Low cost recycled plastic modification formula for twin screw devolatilization extruder

Разработка дешевой рецептуры модификации вторичного пластика для двухшнекового экструдера с дегазацией — это не упражнение в покупке более дешевых добавок. Это упражнение по удалению невидимых загрязнителей, из-за которых вторичная смола ведет себя непредсказуемо, а затем по расходованию минимально возможного бюджета на добавки для возвращения механических свойств в приемлемый диапазон. Компаундеры, которые меняют этот порядок местами — дозируют ударопрочный модификатор, совместитель и поглотитель запаха во влажный поток вторичного гранулята, насыщенный летучими веществами, — неизменно платят больше за каждый принятый килограмм и все равно теряют клиентов из-за жалоб на запах и черные точки.

Вторичные полиолефины и полиэфиры попадают в бункер с четырьмя недостатками, которых нет у первичной смолы: расширенное и смещенное молекулярно-массовое распределение вследствие предыдущих тепловых воздействий, поглощенная влага, низкомолекулярные продукты деградации, несущие запах, а также остатки печатных красок, клеев и ароматизаторов от первого жизненного цикла изделия. Каждый из этих недостатков дешевле устранить с помощью оборудования для дегазации и геометрии шнека, чем с помощью химии. Это центральный инженерный аргумент данного руководства, и именно поэтому раздел дегазации линии двухшнекового компаундирования заслуживает такого же внимания при проектировании, как и раздел смешения.

Компания Kerke Extrusion Equipment, завод Wanplas, более двенадцати лет проектирует параллельные соосно-вращающиеся двухшнековые экструдеры для компаундирования именно этого класса сложного, переменного сырья. С производственной базы площадью 19 997 квадратных метров Kerke поставила более 2000 машин в более чем 70 стран при поддержке технической команды из более чем 100 человек, чей слоган — «Мы знаем двухшнековые экструдеры для компаундирования» — отражает узкую, целенаправленную специализацию на серии KTE параллельных соосно-вращающихся двухшнековых экструдеров, от лабораторной установки KTE-16B до производственной машины KTE-135D. В данном руководстве изложены семейства рецептур, конфигурации шнеков, настройки вакуумных портов, технологические окна и процедуры контроля качества, которые используют инженеры по применению Kerke, когда задача клиента звучит просто: сделать этот вторичный материал дешевым, стабильным и продаваемым.

Все последующее изложено в терминах относительной стоимости. Там, где необходимо сравнение затрат, в этой статье используются рейтинги Low (низкий), Medium (средний), High (высокий), Very High (очень высокий) и Premium (премиум), либо индекс, в котором базовая рецептура равна 100 индексным пунктам. Абсолютные цены еженедельно меняются вместе с рынками смол, энергоносителей и фрахта и были бы вводящими в заблуждение в техническом справочнике; однако взаимосвязи между вариантами рецептур стабильны и именно они нужны инженеру-технологу.

1. Что на самом деле означает «низкая стоимость» при компаундировании вторичных материалов

Низкая стоимость при компаундировании вторичных материалов — это уравнение из трех частей: загрузка добавок, выход годного продукта и удельное энергопотребление. Большинство компаундеров отслеживают только первую часть, поэтому многие «дешевые» рецептуры на практике оказываются дорогими. Доминирующей скрытой стоимостью в этом бизнесе является вовсе не пакет добавок — это нестабильность от партии к партии, которая вызывает брак на последующих этапах, и как следствие потерю квалифицированного клиента, который затем переаттестует поставщика с использованием первичной смолы.

Рассмотрим арифметику. Пакет добавок обычно составляет скромную долю в общих материальных затратах наполненного компаунда из вторичного полиолефина. Сокращение этого пакета на одну пятую дает небольшую экономию по индексу материалов. Одна возвращенная партия, напротив, поглощает транспортные расходы в обе стороны, затраты на повторную переработку, машинное время для перезапуска и — самое разрушительное — доверие клиента. Когда переработчик вынужден остановить работающую машину литья под давлением из-за падения ударной прочности между двумя паллетами одной марки компаунда, компаундер редко получает второй шанс объяснить, что тюк вторичного гранулята изменился.

Три реальных драйвера стоимости

Читайте эту таблицу как список приоритетов. Пакет добавок — самая видимая стоимость и ее легче всего сократить, именно поэтому его сокращают слишком агрессивно. Выход годного продукта — наименее видимый и наиболее ценный показатель. Рецептура, которая добавляет 0,1 phr вторичного антиоксиданта и тем самым удерживает скорость течения расплава в более узком диапазоне на протяжении двадцати последовательных партий, является более дешевой рецептурой, даже если индекс ее спецификации материалов выше.

Относительный индекс стоимости для сравнения рецептур

Чтобы сохранить честность при сравнении рецептур без указания денежных сумм, в этой статье используется простой индекс. Экономичный компаунд из вторичного полипропилена с минимальным пакетом антиоксидантов и без ударопрочного модификатора определяется как 100 индексных пунктов по оси материалов. Другие рецептуры выражаются относительно этого базового уровня. Отдельная ось качества отслеживает вероятность того, что партия соответствует спецификации при первой проверке.

Первая строка — это ловушка. Удаление вакуумного порта, использование более короткого цилиндра и отказ от вторичного антиоксиданта снижают видимый индекс на четыре пункта и разрушают приемку с первого прохода. Это самая распространенная ошибка среди новичков в компаундировании вторичных материалов, и это аппаратная ошибка, замаскированная под ошибку рецептуры.

2. Почему дегазация является основой любой рецептуры для вторичного сырья

Дегазация является основой любой рецептуры для вторичного сырья, потому что летучие вещества расходуют добавки, нарушают непрерывность расплава и переносят запах, который заканчивает большинство коммерческих переговоров. Добавки, дозируемые в недегазированный расплав, частично тратятся на нейтрализацию веществ, которые вакуумный порт удалил бы за счет стоимости только электроэнергии.

Потоки вторичного полимера содержат четыре различных класса летучих веществ, и каждый ведет себя по-разному в цилиндре.

