Katedra netkaných textilií, Fakulta textilní, Technická Univerzita v Liberci, Jakub Hrůza,
8. Regranulace a aglomerace
Použití: V případě, kdy termoplastický polymerní odpad nelze zpracovat klasickými textilními technologiemi. Není vhodné pro polymerní směsi. Podmínka monokomponentního odpadu je dána především rozdílnou teplotou tání (resp. teplotou degradace) a rozdílnou reologií taveniny různých polymerů.
Materiály: • • • • • • •
PP PE (HDPE, LDPE) PET PMMA PC ABS EVA
[Otázka: co znamená výraz „termoplastický materiál“, co znamenají uvedené zkratky?]
Příklady zdrojů: •
„Strunový odpad“ – odpad vzniklý při změnách v procesu vytlačování, nebo zvlákňování polymeru. Obvykle při náběhu výroby, kdy může vzniknout nárazově až několik tun odpadu.
•
Procesní odpady, např. ořezy, odseky, vlákna, pásky, vadné meziprodukty….
•
Použité materiály, například PET lahve, obaly….
Jiný způsob specifikace vstupní suroviny:
• Folie • Vlákna • Pásky, příze, lana
• Tkaniny, pleteniny, netkané textilie • Kusy pevné látky • Koberce
Princip: -
Tříděný polymerní odpad je nejprve rozdrcen, drť dále mleta, míchána, sušena (případně vakuována), tavena, vytlačena tryskou a sekána na polymerní granule, které jsou dále míseny s granulemi primárního polymeru . Tavenina může být čištěna a zbavována vzduchu.
-
Podmínkou (ne vždy nutnou) je zpracování monokomponentního polymeru, nebo směsi polymerů navzájem kompatabilních. Důvody problémů při zpracování směsi jsou:
1.
Odlišné teploty tání a degradace, kdy např. při nastavení teploty tání polyesteru může materiál z polypropylenu degradovat [jaké jsou to teploty?]
2.
Odlišné viskozity taveniny v závislosti na teplotě, které jsou u jednotlivých polymerů odlišné. Při dávkování může docházet k oddělování jednotlivých složek, kdy šnekový podavač přednostně dávkuje složku s vyšší viskozitou.
3.
Nekompatabilita jednotlivých složek může vést k špatnému propojení a následně nedostatečným mechanickým vlastnostem.
Výhody: Jednoduchá, relativně levná metoda v porovnání s depolymerací i způsoby textilními. V rámci jedné linky je buď vyrobena surovina ve formě granulí, nebo přímo výrobek (vlákna, výlisky). Možnost zpracování libovolné formy odpadu - vlákna, textil, struny, pásky, jednotlivé plastové výrobky (lahve, obalový materiál…) atd… Vysoká variabilita finálního použití. Výsledkem procesu jsou granule použitelné pro výrobu libovolného výrobku formou vstřikování, nebo zvlákňování.
Nevýhody: Velká citlivost na přítomnost příměsí – nutnost kvalitního třídění a čištění vstupní suroviny.
Možnost zpracování pouze termoplastických polymerů Tepelná degradace polymeru v průběhu tavení způsobuje velmi variabilní zkracování polymerních řetězců, následnou změnu reologie taveniny a tím i změnu zpracovatelských vlastností, dále i mechanické vlastnosti výsledného výrobku. Změnu vlastností taveniny lze řešit změnou parametrů zpracování, problémem zůstává vysoká variabilita změn.
