特殊なツインスクリュー押出機を使用して生分解性PLA合成工場を立ち上げる方法

生分解性のPLA合成物工場を立ち上げることは、根本的には熱管理プロジェクトであり、見た目はプラスチックビジネスです。ポリ乳酸は加工窓がわずか30℃しかないことを容認し、わずかな時間で熱いバレル内で測定可能な水溶解を経験し、どの商品ポリオレフィンよりも速く分子量を失います。PLA工場で続くすべての工程—ねじ形状、乾燥能力、真空レイアウト、ペレット化方法、ペレットの梱包への運搬方法など—は、これらの事実の結果です。このガイドでは、実質のプロジェクトが下す工学上の決定を、製剤プラットフォームから認証された、販売可能な合成物までの順序で説明します。

Kerke、Wanplasの工場は、南京にある19,997平方メートルの工場で、12年以上にわたり、並列回転式ツインスクリュー複合型エクストルーダーを製造してきました。2,000台以上の機械が70カ国以上で稼働しており、100人以上のチームが、複合化という一つの専門分野を中心に組織されています。生分解性プラスチック複合化は、Kerkeが対象とするコアアプリケーション産業の一つであり、マスターバッチ、エンジニアリングプラスチック、ケーブル複合化、PVC複合化、熱可塑性エラストマー、木塩素複合材の製造も行っています。本稿では、KTE-16Bの研究用ユニットからKTE-135Dの生産用機械までを網羅するKTEシリーズの回転式ツインスクリュー複合型エクストルーダーを参考ハードウェアとして使用しています。

1. PLAコンパウンド工場が別のマスターバッチラインではない理由

従来のフィラーマスターバッチラインは、ミスを許容します。 ポリオレフィンは、20℃の余分な温度、予定外の5分間の樽内保持、および夜間に露出された状態で放置されたペレットに耐えることができます。 プラはこれらのすべてを許さない。 ダイの交換時に210℃を10分以上上回ったPLA合成物は、ペレット袋ではまったく問題なく見えるが、2週間後には顧客のフィルムラインで失敗することがある。その原因は、内在粘度が15％低下したことである。 視覚的な外観と実際の分子状態の間のこのギャップこそが、PLAの混合を技術的に正当化するものであり、間違ったマシンを導入すると高いコストを伴う間違いとなるのです。

PLA工場と一般的な混合工場を区別する三つの構造的な違いは次のとおりです。第一に、原材料は吸湿性があり、水分解に敏感であるため、乾燥は補助的な機能ではなく、独自の容量計算と品質記録が必要な主要な工程です。第二に、混合物の価値は見えない特性にあります。例えば、ノッチインパクト強度、溶融強度、結晶化半減時間、保持内在粘度などです。そのため、工場は最初から専用の実験室が必要であり、隅にある溶融流動度テスターでは不十分です。第三に、最終市場は規制されています。堆肥化性を証明するためには、EN 13432またはASTM D6400、食品接触はEU 10/2011、FDA 21 CFRまたはGB 4806に準拠し、買い手はペレットを監査する前に書類を監査します。

商業的なロジックも同様に明確です。商品の混合機は、トンあたりの変換コストで競争します。生分解性の混合機は、製剤の性能に基づいて競争します。つまり、フィルムが破れるまでどれだけの充填剤を積載できるか、ショッピングバッグをどのくらい薄く膨らませることができるか、射出成形されたカトラリー製品をどのくらい速く脱模できるか、コンポスト可能なコーヒーのカプセルが92℃の熱水に耐えられるかどうかなどの製剤と工程に関する問題です。これらの問題は、迅速に再構成可能なツインスクリュー押出機で解決されます。半日のシフトでスクリューを再構築し、その結果を自社のラボで検証できる工場は、両方を外部委託する工場よりも優れた開発力を持つことになります。

2. プロセス材料としてのPLA：プラント全体を形作る4つの制約

生分解性PLA合成工場におけるすべての設備選択は、四つの材料挙動に帰着します。それらを定量的に（定性的にではなく）理解することが、認証済み合成物を生産するラインと、高価な再生物質を生産するラインを分けるものです。

熱感度 商用PLAグレードは、Dイソメラ含有量に応じて約150℃から175℃の間で溶融し、実用的な加工温度帯は170℃から200℃の間です。 210℃を超えると、熱分解が急速に進み、ランダムな鎖切断、ラクチド再生、揮発物の生成が同時に増加します。 問題は、ツインスクリュー押出機の溶融温度がバレルの設定値と一致していないことです。 設計が不適切な練り部でシェア加熱を行うと、局所的な溶融温度がバレル壁より20～30℃高くなることがあり、190℃の設定値で稼働しているプラントでも、制限された逆元素内で215℃でポリマーが劣化している可能性があります。

水解感受性 PLAはポリエステルであり、溶融温度の水はエステル結合を速やかに分解します。 200 ppmの代わりに1,000 ppmの水分を含むPLAを投入すると、単一の通過で分子量の相当な部分が失われ、その損失は永久的です。 作業ルールは、給気口の前で250 ppm以下の水分、および反応性チェーンエクステンダーを使用する場合は100 ppm以下の水分です。水分が意図した反応と競合するためです。 これを実現するには、露点がマイナス40℃の60～80℃で4時間の除湿乾燥を行い、乾燥機から給料機への閉鎖された運搬ルートを設定することで、乾燥した樹脂が再び外気の湿気を受けることがないようにする必要があります。

緩慢な結晶化 きれいなPLAはゆっくり結晶化します。 核形成がないと、射出成形部品は主に無定形で、55～60℃のガラス転移点付近で軟化し、熱い倉庫や食器洗い機で変形します。 核化剤パッケージ—通常は1～3％のタルク、または低い量の有機アミド型核化剤—は、結晶化半減時間を劇的に短縮し、熱変形温度を使用可能な範囲にまで引き上げます。 したがって、核形成は成形の責任ではなく、複合化の責任であり、適切に分散されなければ効果がありません。

破損しやすさと低い溶融強度。 変更されていないPLAのチャルピー衝撃強度は約2～3kJ/m2であり、破断伸びは1桁です。 また、融着強度が低いため、フィルム吹き、サーマフォーミング、発泡が制限されます。 強化とチェーン拡張はそれぞれこれらの弱点に対処しており、いずれも分散混合の品質と制御された滞留時間に依存する複合操作です。

