PLA Bileşiklerinin İşlenmesinde Farrel Teknolojisinin Faydaları
Aşağıda Farrel Corporation ve NatureWorks LLC arasında, mineral dolgulu PLA bileşikleri işlenirken geleneksel çift vidalı compound makineleri (TSE) ile karşılaştırıldığında Farrel Sürekli Karıştırma teknolojisinin (FCM TM) kullanılmasının yararları üzerine ortak bir geliştirme çalışması özetlenmektedir. Bu çalışmanın temel odak alanları, polilaktit (PLA) ve kristalin polilaktit (cPLA) bileşiklerinde kullanılmak üzere PLA'ya artan mineral dolgu seviyeleri eklerken polimer bütünlüğünü koruma yeteneği üzerineydi. Çalışma için deneyler hem Ansonia, CT ABD'de bulunan Farrel laboratuvarında hem de Minnetonka, MN ABD'de bulunan NatureWorks laboratuvarında gerçekleştirildi.
FCM TM, polimer karışımı üzerinde kontrollü kesme seviyeleri sağlayan, birbirine geçmeyen, tersine dönen ikiz rotor tasarımı kullanır ve bu da onu PLA gibi kesme ve sıcaklığa duyarlı malzemeler için ideal bir teknoloji haline getirir. Önceki deneyimlere dayanarak, bu teknolojinin, bitmiş bileşik içindeki PLA bileşeninin moleküler ağırlık bozulmasını en aza indirirken PLA bileşiklerini işlemek için ideal olacağı inancıydı. Tipik bir mineral dolgu maddesinin bir örneği olarak talk ilavesi, PLA bileşenini önemli ölçüde bozmadan daha yüksek miktarlarda dolgu maddesinin PLA ile birleştirilebileceğine inanıldığından karşılaştırmalı çalışma için bir temel olarak kullanılmıştır.
Aşağıdakiler çalışmanın tasarımı, süreci ve sonuçları ile özet bulgulardır.
Farrel Sürekli Karıştırıcı (FCM TM)
FCM TM, 1960'ların başlarında üretkenlik iyileştirmeleri için Banbury® kesikli karıştırma işlemine alternatif eklemek üzere kauçuk için sürekli bir karıştırma işlemi oluşturmak üzere geliştirilmiştir. Teknoloji başlangıçta kauçuk endüstrisinde sınırlı bir başarı elde ederken, termoplastik endüstrisinde yüksek doldurulmuş masterbatchler ve kaymaya duyarlı malzemeler de dahil olmak üzere çeşitli nişlerini buldu. Teknoloji, renk masterbatchleri, mineral dolgulu masterbatchler ve son bileşikler, alev geciktirici, PVC ve diğer özel bileşikler gibi birçok geleneksel polimer işleme uygulaması için idealdir. Ayrıca, eriyik sıcaklığı, mekanik kesme ve mineral dolgu seviyelerinin bitmiş ürüne daha az duyarlı olduğu çeşitli uygulamaları işleyebilir.
FCM TM, malzemeleri daha agresif bir eriyik yerine tek bir adımda, verimli bir şekilde birleştiren, TSE teknolojisiyle ilişkili teknolojiyi ekleyen, karıştıran, ileten, tekrarlayan bir ikiz rotor tasarımı kullanır. Yüksek miktarda dolgu maddesi ekleyebilme kabiliyeti öncelikle mikserin büyük serbest hacminden kaynaklanmaktadır. Polimerin önceden eritilmesi yerine dolgu maddesi ilave edilirken ve daha sonra dolgu maddesi ilave edilirken polimer sisteminin erimesi de başarılı dolgu maddesi eklenmesine katkıda bulunur. Bunları birleştirdiğinizde TSE teknolojisinden daha düşük eriyik sıcaklığında çalışan sağlam bir teknolojiye sahipsiniz. Ek bir maliyet avantajı olarak, FCM TM işleminin verimliliği nedeniyle, TSE ile karşılaştırıldığında daha düşük bir spesifik enerji mevcuttur.
