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当热成型工艺扩大到工业化规模,这些聚丙烯(PP)还能实现资源节约吗?

   日期:2020-10-17     来源:荣格    浏览:225    
核心提示:凭借妥善设计的包装,食物可以在不显著增加产品生态足迹的情况下得到有效的保护。柔性塑料包装在许多方面都优于其他材料,如,玻
凭借妥善设计的包装,食物可以在不显著增加产品生态足迹的情况下得到有效的保护。柔性塑料包装在许多方面都优于其他材料,如,玻璃和硬纸板。1公斤塑料可用于包装约56公斤产品,而硬纸板只能包装一半产品,玻璃只能包装1/30的产品。在过去的20年里,仅在德国,消费者行为的变化意味着重型货车运输的包装消费品的数量增加了约一半,而运输距离也有所增加。因此,减轻包装重量成为了节省资源的重要手段之一。
在包装材料领域,一种用途广泛的重要塑料是聚丙烯(PP),它占据欧洲塑料市场高达19%的份额。如果仅考虑软包装领域,这一数字甚至会上升到30%。这一结果主要由材料的性能导致,例如,相对于聚乙烯而言,它具有极好的耐化学性、低水蒸气渗透性和较高的机械强度。其缺点是半结晶聚合物具有较窄的加工窗口,因此无定形聚合物(例如:聚苯乙烯)通常是首选,尤其对于热成型而言。
  德国斯图加特大学塑料工程研究所(IKT)和德国ConstabPolyolefinAdditivesGmbH公司联合开展的一项研究项目旨在改善聚丙烯的性能特征,通过使用完全相容共混的组分,使其适用于可热成型半成品薄膜产品的生产。首先,减少加工所需的热能并扩大加工温度窗口。然后,提高产品的机械性能,减少包装的壁厚,从而减少必要的材料消耗。将传统的挤出方式作为直接替代方案加工最新开发的共混物应是可行的。
  制造可热成型半成品薄膜产品
  为了进一步突出PP的良好特性,Constab公司首先制造了中试规模的色母粒。它们分别包含基于PP的共混材料以及与基料完全相容的共混组分。项目合作伙伴IKT和Constab一起对产生的共混物进行了筛选来确定各种不同的薄膜配方。表1列出了已证明有用的配方。
  将制剂挤出为厚度为1mm、0.8mm和0.7mm,宽300mm的薄膜。母料与基料通过挤出机的主料斗一起进料(PP均聚物:MFI3@230°C/2.16kg,实验室挤出机螺杆直径为30mm,长径比为25;制造商:CollinLab & PilotSolutions GmbH,德国迈滕贝特)。挤出机的温度曲线在所有试验中均设为恒定值。料筒和模具的温度在190°C和230°C之间变化。宽度为300mm的狭缝口模拥有一个衣架型模头,该模具也通过四个独立的加热区将温度控制在230°C。然后,将输出的熔膜用压延装置(136/350型,制造商:Collin)调至所需厚度并冷却至尺寸稳定。辊单元由急冷却辊(直径144mm)、缓冷却辊(72mm)和去毛刺辊(72mm)组成。在加工过程中,重要的机器参数——如电机电流、模头压力和生产量等均被记录下来并用于确定加工不同薄膜配方的比能耗。
  薄膜挤出之后,通过DSC2(制造商:MettlerToledo,瑞士格赖芬塞)用动态差示扫描量热法(DDSC)对热性能进行了研究。为此,从薄膜上冲出直径为4mm的圆形碎片并在铝坩埚中进行自动测试。在测量周期开始时,首先将测试箱冷却至-80°C并保温5分钟,然后以10K/min的速度将其加热至240°C,等温两分钟之后以-10K/min的速度再次冷却至-80°C,然后再开始第二次加热的过程。第二个加热周期被用于评估材料热特性的变化,例如:熔融焓以及熔融所需的能量。
