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从点滴着手 实现高性能PLA加工

发布时间:2011-03-18 17:05

从点滴着手 实现高性能PLA加工

物料处理从点滴入手

最近,着名的意大利辅助设备供应商PIOVAN集团所属的Universal Dynamics公司针对PLA加工推出了两个系统化的解决方案:PLA片材加工和PLA瓶坯成型。其中对加工PLA物料的全过程进行了详细解析。笔者特摘录部份要点为业界加工参考。


布鲁克纳为Taghleef工业公司改造的 BOPLA生产线。

原材料接收和贮存

从工艺观点出发,PLA树脂的采购、验收和贮存是开端,从这里开始,适当的处置技术将对最终产品的质量产生重要影响。

1.新PLA树脂(如NatureWorks公司的产品)一般是结晶产品,在离开生产装置之前被乾燥至水分含量为400ppm。

2.如果收到PLA时包装盒及衬里完全无损,则所需的乾燥工作量极少,但仍需进行乾燥。如果薄膜衬里已打开,就需要进行乾燥。

3.新的树脂一般已结晶,以便于高效乾燥。未结晶PLA在温度上升到140℃时会产生变粘、结块。

4.粉碎PLA或回收PLA可能是结晶或非结晶的,由透明热成型产品、修剪废品或流延片材加工的碎片都是高度非结晶的,由拉伸薄膜或拉伸片材加工的碎片是结晶和非结晶材料的混合物,而由纤维加工的碎片则是高度结晶的。

5.在加工前,应与树脂供应商进行核实,验证将要投入加工设备中的树脂的条件,从而可以相应地对工艺进行规划。

6.如果使用速度过高的输送管路输送,在气力输送过程中树脂粒料极有可能发生降解。PLA树脂会在管道系统内部形成细的流线,一般产生在弯管处以及紧靠弯管的地方。

7.罐车合理的卸料速度应是每小时约2万磅,将材料速度限定在每分钟5000英寸或更低。罐车驾驶员手动操作车辆风机和阀,设置输送系统来完成车辆的卸料。当4”型输送管线与车辆输送装置组合使用时,如果将风机速度和压力设置得够高,则在不到1小时的时间内就可以卸掉4万磅原料。以这种配置操作时每次都会产生细粉或流线。

装置布局

8.在PLA挤出加工行业,良好的布局可以提高设备的运行性能。在选取挤出生产线所需的设备时,对可用建筑面积进行规划与设备本身的采购同等重要。

9.在工序起始端,材料输送和贮存的位置是需考虑的第一步。选取的材料输送位置和挤出机在生产线中的位置应当密切协调,从而使原材料能在合理的距离内输送。

10.分配材料准备装置的空间是下一个需关注的重点。如将挤出机置于材料源附近,则乾燥机、结晶器、粉碎机和混合设备应尽可能位于最近的区域。将这些机器安排在挤出机附近,操作人员准备和运行生产线的所有操作都会很方便。

气力输送系统

向挤出机加料口供料的原料处理系统是每个塑料挤出系统的重要组成部分。在处理PLA时,对于常用气力输送系统有几点需要注意。

11.尽可能在生产线内部采用真空输送工艺输送材料。采用真空输送系统,一旦系统发生泄漏,只会是少量室内空气被吸入输送管线中。如果在高压输送系统中发生泄漏,系统中的粉尘就会从漏点处飞出,沉积在生产车间。

12.采用适当设计的输送动力装置,以推动空气在系统中运行。
选用适当的定容式鼓风机,并使鼓风机以适当的转速运行,产生规定的气流量。在选定该装置後,其仅适用于单个输送管直径,从而在系统内产生特定的树脂输送速度。
尽管许多人认为新粒料是无尘的,但实际中,在材料处理系统中总存在一定量的细粉,所以对系统进行管理,尽可能减少细粉生成。通过选用选用适当的定容式鼓风机以仔细控制通过系统的气流是解决这一问题的根本途径。通过限制最高速度5000英尺/分(F/M)(约1000m/min),就可以减轻气力输送过程中材料的降解现象。

13.在系统的进料端要保持足够的速度,从而在系统的喂料端可靠地吸入树脂。约3500F/M的起动速度可保证PLA输送系统的正常运行。

工艺水冷却系统

PLA片材挤出工艺需要工艺水冷却系统来保证挤出机和乾燥机的正常运行。

14.挤出机上有进料区水冷系统,以及机器液压系统的冷却装置。这些装置以及乾燥机中回风冷却螺管可以在一个水塔装置中运行。

15.片材挤出时与热树脂接触的抛光辊需要冷却水来实现足够的片材冷却速度。

这些要求是确定生产线冷却水需求量的依据。

混合操作

PLA片材生产线在运行过程中会产生大量的废料,这些废料的回用对片材质量以及产品成本控制至关重要。
16.在运行单线系统(只有一台挤出机向模头供应树脂)时,重新供入系统中的废料量一般为总生产量的40%-50%。
17.精确、均匀地混合PLA原料可确保下游工序的顺利进行。
视所制造的产品,混料机需将新料与一种或多种来源的粉碎料均匀混合。还要用混料机混入所需的色料和其他工艺添加剂。

