재생 가능한 섬유판 을 생산하는 트윈 나사 압출 공정

Summary

리노셀룰로오스 바이오매스에 효율적인 열 메카노 화학 전처리를 제공하는 다목적 트윈 나사 압출 공정이 개발되어 평균 섬유 종횡비가 증가했습니다. 천연 바인더는 섬유 정제 후 지속적으로 첨가할 수 있으며, 압출 된 재료의 뜨거운 압착 후 기계적 특성이 개선된 생체 기반 섬유 판으로 이어질 수 있습니다.

Abstract

리노셀룰로오스 바이오매스에 효율적인 열메카노 화학적 전처리를 제공하는 다목적 트윈 나사 압출 공정이 개발되었으며, 이를 완전히 바이오 기반 의 섬유판에서 기계적 보강의 원천으로 사용하였다. 다양한 리그노셀룰로오스 작물 부산물은 이미 시리얼 빨대(특히 쌀), 고수 짚, 올레아진 아마 밀짚의 시브, 아마란스와 해바라기 줄기 껍질 등 이 과정을 통해 성공적으로 사전 처리되었습니다.

압출 공정으로 인해 평균 섬유 종횡비가 현저히 증가하여 섬유판의 기계적 특성이 향상됩니다. 트윈 나사 압출기는 배럴 끝에 여과 모듈을 장착할 수도 있습니다. 리노셀룰로오스 기판으로부터 다양한 화학 물질(예: 자유 설탕, 헤미셀룰로스, 에센셜 오일 분수등휘발성)의 연속 추출은, 따라서 섬유 정제를 동시에 수행할 수 있다.

압출기는 또한 혼합 능력에 사용할 수 있습니다 : 천연 바인더 (예를 들어, 오가노솔브 리그닌, 단백질 기반 오일케이크, 전분 등)는 나사 프로파일의 끝에 정제 된 섬유에 추가 될 수 있습니다. 획득한 프리믹스는 천연 바인더가 섬유판 응집력에 기여하면서 뜨거운 압착을 통해 성형될 준비가 되어 있습니다. 이러한 결합된 공정은 단일 압출기 패스로 생산 시간, 생산 비용을 향상시키고 공장 생산 규모의 감소로 이어질 수 있다. 모든 작업은 한 단계로 수행되기 때문에 압출기 내부의 재료의 체류 시간이 단축되어 섬유 형태가 더 잘 보존되어 재료 성능이 향상됩니다. 이러한 1단계 압출 작업은 귀중한 산업 공정 강화의 기원에 있을 수 있다.

상업용 목재 기반 재료에 비해, 이러한 완전 바이오 기반 섬유판은 포름알데히드를 방출하지 않으며, 중간 컨테이너, 가구, 국내 바닥, 선반, 일반 건설 등 다양한 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다.

Introduction

압출은 흐르는 물질이 뜨거운 다이를 통해 강제로 되는 과정입니다. 따라서 압출은 압력을 받고 예열된 제품의 형성을 허용합니다. 최초의 산업용 단일 나사 압출기는 1873년에 등장했습니다. 금속 연속 케이블의 제조에 사용되었습니다. 1930년부터 는 단일 나사 압출이 식품 산업에 적용되어 소시지와 과거를 생산했습니다. 반대로, 최초의 트윈 나사 압출기는 식품 산업의 발전에 처음 사용되었습니다. 그것은 1940 년대까지 합성 폴리머의 필드에 나타나지 않았다. 이를 위해 새 기계가 설계되었으며 작동도^1을모델링했습니다. 공동 관통 및 동시 회전 나사가 있는 시스템이 개발되어 혼합 및 압출을 동시에 수행할 수 있습니다. 그 이후로 압출 기술은 새로운 유형의 나사 설계를 통해 지속적으로 개발되었습니다. 오늘날 식품 산업은 트윈 나사 압출보다 비용이 많이 들지만 쌍류 압출은 보다 정교한 재료 가공 및 최종 제품에 대한 액세스를 허용하므로 단일 나사 압출보다 더 비쌉습니다. 그것은 특히 녹말 제품의 압출 요리뿐만 아니라 단백질의 질감과 애완 동물 사료와 생선 사료의 제조에 사용됩니다.

