馬靜 王益龍 神睿 張妮

(大連理工大學(xué)化工學(xué)院高分子材料系,遼寧 大連,116024)

城鄉(xiāng)居民日常生活中廢棄的的礦泉水瓶、飲料軟包裝和食用油瓶等液體外包裝(以下簡(jiǎn)稱(chēng)飲料瓶),已經(jīng)成為可回收生活垃圾的主角,各個(gè)城市為了應(yīng)對(duì)這種體積大、形狀各異的飲料瓶紛紛建立專(zhuān)業(yè)粉碎廠,將其粉碎成形狀不規(guī)則的小片,去除雜質(zhì),再經(jīng)過(guò)堿洗、水洗、瓶蓋和瓶標(biāo)簽分離、離心甩干等工序,得到體積較小、形狀不規(guī)則、數(shù)量巨大的飲料瓶片[1],用于擠出生產(chǎn)低附加值的短纖維[2-4]。

為了便于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸,使廢棄資源得到有效利用,需要對(duì)飲料瓶片先擠出造粒,如果能在外地先將飲料瓶片擠出造粒,再運(yùn)至加工廠更具有現(xiàn)實(shí)意義。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)飲料瓶片在擠出時(shí)難以牽引成條,因而有必要探索其擠出造粒方法。下面分別研究擠出機(jī)類(lèi)型、飲料瓶片含水量、擠出工藝條件等對(duì)擠出產(chǎn)物特性黏度的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

飲料瓶片,大連金普新區(qū)聚酯瓶回收廠;苯酚,分析純,天福精細(xì)化工有限公司;四氯乙烷,分析純,天津博迪化工有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

單螺桿擠出機(jī),SJ30/25,上海輕工機(jī)械有限公司;雙螺桿擠出機(jī),CTE-35,科倍隆科亞(南京)機(jī)械有限公司;反應(yīng)擠出機(jī),30型,大連理工大學(xué);差示掃描量熱儀(DSC),V4.7A,美國(guó)TA儀器公司;真空干燥箱,DZF,鄭州予華儀器廠。

1.3 飲料瓶片的預(yù)處理

飲料瓶片人工挑選去除殘余的雜質(zhì),用剪刀剪小,放置到真空干燥箱中,在140 ℃，0.1 MPa下真空干燥4 h,自然冷卻到室溫。將另一部分剪小的飲料瓶片放在大托盤(pán)中在太陽(yáng)下晾曬或者用噴壺噴水,得到不同含水量的飲料瓶片。

1.4 飲料瓶片性能測(cè)試

含水量測(cè)試:將干燥的500 mL燒杯用電子分析天平稱(chēng)重(Wc),在燒杯中裝入半杯飲料瓶片一起稱(chēng)重(Wt),將其放入真空干燥箱中,烘干后冷卻至室溫再稱(chēng)重(Wd),利用公式(1)計(jì)算出飲料瓶片的含水量(Gw)。

Gw=(Wt-Wd)/(Wt-Wc)

(1)

DSC測(cè)試:將飲料瓶片料在真空干燥箱內(nèi)干燥4 h,用電子分析天平精確稱(chēng)量8 mg整塊圓餅狀試樣,用DSC,以10 ℃/min升溫速率從40 ℃加熱至280 ℃,測(cè)定升溫DSC曲線,再以10 ℃/min的降溫速率從280 ℃降溫至40 ℃,測(cè)定降溫DSC曲線。

擠出產(chǎn)物特性黏度測(cè)試:用電子分析天平稱(chēng)取0.125 g擠出產(chǎn)品,加入到裝有25 mL苯酚/四氯乙烷混合溶劑(質(zhì)量份數(shù)比1∶1)容量瓶中,在80 ℃的恒溫電熱板上加熱6 h至完全溶解,使用G3沙型漏斗過(guò)濾,充分去除雜質(zhì)。過(guò)濾后的溶液使用烏氏黏度計(jì),用一點(diǎn)法在(25.00±0.05) ℃的水浴中測(cè)定特性黏度,記錄產(chǎn)物溶液流經(jīng)毛細(xì)管的流出時(shí)間(t),每批樣品測(cè)試前先測(cè)溶劑流出時(shí)間(t0),按公式(2)計(jì)算擠出產(chǎn)物特性黏度:

