Procédé d’extrusion à deux vis pour produire des panneaux de fibres renouvelables

Summary

Un procédé polyvalent d’extrusion à deux vis pour fournir un prétraitement thermo-mécano-chimique efficace sur la biomasse lignocellulosique a été développé, ce qui conduit à un rapport d’aspect moyen accru des fibres. Un liant naturel peut également être ajouté en continu après l’affinage des fibres, conduisant à des panneaux de fibres biosampés avec des propriétés mécaniques améliorées après pressage à chaud du matériau extrudé obtenu.

Abstract

Un procédé polyvalent d’extrusion à deux vis pour fournir un prétraitement thermo-mécano-chimique efficace sur la biomasse lignocellulosique avant de l’utiliser comme source de renforcement mécanique dans des panneaux de fibres entièrement bioséo-biosûres a été développé. Divers sous-produits végétaux lignocellulosiques ont déjà été prétrâtrés avec succès grâce à ce processus, par exemple les pailles de céréales (en particulier le riz), la paille de coriandre, les frissons de paille de lin oléagineux et l’écorce des tiges d’amarante et de tournesol.

Le processus d’extrusion entraîne une augmentation marquée du rapport d’aspect moyen des fibres, ce qui améliore les propriétés mécaniques des panneaux de fibres. L’extrudeuse à deux vis peut également être équipée d’un module de filtration à l’extrémité du canon. L’extraction continue de divers produits chimiques (par exemple, les sucres libres, les hémicelluloses, les volatils des fractions d’huiles essentielles, etc.) du substrat lignocellulosique, et le raffinage des fibres peuvent donc être effectués simultanément.

L’extrudeuse peut également être utilisée pour sa capacité de mélange: un liant naturel (par exemple, les lignines Organosolv, les tourteaux à base de protéines, l’amidon, etc.) peut être ajouté aux fibres raffinées à l’extrémité du profil de vis. Le prémélange obtenu est prêt à être moulé par pressage à chaud, le liant naturel contribuant à la cohésion des panneaux de fibres. Un tel processus combiné dans une seule passe d’extrudeuse améliore le temps de production, le coût de production et peut entraîner une réduction de la taille de la production de l’usine. Parce que toutes les opérations sont effectuées en une seule étape, la morphologie des fibres est mieux préservée, grâce à un temps de séjour réduit du matériau à l’intérieur de l’extrudeuse, ce qui se traduit par des performances améliorées du matériau. Une telle opération d’extrusion en une seule étape peut être à l’origine d’une intensification précieuse du processus industriel.

Comparativement aux matériaux commerciaux à base de bois, ces panneaux de fibres entièrement biosyés n’émettent pas de formaldéhyde, et ils pourraient trouver diverses applications, par exemple, des conteneurs intermédiaires, des meubles, des revêtements de sol domestiques, des étagères, une construction générale, etc.

Introduction

L’extrusion est un processus au cours duquel un matériau qui coule est forcé à travers une matrice chaude. L’extrusion permet donc la formation de produits préchauffés sous pression. La première extrudeuse industrielle à vis unique est apparue en 1873. Il a été utilisé pour la fabrication de câbles continus métalliques. À partir de 1930, l’extrusion à une seule vis a été adaptée à l’industrie alimentaire pour produire des saucisses et du passé. À l’inverse, la première extrudeuse à deux vis a d’abord été utilisée pour les développements de l’industrie alimentaire. Il n’est apparu dans le domaine des polymères synthétiques que dans les années 1940. À cette fin, de nouvelles machines ont été conçues et leur fonctionnement a également été modélisé¹. Un système avec des vis co-pénétrantes et co-rotatives a été développé, permettant d’effectuer simultanément le mélange et l’extrusion. Depuis lors, la technologie d’extrusion s’est développée en permanence via la conception de nouveaux types de vis. Aujourd’hui, l’industrie alimentaire fait un usage intensif de l’extrusion à deux vis, bien qu’elle soit plus coûteuse que l’extrusion à une seule vis, car l’extrusion à deux vis permet d’accéder à un traitement des matériaux et à des produits finaux plus élaborés. Il est notamment utilisé pour l’extrusion-cuisson des produits féculents mais aussi pour la texturation de protéines et la fabrication d’aliments pour animaux de compagnie et d’aliments pour poissons.

Plus récemment, l’extrusion à deux vis a vu son champ d’application étendu au fractionnement thermo-mécano-chimique de matière végétale^2,3. Ce nouveau concept a conduit au développement de réacteurs réels capables de transformer ou de fractionner des matières végétales en une seule étape, jusqu’à la production séparée d’un extrait et d’un raffinat par séparation liquide/solide^2,3,4. Les travaux réalisés au Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle (LCA) ont mis en évidence les multiples possibilités de la technologie à deux vis pour le fractionnement et la valorisation des agroressources^2,3. Quelques exemples sont : 1) Le pressage mécanique et/ou l’extraction par solvant « vert » de l’huile végétale^{5,6,7,8,9,10.} 2) L’extraction des hémicelluloses^11,12,des pectines^13,des protéines^14,15,et des extraits polyphénoliques^16. 3) La dégradation enzymatique des parois cellulaires des plantes pour la production de bioéthanol de deuxième génération^17. 4) La production de matériaux biocomposites avec des matrices de^{protéines 18} ou^{de polysaccharides 19.} 5) La production de matériaux thermoplastiques par mélange de céréales et de polyesters biosyants^20,21. 6) La production de biocomposites par composition d’un polymère thermoplastique, biosourcé ou non, et de charges végétales^22,23. 7) La défibration de matériaux lignocellulosiques pour la production de pâte à papier^13,24,et de panneaux de fibres^{25,26,27,28,29,30,31,32.}

