اکستروژن ورق PLA/PBAT: چالش ها و راه حل ها

پردازش پلی لاکتیک اسید مخلوط شده با پلی بوتیلن آدیپات ترفتالات به شکل ورقه مسطح نیاز به دقت در هر مرحله دارد. اکستروژن ورق PLA PBAT در تقاطع دو پلیمر با رفتارهای حرارتی اساساً متفاوت، سینتیک کریستالیزاسیون و ویسکوزیته مذاب قرار می گیرد. به دست آوردن خروجی سازگار و قابل دوام تجاری مستلزم درک عمیق علم مواد، طراحی مکانیکی و کنترل فرآیند است. این مقاله موانع اصلی پیش روی پردازنده‌ها و استراتژی‌های مهندسی را که تولید ورق قابل کمپوست را در مقیاس قابل اعتماد می‌سازد، بررسی می‌کند.

یک توانمند ماشین اکستروژن ورق نقطه شروع است، اما ترکیبات PLA/PBAT نسبت به دستگاه های تک پلیمری معمولی تقاضای قابل توجهی بیشتری از هر جزء پایین دست قیف دارد.

PLA PBAT Sheet Extrusion: چالش های سازگاری

پلی لاکتیک اسید یک پلیمر سفت و نیمه کریستالی با نقطه ذوب تیز در حدود 170 درجه سانتیگراد است. در مقابل، PBAT یک کوپلی استر انعطاف پذیر و آمورف است که به تدریج نرم می شود و به راحتی در دماهای کمتر از 110 درجه سانتی گراد جریان می یابد. وقتی این دو ماده وارد یک بشکه می شوند، نتیجه یک مذاب همگن نیست، بلکه یک عمل متعادل کننده ترمودینامیکی است.

مشکل اصلی سازگاری از عدم تطابق قطبیت ناشی می شود. PLA گروه‌های استری را حمل می‌کند که در امتداد ستون فقرات آن فشرده شده‌اند، در حالی که PBAT بخش‌های آلیفاتیک طولانی را با واحدهای معطر در هم آمیخته است. این واگرایی ساختاری به این معنی است که دو پلیمر در سطح مولکولی بدون کمک خارجی، نفوذ محدودی را نشان می‌دهند. علامت قابل مشاهده در طول اکستروژن مخلوط PLA PBAT جداسازی فاز است: حوزه های میکروسکوپی هر پلیمر به طور مستقل تشکیل می شوند که منجر به ورقه های مه آلود یا رگه دار، خواص مکانیکی ناسازگار و کاهش عملکرد مانع می شود.

انتخاب سازگارساز در اینجا حیاتی می شود. توسعه دهنده های زنجیره ای مبتنی بر کوپلیمرهای استایرن-اکریلیک دارای عملکرد اپوکسی (مانند سری Joncryl ADR) با گروه های انتهایی هیدروکسیل و کربوکسیل موجود در PLA و PBAT واکنش می دهند و به طور موثر کوپلیمرهای بلوکی را در سطح مشترک ایجاد می کنند. یک سیستم PLA PBAT سازگار کننده با دوز مناسب، چسبندگی سطحی را با مرتبه‌ای بزرگ افزایش می‌دهد و یک ساختار شکننده و چند لایه را به یک ماتریس سخت و یکپارچه تبدیل می‌کند. نرخ افزودن معمولی بسته به نسبت محتوای PBAT و ویژگی‌های مصرف نهایی مورد نظر، از 0.3٪ تا 1.5٪ وزنی متغیر است.

تعادل چقرمگی و شکل پذیری نیز با نسبت ترکیب تغییر می کند. در 20-30% PBAT، ورق‌ها انعطاف‌پذیری متوسطی پیدا می‌کنند، اما همچنان ممکن است تحت ضربه شکستگی شکننده نشان دهند. فشار دادن PBAT به 40 تا 60 درصد باعث ازدیاد طول می شود اما سفتی و مقاومت در برابر حرارت را قربانی می کند. پردازنده‌هایی که نیازمندی‌های کاربردی خاص را هدف قرار می‌دهند - چه سینی‌های گرماساز صلب یا کیسه‌های کمپوست‌پذیر انعطاف‌پذیر - باید به‌جای افزودن PBAT بیشتر، نسبت را بهینه کنند.

