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德国格诺斯MRS挤出技术在PET无纺布制造中的应用

日期:2020-07-06浏览:119次

介绍

聚酯非织布越来越受欢迎,一方面是由于其优异的机械性能,另一方面是由于其加工相对简单,材料成本相对较低,尤其是那些使用回收聚酯瓶制成的切片原料的非织布。

 

在适当的条件下聚酯非织布具有诸多优异的的性能,包括密度高、重量轻、拉伸强。另外,相较其他非织布,聚酯非织布有更好的耐热性能。因此,聚酯非织布可作为热部件的绝缘材料。

 

将聚酯原料加工成非织布的生产工艺中有一个普遍问题--- 聚酯原料的吸湿性。聚酯原料在存储中会吸收空气中的水分子。在生产加工过程中,水分子进入聚酯打破水解链,降低材料的机械性能,使生产加工变得困难。

 

生产过程

在纺粘无纺布的生产中,纤维生产和无纺布生产被结合在一起。聚合物通过挤出机进入熔融状态,熔体通过精密模具排出,并直接沉积在传送带上。通过粘合和缠绕的方式沉淀制成非织布。

 

塑料粒子是非织布生产中见的原料之一,它们通过混合和加料系统后进入挤出机,挤出机将之塑化及均匀化。熔体过滤后流入熔体泵。过滤系统包括一个实体的过滤中介物,通常是一个滤网,其作用是截留污染沉积物。生产工艺对过滤系统的要求是更换干净的过滤屏或其他过滤部件时不能中断或影响熔体流动,也就是说不能影响整个生产过程。熔体泵提供增压,为下一阶段纺丝箱体提供稳定的熔体流动。根据生产工艺的不同,纺丝箱体的设计不尽相同。纺丝箱体包括很多的纺丝泵,通过这些纺丝泵进行塑料纤维的纺丝。

 

纺丝箱体和精确的过程控制保证熔体能够均匀地从纺丝箱体中流出不受任何干扰。采用光栅过滤器匀化流型,确保熔体纯度。例如,过滤器通常由不同的金属丝布层组成。流动的熔体中的污染物可能会堵塞光栅过滤器,因此需要不断地更换,在更换时需要停下至少一个纺纱工作单元,甚至整条生产线。

 

光栅过滤器的细度越细(通常是20-75 μm),其预期使用寿命就越短。

 

因此,安装在纺丝箱体上游的过滤器需要尽可能多的拦截聚合物熔体中的污染物,避免污染物到达自旋网包过滤器,尽可能延长其使用寿命。

 

根据生产工艺的不同,在非织造布沉积和粘合之前,模具和下游其余部分的设计差异很大。

 

聚酯生产工艺

 

干纺(水分抽取)和挤出

聚酯挤出工艺中水分抽取的重要性

180°C干燥。事实上,材料必须干燥长达8小时,降低了聚酯处理工艺的灵活性。

 

MRS挤出概念的脱挥应用

 

MRS挤出机可以直接加工聚酯颗粒,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。

 

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。

 

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。

 

30%筒体打开,确保聚合物在进入料筒时为良好熔融状态,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。

 

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。

 

8个卫星螺杆。

 

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聚酯瓶片再加工工艺,因为聚酯瓶片通常含有粗污染。

 

MRS技术优势还包括100%聚酯除湿,增加材料的固有粘度。

 

多旋转系统

 

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

2.2生产加工过程中的在线测量和控制

 

在现今的生产加工中,监测、记录和分析加工参数是塑料加工的关键要素,例如,跟踪与客户投诉有关的问题,或者对这些参数的变化作出很的反应。通过这种监控可以保证持续的高质量产品。

 

在挤出过程中,影响最终产品性能的最重要因素包括熔体温度、熔体粘度和机器内的熔体压力。通过监控这些参数的变化,能够监测加热器区域或冷却风扇的故障、原材料参数的变化和生产线的磨损情况。避免发生危险的情况,比如迅速的压力增高导致机器自动停机。

 

通过使用熔体压力传感器和熔体温度传感器,利用已知的流量率和已知的模型,可以计算出液体的流动阻力,并由此推断出材料的动态粘度。这种测量聚合物的平均分子量的方法能够定义材料的物性特征,如弹性、拉伸或延伸。

 

2.2.1通过持续测量熔体压力和温度实现过程控制

在塑料加工中会使用熔体压力传感器,它的原理是利用介质将压力从热环境传递到敏感的测量电子设备。与聚合物熔体接触的膜片因熔体压力而变形。这种变形让毛细管中的液体将压力传递到第二个膜片上,膜片上装有惠斯通电桥传感器,可以将变形转化为电信号。毛细管中的液体介质通常是汞,但是在食品包装制造中禁止使用汞填充传感器。在这种情况下,可以选择格诺斯的无汞传感器。用对环境安全的介质替代汞之后,熔体压力传感器可以应用在所有行业应用中,获得所需精度测量,特别是在与食品接触的包装材料领域。格诺斯TF型熔体温度传感器适用于高灵敏度介质的精确测量。陶瓷绝缘保证在任何时候都能直接测量熔体温度,而不受周围钢部件(如法兰筒或模具)温度的影响。

