在雙螺桿擠出機上配混生物聚合物需要注意的事項

文/Entek Manufacturing公司 Dean Elliott

在代工廠和品牌所有者的推動下，預計到2024年，全球生物塑料的產能將增加到大約21.8億千克，從而使越來越多的應用會采用這類綠色材料。對于配混商們而言，該如何在雙螺桿擠出機上高質量地配混出此類材料呢？憑借20多年的塑料擠出經驗，就職于Entek Manufacturing公司的Dean Elliott先生給出了一些建議。

生物聚合物如PHA等將帶動綠色材料需求的增長，一些消息來源預計，在未來5年內，此類材料的產能會增加3倍以上。PHA是可生物降解的生物基聚酯，具有良好的物理和機械性能。

作為該行業的領先者之一，澳大利亞的Plantic 科技公司與Entek Manufacturing公司合作，開發了專有配方，今天，其獲得專利的可生物降解食品包裝材料已在商業上取得成功，并在世界范圍內得到廣泛應用，這些材料是在雙螺桿配混機上被生產出來的。

作為該領域的另一家領先者，美國Danimer科學公司生產的生物聚合物配混料被用于制造各種環保產品，其Nodax PHA產品線的市場需求正在顯著增長，比如，Bacardi公司正用此材料來生產8 000萬個PET瓶。

在生物聚合物領域，還涌現了許多新的參與者，他們帶來了新的材料和許多新配方。

采用Plantic 科技公司的PHA材料擠出和熱成型的可生物降解餅干盤

包括生物聚合物在內，所有聚合物的生產，均可以采用同向雙螺桿擠出機，該機器具有出色的材料混合能力。不管配方如何，要想獲得優良的熔融和混合質量，提高產率，以及實現其他參數目標，應該考慮將機械供應商視為開發合作伙伴，并確保所選擇的機械供應商擁有有助于你測試材料配方和改善工藝的設施及專業能力，這是因為，與任何配混項目一樣，在為新的生物聚合物配方開發工藝的過程中，會不可避免地進行一定量的反復試驗。

生物聚合物配混料大致可分為3類：淀粉基聚合物配混料；含生物樹脂的生物樹脂配混料，如PHA、PLA或PHB；生物聚合物復合共混物，即含兩種或以上的生物樹脂、淀粉基聚合物和/或石油基聚合物的配混料。

在同向旋轉雙螺桿擠出機上生產生物樹脂配混料和生物聚合物復合共混料時，需要注意以下關鍵事項：

1.購買靈活的擠出機。這是一個革新非常快的行業，有新的想法、新的或改進的原材料，以及新的或改進的添加劑等。因此，擠出機的設計要確保最大的靈活性，最好購買長徑比為48:1或52:1的長型擠出機，且需提供多個排氣口和進料位置選項。打開或關閉可用的排氣口位置，或者從可用的位置添加或卸下一個側喂料機，都要比在最初購買后再去采購新的機筒或者擴展擠出機容易得多。

2.請記住，生物聚合物通常具有吸濕性，因此，至少要設一個排氣口，有時候還需要兩個，同時，至少要設有一個真空排氣口，有時候還需要兩個。總之，由于生物聚合物一般都具有吸濕性，因此需要在加工之前謹慎處理。在擠出加工的早期就設置一個排氣口，可以最大程度地減少生物聚合物的水解并避免對材料的預干燥。設置一個真空排氣口也是必需的，不要將真空系統視為不必要的附件，它是擠出過程中不可或缺的一部分。精心設計的真空系統還可以解決生物聚合物揮發所帶來的腐蝕性問題，從而可以通過減少維護和停機時間以及提高產出來盡快收回成本。

3.請考慮生物聚合物對剪切和壓力的敏感性。當暴露于過熱和/或剪切環境中時，生物聚合物會迅速降解。材料所遭受的剪切力與擠出機的螺桿轉速成正比，與擠出機螺桿與機筒之間的間隙成反比。因此，需要在給定的擠出量下，盡可能以最低的螺桿轉速運行擠出機，直到擠出機扭矩過高（＞90%）或達到體積極限，這可通過混料堵塞進料口或排氣口來確定。

PHA已實現商業化應用，比如，Phade品牌的吸管就由Danimer公司的生物配混料制成

確保擠出機供應商具有支持你研發的實驗室設施

為避免體積限制，可以有策略地設置排氣口來排出空氣和濕氣，以及將限制型捏合段或反向螺桿元件放置在距離進料口或排氣口盡可能遠的下游。通過將擠出機螺桿設計成帶有較長的“輕柔”混合區而不是較短的劇烈混合區，可以避免高扭矩。穩定進料器，使扭矩波動最小化，可以使操作人員以更高的平均扭矩運行擠出機。

雖然同向旋轉雙螺桿擠出機是一種高效配混設備，但其泵送效率僅為8%至15%，這帶來的轉化效應是，因擠出機出口壓力高而造成熔體溫度明顯升高。較高的出口壓力還會導致在擠出機出口附近的排氣口處產生排氣流。增加模孔直徑，增加濾網的網目尺寸，并且在水下造粒的情況下，增加水和模頭的溫度，所有這些，都會使擠出機的出口壓力降到最低。節距等于一個直徑的輸送螺桿元件是最有效的泵送元件。

配混生物聚合物最好使用長徑比為48:1或52:1的長型擠出機，以提高加工靈活性，比如這臺73 mm的雙螺桿擠出機

可以在擠出機出口和模頭之間使用熔體泵。熔體泵的泵送效率為25%到35%。使用熔體泵能最大程度地避免熔體溫度的過度升高，節省擠出機功率并形成更穩定的擠出流量。有時，可以通過增加擠出機的產量來驗證熔體泵成本的合理性。

4.生物聚合物降解迅速，因此，清機很重要。生物聚合物的降解速度要比大多數的石油基聚合物更快。如果擠出機要停機1～2 h以上，強烈建議降低機筒熱量或者關閉加熱。如果在擠出機不運行時還保持長時間加熱狀態，請使用低成本的熱穩定聚合物對擠出機進行清洗，這類聚合物的熔體粘度要比生物樹脂的稍高。如果清機料的粘度過高，則在重新開始生產后的許多小時內，它會顯示為污染物。