德國格諾斯MRS擠出技術(shù)在PET無紡布制造中的應(yīng)用

介紹

聚酯非織布越來越受歡迎，一方面是由于其優(yōu)異的機(jī)械性能，另一方面是由于其加工相對簡單，材料成本相對較低，尤其是那些使用回收聚酯瓶制成的切片原料的非織布。

在適當(dāng)?shù)臈l件下聚酯非織布具有諸多優(yōu)異的的性能，包括密度高、重量輕、拉伸強(qiáng)。另外，相較其他非織布，聚酯非織布有更好的耐熱性能。因此，聚酯非織布可作為熱部件的絕緣材料。

將聚酯原料加工成非織布的生產(chǎn)工藝中有一個普遍問題--- 聚酯原料的吸濕性。聚酯原料在存儲中會吸收空氣中的水分子。在生產(chǎn)加工過程中，水分子進(jìn)入聚酯打破水解鏈，降低材料的機(jī)械性能，使生產(chǎn)加工變得困難。

生產(chǎn)過程

在紡粘無紡布的生產(chǎn)中，纖維生產(chǎn)和無紡布生產(chǎn)被結(jié)合在一起。聚合物通過擠出機(jī)進(jìn)入熔融狀態(tài)，熔體通過精密模具排出，并直接沉積在傳送帶上。通過粘合和纏繞的方式沉淀制成非織布。

塑料粒子是非織布生產(chǎn)中常見的原料之一，它們通過混合和加料系統(tǒng)后進(jìn)入擠出機(jī)，擠出機(jī)將之塑化及均勻化。熔體過濾后流入熔體泵。過濾系統(tǒng)包括一個實(shí)體的過濾中介物，通常是一個濾網(wǎng)，其作用是截留污染沉積物。生產(chǎn)工藝對過濾系統(tǒng)的要求是更換干凈的過濾屏或其他過濾部件時不能中斷或影響熔體流動，也就是說不能影響整個生產(chǎn)過程。熔體泵提供增壓，為下一階段紡絲箱體提供穩(wěn)定的熔體流動。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，紡絲箱體的設(shè)計不盡相同。紡絲箱體包括很多的紡絲泵，通過這些紡絲泵進(jìn)行塑料纖維的紡絲。

紡絲箱體和精確的過程控制保證熔體能夠均勻地從紡絲箱體中流出不受任何干擾。采用光柵過濾器勻化流型，確保熔體純度。例如，過濾器通常由不同的金屬絲布層組成。流動的熔體中的污染物可能會堵塞光柵過濾器，因此需要不斷地更換，在更換時需要停下至少一個紡紗工作單元，甚至整條生產(chǎn)線。

光柵過濾器的細(xì)度越細(xì)(通常是20-75 μm)，其預(yù)期使用壽命就越短。

因此，安裝在紡絲箱體上游的過濾器需要盡可能多的攔截聚合物熔體中的污染物，避免污染物到達(dá)自旋網(wǎng)包過濾器，盡可能延長其使用壽命。

根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，在非織造布沉積和粘合之前，模具和下游其余部分的設(shè)計差異很大。

聚酯生產(chǎn)工藝

干紡（水分抽?。┖蛿D出

聚酯擠出工藝中水分抽取的重要性

180°C干燥。事實(shí)上，材料必須干燥長達(dá)8小時，降低了聚酯處理工藝的靈活性。

MRS擠出概念的脫揮應(yīng)用

MRS擠出機(jī)可以直接加工聚酯顆粒，無需進(jìn)行預(yù)先干燥。在擠出過程中(熔體階段)，聚合物表面被大幅度地擴(kuò)大并高速交換，從而使揮發(fā)物得以提取。

擠出機(jī)可以被視為帶著非常特殊的排氣單元的單螺桿擠出機(jī)。聚合物熔體被輸送到一個很大的單螺桿滾筒中。

8個或10個（取決于不同的型號尺寸）小的擠出料筒，與主螺桿軸平行。

30%筒體打開，確保聚合物在進(jìn)入料筒時為糧好熔融狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不受限制的抽干。此外，可以實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制，即接觸熔體的所有表表溫度都可以精確控制。