3. フォーメーションプラットフォームの構築

生分解性の化合物プラントは、単一の製品を販売するのではなく、同じ装置から派生した三つまたは四つのファミリーを備えた製剤プラットフォームを販売します。エクストラーダを購入する前に、これらのファミリーを決定することが、機械に必要なサイドフィーダ、液体注入ポート、およびベント位置を決定します。サイドフィーダを、決して設計されていないバレルに後付けすることは可能ですが、注文時に正しく指定するよりも常に高価になります。

ワークホースシステムはPLA/PBATコポリエステルブレンドです。PLAは剛性、透明性、耐熱性を提供し、PBATコポリエステルは延性、引裂強度、靭性を提供します。両者は部分的に互換性がありますので、ブレンドモーフロジー（液滴サイズ、界面接着性）が特性を決定する変数となり、ほぼすべてがスクリューによって作られます。30/70から70/30の比率は、ほとんどの商用用途をカバーしています。PBATが豊富なブレンドは、柔軟なフィルムやショッピングバッグ、PLAが豊富なブレンドは、剛性インジェクション成形、熱成形トレイ、カトラリーなどに使用されます。

このバックボーンの周りには、5つの添加機能があります。通常、0.3から1.0 phrで投与される反応性エポキシ機能性チェーン拡張剤（ステリレン・アクリルエポキシオリゴマー）は、乾燥および押出し中に失われた分子量を再構築し、溶融強度を高めます。これはフィルムおよびフォームグレードでは欠かせません。衝撃修飾剤は、5から15％の熱可塑性ポリウレタンエラストマーまたはアクリルコアシェルゴムで、ノッチインパクトを2から3 kJ/m2の基準値から、薄い壁の部品が処理される際に生き残る範囲に引き上げます。核形成剤は、1から3％のタルクまたは分量的な負荷で使用される有機アミドタイプで、結晶化を促進し、熱拡張温度を上げます。鉱物およびバイオベースの充填剤（10から40％のカルシウムカーボネートまたはデンプンベースのバイオポリマーマスターバッチ）は、製剤コストレベルを低減し、剛性を調整し、同時に真の分散能力が求められます。最後に、0.5から1.5 phrのポリマーカルボジミド水分解安定剤は、下流処理および保存期間中に化合物を保護します。

潤滑剤とブロック防止剤はこのレシピを完結します。高い充填量を持つPLA合成物には、トルクを制御するための内部潤滑剤と、ダイとカッターからきれいに取り外すための外部潤滑剤が必要です。フィルムグレードには、完成したフィルムを巻き取るためのブロック防止剤とスリップ剤が必要です。これらは少量の成分であり、正確さが0.5％のプラスまたはマイナスであるため、商品ラインではより重要になります。0.5 phrの場合、10％の給与エラーは10％の特性エラーです。

4. 特別なツインスクリュー押出機が必要な理由

「特殊ツインスクリュー押出機」という言葉はPLA用のマーケティング用語ではなく、実に異なる機械仕様を表しています。 ガラス繊維入りエンジニアリングプラスチック用に構築された共回転式パラレルツインスクリュー押出機は、トルクとせん断に最適化されています。 生分解性化合物用に設計された機械は、長さ、排気、および温度制御に最適化されており、トルクは意図的に低めに設定されています。 間違ったものを注文することは、初回のPLAプロジェクトで最もよく起こる間違いです。

4つの仕様がその違いを定義しています。 外径対内径比（Do/Di）は1.55から1.75の間にあります。 深いフライトチャネルは、回転ごとの空間が増えるため、マシンはより低いスクリュースピードとより低い特定エネルギー投入で目標のスループットを達成できます。熱に敏感なポリエステルにとって、まさにこれが必要です。 長さと直径の比は40:1から48:1であるべきで、リアクティブPLAの作業では44:1以上が推奨されます。 長さは、プロセス室をゆっくり溶かすこと、サイドフィードフィラーを充填すること、チェーンエクステンダーを20～35秒間反応させること、二回の脱溶化を行うこと、そしてこれらのすべての機能を重複した、過剪切されたゾーンに詰め込むことなく、安定したダイ圧を確保することを可能にします。

ねじ回転速度の能力は300～600rpmに達すべきですが、PLAの製剤は通常250～450rpmで動作し、500rpmを超えることはほとんどありません。高い回転速度では、モータの出力が溶融温度に変換される速度が、分散を向上させる速度よりも速くなります。 8～11 N・m/cm³の特定のトルクが適切です。 これは、高密度のエンジニアリングコンパウンドラインよりも低いトルクのシステムであり、これは意図的です。過剰な可用トルクは、オペレータを過熱するメルトの積極的なスクリュー作業に誘発します。 より重要なのはトルクの安定性です。変動するサイドフィード負荷の下でも、スピードが飛躍的に変化することなく、ドライブとギアボックスが安定して動作することが必要です。

PLA自体は研磨性がないとはいえ、30～40％のカルシウムカーボネート、タルク、または繊維を含む充填品は研磨性があり、乳酸残留物と水分解生成物は温度下では軽度の腐食性を示します。二金属製のバレルライナーと耐腐食性のニトリドまたは粉末金属製のねじ部品は、数年間の使用でその価値を十分に発揮します。温度制御は、加熱と効果的な冷却の両方を備えたゾーンごとの閉ループ制御にする必要があります。加熱のみが可能なバレルゾーンでは、高充填量のレシピで温度が上昇し、劣化したポリマーを回復する方法はありません。

5.ねじ構成設計、ゾーンごと

スクリュー構成は、PLA混合ラインの成否を決める要素です。同じバレル、同じモーター、同じ温度設定点を使用しても、良く分散した高IVの混合物が生成されるか、黄色く変色したペレットが生成されるかは、要素の積み重ねの仕方によって完全に決まります。Kerkeは、コンピュータ支援によるレイアウトと、自己洗浄性の良いこみ上げ型ジオメトリーを備えたスクリューアセンブリを設計しています。これは、工場が同じ週にPBATが豊富なフィルムグレードとタルクが入った堅いグレードを切り替える場合に重要です。