پنجره پایداری حرارتی و پردازش

PLA تخریب حرارتی تنها پیامدترین خطر پردازش را ارائه می دهد. PLA در دماهای بالاتر از 200 درجه سانتیگراد تحت بریدگی زنجیره هیدرولیتیکی و حرارتی قرار می گیرد و با افزایش دما، سرعت تخریب به طور تصاعدی شتاب می گیرد. وزن مولکولی کاهش می یابد، ویسکوزیته مذاب کاهش می یابد و اکسترود ضعیف، شکننده و تغییر رنگ می شود.

PBAT لایه دیگری از پیچیدگی را اضافه می کند. اگرچه PBAT از نظر حرارتی پایدارتر از PLA در انزوا است، پنجره پردازش مخلوط باریک می شود زیرا هر پلیمر به طور متفاوتی به برش و زمان ماند پاسخ می دهد. PLA به حرارت کافی برای ذوب شدن کامل و مخلوط شدن با PBAT نیاز دارد، اما نه آنقدر که زنجیره های آن از بین برود. PBAT به انرژی برشی کافی برای پراکندگی در ماتریس PLA نیاز دارد، اما برش بیش از حد گرمای اصطکاکی ایجاد می کند که PLA را از آستانه تخریب خود عبور می دهد.

برای اطلاعات بیشتر در مورد فرآیند پایه، به ادامه مطلب مراجعه کنید نمای کلی اکستروژن ورق زیست تخریب پذیر Pla ، که خط پایه تک ماده را قبل از ورود عوارض ترکیبی به تصویر می پوشاند.

پنجره پردازش عملی برای اکثر ترکیبات PLA/PBAT بین 160 درجه سانتیگراد تا 200 درجه سانتیگراد در قالب قرار دارد. در این باند، مدیریت مشخصات دما در امتداد بشکه مکانیزم کنترل اولیه می شود:

• منطقه تغذیه: 150-160 درجه سانتیگراد - به اندازه کافی کم برای جلوگیری از نرم شدن و پل زدن زودرس

• منطقه فشرده سازی: 170-185 درجه سانتیگراد - جایی که بخش عمده ذوب و اختلاط رخ می دهد

• منطقه اندازه گیری: 180-195 درجه سانتیگراد - کنترل شده برای حفظ همگنی مذاب بدون تخریب

• دای لیپ: 190 تا 200 درجه سانتیگراد - برای جلوگیری از عیوب سطحی باید بالاتر از دمای کریستالیزاسیون PLA باشد.

زمان اقامت ترکیبات قرار گرفتن در معرض حرارتی. بشکه‌های کوتاه‌تر، سرعت‌های بالاتر پیچ و طرح‌های پمپاژ کارآمد همگی به کاهش زمان صرف زنجیره‌های پلیمری در دماهای بالا کمک می‌کنند. تهویه خلاء در وسط بشکه محصولات تجزیه فرار - الیگومرهای لاکتید، بخار آب و قطعات با وزن مولکولی کم - را حذف می کند که در غیر این صورت باعث ایجاد حباب یا رگه در ورق نهایی می شود.

طراحی پیچ و پیکربندی قالب برای PLA/PBAT

طرح های معمولی تک پیچ بهینه شده برای پلی اولفین ها با ترکیبات PLA/PBAT ضعیف عمل می کنند. مسئله فقط ظرفیت انتقال نیست - اختلاط توزیعی و پراکنده است. اکستروژن ورق PLA PBAT به پیچی نیاز دارد که بتواند به طور مکانیکی شکاف ویسکوزیته را بین یک پلیمر سفت و با تبلور سریع و یک پلیمر نرم و با جریان آهسته پل کند.

اکسترودرهای دو ورقه با پیچ‌های دوقلوی هم‌دوش، اختلاط عالی اما با هزینه سرمایه بسیار بالاتر را ارائه می‌دهند. برای کاربردهای ورق، طراحی تک پیچ با تغییرات استراتژیک رایج تر است. رویکرد معمولی شامل موارد زیر است:

• بخش تغذیه با پروازهای عمیق برای رسیدگی به اختلاف چگالی ظاهری بین گلوله‌های PLA و گلوله‌های PBAT

• یک بخش فشرده‌سازی شامل عناصر مخلوط Maddock یا Dulmadge - این مختل‌کننده‌های سبک مانع، مواد را از شکاف‌های باریک عبور می‌دهند، دامنه‌های PBAT را می‌شکنند و آنها را از طریق ماتریس PLA توزیع می‌کنند.