MRS擠出機(jī)在多領(lǐng)域中廣泛使用。即使真空僅有20 - 40 mbar，排氣功能依舊表現(xiàn)優(yōu)異。

8個衛(wèi)星螺桿。

擠出機(jī)的*設(shè)計避免了傳統(tǒng)多軸或多螺桿設(shè)計中的(嚙合)問題，傳統(tǒng)設(shè)計由于其緊密的間隙，擠出機(jī)很容易受到損傷。MRS擠出機(jī)的設(shè)計尤其適用于聚酯瓶片再加工工藝，因?yàn)榫埘テ科ǔ：写治廴尽?/span>

MRS技術(shù)優(yōu)勢還包括聚酯除濕，增加材料的固有粘度。

多旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

多旋轉(zhuǎn)組件的設(shè)計使得熔體表面比傳統(tǒng)擠出機(jī)大很多。例如:MRS系統(tǒng)產(chǎn)生的熔體表面交換率是同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的25倍。

MRS具有結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星螺桿在獨(dú)立軸承上運(yùn)行，與包含多個單螺桿的料筒相容。

回收瓶片制造熱成型板材。雖然瓶片濕度高達(dá)10.000 ppm，但是整個生產(chǎn)沒有任何預(yù)干燥步驟，在擠出的多個階段分析材料的I.V.值，脫揮單元的上游和下游，同樣分析終產(chǎn)品的I.V.值。

PET的鏈中。輸入的水分越多，下降的幅度越大。在排氣單元中，通過化學(xué)反應(yīng)水分子被真空抽干(由擴(kuò)散驅(qū)動)。也就是說，MRS能夠增加聚合物的鏈長、分子量、粘度和機(jī)械性能。此外，真空度可以控制粘度的增加，因此，可以實(shí)現(xiàn)使用在線粘度測量來控制真空，通過閉環(huán)控制來穩(wěn)定粘度水平。

2.2生產(chǎn)加工過程中的在線測量和控制

在現(xiàn)今的生產(chǎn)加工中，監(jiān)測、記錄和分析加工參數(shù)是塑料加工的關(guān)鍵要素，例如，跟蹤與客戶投訴有關(guān)的問題，或者對這些參數(shù)的變化作出很快的反應(yīng)。通過這種監(jiān)控可以保證持續(xù)的高質(zhì)量產(chǎn)品。

在擠出過程中，影響終產(chǎn)品性能的重要因素包括熔體溫度、熔體粘度和機(jī)器內(nèi)的熔體壓力。通過監(jiān)控這些參數(shù)的變化，能夠監(jiān)測加熱器區(qū)域或冷卻風(fēng)扇的故障、原材料參數(shù)的變化和生產(chǎn)線的磨損情況。避免發(fā)生危險的情況，比如迅速的壓力增高導(dǎo)致機(jī)器自動停機(jī)。

通過使用熔體壓力傳感器和熔體溫度傳感器，利用已知的流量率和已知的模型，可以計算出液體的流動阻力，并由此推斷出材料的動態(tài)粘度。這種測量聚合物的平均分子量的方法能夠定義材料的物性特征，如彈性、拉伸或延伸。

2.2.1通過持續(xù)測量熔體壓力和溫度實(shí)現(xiàn)過程控制

在塑料加工中會使用熔體壓力傳感器，它的原理是利用介質(zhì)將壓力從熱環(huán)境傳遞到敏感的測量電子設(shè)備。與聚合物熔體接觸的膜片因熔體壓力而變形。這種變形讓毛細(xì)管中的液體將壓力傳遞到第二個膜片上，膜片上裝有惠斯通電橋傳感器，可以將變形轉(zhuǎn)化為電信號。毛細(xì)管中的液體介質(zhì)通常是汞，但是在食品包裝制造中禁止使用汞填充傳感器。在這種情況下，可以選擇格諾斯的無汞傳感器。用對環(huán)境安全的介質(zhì)替代汞之后，熔體壓力傳感器可以應(yīng)用在所有行業(yè)應(yīng)用中，獲得所需精度測量，特別是在與食品接觸的包裝材料領(lǐng)域。格諾斯TF型熔體溫度傳感器適用于高靈敏度介質(zhì)的精確測量。陶瓷絕緣保證在任何時候都能直接測量熔體溫度，而不受周圍鋼部件(如法蘭筒或模具)溫度的影響。