Класс первый: влага

Вода поступает вместе с промытой и механически обезвоженной флексой, а также поглощается из окружающей влажности при хранении. Полиолефины не гигроскопичны в химическом смысле, но геометрия флексы упорно удерживает поверхностную воду — 0,3–1,5 % по массе являются обычным явлением после только центрифужного обезвоживания. Потоки полиэфиров и полиамидов поглощают воду в сам полимер и гидролизуются при температуре расплава, разрывая цепи и необратимо снижая характеристическую вязкость. Влага, попадающая в зону плавления, мгновенно испаряется, вызывает пульсации у фильеры, создает пустоты в нити и проявляется в виде серебристых полос на последующих литых деталях.

Класс второй: остаточный мономер и олигомеры

Каждый полимер содержит небольшую остаточную долю мономера, димера и низкомолекулярного олигомера. Во вторичных потоках эта доля растет, поскольку предыдущие циклы переработки генерировали продукты разрыва цепей. Вторичный гранулят полиэфира содержит ацетальдегид и циклический тример; стирольные полимеры содержат остаточный стирол; полиолефины содержат короткоцепочечные парафины и олефиновые фрагменты. Эти вещества летучи при температуре расплава, и именно для их удаления предназначен глубокий вакуумный порт.

Класс третий: продукты термоокислительной деградации

Это тот класс запаха, на который жалуются клиенты. Повторяющиеся тепловые воздействия в присутствии кислорода генерируют альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты на полимерной цепи и в виде свободных малых молекул. Короткоцепочечные альдегиды, в частности, имеют очень низкие пороги запаха — нескольких частей на миллион в воздушном пространстве достаточно, чтобы человеческий нос зафиксировал запах в готовом изделии. Никакая практическая дозировка добавок не удаляет их после того, как они образовались в объеме; правильный ответ — удалить существующие под вакуумом и предотвратить образование новых с помощью эффективной антиоксидантной системы и консервативной температуры расплава.

Класс четвертый: остаточные краски, клеи, ароматизаторы и остатки продукта

Постпотребительская упаковка содержит растворители печатных красок, фракции термоплавких клеев, лаки для этикеток и остатки ароматизаторов или поверхностно-активных веществ от исходного содержимого. Бутылки для моющих средств и средств личной гигиены печально известны этим. Эти соединения химически разнообразны, часто имеют относительно высокую температуру кипения и являются причиной того, что одного атмосферного дегазационного порта редко бывает достаточно. Глубокий вакуум, достаточное время пребывания в зоне дегазации и, в сложных случаях, паровая десорбция — это инструменты, которые работают.

3. Инженерия дегазации на двухшнековом экструдере

Эффективная дегазация на двухшнековом экструдере — это двухэтапная задача: атмосферный порт, который рано выпускает основную массу пара и легколетучих веществ, за которым следует вакуумный порт, работающий при минус 0,080–минус 0,095 МПа, удаляющий низкомолекулярные остатки после того, как расплав станет полностью гомогенным. Попытка выполнить обе задачи через один порт — это самый частый проектный компромисс в компаундировании вторичных материалов, и именно поэтому многие линии не могут соответствовать спецификации по запаху независимо от рецептуры.

Этап первый: атмосферный порт

Атмосферный порт расположен сразу после первой зоны плавления, обычно между 14 и 22 L:D в зависимости от общей длины цилиндра. В этой точке материал расплавлен, но расплав все еще относительно открыт, и газ может выходить без движущей силы давления. Задача порта — количество, а не очистка: он выпускает нагрузку пара от поверхностной влаги и самую летучую фракцию. Поддержание атмосферного порта достаточно горячим, чтобы порт оставался свободным от конденсата, но не настолько горячим, чтобы конденсированный олигомер запекся в корку, — это мелкая деталь с большими последствиями для обслуживания. Практическим решением является рубашка порта, поддерживаемая около уставки цилиндра, со легко снимаемой вставкой.

Этап второй: вакуумный порт

Вакуумный порт находится в последней трети цилиндра, после финальной секции смешения и перед зоной нарастания давления. К этому моменту компаунд гомогенен, наполнитель диспергирован, а любые оставшиеся летучие вещества являются трудными для удаления. Уровень вакуума — основной рычаг:

Шнековые элементы в зоне дегазации

Зона дегазации — это проблема конструкции шнека до того, как она станет проблемой вакуумного насоса. Три правила управляют ею:

Элементы транспортировки с мелким каналом и большим шагом под портом. Большой шаг снижает степень заполнения и увеличивает свободную площадь поверхности, что является движущей силой массопереноса летучих веществ из расплава. Степень заполнения выше примерно 30 % под портом резко снижает эффективность десорбции и повышает риск попадания материала в горловину порта.

Уплотняющий элемент перед портом. Короткий реверсивный шнек или узкий блок смешения (kneading block) выше по потоку от порта создают расплавное уплотнение, которое предотвращает распространение вакуума назад к загрузочному отверстию. Без этого глубокий вакуум затягивает неплавленый материал и порошковые добавки прямо в линию дегазации.

Элемент создания давления после порта. Ниже по потоку от порта шаг транспортировки постепенно уменьшается для восстановления давления для фильтра расплава и фильеры. Этот переход должен быть постепенным; резкий скачок давления сразу после вакуумного порта повышает локальное напряжение сдвига и может нарушить температурный режим, на который зависит рецептура.

Предотвращение затопления порта

Затопление вакуумного порта — расплав, поднимающийся в горловину порта и в конечном итоге попадающий в вакуумную линию — является наиболее распространенной неисправностью дегазации на линиях вторичных материалов, и у него есть четыре причины, которые стоит проверить по порядку: слишком высокая степень заполнения под портом, слишком низкая вязкость расплава из-за перегретого или сильно деградировавшего сырья, скачки производительности из-за непостоянной насыпной плотности вторичного гранулята и заблокированная или частично закрытая вставка порта. Заглушка порта (vent stuffer) механически решает симптом, но долговременные решения — это более длинная секция порта с большим шагом, более стабильная гравиметрическая подача и температура расплава на 10–15 градусов Цельсия ниже, чем в рецептуре для первичной смолы.

Паровая десорбция как дешевый инструмент борьбы с запахом

Впрыск контролируемого количества воды в заполненную зону расплава выше по потоку от вакуумного порта является одним из наиболее эффективных и наименее затратных вмешательств для устранения запаха. Вода мгновенно испаряется и действует как десорбент, снижая парциальное давление пахучих веществ и вынося их через порт. Типичный впрыск составляет 0,5–2 % от производительности; оборудование включает дозирующий насос, форсунку для впрыска, рассчитанную на давление расплава, и конденсатор на вакуумной линии. По сравнению с покупкой специальной добавки-поглотителя запаха уровня High или Premium, паровая десорбция является разовой капитальной инвестицией с низкими эксплуатационными расходами и более эффективна в отношении низкомолекулярной альдегидной фракции, которая доминирует в запахе полиолефинов.