 

2.2.2通过格诺斯在线粘度计VIS实现过程控制

在线粘度计VIS用于在线测量熔体粘度。通过高精度齿轮泵,少量聚合物熔体从主通道中进入制造精密的毛细管槽中,完成熔体压力和温度的测量(在两个不同位置)。经过粘度计内置计算程序,监控显示实时的剪切速率的值和相应的粘度。

 

粘度计可安装在两个法兰连接之间。熔体通道可根据客户的要求设计0.5 - 2mm。该装置包括泵驱动器、泵、压力传感器、温度传感器以及控制和安装计算程序的电子设备。通过用户界面友好的触摸屏实现对过程参数的现实、设置、评测,或者直接集成到现有的控制系统中。

 

尽管输入材料条件不同(残余水分),在线粘度计VIS能够在非常窄的带宽内保持熔体质量。通过检测熔体压力和温度,计算得到粘度值。粘度值作为控制值,自动调节MRS挤出机下游的真空设备,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)

 

2.3熔体过滤

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。

 

因此,滤网区域中污染物不断地从熔体通道移出,而滤网区域中的干净的熔体在不改变活性过滤区域的情况下被移进熔体通道。基于这种操作方式,过滤系统不断地对过程和压力进行操作。通过过滤系统的压差的变化值最大可达2 bar

 

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,确保更大的化。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,确保更大的化。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。

 

2.4格诺斯处理单元

 

格诺斯处理单元是与众不同的模块配置,可以集成至高性能的挤出生产线中,用以提高生产质量。

 

3应用案例

在使用格诺斯MRS挤出生产线后,一家欧洲的无纺布制造商避免了昂贵且消耗能源的预干燥和结晶步骤。

 

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。

 

该公司的挤出生产线以每小时700公斤的速度将PET加工成无纺布。产线包括,使用MRS挤出机对材料进行塑化和变性,使用RSFgenius熔体过滤系统对材料进行过滤,确保高纯度,使用在线粘度计VIS测量粘度。该装置与真空系统有一个控制回路,并根据粘度的变化来调节真空。无论进入生产线的材料是否发生变化,确保质量重要的指标-粘度-保持恒定。

 

与传统的单螺杆加工相比,在结晶和预干燥的水含量低于50ppm的情况下,MRS挤出机的能耗更少,大约是20%。原因在于,传统的加工工艺,在预阶段挤压要用热空气加热塑料颗粒,能源消耗巨大。

 

 

MRS  Wh/kg

MRS  Wh/kg

Double screw Wh/kg

双螺杆 Wh/kg

Single screw Wh/kg

单螺杆 Wh/kg

Crystallisation

透明度

-

-

90

Drying < 50 ppm

干燥< 50 ppm

-

-

120

Pre-drying to 1000 ppm

预干燥达1000 ppm

-

60

-

Extruder drive and heating挤出驱动和加热

275

230

210

Vacuum 真空

45

70

-

Melt pump 熔体泵

-

10

-

Total 合计

330

370

420

 

1:聚酯生产工艺:比较不同类型挤出机的能耗

 

与双螺杆加工相比,MRS挤出机的切片的能量消耗更少。其原因在于,双螺杆需要小于5mbar的高真空,此外,通常薄片还需要预干燥。

 

MRS技术的能耗比传统技术低15% - 25%,且无需干燥机和高真空系统,减少维护。

 

得益于MRS技术优异的脱挥性能(不仅是水,还包括单体、低聚物等挥发物),熔体分子量分布较窄,且不含低分子组分。实现了减少在吐丝板上的断裂、斑点和沉积问题(析出)。

 

母粒不局限于固体或液体。由于黄色度更低,需要的白色母粒更少。保证了颜色的绝对均匀,没有云晕或斑点。

 

总结

 

新型MRS挤出系统具有极高的熔体表面积交换率,是一种非常有效的聚合物熔体转移体系。多旋转系统大大增加了扩散过程。能够在不需要预干燥的情况下,使用聚酯瓶片中制造出高抗拉强度的捆扎带。此外,在MRS挤出机上使用聚酯瓶片生产的纤维也具有极好的性能。

 

MRS挤出系统(包括多回转部分)是单螺杆挤出机技术可靠、耐用。非常适合处理高度污染的聚合物(例如回收料)

 

对于原料的要求,MRS挤出系统既不需要预干燥,也不需要结晶,与传统的聚酯加工工艺相比更具经济优势。使用MRS挤出系统,工厂占地面积可减少25%,能源需求可减少25%

多年的应用实践证明,MRS挤出系统是一种可靠耐用且不需要维护的系统,适用于多种不同的生产。

 

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