최근에는 트윈 나사 압출이 식물 물질의 열 메카노 화학^분획으로확장된 응용 분야를 보았다^2,3. 이 새로운 개념은 한 단계로 식물 문제를 변형 또는 분수할 수 있는 실제 원자로의 개발로 이어졌으며, 추출물의 별도 생산과 액체/고체^분리에의한 라피네이트^2,3,4. 농업 산업 화학 연구소 (LCA)에서 수행 된 작업은^농약의분수 및 용맹에 대한 트윈 나사 기술의 여러 가능성을 강조하고있다^2,3. 일부 예는 다음과같습니다: 1) 식물성 기름^{5,6,7,8,9,10의}기계적 압착 및/또는 “녹색” 용매 추출. 2) 헤미셀룰로스^11,12,펙틴^13,단백질^14,15,및 폴리페놀 추출물^16의추출. 3) 2세대^{바이오에탄올(17)을}생산하기 위한 식물세포벽의 효소분해. 4) 단백질¹⁸ 또는 다당류¹⁹ 매트릭스를 가진 바이오 복합 재료의 생산. 5) 시리얼과 바이오 기반 폴리에스테르^20,21을혼합하여 열가소성 물질의 생산. 6) 열가소성 폴리머, 바이오 기반 또는 하지 않음, 및 식물^{필러(22,23)를}복합화하여 바이오 복합체의 생산. 7) 종이 펄프^13,24및 섬유판^{(25,26,27,28,29,30,31,32)을}제조하기위한 리그노 셀룰로오스^재료의형량.

쌍 나사 압출기는 종종 연속 열 메카노 화학 (TMC) 반응기로 간주됩니다. 실제로, 그것은 단일 단계 화학, 열, 또한, 기계적 행동에 결합. 화학 물질 하나는 배럴을 따라 다양한 지점에서 액체 시약을 주입 할 수있는 가능성을 초래한다. 열 하나는 배럴의 열 조절으로 인해 가능합니다. 마지막으로, 기계식 요소는 나사 프로파일을 따라 나사 요소의 선택에 따라 달라집니다.

리노셀룰로오스 소재를 해체하여 섬유판을 생산하기 위해, 가장 최근의 작품은 쌀 짚^25,28,고수 짚^26,29,올레아진 아마 시브^27뿐만 아니라 해바라기^30,32 및 아마란트³¹ 껍질을 사용했습니다. 이러한 응용 분야(즉, 기계적 보강)에 대한 리그노셀룰로오스 바이오매스의 현재 관심은 목재 기반 재료 생산에 사용되는 산림 자원의 정기적 고갈에 의해 설명된다. 작물 잔류물은 저렴하고 널리 사용할 수 있습니다. 또한, 현재 의 목재 입자는 독성이 있을 수 있는 석유화학 수지와 혼합된다. 종종 현재 상업 재료^(33)의총 비용의 30 % 이상을 차지하며, 일부 수지는 포름알데히드 배출에 기여하고 실내 공기 질을^{감소시다 34.} 연구 관심은 천연 바인더의 사용으로 이동했습니다.

리뇨셀룰로오스 바이오매스는 주로 셀룰로오스와 헤미셀룰로스로 구성되어 이질적인 복합체를 형성한다. Hemicelluloses는 이러한 복합체 주위에 3 차원 네트워크를 형성하는 리그닌층으로 함침된다. 섬유판 제조를 위한 리그노셀룰로오스 바이오매스의 사용은 일반적으로 완화 전처리가 필요하다. 이를 위해 셀룰로오스와 헤미셀룰로스를 보호하는 리그닌을 분해할 필요가 있습니다. 기계적, 열,^화학(35) 또는 효소^36,37,38의 사전 처리가 적용되어야 한다. 이러한 단계는 또한 섬유의 자기 접착력을 증가시켜 외인성 바인더가 가장 자주 첨가되더라도 바인더리스^{보드(27)의} 생산을 촉진할 수 있다.