TSE'ye benzer şekilde, FCM TM açlıktan beslenir ve yüksek rotor hızlarında çalışır. Tipik rotor hızları 300 - 600 rpm arasındadır, ancak belirli uygulamalara bağlı olarak çok daha yüksek rotor hızları mevcuttur. Toplam fonksiyonel rotor uzunluğu 6 L / D'dir, böylece makine çıkışında yüksek kaliteli bir karışım sağlarken kalma süresini azaltır. FCM TM 'de karıştırma, bileşiğin rotor ucu ve iç muhafaza duvarları tarafından oluşturulan kontrollü kesme bölgesi boyunca tekrarlanan geçişi ve bileşiğin iki rotor arasında sürekli bölünmesi ve rekombinasyonu ile elde edilir. Bu işlem, malzeme tüm polimer partiküllerinin tekrar tekrar bu kontrollü kesme seviyelerine maruz kalmasını sağlayan bir işlem olan, malzeme karıştırıcıdan boşaltma ucuna eksenel olarak ilerledikçe sürekli olarak gerçekleşir. Bu geçiş dağıtım fonksiyonu, rotor hızı ve akış hızına ek olarak, mikser "çıkış deliği konumu" ve karıştırma haznesindeki malzeme akış yolunu kontrol etmek için miksere takılabilen kesici uçların sayısı ile daha da kontrol edilebilir. Net etki, düşük enerji maliyetiyle bileşimde homojen olan termal olarak tutarlı bir bileşik oluşturan mekanik olarak dağılan enerjinin verimli kullanılmasıdır.
FCM TM, düşük rotorlu bir prosestir ve kolay rotor değişimi ve temizliği için istiridye kabuğu tasarımının kullanılmasına izin verir. Rotorlar her iki uçta yataklar tarafından desteklenir, bu nedenle tipik olarak TSE ve diğer ekstrüzyon işlemleri ile ilişkili metal-metal teması yoktur, bileşen aşınmasını korur ve yüksek kesme bölgelerinde eşit bir kesme oranına izin verir. FCM TM düşük basınç olduğundan, ekstrüdatın şekillendirilmesi için basınç gerektiğinde, peletleme başlıklarını veya diğer akış aşağı şekillendirme gereksinimlerini beslemek için bir basınç oluşturma cihazı olarak sıcak beslenen bir ekstrüder kullanılır. Tipik ekstrüder uzunlukları, havalandırmasız hava için 11: 1 ve ek buharlaşma gerektiren havalandırmalı uygulamalar için 19: 1'dir. Ekstrüder tipik olarak bir pompa işlevi gördüğünden, düşük özgül enerji (SEI) gereksinimi ve eriyik sıcaklığı üzerinde çok az etkisi vardır. Bu aynı zamanda iki işlemin birbirinden ayrılmasına izin verir, hem karıştırma hem de ekstrüzyonun iki ayrı işlem olarak optimizasyonunu sağlar. Birleştirilmiş bir çerçevede sıcak beslemeli bir ekstrüder ile birleştirilen FCM TM 'ye Kompakt İşlemci (CP Series II TM) denir.
FCM TM 'nin güçlü yönlerinden biri, sıcaklığa duyarlı veya yüksek oranda doldurulmuş bileşiklerdir ve aynı rotor tasarımını birden fazla uygulama için kullanma ve değişime hız katar. Rotor değişiklikleri gerektiğinde, makineyi açmak ve belirli uygulama gereksinimlerine bağlı olarak bir veya iki rotoru değiştirmek nispeten basit bir işlemdir. İki rotor tasarımı olduğundan, düşük ila yüksek karıştırma yoğunluğu arasında değişen sadece dört rotor kombinasyonu vardır. Rotor soğutması, katı rotor tasarımının ek bir özelliğidir ve eriyik sıcaklığını azaltmak için sıklıkla kullanılan ek bir proses değişkeni sağlar. Bu özellik TSE'de kullanılan segmentli vida tasarımlarında mevcut değildir.
