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PET瓶排氣擠出技術的研發(fā)

2007/8/10 15:04:24 人評論

在過去幾年里,PET市場呈現(xiàn)出快速增長的特征。每個人看起來在談論這種材料,就在不太久之前,PET在普通塑料中為自己求得了一個穩(wěn)固的地位。PET據(jù)稱有大量突出的性能,這對其的成功應用也起著重要的作用,包括卓越的機械性能數(shù)據(jù)、良好耐高溫性、對蒸汽、氧氣和帶氣味溶劑的高阻隔性、以及優(yōu)良的透明性。這一套性能使PET特別適合于高檔次包裝用途的理想產品。           市場對PET的需求持續(xù)高漲,所以對這種材料及其加工的研究從未間斷。德國塑料加工研究院(IKV)與勞芬豪舍(Reifenhaeuser)公司在一個項目上已經合作了兩年,目標是利用排氣過程,無需進行任何預先干燥,而加工PET。在IKV的一臺60mm擠出生產線上進行了仔細的測試(圖1)。由該項目得出的所有技藝被融入到隨后出現(xiàn)的80mm擠出生產線的理念和設計當中,此機器將很快地在勞芬豪舍的試驗車間中運行。本文對迄今所完成研究而得出的一些重要結果進行回顧,同時列出了今后需求深入發(fā)展的地方。                  避免鏈分解                  加工PET時的大挑戰(zhàn)之一是要抑制氧化、機械分解、熱學分解和最重要的水解作用,以及由此產生的分子量減少。分子量減小通常伴有整體性能的嚴重退化。在傳統(tǒng)PET加工中,原料的預干燥是必不可少的。干燥一般在較低露點下靠熱風完成。干燥時間可能長達6小時,據(jù)許多原料生產商反映,水含量會在50ppm以下。因為干燥的熱膠粒易于迅速吸收水分,所以應當利用熱風把膠粒傳送到擠出機中。有關文獻的數(shù)據(jù)高達3-8ppm/分鐘(粒料)和40ppm/分鐘(粉料),依散料的具體尺寸而變化。                  預干燥進行分散                  排氣技術是對預干燥的真正替代,或者說至少是對它的一個切合實際的補充。在本文,我們必須首先對PVC粉料加工常用的漏斗式排氣方法和許多應用領域廣泛應用的從聚合物熔體中去除揮發(fā)性成分的熔體排氣方法區(qū)別開來。兩種概念在IKV的試驗車間裝置里都被實踐。                  斗式排氣                  斗式排氣基本上被用于在漏斗系統(tǒng)儲存時,從散料中抽出表面的水分。當處理表面積與體積之比高的薄片時,它是特別有效的。                  然而實驗顯示,即使是在處理未干燥的膠粒時,斗式排氣仍起著重要的作用。這可能產生兩種現(xiàn)象 :一是加料段材料受熱,同時膠粒中水分擴散率提高,加速水分的排出 ;二是避免了在 1mbar壓力(漏斗中測得)之下的氧化分解。                  熔體排氣                  為了評價熔體排氣過程,用干燥物料的傳統(tǒng)加工方法對尺寸作用、生產和工藝參數(shù)進行檢查和比較。為了防止干燥膠粒逐漸冷卻時工藝條件的任何變化,在干燥(170℃、露點-40℃,6小時)之后膠粒被冷卻至室溫,壓力為1mbar,然后被加工。一個模塊化插入式螺桿系統(tǒng)與可鎖合的排口一起,能夠在排氣試驗中變化尺寸參數(shù)。圖2顯示的為三次、兩次和一次排氣試驗,深螺紋排氣區(qū)的長度相應得到調節(jié)。測試是針對含水量約為1000ppm的PET、在不同的加工量和套筒溫度下進行的。                  在一個專門設計的熔體流變計上,并通過薄膜扁平模頭,對壓力損失進行測量。同時對熔體溫度進行測量,它是在三個點上進行連續(xù)記錄,三點全都位于熔體流道的中間。