生物聚合物 | 7分钟阅读

在双螺杆上复合PLA:测试揭示了什么

双螺杆挤出是复合PLA和其他生物聚合物的首选方法。但是处理PLA很复杂,因为它’对热和剪切敏感。它 &如果熔融的PLA中存在水分,则也易于水解降解。这里’ s什么一台机器制造商’的试验显示。
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聚乳酸(PLA)和其他生物塑料的使用继续增加。最近在德国纽伦堡举行的2013年聚合物加工协会会议上进行的许多与PLA有关的演讲,以及常年参加NatureWorks的活动证明了人们的兴趣从未如此高涨“创新扎根”会议,以及今天提供的其他许多生物塑料行业活动。

双螺杆挤出是复合PLA和其他生物聚合物的首选方法。在双螺杆挤出机上将PLA与母料,抗冲改性剂,填料,添加剂和其他聚合物混合,可以提高PLA的功能。

处理PLA很复杂,因为它’对热和剪切敏感。它 ’如果熔融的PLA中存在水分,也容易发生水解降解。升高的温度,压力和水分都会导致分子量损失和机械性能下降。而且,PLA需要大量扭矩才能熔化和加工。实际上,在加工PLA时,扭矩通常是限速因素。所有这些挑战必须在双螺杆挤出系统的设计和配置中解决。

It’在挤出前正确处理PLA至关重要。装在容器中的PLA颗粒应保持密封,直到材料准备好干燥/加工为止。储存在筒仓中的药丸应用干燥空气或氮气吹扫,以尽量减少水分吸收。通常建议在挤出前在干燥剂干燥器中干燥PLA,使其水分含量低于250 ppm。

在送入PLA之前,请确保已清洁挤出系统,并避免了交叉污染。同向啮合的双螺杆挤出机(TSE)利用模块化的机筒和螺杆,允许匹配特定的螺杆和机筒几何形状 在机器中执行的单元操作。同向旋转TSE具有自动擦拭螺钉,因此可以使用螺钉和枪管的标准冶金材料,例如淬硬的工具钢和粉末冶金材料,以提高耐磨性。但是挤出过程中所有金属零件的流动面积都停滞不前—适配器,换网器和模具—应由不锈钢和/或镀硬铬制成,以提高耐腐蚀性。

不对称花键轴

自由体积是任何TSE的重要设计参数,并且与螺钉的OD / ID比直接相关,这是通过将外径(OD)除以每个螺钉的内径(ID)来定义的。较小的丝杠轴可以增加自由体积,但要以达到可获得的扭矩为代价。扭矩通常受螺杆轴的横截面面积,轴的设计和冶金学限制。更深的螺杆螺纹可产生更多的自由体积,但扭矩较小,因为必须使用直径较小的螺杆。较浅的飞行深度和较低的OD / ID比会导致较高的平均剪切率,而较深的飞行和较高的OD / ID比会导致较低的剪切率。

多年来,人们一直认为使用外径/内径比为1.55的对称花键丝杠轴可实现扭矩和体积的最佳平衡。但是对称的花键轴将切向力和径向力矢量都引入到动力传动系中,并且由于径向力没有沿有益的方向施加,因此合力并未得到优化。

最近,引入了不对称的花键轴,该轴可隔离切向力矢量,从而以较小的轴直径实现更高的扭矩传递。结果,许多人认为,1.66 / 1 OD / ID比具有更深的飞行深度,更高的自由体积和更大的扭矩。更深的飞行和增加的扭矩的结合对于加工PLA化合物特别有利(见图1)。

PLA的化学性质使其在挤出过程中不太可能形成凝胶。由于升高的熔体温度和停留时间不利于PLA加工,因此通常建议使用80至120目筛网的流线型换网器。更精细的过滤是有问题的,因为相关的高压会导致背压增加和熔体温度升高,从而导致分子量损失和降解。

PLA产品使用了各种下游系统,最常见的是水下造粒机,用于制造粒料用于随后的单螺杆挤出或成型。对于PLA,在水下造粒过程中采用了各种技术来增强结晶,包括升高的水温,较短的管道距离,向水流中注入空气以及流化/加热的下游处理设备。

在双胞胎上运行PLA:三个试验

Leistritz最近对TSE进行了三个PLA实验:
1. PLA颗粒产量率检查:PLA颗粒(NatureWorks Ingeo 2002D)在ZSE-27 HP型号(直径27毫米的螺钉,4.5毫米飞行深度,1.5 OD / ID比)和ZSE-27 MAXX(直径28.3毫米)上加工, 5.7毫米的飞行深度,1.66 OD / ID比)速度分别为300、600和1200 rpm。在每个螺杆速度下,提高吞吐速率,直到遇到边界条件为止,其范围从300 rpm的130 lb / hr到1200 rpm的375 lb / hr。所有测试运行均受扭矩限制,而非进给限制。与ZSE-27 HP模型相比,使用相同的电动机/扭矩,ZSE-27 MAXX在较低的熔体温度下生产率提高了约10%(图2)。