  随后,这些薄膜在综合热成型研究中被制成杯子。它选用了实验室热成型机(型号:LDFG32b,制造商:Illig Maschinenbau GmbH & Co.KG,德国海尔布隆)来进行试验。为了完成测试,它还选用了温度可控的杯子阴模。从热成型工艺的流程图(图2)可以看出,张拉框架与薄膜首先在辐射式加热器之间移动,该加热器用于将薄膜加热至成型温度范围。后续的成型通过压缩空气和真空以及机械预拉伸实现。启动器由伺服电机驱动,伺服电机以500mm/s的速度将材料预拉伸到模腔中,加工行程为73mm。预拉伸开始之后立即通过压缩空气和真空进行后续的成型。在保压阶段之后,模具开模,热成型工艺结束。基本参数如表2所示。
  通过改变加热时间、压力和启动器位置,可为每种薄膜配方找到最佳的参数,然后将其用于制造至少五个杯子。首先,用基本设置来制造杯子。然后,对热成型的结果进行评估。在第一次质量分析过程中,成型清晰度差、气孔、表面质量差和壁厚分布不均导致了产品不合格和设置参数的改变。通过先调整加热时间再调整启动器行程,不断收集的实验数值有助于迭代找出每种材料的最佳工艺设置。热成型杯的壁厚分布通过测厚仪(PanametricsMagnaMike8500;制造商:Olympus,德国美因兹)来确定。
  为了评估部件的质量,根据DIN55440-1标准用万能拉伸压缩弯曲试验机(型号:Zwick1474;制造商:Zwick/Roell,德国乌尔姆)对制成的杯子的抗压强度进行了测定。抬高下方的压力板对位于两个压力板之间的试样施加轴向载荷(推进速度10mm/min,±3mm/min,预加张力1N)。产生的力和行程均由力路径传感器记录,直到压缩路径达到最大150mm或阻力突然下降了20%以上导致测试终止。由不同薄膜配方制成的五个杯子均在标准的气候条件下进行测试。
  通过改性进行节能潜力分析
  该项目通过综合分析来证明母料对材料资源效率的影响。本文对以下每种情况都用实例展示了其节能潜力:通过加工实现的节能以及通过改善杯子的产品性能获得的材料节约潜力。
  对参考材料和改性配方的熔融焓的测量表明,改性在大多数情况下都能够降低熔融焓。熔融焓的降低可用于衡量挤出工艺所需的热能和机械能,最多为15.8%。此外,挤压需要较低的模头压力,因此机械能输入降低了约10%-20%。通过流变学特性可以追溯到共混物的流动性改善,这也是热成型工艺的一大优势,因为制得的薄膜已可在较低的温度下进行加工,从而进一步节省20%的加热时间并扩大加工温度窗口。
  材料节约潜力可通过研究制得的杯子的抗压强度(图4)进行阐述。针对这一点,将1mm厚的参考薄膜(53.6N)的最大压缩力与用新配方制得的0.7mm厚的热成型薄膜进行了比较,后者的最大力可达66.5N,相当于压缩力增加了24%,同时壁厚减小了30%。杯子抗压强度的增加归结于材料刚度的增加。同时,添加母料可优化PP的热成型性能,从而获得更均匀的壁厚分布。
  总结与展望
  热成型试验结果表明,聚丙烯适当改性有助于节省30%以上的材料。它可以通过提高共混物的热成型性能来实现,从而获得更均匀的壁厚分布。同样,通过添加项目合作伙伴Constab生产的色母粒也可以降低熔融焓,从而为薄膜挤出工艺节省高达15%的能源。新开发的材料在节约资源方面明显优于传统的聚丙烯。
  在项目剩余的时间里,还需要测试的是,当热成型工艺扩大到工业化生产规模时该如何对所选配方进行加工。此外,生物基塑料(例如:聚乳酸(PLA))能够在多大程度上产生积极的结果也有待研究。
  *本文翻译自KUNSTSTOFFEINTERNATIONAL杂志
 
 
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