除了這些數(shù)據(jù)以外,在項目的持續(xù)過程當中,試樣也要經歷化學分析,目的是將在行業(yè)中常用的自身粘度(溶液粘度)當作評估的附加標準。然而,基礎試驗已經表明,在線測得的數(shù)據(jù)實確實與自身粘度有著很大的關聯(lián),這意味著良好的評估標準已經存在于項目的這個階段。           作為評估標準的壓力損失                  當評估測試數(shù)據(jù)時,一個事實變得很清楚:流變計中測得的粘度和與體積流動有關的扁平模頭壓力損失以極為相似的方式表現(xiàn)。明顯地,任一個測量結果可以被用來評估測試。扁平模頭的額定壓力損失被最后選定,因為模頭是任何理想截面的壓力消耗者,這基本在任何擠出生產線上都是存在的。這意味著擁有熔體泵(測量體積流量)、熔體壓力和溫度測量系統(tǒng)的任何加工者都能利用這種評估標準。                  排氣測試的結果                  就單排氣的結構而言,熔體排氣被發(fā)現(xiàn)是不可能的,因為排氣區(qū)的螺槽體積不足以和膨脹的材料相適應,這意味著在低的排氣壓力之下,一些熔體從排氣口逸出。圖中清楚表明,在相對較寬的溫度范圍內3倍排氣所獲得的額定壓力損失要比在預干燥情況時高出。對于2倍排氣,沒有觀察到這種作用,表明加工未預干燥的材料是絕對可能的,在一些情況下,甚至還能獲得比有著預干燥作用更高的粘度。                  排氣壓力的影響                  對PET的試驗表明,在所施排氣壓力(泵的過濾裝置中測得)和所得額定壓力損耗(模頭)之間有著實際上線性關系。依靠排氣壓力,所以有可能特別地影響粘度。這種現(xiàn)象已經應用在了一些工業(yè)場合中,來控制粘度及聚合濃縮物的平均分子量。這個步驟對于多數(shù)用戶有著明顯的缺點,因為從技術設備的角度來說是較為復雜的。所用熔體流變計易于提供錯誤的測量值,因為隨時間會積累沉淀。所以在線流變計的測量值和扁平模頭之間的關系,以及與自身粘度的相互關系代表著走向在線控制聚合濃縮物分子量的重要一步,基本上任何加工者都能以簡單的手段來實施此方法。                  控制和調節(jié)分子量                  為了完成對分子量的在線控制,可以在一定體積流量的情況下對流道形狀(如在擠出模頭中)的壓力消耗進行測量。因為流道性能和熔體溫度之間的關系,后者必須在一系列的測試中有特別的不同。由此,針對各個點,可以進行對特定壓力損失和自身粘度之間關系的離線測量。從這里,可以繪出目標曲線,把所期望的最小壓力損失與每個熔體溫度對應。當生產在運轉時,只要數(shù)值低于必要水平,控制系統(tǒng)能發(fā)出錯誤警報。                  依靠熔體排氣,有可能將這種測試擴展到閉環(huán)控制回路。特別是當處理未干燥原料時,這種可能性起著極重要的作用。在水含量中也經常有著巨大的差別,對熔融過程中發(fā)生的水解起著重要的影響,當熔體進入排氣段時,會導致分子量的劇烈波動。如果排氣過程保持穩(wěn)定,這也將引起產品質量的很大變化。在試驗之前必須確定的某一工藝窗口當中,有可能通過對排氣壓力的專門控制,來保持整個工藝的品質穩(wěn)定,而不管水含量和材料的分子量。                  結論及展望:研究表明,借助排氣,在60mm單螺桿擠出機上處理水含量約1000ppm的未干燥膠粒是可能的。更多的試驗將更近距離地留意本身粘度和熔體粘度之間的相互關系,將徹底檢查漏斗式排氣,并擴大試驗中所用材料的范圍。而且,新型平膜模頭將很快地被綜合到生產高檔次薄膜的現(xiàn)有生產線當中,所以分析可以被延伸至將機械測試包括其中。在勞芬豪舍試驗車間里80mm生產線的起用,和由該裝置完成的試驗,代表著從所得專業(yè)知識向工業(yè)實踐的直接轉化。

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