Introdução

O polibutileno succinato (PBS) surgiu como um polímero biodegradável promissor, com significativo potencial de crescimento no mercado global. De acordo com um relatório da Grand View Research, o mercado de PBS está projetado para crescer a uma taxa anual composta de17.2%de 2023 a 2030, impulsionado pela crescente demanda por materiais de embalagem sustentáveis e produtos descartáveis.

Como um termoplástico totalmente biodegradável e compostável, o PBS oferece excelentes propriedades mecânicas, resistência ao calor e processabilidade, o que o torna adequado para uma ampla variedade de aplicações. No entanto, como outros polímeros biodegradáveis, o PBS requer processamento especializado para obter um desempenho óptimo. A produção de masterbatch desempenha um papel crítico no aprimoramento das propriedades do PBS e na sua utilização em diversas aplicações.

O extrusor de dois parafusos tornou-se o equipamento preferido para a produção de masterbatch de PBS, devido às suas excelentes capacidades de mistura, controle preciso da temperatura e capacidade de lidar com as características únicas de processamento deste polímero biodegradável. Este guia abrangente fornece informações detalhadas sobre todos os aspectos da produção de masterbatch de PBS utilizando extrusores de dois parafusos, incluindo o projeto da formulação, os processos de produção, a seleção de equipamento, a otimização de parâmetros, a resolução de problemas e as melhores práticas de manutenção.

Relações de formulação

A proporção de formulação é um fator crítico para determinar o desempenho e a rentabilidade dos misturas pré-embaladas (PBS). A proporção ideal depende do tipo de aditivo, das propriedades desejadas e da aplicação prevista. Aqui estão os tipos de formulação mais comuns e suas proporções típicas:

Masterbatches de cor

Os masterbatches coloridos são utilizados para conferir uma cor uniforme aos produtos PBS, sem a necessidade de dispersão de pigmentos no local. As formulações típicas incluem:

Masterbatch de cor de alta concentração: 30-50% de pigmento + 50-70% de resina transportadora de PBS

Masterbatch de cor padrão: 20-30% de pigmento + 70-80% de resina transportadora PBS

Masterbatch de cor de baixa concentração: 10-20% de pigmento + 80-90% de resina transportadora PBS

Os pigmentos orgânicos geralmente exigem concentrações mais baixas (10-20%) devido à sua maior força de tingimento, enquanto os pigmentos inorgânicos podem necessitar de 30-50% para uma cobertura óptima. A escolha da proporção depende de fatores como o tipo de pigmento, a intensidade de cor desejada e considerações de custo.

Masterbatches aditivos

Os masterbatches aditivos incorporam aditivos funcionais para melhorar propriedades específicas do PBS. As formulações comuns incluem:

Masterbatch estabilizador UV: 5-15% estabilizador UV + 85-95% resina portadora de PBS

Masterbatch antioxidante: mistura de 10-20% de antioxidantes + resina transportadora de 80-90% de PBS

Masterbatch de agente nucleante: 5-10% de agente nucleante + 90-95% de resina portadora de PBS

Masterbatch retardante de chamas: 20-40% retardante de chama + 60-80% resina portadora de PBS

Masterbatch de auxílio à processamento: 8-18% de aditivo de processamento + 82-92% de resina portadora de PBS

These ratios are carefully balanced to ensure effective dispersion while maintaining the masterbatch’s processability and compatibility with PBS.

Masterbatches recheadas

As misturas preenchidas incorporam enchimentos inorgânicos para melhorar as propriedades mecânicas, reduzir os custos ou melhorar características específicas:

Masterbatch preenchido com carbonato de cálcio: 40-60% CaCO3 + 40-60% PBS resina portadora

Masterbatch preenchido com talco: 30-50% talco + 50-70% resina portadora PBS

Masterbatch preenchido com giz: 35-55% giz + 45-65% resina portadora PBS

Concentrações de preenchimento mais elevadas exigem mistura mais agressiva e podem necessitar do uso de configurações de parafusos especializadas para garantir a dispersão uniforme na matriz PBS.

