، وتكلفة الإنتاج، ويمكن أن يؤدي إلى انخفاض في حجم إنتاج المصنع. نظرا لأن جميع العمليات تتم في خطوة واحدة ، يتم الحفاظ على مورفولوجيا الألياف بشكل أفضل ، وذلك بفضل تقليل وقت إقامة المادة داخل الطارد ، مما يؤدي إلى تحسين أداء المواد. وقد تكون عملية البثق هذه ذات الخطوة الواحدة مصدر تكثيف عملية صناعية قيمة.

بالمقارنة مع المواد التجارية القائمة على الخشب، هذه الألواح الليفية القائمة على أساس حيوي بالكامل لا تنبعث منها أي الفورمالديهايد، وأنها يمكن أن تجد تطبيقات مختلفة، على سبيل المثال، حاويات وسيطة، والأثاث، والأرضيات المنزلية، رفوف، والبناء العام، الخ.

Introduction

البثق هو عملية يتم خلالها إجبار المواد المتدفقة من خلال الموت الساخن. وبالتالي، يسمح البثق بتشكيل منتجات مسخنة مسبقا تحت الضغط. ظهر أول مقذوف صناعي أحادي المسمار في عام 1873. كان يستخدم لتصنيع الكابلات المعدنية المستمرة. من عام 1930 فصاعدا، تم تكييف البثق واحد المسمار لصناعة الأغذية لإنتاج النقانق والماضي. وعلى العكس من ذلك، تم استخدام أول مقذوف مزدوج المسمار لأول مرة للتطورات في صناعة الأغذية. لم يظهر في مجال البوليمرات الاصطناعية حتى الأربعينات. لهذا الغرض، تم تصميم آلات جديدة، وتم أيضا على غرار تشغيلها¹. تم تطوير نظام مع مسامير مشتركة الاختراق والمشاركة في الدوران ، مما يسمح بإجراء الاختلاط والقذف في وقت واحد. ومنذ ذلك الحين، تطورت تكنولوجيا البثق باستمرار من خلال تصميم أنواع جديدة من مسامير. اليوم، صناعة الأغذية يجعل الاستخدام المكثف للقذف المسمار التوأم على الرغم من أنه أكثر تكلفة من قذف واحد المسمار كما البثق التوأم المسمار يسمح بالوصول إلى معالجة المواد أكثر تفصيلا والمنتجات النهائية. ويستخدم بشكل خاص لقذف الطبخ من المنتجات النشوية ولكن أيضا التركيب من البروتينات وتصنيع أغذية الحيوانات الأليفة وعلف الأسماك.

في الآونة الأخيرة ، شهد البثق التوأم المسمار مجال تطبيقه يمتد إلى تجزئة الحرارية الميكانيكية والكيميائية للمادة النباتية^2،3. وقد أدى هذا المفهوم الجديد إلى تطوير مفاعلات حقيقية قادرة على تحويل أو تجزئة المسائل محطة في خطوة واحدة، تصل إلى إنتاج منفصلة من استخراج وraffinate عن طريق فصل السائل /^{الصلبة 2،3،4}. وقد سلط العمل الذي تم تنفيذه في مختبر الكيمياء الزراعية الصناعية (LCA) الضوء على الاحتمالات المتعددة لتكنولوجيا المسمار المزدوج لعملية تجزئة وتثمين الموارد الزراعية^2،3. بعض الأمثلة هي: 1) الميكانيكية الملحة و / أو “الخضراء” استخراج المذيبات من الزيت النباتي^{5،6،7،8،9،10}. 2) استخراج الهيميسيلولوز^11،12، البكتين¹³، البروتينات^14،15، ومستخلصات البوليفينول¹⁶. 3) تدهور الأنزيمية من جدران الخلايا النباتية لإنتاج الجيل الثاني من الإيثانول الحيوي¹⁷. 4) إنتاج مواد الكومبيتوسيت الحيوي مع البروتين¹⁸ أو البوليساكريد¹⁹ المصفوفات. 5) إنتاج المواد الحرارية عن طريق خلط الحبوب، والبوليستر الحيوية^20،21. 6) إنتاج المكونات الحيوية عن طريق مضاعفة البوليمر الحراري، على أساس بيولوجي أم لا، والحشو النباتي^22،23. 7) تدنيس المواد الليغنوسيلولوسية لإنتاج لب الورق^13،24، والألواح الليفية^25،26،^{27،28،29،30،31،32}.

غالبا ما يعتبر الطارد التوأم المسمار كمفاعل حراري ميكانيكي كيميائي مستمر (TMC). في الواقع ، فإنه يجمع في خطوة واحدة الكيميائية والحرارية ، وأيضا ، والإجراءات الميكانيكية. ينتج عن المادة الكيميائية إمكانية حقن الكواشف السائلة في نقاط مختلفة على طول البرميل. الحرارية واحدة يمكن واجبة إلى التنظيم حرارية من البرميل. وأخيرا، فإن الميكانيكية واحدة يعتمد على اختيار عناصر المسمار على طول الملف الشخصي المسمار.

