使水分遠離APET片材生產線

文/ Pete Stoughton（本刊編譯）

使水分遠離APET片材生產線

文/ Pete Stoughton（本刊編譯）

PET中的水分會導致材料降解進而影響片材和熱成型產品的質量，如何才能避免水分帶來的影響？當APET還是干燥的片狀新料時，遵循本文給出的這些建議，可以有效地使水分遠離。

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遇到的問題，且其特性黏度(IV）可能不會那么高，但在本質上它們仍是相同的材料。

APET提供了高強度、低成本和純度，以及優異的光學透明度和光亮度，它們使包裝產品的外觀得以優化，從而以極具吸引力的形象出現在商店貨架上。一般，透明的APET片材通過熱成型工藝制成各種食品、醫療制品和消費品等產品的透明包裝。

盡管PET應用廣泛，但為了實現最終產品所需的性能，加工商仍面臨一些挑戰，而干燥是其中的一個主要問題。PET具有吸濕性，會迅速從周圍的空氣中吸收水分，直至達到平衡狀態，因此在進入擠出機進行熔融加工之前PET需要進行干燥。如果PET沒有進行適當干燥就進行擠出加工，殘留的水分會導致材料水解，進而影響 APET片材和熱成型產品的結構完整性。

材料供應商給出的關于APET的干燥要求和其他PET應用所提出的干燥要求是相同的。根據材料供應商的建議，干燥溫度應在300～350 °F（148.9～176.7 ℃）范圍內，干燥時間為4～8 h，采用露點在-40～-20 °F（-40～-28.9 ℃）之間的干燥空氣。通常，材料供應商建議的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，顯示了結晶PET粒料在300 °F干燥時的水分損失曲線

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

廢料帶來的挑戰

APET片材的擠出和熱成型通常會產生大量的廢棄片料。大部分內部產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。如果生產的產品是正方形或矩形，它們能很好地彼此適應或相互嵌套在片材中，則可以最大限度地減少熱成型產品之間的廢料面積。但是如果熱成型的產品是圓形、橢圓形，或者不能互相嵌套的不規則形狀，那么熱成型產品之間的面積會增加，這種情況下產生的廢料量可能超過擠出機出料率的50%。還有一些額外的回收片料可能來自質控人員判定的不符合標準的APET片材廢卷。另外，許多APET片材加工商會從外部購買再生PET片料，這些材料可能需要進行特殊處理措，這取決于其歷史。

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

APET片材不規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。APET片料是扁平的，通常以疊層的方式存儲在筒倉和天倉中。當將片料從料倉中送入輸送系統的吸料管（pick-up tube）內時，可能會發生壅塞和物料流中斷。通過打開吸料管進行調整，以實現更好的物料流動，這種方法經常會造成輸送線的超裝料和溢流，導致輸送系統的料涌和堵塞。有一種簡單的方法可以提高片料流動特性并減少壅塞，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）的造粒機濾料網，而不是3/8 in.或更大孔徑的濾料網。這雖然有助于改善片料的輸送特性，但缺點是會產生更多的微粒。但我們可以通過細致的造粒機維護來解決新增微粒的問題。

另外，確保物料以“質體流動（mass flow）”的方式通過干燥料斗，是控制其干燥時間的前提。APET片料擁有較大的平面面積和較低的體積密度，再加上強制通過干燥料斗內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體流動被干擾。

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體流動。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節流過干燥料斗的干燥空氣體積，以匹配干燥系統的物料出料量，因為多余氣流不僅會影響物料通過干燥料斗的質體流動，還會使設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，會產生大量的微粒，這是無法避免的。造粒機刀片的鋒利度和間隙是影響微粒產生的關鍵因素，因此必須保持刀刃鋒利，并且轉子刀片和固定刀片之間的間隙要盡可能的小，使造粒機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卸料口直接相連的輸送鼓風機吸出片料，然后將其送至目的地。這類輸送方法對于PET不是一個好的選擇，因為鼓風機的葉輪可能會粉碎片料，形成大量的微粒。相比之下，真空輸送系統為控制從造粒機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生。

在高溫下（148.9～176.7 ℃）干燥PET是使其在加工之前達到50 ppm或更低的最后含濕量的前提。當干燥結晶PET（粒料或片料）時，采用這個溫度范圍沒什么問題，不會導致材料軟化，因為結晶PET的軟化一般發生在溫度接近其熔化溫度時，通常是在455 °F（235 ℃）以上。

當干燥的結晶PET進入擠出機并通過熔融相處理時，聚合物內的晶體結構被打破，聚合物將返回到清晰、透明的無定形狀態。離開擠出機的片材會快速冷卻在無定形狀態，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片料進行加工時，最大的挑戰就是干燥。

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

結晶APET片料

PET的結晶是通過將其加熱至玻璃化轉變溫度以上來實現的。結晶溫度越高，無定形片料結晶越快。在結晶片料時，必須加以攪拌來防止結塊。當PET從無定形狀態轉變為結晶狀態時，PET將從透明的片料轉變成乳白色，這是因為在聚合物中形成了結晶。在結晶過程中，片料的表面變硬，不會軟化，直至被加熱到熔點。

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

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

結晶APET片料所需的設備昂貴，還要占用車間內寶貴的地面空間，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玻璃化轉變溫度而進行的干燥不可能使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進行擠出加工，會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到50 ppm或更低，同時獲得由此而產生的好處就必須先結晶，然后在材料供應商建議的條件下對PET進行干燥。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片材加工商在不進行重新結晶的情況下采用APET片料進行加工也取得了不錯的效果，但這種成功是基于其正在生產的產品所需的物理要求并不像其他APET產品那樣苛刻。

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