在雙螺桿擠出機(jī)上配混生物聚合物需要注意的事項

文/Entek Manufacturing公司 Dean Elliott

在代工廠和品牌所有者的推動下，預(yù)計到2024年，全球生物塑料的產(chǎn)能將增加到大約21.8億千克，從而使越來越多的應(yīng)用會采用這類綠色材料。對于配混商們而言，該如何在雙螺桿擠出機(jī)上高質(zhì)量地配混出此類材料呢？憑借20多年的塑料擠出經(jīng)驗，就職于Entek Manufacturing公司的Dean Elliott先生給出了一些建議。

生物聚合物如PHA等將帶動綠色材料需求的增長，一些消息來源預(yù)計，在未來5年內(nèi)，此類材料的產(chǎn)能會增加3倍以上。PHA是可生物降解的生物基聚酯，具有良好的物理和機(jī)械性能。

作為該行業(yè)的領(lǐng)先者之一，澳大利亞的Plantic 科技公司與Entek Manufacturing公司合作，開發(fā)了專有配方，今天，其獲得專利的可生物降解食品包裝材料已在商業(yè)上取得成功，并在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，這些材料是在雙螺桿配混機(jī)上被生產(chǎn)出來的。

作為該領(lǐng)域的另一家領(lǐng)先者，美國Danimer科學(xué)公司生產(chǎn)的生物聚合物配混料被用于制造各種環(huán)保產(chǎn)品，其Nodax PHA產(chǎn)品線的市場需求正在顯著增長，比如，Bacardi公司正用此材料來生產(chǎn)8 000萬個PET瓶。

在生物聚合物領(lǐng)域，還涌現(xiàn)了許多新的參與者，他們帶來了新的材料和許多新配方。

采用Plantic 科技公司的PHA材料擠出和熱成型的可生物降解餅干盤

包括生物聚合物在內(nèi)，所有聚合物的生產(chǎn)，均可以采用同向雙螺桿擠出機(jī)，該機(jī)器具有出色的材料混合能力。不管配方如何，要想獲得優(yōu)良的熔融和混合質(zhì)量，提高產(chǎn)率，以及實現(xiàn)其他參數(shù)目標(biāo)，應(yīng)該考慮將機(jī)械供應(yīng)商視為開發(fā)合作伙伴，并確保所選擇的機(jī)械供應(yīng)商擁有有助于你測試材料配方和改善工藝的設(shè)施及專業(yè)能力，這是因為，與任何配混項目一樣，在為新的生物聚合物配方開發(fā)工藝的過程中，會不可避免地進(jìn)行一定量的反復(fù)試驗。

生物聚合物配混料大致可分為3類：淀粉基聚合物配混料；含生物樹脂的生物樹脂配混料，如PHA、PLA或PHB；生物聚合物復(fù)合共混物，即含兩種或以上的生物樹脂、淀粉基聚合物和/或石油基聚合物的配混料。

在同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)上生產(chǎn)生物樹脂配混料和生物聚合物復(fù)合共混料時，需要注意以下關(guān)鍵事項：

1.購買靈活的擠出機(jī)。這是一個革新非?？斓男袠I(yè)，有新的想法、新的或改進(jìn)的原材料，以及新的或改進(jìn)的添加劑等。因此，擠出機(jī)的設(shè)計要確保最大的靈活性，最好購買長徑比為48:1或52:1的長型擠出機(jī)，且需提供多個排氣口和進(jìn)料位置選項。打開或關(guān)閉可用的排氣口位置，或者從可用的位置添加或卸下一個側(cè)喂料機(jī)，都要比在最初購買后再去采購新的機(jī)筒或者擴(kuò)展擠出機(jī)容易得多。