供給および輸送セクションでは、通常1.5Dから2.0Dのピッチを持つ大ピッチの輸送要素を使用して、固体を迅速に喉部から遠ざけ、供給ゾーンを冷たく保つことができます。 バレルゾーンは積極的に冷却されるべきです。ペレットが喉部で柔らかくなると、すぐにブリッジングとサージが発生します。

最初の溶融セクションは、重要な設計決定です。 ポリオレフィン混合からの直感は、幅の広いディスクを備えた強力な練りブロックシーケンスを設置することです。 間違っているPLAについて 広いこね板は分散的なせん断と大きな局所的温度上昇を生み出し、細い板（典型的には22.5度と45度の前方、狭い要素に重点を置いた順序）は、熱の単位あたりのより多くの分散的な混合を生み出します。 実用的なルールは、溶融セクションを主に細長い前方45度のブロックで構築し、広いブロックを節度を守って使用すること、そして設計を推測するのではなく、確認できるように、直下流に温度測定ポイントを設置することです。

側送部は最初の溶融ゾーンに続きます。 填充剤と補強材は、空気の混入、給送口の激突、そして粉塵の問題を回避するツインスクリューフィーダーを通して溶融体に供給されます。このフィーダーでは、30パーセントのカルシウムカーボネートを口径から供給する方法による問題が生じません。 サイドフィーダのすぐ後ろに、短い分散セクション（狭い前方の練りブロックまたは歯状混合部品）があり、フィラーを長時間のせん断処理を経ずに湿らせ、分散させます。

反応および脱ガス化セクションでは、チェーンエクステンダーが作用する時間が与えられます。 これは、軽度の混合を伴う輸送主導型で、20～35秒の滞留時間を確保し、その後、マイナス0.08～マイナス0.095MPaの初回の真空排気により、水分と揮発性の副産物を除去します。 最初のものが取りきれなかったものを、排出口の近くにある第二のバルブが取り除きます。 ベントスタッファーまたはベントインサートは、高い充填レベルで溶融物の逃げを防ぎます。

メータリングおよび圧力形成セクションでは、スクリーンチェンジャーとダイに安定した圧力を形成するために、0.5Dから0.75Dの小ピッチの輸送要素を使用しています。 ここで重要な禁止事項は、逆飛行要素です。 PLAねじの設計では、逆流またはブリスター要素を大量に使用することは避けなければならない。これらに閉じ込められた溶融物は、周囲のバレル温度よりも20℃以上上昇する可能性があるからだ。 真に真空バルブの前に溶融シールが必要な場合は、最短の逆元素または狭い円盤状の締め込みシールを使用し、下流の溶融温度を確認してください。

6. 総合混合ラインの概要

生分解性のPLAコンパウンド工場は、すべてのリンクが湿気、熱、または埃を処理する連続的なチェーンです。このセクションの目的は、導入ではなく、購入の詳細を説明することです。ポイントは、ユニットがどのように接続し、プロセス上のリスクが集中する場所を確認することです。そのため、土木工事が開始される前にレイアウトを確定することができます。

材料の流れは、中央除湿乾燥システム, sized for the line’s hourly consumption with a safety margin of at least 1.3 times, because a dryer that is exactly matched to throughput has no capacity to recover after a grade change. Dried resin travels through closed 空気輸送 to 重量計測式減量給餌装置— メインフィーダーと、修飾剤、核化剤、微量添加剤用の2～4個の補助フィーダー。それぞれの容量は±0.5％の精度で調整できます。バルクフィラーはツインスクリューサイドフィーダ最初の溶融ゾーンの下流に取り付けられた。

The ツインスクリュー押出機はラインの中心です。下流にはオプションの溶融ポンプ放出圧力をプラスまたはマイナス 2% 以内に安定させることで、ペレットのサイズの均一性が直接向上し、エクストラーダが低いヘッド圧で運転できるようになります。 A画面変更機能— 機械によって、リサイクルされたまたは汚染された原料の量に応じて、油圧プレートまたは連続ベルトタイプを使用します。これにより、ゲルや異物を除去します。次に、ペレタイジング: 水リングダイフェイスカットまたはPLAの水中ペレタイジング、その後centrifugal dewatering, 振動分類罰金とダブルを削除するために,空気輸送から a均一化シロ, そして最後に自動の計量と梱包.

二つのサポートシステムは、仕様を不十分に設定することが簡単であり、改修するのは大変です。一つ目はダスト管理です。タルクと炭酸カルシウムの取り扱いは、吸入可能な粉塵を生成します。この粉塵はサイドフィーダーとビッグバッグステーションで捕集する必要があります。二つ目はペレットの後処理パスです。熱に強いグレードの場合、梱包前に短時間の結晶化またはアニーリングステップを実施することで、発送中に熱いコンテナ内で凝集しないようにします。どちらも最初からレイアウトに含める必要があります。

7. 機械ブロック1：最初の商用ライン用のKTE-52DおよびKTE-75D

ほとんどの初期の生分解性化合物製造工場は、150～800 kg/hの帯域に属します。 その下では、その工場は実際の顧客の月間生産量を満たすことができず、上では、試験ごとに数トンの樹脂が消費されるため、製剤の開発が高額になってしまいます。 Kerke KTEの2台のマシンで、そのバンドを快適にカバーできます。

KTE-52Dは、PLAコンパウンドビジネス向けの定番エントリーマシンです。 一般的なPLAおよびPLA/PBATレシピで、約150～300kg/hの生産量で、商用注文を満たす量の素材を生産でき、開発試験のための稼働にも経済的です。 250 kg/hの単一の8時間のシフトで、2トンの認定化合物が生成されます。これは中規模のフィルムコンバータに継続的に供給するのに十分な量です。

KTE-75Dは、既に受注が確定している場合に選択すべき機械です。 400～800 kg/hの生産量では、複数の顧客に対応できる供給位置をサポートし、このサイズで利用できる追加の樽長により、2つのサイドフィーダーと2つの真空ベントを備えながら反応ゾーンを妥協することなく運用できます。 両機は、コンピュータ支援によるねじ組み設計、強力な自己洗浄機能を備えた締め付け共通型要素、および要素の完全な互換性を備えた、同一のKTE共同回転平行アーキテクチャに基づいて構築されています。これは、新しい製剤のためのねじの再構築が計画されたメンテナンス作業であり、プロジェクトではないことを意味します。

