使水分遠(yuǎn)離APET片材生產(chǎn)線

文/ Pete Stoughton（本刊編譯）

使水分遠(yuǎn)離APET片材生產(chǎn)線

文/ Pete Stoughton（本刊編譯）

PET中的水分會(huì)導(dǎo)致材料降解進(jìn)而影響片材和熱成型產(chǎn)品的質(zhì)量，如何才能避免水分帶來的影響？當(dāng)APET還是干燥的片狀新料時(shí)，遵循本文給出的這些建議，可以有效地使水分遠(yuǎn)離。

片材擠出中所用的PET（又稱為“無定形PET”或“APET”）和注拉吹塑中所用的PET幾乎相同，雖然這些材料可能被改性過，以解決一些在吹塑成型中不會(huì)遇到的問題，且其特性黏度(IV）可能不會(huì)那么高，但在本質(zhì)上它們?nèi)允窍嗤牟牧稀?/p>

APET提供了高強(qiáng)度、低成本和純度，以及優(yōu)異的光學(xué)透明度和光亮度，它們使包裝產(chǎn)品的外觀得以優(yōu)化，從而以極具吸引力的形象出現(xiàn)在商店貨架上。一般，透明的APET片材通過熱成型工藝制成各種食品、醫(yī)療制品和消費(fèi)品等產(chǎn)品的透明包裝。

盡管PET應(yīng)用廣泛，但為了實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品所需的性能，加工商仍面臨一些挑戰(zhàn)，而干燥是其中的一個(gè)主要問題。PET具有吸濕性，會(huì)迅速從周圍的空氣中吸收水分，直至達(dá)到平衡狀態(tài)，因此在進(jìn)入擠出機(jī)進(jìn)行熔融加工之前PET需要進(jìn)行干燥。如果PET沒有進(jìn)行適當(dāng)干燥就進(jìn)行擠出加工，殘留的水分會(huì)導(dǎo)致材料水解，進(jìn)而影響 APET片材和熱成型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整性。

材料供應(yīng)商給出的關(guān)于APET的干燥要求和其他PET應(yīng)用所提出的干燥要求是相同的。根據(jù)材料供應(yīng)商的建議，干燥溫度應(yīng)在300～350 °F（148.9～176.7 ℃）范圍內(nèi)，干燥時(shí)間為4～8 h，采用露點(diǎn)在-40～-20 °F（-40～-28.9 ℃）之間的干燥空氣。通常，材料供應(yīng)商建議的PET材料的最后殘余含濕量為30～50 ppm（0.003%～0.005%）。

圖1 這是一幅典型的干燥分析圖，顯示了結(jié)晶PET粒料在300 °F干燥時(shí)的水分損失曲線

大多數(shù)的包裝級(jí)PET材料供應(yīng)商能提供專門為APET片材應(yīng)用而改進(jìn)的材料品級(jí)，比如這些材料可能擁有慢的結(jié)晶速率以及良好的光學(xué)透明度、光亮度。所用純粒料的特性黏度在0.70～0.84 IV范圍內(nèi)。用于生產(chǎn)APET片材的純PET粒料是結(jié)晶（乳白色）的，可以在高達(dá)350 °F（176.7℃）的溫度下干燥，處理這種PET純粒料時(shí)的相關(guān)注意事項(xiàng)與處理其他純PET粒料相同，即如果樹脂在運(yùn)輸和儲(chǔ)存時(shí)暴露于空氣中，它們會(huì)吸收水分，因此在加工之前必須對(duì)其進(jìn)行干燥。圖1是一幅典型的干燥分析圖，顯示了結(jié)晶PET粒料在300 °F（148.9 ℃）干燥時(shí)的水分損失曲線。

廢料帶來的挑戰(zhàn)

APET片材的擠出和熱成型通常會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄片料。大部分內(nèi)部產(chǎn)生的片料來自于擠出的裁邊和熱成型后的片卷骨架剩余料。如果生產(chǎn)的產(chǎn)品是正方形或矩形，它們能很好地彼此適應(yīng)或相互嵌套在片材中，則可以最大限度地減少熱成型產(chǎn)品之間的廢料面積。但是如果熱成型的產(chǎn)品是圓形、橢圓形，或者不能互相嵌套的不規(guī)則形狀，那么熱成型產(chǎn)品之間的面積會(huì)增加，這種情況下產(chǎn)生的廢料量可能超過擠出機(jī)出料率的50%。還有一些額外的回收片料可能來自質(zhì)控人員判定的不符合標(biāo)準(zhǔn)的APET片材廢卷。另外，許多APET片材加工商會(huì)從外部購買再生PET片料，這些材料可能需要進(jìn)行特殊處理措，這取決于其歷史。