(2)

式中,η為擠出產(chǎn)物特性黏度,c為溶液質(zhì)量濃度(5 g/L);ηr為相對(duì)黏度,ηr=t/t0;ηsp為增比黏度,ηsp=ηr-1。

1.5 單螺桿擠出機(jī)擠出飲料瓶片

單螺桿擠出機(jī)擠出飲料瓶片時(shí),螺筒各區(qū)溫度分別為:245 ℃(加料段),250,260,240 ℃(機(jī)頭),螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min,用聚丙烯清膛后在料斗中加入飲料瓶片,由于擠出產(chǎn)物難以牽引成條,用不銹鋼托盤(pán)取料樣,進(jìn)行特性黏度測(cè)定。

1.6 雙螺桿擠出機(jī)擠出飲料瓶片

雙螺桿擠出機(jī)擠出飲料瓶片時(shí),螺筒各區(qū)溫度分別為:245,250,250,250,255,255,260,260,250 ℃(機(jī)頭),螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min,用聚丙烯清膛后截取樣品進(jìn)行特性黏度測(cè)定。

1.7 反應(yīng)擠出機(jī)擠出飲料瓶片

反應(yīng)擠出機(jī)擠出飲料瓶片時(shí),螺筒各區(qū)溫度分別為:240 ℃(加料段),250,250,250,230 ℃(機(jī)頭),控制螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min,縮聚段的真空度為0.08 MPa,依次用聚丙烯、飲料瓶片對(duì)螺桿清膛,再將待測(cè)飲料瓶片試樣加入到反應(yīng)擠出機(jī)中熔融擠出。

2 結(jié)果與討論

2.1 飲料瓶片的材質(zhì)分析

圖1為烘干飲料瓶片的DSC分析曲線。由圖1可以看出,只在256 ℃出現(xiàn)吸熱峰,這是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)的特征結(jié)晶熔化吸熱峰,表明飲料瓶片的材質(zhì)是純PET,不含其它聚合物組分;DSC降溫曲線在180 ℃時(shí)出現(xiàn)結(jié)晶放熱峰,表明其冷卻變硬的速率慢,也符合PET的特征。

圖1 烘干飲料瓶片的DSC分析

2.2 飲料瓶片含水量及其外觀

由于購(gòu)買(mǎi)的飲料瓶片在生產(chǎn)過(guò)程中是利用水下切片粉碎技術(shù),又經(jīng)過(guò)堿水和清水的洗滌,比表面積非常大,含有較多的水分。用直接烘干稱(chēng)量法測(cè)定飲料瓶片的含水量,來(lái)源不同的飲料瓶片,其含水量及飲料瓶片外觀特征見(jiàn)表l。

表1 不同來(lái)源飲料瓶片含水量及外觀特征

2.3 飲料瓶片擠出產(chǎn)物特性黏度和擠出現(xiàn)象

分別使用單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)和反應(yīng)擠出機(jī)擠出徹底烘干和含水量1.25%的飲料瓶片,擠出產(chǎn)物的特性黏度和擠出現(xiàn)象見(jiàn)表2。