L’extrudeuse à deux vis est souvent considérée comme un réacteur thermomécanochimique continu (TMC). En effet, il combine en une seule étape des actions chimiques, thermiques, et, aussi, mécaniques. Le chimique se traduit par la possibilité d’injecter des réactifs liquides en divers points le long du canon. Le thermique est possible grâce à la régulation thermique du canon. Enfin, la mécanique dépend du choix des éléments de vis le long du profil de vis.

Pour la défibation des matériaux lignocellulosiques afin de produire des panneaux de fibres, les travaux les plus récents ont utilisé de la paille de riz^25,28,de la paille de coriandre^26,29,des shives de lin oléagineux²⁷ ainsi que des écorces de tournesol^30,32 et d’amarante^31. L’intérêt actuel des biomasses lignocellulosiques pour une telle application (c.-à-d. renforcement mécanique) s’explique par l’épuisement régulier des ressources forestières utilisées pour produire des matériaux à base de bois. Les résidus de culture sont peu coûteux et peuvent être largement disponibles. De plus, les particules de bois actuelles sont mélangées à des résines pétrochimiques qui peuvent être toxiques. Représentant souvent plus de 30% du coût total des matériaux commerciaux actuels^33,certaines résines contribuent aux émissions de formaldéhyde et réduisent la qualité de l’air intérieur^34. L’intérêt de la recherche s’est déplacé vers l’utilisation de liants naturels.

La biomasse lignocellulosique est principalement composée de cellulose et d’hémicelluloses, formant un complexe hétérogène. Les hémicelluloses sont imprégnées de couches de lignines qui forment un réseau tridimensionnel autour de ces complexes. L’utilisation de biomasse lignocellulosique pour la fabrication de panneaux de fibres nécessite généralement un prétraitement par défibration. Pour cela, il est nécessaire de décomposer les lignines qui protègent la cellulose et les hémicelluloses. Des prétrages mécaniques, thermiques et chimiques³⁵ voire enzymatiques^36,37,38 doivent être appliqués. Ces étapes augmentent également l’auto-adhésion des fibres, ce qui peut favoriser la production de panneaux sans liant²⁷ même si un liant exogène est le plus souvent ajouté.

L’objectif principal des prétr traitements est d’améliorer le profil granulométrique des fibres micrométriques. Un simple broyage offre la possibilité de réduire la taille de la fibre^27,39,40. Peu coûteux, il contribue à augmenter la surface spécifique de la fibre. Les composants de la paroi cellulaire interne deviennent plus accessibles et les propriétés mécaniques des panneaux obtenus sont améliorées. L’efficacité de la défibration est considérablement augmentée lorsqu’une pâte thermomécanique est produite, par exemple par digestion plus défibration^41,à partir de différents procédés de mise en pâte⁴² ou par explosion de vapeur^{43,44,45,46,47.} Plus récemment, LCA a développé un prétraitement original de fibres lignocellulosiques en utilisant l’extrusion à deux vis^{25,26,27,28,29,30,31,32.} Après défibation TMC, l’extrudeuse permet également la dispersion homogène d’un liant naturel à l’intérieur des fibres. Le prémélange résultant est prêt à être pressé à chaud dans des panneaux de fibres.

Lors de la défibation de la paille de riz, l’extrusion à deux vis a été comparée à un procédé de digestion plus défibration^25. La méthode d’extrusion a révélé un coût considérablement réduit, c’est-à-dire neuf fois inférieur à celui de la mise en pâte. En outre, la quantité d’eau ajoutée est réduite (rapport liquide/ solide max 1,0 au lieu de 4,0 min avec la méthode de mise en pâte), et une nette augmentation du rapport d’aspect moyen des fibres raffinées (21,2-22,6 au lieu de 16,3-17,9) est également observée. Ces fibres présentent une capacité de renforcement mécanique hautement améliorée. Ceci a été démontré pour les panneaux de fibres à base de paille de riz, dans lesquels de la lignine pure non détériorée (par exemple, biolignin) a été utilisée comme liant (jusqu’à 50 MPa pour la résistance à la flexion et 24% pour le gonflement de l’épaisseur après une immersion de 24 h dans l’eau)^28.

