在双螺杆挤出机上配混生物聚合物需要注意的事项

文/Entek Manufacturing公司 Dean Elliott

在代工厂和品牌所有者的推动下，预计到2024年，全球生物塑料的产能将增加到大约21.8亿千克，从而使越来越多的应用会采用这类绿色材料。对于配混商们而言，该如何在双螺杆挤出机上高质量地配混出此类材料呢？凭借20多年的塑料挤出经验，就职于Entek Manufacturing公司的Dean Elliott先生给出了一些建议。

生物聚合物如PHA等将带动绿色材料需求的增长，一些消息来源预计，在未来5年内，此类材料的产能会增加3倍以上。PHA是可生物降解的生物基聚酯，具有良好的物理和机械性能。

作为该行业的领先者之一，澳大利亚的Plantic 科技公司与Entek Manufacturing公司合作，开发了专有配方，今天，其获得专利的可生物降解食品包装材料已在商业上取得成功，并在世界范围内得到广泛应用，这些材料是在双螺杆配混机上被生产出来的。

作为该领域的另一家领先者，美国Danimer科学公司生产的生物聚合物配混料被用于制造各种环保产品，其Nodax PHA产品线的市场需求正在显著增长，比如，Bacardi公司正用此材料来生产8 000万个PET瓶。

在生物聚合物领域，还涌现了许多新的参与者，他们带来了新的材料和许多新配方。

采用Plantic 科技公司的PHA材料挤出和热成型的可生物降解饼干盘

包括生物聚合物在内，所有聚合物的生产，均可以采用同向双螺杆挤出机，该机器具有出色的材料混合能力。不管配方如何，要想获得优良的熔融和混合质量，提高产率，以及实现其他参数目标，应该考虑将机械供应商视为开发合作伙伴，并确保所选择的机械供应商拥有有助于你测试材料配方和改善工艺的设施及专业能力，这是因为，与任何配混项目一样，在为新的生物聚合物配方开发工艺的过程中，会不可避免地进行一定量的反复试验。

生物聚合物配混料大致可分为3类：淀粉基聚合物配混料；含生物树脂的生物树脂配混料，如PHA、PLA或PHB；生物聚合物复合共混物，即含两种或以上的生物树脂、淀粉基聚合物和/或石油基聚合物的配混料。

在同向旋转双螺杆挤出机上生产生物树脂配混料和生物聚合物复合共混料时，需要注意以下关键事项：

1.购买灵活的挤出机。这是一个革新非常快的行业，有新的想法、新的或改进的原材料，以及新的或改进的添加剂等。因此，挤出机的设计要确保最大的灵活性，最好购买长径比为48:1或52:1的长型挤出机，且需提供多个排气口和进料位置选项。打开或关闭可用的排气口位置，或者从可用的位置添加或卸下一个侧喂料机，都要比在最初购买后再去采购新的机筒或者扩展挤出机容易得多。

2.请记住，生物聚合物通常具有吸湿性，因此，至少要设一个排气口，有时候还需要两个，同时，至少要设有一个真空排气口，有时候还需要两个。总之，由于生物聚合物一般都具有吸湿性，因此需要在加工之前谨慎处理。在挤出加工的早期就设置一个排气口，可以最大程度地减少生物聚合物的水解并避免对材料的预干燥。设置一个真空排气口也是必需的，不要将真空系统视为不必要的附件，它是挤出过程中不可或缺的一部分。精心设计的真空系统还可以解决生物聚合物挥发所带来的腐蚀性问题，从而可以通过减少维护和停机时间以及提高产出来尽快收回成本。

3.请考虑生物聚合物对剪切和压力的敏感性。当暴露于过热和/或剪切环境中时，生物聚合物会迅速降解。材料所遭受的剪切力与挤出机的螺杆转速成正比，与挤出机螺杆与机筒之间的间隙成反比。因此，需要在给定的挤出量下，尽可能以最低的螺杆转速运行挤出机，直到挤出机扭矩过高（＞90%）或达到体积极限，这可通过混料堵塞进料口或排气口来确定。

PHA已实现商业化应用，比如，Phade品牌的吸管就由Danimer公司的生物配混料制成

确保挤出机供应商具有支持你研发的实验室设施

为避免体积限制，可以有策略地设置排气口来排出空气和湿气，以及将限制型捏合段或反向螺杆元件放置在距离进料口或排气口尽可能远的下游。通过将挤出机螺杆设计成带有较长的“轻柔”混合区而不是较短的剧烈混合区，可以避免高扭矩。稳定进料器，使扭矩波动最小化，可以使操作人员以更高的平均扭矩运行挤出机。

虽然同向旋转双螺杆挤出机是一种高效配混设备，但其泵送效率仅为8%至15%，这带来的转化效应是，因挤出机出口压力高而造成熔体温度明显升高。较高的出口压力还会导致在挤出机出口附近的排气口处产生排气流。增加模孔直径，增加滤网的网目尺寸，并且在水下造粒的情况下，增加水和模头的温度，所有这些，都会使挤出机的出口压力降到最低。节距等于一个直径的输送螺杆元件是最有效的泵送元件。

配混生物聚合物最好使用长径比为48:1或52:1的长型挤出机，以提高加工灵活性，比如这台73 mm的双螺杆挤出机

可以在挤出机出口和模头之间使用熔体泵。熔体泵的泵送效率为25%到35%。使用熔体泵能最大程度地避免熔体温度的过度升高，节省挤出机功率并形成更稳定的挤出流量。有时，可以通过增加挤出机的产量来验证熔体泵成本的合理性。

4.生物聚合物降解迅速，因此，清机很重要。生物聚合物的降解速度要比大多数的石油基聚合物更快。如果挤出机要停机1～2 h以上，强烈建议降低机筒热量或者关闭加热。如果在挤出机不运行时还保持长时间加热状态，请使用低成本的热稳定聚合物对挤出机进行清洗，这类聚合物的熔体粘度要比生物树脂的稍高。如果清机料的粘度过高，则在重新开始生产后的许多小时内，它会显示为污染物。