以下の仕様は、これらのフレームの典型的なPLA構成値です。 生産性は常に製剤に依存します。40％の経済グレードは、同じスクリュースピードで、反応性フォームグレードよりも速く動きます。これは、反応性グレードは意図的に滞留時間を長くしているためです。 完成品の仕様は、ご注文時にお客様のレシピリストと照合して確認されます。

分野: プラスチック押出および混合設備の製造。正確な技術・工業用語を使用します。規格コード（ISO、ASTM、UL、RoHS、REACH）、単位（℃、MPa、mm、g/cm³、kV/mm）、ポリマー略語（PP、PE、PVC、ABS、PC、PA、PET、PBT、POM、TPU、PPS、PEEK）、商標名、モデル/部品番号を正確に記載します。翻訳しないでください。すべてのHTMLタグ、{プレースホルダー}、および括弧を保持します。形式的な技術レジスター。テキスト: 供給アーキテクチャは、押出機と共に指定されます。Kerkeは、体積計測システム、ツインスクリューサイドフィーダ、低ボルク率粉末用のクラマーフィーダ、重量損失フィーダ（精度が高い）、およびプラスチファイザーや液体添加剤用の液体フィーダを提供しています。一般的なPLA工場の構成では、ベース樹脂とすべての固体添加剤に対して重量損失フィーダを使用し、ミネラルフィラーにはツインスクリューサイドフィーダを使用し、レシピリストにシトラットタイプのプラスチファイザーが含まれている場合は、液体フィーダを使用します。

8. 機械ブロック2：KTE-16BパイロットラインとKTE-95D/KTE-135Dスケールアップ

生分解性化合物事業には最終的に二つの機械が必要となり、どちらを先に購入するかは、両方が存在するという事実よりも重要ではない。 パイロット機は生産機の稼働時間を保護し、生産機はパイロット機の存在を支払います。

KTE-16Bラボラトリツインスクリュー押出機は、KTEシリーズの中で最も小型のフレームであり、製品開発、試験、研究開発に特化して設計されています。 PLA工場におけるその価値は明らかです。生産機械で数百キログラムの樹脂を消費するチェーンエクステンダースクリーニング研究は、ラボ機械で数キログラムの樹脂を消費します。 KTE-16B は、より大きなフレームと同じ回転共同形状と要素哲学を採用しているため、それによって開発されたネジ構成は、推測ではなく予測可能なスケールアップで生産ラインに適用できます。 誰かのレシピを受託するのではなく、自らの製剤の性能を売り物にすることを目指すプランターは、ラボ用エクストラーダを「選択肢」ではなく「基幹機器」として扱うべきです。

もう一方の端では、KTE-95DとKTE-135Dがスケールアップフレームです。 KTE-95Dは、PLAベースのレシピで約800～1,500kg/h、KTE-135Dは約1,500～3,000kg/hの範囲をカバーします。 これらのサイズは、フィルムまたはサーマルフォーミングコンバータから安定した生産量を確保したプラントにおいて意味を持ちます。単一の顧客が年間数百トンを消費できる場合です。 この規模では、水中ペレタイジングがデフォルトとなり、溶融ポンプがオプションではなく標準となり、プラントのユーティリティ設計（冷却水、冷却塔容量、圧縮空気、設置電力負荷）は、目安のサイジングではなく、適切なエンジニアリングが必要になります。

標準的な単段 KTE 機械以外に、生分解性製品の処理に適した Kerke の 2 つの構成を知っておく必要があります。KTE-T 三重ねじ押出機は、従来のツインスクリュー構造では分散しにくい材料に対して、三スクリュー技術を適用しています。KTE-SE 二段圧延システム, マザー・ベイビーアレンジメントでは、混合と圧力の上昇を二つの機械に分離し、熱に敏感なシステムや高い揮発性を有するシステムでは、第二段階でより低温でより積極的に揮発物を除去できるようになります。単一のバレルでは不可能です。

9. プロセスウィンドウと起動レシピ

PLAの複合化では、降順の温度プロファイルが使用されます。ポリオレフィンでトレーニングを受けたオペレータにとってこれは驚きです。バレルは最初の段階で最も高温に設定され、接着剤を迅速に溶かすために摩擦ではなく伝導によって溶融させます。その後、ダイへと温度が下がり、溶融物は機械から流れながらできるだけ冷たくなるように調整されます。ダイ自体は180～190℃で動作し、アダプタでの測定溶融温度は190～205℃の間になる必要があります。

PLAが豊富な硬質グレードの実用可能な8ゾーンの起動プロファイルは、165/175/185/190/190/185/180/175°Cで、金型は180～190°Cです。ゾーン1は低温で水冷状態に保たれ、トホート部分でのブリッジングを防ぎます。ゾーン3～5では溶融と混合作業が行われます。ゾーン6～8では圧力増加セクションの前に溶融物を冷却するために段階的に温度が下がります。PBATが豊富なフィルムグレードでは、プロファイル全体が5～10°C低下します。30～40％の充填量のグレードでは、フィラーが摩擦熱を生み出すために、中部バレルのゾーンをさらに下げる必要があるかもしれません。セットポイントではこの摩擦熱は示されていません。

セットポイントと同じくらい重要なのが起動シーケンスです。バレルを温度にまで上げて、少なくとも30分間浸漬してください。これにより、金属が均一に加熱され、ヒーター帯に接している表面だけではなく、全体が加熱されます。スクリューを低速で空の状態で起動し、その後、低コストのPLAグレードや汎用ポリオレフィンを供給して、PLAのトランジションを実施した上で、生産レシピを導入します。安定した溶融シールが確立されるまで真空を適用しないでください。そうしないと、粉が真空システムに直接吸引されてしまいます。スループットとスクリューの回転速度を合わせて、具体的なエネルギー投入量をほぼ一定に保ちます。

