含水量對飲料瓶片擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

馬靜 王益龍 神睿 張妮

(大連理工大學化工學院高分子材料系,遼寧 大連,116024)

城鄉(xiāng)居民日常生活中廢棄的的礦泉水瓶、飲料軟包裝和食用油瓶等液體外包裝(以下簡稱飲料瓶),已經(jīng)成為可回收生活垃圾的主角,各個城市為了應對這種體積大、形狀各異的飲料瓶紛紛建立專業(yè)粉碎廠,將其粉碎成形狀不規(guī)則的小片,去除雜質(zhì),再經(jīng)過堿洗、水洗、瓶蓋和瓶標簽分離、離心甩干等工序,得到體積較小、形狀不規(guī)則、數(shù)量巨大的飲料瓶片[1],用于擠出生產(chǎn)低附加值的短纖維[2-4]。

為了便于遠距離運輸,使廢棄資源得到有效利用,需要對飲料瓶片先擠出造粒,如果能在外地先將飲料瓶片擠出造粒,再運至加工廠更具有現(xiàn)實意義。試驗發(fā)現(xiàn)飲料瓶片在擠出時難以牽引成條,因而有必要探索其擠出造粒方法。下面分別研究擠出機類型、飲料瓶片含水量、擠出工藝條件等對擠出產(chǎn)物特性黏度的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料

飲料瓶片,大連金普新區(qū)聚酯瓶回收廠;苯酚,分析純,天福精細化工有限公司;四氯乙烷,分析純,天津博迪化工有限公司。

1.2 儀器設備

單螺桿擠出機,SJ30/25,上海輕工機械有限公司;雙螺桿擠出機,CTE-35,科倍隆科亞(南京)機械有限公司;反應擠出機,30型,大連理工大學;差示掃描量熱儀(DSC),V4.7A,美國TA儀器公司;真空干燥箱,DZF,鄭州予華儀器廠。

1.3 飲料瓶片的預處理

飲料瓶片人工挑選去除殘余的雜質(zhì),用剪刀剪小,放置到真空干燥箱中,在140 ℃，0.1 MPa下真空干燥4 h,自然冷卻到室溫。將另一部分剪小的飲料瓶片放在大托盤中在太陽下晾曬或者用噴壺噴水,得到不同含水量的飲料瓶片。

1.4 飲料瓶片性能測試

含水量測試:將干燥的500 mL燒杯用電子分析天平稱重(Wc),在燒杯中裝入半杯飲料瓶片一起稱重(Wt),將其放入真空干燥箱中,烘干后冷卻至室溫再稱重(Wd),利用公式(1)計算出飲料瓶片的含水量(Gw)。

Gw=(Wt-Wd)/(Wt-Wc)

(1)

DSC測試:將飲料瓶片料在真空干燥箱內(nèi)干燥4 h,用電子分析天平精確稱量8 mg整塊圓餅狀試樣,用DSC,以10 ℃/min升溫速率從40 ℃加熱至280 ℃,測定升溫DSC曲線,再以10 ℃/min的降溫速率從280 ℃降溫至40 ℃,測定降溫DSC曲線。

擠出產(chǎn)物特性黏度測試:用電子分析天平稱取0.125 g擠出產(chǎn)品,加入到裝有25 mL苯酚/四氯乙烷混合溶劑(質(zhì)量份數(shù)比1∶1)容量瓶中,在80 ℃的恒溫電熱板上加熱6 h至完全溶解,使用G3沙型漏斗過濾,充分去除雜質(zhì)。過濾后的溶液使用烏氏黏度計,用一點法在(25.00±0.05) ℃的水浴中測定特性黏度,記錄產(chǎn)物溶液流經(jīng)毛細管的流出時間(t),每批樣品測試前先測溶劑流出時間(t0),按公式(2)計算擠出產(chǎn)物特性黏度:

(2)

式中,η為擠出產(chǎn)物特性黏度,c為溶液質(zhì)量濃度(5 g/L);ηr為相對黏度,ηr=t/t0;ηsp為增比黏度,ηsp=ηr-1。

1.5 單螺桿擠出機擠出飲料瓶片

單螺桿擠出機擠出飲料瓶片時,螺筒各區(qū)溫度分別為:245 ℃(加料段),250,260,240 ℃(機頭),螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min,用聚丙烯清膛后在料斗中加入飲料瓶片,由于擠出產(chǎn)物難以牽引成條,用不銹鋼托盤取料樣,進行特性黏度測定。

1.6 雙螺桿擠出機擠出飲料瓶片

雙螺桿擠出機擠出飲料瓶片時,螺筒各區(qū)溫度分別為:245,250,250,250,255,255,260,260,250 ℃(機頭),螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min,用聚丙烯清膛后截取樣品進行特性黏度測定。

1.7 反應擠出機擠出飲料瓶片

反應擠出機擠出飲料瓶片時,螺筒各區(qū)溫度分別為:240 ℃(加料段),250,250,250,230 ℃(機頭),控制螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min,縮聚段的真空度為0.08 MPa,依次用聚丙烯、飲料瓶片對螺桿清膛,再將待測飲料瓶片試樣加入到反應擠出機中熔融擠出。

