Создание производственной линии двухшнекового компаундирования биоразлагаемых пластиков требует тщательно спланированного перечня оборудования, охватывающего все этапы от обращения с сырьем до упаковки готовых гранул. Биоразлагаемые смолы, такие как PLA, PBAT, PBS и крахмалосодержащие смеси, ведут себя иначе, чем традиционные полиолефины: они гигроскопичны, термочувствительны и подвержены гидролитической деградации. Каждую единицу оборудования на линии необходимо выбирать с учетом этих характеристик материалов. Компания Kerke, завод Wanplas, обладающий более чем 12-летним специализированным опытом в области двухшнековых экструдеров для компаундирования, установила более 2000 машин в более чем 70 странах и управляет производственным комплексом площадью более 19 997 квадратных метров. Как признанный поставщик из первой пятерки в Китае по производству двухшнековых экструдеров, Kerke обладает глубокими инженерными знаниями в области проектирования линий производства биоразлагаемых компаундов. В этой статье представлен исчерпывающий перечень оборудования с описанием каждого компонента, необходимого для создания полностью функционирующей производственной линии двухшнекового компаундирования биоразлагаемых пластиков: от складских бункеров и осушительных сушилок до двухшнековых экструдеров, систем гранулирования, охлаждающих конвейеров и приборов контроля качества. Независимо от того, планируете ли вы пилотную линию производительностью 500 кг/ч или промышленное производственное предприятие мощностью 2000 кг/ч, это руководство проведет вас через каждую машину, спецификацию и критерий выбора, которые вам необходимы.
1. Обзор архитектуры производственной линии
Производственная линия двухшнекового компаундирования биоразлагаемых пластиков представляет собой интегрированную систему взаимосвязанных технологических этапов, преобразующих сырьевые гранулы смолы, порошки и добавки в однородные высококачественные компаундированные гранулы, готовые к последующей переработке. Архитектура следует линейному технологическому потоку, но каждый этап включает специфические конструктивные особенности для учета термической и реологической чувствительности биоразлагаемых полимеров. Понимание полного технологического процесса необходимо перед изучением индивидуальных спецификаций оборудования.
Производственная линия начинается с приема и хранения сырья, где поступающая смола разгружается, проверяется и перемещается в герметичные складские бункеры или силосы. Из хранилища материал транспортируется в системы сушки, снижающие влажность до безопасных для экструзии уровней. Высушенный материал затем дозируется через прецизионные системы подачи в двухшнековый экструдер, где происходят плавление, смешение, дегазация и химические реакции. Расплав проходит через фильтр-заменитель для очистки, затем поступает в систему гранулирования, где он нарезается на гранулы, охлаждается и транспортируется в хранилище готовой продукции.
В следующей таблице обобщены семь основных этапов оборудования и их основные функции:
| Stage | Equipment Group | Primary Function | Critical for Биоразлагаемые пластикиs Because |
|---|---|---|---|
| 1 | Raw material storage and reception | Store resin, additives, fillers | Moisture protection; biodegradable resins are hygroscopic |
| 2 | Drying and dehumidification | Reduce moisture content to safe thresholds | Hydrolytic degradation at extrusion temperatures |
| 3 | Precision dosing and feeding | Meter resin, fillers, additives accurately | Formulation accuracy determines final properties |
| 4 | Twin-screw extruder (core) | Melt, mix, disperse, devolatilize | Controlled shear and residence time prevent thermal degradation |
| 5 | Melt filtration | Remove contaminants from melt | Contaminants cause defects in thin-wall biodegradable products |
| 6 | Pelletizing and cutting | Form uniform pellets | Pellet geometry affects downstream feeding and processing |
| 7 | Cooling, conveying, storage | Cool pellets, convey, package | Pellet temperature control prevents clumping and moisture pickup |
Каждый этап должен специфицироваться с учетом остальных. Например, завышение мощности экструдера при заниженной производительности системы подачи приводит к нестабильному качеству расплава и дрейфу рецептуры. Занижение мощности системы сушки относительно производительности экструдера гарантирует дефекты, связанные с влажностью. Перечень оборудования в следующих разделах рассматривает каждый этап с конкретными рекомендациями по моделям, техническими параметрами и критериями выбора.
2. Оборудование для приема, хранения и сушки сырья
Первая категория оборудования на любой производственной линии биоразлагаемых компаундов отвечает за прием, хранение и сушку сырья. Биоразлагаемые смолы, особенно PLA и PBS, агрессивно поглощают атмосферную влагу. Переработка этих материалов без адекватной сушки приводит к гидролитическому разрыву цепей, потере молекулярной массы, снижению механических свойств и видимым дефектам, таким как вспенивание, серебристые полосы и обесцвечивание в готовых гранулах. Поэтому перечень оборудования для хранения и сушки должен быть разработан с учетом контроля влажности как основной инженерной задачи.
2.1 Складские бункеры и силосы
Хранение сырья начинается с герметичных, влагостойких бункеров или силосов из нержавеющей стали или полиэтилена пищевого класса. Для типичной производственной линии среднего масштаба мощностью 1000 кг/ч рекомендуется минимум три складских бункера: один для основной смолы (PLA, PBAT или PBS), один для наполнителей или армирующих материалов (тальк, карбонат кальция, крахмал) и один для добавочных мастербатчей или порошковых добавок. Каждый бункер должен быть оснащен десикантным дыхательным клапаном или подключением для продувки азотом для поддержания сухой внутренней атмосферы.
Емкость бункера должна обеспечивать запас сырья минимум на 48 часов производства. Для линии мощностью 1000 кг/ч каждый основной бункер для смолы должен вмещать от 20 до 25 тонн. Бункеры должны включать датчики уровня (емкостного или радарного типа) для мониторинга запасов и разгрузочные конусы в нижней части с минимальным углом наклона 60 градусов, чтобы обеспечить свободный выпуск материала без образования сводов, что является распространенной проблемой для порошков на основе крахмала.
2.2 Осушительные сушилки
Осушительные сушилки являются наиболее критичным оборудованием на этом этапе. В отличие от обычных сушилок с горячим воздухом, осушительные сушилки используют замкнутый контур воздушного потока, проходящий через слой десиканта (обычно молекулярное сито), для достижения точки росы -40 градусов Цельсия или ниже. Этот сверхсухой воздух нагревается и циркулирует через слой смолы, эффективно удаляя влагу из полимерной матрицы.
Мощность сушки должна соответствовать производительности экструдера. Для биоразлагаемых смол перед поступлением материала в систему подачи должны быть достигнуты следующие целевые показатели влажности:
| Material | Maximum Moisture Content (ppm) | Required Drying Temperature (degrees Celsius) | Minimum Drying Time (hours) |
|---|---|---|---|
| PLA | 250 | 80 to 90 | 4 to 6 |
| PBAT | 500 | 70 to 80 | 3 to 4 |
| PBS | 300 | 80 to 90 | 4 to 5 |
| PHA | 200 | 60 to 70 | 4 to 6 |
| Starch-based blends | 1000 | 50 to 60 | 3 to 4 |
| Talc filler (powder) | 500 | 100 to 120 | 2 to 3 |
Для линии компаундирования PLA мощностью 1000 кг/ч требуется осушительная сушилка с объемом загрузочного бункера минимум 4000 кг для обеспечения непрерывной подачи материала во время цикла сушки длительностью от 4 до 6 часов. Сушилка должна включать замкнутую систему воздушного потока с регенеративным слоем десиканта, нагреватель технологического воздуха с ПИД-регулятором температуры и изолированный сушильный бункер для минимизации потерь тепла. Скорость потока воздуха должна быть откалибрована на уровне 1,2–1,5 кубических метра в минуту на килограмм материала в бункере.
