PET生产加工的新的生产潜力 - 德国格诺斯MRS挤出机

1.操作模式

MRS挤出机一般为单螺杆挤出机，带有特殊的脱气部分。聚合物熔体被送入一个大的单螺杆圆筒中。

滚筒包含8或10个(根据型号大小)小挤出机筒，平行于主螺杆轴。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。因此，可以实现挤出未干燥的PET瓶片或颗粒(例如水分含量高达12.000 ppm H2O)，没有任何折中。甚至适用于高粘度的终产品，如捆扎带。

这种抽真空技术是基于可靠的单螺杆挤出机概念。基于此概念，MRS避免了多轴或螺杆设计(啮合)的问题，这种紧密的间隙的设计使得机械对于污染物十分敏感。这一点对于PET瓶片的再加工具有决定性的意义，因为PET瓶片经常含有粗粒污染。

MRS技术优势还包括99%聚酯除湿，增加材料的固有粘度。

1.挤出筒—MRS技术的核心

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。

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，可以更多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。

2. 关键加工技术对PET加工的影响

2.1 干燥（水分提取）和挤出

PET挤出过程中吸湿的重要性

现今，PET降解小化的现有技术是在单螺杆挤出机加工前将物料干燥。ET干燥复杂，维护密集，投资成本高，厂房面积大，运行成本高，通常采用干燥空气在180°C干燥，能耗高。材料必须干燥8小时的工序降低了PET处理的灵活性。

在用挤出机加工PET的过程中，在正常的加工温度下会发生了化学过程，任何可能存在的水分子都会减少PET链的长度，从而导致粘度降低，从而降低终产品的机械性能。这个过程被称为水解。

为了避免这个问题，颗粒通常是预先干燥了很长一段时间，在挤出前水分，以止水解。

然而这种化学反应是可逆的，平衡点可以通过减少或增加水的含量来达到。

这种现象在挤压过程中可以起到积极的作用。通过去除加工过程中的水分子，受损的PET分子链可以自我修复。

去除水分子的物理先决条件由扩散过程描述，可以借助菲克第/一定律来阐明。

• Δn指水的移除数量，F指熔体表面积，dc指浓度斜面，dx指聚合物层。换句话说，聚合物混合得越好，表面交换得越好，化学平衡就越倾向于力学性能更好的长链分子。

很明显，在挤出机的第/一个部分，聚合物的粘度降低了，因为水的含量被集成到PET链中。输入物料中水分越多，粘度下降越大。在脱气部分，这些水分子是通过真空(由扩散驱动)提取的，这里发生了相反的化学反应。因此，MRS挤出机能够增加聚合物的链长、分子量、粘度和机械性能。

采用格诺斯在线粘度计对熔体粘度进行监测。配备一个控制回路，提高或降低与粘度变化有关的真空挥发区。

聚合物在到达模具之前，可以清晰地看到粘度与真空之间的关系。

2.2 连续在线测量和控制加工参数

2.2.1 过程控制采用连续测量熔体压力、温度和粘度

如今，监视、记录和分析加工参数是塑料加工的关键要素，例如，为了能够跟踪与客户投诉有关的问题，也为了能够对这些参数的变化作出尽可能快的反应。通过这种监控，可以确保持续高质量的产品。

在挤压过程中，影响终产品性能的重要因素是机器内的熔体温度、熔体粘度和熔体压力。通过这些参数，可以监测出加热炉或冷却风机的故障、原料参数的变化以及生产线的磨损情况。可以避免危险的情况，例如，如果迅速发生过高的压力增加时，设备将自动关闭，。

通过使用熔体压力和熔体温度传感器，以及已知的流量和已知的几何形状，可以计算出液体的流动阻力，由此可以推断出介质的动态粘度

2.2.2 压力传感器和温度传感器

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。

2.2.3 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 不仅仅在回收料应用中: 熔体过滤作是与质保和经济效益相关的关键因素

在聚合物进入模具之前，应清除各种污染物，以达到对透明度(板材)或拉伸强度(热成型板材、捆扎带)的更高质量要求，当然还有保护下游部件不受损坏。格诺斯旋转熔体过滤系统自动运行，压力恒定，能够达到所需要求。

2.3.1 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，确保优化。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，确保优化。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99%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。

MRS系统节省能源

传统的PET回收加工步骤

MRS技术的加工步骤

除具有良好的机械性能，整个工厂的外卷带的能源消耗也进行了测量。

与处理结晶和预干燥含水量小于50 ppm的传统单螺杆相比，MRS技术的能耗减少大约20%，

因为在预挤出阶段使用热空气加热颗粒有巨大的能源成本。

与双螺杆薄片加工相比，能耗也更小。因为双螺杆需要小于5mbar的高真空，此外，通常情况下，薄片必须预先干燥到1000ppm左右，还需要一个增压泵。

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。

3.1 MRS技术优势

格诺斯 MRS挤出技术确保聚合物熔体具有大的纯度。固体污染物可通过高效熔融过滤系统去除，可溶污染物如油、低聚物、色素和溶剂可在真空条件下从聚合物中有效去除。

经济性优势：

•减少空间需求

•大幅节能

•降低维护和人员成本

•简单、强劲、经济的真空技术

•全自动控制系统，操作简单

•高度的灵活性——例如在材料变化方面

•99%回收消费后和/或工业废物

•直接加工食品接触产品(FDA LNO)

•高质量的终产品

结论

新型MRS挤出系统具有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。