PLA结晶器的操作

在加工PLA树脂时,挤出机所用的原料在熔化之前必须乾燥。如果不够乾就会降低成品的机械性能。

18.乾燥前,PLA树脂要进行结晶,以保证传统的料斗乾燥机能正常运行

工艺乾燥系统

19.PLA树脂的工艺乾燥是原材料准备过程中最关键的步骤。为了制造良好的片材,工艺乾燥的标准是要达到250PPM或更低的水分含量。
20.只有在特定的温度,相应的处理时间和空气质量条件下才能达到标准要求。如果未满足所需的乾燥因素中任一点,或未保持树脂的乾燥度,产品质量就会不合格。对于PLA,乾燥不良会使产品降解。

21.加工商在准备和挤出PLA树脂时应极为小心,因为基础树脂受损後一般是不可逆的。

22.乾燥PLA的设备是具有低工艺温度可选功能的除湿料斗乾燥机。在乾燥PLA时有4个主要因素。第一个是需要充足的气流将热能传送给树脂,并进行充足的气体交换,带走所有水分。第二个要素是进入工艺乾燥料斗的空气的乾燥度或露点。工业标准是露点-40℃。第三个要素是温度,PLA的适用乾燥温度是150℃-190℃。我们推荐采用能够实现充分乾燥的最低温度,一般为150℃-160℃。第四个是乾燥工艺中最为重要的因素,即乾燥料斗。乾燥料斗看起来很简单,同样有一些非常重要的因素需要注意,包括选择合适的料斗容积。小的料斗,可能物料乾燥不足;过大的料斗,物料又在料筒内停留时间过长。加工料斗设计还要考虑热的乾空气的分布,以实现最有效的物流乾燥效率。如果以上四个要素完全满足,就可以加入结晶树脂,进行预乾燥,并运行挤出系统,实现成功生产。

切换从BOPP生产线到BOPLA生产线

随着传统市场结构的变化,可能部分公司希望利用传统的生产线实现PLA的加工。原有的生产线可能是加工PET的,也可能是加工PP的。2010年8月,全球双拉膜系统的领先供应商BrücknerServtec(以下简称:布鲁克纳)帮助意大利一家BOPP生产商完成了一条生产线的改造安装。

全球BOPP领先生产商Taghleef工业公司和布鲁克纳公司联合对Taghleef公司在意大利的一条现有生产线进行了改造,用于生产BOPLA。

布鲁克纳设计了特殊布局,并提供了现有挤出系统、流延装置和TDO这些需改造的主要组件,以及外围设备改造所需的零组件。为了以最有效的方式利用所有这些新组件,还将工艺控制系统升级改造成采用最新技术的类型。在布鲁克纳公司实验室生产线上进行的广泛试验证实了并行工序的配置数据。布鲁克纳还负责监督指导生产线改造的安装及调试过程。新生产线在2010年8月18日投产,一周以後就成功开始进行工业化生产。

高效生物聚合物回收系统


NGR开发的S-GRAN-HD回收装置可以实现PLA的高性能回收。

最近,NGR公司成功开发了一种有效回收生物塑料的新技术。生物聚合物的回收通常被认为面对极大的困难,许多专家甚至认为由生物材料制造的塑料不能回收,NGR公司的最新技术证明这一认识是错误的。

NGR公司从一开始就着眼于“一步法工艺”,采用该工艺,塑料在回收过程中不经历高温。最重要的是,对于高价值的生物塑料(生物聚合物)的回收而言,不经历高温具有更重要的意义。这是因为由可再生植物原料制造的“天然塑料”的制造成本要比由原油制造的产品高2到3倍。此外,典型 NGR“一步法工艺”的能效高,运行过程中电力成本较低也是其亮点之一。因为原材料成本高,投资回报时间很短,而且,生产过程中产生的废料量极少。

NGR公司CEOJosefHochreiter认为该工艺大有用武之地:“在制造过程中,冲切操作会产生大量生产废料。我们的目标是要让这些高价值的材料都能回收,并直接返回到生产过程中。”然而该计划不适用于已向消费者销售的生物塑料:因为生物塑料具有易生物降解的特性,通常会堆肥处理。

NGR发现,全球范围内生物材料呈现大幅增长,与基于原油的塑料相比,在将来生物塑料会愈来愈重要。欧洲和美国目前在生物聚合物技术方面取得了长足进展,NGR技术的潜在市场将有可能重点在这些地区。

JosefHochreiter估计,由于需求不断增长,在2012年之前,用于粉碎这些高价值材料的装备的全球需求量为每年100套:“因此,我们预计我们公司的产能利用率将会更高。”

采用这些新技术的首批生产装置已经在欧洲和美国的客户处运行。德国一家吹塑膜制造商已成功进行了试运行:20%-50%回收材料可以加到新材料中,对质量特性没有不良影响。後序工艺,如印刷、层合和冲切也未产生任何问题。回收前,废料可以贮存长达6个月,性能不会有损失。