溶剂型回收：采用双螺杆挤出机回收、纯化聚烯烃的新技术

文/克劳斯玛菲挤出技术公司 Franz-Xaver Keilbach，Kai U.Bagdahn

目前正在商业化应用的溶剂型回收技术可以将有色的聚烯烃废料变成能与原生材料相媲美的透明、干净甚至食品级的树脂，同时保持聚合物结构的完整性。为此而专门设计的串联双螺杆挤出机或双螺杆与单螺杆挤出机的串联系统可以做到这一点。

回收利用正成为塑料加工的一个越来越不可分割的组成部分。但是，如何才能将使用后的废弃物转化为可以用来替代原生材料的高质量再生材料呢? 如果想要获得高纯度的再生料，而回收的塑料原料又携带有墨水、着色剂、添加剂、污染物甚至外来的聚合物，这个问题就变得较为棘手。

克劳斯玛菲已经为采用机械回收方法对消费后的回收料（简称PCR）进行再加工而提供了许多双螺杆系统，这是当前占主导地位的回收方法。然而，由于机械回收存在过滤和排气的限制，因此要想从有色塑料中去除色素并不现实，通常会导致混合色的PCR 被染成黑色。这些限制因素也造成了食品级聚烯烃PCR 的市场供应有限。

好消息是，几项新技术的出现结合加工能力的迅速提高，使得更多种类的PCR 甚至是混合塑料可以被恢复成原生材料或接近原生材料的质量。然而，这些“先进的回收”方法，很多会涉及到对塑料树脂的部分或完全解聚，即先将其转化为单体或低聚物，然后再生产出新的塑料。但是，解聚和再聚合过程通常是化工公司而非挤出配混和造粒领域的塑料加工商们应该做的事。

然而，在蓬勃发展的先进的回收技术领域中，却有一个分支更容易被塑料配混商们所采纳，这就是基于溶剂的回收。这是一种混合技术，因为它考虑了在机械和化学回收中使用的净化工具。将要回收的塑料溶解，这样不会破坏聚合物的化学结构。溶剂回收技术主要适用于聚烯烃，如LDPE、HDPE 和PP，以及 PET、PS 和PA。此文将介绍溶剂回收的基础知识和所需的设备类型，以及有关这项技术首次被大规模应用于聚烯烃的一些细节。

在单螺杆和双螺杆挤出技术方面，克劳斯玛菲拥有丰富的机械回收、反应挤出和脱挥专业知识，这些知识可用于溶剂型回收技术。但值得一提的是，这项工艺的重要组成部分往往是涉及“反应器”或其他特殊设备的专利技术，这是建设和安装这些系统的克劳斯玛菲合作伙伴公司的一部分知识产权。

工艺概述

溶剂型回收工艺的第一步是将预先分类的、分离开且得到净化的回收料送入同向旋转双螺杆挤出机中，以进行预处理、熔融、均质和脱气，直到去除水分（如去除上游清洗废片时带有的水分）、单体、残余的空气和额外的挥发物。第一步是通过建立所需的物理和化学工艺条件来实现的，包括压力、温度和黏度等。第一阶段也为在塑化、均质和脱挥后，在下游加入溶剂提供了机会（取决于工艺细节）。为此，挤出机的关键技术条件包括由外径/内径比定义的自由容积、比扭矩或扭矩密度以及螺杆转速，它们共同表征了挤出机的加工能力。

比如，克劳斯玛菲的ZE BluePower 同向旋转双螺杆挤出机设计有1.65 的较高的外径/内径比，螺杆转速达1 200 r/min，高扭矩密度达16 Nm/cm3，这些性能确保了即使在中等温度和低速下也能熔化和均化初始材料，且能耗极低。