لتدنيس المواد lignocellulosic لإنتاج الألواح الليفية، وقد استخدمت أحدث الأعمال قش الأرز^25،28، قش الكزبرة^26،29، الكتان oleaginous shives²⁷ وكذلك عباد الشمس^30،32 وamaranth³¹ النباح. ويفسر الاهتمام الحالي للكتلة الحيوية الليجنوسيلولوسية لمثل هذا التطبيق (أي التعزيز الميكانيكي) بالنضوب المنتظم للموارد الحرجية المستخدمة في إنتاج المواد الخشبية. ومخلفات المحاصيل غير مكلفة وقد تكون متاحة على نطاق واسع. وبالإضافة إلى ذلك، تختلط جزيئات الخشب الحالية مع راتنجات البتروكيماويات التي يمكن أن تكون سامة. غالبا ما تمثل أكثر من 30٪ من التكلفة الإجمالية للمواد التجارية الحالية^33،وبعض الراتنجات تسهم في انبعاثات الفورمالديهايد والحد من نوعية الهواء في الأماكن^{المغلقة 34}. وقد تحول الاهتمام البحثي إلى استخدام المجلدات الطبيعية.

تتكون الكتلة الحيوية الليجنوسيلولوسية بشكل رئيسي من السليلوز والهيميسليلوز ، مما يشكل مجمعا غير متجانس. يتم تلقيح الهيميسليلوز بطبقات من الليغنينز التي تشكل شبكة ثلاثية الأبعاد حول هذه المجمعات. استخدام الكتلة الحيوية lignocellulosic لتصنيع الألواح الليفية عموما يتطلب قبل العلاج التدنيس. لهذا، فمن الضروري لكسر lignins التي تحمي السليلوز والهيميسيلولوز. يجب تطبيق الميكانيكية والحرارية والكيميائية³⁵ أو حتى^{الأنزيمية 36،37،38} قبل العلاج. هذه الخطوات أيضا زيادة الالتصاق الذاتي من الألياف، والتي يمكن أن تعزز إنتاج لوحات binderless²⁷ حتى لو كان الموثق الخارجية غالبا ما تضاف.

الغرض الأساسي من العلاجات المسبقة هو تحسين حجم الجسيمات من الألياف الدقيقة. طحن بسيطة توفر إمكانية تقليل حجم الألياف^27،39،40. غير مكلفة، فإنه يساهم في زيادة سطح الألياف محددة. مكونات جدار الخلية الداخلية تصبح أكثر سهولة ويتم تحسين الخصائص الميكانيكية للألواح التي تم الحصول عليها. تزداد كفاءة التجرد بشكل كبير عندما يتم إنتاج لب حراري ميكانيكي ، على سبيل المثال ، عن طريق الهضم بالإضافة إلى التدنيس⁴¹، من عمليات اللب المختلفة⁴² أو عن طريق انفجار البخار^{43،44،45،46،47}. في الآونة الأخيرة، وقد وضعت LCA الأصلي قبل العلاج من الألياف lignocellulosic باستخدام البثق التوأم المسمار^{25،26،27،28،29،30،31،32}. بعد تدنيس TMC ، يمكن الطارد أيضا من التشتت المتجانس للموثق الطبيعي داخل الألياف. وpremix الناتجة على استعداد للضغط الساخنة في الألواح الليفية.

خلال تدنيس قش الأرز ، تمت مقارنة البثق التوأم المسمار بعملية الهضم بالإضافة إلى عملية التدنيس²⁵. وكشفت طريقة البثق عن انخفاض كبير في التكلفة، أي أقل بتسع مرات من تكلفة اللب. وعلاوة على ذلك، يتم تخفيض كمية المياه المضافة (1.0 ماكس السائل / نسبة الصلبة بدلا من 4.0 دقيقة مع طريقة اللب)، ويلاحظ زيادة واضحة في متوسط نسبة العرض إلى الارتفاع من الألياف المكررة (21.2-22.6 بدلا من 16.3-17.9). هذه الألياف الحالية قدرة تعزيز الميكانيكية المحسنة للغاية. وقد تجلى ذلك بالنسبة للألواح الليفية القائمة على قش الأرز ، والتي تم فيها استخدام اللجنين النقي غير المتدهور (على سبيل المثال ، Biolignin) كموثق (ما يصل إلى 50 MPa لقوة الانحناء و 24٪ لتورم السمك بعد 24 ساعة من الغمر في الماء)²⁸.

كما تم تأكيد مصلحة الاختلاء TMC في البثق التوأم المسمار مع قش الكزبرة²⁶. نسبة العرض إلى الارتفاع من الألياف المكررة تتراوح بين 22.9-26.5 بدلا من 4.5 فقط للألياف الأرضية ببساطة. تم الحصول على ألواح الألياف القائمة على الكزبرة بنسبة 100٪ عن طريق إضافة كعكة من البذور إلى القش المكرر بالقذق كموثق بروتين (40٪ في الكتلة). وقد تحسنت قوتها المرنة (حتى 29 MPa) وخاصة مقاومتها للماء (تورم سمك يصل إلى 24٪) بشكل كبير مقارنة بالألواح المصنوعة من القش المسحوق ببساطة. وعلاوة على ذلك، فإن هذه الألواح لا تنبعث منها الفورمالديهايد، ونتيجة لذلك، فهي أكثر ملاءمة للبيئة وصحة الإنسان من الألواح الليفية متوسطة الكثافة (MDF) ولوح الرقائق²⁹ الموجود تقليديا في السوق.