4. Характеристика сырья перед составлением рецептуры

Никакую рецептуру для вторичного сырья нельзя ответственно составить без листа характеристик входящей партии. Вторичное сырье — это не марка; это распределение. Цель входного контроля — определить, где текущий тюк находится внутри этого распределения, чтобы пакет добавок можно было скорректировать на минимально необходимую величину, а не завышать в качестве страховки.

Приведенный ниже список испытаний сознательно короткий. Каждый пункт в нем меняет решение по рецептуре. Испытания, которые интересны, но не меняют решения, относятся к разработкам, а не к рутинному входному контролю.

Правильная интерпретация класса запаха

Шкала запахов VDA 270 из шести классов является эталоном, который используют большинство автомобильных и бытовых клиентов, и стоит знать, как классы переводятся в коммерческие результаты. Класс 1 означает не ощущается; класс 2 ощущается, но не мешает; класс 3 четко ощущается, но не мешает; класс 4 мешает; класс 5 сильно мешает; класс 6 неприемлемо. Большинство необработанного вторичного гранулята полиолефинов из постпотребительского сырья находится между 4 и 5,5. Для внутренних автомобильных деталей обычно требуется 3,0 или лучше; корпуса бытовой техники часто допускают 3,5; невидимые промышленные детали могут допускать 4. Знание целевого класса запаха перед составлением рецептуры определяет, достаточно ли дешевого адсорбента или требуется оборудование для паровой десорбции.

Интерпретация дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на смешанных потоках

Единственный острый пик плавления около 163–168 градусов Цельсия указывает на относительно чистый поток полипропилена. Второй пик около 125–133 градусов Цельсия указывает на загрязнение полиэтиленом высокой плотности (HDPE); около 108–115 градусов Цельсия указывает на полиэтилен низкой плотности (LDPE) или линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE). Относительная энтальпия под каждым пиком дает рабочую оценку соотношения смеси, что является именно тем числом, которое устанавливает дозировку совместителя. Проведение этого единственного испытания на каждом входящем тюке смешанного материала — это разница между правильным уровнем совместителя и угаданным.

5. Семейство рецептур для вторичного PP

Вторичный полипропилен является рабочей лошадкой дешевого компаундирования, и он хорошо реагирует на ступенчатую стратегию рецептуры: экономичный уровень для некритичных деталей, стандартный уровень для общих технических деталей и высокопроизводительный уровень, где важны как ударная вязкость с концентратором напряжения, так и качество поверхности. Уровни различаются главным образом содержанием ударопрочного модификатора и совместителя, поскольку это два компонента с наиболее сильным влиянием на свойства и стоимость.

Все три рецептуры ниже предполагают, что вторичный гранулят прошел через двухступенчатый цилиндр с дегазацией. Без этого каждое значение антиоксиданта пришлось бы повышать, а столбец класса запаха был бы недостижимым.

Ожидаемые диапазоны свойств для трех уровней rPP

Почему дозировка совместителя не пропорциональна наполнителю

Распространенная ошибка — масштабировать PP-g-MAH линейно с содержанием наполнителя. Полипропилен, привитый малеиновым ангидридом, работает на границе раздела фаз, поэтому требуемая дозировка масштабируется с площадью межфазной границы, которая масштабируется с удельной поверхностью наполнителя, а не с массой наполнителя. Переход от карбоната кальция 1250 меш к тальку 5000 меш при той же загрузке существенно умножает площадь межфазной границы и требует больше совместителя. И наоборот, использование предварительно активированного карбоната кальция, поверхность которого уже была обработана, снижает потребность в связующем агенте. Правильный выбор здесь стоит нескольких индексных пунктов для крупнотоннажной марки.

6. Семейство рецептур для вторичного PE

Составление рецептуры для вторичного полиэтилена высокой плотности (HDPE) определяется одним вопросом, который не применим к полипропилену: была ли молекулярная масса снижена в результате предыдущей переработки и можно ли ее восстановить? Полиэтилен имеет тенденцию к сшиванию, а также к разрыву цепей при термоокислительном напряжении, поэтому вторичный полиэтилен часто показывает как более низкую скорость течения расплава в некоторых фракциях, так и гели в других. Удлинители цепи и тщательное управление сдвигом — это два рычага, которые имеют наибольшее значение.

Три семейства применений ниже — выдувное формование, трубы и литье под давлением — имеют действительно различные требования, и одна марка «компаунда rHDPE» не удовлетворяет ни одному из них хорошо.

Ожидаемые диапазоны свойств для трех марок rHDPE

Как удлинитель цепи восстанавливает прочность расплава

Эпоксид-функциональный стирол-акриловый олигомерный удлинитель цепи несет несколько реакционноспособных эпоксидных групп на молекулу. Эти группы реагируют с карбоксильными и гидроксильными концевыми группами, образованными в результате предыдущего разрыва цепей, соединяя более короткие цепи обратно в более длинные и вводя контролируемую степень длинноцепочечного разветвления. Практический результат — повышение прочности расплава и снижение скорости течения расплава, что именно то, что нужно марке для выдувного формования или труб. Дисциплина дозировки необходима: слишком мало не дает измеримых изменений, а слишком много приводит к образованию гелей, дефектам поверхности и компаунду, который не будет течь в тонкие сечения.

Реакция удлинителя цепи требует времени пребывания расплава и хорошего диспергирующего смешения, но не высокого сдвига. На двухшнековом экструдере правильное размещение — это боковой или жидкостной порт подачи ниже по потоку в хорошо перемешанную, но умеренно нагруженную сдвигом зону, за которой следует 8–12 L:D диспергирующего смешения перед вакуумным портом. Подача удлинителя цепи через основной бункер растрачивает значительную его часть на преждевременную реакцию в зоне плавления.

