德国格诺斯MRS挤出系统在PET热成型板加工中的应用

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汲好的热成型板材，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，通过菲克珶一定律可以看出。

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铯的熔融状态，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*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*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铯的质量的终产品，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。

出铯的性能，模块化的抽空或排气系统，可以更大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)的更高质量要求，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*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，另一方面仅使用小量的熔体（反冲洗损失小）。

基于这种操作模式，滤网达到*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挤出机汲好的混合性能，成核剂和发泡剂能够在熔体中*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铯的的粘度和强度。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，具有出铯的生产灵活性。

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*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，并达到出铯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*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。

后但并非不重要的是，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*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*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，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，*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*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铯的脱挥：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镁的去污和熔融过滤，从而保证了优良的板材质量。