Masterbatches especiais

Para aplicações avançadas, as formulações personalizadas podem incluir vários componentes para alcançar objetivos específicos de desempenho:

Masterbatch acelerador de biodegradabilidade: 10-20% agente de biodegradabilidade + 80-90% resina portadora PBS

Masterbatch antimicrobiano: 5-10% agente antimicrobiano + 90-95% resina portadora PBS

Masterbatch de barreira à oxigênio: 15-25% aditivo de barreira + 75-85% resina portadora PBS

Masterbatch antiderrapante: 8-18% agente antiderrapante + 82-92% resina portadora PBS

Processo de Produção

A produção de masterbatch de PBS utilizando extrusores de dois eixos envolve várias etapas interligadas, cada uma exigindo um controle preciso para garantir qualidade e desempenho consistentes:

1. Preparação da Matéria-Prima

A preparação adequada da matéria-prima é essencial para evitar problemas de processamento e garantir a dispersão uniforme dos aditivos. Esta etapa inclui:

Secagem: O PBS é higroscópico e deve ser secado até um teor de umidade inferior a 0,05% antes do processamento. Isto geralmente envolve o uso de um secador desumidificador a 70-80°C durante 4-6 horas.

Pesagem: Todos os componentes devem ser pesados com precisão de acordo com a proporção da formulação. Sistemas de pesagem automáticos com células de carga de precisão são recomendados para garantir a consistência de lote para lote.

Pre-mistura: Para formulações com vários componentes, um misturador de alta velocidade pode ser utilizado para criar uma mistura homogênea antes de ser alimentada para o extrusor. Isto ajuda a melhorar a dispersão inicial e reduz o risco de segregação dos aditivos.

2. Sistema de Alimentação

O sistema de alimentação deve fornecer um fluxo de material consistente e controlado para o extrusor, garantindo uma mistura e processamento uniformes. As opções incluem:

Alimentadores volumétricos: Adequados para aplicações de baixa precisão em que a consistência de lote é menos crítica.

Alimentadores de perda de peso: Fornecem controle preciso da taxa de fluxo de material, com precisão geralmente dentro de ±0,5%. Esta é a opção preferida para a produção de masterbatch de alta qualidade.

Alimentadores laterais: Utilizados para adicionar preenchimentos ou aditivos que podem ser difíceis de alimentar através da bandeja principal, ou para introduzir materiais sensíveis ao calor mais tarde no processo, para minimizar a degradação.

3. Processo de extrusão

: O extrusor de dois parafusos desempenha as funções críticas de fundir, misturar e homogeneizar o material. O processo pode ser dividido em várias zonas:

: A zona de alimentação: O material é introduzido no extrusor e transportado para a frente pelos parafusos rotativos.

Zona de compressão: A profundidade do canal do parafuso diminui, aumentando a pressão e iniciando o processo de fundição.

Zona de fundição: O calor dos aquecedores do cilindro e o corte mecânico dos parafusos fundem completamente o polímero.

Zona de mistura: Elementos de parafuso especializados (como blocos de amassamento ou discos de mistura) criam altas forças de corte para dispersar os aditivos uniformemente pela matriz do polímero.

Zona de desgasificação: Uma porta de vácuo remove gases voláteis, umidade ou subprodutos da mistura.

Zona de dosagem: A geometria do parafuso garante pressão e taxa de fluxo constantes na matriz.

4. Pelletização

Após sair da matriz do extrusor, o polímero fundido é transformado em pellets por meio de um dos vários métodos:

Pelletização de areia: O polímero fundido é extrudido através de uma placa de matriz para formar fios, que são resfriados em um banho de água, secos e cortados em pellets. Este é o método mais comum para a produção de masterbatch de PBS.

Pelletização subaquática: O polímero fundido é cortado em pellets imediatamente após sair do moldo, e os pellets são resfriados e solidificados em uma câmara cheia de água. Este método oferece resfriamento mais rápido e redução da quebra das fibras.