• یک بخش اندازه گیری با نسبت تراکم متوسط ​​(2.5:1 تا 3.0:1) برای ایجاد فشار کافی برای قالب بدون ایجاد گرمای برشی بیش از حد

• پین ها یا حلقه های تاول در مناطق انتقال برای برهم زدن بیشتر الگوهای جریان آرام

پیکربندی قالب وزن برابری دارد. یک چوب لباسی یا قالب تخت به سبک T با عرشه داخلی و محدوده لبه قابل تنظیم گسترده کنترل ابعاد مورد نیاز را فراهم می کند. مشخصات کلیدی طول زمین است - زمین های کوتاهتر افت فشار و گرمایش برشی را کاهش می دهند که به PLA حساس به حرارت کمک می کند. با این حال، زمین خیلی کوتاه یکنواختی جریان را قربانی می کند و منجر به تغییر گیج در عرض ورق می شود.

تکنیک های بهبود مقاومت مذاب در خروجی قالب شایسته توجه است. از آنجایی که PLA خاصیت ارتجاعی مذاب پایینی از خود نشان می دهد، اکسترودیت می تواند بیش از حد بین لبه های قالب و رول های نیپ فرو رود. راهبردها شامل کاهش اندکی دمای قالب نسبت به منطقه اندازه گیری، استفاده از یک غلتک سرد با شکاف دهانه وسیع برای جلوگیری از کاهش تدریجی، و - در برخی فرمول‌ها - ترکیب بخش کوچکی از پلی‌کاپرولاکتون (PCL) به عنوان یک انعطاف‌کننده ثانویه است که استحکام مذاب را بدون تغییر قابل ملاحظه‌ای در مشخصات کمپوست ترکیب افزایش می‌دهد.

پلاستیک های زیستی اکستروژن ورق در سرعت های تجاری (بالاتر از 200 کیلوگرم در ساعت) به هماهنگی دقیق بین توان پیچ، سرعت برخاستن و ظرفیت خنک کننده نیاز دارند. هرگونه عدم تعادل به صورت موجی بودن، تغییر ضخامت، یا تنش درونی که باعث ایجاد تاب خوردگی در طول ترموفرمینگ پایین دست می شود، ظاهر می شود.

راه حل های عملی و پیکربندی خط

پرداختن به همه این متغیرها به طور همزمان به یک رویکرد در سطح سیستم نیاز دارد تا ارتقاء سخت افزاری مجزا. سازندگان تجهیزات به این چالش ها با خطوط PLA/PBAT ساخته شده با هندسه های تخصصی پیچ و کنترل دمای پیشرفته پاسخ داده اند. به عنوان مثال، پلت فرم اکستروژن ورق زیست تخریب پذیر PLA JWELL دارای گرمایش منطقه مستقل با دقت ±1 درجه سانتیگراد است که برای حفظ یکپارچگی ترکیب PLA/PBAT در پنجره پردازش 160-200 درجه سانتیگراد بسیار مهم است.

فراتر از کنترل دقیق دما، یک پیکربندی خط آماده تولید باید شامل موارد زیر باشد:

ترکیب وزنی اختصاصی فیدرهای حجمی نمی توانند تلورانس های نسبت تنگ مورد نیاز را در زمانی که گلوله های PBAT و PLA در چگالی ظاهری 15 درصد یا بیشتر متفاوت هستند حفظ کنند. مخلوط‌کن‌های گرانشی نوسانات وزن بلادرنگ را تصحیح می‌کنند و نسبت محتوای PBAT را در ± 0.5٪ از نقطه تنظیم نگه می‌دارند.

اکسترودر دو پیچی یا اصلاح شده تک پیچ. برای مخلوط‌های بالاتر از 30% PBAT، اکسترودرهای ترکیبی دو مارپیچ، شدت اختلاط پراکنده مورد نیاز را فراهم می‌کنند. زیر آن آستانه، یک پیچ منفرد با طراحی خوب با عناصر مخلوط کننده و نسبت L/D 30:1 یا بیشتر کافی است.