2.3 Вакуумные конвейеры и системы обращения с материалами
Перемещение материалов между бункерами, сушилками и дозаторами должно осуществляться без повторного внесения влаги. Системы вакуумной транспортировки предпочтительнее открытых ленточных или ковшовых элеваторов, поскольку они работают в герметичных трубопроводах, которые можно продувать сухим воздухом. Типичная система вакуумного конвейера включает вакуумный насос (боковой канал или кулачковый насос), трубопроводы из нержавеющей стали с гладкими внутренними поверхностями, приемный бункер с фильтрующим узлом и разгрузочный клапан. Для биоразлагаемых порошковых материалов, таких как крахмал или карбонат кальция, конвейер должен включать спеченный фильтр из нержавеющей стали с функцией самоочистки импульсным струйным методом для предотвращения накопления порошка и засоров.
Скорость транспортировки должна составлять 1,5–2 раза от производительности экструдера, чтобы обеспечить циклы пакетной передачи без истощения последующих дозаторов. Например, экструдер мощностью 1000 кг/ч требует вакуумного конвейера с номинальной производительностью 1500–2000 кг/ч. Диаметр трубопроводов должен составлять 60–90 мм для гранулированных смол и 90–120 мм для порошковых материалов, чтобы предотвратить образование сводов и нарушение потока.
3. Системы точного дозирования и подачи
Системы точного дозирования и подачи определяют точность рецептуры конечного биоразлагаемого компаунда. Биоразлагаемые рецептуры обычно содержат от 50 до 85 процентов базовой смолы, от 10 до 30 процентов наполнителя или армирующего материала, от 1 до 5 процентов совместителя и от 0,5 до 3 процентов различных добавок, включая смазки, антиоксиданты и цветные мастербатчи. Даже небольшие отклонения в соотношениях добавок могут существенно повлиять на механические свойства, скорость деградации и поведение при переработке конечного компаунда. Поэтому система подачи должна обеспечивать стабильный, точный и воспроизводимый поток материала в загрузочное горло экструдера.
Компания Kerke предлагает пять типов систем подачи, каждая из которых подходит для различных типов материалов и требований к рецептуре:
3.1 Гравиметрические дозаторы (по потере веса)
Дозаторы по потере веса (LIW) являются золотым стандартом для линий компаундирования биоразлагаемых пластиков. Эти дозаторы работают по гравиметрическому принципу: весь узел дозатора установлен на высокоточном тензодатчике, который непрерывно измеряет потерю веса при выдаче материала. Система управления с обратной связью регулирует скорость шнека дозатора для поддержания целевой скорости подачи с точностью +/- 0,5 процента. Для биоразлагаемых рецептур, требующих точного дозирования добавок, дозаторы LIW обязательны.
Типичная конфигурация дозатора LIW для линии мощностью 1000 кг/ч включает бункер объемом 50 литров, механизм подачи с сонаправленным двухшнековым шнеком (для порошков и гранул), тензодатчик на 3 кг с разрешением 0,05 процента и систему дозаправки, которая автоматически пополняет бункер без прерывания цикла подачи. Для основной подачи смолы рекомендуется более крупный дозатор LIW с бункером объемом 150 литров и одношнековым механизмом подачи. Для жидких добавок, таких как пластификаторы или агенты сшивки, используется жидкостный дозатор LIW с головкой шестеренчатого насоса для дозирования.
3.2 Объемные дозаторы
Объемные дозаторы выдают материал в фиксированном объеме за единицу времени, откалиброванном по известной насыпной плотности. Хотя они менее точны, чем дозаторы LIW (типичная точность +/- 2–3 процента), они подходят для материалов с постоянной насыпной плотностью и для применений, где допустим незначительный дрейф рецептуры. В линиях компаундирования биоразлагаемых пластиков объемные дозаторы обычно используются для основного потока смолы, где материал гранулирован и имеет стабильную насыпную плотность.
3.3 Боковые дозаторы
Боковые дозаторы, также известные как двухшнековые боковые дозаторы, вводят материалы сбоку в корпус экструдера, а не через основное загрузочное горло. Эта конфигурация необходима для подачи наполнителей, таких как тальк, карбонат кальция, стекловолокно или крахмальный порошок, в поток расплава. Вводя наполнители ниже по потоку в уже расплавленный полимер, боковые дозаторы улучшают смачивание и диспергирование, одновременно снижая пылеобразование и засорение загрузочного горла. Для биоразлагаемых компаундов, содержащих от 20 до 40 процентов минерального наполнителя, обычно требуется боковой дозатор с производительностью 200–400 кг/ч.
3.4 Дозаторы-уплотнители (Crammer Feeders)
Дозаторы-уплотнители предназначены для материалов с низкой насыпной плотностью, таких как пенопласт из крахмала, хлопья биоразлагаемой пленки или легкие порошковые смеси. Эти дозаторы используют коническую геометрию шнека со шнеком-уплотнителем (crammer auger), который уплотняет материал перед его поступлением в загрузочное горло экструдера. Для линий, перерабатывающих рециклинг биоразлагаемой пленки или крахмалосодержащие пресеты, дозатор-уплотнитель увеличивает эффективную плотность подачи в 2–3 раза, позволяя экструдеру достигать номинальной производительности.
3.5 Системы подачи жидкости
Системы подачи жидкости используются для впрыска жидких добавок, таких как пластификаторы, связующие агенты или жидкие красители, непосредственно в корпус экструдера. Система подачи жидкости включает прецизионный дозирующий насос (шестеренчатый или поршневой), резервуар для хранения из нержавеющей стали с мешалкой, нагреваемый трубопровод подачи для поддержания вязкости жидкости и форсунку впрыска, установленную на корпусе экструдера. Для биоразлагаемых компаундов, требующих добавления 2–5 процентов жидкого пластификатора, подходит жидкостный дозатор с производительностью 0,5–5 кг/ч и точностью +/- 1 процент.
| Feeder Type | Best Suited Material | Typical Accuracy | Capacity Range (kg/h) | Recommended Position on Line |
|---|---|---|---|---|
| Loss-in-weight feeder | Additives, masterbatch, resin | +/- 0.5% | 0.5 to 800 | Main feed throat and side feed ports |
| Volumetric feeder | Pelletized resin with stable bulk density | +/- 2 to 3% | 10 to 1000 | Main feed throat |
| Side feeder (twin-screw) | Powdered fillers, glass fiber, starch | +/- 1 to 2% | 50 to 500 | Downstream barrel opening, zone 3 to 5 |
| Crammer feeder | Low bulk density flakes, film, foam | +/- 2% | 50 to 600 | Main feed throat |
| Liquid feeder | Liquid plasticizers, coupling agents | +/- 1% | 0.1 to 20 | Downstream barrel injection port |
4. Двухшнековый экструдер с сонаправленным вращением — основной узел компаундирования
Двухшнековый экструдер с сонаправленным вращением является сердцем производственной линии биоразлагаемых компаундов. В отличие от одношнековых экструдеров, которые полагаются на вязкостный поток для транспортировки материала, двухшнековые экструдеры с сонаправленным вращением используют зацепляющиеся шнековые элементы, создающие объемное вытеснение, самоочищающее действие и контролируемое смешение при сдвиге. Это делает их идеальными для биоразлагаемых полимеров, требующих тщательного распределительного и дисперсионного смешения без чрезмерного термического воздействия. Модульная конструкция шнека и корпуса позволяет настраивать технологический маршрут для конкретных рецептур биоразлагаемых материалов.
