可降解吸管PLA挤出成型工艺

可降解吸管PLA挤出成型工艺我从事塑料挤出加工快十个年头了，前几年禁塑政策全面落地之后，行业里一下子掀起了转产可降解吸管的风潮，我所在的工厂也从原来生产普通PP吸管，全线转做PLA可降解吸管。这一路调机试料踩了无数坑，也攒下了不少实打实的经验。其实PLA可降解吸管最主流的生产方式就是挤出成型，这套工艺看起来和普通塑料挤出差别不大，但是PLA本身的特性决定了，从原料预处理到最后成品出来，每一步都有不一样的讲究。今天我就把整套工艺完完整整理清楚，不管是刚入行的新手还是正在转产的朋友，都能做个参考。1挤出成型前的原料预处理很多刚接触PLA的朋友，最容易忽略的就是预处理这一步，觉得不就是把料倒进挤出机吗？和PP没啥区别，我当初也是这么想的，结果第一炉就翻了车，所以说预处理是做好PLA吸管的基础，一点都不能马虎。1.1为什么必须做原料干燥PLA学名聚乳酸，是从植物淀粉里发酵得来的可降解材料，本身带有极性，很容易吸收空气中的水分，哪怕是原厂密封好的颗粒，拆封之后在车间放半天，水分就能超过合格线。如果带着多余的水分进挤出机，高温下PLA会发生水解，分子量直接掉下来，不仅做出来的吸管发脆，还会在管壁内部产生大量气泡，根本没法用。说出来不怕大家笑，我第一炉失败就是这个原因，当时省了烘干的步骤，想着秋天天干没问题，结果出来的吸管对着光一看全是气孔，好几吨料直接报废，那时候心疼得我连着两顿都没吃好。1.2干燥工艺的参数控制干燥PLA可不是温度越高越好、时间越长越好，温度太高了PLA还没进挤出机就提前降解了，白折腾。我们这么多年调试下来，最合适的干燥温度是60℃到80℃，一般纯PLA颗粒干燥4到6小时，最终水分要控制在0.02%以下才合格。如果是添加了淀粉填充或者其他改性可降解成分的混合原料，因为淀粉吸湿性更强，干燥时间要延长1到2小时，温度最好控制在70℃左右，不要超过80℃。烘干之后最好马上用，如果放着过夜，尤其是南方梅雨季节，空气湿度能到百分之七八十，还要再烘1小时重新除水，这一步绝对不能省。1.3配料混料的注意事项纯PLA做出来的吸管太硬，成本也高，基本没人做纯料的，一般都会添加一定比例的增韧剂、加工流动助剂，有的还要加色素或者遮光剂，混料这一步也有讲究。我们一般用高速混料机，混料的时候一定要控制温度，因为高速剪切会产生热量，温度超过50℃之后，小分子助剂容易提前析出，PLA也会有轻微降解，所以混料时间控制在3到5分钟就够了，只要混合均匀就行，不用为了追求均匀混十几分钟。如果混料过程中温度升得太快，可以开冷给混料机夹套降温，保证料温不超50℃，这一点很多新手容易错，我见过不少工厂为了混均匀混料半小时，结果烘得再好的料也出问题。原料预处理做好，相当于成功了一半，接下来就是整个工艺最核心的部分——挤出成型过程的控制，这一步直接决定了吸管的基本性能和尺寸合格率。2PLA吸管挤出成型核心工艺控制2.1挤出设备的选型适配不是所有挤出机都能做PLA吸管，PLA对剪切和温度很敏感，所以设备选型有讲究。目前行业里做吸管基本都用单螺杆挤出机，长径比最好在25:1到30:1之间，长径比太小，原料混炼不均匀，做出来的管子性能不稳定，长径比太大，剪切作用太强，PLA在机筒里容易剪切升温发生降解，反而不好。螺杆结构最好选渐变型螺纹，不要用突变型螺杆，突变型剪切太强，不适合热敏感的PLA。模头要选多孔共挤的吸管专用模头，一次可以出8根甚至16根，效率高，模头的流道要做抛光处理，不要有死角，不然料停留在死角容易降解积碳，会堵模头，还会影响出料顺畅度。过滤网一般用80目到100目的就够，不用太密，太密会增大背压，让料在机筒里停留时间变长，增加降解风险，我之前有个同行为了滤干净杂质，用了200目的过滤网，结果背压太高，料温直接升过了200℃，整炉料都降解了，出料都是酸的，根本没法用。2.2机筒分段温度控制温度控制是挤出成型的核心，PLA的熔融温度大概在170℃到190℃之间，最高绝对不能超过190℃，超过之后PLA会快速发生热降解，产生小分子气体，还会变脆，所以我们一般分段控温，从喂料段到模头逐步升温。喂料段也就是靠近料斗的那段，温度控制在140℃到150℃就够，这个温度让PLA慢慢预热软化，不会提前熔融架桥，喂料更顺畅。压缩段温度升到160℃到175℃，让原料逐步熔融混炼。均化段也就是计量段，温度控制在175℃到185℃，让原料完全熔融，塑化均匀。模头温度比均化段高5℃左右，控制在180℃到188℃，保证出料顺畅，不会出现熔接痕。我调试温度的时候，一开始不懂，跟着PP的经验开了200℃，结果出来的料一股发酸的味道，拉出来的管子一折就断，后来降了15度，马上就好了，所以说温度真的不能乱开，宁愿低一点不要高，温度低了最多出料不顺，慢慢调，高了直接废料。