在重新使用內(nèi)部產(chǎn)生的廢棄片料時(shí)，需要解決幾個(gè)有難度的問題，包括：APET片料的輸送和流動(dòng)特性；造粒以及處理APET片料時(shí)產(chǎn)生的微粒；APET片料的密集流動(dòng)特性；將APET片料干燥至材料供應(yīng)商建議的最終含濕量（50 ppm或更低）的過程中所面對(duì)的問題。

APET片材不規(guī)則的大小和形狀及其低體積密度使物料的處理和輸送面臨著挑戰(zhàn)。APET片料是扁平的，通常以疊層的方式存儲(chǔ)在筒倉和天倉中。當(dāng)將片料從料倉中送入輸送系統(tǒng)的吸料管（pick-up tube）內(nèi)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生壅塞和物料流中斷。通過打開吸料管進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)更好的物料流動(dòng)，這種方法經(jīng)常會(huì)造成輸送線的超裝料和溢流，導(dǎo)致輸送系統(tǒng)的料涌和堵塞。有一種簡單的方法可以提高片料流動(dòng)特性并減少壅塞，那就是降低片料的尺寸，使其變成更小的薄片。在此情況下，可以使用擁有更小孔徑（5/16 in.，1 in.=2.54 cm）的造粒機(jī)濾料網(wǎng)，而不是3/8 in.或更大孔徑的濾料網(wǎng)。這雖然有助于改善片料的輸送特性，但缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生更多的微粒。但我們可以通過細(xì)致的造粒機(jī)維護(hù)來解決新增微粒的問題。

另外，確保物料以“質(zhì)體流動(dòng)（mass flow）”的方式通過干燥料斗，是控制其干燥時(shí)間的前提。APET片料擁有較大的平面面積和較低的體積密度，再加上強(qiáng)制通過干燥料斗內(nèi)物料床的逆流干燥空氣，這些原因都可能使物料有序向下的質(zhì)體流動(dòng)被干擾。

有一些措施可以用來防止干燥空氣干擾通過干燥料斗的質(zhì)體流動(dòng)。首先，可以如前所述使片料變小。另一種有過成功記錄的方法是調(diào)節(jié)流過干燥料斗的干燥空氣體積，以匹配干燥系統(tǒng)的物料出料量，因?yàn)槎嘤鄽饬鞑粌H會(huì)影響物料通過干燥料斗的質(zhì)體流動(dòng)，還會(huì)使設(shè)備消耗的能量超過干燥物料本來所需的能量。

在加工APET片料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的微粒，這是無法避免的。造粒機(jī)刀片的鋒利度和間隙是影響微粒產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，因此必須保持刀刃鋒利，并且轉(zhuǎn)子刀片和固定刀片之間的間隙要盡可能的小，使造粒機(jī)能夠利落地切割片料而不是將其粉碎。

片材加工商們通常用與造粒機(jī)卸料口直接相連的輸送鼓風(fēng)機(jī)吸出片料，然后將其送至目的地。這類輸送方法對(duì)于PET不是一個(gè)好的選擇，因?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)的葉輪可能會(huì)粉碎片料，形成大量的微粒。相比之下，真空輸送系統(tǒng)為控制從造粒機(jī)到最終目的地的輸送速度提供了一種比較理想的方法，能夠使片料保持合理的低速度（僅高于片料的拾取速度），從而減少微粒和垢皮的產(chǎn)生。

在高溫下（148.9～176.7 ℃）干燥PET是使其在加工之前達(dá)到50 ppm或更低的最后含濕量的前提。當(dāng)干燥結(jié)晶PET（粒料或片料）時(shí)，采用這個(gè)溫度范圍沒什么問題，不會(huì)導(dǎo)致材料軟化，因?yàn)榻Y(jié)晶PET的軟化一般發(fā)生在溫度接近其熔化溫度時(shí)，通常是在455 °F（235 ℃）以上。