1.66 / 1 OD / ID设计的较温和的熔化机理消耗较少的扭矩,并允许更高的产量,而更深的TSE飞行所固有的较低的平均剪切速率导致较低的比能量输入和熔融温度(图3)。

这些测试在TSE中的停留时间很短,不到30秒。但是它’不仅重要的是在TSE中的停留时间(RT),而且在前端系统中也是如此。例如,如果将TSE仅与水下造粒模具配合,则前端的RT可能少于5秒,而集成齿轮泵,换网器,和板模。较短的RT允许更大的工艺范围和更高的熔体温度而不会降解。必须始终考虑RT和温度的组合。

2. 直接挤出填充的PLA片材:在TSE片材系统上进行了测试,以将PLA与15-25%CaCO3(特种矿物EM Force)复合,以确定将原料直接一步转化为片材的工艺可行性,绕开制粒工艺,避免了额外的操作单螺杆挤出机进一步加工的热/切变历史。

使用两个失重式计量进料器和直径为28.3毫米的ZSE-27 MAXX双螺杆挤出机进行测试。螺钉和OD / ID比率为1.66,配有侧面填充器,用于下游填料的添加。前端系统包括一个齿轮泵,宽10英寸,柔性唇 /胶片模头,带拉辊的三辊叠层和一个扭矩卷绕站。该过程以90 lb / hr和200 rpm的螺杆速度运行。

系统生产了0.5毫米厚的板材。熔体温度低于390F。通过规范化的Gardner冲击MFE(平均破坏能量)测量板材的冲击性能,这表明填充的PLA配方的机械强度提高了近20倍(图4)。薄膜/片材样品的分析表明,分散良好的产品具有可接受的表面质量和尺寸稳定性。进一步的放大测试似乎是值得进行的下一步。

对于直接片材(或就此而言的型材,薄膜或纤维)挤出,通常将齿轮泵与TSE配对以建立并稳定对模头的压力是一种好习惯。在换网器之前将齿轮泵集成到TSE,可以使挤出机保持较低的入口压力(小于800 psi),从而最大程度地减小了升高的压力和在TSE排出时产生的飞越混合带来的粘性加热效果。对于消费后回收处理,有时在齿轮泵之前进行粗过滤,而在齿轮泵之后进行细过滤。

3. 未经干燥的PLA(小丸和再生料)直接制成片:将PLA粒料和边缘修整料以50/50的比例计量到ZSE-50 MAXX(直径51.2毫米的螺钉,外径/内径比为1.66,L / D为40:1),并进行优化设计排气效率。该过程以440lb / hr和250rpm运行。温度区域在350 F至390 F之间。熔体温度为375-390F。电动机负载约为70%。

下游系统包括齿轮泵,带有100目筛网的滑板式换网器(破碎机板为100毫米)。 40英寸宽,柔性唇片模具;带拉辊站的三辊堆垛;和扭矩绕线机。

水分分析仪测试表明,PLA粒料的水分含量为1600-2000 ppm,再生料的含量为2800至4200 ppm。如果优化了TSE工艺段和螺杆设计,则可最大程度地减少水解,并消除昂贵的干燥和结晶操作。片材样品的分析表明,分子量损失介于5%和8%之间,被认为对本应用是成功的(图5)。在单螺杆挤出机上加工的预干燥的PLA最有可能导致分子量损失减少;但是,结果表明,在TSE上处理未干燥的PLA(或PET)对于许多产品(可能是大多数产品)都是可行的。

指定同向旋转,互相啮合的双螺杆挤出机时,’了解您可能遇到的边界条件很重要。 PLA过程受热传递(和扭矩)的限制,因此在实验室环境中获得的通量不会在体积上扩大。根据记录的结果,降低螺杆转速并假设传热受到限制,按比例放大程序表明,对于具有1.66 OD / ID比和140毫米直径的TSE,可达到的速率约为4400磅/小时。螺丝。

关于作者

查理·马丁(Charlie Martin)是新泽西州萨默维尔(Lesstritz 挤压)的总裁/总经理,该公司是用于复合,直接挤出和制药应用的双螺杆系统的供应商。 Martin从1990年8月开始在Leistritz工作。从1984年至1990年,他在Killion Extruders工作。联系方式:(908)685-2333;电子邮件: cmartin@alecusa.com;网站: leistritz-extrusion.com。

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