Degradační změny při zpracování syntetických materiálů přetavováním Chemické reakce zahrnuté v teplotní degradaci vedou k fyzikálním a optickým změnám. Teplotní degradace obecně zahrnuje změny v molekulové hmotnosti a
distribuci molekulových hmotností polymeru. Při tepelné degradaci dochází vlivem energie k porušování makromolekulárního řetězce a následného zkracování. Vlivem nestabilit může být zkracování řetězců značně nehomogenní Charakteristické změny jsou: -Změna zpracovatelských vlastností: změna viskozity (obvykle snížení) taveniny, přítomnost degradovaných částí v tavenině, změny v rychlosti dávkování. -Změna užitných vlastností: snížení tažnosti a křehnutí; prášení; změna barvy; praskání atd…
Stupeň degradace závisí na následujících faktorech: -Druh polymeru -Druh aditiv -Přítomnost dalších chemických látek (vzduch, vlhkost, master-batch…) -Doba trvání procesu namáhání -Teplota extruze, rychlost ohřevu
Odolnost jednotlivých druhů polymerů vůči tepelné degradaci POLYETYLEN: • K tepelnému odbourání PE dochází při teplotách kolem 290°C, • Za přítomnosti kyslíku se degradace zvětšuje. • Rozvětvený PE se používají ke vstřikování – může být vrácen až 12x zpět do technologie. • PE patří mezi nejvhodnější polymery pro opakované zpracování. • Degradace se projevuje mírným poklesem pevnosti (několik %) a vysokým poklesem tažnosti (ze 400% na 100%). POLYPROPYLEN: • Mnohem náchylnější k tepelně oxidační degradaci než PE, proto se prakticky nezpracovává bez přídavku antioxidantů, distribuci mol. hmotností nutno kontrolovat. • Pro vyfukování (do folie) se pracuje s teplotami 200-230°C • Při zpracování ořezů je mírně snížena molekulová hmotnost není-li odřezu krajů více jak 5-10%, • Menší zvýšení MFR neovlivní výsledný produkt. • Polypropylen podléhá další degradaci, je-li podroben opakovanému namáhání teplem, střihem, působení světla i kyslíku
POLYVINYLCHLORID: • Prakticky ho nelze bez přídavku stabilizátorů zpracovávat. • Projevuje se intenzivní změnou barvy.
• Opakované zpracování i stabilizovaného PVC je omezené.
POLYAMID:
• je citlivý na tepelně oxidační i hydrolytickou degradaci. • Intenzivně mění barvu – hnědne. • Fatální vliv vlhkosti za tepla - probíhá depolymerace! POLYETYLENTEREFTALÁT PET: • je značně citlivý na tepelně oxidační i hydrolytickou degradaci - depolymerace. • V tuhé fázi je rychlost degradace malá, ale nad bodem tání probíhá hydrolytická degradace téměř okamžitě – tavenina nesmí přijít do styku s vodou. Proto se používá snižování tlaku (vakuace) a přítomnost inertních plynů.
Řešení problémů s tepelnou degradací: 1.
Použití antidegradantů Antidegradanty jsou sloučeniny, které potlačují samovolnou degradaci polymerů, vyvolanou vnějšími, především atmosférickými, vlivy. Podle účinku se označují jako antiozonanty, antioxidanty nebo stabilizátory. Ačkoli stárnutí materiálu nemůže být nijak zastaveno, pomocí těchto přísad může být výrazně zpomaleno.
2.
Zkrácení působení teploty, respektive snížení teplotních výkyvů¨.
Kvalitnějším předzpracováním suroviny např. pomocí většího počtu sekacích nožů lze zrychlit homogenizaci a zkrátit proces tavení. 3.
Kombinace technologií Změnu viskozity taveniny lze řešit vhodnou volbou technologie zpracování. Opačnou hodnotou viskozity je „Index toku“ (kolik g taveniny vyteče definovanou tryskou za definované teploty za 10 minut). Pro vstřikování jsou IT v desítkách jednotek, pro standardní zvlákňování ve stovkách a pro speciální v tisících. Proto jsou recyklované PET lahve začasto zpracovány do formy vláken.