當(dāng)干燥的結(jié)晶PET進(jìn)入擠出機(jī)并通過熔融相處理時(shí)，聚合物內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)被打破，聚合物將返回到清晰、透明的無定形狀態(tài)。離開擠出機(jī)的片材會(huì)快速冷卻在無定形狀態(tài)，這就是為什么通常將其稱為“APET片材”的原因。在使用來自邊料和卷料骨架的APET片料進(jìn)行加工時(shí)，最大的挑戰(zhàn)就是干燥。

當(dāng)APET片料被加熱時(shí)，它與結(jié)晶PET的反應(yīng)不同。APET有一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，大約從180 °F（82.2 ℃）開始，具體的溫度取決于其組成。當(dāng)被加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，無定形PET將開始軟化、熔融和結(jié)塊，這會(huì)導(dǎo)致物料干燥料斗中的流動(dòng)停止，因此在高溫干燥前必須先將無定形片料結(jié)晶，以防止其在干燥料斗中結(jié)塊。

結(jié)晶APET片料

PET的結(jié)晶是通過將其加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上來實(shí)現(xiàn)的。結(jié)晶溫度越高，無定形片料結(jié)晶越快。在結(jié)晶片料時(shí)，必須加以攪拌來防止結(jié)塊。當(dāng)PET從無定形狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶狀態(tài)時(shí)，PET將從透明的片料轉(zhuǎn)變成乳白色，這是因?yàn)樵诰酆衔镏行纬闪私Y(jié)晶。在結(jié)晶過程中，片料的表面變硬，不會(huì)軟化，直至被加熱到熔點(diǎn)。

圖2 這是一幅典型的干燥分析圖，顯示了在300 °F（148.9 ℃）下干燥的結(jié)晶PET片料的水分損失曲線

圖3 這是一幅干燥分析圖，顯示了在150°F（65.6 ℃）下干燥的無定形PET片料的并不理想的性能

一旦結(jié)晶后，APET片料就能以為達(dá)到50 ppm或更低的最終含濕量所需要的高溫進(jìn)行干燥。圖2是一幅典型的干燥分析圖，顯示了結(jié)晶PET片料在300 °F（148.9 ℃）下干燥的水分損失曲線。這里需要注意結(jié)晶片料低的初始含濕量，是由于用熱的環(huán)境空氣（176.7 ℃）結(jié)晶片料而造成的，但是這只能提供一些有限的干燥，不足以達(dá)到擠出加工所需的低含濕量。

結(jié)晶APET片料所需的設(shè)備昂貴，還要占用車間內(nèi)寶貴的地面空間，這已迫使一些加工商嘗試在加工之前用較低的溫度（65.6 ℃）干燥片料。不幸的是，以低于PET玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而進(jìn)行的干燥不可能使PET的最終含濕量降至50 ppm或更低。

采用通過此方法干燥的PET進(jìn)行擠出加工，會(huì)使擠出的片材有一定程度的水解、更低的IV以及并不理想的物理性能。如果想使最后含濕量達(dá)到50 ppm或更低，同時(shí)獲得由此而產(chǎn)生的好處就必須先結(jié)晶，然后在材料供應(yīng)商建議的條件下對(duì)PET進(jìn)行干燥。圖3是一幅干燥分析圖，顯示了在65.6 ℃下干燥的無定形PET片料的并不理想的性能。

值得一提的是，可能有一些APET片材加工商在不進(jìn)行重新結(jié)晶的情況下采用APET片料進(jìn)行加工也取得了不錯(cuò)的效果，但這種成功是基于其正在生產(chǎn)的產(chǎn)品所需的物理要求并不像其他APET產(chǎn)品那樣苛刻。

另外，加工商們還非常有可能遇到一些與周圍環(huán)境、氣候條件相關(guān)的質(zhì)量問題，如在環(huán)境濕度較低的寒冷冬季通常不會(huì)出現(xiàn)加工問題或產(chǎn)品質(zhì)量方面的問題；但在炎熱潮濕的夏天——六月、七月和八月，會(huì)有很多問題相繼出現(xiàn)，這一點(diǎn)也需要引起加工商們的注意。