2.2.2通過格諾斯在線粘度計VIS實(shí)現(xiàn)過程控制

在線粘度計VIS用于在線測量熔體粘度。通過高精度齒輪泵，少量聚合物熔體從主通道中進(jìn)入制造精密的毛細(xì)管槽中，完成熔體壓力和溫度的測量(在兩個不同位置)。經(jīng)過粘度計內(nèi)置計算程序，監(jiān)控顯示實(shí)時的剪切速率的值和相應(yīng)的粘度。

粘度計可安裝在兩個法蘭連接之間。熔體通道可根據(jù)客戶的要求設(shè)計0.5 - 2mm。該裝置包括泵驅(qū)動器、泵、壓力傳感器、溫度傳感器以及控制和安裝計算程序的電子設(shè)備。通過用戶界面友好的觸摸屏實(shí)現(xiàn)對過程參數(shù)的現(xiàn)實(shí)、設(shè)置、評測，或者直接集成到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中。

盡管輸入材料條件不同(殘余水分)，在線粘度計VIS能夠在非常窄的帶寬內(nèi)保持熔體質(zhì)量。通過檢測熔體壓力和溫度，計算得到粘度值。粘度值作為控制值，自動調(diào)節(jié)MRS擠出機(jī)下游的真空設(shè)備，從而保證恒定的熔體性能(粘度、分子量，以及由此產(chǎn)生的機(jī)械性能)。

2.3熔體過濾

在聚合物進(jìn)入模具之前應(yīng)清除各種污染物，其目的是達(dá)到對透明度(板材)或拉伸強(qiáng)度(熱成型板材、捆扎帶)的更高質(zhì)量要求，同時保護(hù)下游部件不受損壞。全自動操作和壓力恒定格諾斯的旋轉(zhuǎn)熔體過濾系統(tǒng)能夠*勝任以上要求。

旋轉(zhuǎn)過濾系統(tǒng)由三個主要部分組成: 進(jìn)口模塊、出口模塊和在它們之間旋轉(zhuǎn)過濾盤。系統(tǒng)是金屬間密封，間隙非常狹小，表面十分平坦、堅(jiān)硬，保證與熔體接觸的所有部件均不與環(huán)境接觸（例如氧氣）。

濾網(wǎng)位于過濾盤中間的環(huán)形中穿過熔體流動通道。當(dāng)熔體流經(jīng)濾網(wǎng)時，污染物被攔截，壓差略有增加?？刂葡到y(tǒng)對壓力的增加作出反應(yīng)，將過濾盤轉(zhuǎn)位調(diào)整1-2個角度。

因此，濾網(wǎng)區(qū)域中污染物不斷地從熔體通道移出，而濾網(wǎng)區(qū)域中的干凈的熔體在不改變活性過濾區(qū)域的情況下被移進(jìn)熔體通道?；谶@種操作方式，過濾系統(tǒng)不斷地對過程和壓力進(jìn)行操作。通過過濾系統(tǒng)的壓差的變化值大可達(dá)2 bar。

在重新進(jìn)入熔體通道之前，帶有污染物的濾網(wǎng)需要清洗。通過高壓部分沖凈系統(tǒng)清洗。已過濾的熔體從出口模塊中抽出，虹吸到液壓驅(qū)動活塞中，然后在高壓下從后面射出，通過過濾盤和濾網(wǎng)進(jìn)入進(jìn)口模塊。沖凈壓力是經(jīng)過測量且可調(diào)節(jié)的，確保更大的優(yōu)化。利用確定的高脈沖，每次僅清洗小部分（大約是濾網(wǎng)面積的1%）。

反沖洗活塞的沖程(=要使用的熔體量)和速度(=清洗強(qiáng)度)可以自由調(diào)節(jié)，確保更大的優(yōu)化。因此，一方面可實(shí)現(xiàn)有效的清潔，另一方面僅使用小量的熔體（反沖洗損失?。?。