7. Рецептура для вторичного PET и восстановление характеристической вязкости

Компаундирование вторичного полиэфира подчиняется одному неумолимому правилу: вода плюс тепло равны необратимому гидролизу. Каждая часть процесса rPET — кристаллизация, сушка, глубоковакуумная дегазация, удлинение цепи — существует для того, чтобы предотвратить падение характеристической вязкости, а затем восстановить то, что уже было потеряно. Ошибитесь с сушкой, и никакой пакет добавок не спасет партию.

Кристаллизация и сушка: первый шаг без исключений

Аморфная вторичная флекса полиэфира размягчается и агломерируется, если ее нагреть напрямую до температуры сушки, поэтому сначала ее необходимо кристаллизовать при 130–150 градусах Цельсия при перемешивании, а затем сушить при 160–170 градусах Цельсия в течение 4–6 часов с точкой росы осушенного воздуха минус 40 градусов Цельсия или лучше. Целевая остаточная влага на входе в цилиндр должна быть ниже 50 частей на миллион; выше 100 частей на миллион потеря характеристической вязкости во время одного прохода экструзии может превысить 0,05 дЛ/г независимо от настроек вакуума.

Характеристическая вязкость и карта ее применения

Характеристическая вязкость — это единственное число, которое определяет, где можно продать компаунд из вторичного полиэфира. Связь прямая и стоит запомнить.

Двухшнековый экструдер с дегазацией может надежно поднять характеристическую вязкость примерно с 0,58 дЛ/г до 0,70–0,78 дЛ/г, используя удлинение цепи в сочетании с глубоким вакуумом. Он не может достичь бутылочной марки самостоятельно — этот шаг требует твердофазной поликонденсации. Четкое обозначение этой границы для клиентов предотвращает наиболее разрушительный вид отказа спецификации, который заключается в согласии на целевой показатель, физически недостижимый для процесса.

Почему высокий вакуум еще важнее для полиэфира

Дегазация полиэфира выполняет двойную функцию. Она удаляет ацетальдегид и циклический тример, которые являются источниками запаха и привкуса, и смещает равновесие гидролиза. Удаление водяного пара из расплава сдвигает реакцию гидролиза сложных эфиров в обратную сторону, замедляя дальнейший разрыв цепей во время времени пребывания в цилиндре. На линии вторичного полиэфира уровень вакуума минус 0,090–минус 0,098 МПа с двухступенчатым насосом — это не роскошь; он напрямую определяет, сколько характеристической вязкости переживет проход, и, следовательно, какой рынок могут обслуживать гранулы.

8. Дешевая рецептура для смешанных полиолефинов

Смешанные потоки полипропилена и полиэтилена являются самым дешевым доступным сырьем и наиболее сложными для составления рецептуры, поскольку два полимера термодинамически несовместимы. Без совместителя смесь образует грубую двухфазную морфологию со слабыми границами раздела, и ударная вязкость с концентратором напряжения падает до значений, которые не примет ни одно техническое применение. С правильным совместителем при правильной дозировке та же смесь становится пригодным компаундом общего назначения на уровне Low (низкая стоимость).

Как соотношение смеси меняет свойства

Кривая свойств в диапазоне составов от полипропилена к полиэтилену не является линейной и не симметрична. Небольшие количества миноритарной фазы действуют как диспергированный ударопрочный модификатор; промежуточные соотношения создают со-непрерывную морфологию с худшими механическими характеристиками; минимум находится примерно в диапазоне состава 50/50–60/40.

Логика выбора совместителя

Рабочая дешевая рецептура для смешанных полиолефинов

Ожидаемые характеристики для этой рецептуры: скорость течения расплава 3–12 г/10 мин при 230 градусах Цельсия и 2,16 кг, ударная вязкость по Шарпи с концентратором напряжения 8–15 кДж/м² при 23 градусах Цельсия, модуль изгиба 1200–1500 МПа, класс запаха 3,5–4,0 после двухступенчатой дегазации и индекс стоимости материалов примерно 92 относительно базовой экономичной марки rPP. Эта комбинация хорошо подходит для ящиков, паллет, дренажных компонентов, барабанов для кабеля, рам садовой мебели и промышленной упаковки.

9. Рейтинг эффективности добавок по стоимости

Наиболее полезным инструментом, которым может владеть компаундер вторичных материалов, является ранжированный список добавок по производительности, полученной на единицу потраченных средств. Приведенный ниже список упорядочен по эффективности затрат, а не по важности, и он дает четкую последовательность дозирования: сначала добавляйте верхние пункты и спускайтесь по списку только тогда, когда этого требует спецификация.

Рекомендуемая последовательность дозирования

Составляйте рецептуру в следующем порядке и останавливайтесь, как только спецификация будет выполнена. Во-первых, пара антиоксидантов и смазка — эти три компонента всегда присутствуют, всегда дешевы и всегда окупаются. Во-вторых, наполнитель до уровня, требуемого для жесткости и стоимости. В-третьих, совместитель (компатибилизатор), количество которого рассчитывается исходя из площади поверхности наполнителя. В-четвертых, модификатор ударной вязкости, добавляемый только в тех количествах, которые необходимы для достижения целевого показателя ударной вязкости с надрезом. В-пятых, функциональные специальные добавки, такие как цепной удлинитель, нуклеирующий агент, стабилизатор светостойкости или стабилизатор гидролиза, каждая из которых обоснована конкретным требованием в спецификации заказчика. Любой компонент, который нельзя проследить до строки спецификации, не должен входить в рецептуру.

10. Снижение запаха и содержания летучих органических соединений (VOC) без дорогих добавок

Запах является главной коммерческой проблемой для вторичных компаундов, и с ним лучше всего бороться настройками процесса, а не химией. Четыре рычага управления процессом — более глубокий вакуум, увеличенная длина дегазирующей зоны ствола, более низкая температура расплава и паровая отгонка — в совокупности обеспечивают большее улучшение запаха, чем любой доступный пакет добавок, при этом их эксплуатационные затраты связаны с потреблением электроэнергии, а не расходных материалов.

Рычаг первый: повышение уровня вакуума

Переход от минус 0,06 МПа к минус 0,09 МПа часто является единственным наиболее значимым доступным улучшением, и на существующем оборудовании это может обойтись не дороже обслуживания вакуумного насоса, замены изношенных уплотнений ствола и надлежащего охлаждения уплотняющей воды. Теплая уплотняющая вода — самая часто упускаемая из виду причина плохого вакуума на водоструйных насосах; каждое снижение температуры уплотняющей воды на несколько градусов напрямую увеличивает достигаемую глубину вакуума.