Двухшнековые экструдеры с параллельным сонаправленным вращением серии KTE от Kerke варьируются от KTE-16B (лабораторный масштаб) до KTE-135D (высокопроизводительный промышленный масштаб). Для компаундирования биоразлагаемых пластиков наиболее часто выбираются модели KTE-95D и KTE-135D. В следующей таблице спецификаций приведены данные для KTE-95D — универсального экструдера среднего диапазона, подходящего для производственных линий с производительностью 500–1000 кг/ч:
| Kerke KTE-95D Co-Rotating Twin-Screw Extruder Specifications | |
|---|---|
| Screw diameter | 95 mm |
| L/D ratio | 40:1 to 48:1 (modular, configurable) |
| Screw speed range | 50 to 600 rpm |
| Motor power | 250 kW (standard), 315 kW (high-torque option) |
| Torque rating | 1.8 to 2.0 Nm/cm3 (high-torque gearbox) |
| Barrel zones | 10 to 12 zones, each with independent temperature control |
| Barrel heating | Cast aluminum heaters, 6 to 9 kW per zone |
| Barrel cooling | Internal water cooling channels, proportional valve control per zone |
| Number of vent ports | 2 to 4 (natural vent and vacuum vent configurations) |
| Throughput (PLA/PBAT compound) | 600 to 1,200 kg/h (formulation dependent) |
| Feeding configuration | Main feed + 2 side feed ports + 1 liquid injection port |
| Material of barrel lining | Bimetallic, wear-resistant alloy (HRC 60 to 65) |
| Screw element material | W6Mo5Cr4V2 high-speed tool steel, nitrided surface |
| Control system | Siemens PLC with 15-inch touch HMI, closed-loop temperature control |
| Vacuum system | Water-ring vacuum pump, 0.08 to 0.1 MPa ultimate vacuum |
4.1 Конструкция шнека для биоразлагаемых пластиков
Конфигурация шнека является единственным наиболее важным фактором, определяющим качество смешения и термическое воздействие в двухшнековом экструдере. Компания Kerke проектирует каждую сборку шнека с использованием программного обеспечения для инженерных расчетов (CAE), выбирая из полного диапазона транспортирующих элементов, месильных блоков, обратных элементов и смесительных колец. Для биоразлагаемых компаундов компоновка шнека обычно следует следующей архитектуре:
- Зона подачи и транспортировки (L/D 4–8): Глубокие витки транспортирующих элементов перемещают материал из загрузочного горла в корпус с минимальным сдвигом, предотвращая преждевременное плавление или образование сводов.
- Зона плавления и начального смешения (L/D 8–16): Узкошаговые транспортирующие элементы, за которыми следуют месильные блоки под углом 30 и 60 градусов, инициируют плавление и начинают распределительное смешение. Эта зона должна создавать достаточный сдвиг для расплавления смолы без вызова термической деградации.
- Зона боковой подачи и диспергирования (L/D 16–24): Перед отверстием боковой подачи расположен вакуумный порт. После введения наполнителя месильные блоки под углом 90 градусов и специальные смесительные элементы обеспечивают дисперсионное смешение для разрушения агломератов наполнителя.
- Зона дегазации (L/D 24–32): Обратный транспортирующий элемент создает расплавную пробку перед вакуумным портом, предотвращая выброс материала через порт. Секция дегазации использует глубокие витки транспортирующих элементов для максимизации площади поверхности для удаления летучих веществ.
- Зона окончательного смешения и дозирования (L/D 32–40+): Дополнительные месильные блоки обеспечивают гомогенизацию, за которыми следуют транспортирующие элементы, создающие давление для головки экструзионной матрицы и системы гранулирования.
4.2 Контроль температуры корпуса
Точный контроль температуры корпуса критичен для переработки биоразлагаемых полимеров. Например, PLA имеет узкое окно переработки от 170 до 200 градусов Цельсия. Превышение 210 градусов Цельсия вызывает быструю термическую деградацию и обесцвечивание. Каждая зона корпуса на KTE-95D оснащена независимым ПИД-регулятором температуры с литыми алюминиевыми нагревателями, обеспечивающими нагрев, и внутренними каналами водяного охлаждения, обеспечивающими активное охлаждение. Точность контроля температуры составляет +/- 1 градус Цельсия в установившемся режиме. Такой уровень контроля предотвращает локальные перегревы, которые могут вызвать термическую деградацию термочувствительных биоразлагаемых полимеров.
4.3 Система вакуума и дегазации
Компаундирование биоразлагаемых пластиков генерирует значительное количество летучих веществ, включая остаточную влагу, мономеры и продукты деградации. KTE-95D оснащен системой вакуумной дегазации с водокольцевым вакуумным насосом, способным достигать предельного вакуума 0,08–0,1 МПа. Вакуумный порт расположен в зоне дегазации и включает вставку для предотвращения закупорки материалом. Система сбора конденсата улавливает извлеченные летучие вещества, предотвращая их попадание в вакуумный насос. Для рецептур с высоким содержанием летучих веществ может быть указана двухступенчатая система вакуума с форвакуумным и рутсовым насосами.
5. Системы фильтрации расплава и замены фильтров
Фильтрация расплава удаляет такие загрязнители, как неплавы, частицы сшитого геля, металлические фрагменты и посторонние включения из полимерного расплава до его поступления в матрицу для гранулирования. При производстве биоразлагаемых компаундов фильтрация особенно важна, поскольку загрязнители вызывают дефекты в тонкостенных изделиях, таких как биоразлагаемая пленка, контейнеры для упаковки пищевых продуктов и мульчирующая сельскохозяйственная пленка. Даже мелкие частицы геля могут создавать слабые места в биоразлагаемой пленке, вызывая преждевременный отказ при эксплуатации.
5.1 Типы фильтров-заменителей
В линиях компаундирования биоразлагаемых пластиков используются два основных типа конструкций фильтров-заменителей: ручные сдвижные пластинчатые фильтры и непрерывные (также называемые фильтрами с обратной промывкой или двухпоршневыми) фильтры-заменители. Ручные сдвижные фильтры требуют кратковременной остановки производства для смены фильтрующей сетки, что делает их подходящими для небольших линий или рецептур с низким уровнем загрязнения. Непрерывные фильтры-заменители используют конструкцию с двумя полостями, позволяющую менять фильтр без остановки экструдера, поддерживая стабильный поток расплава и давление.
Для биоразлагаемых линий мощностью 500 кг/ч и выше настоятельно рекомендуется непрерывный фильтр-заменитель. Остановка, необходимая для ручной смены фильтра, вызывает скачок давления, который может повредить цепи биоразлагаемого полимера из-за чрезмерного сдвига. Кроме того, перезапуск после смены фильтра производит гранулы вне спецификации, которые необходимо отделять и перерабатывать повторно, снижая общий выход продукции.
5.2 Выбор фильтрующей сетки
Выбор фильтрующей сетки зависит от размера удаляемых загрязнителей и допустимого перепада давления. Для биоразлагаемых компаундов, предназначенных для пленочных применений, типичен диапазон сеток 80–120 (180–125 микрон). Для компаундов литья под давлением обычно достаточно сетки 40–80 (425–180 микрон). Более мелкая сетка обеспечивает лучшую фильтрацию, но увеличивает перепад давления и требует более частой смены фильтров. Конфигурация пакета фильтров обычно использует слоистое расположение: грубая опорная сетка (20–40 ячеек) поддерживает тонкую фильтрующую сетку (80–120 ячеек), зафиксированную разделительной плитой.
Для компаундов с высоким содержанием наполнителя или рециклинга биоразлагаемых материалов рекомендуется автоматический фильтр-заменитель с обратной промывкой. Эта система периодически реверсирует небольшую часть потока расплава через фильтр для очистки поверхности сетки, продлевая срок службы фильтра от часов до дней и сокращая время простоя на замену фильтров.
