溶劑型回收：采用雙螺桿擠出機回收、純化聚烯烴的新技術(shù)

文/克勞斯瑪菲擠出技術(shù)公司 Franz-Xaver Keilbach，Kai U.Bagdahn

目前正在商業(yè)化應(yīng)用的溶劑型回收技術(shù)可以將有色的聚烯烴廢料變成能與原生材料相媲美的透明、干凈甚至食品級的樹脂，同時保持聚合物結(jié)構(gòu)的完整性。為此而專門設(shè)計的串聯(lián)雙螺桿擠出機或雙螺桿與單螺桿擠出機的串聯(lián)系統(tǒng)可以做到這一點。

回收利用正成為塑料加工的一個越來越不可分割的組成部分。但是，如何才能將使用后的廢棄物轉(zhuǎn)化為可以用來替代原生材料的高質(zhì)量再生材料呢? 如果想要獲得高純度的再生料，而回收的塑料原料又攜帶有墨水、著色劑、添加劑、污染物甚至外來的聚合物，這個問題就變得較為棘手。

克勞斯瑪菲已經(jīng)為采用機械回收方法對消費后的回收料（簡稱PCR）進行再加工而提供了許多雙螺桿系統(tǒng)，這是當(dāng)前占主導(dǎo)地位的回收方法。然而，由于機械回收存在過濾和排氣的限制，因此要想從有色塑料中去除色素并不現(xiàn)實，通常會導(dǎo)致混合色的PCR 被染成黑色。這些限制因素也造成了食品級聚烯烴PCR 的市場供應(yīng)有限。

好消息是，幾項新技術(shù)的出現(xiàn)結(jié)合加工能力的迅速提高，使得更多種類的PCR 甚至是混合塑料可以被恢復(fù)成原生材料或接近原生材料的質(zhì)量。然而，這些“先進的回收”方法，很多會涉及到對塑料樹脂的部分或完全解聚，即先將其轉(zhuǎn)化為單體或低聚物，然后再生產(chǎn)出新的塑料。但是，解聚和再聚合過程通常是化工公司而非擠出配混和造粒領(lǐng)域的塑料加工商們應(yīng)該做的事。

然而，在蓬勃發(fā)展的先進的回收技術(shù)領(lǐng)域中，卻有一個分支更容易被塑料配混商們所采納，這就是基于溶劑的回收。這是一種混合技術(shù)，因為它考慮了在機械和化學(xué)回收中使用的凈化工具。將要回收的塑料溶解，這樣不會破壞聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。溶劑回收技術(shù)主要適用于聚烯烴，如LDPE、HDPE 和PP，以及 PET、PS 和PA。此文將介紹溶劑回收的基礎(chǔ)知識和所需的設(shè)備類型，以及有關(guān)這項技術(shù)首次被大規(guī)模應(yīng)用于聚烯烴的一些細節(jié)。

在單螺桿和雙螺桿擠出技術(shù)方面，克勞斯瑪菲擁有豐富的機械回收、反應(yīng)擠出和脫揮專業(yè)知識，這些知識可用于溶劑型回收技術(shù)。但值得一提的是，這項工藝的重要組成部分往往是涉及“反應(yīng)器”或其他特殊設(shè)備的專利技術(shù)，這是建設(shè)和安裝這些系統(tǒng)的克勞斯瑪菲合作伙伴公司的一部分知識產(chǎn)權(quán)。

工藝概述

溶劑型回收工藝的第一步是將預(yù)先分類的、分離開且得到凈化的回收料送入同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機中，以進行預(yù)處理、熔融、均質(zhì)和脫氣，直到去除水分（如去除上游清洗廢片時帶有的水分）、單體、殘余的空氣和額外的揮發(fā)物。第一步是通過建立所需的物理和化學(xué)工藝條件來實現(xiàn)的，包括壓力、溫度和黏度等。第一階段也為在塑化、均質(zhì)和脫揮后，在下游加入溶劑提供了機會（取決于工藝細節(jié)）。為此，擠出機的關(guān)鍵技術(shù)條件包括由外徑/內(nèi)徑比定義的自由容積、比扭矩或扭矩密度以及螺桿轉(zhuǎn)速，它們共同表征了擠出機的加工能力。

比如，克勞斯瑪菲的ZE BluePower 同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機設(shè)計有1.65 的較高的外徑/內(nèi)徑比，螺桿轉(zhuǎn)速達1 200 r/min，高扭矩密度達16 Nm/cm3，這些性能確保了即使在中等溫度和低速下也能熔化和均化初始材料，且能耗極低。