사전 치료의 주요 목적은 마이크로 메트릭 섬유의 입자 크기 프로파일을 개선하는 것입니다. 간단한 연삭은 섬유 크기^27,39,40을줄일 수있는 가능성을 제공합니다. 저렴, 그것은 섬유 특정 표면을 증가하는 데 기여한다. 내부 세포벽의 구성요소는 접근성이 높아지고 얻어진 패널의 기계적 특성이 향상됩니다. 열기계 펄프가 생산될 때, 예를 들어, 다른 펄프^{공정(42)으로부터} 또는 증기^{폭발(43,44,45,46,}47)에서 소화 플러스 저화(41)가 생성될 때 적화의^효율이크게 증가한다. 최근에는 LCA가 쌍류^{압출(25,26,27,28,29,30,31, 31)}및^32를사용하여 리그노셀룰로오스 섬유의 원래 전처리를^{개발하였다.} TMC 해체 후 압출기는 섬유 내부의 천연 바인더의 균일한 분산을 가능하게 합니다. 결과 프리믹스는 섬유판으로 뜨겁게 누를 준비가 되어 있습니다.

쌀 짚의 해체 동안, 쌍둥이 나사 압출은 소화 플러스 제화 공정^(25)에비해. 압출 방법은 펄핑보다 9배 낮은 비용, 즉 상당히 감소된 비용을 밝혀냈습니다. 또한, 추가수량(펄프법으로 4.0분 대신 1.0최대 액체/고체비율)이 감소되고, 정제섬유의 평균 종횡비(16.3-17.9대신 21.2-22.6)의 뚜렷한 증가도 관찰된다. 이러한 섬유는 매우 향상된 기계적 강화 기능을 제공합니다. 이는 순수 비열성 리닌(예를 들어, Biolignin)이 바인더(굽힘 강도를 위해 최대 50MPa, 24h를 물에 담근 후 두께 부종에 대해 24%)로 사용된 쌀 짚 기반^{섬유판(28)을}입증하였다.

트윈 나사 압출기에서 TMC 의 내화의 관심은 또한 고수 짚^(26)로확인되었습니다. 정제 섬유의 종횡비는 단순히 접지 섬유의 경우 4.5가 아닌 22.9-26.5에서 다릅니다. 100% 고수 계 섬유판은 단백질 바인더로서 종자로부터 케이크를 압출 정제 된 빨대에 첨가하여 얻어졌다 (질량40%). 그들의 굴곡 강도 (최대 29 MPa)와 특히 물에 대한 저항성 (최대 24 % 두께 붓기)은 단순히 분쇄 된 빨대에서 만든 패널에 비해 크게 향상되었습니다. 더욱이, 이 패널은 포름알데히드를 방출하지 않으며, 결과적으로, 그들은 중밀도 섬유판 (MDF) 및^마도29 에서 고전적으로 시장에서 발견되는 것보다 더 환경적이고 인간 건강에 친화적입니다.

마찬가지로, 아마란스^{31과 해바라기(32)를}기반으로 한 패널은 껍질에서 압출 정제 섬유를 단백질 바인더로서 보강및 종자 케이크로 결합하여 성공적으로 생산되었다. 각각 35MPa와 36MPa의 굴곡력을 보였다. 그러나, 그들의 방수성은 더 낮은 것으로 나타났습니다: 71% 그리고 87%, 두께 팽윤을 위해 각각. 올레아진 아마 짚에서 압출 정제 된 shives를 기반으로 한 자체 접합 패널도^27을얻을 수 있습니다. 이 경우, 자체 결합에 기여하는 트윈 나사 TMC 해체 중에 방출되는 리그네오우스 분획입니다. 그러나, 얻은 하드보드는 낮은 기계적 강도(MPa 굴곡 강도 는 12개)이며 두께가 매우 높은 부종(127%)을 나타낸다.

