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德国格诺斯MRS挤出系统在PET热成型板加工中的应用

日期:2020-07-06浏览:107次

1.简介

 

包装工业对热成型容器的需求持续增长。主要是两个原因。一方面,PET具有优异的机械和光学性能。另一方面,用回收PET瓶片制造高质量的热成型板材,能够极大地节省原材料成本。

 

利用德国格诺斯Gneuss的创新工艺,回收的PET瓶片甚至可以加工成薄片,用于热成型。热成型容器质量高,甚至可以用于直接接触食品的包装。对材料进行优化的加工能够得到性能极好的热成型板材,因为板材具有更好机械性能,即使PET密度更高,也能加工出更轻的容器。

 

PET板材可热塑加工成多种产品,包括从电子产品的吸塑包装到食品容器。食品容器可与食品一起加热 (微波炉/烤箱)。

 

PET包装的优势还包括良好的透明度和优异的表面光泽,能够增加消费者的好感。

 

2. PET加工

 

2.1 脱挥 / 去污和挤出

 

PET挤出工艺中水分抽取的重要性

 

现今通常采用的方法是在单一螺杆挤出机加工前先将物料干燥。PET干燥过程复杂,维护成本高,投资成本高,厂房面积大,运行成本高,一般采用干燥空气在180°C干燥。事实上,材料必须干燥长达8小时,降低了PET处理工艺的灵活性。

 

用挤出机加工PET材料的过程中,在正常的加工温度下,任何可能存在的水分子都会降低PET链的长度,使得粘度的降低,导致降低最终产品的机械性能。

 

为了避免这个问题,PET颗粒通常会预先干燥很长一段时间,其作用是在挤出工艺前去除水分,防止水解。然而这个化学反应是可逆的,减少或增加水的含量会导致朝平衡点左右两个不同方向发展。

 

这种现象可以在挤出过程中起到积极的作用。通过去除加工过程中的水分子,受损的PET分子链可以自我重建。

 

扩散过程描述了去除水分子的物理先决条件,通过菲克第/一定律可以看出。

 

2.1.1 MRS挤出概念的脱挥应用

 

使用MRS挤出机可以直接加工PET颗粒,无需进行预先干燥。在挤出过程中(熔体阶段),聚合物表面被大幅度地扩大并高速交换,从而使挥发物得以提取。

 

MRS挤出机可以被视为带着非常特殊的排气单元的单螺杆挤出机。聚合物熔体被输送到一个很大的单螺杆滚筒中。

 

滚筒包括8个或10个(取决于不同的型号尺寸)小的挤出料筒,与主螺杆轴平行。

 

在小的料筒里的是“卫星”螺杆,它由主筒中的环形齿轮驱动的。“卫星”螺杆绕螺杆轴旋转时,与主螺杆方向相反。这种不对称的运行设计能够增加聚合物熔体的表面交换。

 

挤出机料筒被分割为多旋转系统的滚筒,约30%筒体打开,确保聚合物在进入料筒时为出色熔融状态,实现不受限制的抽干。此外,可以实现精确的温度控制,即接触熔体的所有表表温度都可以精确控制。

 

得益于获得专/利技术的多螺杆单元,MRS挤出机在多领域中广泛使用。即使真空仅有20 - 40 mbar,排气功能依旧表现优异。

 

这种抽真空技术是基于可靠的单螺杆挤出机概念。在多回转部分,主滚筒中有以环形方向排列的8个卫星螺杆。

 

MRS挤出机的独特设计避免了传统多轴或多螺杆设计中的(啮合)问题,传统设计由于其紧密的间隙,挤出机很容易受到损伤。MRS挤出机的设计尤其适用于PET瓶片再加工工艺,因为PET瓶片通常含有粗污染。

 

MRS技术优势还包括100%PET除湿,增加材料的固有粘度。

 

多旋转组件的设计使得熔体表面比传统挤出机大很多。例如:MRS系统产生的熔体表面交换率是同向旋转双螺杆挤出机的25倍。

 

熔体处理过程极其温和的结果便是出色的质量的最终产品,比如黄度。

 

与其它多螺杆系统相比,MRS具有结构紧凑、坚固耐用的特点。旋转的卫星螺杆在独立轴承上运行,与包含多个单螺杆的料筒相容。

 

出色的性能,模块化的抽空或排气系统,可以更地满足客户的不同需求。模块的位置、长度和设计是多种多样的。

 

