德國格諾斯MRS擠出技術(shù)在PET無(wú)紡布制造中的應用

介紹

聚酯非織布越來(lái)越受歡迎，一方面是由于其優(yōu)異的機械性能，另一方面是由于其加工相對簡(jiǎn)單，材料成本相對較低，尤其是那些使用回收聚酯瓶制成的切片原料的非織布。

在適當的條件下聚酯非織布具有諸多優(yōu)異的的性能，包括密度高、重量輕、拉伸強。另外，相較其他非織布，聚酯非織布有更好的耐熱性能。因此，聚酯非織布可作為熱部件的絕緣材料。

將聚酯原料加工成非織布的生產(chǎn)工藝中有一個(gè)普遍問(wèn)題--- 聚酯原料的吸濕性。聚酯原料在存儲中會(huì )吸收空氣中的水分子。在生產(chǎn)加工過(guò)程中，水分子進(jìn)入聚酯打破水解鏈，降低材料的機械性能，使生產(chǎn)加工變得困難。

生產(chǎn)過(guò)程

在紡粘無(wú)紡布的生產(chǎn)中，纖維生產(chǎn)和無(wú)紡布生產(chǎn)被結合在一起。聚合物通過(guò)擠出機進(jìn)入熔融狀態(tài)，熔體通過(guò)精密模具排出，并直接沉積在傳送帶上。通過(guò)粘合和纏繞的方式沉淀制成非織布。

塑料粒子是非織布生產(chǎn)中常見(jiàn)的原料之一，它們通過(guò)混合和加料系統后進(jìn)入擠出機，擠出機將之塑化及均勻化。熔體過(guò)濾后流入熔體泵。過(guò)濾系統包括一個(gè)實(shí)體的過(guò)濾中介物，通常是一個(gè)濾網(wǎng)，其作用是截留污染沉積物。生產(chǎn)工藝對過(guò)濾系統的要求是更換干凈的過(guò)濾屏或其他過(guò)濾部件時(shí)不能中斷或影響熔體流動(dòng)，也就是說(shuō)不能影響整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。熔體泵提供增壓，為下一階段紡絲箱體提供穩定的熔體流動(dòng)。根據生產(chǎn)工藝的不同，紡絲箱體的設計不盡相同。紡絲箱體包括很多的紡絲泵，通過(guò)這些紡絲泵進(jìn)行塑料纖維的紡絲。

紡絲箱體和精確的過(guò)程控制保證熔體能夠均勻地從紡絲箱體中流出不受任何干擾。采用光柵過(guò)濾器勻化流型，確保熔體純度。例如，過(guò)濾器通常由不同的金屬絲布層組成。流動(dòng)的熔體中的污染物可能會(huì )堵塞光柵過(guò)濾器，因此需要不斷地更換，在更換時(shí)需要停下至少一個(gè)紡紗工作單元，甚至整條生產(chǎn)線(xiàn)。

光柵過(guò)濾器的細度越細(通常是20-75 μm)，其預期使用壽命就越短。

因此，安裝在紡絲箱體上游的過(guò)濾器需要盡可能多的攔截聚合物熔體中的污染物，避免污染物到達自旋網(wǎng)包過(guò)濾器，盡可能延長(cháng)其使用壽命。

根據生產(chǎn)工藝的不同，在非織造布沉積和粘合之前，模具和下游其余部分的設計差異很大。

聚酯生產(chǎn)工藝

干紡（水分抽?。┖蛿D出

聚酯擠出工藝中水分抽取的重要性

180°C干燥。事實(shí)上，材料必須干燥長(cháng)達8小時(shí)，降低了聚酯處理工藝的靈活性。

MRS擠出概念的脫揮應用

MRS擠出機可以直接加工聚酯顆粒，無(wú)需進(jìn)行預先干燥。在擠出過(guò)程中(熔體階段)，聚合物表面被大幅度地擴大并高速交換，從而使揮發(fā)物得以提取。

