PLA的低剪切混合

作者:本刊编译 发布时间:2021-05-19
Natureworks与Farrel Pomini合作进行的试验表明,Farrel Pomini的连续混合机非常适合加工对剪切敏感的PLA树脂(包括矿物填充的PLA复合物),与双螺杆挤出机相比,可以更好地保留分子量以保持树脂的物理性能。

许多可堆肥的生物塑料都是聚酯,并且它们本身对剪切敏感,因此需要采用低剪切的加工来帮助保持聚合物的完整性,获得最佳的物理性能。主要的PLA生产商NatureWorks一直与制造Farrel连续混合机(Farrel Continuous Mixer,简称FCM)的Farrel Pomini合作,在一项联合研究项目中对比了其Ingeo复合物在双螺杆挤出机(twin-screw extruder,简称TSE)和FCM上的加工工艺。该研究的目的是评估当添加一种滑石矿物填料时对PLA分子量损失的影响。

“PLA通常与矿物填料和/或添加剂混合来改善物理性能。与双螺杆挤出机相比,FCM的好处是可以降低加工成本,提高矿物填料的填充量并改善物理性能(如图1所示)。” Farrel Pomini说。由Farrel Pomini公司的Patrick Lahmann和NatureWorks公司的Nicholas Knowlton撰写的白皮书中发表了这项研究成果。本文回顾了其中的一些关键发现。

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图1 Natureworks和Farrel Pomini进行的一项研究发现,连续混合机对剪切敏感的PLA树脂来说是加工的理想选择(图片来自Farrel Pomini)

FCM采用非啮合、反向旋转双转子设计,可对高分子共混物施加可控制的剪切力,使其成为加工剪切和温度敏感材料(如PLA)的好技术。出于研究目的,Farrel Pomini使用了一台紧凑型加工器(CP系列II),它组合了FCM与挤出机(由FCM向挤出机热喂料),挤出机挤出粒料产生的压力可用于分析。研究的变量包括分子量(MW)保留率、熔融温度、滑石粉的分散度(用过滤器压力值(Filter Pressure Value ,简称FPV)测量)和比能量(specific energy ,简称SE)(见表)。

表 在双螺杆和连续配混设备上加工不同PLA复合物的试验数据

试样

加工方法

分子量(MW)保留率

填料含量

熔融温度(℃)


FPV

SE(kW•h/kg)


 


926-29-01


TSE


93%


0%


222




926-29-02


TSE


82%


20%


223


0.39


0.346


926-29-03


TSE


63%


40%


226


2.93


0.308


926-29-04


TSE


60%


50%


228


2.50


0.308


926-29-05


TSE


37%


60%


235


0.84


0.231

在NatureWorks的40mm TSE上加工


16-A


CP


99%


20%


178


0.38


0.127


17-A


CP


97%


40%


188


0.54


0.144


18-A


CP


95%


50%


202


0.54


0.166


24-A


CP


88%


60%


212


0.81


0.181

在Farrel CPeX紧凑型加工器上加工

来源: Natureworks/Farrel

图2显示了分子量保留率与滑石填料含量的关系,表明使用CP混合技术,直至50%填充量时MW保留率至少为95%,而60%填充量时MW保留率降至88%。当与TSE样品相比时,MW保留率显著提高。这归因于相对于TSE,样品在CP中具有更低的熔体温度、更短的滞留时间和更高效的剪切力。Farrel Pomini和NatureWorks的试验者相信更高的填充含量是可能的。在应用允许的情况下也可以使用加工助剂,来进一步增加填充含量,同时保留分子量。

较低的加工温度直接影响PLA基复合物中的MW保留率。比较图2和图3中的数据,可以发现较低的加工温度与CP中MW保留率的提高之间存在着相关性。随着这些研究扩展到更大的机器上,预计会有类似的结果。

图1

图2滑石粉填充量对MW保留率的影响(来源: Natureworks/Farrel Pomini)

图2

图3滑石填料含量对熔体温度的影响(来源: Natureworks/Farrel Pomini)

图3

图4比能量与滑石粉填充量的关系(来源: Natureworks/Farrel Pomini)

图4显示了每kg样品所需要的比能量(SEI),用kW•h/kg表示。在评估CP曲线时,随着填料含量的增加,SEI逐渐增加。在TSE曲线中,观察到SEI的下降,这可以用TSE样品中MW的变化来解释,即当填料含量增加时,MW损失减少,降低了能量需求。试验者假设当增加填料量时,两个过程之间的一个等效MW将导致两根线上相似的斜率和间隔。由此,当考虑形成母料时,使用加工助剂进行配制可能会进一步增加填料量的使用。

Natureworks和Farrel Pomini打算在生产规模更大的机器上进行进一步的研究,以验证研究成果与实际保持一致。不过,他们认为这些初步研究已经表明,FCM非常适合加工PLA和矿物填充的PLA复合物。

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