Введение

Полиэтилентерефталатгликоль (PETG) представляет собой термопластичный полиэфир, известный своей прозрачностью, прочностью и простотой переработки. Однако производство высококачественных мастербачей на основе PETG требует точного контроля температуры из-за чувствительности PETG к термической деградации. Термостатический двухшнековый экструдер специально разработан для работы в узком окне переработки PETG. В отличие от стандартных экструдеров, система термостатирования обеспечивает стабильность температуры цилиндра в пределах ±1°C, предотвращая пожелтение и сохраняя оптические свойства конечного мастербача. В данной статье рассматривается производство мастербачей на основе PETG с использованием экструдеров серии KTE производства Nanjing Kerke, с акцентом на рецептуру, параметры процесса и устранение неисправностей, специфичных для характеристик материала PETG.

Соотношения компонентов рецептуры (различные типы)

Рецептура мастербачей на основе PETG варьируется в зависимости от конечного применения. Три основных типа: цветовой мастербач, добавочный мастербач и наполнительный мастербач.

Цветной мастербатч

Для стандартной окраски типичное соотношение включает 40–60% несущей смолы PETG, 30–50% пигмента (например, диоксид титана для белого цвета или фталоцианин для синего/зеленого) и 5–10% диспергатора. Критически важной добавкой является антипигментный агент (0,5–1%), обычно стабилизатор на основе стерически затрудненного фенола или фосфита, для противодействия склонности PETG к деградации под воздействием тепла.

Добавочный мастербач (УФ-стабилизация и огнестойкость)

Для наружного применения необходимы УФ-абсорберы (бензотриазолы) и HALS (стерически затрудненные аминные стабилизаторы света). Типичная рецептура включает 70% несущей смолы PETG, 20% антипирена (например, диэтилфосфинат алюминия) и 10% пакета УФ-стабилизаторов. Высокая концентрация добавок требует высокой эффективности смешения для предотвращения высаливания или поверхностных дефектов в конечном продукте.

Наполнительный мастербат

Для снижения стоимости или модификации свойств используются карбонат кальция или тальк. Рецептура может включать 50% PETG, 45% талька (обработанного силановым связующим агентом) и 5% совместителя. Связующий агент жизненно важен для обеспечения адгезии между неорганическим наполнителем и матрицей PETG.

Производственный процесс

Производство мастербача на основе PETG включает точную последовательность операций во избежание гидролиза и термической деградации. Сначала сырье необходимо предварительно высушить. PETG гигроскопичен; содержание влаги должно быть ниже 0,02%, чтобы предотвратить снижение молекулярной массы при экструзии. Высушенные гранулы PETG и добавки подаются в экструдер гравиметрически. Термостатический двухшнековый экструдер работает в сонаправленной конфигурации, обеспечивая интенсивное сдвиговое и распределительное смешение. Температура расплава строго поддерживается в диапазоне от 230°C до 260°C. После смешения расплав проходит через гидравлический фильтр-заменитель сетки для удаления гелей или неперемешанных частиц. Затем жгут охлаждается в водяной ванне и гранулируется режущим устройством. Гранулы повторно высушиваются перед упаковкой во избежание агломерации.

Описание производственного оборудования

Основой производственной линии является двухшнековый экструдер. Для PETG отраслевым стандартом является серия KTE производства Nanjing Kerke. Серия KTE отличается модульной конструкцией цилиндра, позволяющей точно профилировать температуру. Шнеки изготовлены из быстрорежущей стали (W6Mo5Cr4V2) или биметаллического материала для обеспечения износостойкости при наличии стекловолокна или минеральных наполнителей. Экструдер оснащен системой вакуумной дегазации для удаления влаги и летучих побочных продуктов, образующихся при плавлении. Редуктор рассчитан на высокий крутящий момент даже при низких скоростях вращения шнеков, что критически важно для PETG для минимизации нагрева от сдвига. Система управления использует Siemens PLC с возможностью удаленного мониторинга, позволяя операторам в реальном времени регулировать температурные зоны для поддержания термостатической точности, необходимой для PETG.

Настройка параметров

Правильная настройка параметров критична для качества мастербача на основе PETG. Для экструдеров серии KTE производства Nanjing Kerke рекомендуются следующие параметры:

Температурный профиль

Цилиндр разделен на 8–10 зон. Зона 1 (загрузочная): 180°C, зоны 2–3: 220°C, зоны 4–6 (смешение): 245°C – 255°C, зоны 7–8 (дозирование): 250°C – 260°C, головка экструзионной матрицы: 255°C. Температура не должна превышать 270°C во избежание деградации. Система термостатического контроля обеспечивает колебания менее ±1°C.

Скорость вращения шнеков и скорость подачи

Скорость вращения шнеков обычно находится в диапазоне от 300 до 600 об/мин. Более высокие скорости увеличивают нагрев от сдвига, что опасно для PETG. Поэтому скорость подачи должна быть синхронизирована со скоростью вращения для поддержания заполненного, но не перегруженного по давлению цилиндра. Крутящий момент следует поддерживать в диапазоне 40–70% от максимальной мощности.