一位南美洲的客户使用100%回收瓶片制造热成型板材。虽然瓶片湿度高达10.000 ppm,但是整个生产没有任何预干燥步骤,在挤出的多个阶段分析材料的I.V.值,脱挥单元的上游和下游,同样分析最终产品的I.V.值。

 

在挤出的第/一个单元中聚合物的粘度很明显地降低了,这是因为水的含量被整合到PET的链中。输入的水分越多,下降的幅度越大。在排气单元中,通过化学反应水分子被真空抽干(由扩散驱动)。也就是说,MRS能够增加聚合物的链长、分子量、粘度和机械性能。此外,真空度可以控制粘度的增加,因此,可以实现使用在线粘度测量来控制真空,通过闭环控制来稳定粘度水平。

 

真空液位是影响和控制脱挥段粘度增加的主要因素。真空对粘度的影响非常大。

 

可以清楚地看到,粘度随真空度增加而增加的现象。

 

2.2用格诺斯在线粘度计VIS进行过程控制

一小部分聚合物熔体从主熔体通道转移出来,用高精度齿轮泵将其泵入精密制造的狭槽毛细管中。测量了熔体温度和熔体压力(在两个位置)。基于内部计算,粘度计监测代表性剪切速率的值和相应的粘度。可以设定不同的剪切速率,并通过相应的修正得到粘度和剪切速率的真实值。

 

产品设计非常紧凑。可安装在两个法兰连接件之间。可根据客户要求设计0.5 - 2mm的熔体通道。该产品单元包括一个泵驱动器、一个泵、压力传感器、温度传感器以及控制和评估电子设备。工艺参数的设置、评价和显示,可以通过通过用户友好的触摸屏面,也可以集成到现有的控制系统中。

 

结合格诺斯多年的技术测量和加工技术,产品能够实现无论材料条件(有水分残余)都能够在非常窄的带宽中保持熔体质量

 

粘度是通过熔体压力和温度来测量的,以此作为控制值,自动调节MRS挤出机下放段的真空,从而保证恒定的熔体性能(粘度、分子量以及由此产生的机械性能)。

 

上图显示了真空(红色)和熔体粘度(蓝色)随时间的变化。可以清楚地看到11:00时输入材料的变化。物料筒仓发生了变化,但在此之前,物料是从筒仓下部抽出来的,该物料残余含水率较高。变化后,薄片的残留水分水平会立即降低。通过增加MRS挤出机脱挥段的真空,可以保持物料的粘度和分子量,从而保持机械性能,即最终产品的质量不变。

 

2.3熔体过滤器:工艺-压力恒定熔融过滤一体化自清洗

在聚合物进入模具之前应清除各种污染物,其目的是达到对透明度(板材)或拉伸强度(热成型板材、捆扎带)的更质量要求,同时保护下游部件不受损坏。全自动操作和压力恒定格诺斯的旋转熔体过滤系统能够完全胜任以上要求。

 

旋转过滤系统由三个主要部分组成: 进口模块、出口模块和在它们之间旋转过滤盘。系统是金属间密封,间隙非常狭小,表面十分平坦、坚硬,保证与熔体接触的所有部件均不与环境接触(例如氧气)。

 

滤网位于过滤盘中间的环形中穿过熔体流动通道。当熔体流经滤网时,污染物被拦截,压差略有增加。控制系统对压力的增加作出反应,将过滤盘转位调整1-2个角度。

 

在重新进入熔体通道之前,带有污染物的滤网需要清洗。通过高压部分冲净系统清洗。已过滤的熔体从出口模块中抽出,虹吸到液压驱动活塞中,然后在高压下从后面射出,通过过滤盘和滤网进入进口模块。冲净压力是经过测量且可调节的,确保更高质量。利用确定的高脉冲,每次仅清洗小部分(大约是滤网面积的1%)。

 

反冲洗活塞的冲程(=要使用的熔体量)和速度(=清洗强度)可以自由调节,确保高质量。因此,一方面可实现有效的清洁,另一方面仅使用最小量的熔体(反冲洗损失最小)。

 

基于这种操作模式,滤网达到100%的实际清洗,并可以重复使用,根据不同的过滤细度,可高达400倍。在某些应用中,全自动过滤(没有任何操作员的注意)可能长达几个月。

 

在此之后,由于机械方面的原因,滤网不得不进行简单的更换。得益于格诺斯专/利技术的滤系统运作模式,更换滤网对生产工艺流程没有任何影响。根据生产线的规模大小,所有过滤部件的滤网更换需要大约15分钟,操作人员可以在不影响生产过程的情况下进行。