Рычаг второй: увеличение длины дегазирующей зоны ствола

Массоперенос летучих компонентов из полимерного расплава зависит от времени. Увеличение дегазирующей секции с 3 L:D до 5 L:D увеличивает время экспозиции под вакуумом примерно на две трети при той же скорости шнека, а второй вакуумный порт, установленный последовательно, эффективнее одного порта при немного более глубоком вакууме. Это проектное решение принимается на этапе спецификации оборудования, поэтому целевые показатели по запаху следует обсуждать до конфигурирования экструдера, а не после его ввода в эксплуатацию.

Рычаг третий: снижение температуры расплава

Каждые 10 градусов Цельсия снижения температуры расплава существенно замедляют термоокислительную деградацию, что означает меньшее образование новых альдегидов и кетонов внутри ствола. Для вторичных полиолефинов обычно возможно работать на 10–15 градусов Цельсия ниже эквивалентной рецептуры первичного сырья, если шнек сконфигурирован для мягкого пластицирования — умеренные углы блоков месильных элементов, меньшее количество обратных элементов и достаточная длина ствола вместо агрессивного сдвига в короткой машине. Более низкая температура расплава также снижает удельный расход энергии, улучшая два фактора затрат одновременно.

Рычаг четвертый: паровая отгонка

Дозируемое впрыскивание воды в зону заполнения расплавом, описанное ранее, является самым мощным инструментом процесса для устранения стойкого запаха от остатков чернил, клеев и ароматизаторов. Это требует наличия конденсатора и системы разделения воды на вакуумной линии и немного увеличивает энергопотребление, но снижение запаха без добавок, которое она обеспечивает, трудно сравнить по эффективности с другими методами при сопоставимом уровне затрат.

Практический путь к компаунду класса 3.0 из сырья класса 5.0 является совокупным: двухступенчатая вакуумная система, правильно рассчитанная дегазирующая секция, дисциплинированный контроль температуры расплава, паровая отгонка там, где это оправдано сырьем, и умеренная дозировка адсорбента в конце. Попытка закрыть разрыв в два класса только с помощью добавок требует загрузок на уровне затрат «Высокий» или «Премиум» и все равно часто приводит к неудаче по фракции альдегидов.

11. Конфигурация шнека для компаундирования вторичного сырья

Конфигурация шнека для вторичного материала следует одному определяющему принципу: мягкое пластицирование, тщательное смешивание, обильная дегазация. Вторичный полимер уже прошел один или несколько полных тепловых циклов, поэтому интенсивность сдвига, идеально подходящая для первичной смолы, активно разрушает его. Kerke проектирует шнековые сборки с помощью автоматизированного проектирования и самоочищающейся геометрии месильных элементов именно для того, чтобы достичь диспергирования при более низком пиковом напряжении сдвига.

Выбор угла наклона месильных блоков

12. Таблицы технологических окон по материалам

Технологические окна для вторичного материала уже, чем для первичной смолы, и находятся при более низких температурах. Приведенные ниже таблицы дают отправные точки для двухшнекового экструдера с отношением L:D 44–48 с одним атмосферным и одним вакуумным дегазирующим портом. Это отправные точки, а не окончательные настройки; каждое вторичное сырье требует подтверждения в ходе пробного запуска.

Компаунд из вторичного полипропилена

Компаунд из вторичного полиэтилена высокой плотности (ПЭВП)

Компаунд из вторичного полиэфира

Компаунд из смешанных полиолефинов

13. Двухшнековый экструдер серии Kerke KTE

Серия KTE — это платформа Kerke для параллельных вращающихся навстречу двухшнековых компаундеров, охватывающая диапазон от лабораторной машины KTE-16B, используемой для испытаний рецептур, до производственной машины KTE-135D. Для компаундирования вторичного сырья серия специфицируется с более длинным стволом, чем стандартная конфигурация для мастербачей, как минимум одним атмосферным и одним вакуумным дегазирующим портом, а также шнековой сборкой, спроектированной вокруг мягкого пластицирования, а не максимального сдвига.

Каждая машина KTE построена на основе модульного ствола и сегментированной шнековой сборки, спроектированной с помощью САПР. Месильные элементы используют самоочищающую геометрию типа «co», что имеет огромное значение при работе со вторичным сырьем: самоочищающиеся поверхности не оставляют застойных зон расплава, которые могли бы карбонизироваться в черные точки, а взаимозаменяемость сегментов означает, что шнек, сконфигурированный для вторичного полипропилена, может быть переконфигурирован для вторичного полиэфира путем замены элементов, а не покупки нового вала. Функции, которые должна обеспечивать сборка — транспортировка материала, пластицирование, сдвиг, диспергирование, гомогенизация, отвод газов и создание давления — сознательно распределяются по стволу, а не оставляются на волю случая.

Спецификации серии KTE для компаундирования вторичного сырья

Указанные выше показатели производительности относятся к компаундированию вторичного сырья с наполнителем и двухступенчатой конфигурацией дегазации. Чистая работа с первичным мастербачем на тех же машинах имеет значительно более высокую производительность; вторичное сырье в виде хлопьев с низкой насыпной плотностью и длинная дегазирующая секция сознательно жертвуют производительностью ради качества, и любой поставщик, указывающий единственное числовое значение производительности без указания материала и конфигурации, приводит маркетинговый показатель, а не инженерный.

Варианты конфигурации, важные для вторичного сырья

Отрасли применения платформы KTE

Машины Kerke KTE ежедневно используются в производстве в секторах мастербачей и компаундирования: цветные мастербачи, наполненные мастербачи, добавочные мастербачи, черные мастербачи и текстильные мастербачи; компаунды инженерных пластиков, биоразлагаемые пластиковые компаунды, компаундирование для кабельной промышленности, компаундирование ПВХ, компаундирование термопластичных эластомеров и древесно-полимерные композиты; а также линии переработки вторичного полиэфира в хлопья, производство кормов для домашних животных и пищевые линии по производству текстурированного растительного белка. Для работ по модификации вторичного сырья, описанных в этой статье, наиболее распространенными конечными продуктами являются основы для внутренней отделки автомобилей, корпуса бытовой техники и внутренние кронштейны, логистические ящики и поддоны, компоненты садовой и уличной мебели, детали дренажа и защиты кабелей, промышленная упаковка и непоточные строительные компоненты.