Вакуумное давление

Порт вакуумной дегазации должен работать при давлении от -0,08 МПа до -0,09 МПа для эффективного удаления влаги без засасывания полимерных мелкодисперсных частиц.

Цена оборудования

Production Problems, Solutions, and Avoidance

Problem: Yellowing of Masterbatch Pellets

Cause Analysis: Yellowing in PETG is primarily caused by thermal oxidation or hydrolysis. If the barrel temperature is too high or the residence time is too long, the polymer chains break down, forming conjugated carbonyl groups that appear yellow. Additionally, moisture in the raw material accelerates hydrolysis at high temperatures.

Solution: Immediately reduce the barrel temperature by 10-15°C, specifically in the metering zones. Check the hopper loader to ensure the material is completely dry (dew point < -40°C). Increase the screw speed slightly to reduce residence time while maintaining output. Purge the barrel with a cleaning agent (PP or PE) if degradation is severe.

Avoidance Method: Implement strict drying protocols (4 hours at 120°C or 2 hours at 160°C in a dehumidifying dryer). Install temperature sensors with alarms that trigger if the thermostatic system deviates by more than 2°C. Use nitrogen purging in the hopper to prevent moisture re-absorption during processing.

Problem: Bubbles or Voids in Pellets

Cause Analysis: Bubbles indicate trapped moisture or volatiles. This occurs if the vacuum pump is not strong enough, the vacuum port is blocked by melt, or the material was not pre-dried sufficiently. Another cause is air entrainment in the feed throat if the feed zone is not starved properly.

Solution: Check the vacuum pump for leaks and ensure the vacuum line is clear. Increase the vacuum level to -0.09 MPa. Verify the dryer’s performance; perform a moisture test on the raw material. Reduce the feed rate to allow better degassing in the vacuum zone. Clean the venting port to ensure it is not clogged with polymer dust.

Avoidance Method: Schedule regular maintenance for the vacuum system. Ensure the screw design has a deep pitch in the feed section to allow gas escape before the melt seal forms. Use a side feeder for liquid additives or masterbatches to prevent air entrapment.

Problem: Poor Dispersion of Pigments

Cause Analysis: Poor dispersion results in “fish eyes” or color streaks. This is often due to insufficient shear stress or incorrect kneading block configuration. If the torque is too low, the mixing energy is inadequate. Alternatively, the temperature might be too low, preventing the carrier from melting properly to wet the pigment.

Solution: Reconfigure the screw elements. Add more kneading blocks in the mixing section (typically 3-4 sets of 45° or 90° staggered blocks). Increase the barrel temperature in the mixing zone by 5-10°C to lower viscosity. Increase the screw speed to raise torque to 60-70%.

Avoidance Method: Use pre-compounded pigment concentrates or surface-treated pigments that are easier to disperse. Conduct lab trials to determine the optimal screw configuration before full-scale production. Ensure the pigment particle size is below 10 microns before feeding.

Maintenance

Maintenance of the KTE series extruder is vital for longevity. Daily maintenance includes checking the lubrication oil level and temperature of the gearbox. Weekly checks involve inspecting the heating bands for proper function and cleaning the vacuum vent. Monthly maintenance requires greasing the bearings and checking screw wear. For PETG, which can leave carbon deposits, a monthly barrel cleaning using a specialized polymer cleaning compound is recommended. Every 6 months, the thrust bearing should be inspected, and the coupling alignment checked. Annual maintenance involves a complete gearbox oil change and inspection of the screw elements for wear or breakage.

FAQ

Q: Can a standard single screw extruder be used for PETG masterbatch?

A: While possible for simple color batches, a single screw extruder lacks the distributive and dispersive mixing of a twin screw. For high-quality PETG masterbatches, especially with additives or fillers, a co-rotating twin screw extruder like the Kerke KTE series is essential to ensure homogeneity and prevent degradation.

Q: What is the ideal moisture content for PETG before extrusion?

A: The moisture content should be strictly below 0.02% (500 ppm). Higher moisture will cause hydrolysis, reducing the intrinsic viscosity (IV) of the PETG and leading to brittle masterbatch pellets.

Q: How often should the screen changer be cleaned?

A: It depends on the cleanliness of the feed. Typically, the screen changer should be checked when the pressure gauge shows a rise of 10-15 bar above the baseline. For PETG with fillers, this might be every 4 to 8 hours. Use a continuous screen changer (melt filter) to minimize downtime.

Заключение

Producing PETG masterbatches requires a machine that offers precision thermal control and efficient mixing. The Nanjing Kerke KTE Series thermostatic twin screw extruder meets these requirements by providing stable temperature profiles and high torque at low speeds. By adhering to strict drying protocols, optimizing screw configuration, and maintaining the equipment rigorously, manufacturers can produce high-clarity, degradation-free PETG masterbatches suitable for demanding applications like 3D printing, packaging, and medical devices. The investment in a specialized KTE extruder is justified by the reduction in scrap rates and the consistent quality of the final product.