 

2.4 德国格诺斯Gneuss挤出生产线(GPU)

德国格诺斯Gneuss的处理单元(GPU)是不同Gneuss产品和技术的模块化配置,将其组合在一条高性能挤出生产线上,以制造高质量的产品。

 

2.5 泡沫板生产

 

德国格诺斯Gneuss PET板材挤出生产线以其在原材料和成品方面的灵活性而闻名。采用德国格诺斯Gneuss加工单元的PET板材挤出生产线可以快速灵活地切换到生产物理发泡PET板材。利用MRS泡沫模块进行生产加工,泡沫板重量能够减少50%以上,且具有良好的泡沫结构和力学性能(取决于工艺)。可以使用100%回收料,包括边角料,骨架废料以及混合物。

 

重量减少50%以上的泡沫板可以用一致的泡沫结构和力学性能来制造(取决于工艺)。使用100%回收料,边角料/研磨的骨骼废物和这些的组合物。

 

得益于MRS挤出机极好的混合性能,成核剂和发泡剂能够在熔体中完全且均匀地分布。线粘度计确保粘度保持在要求的水平。经过挤压和过滤的熔体具有出色的粘度和强度。确保当从模具中出来时聚合物的发泡密度已降低。

 

2.6 德国格诺斯GneussPET板材挤出技术的优势

 

  • 透明度高,光泽好,黄度低
  • 高韧性,耐冲击,低脆性
  • 分子分布优异,热成形性良好
  • FDA的LNO(Letter of Non Objection)认证的100%再生料。EFSA认证可直接与食品接触的单层和共挤片材
  • 快速更换原材料,灵活度高
  • 省电节能,占地面积小,维护简单

 

 

技术方案

•测重量的多组分定量给料机

•共挤(MRS,单螺杆挤出机)

•分层薄板片材

•防阻塞/防静电涂层

•厚度测量,可选自动调整模具机头口型

•板材质量监控系统

•应力分析仪

•Viscosmeter在线粘度计

•泡沫板模块

 

3. 应用案例

 

3.1 东欧某客户的带有共挤的完整德国格诺斯GneussTurn-Key生产线

 

一家位于东欧的PET板材制造商,采用无烘干机技术,将PET瓶片加工成热成型板材,节省大量能源的同时,具有出色的生产灵活性。

 

该PET片材挤出生产线用于PET片材的热成型加工。片材卷在卷筒上。该片材随后被制造成一系列不同的热成型容器,用于食品包装(锅、桶和托盘、带密封层的盖子和金属化托盘,用于巧克力糖果等)。由于产品种类繁多,对板材的性能要求非常严格,从挤出机到络筒机,德国格诺斯Gneuss挤出生产线都能达到高性能要求。

 

三层ABA和单层薄板都可以通过这条产线生产。该产品适用于食品接触(FDA和EFSA认证), PET瓶片可用于任何一层。共挤外层是功能层(如反结块,着色),母粒的使用仅限于共挤机。

 

该产线的总吞吐量为1.750 kg/h。主挤出机的吞吐率可达1.400 kg/h。MRS 90共挤机的吞吐率为350 kg/h。典型的板材厚度是150 - 1.200μm板宽度是450和1.800毫米之间。

 

由于MRS挤出机具有独特的塑化、去污和均质性能,它可以加工多种材料。回收PET瓶片、边角料、预成型重磨、结块的PET材料、颗粒以及这些材料的共混物都可以简单直接地加工(无需预干燥或结晶)。

 

挤出机的MRS部分通过真空系统从熔体中去除有害的挥发物,德国格诺斯Gneuss旋转熔体过滤系统能够或多或少地从聚合物熔体中去除固体污染物。全自动旋转式熔体过滤系统RSFgenius过滤器加工过程中的熔体,根据片材的质量要求,在常数条件下,常用过滤细度为40至75μm。

 

PET材料的粘度值由德国格诺斯Gneuss在线粘度计实时监测和记录。实现对这一重要参数进行长期监测。在线粘度计是常用的质量监控仪器,同时可以通过真空系统来控制粘度,从而确保一致的高质量片材。

 

利用薄板模具的内部毛边系统,薄板的净宽度可减到300毫米。轮辐叶片的调整是通过一个操作方便的手动曲柄轴进行外部。

 

该模具配备了一个自动模具机头口型调整系统,从厚度扫描仪控制,以确保致密的板厚公差,并达到出色的厚度剖面从而启动更快。

 

