鐘宇科，李旭寧
( 中國葛洲壩集團(tuán)綠園科技有限公司，廣東深圳 518052)
摘要: 淀粉類完全生物降解塑料，因為淀粉的特性，在吹膜加工過程中的破孔是最長見的現(xiàn)象。 分析穿孔的原因發(fā)現(xiàn)是晶點，通過分析晶點成分，檢測螺桿和擠出機(jī)磨損情況確定了晶點產(chǎn)生的源 頭。通過調(diào)整螺桿和修復(fù)擠出機(jī)缺陷后，徹底解決了吹膜破孔的問題。最后調(diào)整加工工藝延長了螺筒 的使用期限。
關(guān)鍵詞: 完全生物降解材料，螺筒，螺文元件，磨損，位移探測儀器，淀粉
在白色污染日益嚴(yán)重，廢舊塑料回收壓力巨大的今天，人類把塑料的使用逐步往可持續(xù)方向轉(zhuǎn)移，由此帶來了完全生物降解材料的問世。因為完全生物降解材料的成本特性和使用特點，我們在材料中引入了淀粉單元，我們稱之為 TPS，熱 塑性淀粉( TPS) 是在外力、熱和增塑劑協(xié)同作用下，原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，由晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，使其在分解前先實現(xiàn)熔融，從而具有熱塑性。它的加工溫度在 105°C ~ 190°C 之間，大多數(shù)研究表明[1]，熱塑性淀粉混合體系為假塑性流 體，增加淀粉的無序化程度可以通過升高加工過程中的溫度和延長物料停留時間來實現(xiàn)。從流 變學(xué)角度分析，其熔體僅能在高屈服力和高剪切力的作用下發(fā)生流動類似于合成聚合物的加工行為。因此，熱塑性淀粉可以和傳統(tǒng)塑料一樣， 使用擠出機(jī)、注塑機(jī)等傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)行加工[2]，故現(xiàn)階段開發(fā)了一款 PBSA 為基材，復(fù)配經(jīng)增塑劑 改性的熱塑性淀粉( TPS) 及聚乳酸( PLA) ，制備三元復(fù)配的復(fù)合材料，進(jìn)入量產(chǎn)階段并全面推向市場。
在材料逐步問世的過程中發(fā)生了很多問題，其中最主要的問題集中在吹膜加工方面，但跟吹膜加工工藝無關(guān)，而是跟材料本身的缺陷相關(guān)。 該問題就是一直困擾淀粉類完全生物降解材料的薄膜晶點問題，它的出現(xiàn)會導(dǎo)致薄膜吹膜過程中 破 孔 ，尺寸偏移，加工廢料增多，加工成本上漲，故本文重點針對這個問題做了專項研究。
1 實驗部分
1.1 實驗原料
PBSA 市售; PLA 市售; 熱塑性淀粉 TPS，自制。
1.2 實驗儀器及設(shè)備
吹膜機(jī)，MB - 600，廣東金明塑膠設(shè)備有限公司; 雙螺桿擠出機(jī): 型號 TE - 75，長徑比為40∶ 1，南京歐立擠出機(jī)械有限公司; 失重式喂料機(jī): 型號 KT -20 系列，上海彩思機(jī)械設(shè)備有限公司 ; 位移傳感器 : M i c r o -E p s i l o n 系列 ，德國米銥公司; 傅立葉紅外光譜儀( FT-IR) : 型號 BRUKER VECTOR22，德國 Bruker 公司; 完成組裝的同向 雙螺桿。
1. 3 樣品制備
1. 3. 1 制備 TPS/PLA/PBSA 復(fù)合材料
在80°C烘箱中將 PBSA 和 PLA 混合料烘干 5 h ，確保水分小于0.06% ，TPS的用量固定為30%，將三組份原料分別投入高速混合機(jī)里混合 ，混合均勻后送入長徑比為40 ∶ 1的TE-70型擠出機(jī)中，從下料口開始到擠出機(jī)頭結(jié)束的擠出機(jī)的各段螺筒溫度設(shè)定為: 130°C/120°C/ 140°C /150°C /150°C /150°C /150°C /140°C /140°C / 160°C。螺桿轉(zhuǎn)速為 200r/min 喂料速度 50kg/h，如 此制備得到 TPS / PLA / PBSA 復(fù)合材料。
1. 3. 2 制備 TPS/PLA/PBSA 薄膜