擠出機可以被視為帶著(zhù)非常特殊的排氣單元的單螺桿擠出機。聚合物熔體被輸送到一個(gè)很大的單螺桿滾筒中。

8個(gè)或10個(gè)（取決于不同的型號尺寸）小的擠出料筒，與主螺桿軸平行。

30%筒體打開(kāi)，確保聚合物在進(jìn)入料筒時(shí)為糧好熔融狀態(tài)，實(shí)現不受限制的抽干。此外，可以實(shí)現精確的溫度控制，即接觸熔體的所有表表溫度都可以精確控制。

MRS擠出機在多領(lǐng)域中廣泛使用。即使真空僅有20 - 40 mbar，排氣功能依舊表現優(yōu)異。

8個(gè)衛星螺桿。

擠出機的*設計避免了傳統多軸或多螺桿設計中的(嚙合)問(wèn)題，傳統設計由于其緊密的間隙，擠出機很容易受到損傷。MRS擠出機的設計尤其適用于聚酯瓶片再加工工藝，因為聚酯瓶片通常含有粗污染。

MRS技術(shù)優(yōu)勢還包括聚酯除濕，增加材料的固有粘度。

多旋轉系統

多旋轉組件的設計使得熔體表面比傳統擠出機大很多。例如:MRS系統產(chǎn)生的熔體表面交換率是同向旋轉雙螺桿擠出機的25倍。

MRS具有結構緊湊、堅固耐用的特點(diǎn)。旋轉的衛星螺桿在獨立軸承上運行，與包含多個(gè)單螺桿的料筒相容。

回收瓶片制造熱成型板材。雖然瓶片濕度高達10.000 ppm，但是整個(gè)生產(chǎn)沒(méi)有任何預干燥步驟，在擠出的多個(gè)階段分析材料的I.V.值，脫揮單元的上游和下游，同樣分析終產(chǎn)品的I.V.值。

PET的鏈中。輸入的水分越多，下降的幅度越大。在排氣單元中，通過(guò)化學(xué)反應水分子被真空抽干(由擴散驅動(dòng))。也就是說(shuō)，MRS能夠增加聚合物的鏈長(cháng)、分子量、粘度和機械性能。此外，真空度可以控制粘度的增加，因此，可以實(shí)現使用在線(xiàn)粘度測量來(lái)控制真空，通過(guò)閉環(huán)控制來(lái)穩定粘度水平。

2.2生產(chǎn)加工過(guò)程中的在線(xiàn)測量和控制

在現今的生產(chǎn)加工中，監測、記錄和分析加工參數是塑料加工的關(guān)鍵要素，例如，跟蹤與客戶(hù)投訴有關(guān)的問(wèn)題，或者對這些參數的變化作出很快的反應。通過(guò)這種監控可以保證持續的高質(zhì)量產(chǎn)品。

在擠出過(guò)程中，影響終產(chǎn)品性能的重要因素包括熔體溫度、熔體粘度和機器內的熔體壓力。通過(guò)監控這些參數的變化，能夠監測加熱器區域或冷卻風(fēng)扇的故障、原材料參數的變化和生產(chǎn)線(xiàn)的磨損情況。避免發(fā)生危險的情況，比如迅速的壓力增高導致機器自動(dòng)停機。

通過(guò)使用熔體壓力傳感器和熔體溫度傳感器，利用已知的流量率和已知的模型，可以計算出液體的流動(dòng)阻力，并由此推斷出材料的動(dòng)態(tài)粘度。這種測量聚合物的平均分子量的方法能夠定義材料的物性特征，如彈性、拉伸或延伸。

2.2.1通過(guò)持續測量熔體壓力和溫度實(shí)現過(guò)程控制

在塑料加工中會(huì )使用熔體壓力傳感器，它的原理是利用介質(zhì)將壓力從熱環(huán)境傳遞到敏感的測量電子設備。與聚合物熔體接觸的膜片因熔體壓力而變形。這種變形讓毛細管中的液體將壓力傳遞到第二個(gè)膜片上，膜片上裝有惠斯通電橋傳感器，可以將變形轉化為電信號。毛細管中的液體介質(zhì)通常是汞，但是在食品包裝制造中禁止使用汞填充傳感器。在這種情況下，可以選擇格諾斯的無(wú)汞傳感器。用對環(huán)境安全的介質(zhì)替代汞之后，熔體壓力傳感器可以應用在所有行業(yè)應用中，獲得所需精度測量，特別是在與食品接觸的包裝材料領(lǐng)域。格諾斯TF型熔體溫度傳感器適用于高靈敏度介質(zhì)的精確測量。陶瓷絕緣保證在任何時(shí)候都能直接測量熔體溫度，而不受周?chē)摬考?/span>(如法蘭筒或模具)溫度的影響。