Pelletização de faces quentes: O polímero fundido é cortado em pellets acima do ponto de fusão, e os pellets são resfriados por ar ou pulverização de água. Este método é menos comum para o PBS devido ao seu baixo ponto de fusão e tendência a grudar.

5. Pós-processamento

A etapa final da produção inclui:

Triagem: Os pellets são passados por peneiras vibratórias para remover partículas de tamanho excessivo ou inadequado.

Embalagem: Os pellets são embalados em sacos ou recipientes resistentes à umidade para evitar a reabsorção da mesma.

Controlo de qualidade: As amostras são testadas em relação a propriedades como o índice de fluxo de fusão (MFI), a consistência de cor e a dispersão dos aditivos.

Introdução ao equipamento de produção

Extrusor de parafusos gêmeos

O extrusor de dois parafusos é o equipamento principal na produção de masterbatch PBS. Para esta aplicação, o extrusor de dois parafusos da série KTE da Nanjing Kerke Extrusion Equipment Co., Ltd. é a escolha preferencial devido ao seu design avançado e ao seu desempenho comprovado com polímeros biodegradáveis.

As principais características da série KTE incluem:

Design interconectado de rotação conjunta: Oferece uma excelente eficiência de mistura e ação de auto-limpeza, evitando a acumulação de material e garantindo uma distribuição uniforme da temperatura.

Design modular de parafusos: Permite alterações de configuração simples para otimizar o processamento para diferentes formulações.

Controle preciso da temperatura: Várias zonas de aquecimento/refrigeração com controladores PID mantêm tolerâncias de temperatura estreitas, essenciais para o processamento de PBS.

Transmissão de alto torque: Lida com a alta viscosidade de formulações de PBS preenchidas ou reforçadas sem bloquear.

Opção de baixo corte: Pode ser configurado com elementos de parafuso baixo para minimizar a degradação do polímero durante o processamento.

Equipamento auxiliar

Além do extrusor de dois parafusos, são necessários vários sistemas auxiliares para uma linha de produção completa de masterbatch:

Sistema de secagem: Secadores desumidificadores com carregadores de tanque integrados garantem um controle de umidade consistente.

Sistema de alimentação: Alimentadores de perda de peso para medição precisa de materiais.

Sistema de pelotização: Granulador de areia ou subaquático com banho de água integrado e sistema de secagem.

Sistema de vácuo: Para desgasificar compostos voláteis durante a extrusão.

Sistema de controle: Sistema de controle baseado em PLC com interface HMI para operação fácil e registo de dados.

Configurações de parâmetros

A configuração adequada dos parâmetros é crucial para obter resultados optimos na produção de misturas PBS usando extrusores de dois parafusos. Aqui estão os principais parâmetros e suas faixas típicas:

Perfil de temperatura

O PBS tem um ponto de fusão relativamente baixo (110-130°C) e é sensível à degradação térmica. Um perfil de temperatura típico para a produção de mistura mestre de PBS é o seguinte:

: A zona de alimentação: 100-110°C

Zona de compressão: 110-120°C

Zona de fundição: 120-130°C

Zona de mistura: 125-135°C

Zona de desgasificação: 120-130°C

Zona de dosagem: 115-125°C

Morrer: 110-120°C

O perfil de temperatura deve ser ajustado com base em fatores como o peso molecular do PBS, o tipo de aditivo e a taxa de fluxo de fusão desejada.

Velocidade da rosca

A velocidade da rosca afecta tanto a qualidade da mistura como a taxa de produção. Os intervalos típicos paraMasterbatch PBSA produção é:

Velocidade baixa (80-180 rpm): Para formulações de alta viscosidade ou aplicações que exigem a máxima intensidade de mistura.

Velocidade média (180-280 rpm): Equilíbrios que combinam qualidade e taxa de produção para a maioria das aplicações.

Velocidade elevada (280-380 rpm): Para produção de alta produtividade de formulações simples com boas propriedades de fluxo.

