PET瓶片的穩定擠出擴鏈

萬成成，王益龍，尚蒙婭

（大連理工大學化工學院高分子材料系，遼寧省大連市 116024）

聚對苯二甲酸乙二酯（PET）瓶片來源于廢棄的軟包裝飲料瓶，先經過人工分離出瓶蓋、標簽后，再將瓶體進行水下粉碎、清洗、甩干，得到形狀不規則的小片。使用普通的單螺桿擠出機或雙螺桿擠出機擠出PET瓶片的過程中，極易發生水解和熱降解反應，導致PET的大分子鏈斷裂，擠出產物的特性黏數（[η]）顯著降低[2-3]，僅達0.40～0.55 dL/g，低于PET瓶片[η]平均值（0.72 dL/g），造成擠出產物僅能用于生產短纖維等低檔產品，回收物的使用價值降低。使用專門設計的、帶有高真空除水裝置的反應擠出機，可有效地降低水解反應，使PET大分子擴鏈[3]。本工作主要研究改進螺桿頭部混煉件結構后，在相同條件下擠出PET瓶片時熔體壓力的波動，以期達到穩定擠出高性能、高附加值產品的目的。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PET瓶片，大連開發區聚酯瓶回收廠生產；擴鏈劑均苯四甲酸二酐（PMDA），化學純，上海化學試劑公司生產；苯酚，天福精細化工有限公司生產；1,1,2,2-四氯乙烷，天津博迪化工有限公司生產。

1.2 主要儀器與設備

30型反應擠出機，螺桿直徑為30 mm，長徑比為35；35型反應擠出機，螺桿直徑為35 mm，長徑比為35：均為單螺桿、縮聚反應型，大連理工大學設計制造。SYP型精密控溫玻璃水浴，控溫精度為±0.05 ℃，鄭州英峪予華儀器廠生產。PT131型高溫熔體壓力傳感器，孝感市五岳傳感器有限公司生產。

1.3 PET瓶片的預處理

PET瓶片于140 ℃真空干燥4 h，涼后裝袋備用。添加擴鏈劑的瓶片試樣：按比例稱取干燥的PET瓶片和PMDA，均勻混合后，裝袋備用。

1.4 PET瓶片的擠出工藝條件和熔體壓力測定

30型和35型反應擠出機均使用精密的鉑電阻測溫，并用溫度計進行人工智能控溫儀的溫度校正；高溫熔體壓力溫度傳感器安裝在擠出口模之前，連接好智能數字壓力儀表。

兩臺擠出機的擠出工藝條件：螺筒各段溫度分別設定為240（加料段），255，250，250，240 ℃（機頭）；螺桿轉速為50 r/min，縮聚段真空度為0.1 MPa；依次用聚丙烯、干燥的瓶片清洗螺桿后，進行熔融反應擠出，粒料干燥后，即為擠出產物。

物料擠出平穩后，每隔5 s從熔體壓力傳感器顯示儀表上讀取機頭處的熔體壓力值，連續讀取超過10 min的數據，選取有代表性的300 s內的連續讀數用Origin60繪圖軟件作圖。

1.5 擠出產物[η]的測定

準確稱取0.125 g擠出產物，加至25 mL質量比為1∶1的苯酚與1,1,2,2-四氯乙烷的混合溶劑中，在80 ℃恒溫加熱板上加熱2 h至完全溶解，使用G3沙型漏斗過濾去除雜質。采用烏氏黏度計、一點法在（25.00±0.05）℃的精密控溫玻璃水浴中測定，記錄溶劑和產物溶液流經毛細管的流出時間，按式（1）計算擠出產物的[η]。

式中： c為產物溶液的質量濃度，0.5 g/100 mL；ηsp為增比黏度，ηsp=ηr-1；ηr為相對黏度，ηr=t/t0；t為產物溶液流經毛細管的流出時間；t0為純溶劑流經毛細管的流出時間。

2 結果與討論

2.1 30型和35型反應擠出機的螺桿結構差異

兩臺反應擠出機的外觀和輔機配置完全相同，但螺桿結構不同， 30型反應擠出機配備的螺桿（簡稱30型反應螺桿）頭部為普通螺紋，不帶有混煉件；35型反應擠出機配備的螺桿（簡稱35型反應螺桿）頭部設計有直槽混煉件（見圖1a），并且按圖1b用角磨將屏障磨深，由原來的0.3 mm增大到3.0 mm，增大了過料通道；兩根螺桿的其他部分結構完全相同，均為排氣型螺桿設計[3]。

圖1 35型反應螺桿頭部混煉件及其改進斷面Fig.1 Mixing element and sectional draw of the head of type 35 reactive screw