材料从模具进入三辊抛光堆栈,这是完全匹配的模具。熔帘以40度角进入下两个辊之间的间隙J- stack。聚合物以切向的方式进入间隙,这对PET尤其高效。

 

这条德国格诺斯Gneuss片材生产线的辊子堆的下游是一个内嵌的层压站。客户可将PE密封膜层压在PET片上。可以自由指定应用膜的种类,除了密封膜外,例如还可以应用阻隔膜。

 

该客户利用MRS挤出机不需要预干燥和/或结晶的优势,加工中产生的层压PET / PE边角料,直接重新研磨回挤出机。如果是传统加工工艺,重新利用这种PET / PE边角料是有问题的,因为PE薄膜在正常的PET预干燥温度下变得粘稠并粘在一起。MRS挤出机在PET / PE重磨方面具有优势,PET和PE在MRS挤出机段混合得非常均匀。由PET / PE重磨而成的板材可用于一系列不需要透明板材的产品(如单色板材、鸡蛋包装等)。客户甚至可以利用这种重磨工艺到高质量产品的加工应用中,无需处理。

 

最后但并非最不重要的是,该绕线机提供了各种不同的薄板格式的精确绕线。圆刀(带传动装置)确保切割干净。可以一次性缠绕多达4层的板材,因为该系统每个分离的共同轴带有各自独立的驱动器。因此,无需摩擦缠绕轴,就可以在一个A型框架上以确定的恒定缠绕张力缠绕两个腹板。

 

3.2 美国客户的部分德国格诺斯GneussTurn-Key生产线

 

近年来,德国格诺斯Gneuss的PET热成型板材生产线被大量应用于使用100% PET瓶片的食品包装加工领域。

 

这些生产线的生产能力从400公斤/小时到2000公斤/小时不等。板材宽度为720至1.950毫米。在这些生产线上使用的PET瓶片均符合FDA标准要求,生产线上能够使用各种混合物,包括PET瓶片、再研磨的边角废料、未使用的颗粒原料等。

 

Gneuss在美国的一位老客户已经拥有5条Gneuss PET板材生产线,利用Gneuss MRS 130和MRS 160挤出机,生产能力达到每小时1.000至1.400公斤。该客户主要使用回收PET瓶片和研磨边角料生产水果、蔬菜、鸡蛋的壳型包装盒。

 

由于MRS挤出机具有FDA的LNO认证,客户指定了单层线。防堵塞涂层是通过硅浴涂敷器来实现的。没有任何共挤,确保挤出线简单,操作简单。

 

作为一项全定制方案,Gneuss向美国客户交付了一台紧凑的MRS 200挤出机。定制的难点在于挤出机需要安装在极其紧张的空间内。该挤出机的生产能力为每小时2000公斤。并用于制造成卷的PET片热成型成容器的食品包装。该客户使用性质各异的回收瓶片以及工业再研磨料作为原料。

 

熔体过滤决定了片材的光学质量,确保挤出机生产的最终产品具有高质量。生产线采用全自动、自动清洗的Gneuss旋转熔体过滤系统,RSFgenius 200型,污染的材料能够进行有效的过滤,使板材具有优异的清晰度且不含的夹杂物。

 

同时,Gneuss在线粘度计实时记录粘度值,客户重视这些数据。操作人员利用数据调整挤出机,补偿输入原料的变化。

 

食品包装容器制造商青睐德国格诺斯Gneuss板材生产线的原因在于,能够跟随在快速变化的市场定制的不同的容器,确保了高水平的灵活性。

 

基于如上原因,一位美国客户特意为此选择了德国格诺斯GneussPET板材挤出系统。这家公司生产各种各样的产品,如锅、托盘和带有多个隔间的容器。所有产品的原料都是不同的混合后的彩色PET瓶片,食物接触兼容性是选购的另一个重要的标准。客户使用单层生产线,以保持材料的快速和简单的变化。客户重视灵活性,利用此套系统,不同颜色的PET瓶片都无需预干燥/预结晶,满足客户重视灵活性的需求。单层生产线配备MRS 130挤出机,生产能力为1.000 kg/h。

 