シャットダウンは、劣化の損傷が最も起こる場所です。熱いバレルに沈着したPLAは劣化し、劣化した材料は2日後に現れる黒い点やゲルになります。規則は簡単です。ランの終わりには、排出が明確になるまで安定したパージ化合物でパージし、スクリューが回っている間にバレルの設定値を下げてください。休憩中にPLAを温度に置いておくことは決してありません。15分から20分以上の停止が予想される場合は、まずパージしてください。

10. 熱に敏感なバイオポリマーのためのペレタイジングオプション

分割機は、良い合成物を台無しにする最後の機会です。失敗の二つのパターンは、カッター部分での水分吸収と熱または機械的損傷であり、PLAはどちらにも弱い状態です。商用合成におけるデフォルトの選択肢である従来の水浴式ストランド分割機は、PLAに最も適していません。ストランドは数メートルを水槽を通って移動し、高温のポリエステルは全体を通して水を吸収します。その後、パッキング前に再乾燥が必要となり、さらに熱処理が行われ、コストがかかります。

水リングダイスフェイスカットはこれらの問題のほとんどを解決します。ペレットはダイスフェイスでカットされ、すぐに水リングに投入されるため、水との接触時間は数十秒ではなく数秒単位で測定され、遠心脱水が直接行われます。水中ペレーティングではさらに進歩しています。ペレットは温度制御されたチャンバー内で水中でカットされ、スラリーとして脱水ユニットに運ばれます。水中カットにより、最も均一で球状のペレットが得られ、高いスループットをきれいに処理できます。そのため、KTE-95DおよびKTE-135Dスケールラインではデフォルトの選択肢になっています。

Kerkeの切断・ペレタイジングシステムは、水冷ストランド、空冷ストランド、空冷ダイフェイスホットカット、水冷リングダイフェイスホットカット、偏心水霧ホットカット、水中グラニュレーションなどをカバーしています。 生分解性の作業では、実用的な候補は中規模のラインでは水リング、大規模のラインでは水中、またサンプルが絶対に水に触れない必要がある実験用量では空気冷却ストランドのみです。 エキセントリックな水ミストカットは、空気システムと水システムの間に位置し、従来のダイ面に付着しやすい低粘度の処方を対応できます。

どの方法を選択しても、それが機能するかどうかを決めるのは、3つの詳細です。すなわち、金型プレートの加熱は独立して安定的でなければならず、ブレードと金型プレートの接触圧力は調整可能で監視しなければならず、水温は管理しなければなりません。PLA金型表面に冷たい水がかかると凍結が発生し、あまりにも高温の水はペレットの凝集と水分吸収を引き起こします。

11. 品質管理ラボとテストマトリックス

生分解性化合物を製造する工場では、認証された特性が販売されるため、研究所は間接費ではなく生産部門です。PLA化合物工場の最小限の実用的な研究所では、湿気、溶融流動性、熱特性、および機械的性能を調べ、分子量が差別化要素となるフィルムや発泡材のグレードを販売し始めた時点で内在粘度も測定します。

コウロメティック定量法（カール・フィッシャー法）による水分測定は、まず購入すべき機器です。これにより、入荷レジン、乾燥レジン、完成品のペレットが水分制限を満たしていることを証明できます。これにより、乾燥作業を希望的な日常作業から管理されたプロセスに変えることができます。190℃および2.16kgでの溶融流動度は、日常の生産管理テストであり、ロット間のMFRの上昇は、機械的特性が十分に変化する前に、熱的または水溶性分解の初期の目に見える兆候です。

微小差分走査熱計測法は、PLAの使用可能温度範囲が、オペレーターが見ることができない転移によって定義されるため、その存在意義を有している。 DSCスキャンでは、ガラス転移温度が約55～60℃、溶融点が150～175℃、冷結化行動、および結晶率が得られます。 核化熱耐性グレードの場合、DSCは受入テストです。結晶化開始が移動していない場合、核化剤は分散しなかったことになります。 機械試験は、ISO 527に準拠した引張強さ、ISO 179に準拠したノッチチャルピー衝撃、および熱特性に関するグレードの場合は熱拡張温度を測定します。

さらに、成熟したPLAラボでは、2つのテストが必要です。溶液中の内在粘度は、分子量を直接測定するものであり、プロセスによる損傷の程度を決定的に評価する指標です。入力レジンと完成したペレットの内在粘度を測定することで、保持された内在粘度値を得ることができ、これは真のプロセス能力指標となります。灰分含量は、フィーダの読み取り値とは別に、充填材の量を検証するものであり、これは工場が顧客よりも先に漂流するサイドフィーダを検出するための手段です。

12. 認証と規制の経路

どんなに優れたペレットでも、コンポスト性は製品そのものに関する主張であり、この一点の事実で、複合プラントの規制戦略が再編成されます。 製造業者は、抽象的に樹脂を堆肥化可能と証明することはできません。できることは、顧客が転換した製品で迅速かつ再現可能に認証を取得できるよう、製品化と文書化のパッケージを構築することです。 これを理解している植物は、理解していない植物よりも多くの化合物を販売します。なぜなら、顧客の認証期間は、顧客の個人的なリスクではなく、共同プロジェクトとなるからです。

二つの主な堆肥化可能性基準は、ヨーロッパではEN 13432、北米ではASTM D6400です。 両者とも分解、生物分解、生態毒性、重金属含有量を調べる。 この複合レシピの実用的な影響は明確です。顔料、潤滑剤、加工補助剤を含むすべての成分は、このスキームの成分および重金属の許容値内でなければなりません。また、生分解不能成分の合計は許容される閾値内に維持されなければなりません。 処理の便宜性のために選択された単一の非適合スリップエージェントは、お客様の認証を無効にする可能性があります。そのため、承認された原材料リストと、そのサプライヤーによる宣言が保管されていることは、プラントの重要な文書です。

食品接触は別の並行的な分野です。EU 10/2011 はヨーロッパで食品と接触することを目的としたプラスチック材料を規定し、FDA 21 CFR 規定は米国で、GB 4806 は中国で適用されます。これらの規定では、コンプライアンス声明、必要に応じた移行試験、すべての添加物のトレーサビリティが求められます。カトラリー、カップ、トレー、コーヒーのカプセルを供給することを目指す工場は、コンポスト性のシステムと同時に、食品接触の文書化システムを構築する必要があります。なぜなら、両システムは同じ原材料管理のバックボーンを共有しているからです。