5.3 Интеграция насоса расплава
Насос расплава (шестеренчатый насос), установленный между фильтром-заменителем и матрицей для гранулирования, стабилизирует давление и расход расплава, что критично для производства однородных гранул. Насос расплава поглощает колебания давления от экструдера и обеспечивает постоянный объемный выход на матрицу. Для линий компаундирования биоразлагаемых пластиков рекомендуется насос расплава с закаленными зубьями шестерен, нагреваемым корпусом и контуром обратной связи по давлению через датчик давления. Насос должен быть рассчитан на 1,2–1,5 раза от максимальной производительности экструдера для обеспечения будущего расширения мощности.
6. Системы гранулирования и резки
Система гранулирования преобразует непрерывную струйку расплава, выходящую из матрицы экструдера, в однородные гранулы. Выбор метода гранулирования существенно влияет на форму гранул, однородность размера, насыпную плотность и поведение при последующей переработке. Для биоразлагаемых пластиков качество гранул особенно важно, поскольку нерегулярные гранулы или гранулы с хвостами вызывают проблемы подачи в литьевых машинах и экструдерах для пленки. Компания Kerke предлагает шесть конфигураций систем гранулирования, каждая из которых подходит для различных материалов, скоростей производительности и требований к качеству гранул.
Для высокопроизводительного производства биоразлагаемых компаундов наиболее распространенной конфигурацией является экструдер KTE-135D в паре с системой подводного гранулирования. В следующей таблице спецификаций приведены данные для KTE-135D:
| Kerke KTE-135D Co-Rotating Twin-Screw Extruder Specifications | |
|---|---|
| Screw diameter | 135 mm |
| L/D ratio | 40:1 to 48:1 (modular, configurable) |
| Screw speed range | 50 to 500 rpm |
| Motor power | 500 kW (standard), 630 kW (high-torque option) |
| Torque rating | 1.8 to 2.0 Nm/cm3 (high-torque gearbox) |
| Barrel zones | 12 to 14 zones, each with independent temperature control |
| Barrel heating | Cast aluminum heaters, 9 to 12 kW per zone |
| Barrel cooling | Internal water cooling channels, proportional valve control per zone |
| Number of vent ports | 3 to 5 (natural vent and vacuum vent configurations) |
| Throughput (PLA/PBAT compound) | 1,200 to 2,500 kg/h (formulation dependent) |
| Feeding configuration | Main feed + 3 side feed ports + 2 liquid injection ports |
| Material of barrel lining | Bimetallic, wear-resistant alloy (HRC 60 to 65) |
| Screw element material | W6Mo5Cr4V2 high-speed tool steel, nitrided surface |
| Control system | Siemens PLC with 15-inch touch HMI, closed-loop temperature control |
| Vacuum system | Water-ring vacuum pump, 0.08 to 0.1 MPa ultimate vacuum |
6.1 Сравнение методов гранулирования
В следующей таблице сравниваются шесть методов гранулирования, предлагаемых Kerke, с указанием их применимости к биоразлагаемым компаундам:
| Pelletizing Method | Pellet Shape | Throughput Range (kg/h) | Pellet Quality | Suitability for Биоразлагаемые пластикиs | Relative Equipment Cost |
|---|---|---|---|---|---|
| Water-cooled strand pelletizing | Cylindrical cut | 100 to 3,000 | Good | Suitable for most PLA and PBAT compounds; standard method | Low |
| Air-cooled strand pelletizing | Cylindrical cut | 100 to 1,500 | Good | Suitable for moisture-sensitive formulations where water contact is undesirable | Low |
| Air-cooled die face hot cutting | Lens-shaped | 100 to 800 | Moderate | Limited to low-capacity lines and specific formulations | Low |
| Water ring die face hot cutting | Spherical | 200 to 2,000 | Very good | Excellent for PLA and PBS; produces uniform round pellets | Medium |
| Eccentric water mist hot cutting | Near-spherical | 200 to 1,500 | Very good | Suitable for heat-sensitive biodegradable blends | Medium |
| Underwater pelletizing | Spherical | 500 to 5,000+ | Excellent | Best overall choice for high-capacity biodegradable lines; uniform pellets, smooth surface | High |
6.2 Компоненты системы подводного гранулирования
Для производства биоразлагаемых компаундов в промышленном масштабе предпочтительной конфигурацией является система подводного гранулирования. Эта система разрезает струйку расплава на поверхности матрицы под водой, при этом гранулы немедленно закаляются и транспортируются потоком воды к центробежной сушилке. Ключевые компоненты включают нагреваемую плиту матрицы с множеством отверстий для гранулирования, головку резца с регулируемым давлением ножей, водяную камеру с циркулирующей водой с контролируемой температурой, насос для перекачки водогранулярной смеси, центробежную сушилку и систему водоочистки.
Плита матрицы нагревается для поддержания температуры расплава на поверхности матрицы, предотвращая преждевременное затвердевание, которое могло бы вызвать закупорку отверстий матрицы. Для биоразлагаемых полимеров температура плиты матрицы обычно устанавливается на 5–10 градусов Цельсия выше точки плавления полимера. Головка резца использует от 4 до 8 ножей из карбида вольфрама или инструментальной стали, вращающихся со скоростью 1500–3000 об/мин в зависимости от требований к размеру гранул. Диаметр гранулы определяется диаметром отверстия матрицы и обычно составляет 2,5–4,0 мм для биоразлагаемых компаундов. Длина гранулы контролируется соотношением скорости резца и производительности экструдера.
6.3 Горячая резка на поверхности матрицы с водяным кольцом
Для биоразлагаемых линий средней мощности (200–2000 кг/ч) система горячей резки на поверхности матрицы с водяным кольцом предлагает отличный баланс между качеством гранул и стоимостью оборудования. В этой системе расплав разрезается на поверхности матрицы вращающимся ножом, а гранулы отбрасываются в кольцо охлаждающей воды, которая закаляет и транспортирует их. Гранулы имеют сферическую форму с гладкой поверхностью, а система требует меньше места и меньших капитальных затрат по сравнению с системой подводного гранулирования. Однако система с водяным кольцом ограничена более низкими скоростями производительности и может производить больше переразмеренных гранул или мелкой фракции, если зазор между ножом и матрицей не поддерживается точно.
7. Оборудование для охлаждения, транспортировки и хранения гранул
После гранулирования гранулы должны быть охлаждены, высушены, транспортированы и сохранены перед упаковкой. Оборудование для охлаждения и транспортировки обеспечивает достижение гранулами стабильной температуры и уровня влажности, подходящих для хранения и последующей переработки. Неправильное охлаждение приводит к слипанию гранул, образованию сводов в складских бункерах и поглощению влаги, что может ухудшить качество биоразлагаемых компаундов.
7.1 Вибрационные флюидизированные охладители
Для систем гранулирования с воздушным охлаждением используется вибрационный флюидизированный охладитель для снижения температуры гранул после резки. Охладитель состоит из вибрирующей перфорированной платформы, через которую снизу вверх подается окружающий или охлажденный воздух. Гранулы транспортируются вдоль платформы за счет вибрации, одновременно охлаждаясь потоком воздуха. Для биоразлагаемых гранул температура на выходе должна быть ниже 40 градусов Цельсия для предотвращения слипания. Флюидизированный охладитель с площадью платформы от 3 до 5 квадратных метров может обрабатывать от 500 до 1500 кг/ч гранул в зависимости от насыпной плотности и теплоемкости компаунда.
7.2 Центробежные сушилки
Для систем грануляции в воде (подводная и кольцевая) центробежный сушильный аппарат удаляет поверхностную влагу с гранул. Сушилка использует вращающуюся корзину с внутренними лопастями, которые отбрасывают гранулы на сетку, при этом воздух проходит через слой гранул. Хорошо спроектированный центробежный сушильный аппарат снижает влажность поверхности гранул до менее 0,1 процента. Для биоразлагаемых гранул сушилка должна включать подачу нагретого воздуха (от 40 до 60 градусов Цельсия) для обеспечения мягкой вторичной сушки и предотвращения поглощения влаги в процессе сушки.