2.請記住，生物聚合物通常具有吸濕性，因此，至少要設(shè)一個排氣口，有時候還需要兩個，同時，至少要設(shè)有一個真空排氣口，有時候還需要兩個?？傊捎谏锞酆衔镆话愣季哂形鼭裥?，因此需要在加工之前謹(jǐn)慎處理。在擠出加工的早期就設(shè)置一個排氣口，可以最大程度地減少生物聚合物的水解并避免對材料的預(yù)干燥。設(shè)置一個真空排氣口也是必需的，不要將真空系統(tǒng)視為不必要的附件，它是擠出過程中不可或缺的一部分。精心設(shè)計的真空系統(tǒng)還可以解決生物聚合物揮發(fā)所帶來的腐蝕性問題，從而可以通過減少維護(hù)和停機(jī)時間以及提高產(chǎn)出來盡快收回成本。

3.請考慮生物聚合物對剪切和壓力的敏感性。當(dāng)暴露于過熱和/或剪切環(huán)境中時，生物聚合物會迅速降解。材料所遭受的剪切力與擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速成正比，與擠出機(jī)螺桿與機(jī)筒之間的間隙成反比。因此，需要在給定的擠出量下，盡可能以最低的螺桿轉(zhuǎn)速運(yùn)行擠出機(jī)，直到擠出機(jī)扭矩過高（＞90%）或達(dá)到體積極限，這可通過混料堵塞進(jìn)料口或排氣口來確定。

PHA已實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，比如，Phade品牌的吸管就由Danimer公司的生物配混料制成

確保擠出機(jī)供應(yīng)商具有支持你研發(fā)的實驗室設(shè)施

為避免體積限制，可以有策略地設(shè)置排氣口來排出空氣和濕氣，以及將限制型捏合段或反向螺桿元件放置在距離進(jìn)料口或排氣口盡可能遠(yuǎn)的下游。通過將擠出機(jī)螺桿設(shè)計成帶有較長的“輕柔”混合區(qū)而不是較短的劇烈混合區(qū)，可以避免高扭矩。穩(wěn)定進(jìn)料器，使扭矩波動最小化，可以使操作人員以更高的平均扭矩運(yùn)行擠出機(jī)。

雖然同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)是一種高效配混設(shè)備，但其泵送效率僅為8%至15%，這帶來的轉(zhuǎn)化效應(yīng)是，因擠出機(jī)出口壓力高而造成熔體溫度明顯升高。較高的出口壓力還會導(dǎo)致在擠出機(jī)出口附近的排氣口處產(chǎn)生排氣流。增加?？字睆?，增加濾網(wǎng)的網(wǎng)目尺寸，并且在水下造粒的情況下，增加水和模頭的溫度，所有這些，都會使擠出機(jī)的出口壓力降到最低。節(jié)距等于一個直徑的輸送螺桿元件是最有效的泵送元件。

配混生物聚合物最好使用長徑比為48:1或52:1的長型擠出機(jī)，以提高加工靈活性，比如這臺73 mm的雙螺桿擠出機(jī)

可以在擠出機(jī)出口和模頭之間使用熔體泵。熔體泵的泵送效率為25%到35%。使用熔體泵能最大程度地避免熔體溫度的過度升高，節(jié)省擠出機(jī)功率并形成更穩(wěn)定的擠出流量。有時，可以通過增加擠出機(jī)的產(chǎn)量來驗證熔體泵成本的合理性。

4.生物聚合物降解迅速，因此，清機(jī)很重要。生物聚合物的降解速度要比大多數(shù)的石油基聚合物更快。如果擠出機(jī)要停機(jī)1～2 h以上，強(qiáng)烈建議降低機(jī)筒熱量或者關(guān)閉加熱。如果在擠出機(jī)不運(yùn)行時還保持長時間加熱狀態(tài)，請使用低成本的熱穩(wěn)定聚合物對擠出機(jī)進(jìn)行清洗，這類聚合物的熔體粘度要比生物樹脂的稍高。如果清機(jī)料的粘度過高，則在重新開始生產(chǎn)后的許多小時內(nèi)，它會顯示為污染物。