위에 제시된 모든 압출 된 섬유 기반 패널은 산업 응용 프로그램을 찾을 수 있으며, 따라서 현재 상업용 목재 기반 재료에 대한 지속 가능한 대안입니다. 국제표준화기구(ISO) 요구 사항^48,49,50에따르면, 그들의 특정 응용 분야는 기계적 및 수질 민감도 특성에 따라 달라집니다.

본 논문에서, 재생 가능한 보드에서 기계적 보강으로 사용하기 전에 리그노셀룰로오스 섬유를 방제하고 정제하는 절차가 자세히 설명되어 있다. 상기로, 이 과정은 전통적인 펄프 방법론에 비해 추가될 물의 양을 감소시키고, 또한 에너지^{소비25입니다.} 동일한 트윈 나사 기계는 섬유에 천연 바인더를 추가하는 데도 사용할 수 있습니다.

보다 구체적으로, 올레아진아마(Linum usitatissimum L.) 짚에서 시브의 쌍둥이 나사 압출 정제를 수행하기 위한 상세한 윤곽이 제시된다. 이 연구에 사용된 빨대는 상업적으로 수득되었다. 그것은 에베레스트 품종에서, 식물은 2018 년 프랑스의 남서부 부분에서 재배되었다. 동일한 압출기 패스에서, 가소화된 아마씨 케이크(외인성 바인더로 사용)도 배럴 의 중간에 첨가한 다음 나사 프로파일의 후반부를 따라 정제된 시브에 밀접하게 혼합될 수 있다. 솜털 소재의 형태를 갖는 균일 한 혼합물은 기계 콘센트에서 수집됩니다. 1단계 TMC 작업은 파일럿 스케일 기계를 사용하여 수행됩니다. 우리의 목표는 운영자가 shives의 압출 정제를 제대로 수행 한 다음 케이크 추가를 수행 할 수있는 자세한 절차를 제공하는 것입니다. 이 수술후, 얻은 프리믹스는 핫 프레스를 사용하여 100% 올레아진 아마 기반 하드보드의 후속 제조를 위한 준비가 되어 있다.

Protocol

1. 원료 준비 “모든 섬유” 추출장치(51)에서짚에서 베이스트 섬유를 기계적으로 추출하는 예비 단계의 결과인 올레아게성 아마 시브를 사용한다. 진동 체를 사용하여 여전히 포함될 수 있는 짧은 섬유 섬유를 제거합니다.참고: 이러한 짧은 섬유 섬유의 제거가 어려울 수 있기 때문에, 필요에 따라 이 체질 작업을 여러 번 반복하는 것을 주저하지 마십시오. 여기서, 목표?…

Representative Results

구성(단계 3.1.1)을 이용한 올레아진 아마 시브의 섬유 정제 과정에서 물은 1.0에 해당하는 액체/고체 비율로 의도적으로 첨가되었다. 전작에 따르면25일,26일,27일,이러한 액체/고체비율은 트윈나사 압출기 출구에서 정제된 섬유의 길이를 낮은 비율보다 더 잘 보존하여 평균 종횡비의 증가에 기여한다. 또한, 추가된 물의 양은 기?…

Discussion

여기에 설명된 프로토콜은 재생 가능 보드에서 기계적 보강으로 사용하기 전에 리그노셀룰로오스 섬유의 압출 정제를 처리하는 방법을 설명합니다. 여기서 사용되는 트윈 나사 압출기는 파일럿 스케일 기계입니다. 직경 53mm(D)의 나사로 8D가 있는 모듈 1을 제외한 길이의 8개의 모듈, 각 4D가 장착되어 있습니다. 배럴의 36D 총 길이(즉, 1,908mm)에 해당하는 길이. 그 길이는 가공 된 물질에 적용 하기에 …

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