14. Системы подачи и вспомогательное оборудование Kerke

Точность подачи является наиболее недооцененным фактором постоянства рецептуры. Рецептура, специфицированная с точностью до сотых частей, ничего не значит, если дозатор антиоксиданта дрейфует на пять процентов между сменами. На линиях вторичного сырья, где само базовое сырье уже варьируется, точность подачи является единственной переменной, полностью контролируемой оператором, — что делает ее тем местом, где достигается или теряется постоянство качества.

Kerke поставляет полный пакет систем подачи и последующей обработки вместе с экструдерами KTE, охватывающий объемное дозирование, гравиметрическую подачу по потере веса, двухшнековые боковые загрузчики, уплотняющие загрузчики (кормеры) для материалов с низкой насыпной плотностью, жидкостные дозаторы для цепных удлинителей и жидких добавок, а также полный спектр систем гранулирования.

Почему гравиметрическая подача окупается на линиях вторичного сырья

Объемные дозаторы дозируют по объему, что означает изменение их массового расхода при любом изменении насыпной плотности. Насыпная плотность вторичных хлопьев может заметно варьироваться между тюками, между верхом и низом бункера и даже в зависимости от влажности окружающей среды. Гравиметрический дозатор по потере веса измеряет фактическую потерю массы во времени и непрерывно корректирует подачу, удерживая рецептуру независимо от дрейфа насыпной плотности. Для наполненного вторичного компаунда, где спецификация заказчика включает окно зольности, гравиметрическая подача как основного потока, так и потока наполнителя не является опциональной — это механизм, который удерживает результат по зольности в пределах окна от партии к партии.

15. Фильтрация расплава и контроль черных точек

Черные точки являются наиболее видимым дефектом качества вторичного компаунда, и они происходят из трех различных источников, требующих трех различных решений: карбонизированный застойный расплав внутри машины, деградировавший материал в изношенных зазорах и нефильтрованное твердое загрязнение, поступающее с сырьем. Борьба только с третьим источником — путем добавления более мелких сеток — при игнорировании первых двух является причиной того, что некоторые линии никогда полностью не решают проблему.

Источник первый: карбонизированный застойный расплав

Любая мертвая зона в потоке в конечном итоге удерживает расплав достаточно долго для его карбонизации, а затем высвобождает его в виде черных частиц. Классические места — за изношенными витками шнековых элементов, на плохо подогнанных стыках ствола, на переходе к адаптеру увеличенного размера, в коллекторе фильеры увеличенного размера и вокруг горловины дегазирующего порта. Структурным решением является самоочищающаяся геометрия шнека с плотными, хорошо обслуживаемыми зазорами и обтекаемым каналом расплава без полостей. Месильные элементы типа «co» от Kerke разработаны именно для такого самоочищающегося поведения, а практическое правило обслуживания заключается в измерении износа шнековых элементов и вкладышей ствола по графику, а не в ожидании появления точек в продукции.

Источник второй: деградация в изношенных зазорах

По мере износа вкладышей ствола и шнековых элементов зазор между ними увеличивается. Материал, задержанный в увеличенном зазоре, циркулирует вместо транспортировки, накапливает тепловую историю и в конечном итоге деградирует. Этот механизм объясняет, почему жалобы на черные точки часто начинаются постепенно на машине, которая годами работала чисто. Износостойкие биметаллические вкладыши и высоколегированные шнековые элементы значительно продлевают интервал обслуживания на абразивных наполненных вторичных компаундах.

Источник третий: твердые загрязнения в сырье

Древесное волокно, остатки бумажных этикеток, фрагменты алюминиевой фольги, резина, гели сшитых полимеров и неплавленые полимеры с более высокой температурой плавления попадают вместе с постпотребительским материалом. Фильтрация расплава является барьером, а выбор сетки — это баланс: более мелкие сетки задерживают больше, но быстрее забиваются и повышают давление расплава и напряжение сдвига.

16. План контроля качества для вторичных компаундов

Бизнес вторичных компаундов — это бизнес постоянства качества. Техническое содержание рецептуры может быть воспроизведено любым компетентным конкурентом; что трудно воспроизвести, так это поставку гранул, которые ведут себя одинаково в литьевой машине заказчика каждую неделю. Этот результат достигается за счет трех механизмов: непрерывного мониторинга процесса на линии, дисциплинированного графика лабораторных испытаний партий и физической гомогенизации продукции.

Параметры мониторинга на линии

График лабораторных испытаний партий

Гомогенизирующие бункеры: самый дешевый инструмент обеспечения постоянства качества

Даже при идеальном управлении процессом выход продукции медленно варьируется в течение производственного цикла по мере смены тюков сырья. Смешивание нескольких часов производства в гомогенизирующем бункере перед упаковкой усредняет эту вариацию. Гравитационный смесительный бункер с внутренними смешивающими трубами, рассчитанный на хранение от четырех до восьми часов продукции, обычно снижает вариацию показателя текучести расплава (MFR) от партии к партии на треть или вдвое. С точки зрения воспринимаемого заказчиком постоянства качества на единицу затраченного капитала, гомогенизирующий бункер превосходит почти любое вмешательство с помощью добавок, и это одно из первых улучшений, которые инженеры Kerke рекомендуют компаундерам, чьи результаты испытаний приемлемы в среднем, но слишком разбросаны.

17. Таблица выбора машины и рецептуры по требованиям

Приведенная ниже таблица соотносит типичные задачи компаундирования вторичного сырья с рекомендуемой конфигурацией Kerke KTE, уровнем рецептуры из предыдущих разделов и критическими опциями, которые должны быть специфицированы при заказе, а не дооснащены позже.

18. Общие проблемы и их решения

Почти каждая проблема в компаундировании вторичного сырья восходит к одной из четырех корневых причин: нерегулированные летучие компоненты, слишком агрессивный сдвиг, нестабильная подача или нефильтрованное загрязнение. Приведенная ниже таблица устранения неполадок организована по симптомам, а причины перечислены в порядке их проверки.

