王英，张晓，马永金

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060)

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种典型的半结晶型聚酯，拥有优良的热性能、力学性能和环境稳定性。由于其具有无毒、耐用而且透明的特性，因此被广泛应用于一次性饮料瓶和食品包装中[1～5]。我国随着经济的快速和人民消费的日益增加，每年PET塑料瓶的生产量达数百亿只。PET是一种生物不可降解的材料，大量使用不仅给环境造成负担，也导致能源短缺[6]。因此，废弃PET饮料瓶的回收再利用，不仅减少对环境的污染，而且可以变废为宝节约资源。

2020年1月国家生态环境部公布了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》。

“新版限塑令”不仅仅是限制不可降解塑料，推广可降解塑料，更重要的是减少一次性塑料制品的使用量以及塑料制品回收再利用、回收资源化或能源化。本文介绍的PET瓶片再生技术是一种非常好的塑料回收技术，符合国家塑料循环利用的方针政策。2020年9月，我国郑重地向全世界提出了2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”的目标。废PET饮料瓶循环利用，可以降低PET聚合过程中的碳排放，同时也为减碳做出重要贡献。

1 双螺杆挤出机在PET瓶片再生中的工艺流程

由上游而来的破碎片材料进入带搅拌的填塞体积式喂料机中，而后通过体积式喂料机水平定量与垂直填塞稳定的输入到SBJ-95双螺杆挤出机中。经过高真空系统脱出低挥发组分后，进入双柱双工位大面积换网器过滤杂质。最后通过拉条机头挤出。切粒系统采用自动引条式系统进行切粒，料条进入引料水槽，利用水流将料条输送至引条式切粒机中，同时料条在引水槽中进一步冷却固化，料条在切粒机中被旋转动刀切成3～5 mm的粒子，粒水混合物靠重力经管道输送至颗粒干燥机，树脂粒子在水中进一步冷却；粒水混合物在颗粒干燥机中进行粒水分离，脱出粒子表面水分后进入颗粒振动筛进行分级处理，进过颗粒振动筛分级后合格粒子利用气力输送包装料仓中进行包装。

整个机组由具有PLC的电仪控制系统进行控制，保证安全、高效以及节能。

2 PET再生造粒机组关键零部件设计

PET再生造粒机组主要由强制填塞加料装置、SBJ-95双螺杆挤出机组、高真空排气系统、大面积过滤器、润滑油冷却系统、筒体冷却水循环系统、拉条机头、水下引条式切粒机、颗粒干燥机及颗粒振动筛组成。

2.1 SBJ-95双螺杆挤出机

双螺杆挤压机以其优异的混炼挤出效果、高速、高产量、以及螺杆和机筒的“积木式”组合特点，优良的自清理性能，在塑料改性及塑料制品的原料加工中占据很重要的位置[7]。

筒体布置在PET瓶片回收再生造粒生产中至关重要。筒体的类型、数量需满足瓶片的加入、排气（排出水汽及低分子单体）、停留时间分布、计量挤出建压等要求。螺杆和筒体采用“积木式”原理设计，在沿螺杆挤出的方向设置不同的功能区来完成物料输送、熔融塑化、排气、混炼均化等过程。PET瓶片再生造粒工艺要求，最终确定长径比为40，筒体配置为10节，其中第1节筒体为加料，第6，8节筒体为真空，其余均为闭合筒体。

图1 挤出工艺流程图

图2 PET瓶片筒体组合

2.2 螺杆组合配置

为了保证对物料的充分加热，主加料口到物料熔融区域长径比为20，排气段长径比为12，计量挤出段长径比为8。目前，我们所采用的双螺杆挤出机螺杆转速大多在300 r/min，一方面能够保证物料在螺杆中有足够的停留时间，从而保证充分的塑化，另一方面能够满足排出水汽及低分子的功能。螺杆的组合结构设计应根据筒体配置、各区段物料的状态、排气量大小、具体结构和功能的螺杆元件、螺杆在整个长度上的功能要求等进行，据此，最终确定的螺杆组合如图3所示。

图3 PET瓶片螺杆组合

下面对输送段、熔融段、排气段、均化段进行分析。

2.2.1 输送段

此段主要作用是输送物料，防止溢料。由于物料是不规则破碎料，堆密度相对较轻，容易在入料口处形成堆积架桥现象，为保证加料顺畅及防止架桥，选用大导程、正向螺纹输送元件。螺槽容积由大变小，即螺纹导程由大向小渐变，从而加强螺杆的输送能力。

2.2.2 熔融段

此段主要功能是通过热传递和摩擦剪切，使物料充分熔融和塑化。物料熔融塑化时需要从外部吸收一定的热量，此能量的传递主要靠机械传递和热传递来实现。由于专用料分子量较高，导热系数较小，在此区域选用加热效率较高的铸铜加热器（单位面积加热功率为5.0 W/cm2）。但是物料塑化热量主要还是来自螺杆结构，特别是螺杆捏合块机械能的输入，在此区域设置剪切较为强烈的捏合元件。由于捏合盘基本上没有输送能力，在一定长度的捏合盘之间设置输送元件，来增强螺杆在此区域的输送能力。