Velocidade de alimentação

A velocidade de alimentação deve ser ajustada à velocidade do parafuso e à capacidade do extrusor para garantir uma fusão e mistura consistentes. As velocidades de alimentação típicas para a produção de masterbatches PBS variam de 40 a 400 kg/h, dependendo do tamanho do extrusor e da complexidade da formulação.

Nível de vácuo

Um nível de vácuo de 0,06-0,09 MPa é tipicamente utilizado na zona de desgasificação para remover a umidade, compostos voláteis e subprodutos da mistura fundida. Isso ajuda a evitar a formação de bolhas nos pellets finais e melhora a qualidade do produto.

Pressão de fusão

A pressão de fusão deve ser monitorizada de perto para garantir um fluxo constante da matriz e prevenir danos ao equipamento. Os intervalos típicos de pressão de fusão para a produção de masterbatch PBS são de 40 a 120 bar.

Preços de equipamentos

O custo de um sistema de extrusora de dois parafusos para a produção de masterbatch PBS varia dependendo de fatores como capacidade, configuração e nível de automação. Aqui estão intervalos de preços típicos em dólares americanos:

Linha de produção básica (capacidade de 40-80 kg/h)

Extrusora dupla de parafuso da série KTE: US$ 75.000 a US$ 110.000

Equipamentos auxiliares (secador, alimentador, granulador): US$ 25.000 a US$ 45.000

Custo total do sistema: US$ 100.000 a US$ 155.000

Linha de produção de médio porte (capacidade de 80 a 250 kg/h)

Extrusora dupla de parafuso da série KTE: US$ 130.000 a US$ 220.000

Equipamentos auxiliares: US$ 45.000 a US$ 70.000

Custo total do sistema: US$ 175.000 a US$ 290.000

Linha de produção de alta capacidade (capacidade de 250 a 400 kg/h)

Extrusora dupla de parafuso da série KTE: US$ 220.000 a US$ 350.000

Equipamentos auxiliares: US$ 70.000 a US$ 100.000

Custo total do sistema: US$ 290.000 a US$ 450.000

Linha de produção totalmente automatizada

Extrusora dupla de parafuso da série KTE com sistema de controle integrado: US$ 350.000 a US$ 550.000

Pacote completo de equipamentos auxiliares: US$ 100.000 a US$ 180.000

Custo total do sistema: US$ 450.000 a US$ 730.000

Estes preços incluem instalação, treinamento e garantia de 12 meses. Configurações personalizadas ou equipamentos especializados podem custar mais.

Problemas potenciais de produção e soluções

Apesar de um planejamento cuidadoso, problemas de produção ainda podem ocorrer na produção de masterbatch de PBS usando extrusoras de dois parafusos. Aqui estão os problemas mais comuns, suas causas e soluções recomendadas:

Problema: Dispersão inadequada do aditivo

Análise da causa:

Uma dispersão inadequada do aditivo pode resultar de:

Intensidade de mistura inadequada

Configuração inadequada dos parafusos

Estratégia de alimentação incorreta

Diferença elevada de viscosidade entre o aditivo e a resina portadora

Soluções:

Aumentar a velocidade dos parafusos para melhorar a mistura

Usar elementos de mistura mais agressivos (por exemplo, blocos de amassamento com espaçamento de disco estreito)

Adicionar um alimentador lateral para aditivos difíceis de dispersar

Usar uma etapa de pré-mistura para melhorar a dispersão inicial

Ajustar a proporção da formulação para reduzir a diferença de viscosidade

Prevenção:

Selecione configurações de parafusos adequadas para a formulação

Use alimentadores de perda de peso para uma metragem precisa de aditivos

Teste novas formulações em escala piloto antes da produção completa

Problema: Degradação do polímero

Análise da causa:

A degradação do polímero pode ocorrer devido a:

Temperaturas excessivas do tanque

Velocidades de corte elevadas devido a configurações agressivas de parafusos

Tempo de permanência longo na extrusora

Secagem inadequada das matérias-primas

Presença de contaminantes na matéria-prima

Soluções:

