使水分远离APET片材生产线

作者:Pete Stoughton(本刊编译) 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2016-12-29
PET中的水分会导致材料降解进而影响片材和热成型产品的质量,如何才能避免水分带来的影响?当APET还是干燥的片状新料时,遵循本文给出的这些建议,可以有效地使水分远离。

片材挤出中所用的PET(又称为“无定形PET”或“APET”)和注拉吹塑中所用的PET几乎相同,虽然这些材料可能被改性过,以解决一些在吹塑成型中不会遇到的问题,且其特性黏度(IV)可能不会那么高,但在本质上它们仍是相同的材料。

APET提供了高强度、低成本和纯度,以及优异的光学透明度和光亮度,它们使包装产品的外观得以优化,从而以极具吸引力的形象出现在商店货架上。一般,透明的APET片材通过热成型工艺制成各种食品、医疗制品和消费品等产品的透明包装。

尽管PET应用广泛,但为了实现最终产品所需的性能,加工商仍面临一些挑战,而干燥是其中的一个主要问题。PET具有吸湿性,会迅速从周围的空气中吸收水分,直至达到平衡状态,因此在进入挤出机进行熔融加工之前PET需要进行干燥。如果PET没有进行适当干燥就进行挤出加工,残留的水分会导致材料水解,进而影响 APET片材和热成型产品的结构完整性。

材料供应商给出的关于APET的干燥要求和其他PET应用所提出的干燥要求是相同的。根据材料供应商的建议,干燥温度应在300~350 ̊F(148.9~176.7 ℃)范围内,干燥时间为4~8 h,采用露点在-40~ -20 ̊F(-40~-28.9 ℃)之间的干燥空气。通常,材料供应商建议的PET材料的最后残余含湿量为30~50 ppm(0.003%~0.005%)。

大多数的包装级PET材料供应商能提供专门为APET片材应用而改进的材料品级,比如这些材料可能拥有慢的结晶速率以及良好的光学透明度、光亮度。所用纯粒料的特性黏度在0.70~ 0.84 IV范围内。用于生产APET片材的纯PET粒料是结晶(乳白色)的,可以在高达350  ̊F(176.7℃)的温度下干燥,处理这种PET纯粒料时的相关注意事项与处理其他纯PET粒料相同,即如果树脂在运输和储存时暴露于空气中,它们会吸收水分,因此在加工之前必须对其进行干燥。图1是一幅典型的干燥分析图,显示了结晶PET粒料在300 ̊F(148.9 ℃)干燥时的水分损失曲线。

图1 这是一幅典型的干燥分析图,显示了结晶PET粒料在300 ̊F干燥时的水分损失曲线

废料带来的挑战

APET片材的挤出和热成型通常会产生大量的废弃片料。大部分内部产生的片料来自于挤出的裁边和热成型后的片卷骨架剩余料。如果生产的产品是正方形或矩形,它们能很好地彼此适应或相互嵌套在片材中,则可以最大限度地减少热成型产品之间的废料面积。但是如果热成型的产品是圆形、椭圆形,或者不能互相嵌套的不规则形状,那么热成型产品之间的面积会增加,这种情况下产生的废料量可能超过挤出机出料率的50%。还有一些额外的回收片料可能来自质控人员判定的不符合标准的APET片材废卷。另外,许多APET片材加工商会从外部购买再生PET片料,这些材料可能需要进行特殊处理措,这取决于其历史。

在重新使用内部产生的废弃片料时,需要解决几个有难度的问题,包括:APET片料的输送和流动特性;造粒以及处理APET片料时产生的微粒;APET片料的密集流动特性;将APET片料干燥至材料供应商建议的最终含湿量(50 ppm或更低)的过程中所面对的问题。

APET片材不规则的大小和形状及其低体积密度使物料的处理和输送面临着挑战。APET片料是扁平的,通常以叠层的方式存储在筒仓和天仓中。当将片料从料仓中送入输送系统的吸料管(pick-up tube)内时,可能会发生壅塞和物料流中断。通过打开吸料管进行调整,以实现更好的物料流动,这种方法经常会造成输送线的超装料和溢流,导致输送系统的料涌和堵塞。有一种简单的方法可以提高片料流动特性并减少壅塞,那就是降低片料的尺寸,使其变成更小的薄片。在此情况下,可以使用拥有更小孔径(5/16 in.,1 in.=2.54 cm)的造粒机滤料网,而不是3/8 in.或更大孔径的滤料网。这虽然有助于改善片料的输送特性,但缺点是会产生更多的微粒。但我们可以通过细致的造粒机维护来解决新增微粒的问题。

另外,确保物料以“质体流动(mass flow)”的方式通过干燥料斗,是控制其干燥时间的前提。APET片料拥有较大的平面面积和较低的体积密度,再加上强制通过干燥料斗内物料床的逆流干燥空气,这些原因都可能使物料有序向下的质体流动被干扰。