將 TPS/PLA/PBSA 復(fù)合材料放于烘箱中，設(shè)定溫度 85°C，烘干 4h，投入吹膜機(jī)吹膜。螺桿直徑55mm，長徑比 30∶ 1，擠出設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速 30r/min，熔體溫度為 125°C，調(diào)整薄膜厚度 15μm 制備得到FLEX - 1 62 薄膜樣。
1. 3. 3 薄膜外觀觀察及成分分析
薄膜尺寸偏移，薄膜表面有大量凸起半透明晶點，晶點附近都發(fā)生明顯孔洞。于是我們針對晶點做了集中搜集，表面處理后的晶點做了點紅外分析測試，測試結(jié)果見圖 1。
圖 1 晶點紅外譜圖
紅外顯示 3500cm - 1 ~ 3700cm - 1 處存在明顯的吸收峰，這是玉米淀粉中締合-OH 的取代伸展振動吸收，故確定晶點是淀粉含量較高的淀粉點。
1. 3. 4 檢測螺桿尺寸和螺筒尺寸
使用游標(biāo)卡尺對擠出機(jī)螺桿的剪切螺紋元件做磨損尺寸測試，測試結(jié)果見圖 2。
圖2 剪切塊磨損量檢測圖
測試結(jié)果顯示，有一對剪切塊存在不匹配性，長度偏差達(dá)到 0. 2mm ~ 0. 3mm。
利用位移探測器檢測擠出機(jī)螺筒磨損情況，測 試譜圖見圖 3。
圖 3 剪切塊磨損量檢測圖
圖 3 測試結(jié)果顯示，在第二節(jié)螺筒到第三節(jié)螺筒處發(fā)現(xiàn)有大于 1mm 的磨損。
2 結(jié)果與討論
2. 1 晶點形成分析
淀粉在轉(zhuǎn)化為熱塑性淀粉的過程中，將發(fā)生三個層次的轉(zhuǎn)變[3]: ( 1) 淀粉顆粒外部破碎; ( 2) 削弱淀粉分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用力; ( 3) 淀粉分子部分降解，分子量降低。而塑化淀粉的主要原料是多元醇，如果螺桿組合上面存在缺陷，則擠出機(jī)中的塑化能力下降，螺筒內(nèi)壁存在 > 1mm 的內(nèi)凹缺陷，則會是淀粉在凹坑聚集，最后以未塑化的硬質(zhì)晶點形式進(jìn)入材料熔體當(dāng)中，從而在吹膜工序當(dāng)中顯現(xiàn)出來。
2. 2 設(shè)備修復(fù)
( 1) 將同向雙螺桿中明顯磨損的剪切螺紋元件去掉，用全新螺紋元件替代; ( 2) 替換雙螺桿擠出機(jī)有磨損的螺筒，同時在完成替換后再做螺筒位移探 測，結(jié)果見圖 4。
圖 4 剪切塊磨損量檢測圖
如圖 4 所示，擠出機(jī)螺筒內(nèi)壁光滑無明顯磨損 缺陷。
2. 3 重復(fù)制備 TPS/PLA/PBSA 復(fù)合材料并做吹膜檢驗
按照 1. 3. 1 的操作步驟，在已經(jīng)修復(fù)的雙螺桿擠出機(jī)中制備 TPS/PLA/PBSA 復(fù)合材料，并按照1. 3. 2 的操作步驟制備薄膜觀察薄膜外觀果。
2. 4 吹膜檢驗結(jié)果
整個吹膜過程中，膜泡穩(wěn)定，表面光滑，膜泡尺寸無偏移，整體薄膜表面無晶點產(chǎn)生，如圖 5 所示。
圖5 成品膜外觀圖
3 結(jié)論
淀粉類完全生物降解材料，因為淀粉的特性，對設(shè)備和螺桿的配合精度要求很高，經(jīng)過多次重復(fù)數(shù)據(jù)的跟蹤和測試，制定了磨損的控制量化指標(biāo)，螺桿磨損尺寸配合精度差 < 0. 2mm; 螺筒內(nèi)壁磨損要求 < 0. 5mm，且生產(chǎn)過程中控制增塑劑加入口的工藝溫度，不得低于 150°C ，緩解螺筒被氣蝕的程度，最終的擠出溫度設(shè)定為 130°C /150°C /160°C /160°C /160°C /160°C /150°C /140°C /140°C /160°C ，經(jīng)過長達(dá)兩年的跟蹤，該溫度條件下， 螺筒更換的頻率從以前的一年一次，變更為現(xiàn)在的3 年一次。
參考文獻(xiàn)
[1]白福臣，葉永成. 改性淀粉/聚乙烯共混物性能 的研究[J]. 塑料科技，1998(3):34-37.
[2]何小維，黃強(qiáng). 淀粉基生物降解材料[M]. 北 京: 中國輕工業(yè)出版社，2008: 11 - 23.
[3]張燕萍. 變性淀粉制造與應(yīng)用[M]. 第二版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2007: 31 - 36.
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