在第一阶段加入溶剂可以显著降低熔体的黏度，这样，即使是最细小的颗粒，也能经济有效地得到过滤，这可以通过采用成熟的、非常精细的网目过滤技术在高产率下实现。根据加工的需求，网目大小可以细到能适用于纺丝纤维甚至食品接触应用。相比之下，在机械回收中，聚合物天然的高黏度通常将过滤的粒度限制在100～250 μm，但使用溶剂，可以获得像水一样的熔体黏度，从而可以对20～40 μm 粒度的颗粒进行高速过滤。结合采用专利的反应器技术进行的分离过程，这为将PCR 从黑色转变成透明的自然色提供了独特的能力。

精细过滤通常是在熔体泵之后立即进行。熔体泵的上游可能还有一个粗滤用的过滤器，用来过滤掉较大颗粒的纸张、木头或金属杂质，以保护熔体泵。

下一步，是由客户或许可人提供的专有“黑匣子”技术，即反应器来执行将塑料熔体与污染物分离的基本功能。反应器可能需要一个工作压力,这由前述的计量增压泵提供。额外的溶剂，可能还有其他成分，可能会被添加到反应器中。反应器的主要作用是将进料分成两股，包括含有溶剂的清洁、无味的一股好的熔体，以及经初滤后带有所有污染物的溶剂淤泥。这些流体可以通过不同的方式如密度、停留时间或流速而被分离开。根据加工需求，在完成这些步骤之前可能还有另一个微粒过滤阶段。

精加工主要是脱气操作，以去除熔体中的挥发性溶剂和其他挥发物（单体、气味成分等）。这些溶剂被捕获并回收重新用于加工中。精加工既可以用同向旋转双螺杆挤出机也可以用单螺杆挤出机来完成。双螺杆可以将溶剂含量从最初的50%降低到较高的ppm 水平。如果终端应用要求将溶剂含量降低到较低的ppm 水平甚至ppb 水平，那么最好的解决方案是，最终纳入一台单螺杆脱挥挤出机，如一台克劳斯玛菲的KE 系列挤出机。克劳斯玛菲制造了世界上最大的熔体供料单螺杆脱挥挤出机，螺杆直径达800 mm。

商业规模的应用

作为溶剂型回收技术得到大规模实际应用的一个里程碑，位于美国俄亥俄州Ironton 的PureCycle Technologies 公司（以下简称PCT）正在建造其第一个商业化规模的溶剂型回收工厂，以将PCR PP 原料如地毯废料转化成超纯PP，用于消费品、汽车、建筑和工业应用。该工厂将于2022 年投入使用。PCT 采用Procter &Gamble Co.公司授权的技术以及克劳斯玛菲和Koch Modular Process Systems 公司提供的设备。PCT 的生产副总裁Brett Hafer 介绍说：“采用这项技术，我们成功地从地毯碎片中去除了所有的杂质、气味和染料残留物，从而使获得的PP 颗粒物无论在外观还是在机械性能上都能与原生材料相媲美。”

该工厂将拥有两条生产线，每条生产线都采用一台大型双螺杆挤出机来为反应器供料，然后是一台400 mm 的单螺杆脱挥挤出机和一台造粒机。该工厂每小时可以加工8 t 的废料。

用于PET 的溶剂分解技术

另一项回收技术专用于PET。这项被称为“乙醇降解”（或溶剂分解）的技术，不应与上述的溶剂型回收方法相混淆，因为它涉及到PET 与乙二醇溶剂的部分解聚。这项工艺（也可以从克劳斯玛菲获得）只使用一台同向旋转双螺杆挤出机来将PET 分解成短链低聚物而不是单体，接着是过滤器和熔体泵，以向缩聚反应器（由客户或许可人提供）供料，对PET 聚合物链进行重构，以满足预期用途所需的I.V.要求。这项工艺比其他解聚PET 的方法快得多，而且在获得的聚合物中只有少量变色甚至没有变色。通常，广泛使用的商业原料拥有0.7～0.8 的I.V.值，而这项技术可以在重新聚合前将I.V.值降到0.2 或更低。本质上FDA 级别的纯聚合物可以采用这项工艺制造，但正如前面所说，用缩聚法生产PET 主要为那些已经采用塑料废片生产PET 的公司感兴趣。