さらに、工場独自の認証がこのイメージを完成させます。 ISO 9001の品質管理は、欧州および北米のバイヤーにとって、事実上の購入要件となっています。 ライン用に購入した機械は、工場がヨーロッパに位置している場合またはヨーロッパに輸出している場合は、機械指令およびそれに関連する電気および安全規格を満たすように構築する必要があります。 これらを合わせると、顧客の監査に耐えるドキュメントパッケージが構成されます。

13. プラントインフラストラクチャと公益事業

新しい混合プラントを破壊する最も静かな方法は、ユーティリティのサイズが小さいことです。その症状はプロセスの問題のように見えます。 バレルジャケットの温度を保持できない冷却回路は、一貫しないMFRとして表示されます。パッキングステーションのサイクル時に空気システムがゆるんでしまうことは、フィーダの投与エラーとして表示されます。 これらのシステムをエクストラーダのインストール荷重に対して（余裕をもって）サイジングすることは、後で診断するよりも安価です。

電力負荷は主駆動装置によって支配されますが、その駆動力は総負荷の半分を超えることはほとんどありません。暖房、真空ポンプ、除湿乾燥機、チラー、冷却水ポンプ、コンプレッサー、空気送達装置の合計は、エクストルーダーのモーターを上回ることがよくあります。設置容量は、接続された負荷の合計に対して、現実的な多様性係数を指定する必要があり、電源側には、ビジネス計画に第二ラインが含まれている場合には余裕を持たせる必要があります。なぜなら、トランスを後からアップグレードすることは混乱を招くからです。

冷却には二つの回路が必要です。タワーの水ループはギアボックスのオイルクーラー、真空ポンプのシール水、およびペレタイザーの水を処理します。冷却水ループはバレルジャケットの冷却を担当し、安定した低温こそが温度コントローラに実際にゾーンから熱を取り出す権限を与えます。両方をタワーの水に統合することは、夏場ではよく見られる簡便な方法ですが、後悔することになることもあります。

スペース計画では、複合プラントが実際に保管するものを考慮する必要があります。閉じたシロやビッグバッグに乾燥された樹脂、バルク状のフィラー、均質化シロに完成したペレット、そしてラボでの放出を待つロット用の隔離区域などです。天井の高さはドライヤーとシロスタックを収容できるようにする必要があります。別の、気候制御されたラボルームはオプションではありません。埃が多く、湿度の高い作業場では、DSCと水分定量測定の結果がずれてしまいます。

14.推測なしの投資計画

このような記事に含まれる通貨の数値は、1年以内では無意味であり、市場全体を誤導するものとなるため、有効なアプローチはインデックス化と相対的なものです。300 kg/hの単一ライン（エクストルーダー、供給、乾燥、ペレタイジング、下流処理、公共事業、設置）の全設備投資額を100のインデックスポイントに等しいものとします。その後、他のすべての構成を、その基準に誠実に比較することができ、各プラントはインデックスを独自の地域の数値に変換し、独自の見積もりを作成できます。

この基準に基づいて、KTE-16Bと基本的な付属機器を備えたラボ専用の設備は、約12～20ポイントです。150 kg/hのエントリーラインは、約70～85ポイントです。300 kg/hのベースラインは定義通り100ポイントです。KTE-75Dをベースに構築された800 kg/hのラインは通常190～240ポイントの間で推移し、1,500 kg/hのKTE-95Dラインは330～420ポイントの間で推移します。このスプレッドは主にペレタイジングの選択、パッキングの自動化レベル、および溶融ポンプと連続スクリーンコンバーターの搭載の有無によって決まります。

インデックスを動かす三つの要因があります。その内、ペレタイジング方法が最も大きな要因です。水下システムで水を調整する場合、同一のエクストラーダ上の水リングシステムよりも費用がかなり高くなります。乾燥能力は第二位ですが、1.3倍のライン速度で中央に設置された乾燥機は、小さなホッパードライヤーよりもかなり高価であり、節約すべき場所ではありません。梱包と材料取り扱いの自動化が第三位ですが、これは労働力と一貫性を通じて最も信頼性の高いリターンをもたらすものです。

プロジェクトの収益は、ネームプレート容量ではなく、能力利用率とトンあたりの付加価値率に基づいてモデル化されるべきです。現実的な初年度の利用率は55～70％であり、製剤ポートフォリオと顧客基盤が安定してくるようになると、2年目には75～85％に上昇します。差別化された生分解性化合物ビジネスの典型的な仮定（3～5の認定グレードのポートフォリオ、少なくとも1つのアンカー顧客、社内製剤開発能力）のもとでは、75％の能力利用率で18～30ヶ月のペイバックが妥当な計画仮定となります。製剤の差別化を行わずに単一の商品レシピをトールコンパウンドする場合は、その範囲がかなり広がります。

15. 選択ガイダンス：KTE モデルへの要件

生分解性化合物工場の選択ロジックは、ひとつの方向に進みます。顧客が購入する製品から始まり、製剤、その後、生産量に戻り、最後にマシンを選択します。最初にマシンのサイズを選択し、それを満たす製品を探すと、工場は40％の稼働率で、どのレシピにも合うスクリュー構成を使用して運営することになります。

16. 適用産業と最終製品

Kerkeの混合プラットフォームは、マスターバッチ生産、生分解性プラスチック、エンジニアリングプラスチック、ケーブル混合、PVC混合、熱可塑性エラストマー、木質プラスチック複合材料、さらにR-PETフレークリサイクル、および食品加工用途（テクスチャー付きタンパク質抽出など）に対応しています。 生分解性化合物製造工場では、幅が重要な実用的な理由があります。現在PLA/PBATフィルム化合物を生産している同じKTEフレームは、生分解性の注文が減少した場合に、フィラーマスターバッチや熱可塑性エラストマー製品の生産に再構成できます。 マシンの柔軟性は商業保険の一種です。

