溶劑型回收：采用雙螺桿擠出機回收、純化聚烯烴的新技術

文/克勞斯瑪菲擠出技術公司 Franz-Xaver Keilbach，Kai U.Bagdahn

目前正在商業化應用的溶劑型回收技術可以將有色的聚烯烴廢料變成能與原生材料相媲美的透明、干凈甚至食品級的樹脂，同時保持聚合物結構的完整性。為此而專門設計的串聯雙螺桿擠出機或雙螺桿與單螺桿擠出機的串聯系統可以做到這一點。

回收利用正成為塑料加工的一個越來越不可分割的組成部分。但是，如何才能將使用后的廢棄物轉化為可以用來替代原生材料的高質量再生材料呢? 如果想要獲得高純度的再生料，而回收的塑料原料又攜帶有墨水、著色劑、添加劑、污染物甚至外來的聚合物，這個問題就變得較為棘手。

克勞斯瑪菲已經為采用機械回收方法對消費后的回收料（簡稱PCR）進行再加工而提供了許多雙螺桿系統，這是當前占主導地位的回收方法。然而，由于機械回收存在過濾和排氣的限制，因此要想從有色塑料中去除色素并不現實，通常會導致混合色的PCR 被染成黑色。這些限制因素也造成了食品級聚烯烴PCR 的市場供應有限。

好消息是，幾項新技術的出現結合加工能力的迅速提高，使得更多種類的PCR 甚至是混合塑料可以被恢復成原生材料或接近原生材料的質量。然而，這些“先進的回收”方法，很多會涉及到對塑料樹脂的部分或完全解聚，即先將其轉化為單體或低聚物，然后再生產出新的塑料。但是，解聚和再聚合過程通常是化工公司而非擠出配混和造粒領域的塑料加工商們應該做的事。

然而，在蓬勃發展的先進的回收技術領域中，卻有一個分支更容易被塑料配混商們所采納，這就是基于溶劑的回收。這是一種混合技術，因為它考慮了在機械和化學回收中使用的凈化工具。將要回收的塑料溶解，這樣不會破壞聚合物的化學結構。溶劑回收技術主要適用于聚烯烴，如LDPE、HDPE 和PP，以及 PET、PS 和PA。此文將介紹溶劑回收的基礎知識和所需的設備類型，以及有關這項技術首次被大規模應用于聚烯烴的一些細節。

在單螺桿和雙螺桿擠出技術方面，克勞斯瑪菲擁有豐富的機械回收、反應擠出和脫揮專業知識，這些知識可用于溶劑型回收技術。但值得一提的是，這項工藝的重要組成部分往往是涉及“反應器”或其他特殊設備的專利技術，這是建設和安裝這些系統的克勞斯瑪菲合作伙伴公司的一部分知識產權。

工藝概述

溶劑型回收工藝的第一步是將預先分類的、分離開且得到凈化的回收料送入同向旋轉雙螺桿擠出機中，以進行預處理、熔融、均質和脫氣，直到去除水分（如去除上游清洗廢片時帶有的水分）、單體、殘余的空氣和額外的揮發物。第一步是通過建立所需的物理和化學工藝條件來實現的，包括壓力、溫度和黏度等。第一階段也為在塑化、均質和脫揮后，在下游加入溶劑提供了機會（取決于工藝細節）。為此，擠出機的關鍵技術條件包括由外徑/內徑比定義的自由容積、比扭矩或扭矩密度以及螺桿轉速，它們共同表征了擠出機的加工能力。

比如，克勞斯瑪菲的ZE BluePower 同向旋轉雙螺桿擠出機設計有1.65 的較高的外徑/內徑比，螺桿轉速達1 200 r/min，高扭矩密度達16 Nm/cm3，這些性能確保了即使在中等溫度和低速下也能熔化和均化初始材料，且能耗極低。