2 結(jié)果與討論

2.1 飲料瓶片的材質(zhì)分析

圖1為烘干飲料瓶片的DSC分析曲線。由圖1可以看出,只在256 ℃出現(xiàn)吸熱峰,這是聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的特征結(jié)晶熔化吸熱峰,表明飲料瓶片的材質(zhì)是純PET,不含其它聚合物組分;DSC降溫曲線在180 ℃時出現(xiàn)結(jié)晶放熱峰,表明其冷卻變硬的速率慢,也符合PET的特征。

圖1 烘干飲料瓶片的DSC分析

2.2 飲料瓶片含水量及其外觀

由于購買的飲料瓶片在生產(chǎn)過程中是利用水下切片粉碎技術,又經(jīng)過堿水和清水的洗滌,比表面積非常大,含有較多的水分。用直接烘干稱量法測定飲料瓶片的含水量,來源不同的飲料瓶片,其含水量及飲料瓶片外觀特征見表l。

表1 不同來源飲料瓶片含水量及外觀特征

2.3 飲料瓶片擠出產(chǎn)物特性黏度和擠出現(xiàn)象

分別使用單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機和反應擠出機擠出徹底烘干和含水量1.25%的飲料瓶片,擠出產(chǎn)物的特性黏度和擠出現(xiàn)象見表2。

表2 各種擠出機擠出含水量不同飲料瓶片的情況

從表2可以看出,使用單螺桿擠出機擠出飲料瓶片,無論飲料瓶片的含水量多少,擠出產(chǎn)物都難以牽引成條;使用雙螺桿擠出機擠出完全烘干的飲料瓶片時,勉強能牽引成條,當擠出含水量為1.25%的飲料瓶片時,就無法牽引成條;使用帶有真空除氣裝置的反應擠出機,不同含水量飲料瓶片都容易牽引成條,特性黏度遠高于使用單螺桿或雙螺桿擠出機,這是因為反應擠出機螺桿長徑比大,在螺筒中部位置上開有排氣孔,可以在高真空下抽除高溫熔體中的水分,這些水分大部分是瓶片中帶來的,小部分是PET端基縮聚形成的,后者的移除會使化學平衡向生成高分子量PET的方向偏移,導致大分子擴鏈,因而用反應擠出機的擠出產(chǎn)物特性黏度較高,產(chǎn)物的擠出成條性好,反應擠出機是擠出含水飲料瓶片的優(yōu)選設備。

2.4 含水量對擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

分別配制含水量為0.50%,1.25%,2.50%,3.50%的飲料瓶片,使用反應擠出機擠出,螺筒溫度分別為240,250,250,250,230 ℃,得到擠出產(chǎn)物,進行特性黏度的測定,結(jié)果見圖2。

圖2 含水量對擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

使用含水量較低的飲料瓶片利于提高擠出產(chǎn)物的質(zhì)量,含水量達到3.50%時,仍能正常擠出、牽條,這是因為反應擠出機螺筒中部開有排氣口,安裝有真空視鏡和真空泵,可使飲料瓶片中的水分在高溫下被充分去除,飲料瓶片中的水分對特性黏度和擠出成條影響較小。

2.5 真空度對擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

使用反應擠出機對含水量為0.50%的飲料瓶片進行擠出試驗,螺筒溫度分別為240,250,250,250,230 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min,通過調(diào)節(jié)排氣系統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)除氣段真空度,真空度對擠出產(chǎn)物特性黏度的影響見圖3。

圖3 真空度對擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

從圖3可以看出,真空度提高更有利于除去飲料瓶片熔融后熔體中的水分和小分子揮發(fā)物,要使除氣段真空度保持0.10 MPa有困難,但真空度保持在0.08 MPa以上沒有問題。

2.6 螺桿轉(zhuǎn)速對擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

使用反應擠出機對含水量為1.25%的飲料瓶片進行擠出試驗,除氣段真空度保持在0.08 MPa以上,擠出產(chǎn)物特性黏度的變化情況見圖4。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,擠出產(chǎn)物的特性黏度先增后減,在螺桿轉(zhuǎn)速為80 r/min時達到最大值。這是因為螺桿轉(zhuǎn)速低于80 r/min時,隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,物料在高溫料筒中的停留時間減少,高溫老化降解變少,產(chǎn)物的特性黏度提高;當螺桿轉(zhuǎn)速高于80 r/min時,高轉(zhuǎn)速帶來的強剪切會使產(chǎn)物的特性黏度略有降低。綜合考慮得到螺桿轉(zhuǎn)速最佳范圍為70～80 r/min。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)速對擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

3 結(jié)論

1) 飲料瓶片的材質(zhì)均為PET,不含其它聚合物組分。

2) 使用單螺桿擠出機擠出含水量不同的飲料瓶片時無法牽引成條,擠出物的特性黏度下降明顯;雙螺桿擠出機擠出飲料瓶片時,產(chǎn)物的特性黏度都低于0.60 dL/g,擠出成條困難;使用帯有真空除氣裝置的反應擠出機,無論飲料瓶片的含水量多少,都容易牽引成條,并且擠出產(chǎn)物的特性黏度較高。

3) 提高反應擠出機除氣段真空度和降低飲料瓶片的含水量有利于提高擠出產(chǎn)物的特性黏度,反應擠出機的螺桿轉(zhuǎn)速最佳范圍為70～80 r/min。