鐘宇科，李旭寧
( 中國(guó)葛洲壩集團(tuán)綠園科技有限公司，廣東深圳 518052)
摘要: 淀粉類(lèi)完全生物降解塑料，因?yàn)榈矸鄣奶匦?，在吹膜加工過(guò)程中的破孔是最長(zhǎng)見(jiàn)的現(xiàn)象。 分析穿孔的原因發(fā)現(xiàn)是晶點(diǎn)，通過(guò)分析晶點(diǎn)成分，檢測(cè)螺桿和擠出機(jī)磨損情況確定了晶點(diǎn)產(chǎn)生的源 頭。通過(guò)調(diào)整螺桿和修復(fù)擠出機(jī)缺陷后，徹底解決了吹膜破孔的問(wèn)題。最后調(diào)整加工工藝延長(zhǎng)了螺筒 的使用期限。
關(guān)鍵詞: 完全生物降解材料，螺筒，螺文元件，磨損，位移探測(cè)儀器，淀粉
在白色污染日益嚴(yán)重，廢舊塑料回收壓力巨大的今天，人類(lèi)把塑料的使用逐步往可持續(xù)方向轉(zhuǎn)移，由此帶來(lái)了完全生物降解材料的問(wèn)世。因?yàn)橥耆锝到獠牧系某杀咎匦院褪褂锰攸c(diǎn)，我們?cè)诓牧现幸肓说矸蹎卧?，我們稱(chēng)之為 TPS，熱 塑性淀粉( TPS) 是在外力、熱和增塑劑協(xié)同作用下，原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，由晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，使其在分解前先實(shí)現(xiàn)熔融，從而具有熱塑性。它的加工溫度在 105°C ~ 190°C 之間，大多數(shù)研究表明[1]，熱塑性淀粉混合體系為假塑性流 體，增加淀粉的無(wú)序化程度可以通過(guò)升高加工過(guò)程中的溫度和延長(zhǎng)物料停留時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。從流 變學(xué)角度分析，其熔體僅能在高屈服力和高剪切力的作用下發(fā)生流動(dòng)類(lèi)似于合成聚合物的加工行為。因此，熱塑性淀粉可以和傳統(tǒng)塑料一樣， 使用擠出機(jī)、注塑機(jī)等傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)行加工[2]，故現(xiàn)階段開(kāi)發(fā)了一款 PBSA 為基材，復(fù)配經(jīng)增塑劑 改性的熱塑性淀粉( TPS) 及聚乳酸( PLA) ，制備三元復(fù)配的復(fù)合材料，進(jìn)入量產(chǎn)階段并全面推向市場(chǎng)。
在材料逐步問(wèn)世的過(guò)程中發(fā)生了很多問(wèn)題，其中最主要的問(wèn)題集中在吹膜加工方面，但跟吹膜加工工藝無(wú)關(guān)，而是跟材料本身的缺陷相關(guān)。 該問(wèn)題就是一直困擾淀粉類(lèi)完全生物降解材料的薄膜晶點(diǎn)問(wèn)題，它的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致薄膜吹膜過(guò)程中 破 孔 ，尺寸偏移，加工廢料增多，加工成本上漲，故本文重點(diǎn)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題做了專(zhuān)項(xiàng)研究。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)原料
PBSA 市售; PLA 市售; 熱塑性淀粉 TPS，自制。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備
吹膜機(jī)，MB - 600，廣東金明塑膠設(shè)備有限公司; 雙螺桿擠出機(jī): 型號(hào) TE - 75，長(zhǎng)徑比為40∶ 1，南京歐立擠出機(jī)械有限公司; 失重式喂料機(jī): 型號(hào) KT -20 系列，上海彩思機(jī)械設(shè)備有限公司 ; 位移傳感器 : M i c r o -E p s i l o n 系列 ，德國(guó)米銥公司; 傅立葉紅外光譜儀( FT-IR) : 型號(hào) BRUKER VECTOR22，德國(guó) Bruker 公司; 完成組裝的同向 雙螺桿。
1. 3 樣品制備
1. 3. 1 制備 TPS/PLA/PBSA 復(fù)合材料
在80°C烘箱中將 PBSA 和 PLA 混合料烘干 5 h ，確保水分小于0.06% ，TPS的用量固定為30%，將三組份原料分別投入高速混合機(jī)里混合 ，混合均勻后送入長(zhǎng)徑比為40 ∶ 1的TE-70型擠出機(jī)中，從下料口開(kāi)始到擠出機(jī)頭結(jié)束的擠出機(jī)的各段螺筒溫度設(shè)定為: 130°C/120°C/ 140°C /150°C /150°C /150°C /150°C /140°C /140°C / 160°C。螺桿轉(zhuǎn)速為 200r/min 喂料速度 50kg/h，如 此制備得到 TPS / PLA / PBSA 復(fù)合材料。