表2 各種擠出機(jī)擠出含水量不同飲料瓶片的情況

從表2可以看出,使用單螺桿擠出機(jī)擠出飲料瓶片,無(wú)論飲料瓶片的含水量多少,擠出產(chǎn)物都難以牽引成條;使用雙螺桿擠出機(jī)擠出完全烘干的飲料瓶片時(shí),勉強(qiáng)能牽引成條,當(dāng)擠出含水量為1.25%的飲料瓶片時(shí),就無(wú)法牽引成條;使用帶有真空除氣裝置的反應(yīng)擠出機(jī),不同含水量飲料瓶片都容易牽引成條,特性黏度遠(yuǎn)高于使用單螺桿或雙螺桿擠出機(jī),這是因?yàn)榉磻?yīng)擠出機(jī)螺桿長(zhǎng)徑比大,在螺筒中部位置上開(kāi)有排氣孔,可以在高真空下抽除高溫熔體中的水分,這些水分大部分是瓶片中帶來(lái)的,小部分是PET端基縮聚形成的,后者的移除會(huì)使化學(xué)平衡向生成高分子量PET的方向偏移,導(dǎo)致大分子擴(kuò)鏈,因而用反應(yīng)擠出機(jī)的擠出產(chǎn)物特性黏度較高,產(chǎn)物的擠出成條性好,反應(yīng)擠出機(jī)是擠出含水飲料瓶片的優(yōu)選設(shè)備。

2.4 含水量對(duì)擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

分別配制含水量為0.50%,1.25%,2.50%,3.50%的飲料瓶片,使用反應(yīng)擠出機(jī)擠出,螺筒溫度分別為240,250,250,250,230 ℃,得到擠出產(chǎn)物,進(jìn)行特性黏度的測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 含水量對(duì)擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

使用含水量較低的飲料瓶片利于提高擠出產(chǎn)物的質(zhì)量,含水量達(dá)到3.50%時(shí),仍能正常擠出、牽條,這是因?yàn)榉磻?yīng)擠出機(jī)螺筒中部開(kāi)有排氣口,安裝有真空視鏡和真空泵,可使飲料瓶片中的水分在高溫下被充分去除,飲料瓶片中的水分對(duì)特性黏度和擠出成條影響較小。

2.5 真空度對(duì)擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

使用反應(yīng)擠出機(jī)對(duì)含水量為0.50%的飲料瓶片進(jìn)行擠出試驗(yàn),螺筒溫度分別為240,250,250,250,230 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min,通過(guò)調(diào)節(jié)排氣系統(tǒng)的閥門(mén)調(diào)節(jié)除氣段真空度,真空度對(duì)擠出產(chǎn)物特性黏度的影響見(jiàn)圖3。

圖3 真空度對(duì)擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

從圖3可以看出,真空度提高更有利于除去飲料瓶片熔融后熔體中的水分和小分子揮發(fā)物,要使除氣段真空度保持0.10 MPa有困難,但真空度保持在0.08 MPa以上沒(méi)有問(wèn)題。

2.6 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

使用反應(yīng)擠出機(jī)對(duì)含水量為1.25%的飲料瓶片進(jìn)行擠出試驗(yàn),除氣段真空度保持在0.08 MPa以上,擠出產(chǎn)物特性黏度的變化情況見(jiàn)圖4。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,擠出產(chǎn)物的特性黏度先增后減,在螺桿轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)槁輻U轉(zhuǎn)速低于80 r/min時(shí),隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,物料在高溫料筒中的停留時(shí)間減少,高溫老化降解變少,產(chǎn)物的特性黏度提高;當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速高于80 r/min時(shí),高轉(zhuǎn)速帶來(lái)的強(qiáng)剪切會(huì)使產(chǎn)物的特性黏度略有降低。綜合考慮得到螺桿轉(zhuǎn)速最佳范圍為70～80 r/min。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出產(chǎn)物特性黏度的影響

3 結(jié)論

1) 飲料瓶片的材質(zhì)均為PET,不含其它聚合物組分。

2) 使用單螺桿擠出機(jī)擠出含水量不同的飲料瓶片時(shí)無(wú)法牽引成條,擠出物的特性黏度下降明顯;雙螺桿擠出機(jī)擠出飲料瓶片時(shí),產(chǎn)物的特性黏度都低于0.60 dL/g,擠出成條困難;使用帯有真空除氣裝置的反應(yīng)擠出機(jī),無(wú)論飲料瓶片的含水量多少,都容易牽引成條,并且擠出產(chǎn)物的特性黏度較高。

3) 提高反應(yīng)擠出機(jī)除氣段真空度和降低飲料瓶片的含水量有利于提高擠出產(chǎn)物的特性黏度,反應(yīng)擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速最佳范圍為70～80 r/min。