2.3螺杆转速与牵引速度的匹配螺杆转速决定挤出量，牵引速度决定吸管的壁厚和管径，两者的匹配非常重要。一般来说，常用的65型单螺杆挤出机，螺杆转速控制在10到30转每分钟就行，根据你的产能要求调整，转速太快剪切热大，容易升温降解，太慢效率低，不划算。我们现在做常规的奶茶吸管，内径6mm，壁厚0.6mm，螺杆转速开到18转的时候，牵引速度大概在12米每分钟，这个匹配度做出来的尺寸刚好。这里要注意，PLA挤出成型后会有一定的收缩率，一般在1%到2%左右，所以牵引速度要比理论值稍微快一点，抵消收缩带来的尺寸变化，不然放几个小时之后管径就偏小，不合格。还有，转速和速度都要稳定，不能忽快忽慢，不然尺寸一会大一会小，合格率上不去。挤出的管坯从模头出来之后，还需要及时定型冷却，再做后续处理，这一步做好了才能保证成品的外观和性能合格。3挤出成型后的定型与后处理工艺3.1真空定径工艺控制刚从模头出来的PLA管坯是熔融状态的软料，必须马上定型，现在行业通用的是真空定径法，定径套的内径要比成品吸管的标称内径大1%到2%，预留出收缩的空间。真空度一般控制在0.02MPa到0.04MPa之间，真空度太高，会把软的管坯吸扁，还会让管壁太薄，真空度太低，管坯贴不紧定径套，圆度不够，做出来的管子是椭圆的。这里也有个小经验，夏天车间温度高，水温也高，PLA冷却慢，真空度可以稍微调高二三个千帕，冬天车间温度低，冷却快，真空度就可以稍微降一点，跟着环境调才对，不能一调到底不管季节。3.2分段冷却工艺控制冷却工艺直接影响PLA的结晶度，结晶度太高，管子硬而且脆，一掰就断，结晶度太低，管子太软，挺度不够，插奶茶都插不开包装，所以不能骤冷，要分段冷却。第一段是定径槽，就在定径套旁边，水温控制在30℃到40℃，让管坯慢慢降温结晶，第二段是长冷却槽，水温控制在20℃到30℃，让管子充分冷却定型。绝对不能把刚出来的热管子直接丢到十几度的冷水里，骤冷会让管子表面快速结晶，内部结晶慢，内外应力不一样，放个两三天管子就会弯，很多工厂做出来的吸管成品放一段时间就变弯卖不出去，大多是这个原因。我之前也碰到过这个问题，整批货都弯了，只能返工挑拣，亏了不少，后来把冷却水温调高了10度，让它慢慢降，就再也没出现过批量弯曲的问题。3.3牵引切割与成品分选冷却好的管子经过牵引辊送到切割机，按要求的长度切割，一般奶茶吸管是19厘米或者23厘米，咖啡吸管更短一点。PLA比普通PP脆，所以切割刀一定要锋利，我们工厂现在是每天换一次切割刀，哪怕刀看起来不钝也换，就是为了保证切口平整，没有毛茬，要是刀钝了，切出来的切口有碎渣或者毛边，客户用的时候容易扎嘴，很影响体验，哪怕只有百分之一的坏品，砸的也是自己的牌子。切割完之后还要人工或者机器分选一遍，把弯曲的、带气泡的、尺寸不对的挑出来，这个步骤看起来费人工，但是能保证交到客户手里的都是合格品，攒口碑比这点人工成本重要多了。哪怕把上面所有步骤都做对，生产过程中还是难免会出现各种各样的问题，我干这么多年总结了几个最常见的问题，以及对应的解决办法，都是实打实踩坑踩出来的经验。4常见工艺问题与优化方案4.1吸管内部出现气泡这是最常见的问题，绝大多数原因都是原料干燥不到位，水分超标，高温下水汽化产生气泡，还有一部分原因是温度太高，PLA降解产生小分子气体，或者螺杆转速太快，空气没有完全从原料里排出来。解决办法也很简单，先重新烘干原料，把水分降到0.02%以下，再检查机筒各段温度，把超过190℃的部分降下来，适当降低螺杆转速，让原料里的空气从喂料口充分排出，基本上就能解决气泡问题。4.2吸管发脆容易断裂这个问题也是客户投诉最多的，主要原因有三个，第一个是PLA降解过度，温度太高或者停车的时候料留在机筒里焖太久，第二个是增韧剂添加量不够，第三个是冷却太快结晶度太高。解决办法首先控温，最高温度不超过190℃，停车超过半小时就要把机筒里的料排出来，不要让料焖在里面，然后根据性能要求调整增韧剂添加量，一般加3到5份就够，既能保证韧性，又不会让管子太软，最后调整冷却水温，不要骤冷，控制冷却速度降低结晶度，就能明显改善发脆的问题。4.3吸管弯曲不直刚才也提到过，主要原因就是冷却不均匀，或者定径套堵塞，还有牵引辊压力不均匀。解决办法就是先检查定径套的出水孔，把堵了的杂质清理干净，保证定径套各个方向出水均匀，冷却一致，然后调整冷却槽的水温，不要太低，坚持分段冷却，最后调整牵引辊的左右压力，让两边压力一致，不会一边拉得紧一边拉的松，就能解决大部分弯曲的问题。结语总的来说，PLA可降解吸管的挤出成型工艺，本质上是围绕PLA本身热敏感、易水解、结晶特性来做调整，和传统聚丙烯吸管的工艺有相似之处，但细节上差很多，