7.3 Системы транспортировки гранул
Высушенные и охлажденные гранулы транспортируются к месту хранения или упаковки с помощью систем пневмотранспорта или ленточных конвейеров. Пневмотранспорт предпочтителен для биоразлагаемых гранул, так как он работает в герметичных трубопроводах, минимизируя поглощение влаги. Система транспортировки должна использовать низкоскоростной плотный фазовый транспорт (от 2 до 5 метров в секунду), а не разреженный фазовый транспорт (от 15 до 25 метров в секунду), чтобы предотвратить истирание гранул и образование мелкой фракции. Для линии производительностью 1,000 кг/ч обычно указывается пневмотранспортер с диаметром трубопровода 50 мм и роторным питателем.
7.4 Хранение и упаковка готовых гранул
Готовые гранулы хранятся в герметичных силосах или упаковываются непосредственно во влагозащитные мешки. Для хранения насыпью используются силосы из нержавеющей стали с десикантными фильтрами-осушителями, поддерживающие сухость гранул во время хранения. Для фасованной продукции используется автоматическая фасовочная машина с системой взвешивания и термосваркой. Каждый мешок должен содержать пакетик с десикантом и быть изготовлен из влагобарьерного материала (например, тканого полипропилена с алюминиевым покрытием), чтобы поддерживать качество гранул во время транспортировки и хранения. Для биоразлагаемых гранул время хранения следует минимизировать, а силосы для длительного хранения свыше 30 дней должны продуваться сухим азотом.
8. Контрольный список вспомогательного и инженерного оборудования
Помимо основного производственного оборудования, линия по производству биоразлагаемых компаундов требует ряда вспомогательного и инженерного оборудования для обеспечения непрерывной и эффективной работы. Эти системы часто упускаются из виду при первоначальном планировании проекта, но их отсутствие или недостаточная мощность могут привести к узким местам в производстве, проблемам с качеством и незапланированным простоям.
8.1 Высокоскоростной смеситель
Высокоскоростной смеситель (также называемый интенсивным смесителем) используется для предварительного смешивания порошкообразных компонентов перед экструзией. Для биоразлагаемых компаундов смеситель смешивает порошок или гранулы базовой смолы с наполнителями, добавками и цветным мастербатчем, создавая однородную предварительную смесь, которая стабильно подается в экструдер. Типичный высокоскоростной смеситель для линии производительностью 1,000 кг/ч имеет рабочий объем 500 литров, двигатель мощностью от 30 до 45 кВт и работает при скорости от 500 до 1,500 об/мин. Смеситель должен включать как высокоскоростные, так и низкоскоростные мешалки для оптимальной эффективности смешивания и разгрузочный клапан, совместимый с пневмотранспортом.
8.2 Чиллер (охладитель жидкости)
Чиллеры подают охлажденную воду для охлаждения цилиндров, воды для грануляции и последующего охлаждения сушилок. Холодильная мощность должна учитывать все нагрузки охлаждения на линии. Для экструдера KTE-95D, работающего при производительности 800 кг/ч, общая потребность в отводе тепла составляет приблизительно от 120 до 150 кВт, что требует чиллера с номинальной мощностью не менее 180 кВт (с учетом потерь эффективности). Чиллеры должны иметь замкнутый контур циркуляции, теплообменник из нержавеющей стали и градирню или воздушный конденсатор. Для линий по производству биоразлагаемых материалов важна стабильность температуры воды +/- 1 градус Цельсия для обеспечения постоянного контроля температуры цилиндра.
8.3 Градирня
Градирня отводит тепло от конденсатора чиллера и другого водоохлаждаемого оборудования. Для линии по производству биоразлагаемых компаундов производительностью 1,000 кг/ч обычно требуется градирня с мощностью отвода тепла от 200 до 250 кВт. Градирню следует подбирать исходя из местной температуры влажного термометра окружающей среды, и она должна включать систему водоподготовки для предотвращения образования накипи, коррозии и биологического обрастания в контуре охлаждающей воды.
8.4 Воздушный компрессор
Сжатый воздух необходим для пневмотранспорта, пневмоклапанов, пневмоцилиндров и контрольно-измерительных приборов. Линия по производству биоразлагаемых компаундов обычно требует от 5 до 10 кубических метров в минуту сжатого воздуха при давлении от 0,6 до 0,8 МПа. Компрессор должен быть безмасляного типа для предотвращения загрязнения биоразлагаемых гранул и должен включать рефрижераторный осушитель воздуха и фильтр твердых частиц для подачи чистого сухого воздуха.
8.5 Вакуумная система
Вакуумная система для дегазации включает водокольцевой вакуумный насос, сепаратор конденсата и вакуумный буферный бак. Производительность насоса должна быть рассчитана на нагрузку по летучим веществам из рецептуры. Для компаундирования PLA с содержанием летучих веществ от 3 до 5 процентов обычно достаточно вакуумного насоса с производительностью от 100 до 200 кубических метров в час. Система должна включать сборник конденсата с автоматическим сливом для предотвращения попадания жидкости в насос.
8.6 Электрические и системы управления
Система управления линией интегрирует все оборудование в единую архитектуру управления. Kerke использует аппаратное обеспечение Siemens PLC с сенсорным экраном HMI размером 15 дюймов для интерфейса оператора. Система управления управляет скоростью экструдера, температурами цилиндров, производительностью дозаторов, вакуумным давлением, скоростью гранулятора и температурами водяных систем. Возможности регистрации данных и удаленного мониторинга позволяют технологам отслеживать параметры процесса и диагностировать проблемы удаленно. Электрический шкаф должен включать защиту от фазных неисправностей, защиту двигателей от перегрузки и цепи аварийной остановки, соответствующие стандартам CE.
8.7 Система пылеулавливания
Для линий, перерабатывающих порошкообразные наполнители или крахмал, система пылеулавливания необходима для безопасности работников и поддержания чистоты. Система включает улавливающие зонты в местах передачи материала, воздуховоды, картриджный пылесборник с импульсной очисткой и вытяжной вентилятор. Пылесборник должен быть рассчитан на конкретный тип пыли и соответствовать местным нормам охраны труда и техники безопасности по воздействию взвешенных частиц в воздухе.
9. Матрица выбора оборудования по годовой производительности
Выбор правильной конфигурации оборудования для линии по производству биоразлагаемых компаундов зависит прежде всего от целевой годовой производственной мощности. Следующая матрица выбора соотносит типичные цели годовой мощности с рекомендованными моделями экструдеров Kerke, системами грануляции и приблизительными конфигурациями линий. Эта матрица предполагает односменный режим работы продолжительностью 2,000 часов в год для диапазона меньшей мощности и трехсменный режим работы продолжительностью 6,000 часов в год для диапазона большей мощности.
| Annual Capacity (tons/year) | Hourly Throughput (kg/h) | Recommended Extruder Model | Recommended Pelletizing System | Motor Power (kW) | Estimated Line Footprint (square meters) | Relative Investment Level |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 200 to 400 | 100 to 200 | KTE-50D | Air-cooled die face or strand | 55 to 75 | 100 to 150 | Low |
| 500 to 1,000 | 250 to 500 | KTE-75D | Water ring die face or strand | 110 to 160 | 150 to 250 | Medium |
| 1,000 to 2,000 | 500 to 800 | KTE-95D | Water ring or underwater | 250 to 315 | 250 to 350 | Medium to High |
| 2,000 to 4,000 | 800 to 1,500 | KTE-110D | Underwater pelletizing | 355 to 450 | 350 to 500 | High |
| 4,000 to 8,000 | 1,500 to 2,500 | KTE-135D | Underwater pelletizing | 500 to 630 | 500 to 700 | Very High |
| 8,000+ | 2,500+ | KTE-135D + KTE-SE double-stage | Underwater pelletizing (dual-line) | 630+ x2 | 700+ | Premium |
Приведенная выше матрица выбора служит отправной точкой для подбора оборудования. На окончательную конфигурацию влияет несколько дополнительных факторов, включая конкретную биоразлагаемую рецептуру, количество производимых марок продукции, требуемый уровень автоматизации и имеющуюся заводскую инфраструктуру. Для клиентов, не уверенных в выборе подходящей модели, Kerke предлагает лабораторный двухшнековый экструдер (от KTE-16B до KTE-35D) для испытаний рецептур и разработки процесса, что позволяет осуществлять масштабирование на основе данных к оборудованию производственного масштаба.