Çift Vidalı Ekstruder (TSE)
En yaygın TSE tipi birlikte dönen, birbirine geçen çift vidadır. Bu teknoloji plastik, kimya ve ilaç endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Avantajları arasında TSE işleme, belirli uygulamalar için vida geometrilerini modüler olarak özelleştirme yeteneğine sahiptir. Her iki teknoloji de çok çeşitli bileşikleme uygulamaları için kullanılabilir. Bir TSE'nin daha yüksek doldurma hızlarına ulaşması için, genellikle 50, 60 veya hatta 70 L / D'ye kadar uzunluk eklemek gerekir. TSE'deki vida geometrilerini değiştirmek için, vidaları çekme ve tek tek elemanları çıkarma işleminin uzun bir süreci vardır. Daha uzun uzunluklar ve birbirine geçen tasarımlar, tork sınırlayıcı kaplinli karmaşık dişli kutuları gerektirir.
Aşağıdaki Grafik 3'te görebileceğiniz gibi, birbirine geçen kısım, özellikle yoğurma ve ters çevirme elemanlarının yaygın olarak kullanıldığı erime ve karıştırma bölgelerinde yüksek kesme bölgeleri sağlar. Bir TSE ile, dolgu maddeleri eklenmeden önce genellikle polimerin eritilmesi gerekir. Bileşikler daha az kayma duyarlı olduğunda ve daha düşük dolgu seviyeleri gerektiğinde, bir bileşik oluşturma işlemi seçerken TSE teknolojisi tercih edilen seçenek olabilir. Polimerleri karıştırmada yeterlidir, ancak hem işleme metodolojisi hem de FCM TM teknolojisiyle ilişkili serbest açık hacim nedeniyle oldukça doldurulmuş masterbatchlerde etkili değildir.
Daha yüksek dolum seviyelerinin gerektiği uygulamalarda, L / D'yi daha uzun hale getiren ve SEI maliyetlerini artıran çoklu yan besleyiciler kullanılır. İşleme maliyetlerine daha yüksek miktarlarda dolgu eklenirken oran bazen azaltılabilir. TSE teknolojisi, FCM TM 'ye kıyasla makinede önemli değişiklikler yaparak ve daha yüksek enerji tüketimiyle dolum oranlarını arttırabilir.
Her iki teknolojinin de sektörde her biri güçlü ve zayıf yönleri vardır.
Deney Tasarımı (DoE)
Bu çalışmanın amaçları için Farrel, analiz için pelet üretmek için gerekli basıncı oluşturmak üzere kullanılan bir ekstrüderi sıcak besleyen bir FCM TM 'nin bir kombinasyonu olan bir Kompakt İşlemci (CP Serisi II TM) kullandı.
Bu teknoloji karşılaştırması için DoE göz önüne alındığında, tüm TSE örneklerinin PLA işlenirken endüstri önerilerine özgü vida tasarımları ve proses parametreleri kullanılarak laboratuvarlarında 40mm birlikte dönen TSE'lerde NatureWorks tarafından üretileceği kabul edildi.
Amaç:
Mineral dolgu maddesi eklerken ve iki farklı proses teknolojisini karşılaştırırken PLA'nın moleküler ağırlığı (Mw) üzerindeki etkilerini değerlendirmek.