在第一階段加入溶劑可以顯著降低熔體的黏度，這樣，即使是最細小的顆粒，也能經濟有效地得到過濾，這可以通過采用成熟的、非常精細的網目過濾技術在高產率下實現。根據加工的需求，網目大小可以細到能適用于紡絲纖維甚至食品接觸應用。相比之下，在機械回收中，聚合物天然的高黏度通常將過濾的粒度限制在100～250 μm，但使用溶劑，可以獲得像水一樣的熔體黏度，從而可以對20～40 μm 粒度的顆粒進行高速過濾。結合采用專利的反應器技術進行的分離過程，這為將PCR 從黑色轉變成透明的自然色提供了獨特的能力。

精細過濾通常是在熔體泵之后立即進行。熔體泵的上游可能還有一個粗濾用的過濾器，用來過濾掉較大顆粒的紙張、木頭或金屬雜質，以保護熔體泵。

下一步，是由客戶或許可人提供的專有“黑匣子”技術，即反應器來執行將塑料熔體與污染物分離的基本功能。反應器可能需要一個工作壓力,這由前述的計量增壓泵提供。額外的溶劑，可能還有其他成分，可能會被添加到反應器中。反應器的主要作用是將進料分成兩股，包括含有溶劑的清潔、無味的一股好的熔體，以及經初濾后帶有所有污染物的溶劑淤泥。這些流體可以通過不同的方式如密度、停留時間或流速而被分離開。根據加工需求，在完成這些步驟之前可能還有另一個微粒過濾階段。

精加工主要是脫氣操作，以去除熔體中的揮發性溶劑和其他揮發物（單體、氣味成分等）。這些溶劑被捕獲并回收重新用于加工中。精加工既可以用同向旋轉雙螺桿擠出機也可以用單螺桿擠出機來完成。雙螺桿可以將溶劑含量從最初的50%降低到較高的ppm 水平。如果終端應用要求將溶劑含量降低到較低的ppm 水平甚至ppb 水平，那么最好的解決方案是，最終納入一臺單螺桿脫揮擠出機，如一臺克勞斯瑪菲的KE 系列擠出機?？藙谒宫敺浦圃炝耸澜缟献畲蟮娜垠w供料單螺桿脫揮擠出機，螺桿直徑達800 mm。

商業規模的應用

作為溶劑型回收技術得到大規模實際應用的一個里程碑，位于美國俄亥俄州Ironton 的PureCycle Technologies 公司（以下簡稱PCT）正在建造其第一個商業化規模的溶劑型回收工廠，以將PCR PP 原料如地毯廢料轉化成超純PP，用于消費品、汽車、建筑和工業應用。該工廠將于2022 年投入使用。PCT 采用Procter &Gamble Co.公司授權的技術以及克勞斯瑪菲和Koch Modular Process Systems 公司提供的設備。PCT 的生產副總裁Brett Hafer 介紹說：“采用這項技術，我們成功地從地毯碎片中去除了所有的雜質、氣味和染料殘留物，從而使獲得的PP 顆粒物無論在外觀還是在機械性能上都能與原生材料相媲美?！?/p>

該工廠將擁有兩條生產線，每條生產線都采用一臺大型雙螺桿擠出機來為反應器供料，然后是一臺400 mm 的單螺桿脫揮擠出機和一臺造粒機。該工廠每小時可以加工8 t 的廢料。

用于PET 的溶劑分解技術

另一項回收技術專用于PET。這項被稱為“乙醇降解”（或溶劑分解）的技術，不應與上述的溶劑型回收方法相混淆，因為它涉及到PET 與乙二醇溶劑的部分解聚。這項工藝（也可以從克勞斯瑪菲獲得）只使用一臺同向旋轉雙螺桿擠出機來將PET 分解成短鏈低聚物而不是單體，接著是過濾器和熔體泵，以向縮聚反應器（由客戶或許可人提供）供料，對PET 聚合物鏈進行重構，以滿足預期用途所需的I.V.要求。這項工藝比其他解聚PET 的方法快得多，而且在獲得的聚合物中只有少量變色甚至沒有變色。通常，廣泛使用的商業原料擁有0.7～0.8 的I.V.值，而這項技術可以在重新聚合前將I.V.值降到0.2 或更低。本質上FDA 級別的純聚合物可以采用這項工藝制造，但正如前面所說，用縮聚法生產PET 主要為那些已經采用塑料廢片生產PET 的公司感興趣。