生分解性部門では、最終製品の分類が明確に定義されています。フレキシブルフィルム合成物は、堆肥化可能なショッピングバッグ、ゴミ箱の内張り、マルチフィルム、および包装用フィルムに使用され、伸長性、引裂強度、および気泡安定性が受け入れの基準となります。剛性インジェクション合成物は、カトラリー、カップ、蓋、化粧品用キャップ、および密封材に使用され、切り欠き衝撃および脱模時間が受け入れの基準となります。シートおよび熱成形合成物は、クラムシェル、トレー、ブリスターパック、および蓋に使用され、溶融強度とたわみ抵抗が受け入れの基準となります。耐熱性核形成品は、ホットドリンクカップ、コーヒーカプセル、および食品サービス用品に使用され、熱拡張温度が合格・不合格の基準となります。

隣接する二つのセグメントは、バイオ分解性のコンパウンドメーカーを頻繁にサプライヤーとして選択します。農業では、土壌中で定められたスケジュールで分解するように設計されたマルチフィルムコンパウンドが使用されます。これにより、配合物の重点が最大の安定性ではなく、制御された水酸化に置かれます。三次元印刷フィラメントでは、一貫した直径と低い歪みを実現するためにPLAグレードが調整されており、これは融着流動性の一貫性とペレットの均一性に対して非常に厳しい仕様を求めます。これらの要素は、融着ポンプとよく制御されたペレタイザーによって提供されるものです。

17. 初期の生産週のトラブルシューティング

新しいPLAラインの最初の数週間は、予測可能な問題の集まりを生み出します。ほとんどすべての問題は、湿気、せん断熱、および給料装置の精度につながっています。それらをシステマティックに解決するには、まず測定を行い、次に一つの変数を変更することが重要です。以下の表は、経験豊富なプロセスエンジニアが従う診断手順に従って整理されています。

18. サービス、トレーニング、サポート

混合ラインは、その背後にあるサポートの質に左右されます。特に、初めてのPLAプロジェクトでは、購入者のチームが同時に新しい材料と新しい機械を学んでいるため、このことは特に重要です。 Kerkeのアプローチは、特に混合装置に適用されるWanplasグループのコミットメントを反映しています。

発送前に、機械は南京工場で組み立てられ、テストされます。お客様のご参加も歓迎しています。 これは、商品ラインよりもPLAラインに関しては重要です。スクリュー構成はレシピごとに異なるため、お客様自身の配合物を機械で実行して出荷することで、仮定を確認された結果に変えることができます。 Kerkeのオープンファクトリー方針は、購入者が工場内を視察し、試運転を観察し、独立したテストのためにペレットを持ち帰ることを可能にしています。

現場では、エンジニアがインストールと試運転を行い、フィーダ、真空システム、および下流装置の調整を行います。これらの要素が工場での試験と同じようにプロセスが動作するかどうかを決定します。運転者およびメンテナンスのトレーニングは、試運転と並行して行われ、スクリューの分解と組み立て、要素の識別、パージと停止の規則、フィーダの校正、トルク、溶融圧力、溶融温度の傾向の解釈などについてカバーする必要があります。PLAプラントにおける最も価値のあるトレーニングの成果は、運転者が温度プロファイルがなぜ下降するのか、そして停滞したバレルが品質上の問題である理由を理解していることです。

継続的なサポートは、グループの約束に基づいています。毎年、500米ドル分の無料部品を提供し、保証期間内に破損した部品を無料で交換します。また、輸送保証、生産能力保証、品質基準保証を実施しており、合意した基準を満たさない場合は、返金に加えて10％の補償を提供します。 リモートサポートでは、訪問間にわたって制御システムの診断とプロセスのトラブルシューティングを実施します。 PLAラインの部品戦略では、溶融ゾーンとサイドフィードゾーンのねじ部品、スクリーンパック、カッター刃、ダイプレートヒーター、真空システムシールなど、生産を停止させるよりも単に劣化させるだけの摩耗部品を優先すべきです。

19. 18ヶ月間のローンチロードマップ

生分解性PLA合成工場は、決定から認証された商業供給への移行をおよそ12～18ヶ月で実現できますが、その際には、配合設計作業と装置設計作業を並行して行う必要があります。最もよく見られるスケジュール上の失敗は、最初に装置を設置した後、目標の配合に必要なサイドフィーダーを購入していなかったことや、必要な反応ゾーンを持っていなかったことが発覚した場合です。

20. よくある質問

PLAの混合にはどのようなねじのL/D比が最適ですか？

A 44:1 から 48:1 の L/D は、リアクティブ PLA 混合にとって実用的な最適な値です。従来の 36:1 または 40:1 の構造よりも長い長さは、穏やかな導電性優勢の溶融部、溶融中に側方から充填剤を投入する余裕、鎖延長のための 20 から 35 秒の反応時間、そして 2 つの真空ベントを提供します。これらの機能を重ねて使用し、せん断熱を生成することなく。短い機械でも PLA を混合することは可能ですが、そのために妥協を迫られることになり、分子量の低下が生じます。

PLAは、混合する前にどれくらい乾燥させなければならないのですか？

一般的に250 ppm以下、そして反応性チェーンエクステンダーがレシピに含まれている場合は100 ppm以下にすることが重要です。これは、水が意図したエポキシ反応と直接競合するためです。典型的な乾燥は、露点がマイナス40℃の除湿乾燥機で60～80℃で4時間です。同様に重要なのは、乾燥機から給与口への経路を閉鎖することです。開放されたホッパー内では、乾燥したPLAは数分以内に周囲の湿気を再吸収します。これにより、乾燥ステップ全体が無声に破壊されます。

PLAとPBATを同じツインスクリュー押出機で混合することは可能ですか？

はい、ほとんどの生分解性コンパウンダーは、1台の機械で両方を処理します。30/70から70/30までのPLA/PBATブレンドは、同じKTE共回転プラットフォームで処理されます。それらの間で変わるのは、スクリューの構造と温度プロファイルです。PBATが豊富なフィルムグレードは、バレル全体で5～10℃低温で処理され、穏やかな練り込みシーケンスを使用しますが、PLAが豊富な剛性グレードでは、衝撃修飾剤と核化剤を分散させる作業が必要になります。

PLA では、なぜ降順の温度プロファイルが使用されているのですか?