Для специализированных применений, таких как биоразлагаемые компаунды на основе крахмала с очень высоким содержанием наполнителя (от 40 до 60 процентов крахмала), может быть рекомендована двухстадийная система экструзии, использующая двухшнековый экструдер серии KTE в качестве основной машины и одношнековый экструдер серии SE в качестве вторичной машины. Двухшнековый экструдер обеспечивает интенсивное смешивание и дегазацию, а одношнековый экструдер обеспечивает стабильное давление для грануляции. Эта конфигурация особенно эффективна для материалов, склонных к пульсациям или утечкам через вентиляционные отверстия в одностадийном экструдере.
10. Применение в компаундировании биоразлагаемых пластиков
Список оборудования, описанный в этой статье, поддерживает полный спектр применений по компаундированию биоразлагаемых пластиков. Каждое семейство биоразлагаемых полимеров имеет уникальные характеристики переработки, которые влияют на выбор оборудования, конструкцию шнека, профили температур цилиндров и метод грануляции. Понимание этих специфических требований к применению гарантирует, что производственная линия настроена для оптимальной работы с целевым материалом.
10.1 Компаундирование PLA (полилактида)
PLA — наиболее широко производимый биоразлагаемый полимер, получаемый из ферментированного растительного крахмала. Это кристаллический термопласт с температурой плавления от 150 до 180 градусов Цельсия и температурой стеклования от 55 до 65 градусов Цельсия. Компаундирование PLA требует тщательного контроля влажности (менее 250 ppm), умеренного сдвигового воздействия шнека и температур цилиндров от 170 до 200 градусов Цельсия. Типичные компаунды PLA включают PLA, наполненный тальком для повышения термостойкости, PLA, смешанный с PBAT для повышения ударной вязкости, и PLA с пластификаторами для гибких пленочных применений. Конфигурация двухшнекового экструдера для PLA обычно использует отношение L/D 40:1 с двумя вакуумными вентиляционными портами для тщательной дегазации.
10.2 Компаундирование PBAT (полибутиленадипаттерефталата)
PBAT — гибкий биоразлагаемый сополимер, используемый преимущественно как компонент смешения с PLA или крахмалом для повышения гибкости и ударной вязкости. PBAT имеет температуру плавления от 110 до 120 градусов Цельсия и перерабатывается при относительно низких температурах (от 160 до 190 градусов Цельсия). Линии по компаундированию PBAT выигрывают от бокового загрузчика для введения крахмала или наполнителя из карбоната кальция, а также от конфигурации шнека с распределительным смешиванием и расширенными зонами месильных элементов. PBAT менее чувствителен к влаге, чем PLA, но все же должен быть высушен до содержания влаги менее 500 ppm для предотвращения гидролиза во время переработки.
10.3 Компаундирование PBS (полибутиленсукцината)
PBS — полукристаллический биоразлагаемый полиэфир с хорошей термостойкостью (температура теплостойкости по Вика от 90 до 95 градусов Цельсия) и отличной перерабатываемостью. Компаунды PBS используются в сельскохозяйственных пленках, компостируемой упаковке и одноразовой посуде. PBS перерабатывается при температурах от 180 до 210 градусов Цельсия и требует умеренного сдвигового воздействия. Для компаундов PBS, армированных натуральными волокнами, такими как бамбуковое волокно или целлюлоза, необходим боковой загрузчик для введения волокна в расплав без чрезмерного уменьшения длины волокна. Температуру цилиндра в зоне боковой загрузки следует понижать для предотвращения обугливания волокна.
10.4 Смеси на основе крахмала
Термопластичный крахмал (TPS) производится путем желатинизации нативного крахмала с пластификатором (обычно глицерином или сорбитолом) в экструдере. Затем TPS смешивается с PLA, PBAT или PBS для получения биоразлагаемых компаундов с хорошей перерабатываемостью и скоростями биоразложения. Переработка крахмала требует шнекового питателя (кормушки) для порошка крахмала с низкой насыпной плотностью, жидкостного дозатора для пластификатора и расширенной зоны дегазации для удаления воды, выделяемой при желатинизации. Конфигурация шнека должна включать высокоинтенсивные месильные блоки в зоне желатинизации, за которыми следуют обратные элементы для запечатывания расплава перед вентиляционным портом.
10.5 Компаундирование PHA (полигидроксиалканоатов)
PHA — это семейство биоразлагаемых полиэфиров, производимых путем бактериальной ферментации. Компаунды PHA имеют узкое окно переработки и подвержены термической деградации выше 180 градусов Цельсия. Компаундирование PHA требует мягких конфигураций шнека с месильными блоками с более низким сдвиговым воздействием, более коротким временем пребывания и более низкими температурами цилиндров (от 150 до 175 градусов Цельсия). Система грануляции должна использовать кольцевую или подводную резку с охлажденными матрицами для предотвращения слипания гранул, так как гранулы PHA могут быть липкими при температурах выше 40 градусов Цельсия.
10.6 Производство биоразлагаемых мастербатчей
Помимо прямого компаундирования, та же линия оборудования может производить биоразлагаемые мастербатчи: концентрированные дисперсии пигментов, наполнителей или добавок в биоразлагаемой несущей смоле. Производство мастербатчей требует более интенсивного сдвигового смешивания для диспергирования пигмента и более тонких фильтрующих сеток (от 120 до 200 меш) для удаления гелей. Конфигурация шнека для производства мастербатчей обычно использует больше элементов дисперсионного смешивания и более высокое отношение L/D (от 44:1 до 48:1) для обеспечения полной дисперсии высоких загрузок пигмента (от 40 до 60 процентов).
11. Монтаж, пусконаладочные работы и послепродажное обслуживание
Закупка оборудования — это лишь первый шаг. Правильная установка, пусконаладочные работы и постоянная поддержка столь же критичны для достижения стабильного производства и максимизации возврата на инвестиции. Kerke, поддерживаемый брендом Wanplas, предоставляет комплексные услуги и поддержку, направленные на минимизацию времени выхода на режим и обеспечение долгосрочной надежности производства.
11.1 Предотгрузочные испытания
Каждый экструдер Kerke проходит строгий протокол предотгрузочных испытаний перед отправкой с завода. Испытания включают 72-часовую непрерывную работу в условиях моделирования нагрузки, проверку всех зон температур цилиндров, калибровку точности дозаторов, валидацию работы вакуумной системы и осмотр всех блокировок безопасности. Клиент приглашается присутствовать при предотгрузочных испытаниях лично или по удаленному видеосвязи. Вместе с машиной предоставляется подробный отчет об испытаниях, документирующий все измеренные параметры. Эти испытания гарантируют, что оборудование прибывает на площадку клиента готовым к установке без неожиданных дефектов.