پشته کالیبراتور چند منطقه ای. پشته های تقویم سه رول با دمای رول کنترل شده به طور مستقل به اپراتورها اجازه می دهد یک گرادیان حرارتی را تنظیم کنند - رول تماس گرم برای پایان سطح، مرکز به تدریج خنک تر و رول های خروجی برای ثبات ابعادی. این از تبلور زودرس PLA روی سطح رول جلوگیری می کند و در عین حال از خروج ورق با هندسه صاف و بدون تنش اطمینان می دهد.

پیرایش لبه و بازیافت در خط. خطوط ورق PLA/PBAT لبه‌های ثابتی را تولید می‌کنند که می‌توان آن را دانه‌بندی کرد و در سطوح 10-15% دوباره آسیاب کرد بدون از دست دادن خاصیت قابل توجه. محتوای regrind بیشتر به دلیل تاریخچه حرارتی اضافی، تخریب حرارتی را تسریع می کند، بنابراین ردیابی کل چرخه های اقامت ضروری است.

فرآوری پلیمرهای زیست تخریب پذیر در مقیاس در نهایت موضوع کنترل تنوع است. برهمکنش بین فرمول ترکیب، دینامیک پیچ، پروفیل حرارتی و خنک کننده پایین دست به این معنی است که تغییر در هر متغیر منفرد در کل سیستم منتشر می شود. مهندسان فرآیند که خط را به عنوان یک واحد یکپارچه در نظر می‌گیرند - به جای بهینه‌سازی اجزای منفرد به صورت مجزا - به پایدارترین خروجی و پایین‌ترین نرخ ضایعات دست می‌یابند.

برای راهنمایی پیکربندی دقیق متناسب با توان عملیاتی خاص و اهداف ضخامت ورق، Pla Sheet Extrusion Line جداول پارامتر و توصیه های طرح بندی را ارائه می دهد. صفحه

سوالات متداول

نسبت محتوای ایده آل PBAT برای برنامه های کاربردی ورق قابل کمپوست چیست؟

بستگی به مصرف نهایی دارد. بسته بندی ترموفرم شده سفت و سخت معمولاً از 20-30٪ PBAT برای انعطاف پذیری متوسط ​​استفاده می کند. روکش‌های انعطاف‌پذیر و آسترهای کیسه‌ای در جعبه به 40 تا 60 درصد PBAT برای دستیابی به ازدیاد طول در هنگام شکست مورد نیاز برای عملیات‌های پر کردن و مهر و موم نیاز دارند. بالاتر از 60% PBAT، این مخلوط برای اکثر کاربردهای ورق سختی کافی را از دست می دهد.

آیا می توان مخلوط های PLA/PBAT را روی خطوط ورق موجود طراحی شده برای پلی اولفین ها پردازش کرد؟

تا حدی. قاب ها، کالیبراتورها و سیم پیچ های موجود اغلب می توانند دوباره مورد استفاده قرار گیرند، اما پیچ، قالب و سیستم های کنترل دما معمولاً نیاز به اصلاح دارند. حساسیت حرارتی PLA و الزامات اختلاط مخلوط، کنترل دما و اختلاط توزیعی بهتری را نسبت به پیچ های پلی اولفین استاندارد می طلبد.

دوز سازگار کننده چگونه بر پردازش و خواص نهایی تأثیر می گذارد؟

دوزهای پایین (0.3-0.5٪) در درجه اول کشش سطحی را کاهش می دهد و وضوح نوری را بهبود می بخشد. دوزهای متوسط ​​(0.5-1.0٪) بهترین توازن بین استحکام مکانیکی و پردازش پذیری را ارائه می دهند. دوزهای بیش از حد بیش از 1.5 درصد بازدهی کمتری را ارائه می دهد و ممکن است باعث تشکیل ژل یا ایجاد پیوند متقابل شود که بازیافت را پیچیده می کند.

دلایل اصلی عیوب سطحی در ورق های PLA/PBAT چیست؟

زبری سطح، بافت پوست پرتقال و رگه‌ها معمولاً از سه منبع منشأ می‌گیرند: اختلاط ناکافی که باعث مهاجرت دامنه‌های غنی از PBAT به سطح ورق می‌شود، تجمع لبه‌ها از PLA تخریب‌شده، و آلودگی رطوبتی که باعث ایجاد حباب‌های هیدرولیز می‌شود. پرداختن به طراحی پیچ، یکنواختی دمای قالب و خشک کردن رزین (زیر 0.02٪ رطوبت) اکثر این عیوب را برطرف می کند.