Kullanılan Ekipmanlar:
CPeX® Farrel Pomini Laboratuvar Kompakt İşlemci
2 adet loss-in-weight gravimetrik besleme
Strand makarna kesim sistemi
7/15 rotor kombinasyonu (optimum kombinasyon)
Rotor Soğutma
Orta seviye sıkıştırma tek vidalı ekstrüder
40mm co-rotating çift vidalı ekstrüder 40 L/D
2 adet loss-in-weight gravimetrik besleme
Laboratuar Cihazları
FPV
GPC
El Tipi Pirometre
Nem Tayin Cihazı
Test yöntemleri:
Filtre Basıncı Değeri (FPV)
Ekipman: Lab Tech Engineering Company Limited, Filtre Test Makinesi modeli LFT34-GP, Tek Vidalı Ekstruder modeli LE20-30 / C ile birleştiğinde
Standart: FPV standardı, eski ASTM D 3218 "Poliolefin Monofilamentler için Standart Şartname" standardına göre Avrupa'daki iyileştirme olan DIN-EN13900-5'dir.
Test: DIN-EN13900-5'te açıklandığı gibi "Karışım 1" testinin modifiye edilmiş versiyonu. Numune,% 8 talk, 200g toplam test karışımı içerir. 15μm'lik bir ekran kullanıldı. Dişli pompa, 230 ° C'de 50 bar besleme basıncı ile 60 cc / dak eriyik pompa hızına ayarlandı.
Nem ve Kül Testi
Ekipman: Arizona Instruments Nem, Katı ve Kül Analiz Cihazı, Computrac Max 5000XL
Standart: ASTM D6980-12: Plastiklerdeki Nemin Ağırlık Kaybı ile Tespiti için Standart Test Yöntemi
Test: Nem; ağırlık kaybı oranı dakikada ağırlıkça% 0.1'in altına düştüğünde 125 ° C'de testin tamamlanması. Kül; ağırlık kaybı oranı dakikada ağırlıkça% 0.1'in altına düştüğünde 550 ° C'de testin tamamlanması.
El Pirometresi
Ekipman: Omega Dijital El Termometresi, HH-26K; Hızlı Yanıt Problu Termokupl, HPS-RT-K-18G-12
Jel Faz Kromatografisi (GPC):
Ekipman: Sular modeli 2695 Ayırma Modülü
Standart: ASTM D3536-91, Sıvı Hariç Kromatografi (Jel Faz Kromatografisi) ile Moleküler Ağırlık Ortalamaları ve Molekül Ağırlığı Dağılımı için Standart Test
Test: Polistiren Standartlarına göre Poli-laktitin moleküler ağırlığı
Malzemeler
Ingeo 2003D, NatureWorks LLC tarafından sağlanmıştır
Özel Mineraller tarafından sağlanan Fortitalc 609:
İşlem Oranları
TSE: saatte 100 pound
CPeX®: saatte 44 pound
Sonuçlar
İncelenen dört temel bağımlı değişken Mw Retention, Melt Temperature, Dispersion ve Specific Energy'dir. Aşağıda, sunum amaçları için basitleştirilmiş yürütülen bir dizi denemeden elde edilen bir veri tablosu (Tablo 1) verilmiştir.
Mw Muhafaza Üzerine Etkileri:
Grafik 1'e bakıldığında, CP karıştırma teknolojisi ile Mw retansiyonunun% 95 ve% 50 doluluk oranına kadar daha yüksek olduğunu görüyoruz. % 60 dolulukta% 88'e düştü. TSE örnekleri ile karşılaştırıldığında Mw retansiyonunda dramatik iyileşme. Bunun daha düşük eriyik sıcaklıkları, düşük kalma süresi ve TSE'ye göre CP'ye verilmiş verimli kesme kombinasyonundan kaynaklandığına inanılmaktadır.
Daha yüksek dolum seviyelerinin mümkün olduğuna inanılmaktadır, ancak bu çalışmanın amaçları için dahil edilmemiştir. Uygulama izin verirse dolum seviyelerini artırabilecek potansiyel olarak işlem yardımcılarından da faydalanmak mümkündür.