11.2 Монтаж и пусконаладочные работы
Kerke направляет опытных инженеров на площадку клиента для надзора за монтажом и проведения пусконаладочных работ. Монтажная бригада помогает с позиционированием оборудования, подключением инженерных сетей (электричество, вода, воздух) и интеграцией всех компонентов линии. Пусконаладка включает испытания вхолостую, испытания под нагрузкой с использованием реальной производственной рецептуры, оптимизацию параметров и производство начальных образцов гранул для проверки качества. Типичный период пусконаладки для полной линии по производству биоразлагаемых компаундов составляет от 10 до 15 рабочих дней в зависимости от сложности линии и готовности площадки.
11.3 Политика запасных частей
В соответствии с обязательствами бренда Wanplas, Kerke предоставляет бесплатно запасные части на сумму USD 500 ежегодно для каждой машины. Это включает критические изнашиваемые детали, такие как элементы шнека, вкладыши цилиндров, уплотнительные кольца, уплотнения и фильтрующие сетки. Кроме того, поврежденные детали в течение гарантийного срока заменяются бесплатно. Kerke поддерживает обширный склад запасных частей на своем заводе площадью более 19,997 квадратных метров, обеспечивая быструю отправку деталей для минимизации простоев производства. Для клиентов в удаленных регионах Kerke рекомендует поддерживать комплект запасных частей на месте, включающий запасные сетки, нагревательные ленты, термопары и шнеки дозаторов.
11.4 Обучение операторов
Комплексное обучение операторов проводится в период пусконаладочных работ. Обучение охватывает эксплуатацию машины, процедуры безопасности, замену конфигураций шнека, текущее обслуживание, устранение неисправностей и процедуры контроля качества. Обучение адаптировано под конкретную рецептуру и конфигурацию оборудования клиента, обеспечивая возможность операторам самостоятельно управлять повседневным производством. Kerke также предоставляет подробные руководства по эксплуатации, схемы конфигурации шнеков и графики технического обслуживания в электронном и печатном форматах.
11.5 Удаленный мониторинг и поддержка
Экструдеры Kerke оснащены возможностями удаленного мониторинга, которые позволяют заводским инженерам в штаб-квартире Kerke получать доступ к данным PLC машины, просматривать параметры процесса и диагностировать проблемы в реальном времени. Эта возможность удаленной поддержки значительно сокращает время устранения неисправностей для международных клиентов, так как многие проблемы могут быть решены без ожидания приезда инженера на площадку. Удаленная поддержка доступна через защищенные VPN-соединения и включена в стандартный пакет послепродажного обслуживания.
11.6 Политика открытых посещений завода
В рамках политики открытых заводов бренда Wanplas, Kerke приветствует всех потенциальных и существующих клиентов для посещения производственного объекта. Посещения завода позволяют клиентам лично оценить качество оборудования, посмотреть машины в процессе сборки и испытаний, обсудить технические требования с инженерным персоналом и присутствовать на пробных прогонах с их конкретными рецептурами. Завод Kerke расположен в Нанкине, Китай, с удобным доступом к международным аэропортам и высокоскоростным железнодорожным сообщениям. Посещения можно организовать в короткие сроки, адаптируя их под конкретные интересы и график каждого клиента.
12. Типичные проблемы и руководство по устранению неисправностей
Даже при хорошо спроектированном списке оборудования производство биоразлагаемых компаундов может сталкиваться с эксплуатационными проблемами. Следующая таблица резюмирует наиболее распространенные ошибки, их коренные причины и рекомендуемые решения. Понимание этих проблем заранее помогает операторам предотвращать дефекты и поддерживать стабильное качество гранул.
| Problem | Root Cause | Equipment Involved | Solution |
|---|---|---|---|
| Foaming or silver streaks in pellets | Excessive moisture in feed material | Dehumidifying dryer, vacuum system | Verify dryer dew point below -40 degrees Celsius; check vacuum pump performance; increase drying time |
| Pellet discoloration (yellow or brown) | Thermal degradation from excessive barrel temperature or long residence time | Twin-screw extruder | Reduce barrel temperature by 5 to 10 degrees Celsius; check for dead spots in screw configuration; reduce screw speed |
| Inconsistent pellet size or shape | Melt pressure fluctuations at die face | Melt pump, pelletizer, screen changer | Install or service melt pump; check for screen clogging; verify pelletizer knife sharpness and alignment |
| Pellet clumping in storage | Inadequate pellet cooling | Fluid-bed cooler, centrifugal dryer, water chiller | Reduce pellet outlet temperature below 40 degrees Celsius; increase chiller capacity; verify dryer air flow |
| Extruder surge or unstable throughput | Feeding inconsistency or bridging in feed throat | Loss-in-weight feeder, feed throat cooling | Verify feeder calibration; check for material bridging; ensure feed throat cooling water is flowing |
| Vent flow or material overflow at vacuum port | Inadequate melt seal before vent or excessive throughput | Twin-screw extruder screw configuration | Add reverse conveying element before vent; reduce throughput; check vent insert condition |
| Poor filler dispersion | Insufficient shear in mixing zone or incorrect filler introduction point | Screw configuration, side feeder position | Reconfigure mixing zone with 90-degree kneading blocks; move side feeder upstream for longer mixing time |
| Excessive screw and barrel wear | Abrasive filler content or insufficient barrel lubrication | Twin-screw extruder screw and barrel | Specify bimetallic barrel lining and hardened screw elements; monitor wear at scheduled intervals; consider tungsten carbide coating for highly abrasive formulations |
| Die hole blockage in underwater pelletizer | Die plate temperature too low or contaminated melt | Pelletizing die, screen changer | Increase die plate heating; verify screen pack integrity; check for cross-linked gel particles in melt |
| High fines or pellet dust generation | Excessive pellet conveying velocity or brittle pellet formulation | Pneumatic conveyor, pellet formulation | Reduce conveying air velocity to dense-phase; add impact modifier to formulation; check pelletizer knife condition |
12.1 График профилактического обслуживания
Структурированная программа профилактического обслуживания продлевает срок службы оборудования и предотвращает незапланированные простои. Для линии по производству биоразлагаемых компаундов, работающей 6,000 часов в год, рекомендуются следующие интервалы технического обслуживания:
- Ежедневно: Осматривать бункеры дозаторов на предмет сводообразования; проверять уставки температур цилиндров; контролировать уровень воды в вакуумном насосе; осматривать ножи гранулятора на износ; очищать фильтрующие сетки, если перепад давления превышает пороговое значение.
- Еженедельно: Смазывать редукторы согласно спецификации производителя; осматривать и очищать вставки вентиляционных отверстий вакуумной системы; проверять все индикаторы расхода охлаждающей воды; осматривать фильтры пневмотранспорта; проверять калибровку дозаторов по потере веса.
- Ежемесячно: Осматривать элементы шнека на износ; проверять состояние вкладышей цилиндров с помощью эндоскопа; тестировать все блокировки безопасности; осматривать электрические соединения на предмет ослабленных клемм; заменять фильтры воздушного компрессора.
- Ежеквартально: Менять масло в редукторе; осматривать и заменять изнашиваемые кольца на плавильном насосе; калибровать все датчики температуры; осматривать и очищать ороситель градирни; проводить виброанализ главного двигателя и редуктора.
- Ежегодно: Проводить полную инспекцию шнека и цилиндра; заменять изношенные элементы шнека; осматривать и ремонтировать отверстия матрицы гранулятора; капитально ремонтировать или заменять ножи гранулятора; выполнять полное резервное копирование PLC и обновление программного обеспечения.
Часто задаваемые вопросы
Какое отношение L/D рекомендуется для компаундирования биоразлагаемых пластиков?
Для большинства биоразлагаемых рецептур, включая смеси PLA и PBAT, рекомендуется отношение L/D от 40:1 до 48:1. Это обеспечивает достаточную длину цилиндра для полного плавления, смешивания, дегазации и вентиляции без чрезмерного термического воздействия. Более короткие отношения L/D (от 32:1 до 36:1) могут работать для простых рецептур с низким содержанием наполнителя, но они ограничивают возможность включения нескольких боковых загрузчиков и вентиляционных портов. Более длинные отношения L/D (выше 48:1) увеличивают время пребывания и могут вызвать термическую деградацию в чувствительных к нагреву биоразлагаемых полимерах.