在第一階段加入溶劑可以顯著降低熔體的黏度，這樣，即使是最細小的顆粒，也能經(jīng)濟有效地得到過濾，這可以通過采用成熟的、非常精細的網(wǎng)目過濾技術(shù)在高產(chǎn)率下實現(xiàn)。根據(jù)加工的需求，網(wǎng)目大小可以細到能適用于紡絲纖維甚至食品接觸應(yīng)用。相比之下，在機械回收中，聚合物天然的高黏度通常將過濾的粒度限制在100～250 μm，但使用溶劑，可以獲得像水一樣的熔體黏度，從而可以對20～40 μm 粒度的顆粒進行高速過濾。結(jié)合采用專利的反應(yīng)器技術(shù)進行的分離過程，這為將PCR 從黑色轉(zhuǎn)變成透明的自然色提供了獨特的能力。

精細過濾通常是在熔體泵之后立即進行。熔體泵的上游可能還有一個粗濾用的過濾器，用來過濾掉較大顆粒的紙張、木頭或金屬雜質(zhì)，以保護熔體泵。

下一步，是由客戶或許可人提供的專有“黑匣子”技術(shù)，即反應(yīng)器來執(zhí)行將塑料熔體與污染物分離的基本功能。反應(yīng)器可能需要一個工作壓力,這由前述的計量增壓泵提供。額外的溶劑，可能還有其他成分，可能會被添加到反應(yīng)器中。反應(yīng)器的主要作用是將進料分成兩股，包括含有溶劑的清潔、無味的一股好的熔體，以及經(jīng)初濾后帶有所有污染物的溶劑淤泥。這些流體可以通過不同的方式如密度、停留時間或流速而被分離開。根據(jù)加工需求，在完成這些步驟之前可能還有另一個微粒過濾階段。

精加工主要是脫氣操作，以去除熔體中的揮發(fā)性溶劑和其他揮發(fā)物（單體、氣味成分等）。這些溶劑被捕獲并回收重新用于加工中。精加工既可以用同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機也可以用單螺桿擠出機來完成。雙螺桿可以將溶劑含量從最初的50%降低到較高的ppm 水平。如果終端應(yīng)用要求將溶劑含量降低到較低的ppm 水平甚至ppb 水平，那么最好的解決方案是，最終納入一臺單螺桿脫揮擠出機，如一臺克勞斯瑪菲的KE 系列擠出機?？藙谒宫敺浦圃炝耸澜缟献畲蟮娜垠w供料單螺桿脫揮擠出機，螺桿直徑達800 mm。

商業(yè)規(guī)模的應(yīng)用

作為溶劑型回收技術(shù)得到大規(guī)模實際應(yīng)用的一個里程碑，位于美國俄亥俄州Ironton 的PureCycle Technologies 公司（以下簡稱PCT）正在建造其第一個商業(yè)化規(guī)模的溶劑型回收工廠，以將PCR PP 原料如地毯廢料轉(zhuǎn)化成超純PP，用于消費品、汽車、建筑和工業(yè)應(yīng)用。該工廠將于2022 年投入使用。PCT 采用Procter &Gamble Co.公司授權(quán)的技術(shù)以及克勞斯瑪菲和Koch Modular Process Systems 公司提供的設(shè)備。PCT 的生產(chǎn)副總裁Brett Hafer 介紹說：“采用這項技術(shù)，我們成功地從地毯碎片中去除了所有的雜質(zhì)、氣味和染料殘留物，從而使獲得的PP 顆粒物無論在外觀還是在機械性能上都能與原生材料相媲美。”

該工廠將擁有兩條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線都采用一臺大型雙螺桿擠出機來為反應(yīng)器供料，然后是一臺400 mm 的單螺桿脫揮擠出機和一臺造粒機。該工廠每小時可以加工8 t 的廢料。

用于PET 的溶劑分解技術(shù)

另一項回收技術(shù)專用于PET。這項被稱為“乙醇降解”（或溶劑分解）的技術(shù)，不應(yīng)與上述的溶劑型回收方法相混淆，因為它涉及到PET 與乙二醇溶劑的部分解聚。這項工藝（也可以從克勞斯瑪菲獲得）只使用一臺同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機來將PET 分解成短鏈低聚物而不是單體，接著是過濾器和熔體泵，以向縮聚反應(yīng)器（由客戶或許可人提供）供料，對PET 聚合物鏈進行重構(gòu)，以滿足預(yù)期用途所需的I.V.要求。這項工藝比其他解聚PET 的方法快得多，而且在獲得的聚合物中只有少量變色甚至沒有變色。通常，廣泛使用的商業(yè)原料擁有0.7～0.8 的I.V.值，而這項技術(shù)可以在重新聚合前將I.V.值降到0.2 或更低。本質(zhì)上FDA 級別的純聚合物可以采用這項工藝制造，但正如前面所說，用縮聚法生產(chǎn)PET 主要為那些已經(jīng)采用塑料廢片生產(chǎn)PET 的公司感興趣。