2.2.2通過(guò)格諾斯在線(xiàn)粘度計VIS實(shí)現過(guò)程控制

在線(xiàn)粘度計VIS用于在線(xiàn)測量熔體粘度。通過(guò)高精度齒輪泵，少量聚合物熔體從主通道中進(jìn)入制造精密的毛細管槽中，完成熔體壓力和溫度的測量(在兩個(gè)不同位置)。經(jīng)過(guò)粘度計內置計算程序，監控顯示實(shí)時(shí)的剪切速率的值和相應的粘度。

粘度計可安裝在兩個(gè)法蘭連接之間。熔體通道可根據客戶(hù)的要求設計0.5 - 2mm。該裝置包括泵驅動(dòng)器、泵、壓力傳感器、溫度傳感器以及控制和安裝計算程序的電子設備。通過(guò)用戶(hù)界面友好的觸摸屏實(shí)現對過(guò)程參數的現實(shí)、設置、評測，或者直接集成到現有的控制系統中。

盡管輸入材料條件不同(殘余水分)，在線(xiàn)粘度計VIS能夠在非常窄的帶寬內保持熔體質(zhì)量。通過(guò)檢測熔體壓力和溫度，計算得到粘度值。粘度值作為控制值，自動(dòng)調節MRS擠出機下游的真空設備，從而保證恒定的熔體性能(粘度、分子量，以及由此產(chǎn)生的機械性能)。

2.3熔體過(guò)濾

在聚合物進(jìn)入模具之前應清除各種污染物，其目的是達到對透明度(板材)或拉伸強度(熱成型板材、捆扎帶)的更高質(zhì)量要求，同時(shí)保護下游部件不受損壞。全自動(dòng)操作和壓力恒定格諾斯的旋轉熔體過(guò)濾系統能夠*勝任以上要求。

旋轉過(guò)濾系統由三個(gè)主要部分組成: 進(jìn)口模塊、出口模塊和在它們之間旋轉過(guò)濾盤(pán)。系統是金屬間密封，間隙非常狹小，表面十分平坦、堅硬，保證與熔體接觸的所有部件均不與環(huán)境接觸（例如氧氣）。

濾網(wǎng)位于過(guò)濾盤(pán)中間的環(huán)形中穿過(guò)熔體流動(dòng)通道。當熔體流經(jīng)濾網(wǎng)時(shí)，污染物被攔截，壓差略有增加?？刂葡到y對壓力的增加作出反應，將過(guò)濾盤(pán)轉位調整1-2個(gè)角度。

因此，濾網(wǎng)區域中污染物不斷地從熔體通道移出，而濾網(wǎng)區域中的干凈的熔體在不改變活性過(guò)濾區域的情況下被移進(jìn)熔體通道?；谶@種操作方式，過(guò)濾系統不斷地對過(guò)程和壓力進(jìn)行操作。通過(guò)過(guò)濾系統的壓差的變化值大可達2 bar。

在重新進(jìn)入熔體通道之前，帶有污染物的濾網(wǎng)需要清洗。通過(guò)高壓部分沖凈系統清洗。已過(guò)濾的熔體從出口模塊中抽出，虹吸到液壓驅動(dòng)活塞中，然后在高壓下從后面射出，通過(guò)過(guò)濾盤(pán)和濾網(wǎng)進(jìn)入進(jìn)口模塊。沖凈壓力是經(jīng)過(guò)測量且可調節的，確保更大的優(yōu)化。利用確定的高脈沖，每次僅清洗小部分（大約是濾網(wǎng)面積的1%）。

反沖洗活塞的沖程(=要使用的熔體量)和速度(=清洗強度)可以自由調節，確保更大的優(yōu)化。因此，一方面可實(shí)現有效的清潔，另一方面僅使用小量的熔體（反沖洗損失?。?。