Может ли один и тот же двухшнековый экструдер перерабатывать как PLA, так и PBAT?
Да, тот же экструдер серии KTE может перерабатывать как PLA, так и PBAT путем изменения конфигурации шнека и профиля температур цилиндров. Однако между сменой материалов требуется тщательный цикл продувки для предотвращения перекрестного загрязнения. Материал для продувки должен быть совместимой биоразлагаемой смолой или коммерческим чистящим компаундом. Для операций, требующих частой смены материалов, конструкция цилиндра с быстросъемными соединениями на зажимах значительно сокращает время переналадки с часов до минут.
Какой метод грануляции лучше всего подходит для биоразлагаемых пластиков?
Подводная грануляция и кольцевая резка по торцу матрицы являются наиболее распространенными выборами для биоразлагаемых компаундов. Подводная грануляция производит однородные сферические гранулы с гладкой поверхностью, что идеально подходит для высокопроизводительных линий и для материалов, которые липнут при резке. Кольцевая резка предлагает более низкую стоимость оборудования и подходит для линий средней производительности от 200 до 2,000 кг/ч. Для рецептур, чувствительных к влаге, где контакт с водой нежелателен, альтернативой является воздушное охлаждение жгутов с последующей резкой, хотя это требует больше площади и производит цилиндрические, а не сферические гранулы.
Сколько площади требуется для полной линии по компаундированию биоразлагаемых материалов?
Требуемая площадь зависит от производительности и конфигурации линии. Линия производительностью 500 кг/ч на базе экструдера KTE-75D обычно требует от 200 до 300 квадратных метров, тогда как линия производительностью 1,500 кг/ч на базе KTE-110D может потребовать от 400 до 600 квадратных метров, включая зоны хранения сырья, инженерного оборудования и готовых гранул. Площадь должна включать достаточные зазоры вокруг экструдера для извлечения шнека (обычно от 3 до 4 метров со стороны привода), высоту над головой для доступа к загрузчикам (минимум 3 метра) и проходы для обслуживания и уборки.
Какой уровень влажности приемлем для биоразлагаемой смолы перед загрузкой?
PLA следует сушить до содержания влаги менее 250 ppm (0,025 процента) перед экструзией. PBAT менее чувствителен, но все же должен быть ниже 500 ppm. PBS требует сушки до уровня менее 300 ppm. Смеси на основе крахмала требуют сушки до уровня менее 1,000 ppm для предотвращения вспенивания и гидролитической деградации во время экструзии. Превышение этих порогов влажности вызывает гидролитический разрыв цепей, что необратимо снижает молекулярную массу и ухудшает механические свойства. Осушитель следует контролировать непрерывно, регистрируя точку росы и температуру сушки для обеспечения прослеживаемости качества.
Как часто следует заменять элементы шнека на двухшнековом экструдере?
Частота замены элементов шнека зависит от абразивности материала и часов работы. Для биоразлагаемых компаундов, содержащих минеральные наполнители, такие как тальк или карбонат кальция, при загрузке от 20 до 30 процентов, осматривайте элементы шнека каждые 3,000–4,000 часов работы и заменяйте изношенные элементы каждые 8,000–12,000 часов. Для ненаполненных компаундов PLA или PBAT элементы шнека могут служить 15,000 часов и более. Признаками износа являются увеличение зазора между вершинами витков шнека и стенкой цилиндра, снижение производительности при постоянной скорости шнека и плохое качество смешивания. Kerke использует высоколегированную инструментальную сталь W6Mo5Cr4V2 с азотированными поверхностями для стандартных элементов и предлагает элементы с покрытием из карбида вольфрама для сильно абразивных применений.
Может ли Kerke предоставить лабораторный экструдер для разработки рецептур?
Да, Kerke предлагает лабораторные двухшнековые экструдеры начиная с модели KTE-16B, предназначенные для испытаний рецептур, тестирования материалов и разработки процесса. Эти лабораторные установки воспроизводят поведение переработки экструдеров производственного масштаба, обеспечивая надежное масштабирование. Лабораторные экструдеры имеют ту же модульную конструкцию шнека и цилиндра, что и производственные модели, что позволяет напрямую переносить работу по рецептурам, выполненную на лабораторной машине, на производственную линию. Kerke также предлагает услуги тестирования образцов на своем заводе, где клиенты могут отправить свое сырье для пробного компаундирования с полной документацией параметров процесса.
Каков типичный срок поставки полной линии по компаундированию биоразлагаемых материалов?
Срок поставки стандартной конфигурации обычно составляет от 60 до 90 дней с момента подтверждения предоплаты. Пользовательские конфигурации со специализированной компоновкой корпусов, несколькими боковыми загрузчиками или автоматизированными системами подачи материала могут потребовать от 90 до 120 дней. Компания Kerke предоставляет подробный график проекта после подтверждения технического задания, включающий этапы инженерного проектирования, производства, предотгрузочных испытаний, транспортировки и монтажа. Для срочных проектов компания Kerke иногда может предложить ускоренное производство за счет выделения дополнительных производственных ресурсов при наличии свободных мощностей на заводе.
Заключение
Создание линии по производству биоразлагаемых пластиковых компаундов с использованием двухшнекового экструдера требует комплексного перечня оборудования, охватывающего семь основных этапов: хранение и сушка сырья, точная дозировка и подача, двухшнековая экструзия, фильтрация расплава, гранулирование, охлаждение и транспортировка гранул, а также вспомогательные системы обеспечения. Каждый этап должен быть специфицирован с тщательным учетом уникальных особенностей переработки биоразлагаемых полимеров, включая их чувствительность к влаге, узкий температурный диапазон обработки и склонность к гидролитической и термической деградации. Матрица выбора оборудования, представленная в данной статье, соотносит целевые показатели годовой производительности с конкретными моделями экструдеров Kerke: от KTE-50D для пилотного производства до KTE-135D для высокопроизводительных промышленных линий с производительностью до 2 500 кг/ч.
Компания Kerke, завод Wanplas с более чем 12-летним специализированным опытом в области двухшнековых экструдеров для компаундирования, более чем 2 000 установленных машин в более чем 70 странах и производственными площадями свыше 19 997 кв. м, предлагает полные линии по производству биоразлагаемых компаундов с полным инженерным сопровождением. Начиная с лабораторного экструдера KTE-16B для разработки рецептур и заканчивая производственным экструдером KTE-135D с системой гранулирования в воде, каждая машина сопровождается предотгрузочными испытаниями, монтажом и пусконаладкой на месте, бесплатным комплектом запасных частей стоимостью 500 долларов США в год, комплексным обучением операторов и поддержкой удаленного мониторинга. Политика открытого завода позволяет вам посетить производственную площадку Kerke в Нанкине (Китай), чтобы оценить качество оборудования, обсудить технические требования с инженерным персоналом и присутствовать на пробных запусках с использованием вашей конкретной биоразлагаемой рецептуры.
Если вы планируете создание линии по производству биоразлагаемых пластиковых компаундов, отправьте детали рецептуры, целевую производительность и спецификации продукции в инженерную команду Kerke для получения предложения по индивидуальной конфигурации оборудования. Независимо от того, нужна ли вам полная линия «под ключ» или отдельные машины для модернизации существующего производства, компания Kerke и бренд Wanplas готовы поддержать ваш проект на всех этапах — от концепции до полного запуска в производство. Приглашаем вас запланировать визит на завод, запросить пробный запуск с образцами или обсудить требования к перечню оборудования с нашими техническими специалистами.