基于這種操作模式，濾網(wǎng)達(dá)到*的實(shí)際清洗，并可以重復(fù)使用，根據(jù)不同的過濾細(xì)度，可高達(dá)400倍。在某些應(yīng)用中，全自動過濾(沒有任何操作員的注意)可能長達(dá)幾個月。

2.4格諾斯處理單元

格諾斯處理單元是與眾不同的模塊配置，可以集成至高性能的擠出生產(chǎn)線中，用以提高生產(chǎn)質(zhì)量。

3應(yīng)用案例

在使用格諾斯MRS擠出生產(chǎn)線后，一家歐洲的無紡布制造商避免了昂貴且消耗能源的預(yù)干燥和結(jié)晶步驟。

在此之后，由于機(jī)械方面的原因，濾網(wǎng)不得不進(jìn)行簡單的更換。得益于格諾斯磚利技術(shù)的濾系統(tǒng)運(yùn)作模式，更換濾網(wǎng)對生產(chǎn)工藝流程沒有任何影響。根據(jù)生產(chǎn)線的規(guī)模大小，所有過濾部件的濾網(wǎng)更換需要大約15分鐘，操作人員可以在不影響生產(chǎn)過程的情況下進(jìn)行。

該公司的擠出生產(chǎn)線以每小時700公斤的速度將PET加工成無紡布。產(chǎn)線包括，使用MRS擠出機(jī)對材料進(jìn)行塑化和變性，使用RSFgenius熔體過濾系統(tǒng)對材料進(jìn)行過濾，確保高純度，使用在線粘度計VIS測量粘度。該裝置與真空系統(tǒng)有一個控制回路，并根據(jù)粘度的變化來調(diào)節(jié)真空。無論進(jìn)入生產(chǎn)線的材料是否發(fā)生變化，確保質(zhì)量重要的指標(biāo)-粘度-保持恒定。

與傳統(tǒng)的單螺桿加工相比，在結(jié)晶和預(yù)干燥的水含量低于50ppm的情況下，MRS擠出機(jī)的能耗更少，大約是20%。原因在于，傳統(tǒng)的加工工藝，在預(yù)階段擠壓要用熱空氣加熱塑料顆粒，能源消耗巨大。

表1：聚酯生產(chǎn)工藝：比較不同類型擠出機(jī)的能耗

與雙螺桿加工相比，MRS擠出機(jī)的切片的能量消耗更少。其原因在于，雙螺桿需要小于5mbar的高真空，此外，通常薄片還需要預(yù)干燥。

MRS技術(shù)的能耗比傳統(tǒng)技術(shù)低15% - 25%，且無需干燥機(jī)和高真空系統(tǒng)，減少維護(hù)。

得益于MRS技術(shù)優(yōu)異的脫揮性能（不僅是水，還包括單體、低聚物等揮發(fā)物），熔體分子量分布較窄，且不含低分子組分。實(shí)現(xiàn)了減少在吐絲板上的斷裂、斑點(diǎn)和沉積問題（析出）。

母粒不局限于固體或液體。由于黃色度更低，需要的白色母粒更少。保證了顏色的均勻，沒有云暈或斑點(diǎn)。

總結(jié)

新型MRS擠出系統(tǒng)具有*的熔體表面積交換率，是一種非常有效的聚合物熔體轉(zhuǎn)移體系。多旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)大大增加了擴(kuò)散過程。能夠在不需要預(yù)干燥的情況下，使用聚酯瓶片中制造出高抗拉強(qiáng)度的捆扎帶。此外，在MRS擠出機(jī)上使用聚酯瓶片生產(chǎn)的纖維也具有汲好的性能。

MRS擠出系統(tǒng)(包括多回轉(zhuǎn)部分)是單螺桿擠出機(jī)技術(shù)可靠、耐用。非常適合處理高度污染的聚合物(例如回收料)。

對于原料的要求，MRS擠出系統(tǒng)既不需要預(yù)干燥，也不需要結(jié)晶，與傳統(tǒng)的聚酯加工工藝相比更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。使用MRS擠出系統(tǒng)，工廠占地面積可減少25%，能源需求可減少25%。

多年的應(yīng)用實(shí)踐證明，MRS擠出系統(tǒng)是一種可靠耐用且不需要維護(hù)的系統(tǒng)，適用于多種不同的生產(chǎn)。