なぜなら、目標は、ポリマーを早期に導電性により溶融させ、その後、できるだけ冷たくしてマシンから取り出すことだからです。最初のゾーンは、効率的に溶融させるために十分に高く設定されています。バレルの中盤以降、設定値は下がり、溶融物は圧力が高まるセクションと金型の前に熱を放出します。多くのオペレーターがポリオレフィン製品の作業から習慣的に行っているように、上昇型プロファイルを使用すると、溶融物は滞留時間が最も長い場所にある210℃の劣化しやすい限界に向かって動きます。

PLA化合物にどのペレタイジング方法が適しているのか？

中規模ラインではウォーターリングダイスフェイスカット、大規模ラインでは水中の顆粒化を採用します。どちらの方法でも水との接触は数秒にとどまり、直接遠心脱水機に送られます。従来のストランドペレタイジングは長い水浴槽を使用するため、熱いポリエステルが全体の槽に水分を吸収し、その後、二次乾燥工程が必要となります。空気冷却によるストランドカットは、サンプルが水にまったく接触しない必要がある実験室で有用ですが、PLAには最も劣る選択肢です。

最初のPLA混合ラインはどのようなスループットを目指すべきですか？

初期導入の場合、KTE-52Dクラスの機械で150～300kg/h、KTE-75Dで400～800kg/hの生産が可能です。下限の範囲では投資コストを中程度に抑え、製剤開発の試験を手頃な価格で行うことができます。上限の範囲は、既に顧客が確定している場合にのみ意味があります。使用率が低い大型ラインは、完全に稼働している小型ラインよりも経済的ではありません。どちらの場合も、KTE-16Bラボラトリー用エクストラーダと組み合わせることを強くお勧めします。

PLA合成物は実際にどの程度強化できるのでしょうか？

未改質のPLAは、ノッチされたCharpy衝撃で約2～3 kJ/m²です。8～15％の均一に分散したTPUまたはアクリルコアシェル衝撃改質剤を使用すると、商用の硬質グレードは通常、荷重と分散品質に応じて6～20 kJ/m²の範囲に達します。制限要因は通常、添加剤ではなく混合方法です。同じレシピを過剰に回転させたねじで混合すると、正しく混合したものの半分以下の衝撃値が得られます。

コンポスト可能な化合物にはどのような認証が必要ですか?

ヨーロッパではEN 13432、北米ではASTM D6400に基づいて、完成品の堆肥化性能が認定されています。そのため、コンパウンダーは製品自体の認定ではなく、お客様をサポートします。食品接触用途では、対象市場に応じてEU 10/2011、FDA 21 CFR、またはGB 4806が適用されます。工場自体は通常ISO 9001を取得しており、ヨーロッパ向けの装置はCE要件に準拠して製造されています。認定原料リストを最初に作成することで、これらすべてを実現できます。

KTEラインで製剤を変更するにはどのくらいの時間がかかりますか?

二つのグレード間の変更は、スクリュ構成を共有する場合のパージとフィーダーレシピの変更であり、通常は1時間以内です。スクリュ構造が異なる変更（例えば、PBATが豊富なフィルムグレードから40％充填の剛性グレードへの変更）は、計画されたメンテナンス作業です。KTEのスクリュエレメントは、良好な自己洗浄形状を備え、互換性があります。そのため、再構築は数日ではなく数時間で完了します。そのため、ドキュメント化されたスクリュライブラリを持つ工場では、グレードを変更するのに数日を要する工場よりもはるかに早く変更できます。

同じエクストラーダを後で他の化合物に使用することはできますか？

はい、その柔軟性は計画に組み込む価値があります。KTEの共回転プラットフォームは、マスターバッチ生産、エンジニアリングプラスチック混合、ケーブル混合物、熱可塑性エラストマー、木材プラスチック複合材料、およびR-PETフレークリサイクルに使用されています。PLA用に手広くL/D、2つのサイドフィーダ、2つの真空ベントを備えたマシンは、これらのほとんどの用途に対して過剰に仕様されており、生分解性の注文が変動するときに他のキャンペーンを実行するオプションを工場に残しています。

21. 結論

生分解性PLA複合材料工場の立ち上げは、早期に下された少数の決断によって成功するか失敗する。 成形プラットフォームは、マシンがどのくらいのフィーダーとベントを必要とするかを決定します。 この材料の狭い170～200℃の温度範囲と水分分解の敏感性により、乾燥は独自の品質記録を伴う工程であり、スクリューは狭い練りディスクと最小限の逆転要素で構築する必要があり、ペレタイジングでは水との接触を秒単位で制限する必要があります。 認証制度では、承認された原材料リストは最初の商業生産前に存在するものであり、その後に存在するものではないと定められています。 その他のすべて — 設備、レイアウト、人員配置、梱包 — はこれらから導かれます。

その中心にある機械は、仕事に適応するのではなく、仕事のために指定されるべきです。PLA構成の共同回転式ツインスクリュー押出機は、Do/Diが1.55から1.75、L/Dが44:1以上、8から12の独立制御されたバレルゾーン、マイナス0.08からマイナス0.095MPaの2つの真空排気口、溶融物への側方供給、8から11N・m/cm³の範囲の特定トルク、そして新しい製剤のために数時間で再構築できるスクリューライブラリを備えています。Kerkeは、12年間の配合専門化、19,997平方メートルの工場、70カ国以上で稼働中の2,000台以上の機械、そして1つの製品ファミリーを中心に組織されたチームを持つWanplasの工場で、KTE-16Bラボラトリ押出機からKTE-135D生産機まで、まさにその基準に基づいてKTEシリーズを製造しています。出荷前の試験、現地での設置と試運転、オペレータトレーニング、リモートサポート、毎年500米ドルの無料部品、およびオープン工場ポリシーによりサポートされています。

PLA複合材料プロジェクトが話題になっている場合、最も有効な次のステップは、実際の数値を紙に記入することです。生産されるグレード、目標生産量、充填材の量、ペレット化の好み、そして最終製品が満たすべき認証制度などを明記します。これらのパラメーターを送信すると、Kerkeのエンジニアリングチームがマッチした構成を返します。マシンのサイズ、L/D、スクリュー配置、フィーダアーキテクチャ、および下流選択などを指定し、結果を確認するために、ラボや試験用エクストラーダで製剤を実行できます。サンプル試験、パイロットライン実験、工場訪問などは、真剣なプロジェクトには全て開放されています。招待状は出されています。