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PHA/PLA共混物挤吹制品加工工艺研究

为实现高品质、更一致的挤吹效果,在设置工艺参数时,制品厂要特别关注生物基聚合物PHA/PLA材料的自身特性。

如今,限制石油基塑料的立法氛围与消费者对可持续替代品的需求愈加强烈,生物基塑料迎来了发展机会。在过去的十几年中,受成本高昂、性能独特且通常加工困难多种因素影响,生物基塑料的应用推广进度缓慢。但现在,许多聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 基树脂(通常与聚乳酸(PLA)结合)的研发进展迅速,且已经产生了非常适合当前市场需求的生物基塑料解决方案。

PHA是一种通过细菌发酵所产生的天然可生物降解材料,过程类似于酿造酒精。在发酵过程中,当营养物质和食物来源得到优化时,细菌菌株开始制造和储存PHA作为营养来源,并最终产生大量的PHA。

此时,将PHA与细胞进行分离并进行加工,会得到轻质白色粉末,该原料可与PLA等其他材料混合并最终生产出生物基树脂。这些材料通常可在家庭和工业环境中堆肥,同时能在土壤和海洋环境中降解。

PHA及其可堆肥特性的使用场景之一是吹塑制品,并为如今市场上塑料过剩的问题提供了一种解决方案。PHA可以吹塑成各种形状、尺寸和设计的产品,适用于个人用品、食品饮料储存等多个行业。

要成功挤出吹塑 PHA/PLA 瓶,需要注意其材料独特的加工特性。(图片来源:丹尼默科学公司)

近年来,许多制品厂一直在尝试将PHA/PLA共混物应用于吹塑工艺,但由于共混物具有独特特性,仅取得部分研究成果。然而,在设置加工参数时适当注意PHA/PLA 共混物所具有的固有特性可以获得高品质、更一致的结果。

“PHA可以吹塑成多种形状、尺寸和设计的产品,适合多种应用场景。”

将PHA与PLA混合使用后,你会发现PHA的加工要求是工艺操作的主导力量。PHA具有吸湿性,需要干燥。同时它对停留时间很敏感,需要模具达到120-130℉(50-55℃)才能结晶。在丹尼默科学公司,笔者的大部分研究工作都集中在挤出吹塑成型 (EBM) 上,本文将就此展开介绍。

原材料干燥

如上文所说,PHA是一种吸湿性聚酯材料,会吸收周围环境的水分。在加工前进行干燥处理可有效防止材料溶解及熔体变稀。材料加工的水分含量要求低于0.04%(400ppm)。建议的干燥条件是,在不高于170℉(80℃)的温度下在干燥机中干燥四小时。

吹塑机处理

建议先使用LDPE彻底洗净吹塑机,以去除以前的树脂材料,并在将挤出机冷却到特定工艺设定点后(详见下表),开始加入PHA/PLA共混物。此工序会避免材料在生产过程降解。PHA/PLA共混物的上限温度约为400℉(205℃),在此温度附近材料会迅速降解。

由于PHA在热和剪切作用下会快速降解,因此建议在设备闲置超过五分钟后启动时清洗现有材料。因为影响生产的不仅有熔体温度还有停留时间。停留时间过长会导致材料粘度下降,并可能引起设备运转问题。

在需要更换原材料时,应在工艺温度下使用LDPE再次清除PHA/PLA共混物,然后再升温进行生产。

挤出机温度设置

PHA材料再次成为关键因素。为了获得稳定且可加工的型胚,您必须将温度保持在PHA加工温度的下限。

建议加工温度:

低熔体温度旨在获得具有足够的熔体强度以粘合型胚。你会发现PHA/PLA共混物对温度变化极其敏感,并且粘度会随着熔体温度的升高而迅速下降。我们通常建议刚接触PHA/PLA混合物的制品厂将温度区间调整为2-3℃,而非通常的5℃。

挤出速度

虽然挤出速度与循环时间直接相关,但需要注意的是,PHA是一种类似于PVC的剪切加热材料。随着生产效率和基础速度的增加,挤出机的温度会超控。如果设备带有热冷却带,可以通过这一模块来控制挤出机温度,或者可以尝试对挤出机预热以减少摩擦和剪切生热。

此外,检查挤出机螺杆设计,避免使用具有较高压缩比或非常短且塑化压力大的螺杆也很有必要。

模具温度

模具温度需要额外注意。PHA/PLA共混物中的PHA成分需要加热模块来促进结晶。如果在40-60℉温度下加工成型,产品会变得柔软且富有韧性,并在之后的60-90秒内变得坚硬。其原因就是,低温会延缓材料的结晶速率,结晶过程往往是在取出产品后发生。使用PHA/PLA共混物时,材料结晶和冷却发生在不同的时间。

“共混物中的PHA需要加热模块来促进及时结晶。”

为了提高结晶速度,建议将模具保持在110-140℉(40-60℃)。该温度区间既能有效促进材料结晶,又能实现产品的推出和后处理。

保持模具温度的另一个原因是,大多数PHA/PLA产品会黏附在低温模具的表面,使其难以推出。

产品处理

PHA/PLA 吹塑瓶在包装前需要固化时间。

如何处理成型后的产品是吹塑工艺的关键部分。随着生产速度的提高,产品的处理也将变得困难。

随着循环和结晶时间的减少,产品会变得非常软且容易损坏。因此需要调整生产和后道自动化流程,以此满足产品在批量包装之前充足的固化时间。

由于产品还存在与模具粘黏的情况,因此,为保持产品脱模一致,还需探索模具打开时推出产品及固化的形式。

希望本文能够为读者的产品开发提供一些技术基础,并在此基础上,建立一个稳定的生产流程并加以改进。请记住,PHA/PLA共混物是相对较新且不同的材料,因此需要一些新的不同的加工技术。

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标签: 技术工艺 吹塑设备 生物降解塑料


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