雙螺桿擠出機在PET瓶再生中的應用

王英，張曉，馬永金

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一種典型的半結晶型聚酯，擁有優(yōu)良的熱性能、力學性能和環(huán)境穩(wěn)定性。由于其具有無毒、耐用而且透明的特性，因此被廣泛應用于一次性飲料瓶和食品包裝中[1～5]。我國隨著經濟的快速和人民消費的日益增加，每年PET塑料瓶的生產量達數百億只。PET是一種生物不可降解的材料，大量使用不僅給環(huán)境造成負擔，也導致能源短缺[6]。因此，廢棄PET飲料瓶的回收再利用，不僅減少對環(huán)境的污染，而且可以變廢為寶節(jié)約資源。

2020年1月國家生態(tài)環(huán)境部公布了《關于進一步加強塑料污染治理的意見》。

“新版限塑令”不僅僅是限制不可降解塑料，推廣可降解塑料，更重要的是減少一次性塑料制品的使用量以及塑料制品回收再利用、回收資源化或能源化。本文介紹的PET瓶片再生技術是一種非常好的塑料回收技術，符合國家塑料循環(huán)利用的方針政策。2020年9月，我國鄭重地向全世界提出了2030年“碳達峰”、2060年“碳中和”的目標。廢PET飲料瓶循環(huán)利用，可以降低PET聚合過程中的碳排放，同時也為減碳做出重要貢獻。

1 雙螺桿擠出機在PET瓶片再生中的工藝流程

由上游而來的破碎片材料進入帶攪拌的填塞體積式喂料機中，而后通過體積式喂料機水平定量與垂直填塞穩(wěn)定的輸入到SBJ-95雙螺桿擠出機中。經過高真空系統(tǒng)脫出低揮發(fā)組分后，進入雙柱雙工位大面積換網器過濾雜質。最后通過拉條機頭擠出。切粒系統(tǒng)采用自動引條式系統(tǒng)進行切粒，料條進入引料水槽，利用水流將料條輸送至引條式切粒機中，同時料條在引水槽中進一步冷卻固化，料條在切粒機中被旋轉動刀切成3～5 mm的粒子，粒水混合物靠重力經管道輸送至顆粒干燥機，樹脂粒子在水中進一步冷卻；粒水混合物在顆粒干燥機中進行粒水分離，脫出粒子表面水分后進入顆粒振動篩進行分級處理，進過顆粒振動篩分級后合格粒子利用氣力輸送包裝料倉中進行包裝。

整個機組由具有PLC的電儀控制系統(tǒng)進行控制，保證安全、高效以及節(jié)能。

2 PET再生造粒機組關鍵零部件設計

PET再生造粒機組主要由強制填塞加料裝置、SBJ-95雙螺桿擠出機組、高真空排氣系統(tǒng)、大面積過濾器、潤滑油冷卻系統(tǒng)、筒體冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、拉條機頭、水下引條式切粒機、顆粒干燥機及顆粒振動篩組成。

2.1 SBJ-95雙螺桿擠出機

雙螺桿擠壓機以其優(yōu)異的混煉擠出效果、高速、高產量、以及螺桿和機筒的“積木式”組合特點，優(yōu)良的自清理性能，在塑料改性及塑料制品的原料加工中占據很重要的位置[7]。

筒體布置在PET瓶片回收再生造粒生產中至關重要。筒體的類型、數量需滿足瓶片的加入、排氣（排出水汽及低分子單體）、停留時間分布、計量擠出建壓等要求。螺桿和筒體采用“積木式”原理設計，在沿螺桿擠出的方向設置不同的功能區(qū)來完成物料輸送、熔融塑化、排氣、混煉均化等過程。PET瓶片再生造粒工藝要求，最終確定長徑比為40，筒體配置為10節(jié)，其中第1節(jié)筒體為加料，第6，8節(jié)筒體為真空，其余均為閉合筒體。

圖1 擠出工藝流程圖

圖2 PET瓶片筒體組合

2.2 螺桿組合配置

為了保證對物料的充分加熱，主加料口到物料熔融區(qū)域長徑比為20，排氣段長徑比為12，計量擠出段長徑比為8。目前，我們所采用的雙螺桿擠出機螺桿轉速大多在300 r/min，一方面能夠保證物料在螺桿中有足夠的停留時間，從而保證充分的塑化，另一方面能夠滿足排出水汽及低分子的功能。螺桿的組合結構設計應根據筒體配置、各區(qū)段物料的狀態(tài)、排氣量大小、具體結構和功能的螺桿元件、螺桿在整個長度上的功能要求等進行，據此，最終確定的螺桿組合如圖3所示。

圖3 PET瓶片螺桿組合

下面對輸送段、熔融段、排氣段、均化段進行分析。

2.2.1 輸送段

此段主要作用是輸送物料，防止溢料。由于物料是不規(guī)則破碎料，堆密度相對較輕，容易在入料口處形成堆積架橋現(xiàn)象，為保證加料順暢及防止架橋，選用大導程、正向螺紋輸送元件。螺槽容積由大變小，即螺紋導程由大向小漸變，從而加強螺桿的輸送能力。