Reduza as temperaturas do tanque em 5 a 10 °C

Use elementos de parafusos menos agressivos (por exemplo, substitua blocos de amassamento por elementos de transporte)

Aumente a velocidade do parafuso para reduzir o tempo de permanência

Melhore o processo de secagem para garantir o teor de umidade <0.05%

Implemente medidas rigorosas de controle de qualidade para remover contaminantes

Prevenção:

Supervisione de perto as temperaturas do tanque durante a produção

Utilize configurações de parafusos otimizadas para o processamento de PBS

Estabelecer procedimentos operacionais padrão para secagem e processamento

Inspecionar regularmente as matérias-primas em busca de contaminantes

Problema: Problemas de qualidade dos pellets

Análise da causa:

Os problemas comuns de qualidade dos pellets incluem:

Enfadamento: Polímero fundido que se adere entre os fios após sair da matriz

Tamanho de pellets irregular: Variação na comprimento ou no diâmetro dos pellets

Bubbles nos pellets: Presença de ar preso ou de gases voláteis

Contaminação: Partículas estranhas no produto final

Soluções:

Enfadamento: Reduzir a temperatura da matriz ou aumentar a temperatura do banho de água

Tamanho de pellets irregular: Ajustar a velocidade da lâmina do pelletizador ou afiar as lâminas

Bubbles: Aumentar o nível de vácuo na zona de degaseificação ou melhorar o processo de secagem

Contaminação: Implementar rigorosas medidas de limpeza e utilizar sistemas de ar filtrado

Prevenção:

Manter regularmente as lâminas do pelletizador e a placa da matriz

Monitorar atentamente o nível de vácuo e o processo de secagem

Implementar verificações de controle de qualidade em cada etapa da produção

Armazenar as matérias-primas em condições limpas e secas

Problema: Baixa taxa de produção

Análise da causa:

Uma baixa taxa de produção pode resultar de:

Torque inadequado do parafuso para a formulação

Rendimento deficiente do sistema de alimentação

Pressão excessiva de retorno da matriz

Transfer de calor ineficiente no tanque

Soluções:

Utilize uma extrusora de torque mais alto para formulações de alta viscosidade

Atualize para alimentadores que minimizam o desperdício de material para um melhor controle do fluxo

Otimize o design para reduzir a pressão de retorno

Limpe os aquecedores do tanque e verifique se há uma boa isolamento

Prevenção:

Selecionar o tamanho do extrusor adequado às necessidades de produção

Mantenha o sistema de alimentação regularmente para garantir um desempenho consistente

Use desenhos otimizados para a formulação específica

Manutenção e cuidados

Uma manutenção adequada é essencial para garantir uma longa vida útil do equipamento, desempenho consistente e operação segura. Aqui estão as principais práticas de manutenção para extrusores de dois parafusos utilizados na produção de masterbatches PBS:

Manutenção diária

Limpar o cilindro e os parafusos: Após cada ciclo de produção, purgue o extrusor com um composto de limpeza ou PBS virgem para remover o material residual.

Verificar os sensores de temperatura: Verifique se todos os sensores de temperatura estão funcionando corretamente.

Inspecione o sistema de alimentação: verifique se não há acumulação de material ou bloqueios na câmara de alimentação e no canal de alimentação.

Sistema de monitorização da lubrificação: Verifique os níveis de óleo e assegure a adequada lubrificação das peças móveis.

Manutenção semanal

Inspecione o sistema de acionamento: verifique se há sons ou vibrações incomuns na caixa de velocidades e no motor.

Filtros limpos: limpe ou substitua os filtros de ar no secador e no sistema de aspiração.

Verificar a alinhamento: Verifique se todos os componentes da máquina estão devidamente alinhados.

Teste os bloqueadores de segurança: Verifique se todas as características de segurança estão funcionando corretamente.

Manutenção mensal

Calibrar sensores: Calibre os sensores de temperatura, pressão e fluxo para garantir leituras precisas.