L’intérêt de la défibation TMC dans l’extrudeuse à deux vis a également été confirmé avec la paille de coriandre^26. Le rapport d’aspect des fibres raffinées varie de 22,9 à 26,5 au lieu de seulement 4,5 pour les fibres simplement broyées. Des panneaux de fibres 100% à base de coriandre ont été obtenus en ajoutant aux pailles raffinées par extrusion un gâteau de la graine comme liant protéique (40% en masse). Leur résistance à la flexion (jusqu’à 29 MPa) et surtout leur résistance à l’eau (jusqu’à 24% de gonflement d’épaisseur) ont été significativement améliorées par rapport aux panneaux fabriqués à partir de paille simplement broyée. De plus, ces panneaux n’émettent pas de formaldéhyde et, par conséquent, ils sont plus respectueux de l’environnement et de la santé humaine que les panneaux de fibres de densité moyenne (MDF) et les agglomérés²⁹ que l’on trouve classiquement sur le marché.

De même, des panneaux entièrement à base d’amarante³¹ et de tournesol^32,combinant des fibres raffinées par extrusion à partir d’écorce comme renfort et un gâteau de graines comme liant protéique, ont été produits avec succès. Ils ont montré des forces de flexion de 35 MPa et de 36 MPa, respectivement. Cependant, leur résistance à l’eau s’est avérée plus faible: 71% et 87%, respectivement, pour le gonflement de l’épaisseur. Des panneaux auto-collés à base de shives raffinés par extrusion à partir de paille de lin oléagineux peuvent également être obtenus^27. Dans ce cas, c’est la fraction ligneuse, libérée lors de la défibration TMC à deux vis, qui contribue à l’auto-collage. Cependant, les panneaux durs obtenus présentent une résistance mécanique inférieure (seulement 12 MPa de résistance à la flexion) et un gonflement de très haute épaisseur (127%).

Tous les panneaux à base de fibres extrudées présentés ci-dessus peuvent trouver des applications industrielles et sont, par conséquent, des alternatives durables aux matériaux commerciaux actuels à base de bois. Selonles exigences^{48, 49,50de}l’Organisation internationale de normalisation (ISO), leurs applications spécifiques dépendront de leurs caractéristiques mécaniques et de sensibilité à l’eau.

Dans cet article, la procédure d’extrusion et d’affinement des fibres lignocellulosiques avant de les utiliser comme renfort mécanique dans des panneaux renouvelables est décrite en détail. Pour rappel, ce procédé réduit la quantité d’eau à ajouter par rapport aux méthodologies traditionnelles de mise en pâte, et il est également moins énergivore²⁵. La même machine à deux vis peut également être utilisée pour ajouter un liant naturel aux fibres.

Plus précisément, un plan détaillé pour effectuer l’extrusion-affinage à deux vis des frissons de paille de lin oléagineux(Linum usitatissimum L.) est présenté. La paille utilisée dans cette étude a été obtenue commercialement. Il était de la variété Everest, et les plantes ont été cultivées dans la partie sud-ouest de la France en 2018. Dans la même passe extrudeuse, un gâteau de lin plasturé (utilisé comme liant exogène) peut également être ajouté au milieu du canon, puis mélangé intimement aux frissons raffinés le long de la seconde moitié du profil de vis. Un mélange homogène ayant la forme d’un matériau moelleux est recueilli à la sortie de la machine. L’opération TMC en une seule étape est effectuée à l’aide d’une machine à l’échelle pilote. Notre objectif est de fournir une procédure détaillée pour que les opérateurs effectuent correctement l’extrusion-affinage des frissons, puis l’ajout du gâteau. Suite à cette opération, le prémélange obtenu est prêt pour la fabrication ultérieure de panneaux durs à base de lin 100% oléagineux à l’aide d’un pressage à chaud.

Protocol

1. Préparer les matières premières Utilisez des frissons de lin oléagineux, qui sont le résultat d’une étape préliminaire d’extraction mécanique des fibres libériennes de la paille dans un dispositif d’extraction « toutes fibres »51. Utilisez un tamis vibrant pour enlever les fibres textiles courtes qu’elles peuvent encore contenir.REMARQUE: Comme l’enlèvement de ces fibres textiles courtes peut être difficile, n’hésitez pas à répéter cette opération d…

Representative Results

Lors de l’affinage des fibres des shives de lin oléagineux à l’aide de la configuration (étape 3.1.1), de l’eau a été délibérément ajoutée à un rapport liquide/solide égal à 1,0. Selon les travaux précédents25,26,27,un tel rapport liquide/solide préserve mieux la longueur des fibres raffinées à la sortie de l’extrudeuse à deux vis que des rapports inférieurs, ce qui contribue simultanément à une augm…

Discussion

Le protocole décrit ici décrit comment traiter l’extrusion-affinage de fibres lignocellulosiques avant de les utiliser comme renfort mécanique dans des panneaux renouvelables. Ici, l’extrudeuse à deux vis utilisée est une machine à l’échelle pilote. Avec des vis de 53 mm de diamètre (D), il est équipé de huit modules, chacun de longueur 4D, à l’exception du module 1 qui a un 8D longueur, correspondant à une longueur totale 36D (c’est-à-dire 1 908 mm) pour le canon. Sa longueur est suffisamment long…

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