有一些措施可以用来防止干燥空气干扰通过干燥料斗的质体流动。首先,可以如前所述使片料变小。另一种有过成功记录的方法是调节流过干燥料斗的干燥空气体积,以匹配干燥系统的物料出料量,因为多余气流不仅会影响物料通过干燥料斗的质体流动,还会使设备消耗的能量超过干燥物料本来所需的能量。

在加工APET片料时,会产生大量的微粒,这是无法避免的。造粒机刀片的锋利度和间隙是影响微粒产生的关键因素,因此必须保持刀刃锋利,并且转子刀片和固定刀片之间的间隙要尽可能的小,使造粒机能够利落地切割片料而不是将其粉碎。

片材加工商们通常用与造粒机卸料口直接相连的输送鼓风机吸出片料,然后将其送至目的地。这类输送方法对于PET不是一个好的选择,因为鼓风机的叶轮可能会粉碎片料,形成大量的微粒。相比之下,真空输送系统为控制从造粒机到最终目的地的输送速度提供了一种比较理想的方法,能够使片料保持合理的低速度(仅高于片料的拾取速度),从而减少微粒和垢皮的产生。

在高温下(148.9~176.7 ℃)干燥PET是使其在加工之前达到50 ppm或更低的最后含湿量的前提。当干燥结晶PET(粒料或片料)时,采用这个温度范围没什么问题,不会导致材料软化,因为结晶PET的软化一般发生在温度接近其熔化温度时,通常是在455 ̊F(235 ℃)以上。

当干燥的结晶PET进入挤出机并通过熔融相处理时,聚合物内的晶体结构被打破,聚合物将返回到清晰、透明的无定形状态。离开挤出机的片材会快速冷却在无定形状态,这就是为什么通常将其称为“APET片材”的原因。在使用来自边料和卷料骨架的APET片料进行加工时,最大的挑战就是干燥。

当APET片料被加热时,它与结晶PET的反应不同。APET有一个玻璃化转变温度,大约从180 ̊F(82.2 ℃)开始,具体的温度取决于其组成。当被加热到玻璃化转变温度时,无定形PET将开始软化、熔融和结块,这会导致物料干燥料斗中的流动停止,因此在高温干燥前必须先将无定形片料结晶,以防止其在干燥料斗中结块。

结晶APET片料

PET的结晶是通过将其加热至玻璃化转变温度以上来实现的。结晶温度越高,无定形片料结晶越快。在结晶片料时,必须加以搅拌来防止结块。当PET从无定形状态转变为结晶状态时,PET将从透明的片料转变成乳白色,这是因为在聚合物中形成了结晶。在结晶过程中,片料的表面变硬,不会软化,直至被加热到熔点。

一旦结晶后,APET片料就能以为达到50 ppm或更低的最终含湿量所需要的高温进行干燥。图2是一幅典型的干燥分析图,显示了结晶PET片料在300  ̊F(148.9 ℃)下干燥的水分损失曲线。这里需要注意结晶片料低的初始含湿量,是由于用热的环境空气(176.7 ℃)结晶片料而造成的,但是这只能提供一些有限的干燥,不足以达到挤出加工所需的低含湿量。

图2 这是一幅典型的干燥分析图,显示了在300 ̊F(148.9 ℃)下干燥的结晶PET片料的水分损失曲线

结晶APET片料所需的设备昂贵,还要占用车间内宝贵的地面空间,这已迫使一些加工商尝试在加工之前用较低的温度(65.6 ℃)干燥片料。不幸的是,以低于PET玻璃化转变温度而进行的干燥不可能使PET的最终含湿量降至50 ppm或更低。

采用通过此方法干燥的PET进行挤出加工,会使挤出的片材有一定程度的水解、更低的IV以及并不理想的物理性能。如果想使最后含湿量达到50 ppm或更低,同时获得由此而产生的好处就必须先结晶,然后在材料供应商建议的条件下对PET进行干燥。图3是一幅干燥分析图,显示了在65.6 ℃下干燥的无定形PET片料的并不理想的性能。

图3 这是一幅干燥分析图,显示了在150 ̊F(65.6 ℃)下干燥的无定形PET片料的并不理想的性能

值得一提的是,可能有一些APET片材加工商在不进行重新结晶的情况下采用APET片料进行加工也取得了不错的效果,但这种成功是基于其正在生产的产品所需的物理要求并不像其他APET产品那样苛刻。

另外,加工商们还非常有可能遇到一些与周围环境、气候条件相关的质量问题,如在环境湿度较低的寒冷冬季通常不会出现加工问题或产品质量方面的问题;但在炎热潮湿的夏天——六月、七月和八月,会有很多问题相继出现,这一点也需要引起加工商们的注意。

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