注重处理PLA的每一个环节

作者:文/通用动力公司 William B. Goldfarb 文章来源:PT《现代塑料》2014年2月刊 发布时间:2014-03-19
随着生物塑料的出现和日渐风靡,聚乳酸(PLA)逐渐走入了人们的视野.该材料具有可再生性,且拥有较低的结晶,干燥和熔融加工温度,在能源成本方面也有显著优势,因而得到了越来越多加工商的青睐.为确保实现理想的加工效果,在处理PLA的过程中,有许多需要注意的问题.

随着生物塑料的出现和日渐风靡,聚乳酸(PLA)逐渐走入了人们的视野。该材料具有可再生性,且拥有较低的结晶、干燥和熔融加工温度,在能源成本方面也有显著优势,因而得到了越来越多加工商的青睐。为确保实现理想的加工效果,在处理PLA的过程中,有许多需要注意的问题。

21世纪初,当新的行业术语“生物树脂”风靡塑料领域时,聚乳酸(PLA)在新的植物基材料中名列前茅。PLA由玉米淀粉经微生物发酵而成的乳酸制得,具有可再生性,能进行工业堆肥,加工温度也低于传统树脂,有望成为卓越的新型“绿色”材料。

PLA在处理过程中表现出的复杂性引起了PET材料处理、结晶和干燥设备供应商们的兴趣,这种材料可满足与PET基本相同的市场需求。随着材料供应商、加工设备供应商和加工商的通力合作,PLA产品的推广和使用取得了成功,而加工问题的相关解决方案也随之诞生。

虽然PLA最初的价格较高,但与石油基原料相比,却相对稳定。另外,PLA在加工方面的优势用户们也深有体会:由于拥有较低的结晶、干燥和熔融加工温度,采用PLA进行生产,每年可节省约数十万美元的能源成本。PLA的熔融温度约为93.33℃,低于PET;干燥PLA所需能量约为干燥PET的25%;另外,PLA加工商也不用担心资本成本超过PET所用成本,甚至根据动力来源(电或燃气)推算,加工PLA的成本可能更低。

当然,PLA并不是毫无缺点。对于PET加工商而言,想要转而采用PLA,还需要一个学习的过程。虽然他们对混合纯料与回收料、结晶、干燥和挤出片材这些步骤已经非常熟悉,但这些加工技术在PLA与PET上的应用,还存在显著的差异。如果PET和PLA在同一个工厂中加工,必须注意防止两者的交叉污染。

PLA干燥机的加热单元需处理的热负荷仅为加工PET时的一半,且需采用过程控制,以防止较大的温度变化。PLA物料流必须以稳定的状态移动,因为停止和启动会产生负面影响,如降解和团聚。

结晶和干燥

NatureWorks公司生产的纯PLA树脂在离开工厂之前,需要被结晶并干燥,其水分含量要达到400ppm。如果树脂以盖洛德容器供应,则需要采用耐湿的箔内衬,使PLA保持较低的水分含量。在储存方面,如果PLA采用完好的容器和内衬存放,则树脂对于干燥的需求较小,但仍然十分必要;而如果存放PLA的箔内衬已打开,或者物料以散装源供应,如筒仓,那么需要对PLA进行全面的干燥。

在开放式环境中,PLA吸湿后的水分含量可达2000ppm,使用除湿干燥器能使其水分含量降至250ppm,并可用于熔融加工。由于这个加工温度较低,250ppm也许是PLA树脂能达到的最低水平,虽然无法与PET 50ppm的标准相媲美,但是对于加工过程而言已经足够。

干燥PLA需要的热量水平很低,有时干燥机上甚至无需安装加热器。通常,PLA在60~71.11℃的条件下进行干燥,这个温度范围对于许多除湿干燥机而言,是最低的输出空气温度。当空气经过干燥剂时,由于水分子吸附所释放的能量,空气的温度能升高至环境温度以上约10℃。另外,风扇的压缩也会造成空气温度升高。与PLA相比,PET的干燥温度需达到162.78~176.67℃。

通常,除湿干燥机会配备一个加热器单元,对加热过程进行控制。由于加工设备经常配置成可同时加工PLA和PET的模式,因此需要有足够的加热能力(60~176.67℃)。该热源可以是电加热器,也可以使用以天然气或丙烷作为燃料的燃气加热器。在许多情况下,提供一种“双燃料”加热系统——在单一的系统中将燃气与电加热器结合在一起,能获得更好的灵活性。

和PET一样,PLA纯料以预结晶形式交付。如果没有结晶,当其温度达到60℃后,PLA会变粘并团聚。这是由于无定形PLA有玻璃化转变温度(Tg),会在该点开始软化。与之相比,无定形PET会在82.22~93.33℃的温度下发生团聚,如需在内部生产中使用回收料(如挤出机切边或热成型机的骨架废料),必须使其结晶后才能重新加工。如果非结晶PLA进入干燥过程并暴露于60℃以上的温度中,则会产生团聚,导致整个管道严重堵塞。面对此类问题,可以在搅拌时引入结晶器,使PLA完成Tg转变。