基于這種操作模式，濾網(wǎng)達到*的實(shí)際清洗，并可以重復使用，根據不同的過(guò)濾細度，可高達400倍。在某些應用中，全自動(dòng)過(guò)濾(沒(méi)有任何操作員的注意)可能長(cháng)達幾個(gè)月。

2.4格諾斯處理單元

格諾斯處理單元是與眾不同的模塊配置，可以集成至高性能的擠出生產(chǎn)線(xiàn)中，用以提高生產(chǎn)質(zhì)量。

3應用案例

在使用格諾斯MRS擠出生產(chǎn)線(xiàn)后，一家歐洲的無(wú)紡布制造商避免了昂貴且消耗能源的預干燥和結晶步驟。

在此之后，由于機械方面的原因，濾網(wǎng)不得不進(jìn)行簡(jiǎn)單的更換。得益于格諾斯磚利技術(shù)的濾系統運作模式，更換濾網(wǎng)對生產(chǎn)工藝流程沒(méi)有任何影響。根據生產(chǎn)線(xiàn)的規模大小，所有過(guò)濾部件的濾網(wǎng)更換需要大約15分鐘，操作人員可以在不影響生產(chǎn)過(guò)程的情況下進(jìn)行。

該公司的擠出生產(chǎn)線(xiàn)以每小時(shí)700公斤的速度將PET加工成無(wú)紡布。產(chǎn)線(xiàn)包括，使用MRS擠出機對材料進(jìn)行塑化和變性，使用RSFgenius熔體過(guò)濾系統對材料進(jìn)行過(guò)濾，確保高純度，使用在線(xiàn)粘度計VIS測量粘度。該裝置與真空系統有一個(gè)控制回路，并根據粘度的變化來(lái)調節真空。無(wú)論進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn)的材料是否發(fā)生變化，確保質(zhì)量重要的指標-粘度-保持恒定。

與傳統的單螺桿加工相比，在結晶和預干燥的水含量低于50ppm的情況下，MRS擠出機的能耗更少，大約是20%。原因在于，傳統的加工工藝，在預階段擠壓要用熱空氣加熱塑料顆粒，能源消耗巨大。

表1：聚酯生產(chǎn)工藝：比較不同類(lèi)型擠出機的能耗

與雙螺桿加工相比，MRS擠出機的切片的能量消耗更少。其原因在于，雙螺桿需要小于5mbar的高真空，此外，通常薄片還需要預干燥。

MRS技術(shù)的能耗比傳統技術(shù)低15% - 25%，且無(wú)需干燥機和高真空系統，減少維護。

得益于MRS技術(shù)優(yōu)異的脫揮性能（不僅是水，還包括單體、低聚物等揮發(fā)物），熔體分子量分布較窄，且不含低分子組分。實(shí)現了減少在吐絲板上的斷裂、斑點(diǎn)和沉積問(wèn)題（析出）。

母粒不局限于固體或液體。由于黃色度更低，需要的白色母粒更少。保證了顏色的均勻，沒(méi)有云暈或斑點(diǎn)。

總結

新型MRS擠出系統具有*的熔體表面積交換率，是一種非常有效的聚合物熔體轉移體系。多旋轉系統大大增加了擴散過(guò)程。能夠在不需要預干燥的情況下，使用聚酯瓶片中制造出高抗拉強度的捆扎帶。此外，在MRS擠出機上使用聚酯瓶片生產(chǎn)的纖維也具有汲好的性能。

MRS擠出系統(包括多回轉部分)是單螺桿擠出機技術(shù)可靠、耐用。非常適合處理高度污染的聚合物(例如回收料)。

對于原料的要求，MRS擠出系統既不需要預干燥，也不需要結晶，與傳統的聚酯加工工藝相比更具經(jīng)濟優(yōu)勢。使用MRS擠出系統，工廠(chǎng)占地面積可減少25%，能源需求可減少25%。

多年的應用實(shí)踐證明，MRS擠出系統是一種可靠耐用且不需要維護的系統，適用于多種不同的生產(chǎn)。