2.2.3 排气段

此段的主要功能是排出水汽、低分子量物质杂质[8]。根据物料加工需要，设计了两个不同用途的排气口。第6节筒体的排气口的主要是排出物料中夹带的水汽，防止聚酯水解；第8节筒体排气口主要排出熔体中的低分子单体和杂质；反向螺纹元件放置螺杆组合在排气段入口处，防止排气口冒料；由于反向螺纹元件会大大增加物料在螺杆中的停留时间，使得物料受热增加，造成降解，造成挤压机扭矩增大，主电机电流增大，产量大幅度降低，所以此处只在第八节筒体的排气口处设置反向螺纹元件。将熔体密封减压，然后采用大导程螺纹元件以形成低充满度和薄的熔体层，使物料暴露较大自由表面及较长的停留时间，以便排气。

2.2.4 均化段（计量段）

此段主要功能是输送和增压，使得熔体在模口处有一定的致密度，同时进一步混合，最终达到顺利挤出造粒目的[9]。在该区域主要设置小导程、小容积的螺纹元件。螺纹块导程渐变小来实现增压，获得较为密实的熔体。

3 双螺杆挤出机在PET瓶片再生中关键技术

聚酯属于饱和线性高分子聚合物，其分子结构中含有亲水基团-COOR，极易吸水，如果切片中含有水分，在熔融挤出过程中，会引起聚合物降解，使聚酯熔体粘度和分子量显著下降，导致挤出成型的片材产生起泡、变脆、发黄等异常现象。因此，对PET瓶片而言，在造粒前应进行充分干燥。

按照常规的处理方式是增加除湿干燥工艺，降低原料中的含水率，一般采用沸腾床进行干燥，干燥的目的主要是除去水分，干燥时间6～10 h。但是采用除湿干燥工艺使得PET瓶片再生造粒工艺变得很复杂，而且采用加热干燥的方式能耗高且耗时长。对此，我们采用免结晶干燥直接挤出成型工艺，其原理是利用双螺杆挤出机高效的排气效果。通过设计合理的螺杆构型，废片自双螺杆挤出机加入口通过固体输送同时进行预热，在树脂到达第一个真空口时，已经得到充分预热但是树脂并没有塑化，采用真空排气充分排出树脂中的水汽，由于此处PET树脂尚未完全塑化，防止了水解现象的发生。同时此工艺直接省去了干燥步骤，有效的节省能耗和时长，简化了生产工艺流程。

采用免结晶干燥直接挤出成型法进行造粒，就需要配备相应的真空系统完成其功能。针对PET瓶片再生造粒，要求与之配套的真空系统具备以下两个功能：PET加工需要的高真空度作为驱动排出物料中水汽和低分子单体；防止PET低聚物凝固进入真空泵腔体形成难以去除的硬化凝固物造成真空泵的损坏。针对以上要求我们设计了满足系统要求的真空系统。

在真空机组的吸入口前配置一个750 L左右的真空洗涤缓冲罐。来自生产装置含较高浓度的PET的工艺气体从真空洗涤缓冲罐顶部进入，在缓冲罐的进气管道以及内部下端采用三甘醇溶液进行喷淋洗涤，尽量使得工艺气体中的 PET物料被三甘醇洗涤混合。在真空洗涤缓冲罐的底部收集，在真空洗涤缓冲罐的上部设有挡板和除雾层，使得气体中的三甘醇雾滴被拦截回收，最终带有少量的三甘醇雾滴和微量的PET进入到下一个液化过滤器中。真空洗涤缓冲罐采用特殊的气流通道方式，可以通过打开人孔或者检修盲法兰可以去除缓冲罐四壁上的可能形成的凝固物。真空洗涤缓冲罐的底部配备一台齿轮泵，用于循环喷淋三甘醇洗涤液。在真空洗涤缓冲罐的后续配备了两个液化过滤器，一用一备，采用电动三通阀门来切换使用。液化过滤器通过外接冷却水对前置过来的少量的三甘醇雾滴和微量的粉尘进行深度冷凝，使得气化的高沸点、高熔点介质被彻底液化或者固化。然后通过高效的滤芯拦截去除，当真空洗涤缓冲罐的真空度出现明显下降时，就是需要切换到备用过滤器，更换滤芯。系统配备了罗茨泵+螺杆泵串联模式提供真空动力。

图4 真空系统流程图

4 结论

我们采用双螺杆造粒生产线在越南某项目上成功应用，回收粒料的特性粘度降不大于5%，证明其性能优于国内同类产品。该机型的年生产能力8 000 t，可以创造较大的经济效益与社会效益。