1. 3. 2 制備 TPS/PLA/PBSA 薄膜
將 TPS/PLA/PBSA 復(fù)合材料放于烘箱中，設(shè)定溫度 85°C，烘干 4h，投入吹膜機(jī)吹膜。螺桿直徑55mm，長(zhǎng)徑比 30∶ 1，擠出設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速 30r/min，熔體溫度為 125°C，調(diào)整薄膜厚度 15μm 制備得到FLEX - 1 62 薄膜樣。
1. 3. 3 薄膜外觀觀察及成分分析
薄膜尺寸偏移，薄膜表面有大量凸起半透明晶點(diǎn)，晶點(diǎn)附近都發(fā)生明顯孔洞。于是我們針對(duì)晶點(diǎn)做了集中搜集，表面處理后的晶點(diǎn)做了點(diǎn)紅外分析測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖 1。
圖 1 晶點(diǎn)紅外譜圖
紅外顯示 3500cm - 1 ~ 3700cm - 1 處存在明顯的吸收峰，這是玉米淀粉中締合-OH 的取代伸展振動(dòng)吸收，故確定晶點(diǎn)是淀粉含量較高的淀粉點(diǎn)。
1. 3. 4 檢測(cè)螺桿尺寸和螺筒尺寸
使用游標(biāo)卡尺對(duì)擠出機(jī)螺桿的剪切螺紋元件做磨損尺寸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖 2。
圖2 剪切塊磨損量檢測(cè)圖
測(cè)試結(jié)果顯示，有一對(duì)剪切塊存在不匹配性，長(zhǎng)度偏差達(dá)到 0. 2mm ~ 0. 3mm。
利用位移探測(cè)器檢測(cè)擠出機(jī)螺筒磨損情況，測(cè) 試譜圖見(jiàn)圖 3。
圖 3 剪切塊磨損量檢測(cè)圖
圖 3 測(cè)試結(jié)果顯示，在第二節(jié)螺筒到第三節(jié)螺筒處發(fā)現(xiàn)有大于 1mm 的磨損。
2 結(jié)果與討論
2. 1 晶點(diǎn)形成分析
淀粉在轉(zhuǎn)化為熱塑性淀粉的過(guò)程中，將發(fā)生三個(gè)層次的轉(zhuǎn)變[3]: ( 1) 淀粉顆粒外部破碎; ( 2) 削弱淀粉分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用力; ( 3) 淀粉分子部分降解，分子量降低。而塑化淀粉的主要原料是多元醇，如果螺桿組合上面存在缺陷，則擠出機(jī)中的塑化能力下降，螺筒內(nèi)壁存在 > 1mm 的內(nèi)凹缺陷，則會(huì)是淀粉在凹坑聚集，最后以未塑化的硬質(zhì)晶點(diǎn)形式進(jìn)入材料熔體當(dāng)中，從而在吹膜工序當(dāng)中顯現(xiàn)出來(lái)。
2. 2 設(shè)備修復(fù)
( 1) 將同向雙螺桿中明顯磨損的剪切螺紋元件去掉，用全新螺紋元件替代; ( 2) 替換雙螺桿擠出機(jī)有磨損的螺筒，同時(shí)在完成替換后再做螺筒位移探 測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖 4。
圖 4 剪切塊磨損量檢測(cè)圖
如圖 4 所示，擠出機(jī)螺筒內(nèi)壁光滑無(wú)明顯磨損 缺陷。
2. 3 重復(fù)制備 TPS/PLA/PBSA 復(fù)合材料并做吹膜檢驗(yàn)
按照 1. 3. 1 的操作步驟，在已經(jīng)修復(fù)的雙螺桿擠出機(jī)中制備 TPS/PLA/PBSA 復(fù)合材料，并按照1. 3. 2 的操作步驟制備薄膜觀察薄膜外觀果。
2. 4 吹膜檢驗(yàn)結(jié)果
整個(gè)吹膜過(guò)程中，膜泡穩(wěn)定，表面光滑，膜泡尺寸無(wú)偏移，整體薄膜表面無(wú)晶點(diǎn)產(chǎn)生，如圖 5 所示。
圖5 成品膜外觀圖
3 結(jié)論
淀粉類(lèi)完全生物降解材料，因?yàn)榈矸鄣奶匦?，?duì)設(shè)備和螺桿的配合精度要求很高，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)數(shù)據(jù)的跟蹤和測(cè)試，制定了磨損的控制量化指標(biāo)，螺桿磨損尺寸配合精度差 < 0. 2mm; 螺筒內(nèi)壁磨損要求 < 0. 5mm，且生產(chǎn)過(guò)程中控制增塑劑加入口的工藝溫度，不得低于 150°C ，緩解螺筒被氣蝕的程度，最終的擠出溫度設(shè)定為 130°C /150°C /160°C /160°C /160°C /160°C /150°C /140°C /140°C /160°C ，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩年的跟蹤，該溫度條件下， 螺筒更換的頻率從以前的一年一次，變更為現(xiàn)在的3 年一次。
參考文獻(xiàn)
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