2.2 兩種反應螺桿擠出PET瓶片的熔體壓力波動

從圖2看出：螺桿轉速為50 r/min時，30型反應螺桿擠出產生的熔體壓力為0.10～0.47 MPa，波幅為0.37 MPa左右，其熔體平均壓力為0.25 MPa，波幅相對于熔體壓力平均值的百分比（簡稱為波幅比）為148% ；而35型反應螺桿擠出產生的熔體壓力為0.33～0.40 MPa，波幅為0.07 MPa，熔體平均壓力為0.37 MPa，波幅比為19% 。螺桿轉速為70 r/min時，30型反應螺桿擠出產生的波幅比為160%，熔體平均壓力為0.25 MPa；而35型反應螺桿擠出時產生的波幅比為18%，平均熔體壓力為0.55 MPa。螺桿轉速70 r/min時的熔體壓力變化規律與50 r/min時一致，說明在擠出純PET瓶片時，無論螺桿轉速多少，35型反應螺桿擠出產生的壓力波動顯著小于30型反應螺桿擠出產生的，而熔體平均壓力明顯高于30型反應螺桿擠出產生的。

圖2 不同螺桿轉速時擠出純PET瓶片的熔體壓力波動Fig.2 Melt pressure fluctuation of extrusion of pure PET flakes at different screw speed

2.3 兩種反應螺桿擠出PET瓶片時產物的[η]

從圖3可以看出：當螺桿轉速高于50 r/min時，擠出產物的[η]均高于PET瓶片的。這是由于反應擠出機中間的縮聚段的真空度達0.1 MPa，可將水分徹底除去，抑制了水解反應的發生。隨螺桿轉速的升高，使用兩種反應螺桿時擠出產物的[η]均有所提高，并且使用35型反應螺桿時擠出產物的[η]均高于使用30型反應螺桿時擠出產物的。

圖3 兩種螺桿在擠出純PET瓶片時產物的[η]隨螺桿轉速的變化Fig.3 Variations of the intrinsic viscosity of the extrudate of pure PET flakes with the screw speed of two kinds of reactive screw

2.4 擴鏈劑用量對擠出產物[η]的影響

PMDA是PET瓶片良好的反應擠出擴鏈劑[3]。從圖4可以看出：PMDA用量相同時，使用35型反應螺桿擠出產物的[η]均高于使用30型反應螺桿擠出產物，說明35型反應螺桿的設計特別適合于PET瓶片的擴鏈反應；隨擴鏈劑用量的提高，使用兩種反應螺桿均使擠出產物的[η]提高；[η]均可達到0.80 dL/g以上，說明以此方法可以生產高端PET制品。添加過多PMDA，盡管會使[η]提高，但會造成擠出產物顏色略深和熔體黏度過大等問題，故綜合考慮w（PMDA）為0.20%時較為適合。

圖4 PMDA用量對擠出產物[η]的影響Fig.4 Effect of the content of chain extension agent PMDA on the intrinsic viscosity of the extrudate of PET flakes

2.5 擠出添加擴鏈劑的PET瓶片時熔體壓力的波動

從圖5看出：使用30型反應螺桿時波幅比為68%，使用35型反應螺桿時波幅比為17%；使用35型反應螺桿擠出時產生的熔體壓力波動明顯低于使用30型反應螺桿擠出時產生的，使用35型反應螺桿擠出時產生的熔體平均壓力也高于使用30型反應螺桿擠出時產生的。這說明螺桿頭部設計有改進型的直槽混煉件既可以明顯降低擠出時熔體壓力的波動，又能提高擠出產量。

圖5 擠出w（PMDA）為0.20%的PET瓶片時熔體壓力的波動Fig.5 Melt pressure fluctuation of extrusion of PET flakes with 0.20% of PMDA by mass versus extrusion time

2.6 螺桿轉速對擠出添加擴鏈劑的PET瓶片[η]的影響

從圖6可以看出：提高兩種反應螺桿擠出時的轉速，都有利于提高添加PMDA的擠出產物的[η]，也就能提高擠出產量，降低單位質量產品的電力損耗，節省能源；在螺桿轉速相同的條件下，使用35型反應螺桿時擠出產物的[η]高于使用30型反應螺桿時擠出產物的[η]；w（PMDA）為0.20%時，使用兩種反應螺桿擠出產物的[η]都遠高于原料PET瓶片的。

圖6 w（PMDA）為0.20%時螺桿轉速對擠出產物[η]的影響Fig.6 Effect of the screw speed on the intrinsic viscosity of the extrudate of PET flakes with 0.20% of PMDA by mass

3 結論

a）使用頭部設計有改進型直槽混煉件的35型反應螺桿，無論是直接擠出還是混合有擴鏈劑PMDA的擠出，擠出過程中的熔體壓力波動都顯著降低，而熔體平均壓力也比使用30型反應螺桿時略有提高，有利于穩定擠出，成型制品。

b）使用35型反應螺桿有利于PET瓶片的擠出擴鏈反應，擠出產物的[η]略高于使用普通30型反應螺桿擠出產物的。

c）提高反應擠出機的螺桿轉速，既有利于提高擠出產物的[η]，又有利于提高擠出產量。

[1] 王寧，王益龍，李莉，等. 廢飲料瓶的處理利用技術新進展[J].工程塑料應用，2007，35（12）：84-87.

[2] Torres N，Robin J J，Boutevin B. Chemical modification of virgin and recycled PET by adding of chain extenders during processing[J]. J Appl Polym Sci， 2001， 79（10 ）： 1816-1824.

[3] 張素文，王益龍，騰福成，等. 擠出機的選擇對加工廢舊聚酯瓶片的影響[J].中國塑料，2006， 20（10）：87-91.