وبالمثل، تم إنتاج لوحات تعتمد بالكامل على amaranth³¹ وعباد الشمس³²، والجمع بين الألياف المكررة البثق من النباح كتعزيز وكعكة البذور كموثق البروتين ، بنجاح. وأظهرت نقاط القوة المرنة من 35 MPa و 36 MPa، على التوالي. ومع ذلك ، تم العثور على مقاومة المياه لتكون أقل: 71 ٪ و 87 ٪ ، على التوالي ، لتورم سمك. لوحات المستعبدين ذاتيا على أساس الشفيس المكرر البثق من قش الكتان oleaginous يمكن أيضا الحصول على²⁷. في هذه الحالة ، فإن الكسر المهذب ، الذي تم إطلاقه أثناء تدنيس TMC التوأم ، هو الذي يساهم في الترابط الذاتي. ومع ذلك، تظهر الألواح الصلبة التي تم الحصول عليها قوة ميكانيكية أقل (فقط 12 MPa قوة مرنة)، وتورم سمك عالية جدا (127٪).

جميع الألواح القائمة على الألياف مقذوفة المقدمة أعلاه يمكن أن تجد التطبيقات الصناعية، وبالتالي، بدائل مستدامة للمواد التجارية القائمة على الخشب الحالية. وفقا لمتطلبات المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO)^48،49،50، ستعتمد تطبيقاتها المحددة على خصائصها الميكانيكية وحساسية المياه.

في هذه الورقة ، يتم وصف الإجراء لقذف وصقل الألياف الليجنوسيلولوسية قبل استخدامها كتعزيز ميكانيكي في لوحات الطاقة المتجددة بالتفصيل. للتذكير، هذه العملية يقلل من كمية المياه التي يمكن إضافتها بالمقارنة مع منهجيات اللب التقليدية، وأنه هو أيضا أقل استهلاكا للطاقة²⁵. يمكن أيضا استخدام نفس آلة المسمار المزدوج لإضافة الموثق الطبيعي إلى الألياف.

وبشكل أكثر تحديدا، يتم تقديم مخطط تفصيلي لإجراء التوأم المسمار قذف التكرير من الشيش من الكتان oleaginous(Linum usitatissimum L.) القش. تم الحصول على القش المستخدمة في هذه الدراسة تجاريا. كان من مجموعة ايفرست المتنوعة، وزرعت النباتات في الجزء الجنوبي الغربي من فرنسا في عام 2018. في نفس ممر البثق ، يمكن أيضا إضافة كعكة بذر الكتان البلاستيكية (المستخدمة كموثق خارجي) في منتصف البرميل ، ثم خلطها بشكل وثيق مع الشيش المكرر على طول النصف الثاني من الملف الشخصي المسمار. يتم جمع خليط متجانس وجود شكل مادة رقيق في منفذ الجهاز. تتم عملية TMC من خطوة واحدة باستخدام جهاز مقياس تجريبي. هدفنا هو توفير إجراء مفصل للمشغلين لإجراء بشكل صحيح البثق – تكرير الشيش ، ومن ثم إضافة الكعكة. بعد هذه العملية، premix التي تم الحصول عليها جاهزة لتصنيع اللاحقة من 100٪ ألواح الصلبة المستندة إلى الكتان oleaginous باستخدام الضغط الساخن.

Protocol

1. تحضير المواد الخام استخدام ألياف الكتان oleaginous، والتي هي نتيجة لمرحلة أولية من الاستخراج الميكانيكي للألياف باست من القش في جهاز استخراج “جميع الألياف”51. استخدم منخل تهتز لإزالة ألياف النسيج القصيرة التي قد لا تزال تحتوي.ملاحظة: كما إزالة هذه الألياف النسيج قصيرة قد ?…

Representative Results

أثناء تكرير الألياف من شيش الكتان oleaginous باستخدام التكوين (الخطوة 3.1.1)، تمت إضافة الماء عمدا بنسبة سائلة / صلبة تساوي 1.0. وفقا لأعمالسابقة 25،26،27، مثل هذه النسبة السائلة / الصلبة يحافظ بشكل أفضل على طول الألياف المكررة في منفذ البثق التوأم ال…

Discussion

يصف البروتوكول المبين هنا كيفية معالجة تنقية البثق للألياف الليجنوسيلولوسية قبل استخدامها كتعزيز ميكانيكي في المجالس المتجددة. هنا ، فإن البثق التوأم المسمار المستخدمة هي آلة مقياس التجريبية. مع مسامير من 53 ملم في القطر (D)، وهي مجهزة ثماني وحدات، كل 4D في الطول، باستثناء وحدة 1 التي لديها 8…

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