Eriyik Sıcaklığına Etkileri
Grafik 2'de, iki işlem arasındaki erime sıcaklığı ve doluluk oranı üzerindeki etkileri görüyoruz. CP teknolojisi ile karıştırma odasından çıkan doğru eriyik sıcaklıklarını elde etmek için bir temas pirometresi kullanabildik. TSE numuneleri, vidaların çıkışında bulunan bir eriyik probu kullanılarak TSE verilerinin CP'den daha az doğru olmasını sağladı. CP karıştırma teknolojisinin TSE'ye karşı etkilerine ve daha düşük erime sıcaklığını koruma yeteneğine dikkat edin. Düşük işlem sıcaklıkları PLA bazlı bileşiklerde Mw tutulmasını doğrudan etkiler. Bunu göz önünde bulundurarak, daha düşük işleme sıcaklıkları ile geliştirilmiş Mw retansiyonu ve TSE arasındaki Grafik 1'de görülen doğrudan bir korelasyon görüyoruz.
Eriyik Sıcaklığının Mw Tutulmasına Etkisi
Grafik 3, Mw retansiyonundaki eriyik sıcaklıkları arasında görünür bir doğrudan korelasyonu göstermektedir. Talk'un sonuçlar üzerindeki etkisi nedeniyle, bu veriler bulguları desteklerken, bu çalışmada sunulan diğer sonuçlar dikkate alınmadan kullanılmamalıdır. İleride yapılacak çalışmalar, sadece CP verileri kullanılarak yukarıda gösterildiği gibi temel bulguları desteklemek için hem TSE hem de CP teknolojisi üzerinde sadece PLA örnekleri kullanılarak yapılacaktır.
Talk'un Dispersiyon Değerleri
Grafik 4'te, FPV değerlerinin çok düşük kaldığını, talkın PLA'ya mükemmel şekilde dağılmasına dönüştüğünü görüyoruz. TSE'nin,% 20 ve% 60 doldurulmuş numunelerde eşdeğer dağılım değerleri ve% 40 ve% 50 doldurulmuş numunelerde çok daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu noktada, numuneler% 40'tan% 60'a ilerledikçe, anormalliğin gelişmiş dispersiyon değerlerinde neden mevcut olduğu açık değildir. Bu, bağımlı değişken olarak dispersiyonu izole eden ek çalışmalar gerektirir. Şu anda CP teknolojisinin TSE'den daha iyi veya eşit bir dağılım ürettiğini tahmin edebiliriz.
Özgül Enerji Karşılaştırması
Grafik 5, kw-saat / kg cinsinden ifade edilen kilogram başına gerekli spesifik enerjiyi (SEI) gösterir. CP eğrisini değerlendirirken, dolgu seviyesi arttıkça SEI'de kademeli bir artış görüyoruz. Bunun nedeni, dolgu seviyeleri arttıkça düşük bileşik viskozitesinden kaynaklanmaktadır ve işlenmesi için daha fazla enerji (tork) gerektirir. Değişkenlik oranı bize çalışmanın bu kısmı hakkında daha fazla bilgi verecektir ve çalışma daha yüksek kapasiteli makinelerde tipik olarak artan oranlara genişletildiği için daha büyük ölçekte yürütülecektir. TSE eğrisinde, TSE örneklerinde Mw'deki değişime dikkat çekilerek açıklanabilecek SEI'de bir azalma görüyoruz. Bu muhtemelen Mw'deki düşük kayıptan dolayı, dolgu seviyeleri arttığında enerji gereksinimlerini azaltır. İki işlem arasındaki eşdeğer bir Mw değerinin benzer eğimlerle sonuçlanacağı ve dolgu seviyeleri arttıkça her iki çizgide de ayrılma olduğu teoridir.