19. Сервис и поддержка

Двухшнековый экструдер с дегазацией, сконфигурированный для работы со вторичным сырьем, является активом с длительным сроком службы, и его экономическая эффективность зависит как от поддержки, так и от начальной спецификации. Kerke, завод Wanplas, структурирует свой сервис вокруг обязательств группы Wanplas и вокруг специфики компаундирования вторичного сырья, где сырье постоянно меняется, а рецептуры требуют периодического пересмотра.

Перед отгрузкой

Каждая машина собирается и тестируется перед отправкой с завода. Для конфигураций компаундирования вторичного сырья инженеры Kerke проверяют шнековую сборку на соответствие согласованному чертежу конфигурации, запускают вакуумную систему для подтверждения достижения указанного уровня, проверяют калибровку дозаторов в диапазоне предполагаемого дозирования и проводят пробный запуск для подтверждения функций привода, нагрева, охлаждения и управления. Если заказчик заранее предоставляет репрезентативное сырье, организуется пробный запуск на фактическом материале, чтобы машина поставлялась с валидированным технологическим окном, а не общим.

Монтаж, пусконаладка и обучение

Kerke предоставляет поддержку по монтажу и пусконаладке, либо на объекте заказчика, либо через управляемую удаленную пусконаладку. Обучение операторов охватывает сборку и разборку шнеков, идентификацию элементов и логику конфигурации, эксплуатацию и обслуживание вакуумной системы, работу с фильтром расплава (сменой сеток), калибровку дозаторов, управление рецептурами в системе управления и процедуры безопасности для высокотемпературного расплава и вращающегося оборудования. Для работы со вторичным сырьем обучение уделяет особое внимание тому, как читать тренды крутящего момента, давления расплава и вакуума как ранние предупреждения об изменении сырья.

Запасные части и гарантия

Политика запасных частей группы Wanplas предусматривает бесплатные запчасти на сумму 500 долларов США в год, с бесплатной заменой деталей, вышедших из строя в течение гарантийного периода. Для линий компаундирования вторичного сырья рекомендуемый список складских запасов короткий и конкретный: набор подверженных износу шнековых элементов из зоны подачи наполнителя и второй зоны смешения, запасные пакеты сеток в рабочем диапазоне ячеек, уплотнения вакуумного насоса и фильтры уплотняющей воды, ножи гранулятора и термопары. Наличие этих позиций на месте превращает наиболее частые простои из многодневных событий в односменные.

Удаленная поддержка и визиты на завод

Машины, специфицированные с системами управления с регистрацией данных, могут поддерживаться удаленно, при этом инженеры Kerke анализируют тренды крутящего момента, температуры, давления и вакуума для диагностики дрейфа процесса без командировок. Политика открытого завода Wanplas распространяется на производственную базу Kerke площадью 19 997 квадратных метров: клиенты и потенциальные клиенты приветствуются для посещения, осмотра машин в процессе сборки и наблюдения за пробными запусками.

Разработка рецептур и пробные запуски

Работа с рецептурами на вторичном материале является эмпирической. Kerke поддерживает лабораторные двухшнековые экструдеры — машины класса KTE-16B и KTE-26B — специально для того, чтобы фактическое сырье заказчика могло быть компаундировано в малом масштабе перед конфигурированием производственной машины. Wanplas может организовать проверку рецептур малыми партиями и испытания на машине, чтобы конфигурация шнека, расположение дегазирующих портов и пакет добавок были проверены на реальном материале, а не предполагаемы по техническому листу. Для проекта компаундирования вторичного сырья этот этап испытаний является наиболее эффективным способом избежать спецификации машины, которой не хватает одного дегазирующего порта или четырех L:D от того, что действительно нужно материалу.

20. Часто задаваемые вопросы

Может ли двухшнековый экструдер с дегазацией удалить запах из вторичного пластика без добавок?

В значительной степени, да. Правильно сконфигурированная двухступенчатая схема дегазации — атмосферный порт после первой зоны плавления плюс вакуумный порт при минус 0,085–минус 0,095 МПа в последней трети ствола — обычно улучшает класс запаха по VDA 270 на один или полтора класса вообще без добавок. Добавление паровой отгонки может увеличить это до двух классов для сильно загрязненных потоков постпотребительской упаковки. Адсорбционные добавки затем используются только для закрытия последней небольшой разницы, что является именно той последовательностью, которая сохраняет низкую стоимость рецептуры модификации вторичного пластика действительно низкой.

Каков минимальный пакет добавок для низкозатратной рецептуры вторичного PP?

Экономичная рецептура вторичного полипропилена требует всего трех вещей: первичный антиоксидант на основе объемно-препятствованных фенолов в количестве 0,10–0,15 частей, вторичный антиоксидант на основе фосфитов в количестве 0,10–0,15 частей и смазка в количестве 0,15–0,25 частей. Наполнитель добавляется для жесткости и снижения стоимости, а не для стабилизации. Модификатор ударной вязкости и совместитель входят в рецептуру только тогда, когда целевой показатель ударной вязкости с надрезом превышает то, что обеспечивает базовый регранулят сам по себе, о чем вам скажет входная карта характеристик до того, как вы потратите что-либо.

Сколько внутренней вязкости может восстановить цепной удлинитель в вторичном PET?

При правильном кристаллизующем отжиге при 130–150 градусах Цельсия, сушке при 160–170 градусах Цельсия в течение 4–6 часов до точки росы минус 40 градусов Цельсия и глубокой вакуумной дегазации при минус 0,090–минус 0,098 МПа эпоксидно-функциональный стирол-акриловый олигомерный цепной удлинитель в количестве 0,3–0,8 частей обычно поднимает внутреннюю вязкость с примерно 0,58 дЛ/г до 0,70–0,78 дЛ/г. Этот диапазон охватывает применения для листов, термоформованных лотков, упаковочной ленты и инженерных компаундов. Сорт для бутылок выше 0,80 дЛ/г требует твердофазной поликонденсации и не может быть достигнут только цепным удлинением при экструзии.

Какая модель Kerke KTE подходит для 500 кг/ч вторичного PP литьевого сорта?

KTE-65B покрывает диапазон 300–700 кг/ч наполненного вторичного полипропилена и является экономичным выбором; KTE-75D покрывает 500–1100 кг/ч и оставляет запас для будущего роста. Любая из них должна быть специфицирована со стволом 48 L:D, одним атмосферным и одним вакуумным дегазирующим портом, двухшнековым боковым загрузчиком для талька, гравиметрической подачей основного потока и потока добавок, а также двойным плунжерным фильтром расплава. Дополнительная длина ствола позволяет обоим дегазирующим портам и боковому загрузчику сосуществовать без укорачивания зон смешения.