Technologie zpracování Vytříděný rozdrcený materiál je dopraven (1), v násypce sušen a nožovými mlýny rozemlet (2), ve vyhřívaném extrudéru (šneku) roztaven, míchán a zhutněn (3), za pomoci filtrů zbaven nečistot (4), separačními membránami zbaven bublinek vzduchu (5) tryskami vytlačován (6), sekán na granule a chlazen (7). Granule jsou přidávány ke granulím primárního polymeru a zpracovány buď formou zvláknění, nebo v plastikářském průmyslu. Variantou je i přímé zapojení regranulační linky přímo do procesu zvlákňování, nebo vstřikování. (informace čerpány od firmy Erema: www.erema.at)
Detaily technologie: 1) Podávácí zařízení
1. 2. 3. 4. 5.
Dopravník Dávkování vláken na dopravník Cyklon Podávací válečky Sekací a zhutňovací kotouč
2) Vyhřívaný extruder Pro dávkování suroviny do extruderu je vhodná jeho větší velikost, pro lepší homogenizaci a přesné dávkování zase průměr menší. Možností je kombinace dvou průměrů patentované firmou NGR.
3) Filtrace taveniny a)Výměnné čistitelné filtry Jsou umístěné paralelně tak, aby bylo možné v průběhu provozu jednotlivé filtry vyjmout a čistit. Jedná se o sítka přesně řezána laserem.
b) Kontinuálně čistitelný filtr
4) Peletizace Tavenina vytlačovaná z jednotlivých trysek je odseknuta rotujícím nožem, vzniklé granule odhozeny odstředivou silou a chlazeny kontaktem s vodní clonou
Varianty regranulačních zařízení: 1. Vícekomorová příprava materiálu: Pro případ velkého množství materiálu, kolísavé velikosti, velké zbytkové vhlkosti…. Výhodou je vyšší produktivita při lepší homogenitě parametrů výroby i lepší kvalitě produktu.
By means of the patented configuration of a second disc in the Erema cutter compactor in a simple but effective way the separation of the working step “material preparation” (cutting, drying, prewarming, predensifying and homogenising in chamber I) from the step “extruder feeding” from chamber II, which also acts as a storage chamber for pretreated material, has been made possible. Hence it has become widely possible to keep away the above-mentioned negative feeding influences from the extruder and its sensitive intake zone. The result is an extremely uniformly fed and evenly operating extruder with up to 15% performance increase regardless of detrimental factors as mentioned above.
Results: •Feeding of larger single portions possible •Higher moisture in feeding material can be processed •Increased output capacity
•Reduced melt temperature •Up to 30% specific energy savings compared to standard systems and significantly increased pellet quality, depending on processed material
2) Zpracování za vakua Důvodem je odstranění povrchově vázené vody, která způsobuje nehomogenity v tavenině a tím i ve finálním výrobku. Tato úprava se týká zejména zpracování polyesteru (PET lahve) i dalších polymerů s vyjímkou PP a PE.
Euro/t
Product cost for sheet 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
30 51
30 17
0 80
30 0 800 600
Conventional
VACUREMA
Agglomeration Callender Extrusion Predrying Material cost
3) Spojení drticích a mlecích postupů do jednoho zařízení (firma NGR): •
Pomaloběžné drticí a sekací zařízení zpracuje i předem nedrcený odpad.
•
Materiál je tlačen přímo do první dávkovací sekce extruderu, tvar extruderu se dále mění.
•
Je možné různě orientovat sekací buben k extruderu.
4) Zjednodušení technologie V případě čistého dobře vytříděného materiálu lze vypustit filtraci nečistot, případně odstranění vzduchu z taveniny. Nebezpečí:
-Nečistoty způsobují nehomogenity v materiálu granulí a tím i ve finálním výrobku, což může vést k nepřijatelnému zhoršení mechanických, nebo optických vlastností -Vzduchové bublinky mění hustotu granulí polymeru, což výrazně zhoršuje možnost mísení s granulemi primárního polymeru. Dochází k samovolné separaci a kolísání zpracovatelských i užitných vlastností. Výhoda: -Levnější technologie
-Menší tepelné namáhání – menší degradace
Příklad linky na zpracování domácího odpadu z vhodných plastických hmot.