ÖZET
Mineral dolgulu PLA'yı FCM TM teknolojisi ile birleştirirken Mw kaybını en aza indirmeye yönelik kritik kontrol noktaları hakkındaki anlayışımız şunları içerir:
Mekanik Kesme
FCM TM aşağıdaki nedenlerle daha düşük mekanik kesmeye sahiptir:
Peak Tepe uçlarını diğer işleme tekniklerinden daha düşük tutan rotor uçları ve astar duvarları arasında daha büyük bir boşluk sırası
Daha kısa L / D böylece daha kısa kalma süresi
Each Rotorlar ve hazne duvarları arasında sabit boşluklar sağlayan her iki uçta desteklenen rotorlar
TS TSE'de kullanılan yoğurma blokları veya diğer yüksek mekanik kesme elemanları gereksinimini ortadan kaldıran, birbirine geçmeyen sayaç dönen rotor tasarımı
Processing İşleme hızını değiştirmeden kalış süresini ve polimere iş girdisini kontrol etmek için kontrol özellikleri
Erime sıcaklığı
FCM TM aşağıdakiler nedeniyle daha düşük erime sıcaklığını koruyabilir:
Previously Daha önce listelendiği gibi bileşiğin eritilmesi ve karıştırılması için etkili bir işlem sağlayan azaltılmış mekanik kesme
Oda ve rotor soğutma, bileşik işlenirken artan ısı ekstraksiyonuna izin verir
The Karıştırıcıda kalma süresi düşüktür, işlemede kullanılan kesme elemanlarına maruziyeti sınırlar
Hidroliz:
FCM TM işlemi düşük basınç olduğundan, karıştırıcının çıkışındaki atmosferik havalandırmayla nem ve diğer uçucular giderilir. Bu, hidrolizin Mw üzerindeki olumsuz etkilerini geleneksel PLA işleme tekniklerinden daha düşük tutar.
Çalışmanın Sonuçları:
FCM TM teknolojisinin, PLA'da daha yüksek seviyelerde mineral yükleri işlerken Mw tutma ve enerji tüketimi ile ilgili olduğu için TSE'ye göre belirgin bir avantaj sağladığını göstermektedir. Düşük SEI, FCM TM işleminin verimliliğinin bir göstergesidir ve verimli bir karıştırma metodolojisinde malzemeleri tatmin edici bir şekilde birleştirmek için yeterli iş girerek enerji tasarrufu sağlar. Proses yardımcıları ile formüle edilmesi, masterbatchlerin oluşturulması düşünülürken kullanılan dolgu miktarının arttırılmasında daha fazla fayda sağlayabilir. PLA genellikle fiziksel özellikleri iyileştirmek veya cPLA bileşikleri oluşturmak için birleştirildiği için, yüksek Mw retansiyonu, FCM TM 'nin PLA'daki mineral katkı maddelerini dağıtmak için tercih edilen işleme teknolojisi olacağı ve TSE ile karşılaştırmalı verimli kesme işleminden faydalanacağı fikrini verecektir. Farrel Sürekli Karıştırmanın faydaları, daha düşük işleme maliyetleri, daha yüksek mineral dolum seviyeleri sağlar ve geleneksel birleştirme yöntemlerine göre gelişmiş fiziksel özellikler sunması beklenir. Bulguların çalışmanın sonuçlarıyla tutarlı kaldığını doğrulamak için daha büyük üretim boyutlu makineler üzerinde daha fazla çalışma yapılacaktır, ancak ilk göstergeler FCM TM PLA ve mineral dolgulu PLA bileşiklerini işlemek için idealdir.
Bulguların Biyoplastikte Uygulanması:
Birçok tek kullanımlık plastik uygulama göz önüne alındığında biyoplastikler uygun bir alternatif olarak ortaya çıkmaya devam etmektedir. Birçok kompostlanabilir biyoplastik, doğası gereği kaymaya karşı hassas olan ve polimer bütünlüğünü koruyan polyesterlerin, daha yüksek kesme işleme tekniklerine göre fiziksel özellikleri geliştirecektir. Çeşitli pazarlar kompostlanabilir alternatifler aradıkça, sürekli karıştırma teknolojisi, petrol bazlı plastiklerden yenilenebilir biyoplastik çözümlere başarılı bir geçişin anahtarlarından birini tutabilir.
HABER ARŞİVİ İÇİN TIKLAYINIZ