Inspecione os elementos de parafuso: verifique se há desgaste ou danos nos elementos de parafuso e substitua-os se necessário.

Sistema de refrigeração limpo: Encha e limpe o sistema de refrigeração para remover a acumulação de calcário.

Verifique as conexões elétricas: Ajuste todas as conexões elétricas e verifique se há sinais de sobreaquecimento.

Manutenção anual

Inspeção completa do sistema: Realize uma inspeção abrangente de todos os componentes da máquina.

Troque peças desgastadas: Troque componentes desgastados, como selos, rolamentos e correias de transmissão.

Realize testes de desempenho: Execute testes de produção para verificar o desempenho da máquina e fazer ajustes conforme necessário.

Atualize o software: Instale quaisquer atualizações de software disponíveis para o sistema de controle.

FAQ

P: Qual é o teor de umidade recomendado para o PBS antes do processamento?

R: O PBS deve ser secado até um teor de umidade inferior a 0,05% para evitar a hidrólise e a degradação durante o processamento. Isso geralmente requer secagem a 70-80°C por 4-6 horas usando um secador desumidificador.

P: Posso usar a mesma configuração de parafusos para todas as formulações de masterbatch de PBS?

R: Embora uma configuração de parafusos de uso geral possa funcionar para muitas formulações, os resultados ótimos são obtidos usando configurações de parafusos adaptadas a tipos específicos de formulação. Por exemplo, formulações encheras podem exigir elementos de mistura mais agressivos do que masterbatches de cor.

P: Com que frequência devo substituir os elementos de parafusos?

R: A vida útil dos elementos de parafusos depende de fatores como o tipo de formulação, o volume de produção e as práticas de manutenção. Para formulações abrasivas (por exemplo, preenchidas com carbonato de cálcio), os elementos de parafusos podem precisar ser substituídos a cada 6-12 meses. Para formulações não abrasivas, podem durar 2-3 anos ou mais.

P: Qual é a melhor maneira de limpar o extrusor entre as mudanças de cor?

R: O método de limpeza mais eficaz depende da gravidade da mudança de cor. Para mudanças de cor menores, a purga com PBS virgem pode ser suficiente. Para mudanças de cor mais significativas ou quando se troca entre cores claras e escuras, é recomendado um composto de limpeza comercial.

P: Como posso reduzir a degradação do PBS durante o processamento?

R: Para reduzir a degradação do PBS:

Garanta uma secagem adequada para minimizar o teor de umidade

Utilize um perfil de temperatura suave, com o mínimo de sobreaquecimento

Reduza a tensão de cisalhamento utilizando configurações de parafusos menos agressivas

Adicione antioxidantes à formulação para melhorar a estabilidade térmica

Minimize o tempo de permanência na extrusora, otimizando a velocidade do parafuso e a taxa de alimentação

Conclusão

A produção de masterbatch PBS utilizando extrusores de dois parafusos é um processo complexo que requer atenção cuidadosa à formulação, à seleção de equipamentos, aos parâmetros de processamento e à manutenção. Seguindo as orientações descritas neste guia abrangente, os fabricantes podem obter resultados consistentes e de alta qualidade, ao mesmo tempo que maximizam a eficiência de produção e minimizam o tempo de inatividade.

O extrusor de parafusas gêmeas da série KTE da Nanjing Kerke Extrusion Equipment Co., Ltd. oferece a combinação ideal de desempenho, flexibilidade e confiabilidade para esta aplicação exigente. Com a configuração e operação adequadas, este equipamento pode ajudar os fabricantes a aproveitar todo o potencial do PBS como uma alternativa sustentável aos plásticos convencionais.

À medida que a demanda por materiais biodegradáveis continua a crescer, dominar a arte da produção de masterbatch de PBS será cada vez mais importante para as empresas que desejam manter a competitividade no setor em evolução da indústria plástica. Investindo no equipamento adequado, treinando o pessoal e implementando as melhores práticas, os fabricantes podem se posicionar para obter sucesso a longo prazo neste mercado emocionante.