2.2.2 熔融段

此段主要功能是通過熱傳遞和摩擦剪切，使物料充分熔融和塑化。物料熔融塑化時需要從外部吸收一定的熱量，此能量的傳遞主要靠機械傳遞和熱傳遞來實現(xiàn)。由于專用料分子量較高，導熱系數較小，在此區(qū)域選用加熱效率較高的鑄銅加熱器（單位面積加熱功率為5.0 W/cm2）。但是物料塑化熱量主要還是來自螺桿結構，特別是螺桿捏合塊機械能的輸入，在此區(qū)域設置剪切較為強烈的捏合元件。由于捏合盤基本上沒有輸送能力，在一定長度的捏合盤之間設置輸送元件，來增強螺桿在此區(qū)域的輸送能力。

2.2.3 排氣段

此段的主要功能是排出水汽、低分子量物質雜質[8]。根據物料加工需要，設計了兩個不同用途的排氣口。第6節(jié)筒體的排氣口的主要是排出物料中夾帶的水汽，防止聚酯水解；第8節(jié)筒體排氣口主要排出熔體中的低分子單體和雜質；反向螺紋元件放置螺桿組合在排氣段入口處，防止排氣口冒料；由于反向螺紋元件會大大增加物料在螺桿中的停留時間，使得物料受熱增加，造成降解，造成擠壓機扭矩增大，主電機電流增大，產量大幅度降低，所以此處只在第八節(jié)筒體的排氣口處設置反向螺紋元件。將熔體密封減壓，然后采用大導程螺紋元件以形成低充滿度和薄的熔體層，使物料暴露較大自由表面及較長的停留時間，以便排氣。

2.2.4 均化段（計量段）

此段主要功能是輸送和增壓，使得熔體在?？谔幱幸欢ǖ闹旅芏龋瑫r進一步混合，最終達到順利擠出造粒目的[9]。在該區(qū)域主要設置小導程、小容積的螺紋元件。螺紋塊導程漸變小來實現(xiàn)增壓，獲得較為密實的熔體。

3 雙螺桿擠出機在PET瓶片再生中關鍵技術

聚酯屬于飽和線性高分子聚合物，其分子結構中含有親水基團-COOR，極易吸水，如果切片中含有水分，在熔融擠出過程中，會引起聚合物降解，使聚酯熔體粘度和分子量顯著下降，導致擠出成型的片材產生起泡、變脆、發(fā)黃等異?，F(xiàn)象。因此，對PET瓶片而言，在造粒前應進行充分干燥。

按照常規(guī)的處理方式是增加除濕干燥工藝，降低原料中的含水率，一般采用沸騰床進行干燥，干燥的目的主要是除去水分，干燥時間6～10 h。但是采用除濕干燥工藝使得PET瓶片再生造粒工藝變得很復雜，而且采用加熱干燥的方式能耗高且耗時長。對此，我們采用免結晶干燥直接擠出成型工藝，其原理是利用雙螺桿擠出機高效的排氣效果。通過設計合理的螺桿構型，廢片自雙螺桿擠出機加入口通過固體輸送同時進行預熱，在樹脂到達第一個真空口時，已經得到充分預熱但是樹脂并沒有塑化，采用真空排氣充分排出樹脂中的水汽，由于此處PET樹脂尚未完全塑化，防止了水解現(xiàn)象的發(fā)生。同時此工藝直接省去了干燥步驟，有效的節(jié)省能耗和時長，簡化了生產工藝流程。

采用免結晶干燥直接擠出成型法進行造粒，就需要配備相應的真空系統(tǒng)完成其功能。針對PET瓶片再生造粒，要求與之配套的真空系統(tǒng)具備以下兩個功能：PET加工需要的高真空度作為驅動排出物料中水汽和低分子單體；防止PET低聚物凝固進入真空泵腔體形成難以去除的硬化凝固物造成真空泵的損壞。針對以上要求我們設計了滿足系統(tǒng)要求的真空系統(tǒng)。

在真空機組的吸入口前配置一個750 L左右的真空洗滌緩沖罐。來自生產裝置含較高濃度的PET的工藝氣體從真空洗滌緩沖罐頂部進入，在緩沖罐的進氣管道以及內部下端采用三甘醇溶液進行噴淋洗滌，盡量使得工藝氣體中的 PET物料被三甘醇洗滌混合。在真空洗滌緩沖罐的底部收集，在真空洗滌緩沖罐的上部設有擋板和除霧層，使得氣體中的三甘醇霧滴被攔截回收，最終帶有少量的三甘醇霧滴和微量的PET進入到下一個液化過濾器中。真空洗滌緩沖罐采用特殊的氣流通道方式，可以通過打開人孔或者檢修盲法蘭可以去除緩沖罐四壁上的可能形成的凝固物。真空洗滌緩沖罐的底部配備一臺齒輪泵，用于循環(huán)噴淋三甘醇洗滌液。在真空洗滌緩沖罐的后續(xù)配備了兩個液化過濾器，一用一備，采用電動三通閥門來切換使用。液化過濾器通過外接冷卻水對前置過來的少量的三甘醇霧滴和微量的粉塵進行深度冷凝，使得氣化的高沸點、高熔點介質被徹底液化或者固化。然后通過高效的濾芯攔截去除，當真空洗滌緩沖罐的真空度出現(xiàn)明顯下降時，就是需要切換到備用過濾器，更換濾芯。系統(tǒng)配備了羅茨泵+螺桿泵串聯(lián)模式提供真空動力。

圖4 真空系統(tǒng)流程圖

4 結論

我們采用雙螺桿造粒生產線在越南某項目上成功應用，回收粒料的特性粘度降不大于5%，證明其性能優(yōu)于國內同類產品。該機型的年生產能力8 000 t，可以創(chuàng)造較大的經濟效益與社會效益。