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塑料挤出机 |
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PET免除湿干燥螺杆挤出加工技术及其应用 |
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作者：南京越升挤出机械有限公司 武停启 |
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PET自问世以来，由于成纤性能优良，一开始就被广泛用于合成纤维工业，在塑料工业方面，开始局限于制造双向拉伸薄膜，后来又广泛应用于中空容器。而今挤出法生产的APET片材经热成型加工成各种包装产品，以其良好的气体阻隔性、不含有其它添加助剂、纯净卫生、具有良好的韧性和延伸性、优良的可回收性等特点，广泛用于电器、玩具、食品等各类包装及广告印刷行业。
PET切片属于一种饱和线性高分子聚合物，在分子结构中含有亲水基团-COOR，极易吸水，如果切片中含有水分，在熔融挤出时，会引起水解作用，使熔体粘度和分子量显著下降，导致挤出成型的片材起泡、变脆、发黄等异常现象。所以，对PET的挤出加工有两条路线可走：一是“预结晶-干燥-熔融挤出”路线；另一个是采用排气挤出机直接挤出成型。
由于PET原料本身的特性，在对PET进行传统加工前，都要将PET原料进行预结晶和干燥一段时间，等达到要求的含水率时，再对其进行加工，这样既费时又耗能。虽然现在的干燥技术有了长足进步，降低了干燥过程中能量的消耗，但预干燥部分能耗依然很大。采用排气挤出机直接挤出PET在设备成本和能耗方面相对有优势，但挤出机的设计难度较大，一般意义上的排气挤出机很难胜任PET的排气要求，实际挤出效果并不理想，所以“预结晶-干燥-熔融挤出”的加工方式一直很流行。近年来，随着人们对PET及其加工设备认识的不断深入，以及全球能源成本不断升高，直接挤出成型PET技术备受关注，与之相应的各种挤出设备也层出不尽。
PET排气挤出机
能用于PET排气挤出加工的既有单螺杆挤出机，也有双螺杆挤出机，近几年更是不断推出多螺杆挤出机。它们有一定适用范围，使用者可以根据实际需求与性价比做出合理选择。
单螺杆排气挤出机
德国亚琛大学塑料加工研究所（IKV）研制的PET单螺杆排气挤出机于2002年就已经完成实验室测试，效果不错。由于单螺杆挤出机的比表面积较小，较低的熔体表面积更新速率，其排气能力受到一定限制，要求PET初始含湿量不大于1000ppm。
双螺杆排气挤出机
异向双螺杆挤出机和同向双螺杆挤出机都可用于PET排气挤出。日本制钢所于1987年首先研制成功异向非啮合双螺杆挤出机用于PET瓶片免干燥挤出加工。而德国Berstorff（贝尔斯托夫）和意大利Bandera（邦德拉）公司的同向双螺杆挤出机在PET免干燥挤出加工中已得到较为广泛的应用。
一般，双螺杆加工PET要求原料初始含湿量在3000ppm以下，这一加工方式可以获得较为理想的片材品质。目前国内南京越升挤出机械有限公司推出的高效PET免干燥同向双螺杆排气挤出机可以加工最大初始含水量为5000ppm瓶片，粘度降控制在0.03 dl/g以内。
PET片材预结晶-乾燥-熔融挤出生产线示意图
多螺杆挤出机
传统多螺杆挤出机常见的有行星螺杆挤出机、环形螺杆挤出机等。近年来，又陆续开发出倒三角形排列三螺杆挤出机、一字排列三螺杆挤出机、一字排列四螺杆挤出机、MRS多螺杆挤出机等新机型。
其中，德国格诺斯塑胶技术有限公司推出的MRS挤出系统以其卓越的排气能力而备受推崇。据介绍，MRS系统排气段螺杆表面积是双螺杆挤出机的3倍，熔体界面更新速率是双螺杆挤出机的25倍，螺杆的自由体积是双螺杆挤出机的2倍，在25mba的真空度下能加工初始最大含水量为1%的PET材料，粘度降仅为0.03 dl/g，而在同等条件下，行星螺杆挤出机只能处理含水量小于0.5%的PET。