PET的结晶温度在162.78~176.67℃范围内,PLA的结晶温度比PET低,在93.33~104.44℃范围内。因此,如果想将现有的用于PET加工的加热器转而用于PLA加工,可能需要进行改动,以得到更宽泛的加热能力。在使用结晶容器的过程中,还有一个需要考虑的问题——放热反应。在通用动力公司,工作人员将这种现象称为“热绽放(heat bloom)”。通过数据记录方法可以探测到,在此过程中,结晶容器内的材料温度高于容器内的空气温度。对此,必须采取一些相应的措施,以防止结晶器中的过程混乱和由此引发的团聚,解决方案之一是使用一种缓慢扫动的搅拌器,其叶片会使物料保持移动。

通用动力公司开发了一个出料配件的产品线,以处理偶然发生的团聚问题。PLA的团聚行为与PET有很大不同:当PET团块碰到轻柔的力时,很容易碎裂;而PLA团块几乎坚不可摧。对此,通用动力公司认为有一种方法十分可取——缩小团聚体,使之成为可真空输送的连粒。

UnaDyn公司生产了一种现场清洁出料/粉碎机输送适配器,将其放置在结晶器出料线内,可捕获并破碎剩余的团聚体。另外,还可以安装一台“出料箱”,以捕获那些尺寸超过可输送尺寸的团聚体。通用动力公司还专门设计了一个装置,此装置能把收集的团聚体按要求排出系统外。

在加工方面,PLA优于 PET的显著特点之一是运行成本。在电费为5美分/kWh,设备以每年50周全天候(24/7)运行的情况下,如果一台PLA结晶器保持453.6kg/h的效率、进风口温度控制在87.78~104.44℃(PET为148.89~176.67℃)范围内,那么,过程加热器能节省约10000美元/?年。结晶后,在71.11~82.22℃(PET为148.89~176.67℃)范围内,以453.6kg/h的速度干燥PLA,每年能另外节省超过12000美元的费用。

避免交叉污染

另外,成功加工PLA的另一个重要因素是保证其和PET完全分开。由于PET的熔融温度高于PLA,因此即使一粒PET存在于PLA中,也会在挤出片材中产生“未熔融”的凝胶或“鱼眼”。如果PLA颗粒混入PET,它们会在PET的熔融温度下降解,产生小黑点。

设计能同时用于PLA和PET加工的系统,需要一些比较充分的准备,如用于PLA和PET的单独的干燥或结晶料斗、多余的物料线或特殊的检修口及料斗清洁功能等。通用动力公司在料斗空气分散区域中使用没有穿孔的固体金属片,以实现彻底的内部清洗;对于限制区域,可以提供检修口,以清除异种材料所有的痕迹。

输送及存储PLA

PLA必须使用低速输送,以防止易碎的PLA产生多余的粉料和由穗状流、团聚造成的摩擦生热。PET能以1828.8m/min的速度输送,而PLA在拾取器处的速度应该是975.4m/min,在输出端处的速度约为1524m/min。通风的剪切保护有助于减少颗粒剪切,其他减少树脂降解的措施包括:采用过程空气冷却器、带有内部防摩擦处理的专用管道和特殊的弯管。

对于储料仓而言,白色外饰面能减少对阳光的热量吸收。通常,储料仓装有一个特殊的空气分散接头,通过该接头,除湿的空气或低露点压缩空气可注入并充满筒仓。这种干空气喷射可防止由大气湿度导致的容器内水分积聚。

掺混回收料

在典型的片材生产中,可以对热成型骨架料和边缘修剪废料进行回收和再加工。不同于PET,PLA回收料必须在与纯料掺混前进行结晶,以确保其不发生团聚。通常,加工商加工PLA回收料占50%以上的共混物会有困难,因为PLA具有较高的黏度,容易结块。但是,一些有经验的加工商实现了高达80%的回收料比例,当然这只有在经过足够的试验后才能作到。为干燥PLA,低温加热单元与燃气和电加热装置安装在同一单元中过高的温度会使无定形PLA中产生团聚物,这些团聚体必须经过机械破碎或分离内部粉碎机把PLA团聚体破碎成可输送的尺寸与PET相比,PLA已成倍地降低了运行成本。此结果基于9美分/kWh的收费标准和一年50周的全天候(24/7)运行,以及在157.22℃下干燥PET,在71.11℃下干燥PLA料斗锥形段中的检修口和现场清洗出料粉碎机真空输出口有利于完全的清洗

0
-1
收藏
/
正在提交,请稍候…