特别是在美国,有明显的更高的吞吐量的需求趋势,但当涉及到特定的产品时,吞吐量较小的生产线的价格更加合理,这正是德国格诺斯Gneuss系统的独特优势。使用回收PET瓶片制造高质量的片材,用于吸塑和翻盖包装,吞吐量是400公斤/小时。该生产线由MRS 90挤出机和RSFgenius 75过滤器组成,满足客户对能效、灵活性、食品接触兼容性(FDA)的要求,最重要的是满足片材的高质量要求。 

 

3.3 南美客户使用德国格诺斯GneussPET片材挤出生产线

 

很多南美客户选择购买德国格诺斯GneussPET片材挤出机。这些公司选择单层生产线进行PET食品包装的生产加工。得益于MRS挤出机有美国FDA的LNO(Letter of Non Objection)认证,100%回收瓶片能够用在直接接触食品的包装片材的生产中。

 

南美客户通常采购的挤出机型号是MRS 90, 110 and 130,PET瓶片率分别为400kg /h、600kg /h和1.000 kg/h。

 

然而每个客户都有其独特的需求。例如,阿根廷的一位客户使用配备了MRS 110的生产线,不仅使用回收瓶片生产APET片材,也生产C-PET产品,这些产品适用于微波炉加热(即食食品)。

 

一些客户拥有自己的分拣和清洗生产线,自行制造PET瓶片原料。这些原料在他们自己的片材挤出生产线上加工成片材 和/或 包装。

 

巴西的一个客户案例是,一家客户拥有自己的工厂,将PET瓶片加工成板材挤出生产线的原料。片材挤出生产线配备MRS 130挤出机,用于生产PET片材,经热成型后可用于烘焙产品、水果、寿司等的包装容器。

 

另外一家来自秘鲁的客户应用与之相同,将自己的瓶片直接加工成食品包装片。

 

南美客户特别看重德国格诺斯Gneuss挤压系统的灵活性,各种不同的材料和产品都能够在同一条生产线上生产的。

 

哥伦比亚的一位顾客使用的是Gneuss MRS 130挤出机,原料不仅有回收PET瓶片,还有PP。由于德国格诺斯Gneuss挤出系统不需要预干燥PET,因此可以快速地从PET转换到PP,反之亦然。该客户可以在同一条生产线上生产大量不同的产品,并实现转换时间最短。

 

在巴西,一位客户将PET / PETG料和PET加再研磨的PE薄膜料加工成热成形片材。这种再研磨料能够直接进入MRS挤出机,进行温和的加工,不需要预干燥或通过摩擦热干燥。这是传统的挤出机不能实现的。

 

另一位哥伦比亚客户甚至使用德国格诺斯GneussMRS 90挤出机,以PS, PP和PET回收瓶片为原料加工板材,生产加工的灵活性至关重要。这些片材用于蛋糕、沙拉和水果的食品包装容器。

 

3.4英国客户将共挤系统集成至现有的片材生产线

Pactiv餐饮服务公司是认同德国格诺斯Gneuss技术的公司之一。德国格诺斯Gneuss为其定制的包装生产线包括两台MRS挤出机和RSFgenius型全自动换网熔体泵、在线粘度计和熔体管。这些设备与一个全新的共挤喂料模块和模具,与现有的下游设备整合。

 

在这条生产线上生产的是符合FDA和EFSA标准的用于食品包装的3层片材。3层均使用回收PET瓶片为原料。共挤外层是功能层,加入颜色和防结块色母。主挤出机为MRS 130型,生产能力为1.000 kg/h。PET瓶片和共挤机是MRS 90,吞吐率高达400公斤/小时。两台挤出机均配备全自动、自洁的德国格诺斯Gneuss RSFgenius旋转过滤系统,使PET瓶片经过精细过滤获得良好的片材品质。

 

4. 结论

 

德国格诺斯Gneuss的MRS技术为高效生产高质量的热成型板材提供了可能,不需要预干燥 和/或 结晶,可以从多种输入材料中获得。由二手PET瓶片制成的薄片符合FDA和EFSA标准。因此,采购Gneuss挤压系统的厂商能够从更短的加工链中获利。用该系统加工的材料为原料的板材,具有高光泽,透明度和低黄度的特点。

 

真空条件下聚合物的强化表面积更新不仅提供了出色的脱挥:聚合物的低剪切和强化混合意味着在PET中有良好的分子分布,这是加工优异热成型板材的必要条件。此外,还能够实现不同类型的聚合物(如PET与PE)均质化和母粒的有效分布。

 

Gneuss处理单元专门为回收料生产加工而设计的。挤出和过滤两个阶段都保证了完美的去污和熔融过滤,从而保证了优良的板材质量。

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