决定排气效率的关键因素是熔体的比表面积、熔体表面积的更新速率、脱挥时间和真空度，其中前三项由挤出机的结构决定。
为及时、快速地排出PET熔体中水分，人们不断设计出能够提供大的比表面积和高的界面更新速率的挤出设备，结构上越来越复杂，这就给制造、安装、使用和维护都带来诸多不便。上述挤出机的排气段设计原则适用于所有需要排气的聚合物加工，并不只是PET。实际上，针对PET的特点，一种经过特殊设计的单螺杆挤出机也同样能胜任高含水率的PET免干燥排气加工。
用於PET免乾燥加工的越升双螺杆挤出机
PET免干燥单螺杆加工
PET是极性的高聚物，易吸水，完全干燥的PET切片放置在空气中，30分钟内吸水量就能达到500ppm，一般切片的平衡吸水率是0.4%，这么高的含水量熔融加工会导致PET熔体的严重水解而使制品不具备使用价值。水在PET切片中存在有2种状态：吸附的和缔和的。属缔和的水为0.02%左右，吸附的水在120℃下可除去，缔和的水要140℃才能除去。而一旦PET熔融后，在最先的5分钟之内，熔体水解最为剧烈，以后逐渐变得平缓。
PET排气挤出机设计原则
1. 目前各种排气挤出机都是在聚合物熔融后抽真空排气，根据需要，可设置多个排气口，总可以把含水量和小分子组分降到人们期望的水平，这种设计用于处理那些对水不敏感的物料（如PS、ABS等）是没有问题的，但对PET却不理想。因为水对PET熔体具有剧烈降解作用，要求PET排气挤出机要具有固体排气能力，即在PET没有熔融前就尽可能多地把水蒸汽抽出机筒外，这一点显著区别于常规排气挤出机的设计理念。
2. PET熔体排气必须在尽可能短的时间内完成，考虑到最先的5分钟内PET熔体水解最为剧烈，要求排气操作最好不要超过1分钟。而常规材料排气时间越长排气效果越好，但这对PET不适用。
3. 在兼顾产量的同时，PET排气挤出机固体段要尽可能地长，螺槽尽可能浅，有利于PET切片的均匀受热，使得更多的水从切片中蒸发出来。
4. 在不冒料前提下，熔体排气段的螺槽尽可能浅，减薄熔体内气泡扩散路径；同时PET熔体粘度相对较小，位于其中的气泡扩散较为容易，为短时间内快速脱挥提供可能。
5. 螺杆的熔融段和熔体输送段采用柔性螺纹设计，为PET熔融和输送提供温和剪切，实现低温挤出，避免PET的热降解。
根据以上PET排气挤出机设计原则，南京越升挤出机械有限公司研制了PETP100型单螺杆排气挤出机，专用于PET免干燥加工。生产测试达到预期效果：最终片材粘度降在0.03 -0.05 dl/g之间。
免干燥挤出机的应用
PET免除湿干燥挤出机可以加工PET瓶片料、破碎料或粒料，可直接挤出制品或者造粒等。由于原料无需结晶、干燥，所以节省了结晶、干燥装置，降低了设备成本和能耗。采用结晶干燥挤出技术路线的能耗是0.5kwh/kg，而采用免干燥挤出机能耗为0.3 kwh/kg，节能效果显著。
相对而言，采用免干燥挤出加工方式比传统的结晶干燥挤出更灵活，根据需要，它可以快速地更换原料，而不用等待对聚合物进行预干燥；南京越升的PET免除湿干燥挤出机加工的PET最终粘度降为0.03 dl/g -0.05 dl/g，在满足工业生产需求的同时，由于采用了单螺杆排气方式，与双螺杆和多螺杆挤出机相比，设备成本更低，操作更方便。
随着全球能源短缺的不断加剧以及全球能源成本的不断升高，节能降耗的观念已深入到工业的各个领域，传统的需要在加工前进行预干燥的技术由于其本身的缺陷必将慢慢退出主流，而无需干燥的PET加工技术由于解决了能耗问题，同时具有很好的灵活性并能促进生产率的有效提高而必将成为PET的主流加工方式。 (end)
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(12/26/2012) |
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