Почему появляются черные точки в гранулах вторичного компаунда и как их устранить?

Черные точки имеют три источника: карбонизированный расплав, находящийся в мертвых зонах внутри машины, деградировавший материал, циркулирующий в увеличенных зазорах изношенных шнековых элементов или вкладышей ствола, и твердые загрязнения, поступающие с сырьем. Решения соответственно три: самоочищающаяся геометрия шнека с обтекаемым каналом расплава без полостей, плановое измерение износа со своевременной заменой элементов и вкладышей, а также надлежащим образом специфицированная фильтрация расплава с дисциплинированным интервалом замены сеток. Добавление только более мелких сеток не решит проблему, источник которой находится внутри ствола.

Всегда ли добавление большего количества наполнителя снижает стоимость вторичного компаунда?

Нет, и это самое дорогое заблуждение в отрасли. До примерно 20–25 частей талька или активированного карбоната кальция индекс стоимости материала падает, а свойства остаются приемлемыми. За пределами примерно 30 частей ударная вязкость с надрезом и прочность сварных швов резко падают, качество поверхности ухудшается, и компаунд начинает выходить из строя в литьевой машине заказчика. Стоимость брака затем растет быстрее, чем падает индекс стоимости материала, поэтому истинная стоимость за принятый килограмм увеличивается. Оптимальный уровень наполнителя всегда тот, который обеспечивает выполнение механической спецификации с небольшим запасом, а не максимум, который может выдержать расплав.

Следует ли добавлять наполнитель через основной бункер или через боковой загрузчик?

Через боковой загрузчик, ниже по потоку от первой зоны плавления, практически во всех случаях при загрузке выше примерно 10 частей. Подача минерального наполнителя через основной бункер означает, что наполнитель проходит через всю зону плавления, где он абразивно изнашивает шнековые элементы и вкладыш ствола, поглощает энергию сдвига, которая должна плавить полимер, и нарушает транспортировку твердых частиц, с которой вторичные хлопья низкой насыпной плотности уже испытывают трудности. Боковая подача в зону недостаточного заполнения после плавления обеспечивает лучшее диспергирование при более низком сдвиге и значительно продлевает срок службы компонентов.

Насколько можно снизить удельный расход энергии на линии компаундирования вторичного сырья?

Реалистично, линия, работающая с расходом 0,24 кВт·ч/кг на вторичном полипропилене, обычно может быть доведена до 0,17–0,20 кВт·ч/кг за счет трех изменений: замены агрессивных месильных блоков с углом 90 градусов и обратных элементов большим количеством элементов с углом 45 градусов и зубчатых элементов, снижения уставок температуры ствола на 10–15 градусов Цельсия теперь, когда нагрев от сдвига снижен, и стабилизации подачи, чтобы привод не ускорялся постоянно против скачков. Те же три изменения снижают деградацию, улучшают класс запаха и продлевают срок службы шнека, поэтому мягкое пластицирование является сквозной темой этого руководства.

21. Заключение

Действительно низкозатратная рецептура модификации вторичного пластика для двухшнекового экструдера с дегазацией строится в определенном порядке, и порядок важнее любого отдельного ингредиента. Во-первых, охарактеризуйте сырье, чтобы решения принимались на основе данных, а не страховки. Во-вторых, очистите расплав с помощью правильно спроектированной двухступенчатой системы дегазации — атмосферная дегазация для нагрузки паром, глубокий вакуум при минус 0,085–минус 0,095 МПа для остатков низкомолекулярных соединений и паровая отгонка там, где этого требует спецификация по запаху. В-третьих, дозируйте наименьший пакет добавок, который обеспечивает выполнение спецификации, начиная с пары антиоксидантов и смазки, которые всегда окупаются, и спускаясь по рейтингу экономической эффективности только настолько далеко, насколько это вынуждает требование. В-четвертых, обеспечьте постоянство качества с помощью гравиметрической подачи, надлежащей фильтрации расплава, мониторинга на линии и гомогенизирующего бункера.

Рецептуры в данном руководстве — три уровня для рециклизированного полипропилена (PP), три марки применения для рециклизированного полиэтилена высокой плотности (PE), три маршрута по характеристической вязкости для рециклизированного полиэтилентерефталата (PET) и рабочая рецептура смешанных полиолефинов — являются отправными точками, откалиброванными под реальные производственные окна. Они предполагают наличие цилиндра достаточной длины для размещения двух дегазационных зон и бокового дозатора, шнека, сконфигурированного для мягкого пластицирования, а не для максимального сдвигового воздействия, а также точности подачи, при которой рецептура, заданная с точностью до сотых частей, действительно попадает в расплав именно так. Без этой аппаратной базы те же самые рецептуры будут демонстрировать неудовлетворительные результаты, а уровни добавок, необходимые для компенсации, полностью нивелируют преимущество по себестоимости.

Компания Kerke, завод Wanplas со более чем двенадцатилетней специализацией на двухшнековых экструдерах-компаундерах с параллельным вращением шнеков, производственной базой площадью 19 997 м², более чем 2 000 машин в эксплуатации в более чем 70 странах и технической командой из более чем 100 специалистов, конфигурирует машины серии KTE от лабораторной установки KTE-16B до производственной машины KTE-135D специально для этого класса работ. Длина цилиндра, расположение дегазационных зон, конфигурация шнеков, точность подачи и технология фильтрации подбираются исходя из материала и целевых спецификаций, а не по каталожным значениям по умолчанию.

Если вы планируете линию компаундирования рециклизатов или пытаетесь вывести существующую линию из проблемы непостоянства качества партий, предоставьте важные детали: тип сырья и его типовые характеристики, целевые свойства и класс запаха, требуемую производительность и конечное применение. Инженеры по применению Kerke предложат конфигурацию машины, компоновку шнеков и уровень рецептуры, соответствующие этому техническому заданию, а Wanplas может организовать проверку рецептуры малыми партиями и пробный прогон на вашем фактическом материале до принятия каких-либо обязательств. Визиты на завод приветствуются, а наблюдение за пробным прогоном на собственном сырье остается наиболее надежным способом подтвердить, что выбранная конфигурация обеспечит выполнение требований спецификации.