Estrusore bivite corotante

estrusione
di Corrado Moneta, Icma San Giorgio
Estrusore bivite corotante
Una soluzione flessibile
per il riciclo
Una linea di estrusione per il
riciclaggio è un impianto di
gestione complessa. L’impiego
di un estrusore bivite corotante
potrebbe semplificarla perché
offre la flessibilità necessaria
per trasformare materie
plastiche caratterizzate da
reologie diverse
e incompatibili fra loro
Essendo molto usata negli imballaggi, la plastica è uno dei principali componenti dei rifiuti solidi. In generale i materiali plastici non
sono biodegradabili, pertanto risulta estremamente importante potenziarne il riciclo. I vantaggi associati al riciclo sono principalmente
da trovarsi in una riduzione dei rifiuti, un abbassamento del costo
dei prodotti ottenibili, una riduzione del consumo energetico, una
riduzione delle emissioni in atmosfera e un risparmio di petrolio.
Attraverso il riciclaggio delle materie plastiche, partendo da uno
scarto o da un rifiuto, è possibile ottenere un nuovo prodotto finale.
Una scelta corretta del processo e dei macchinari associati rappresenta un passo importante per garantirne il successo economico.
Il processo di estrusione
Il tipico prodotto finale di una linea di estrusione di riciclaggio è il granulo, ma non è l’unico: infatti, utilizzando impianti di estrusione diretta
è possibile riciclare materiali plastici estrudendo direttamente il prodotto finito (lastra, foglia, tubo, profilo).
extrusion
Recycling
A flexible solution
Recycling process is not simple to
run and it should be a big mistake to
underestimate it. The co-rotating
twin-screw extruder owns all the
features necessary to win this
challenge and can supply the flexibility
necessary to process incompatible
plastics with different rheology
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ottobre 2009
D
by Corrado Moneta, Icma San Giorgio
ue to its great use in the packaging
industry, plastic represent one
of the main components of
the solid wastes. Plastics are
not biodegradable (with some
exceptions) and it is therefore extremely
important to increase the recycling activities.
Advantages given by the plastics recycling are
mainly: wastes reduction, cost decrease of the
final products, energy consumption reduction,
environmental protection due to emissions
reduction and oil saving. Starting from a waste/
scraps, through plastics recycling it is possible
to obtain a new end-product. A right choice
of the process and of the relevant machinery
represents an important step to grant the
economical success of the investment.
Extrusion process
Pellet is the typical end product of a recycling
extrusion line, but it is not the only one. By
using ‘direct extrusion lines’ it is possible to
a
b
Nella progettazione di un impianto per
l’estrusione di materiali da recupero si deve
tenere conto che il processo richiede elevate prestazioni nelle fasi di miscelazione e di
degasaggio.
Il semplice riscaldamento, infatti, non è sufficiente per dissolvere le materie plastiche
l’una nell’altra, quindi le viti devono essere
in grado di trasferire elevate sollecitazioni al
materiale che fluisce attraverso i canali dell’impianto. L’ampia varietà delle plastiche
riciclate, caratterizzate da valori di melt flow
index (MFI) molto diversi, complica ulteriormente la situazione.
1 Miscelazione distributiva (a) e miscelazione
dispersiva (b)
1 Distributive mixing (a) and dispersive mixing (b)
I materiali
Per ottenere un prodotto durevole partendo
da un materiale riciclato è necessario modificarne e potenziarne le proprietà, e questo
implica la conoscenza delle caratteristiche
del polimero di partenza.
È ben noto che in una matrice polimerica è
possibile miscelare:
recycle plastics and to directly extrude the final
product (sheet, foil, pipe, profile). Extrusion
process involving waste/scraps requires high
performances mainly in mixing and venting
steps. Due to the low mixing entropy of the
plastics it will be necessary to introduce into
the system a very high quantity of energy.
Simple heating is not enough for good materials
dispersion. The extruder’s screws must be
therefore capable to transfer high stress to the
plastics flowing into their channels.
The wide range of the recycled plastics, added
to the different MfI values available on the
market, further complicate the situation.
Materials
To obtain a durable products starting from a
recycled material it will be necessary to modify
• cariche minerali (per ridurre i costi, incrementare la rigidità e la stabilità dimensionale);
• fibre (per incrementare la rigidità, la resistenza e le proprietà elettriche);
• gomme (per aumentare la resistenza all’impatto);
• nucleanti (per modificare il grado di cristallinità);
• lubrificanti (per aiutare il processo);
• compatibilizzanti (per creare legami chimici).
Per ottenere le prestazioni ottimali offerte da
ogni singolo additivo, è necessario disperderli in modo adeguato nella matrice polimerica: la qualità del prodotto finale dipende
infatti dal grado di miscelazione distributiva e
dispersiva ottenuto.
La miscelazione
2 Le viti dell’estrusore trasferiscono sforzi di taglio
e di allungamento alle particelle del materiale da
disperdere
2 Extrusion screws transfer shear stress and
elongation stress to the material particles, which
must be dispersed
Come già accennato, la miscelazione è una
fase critica nel riciclaggio delle materie plastiche, criticità che può essere risolta utilizzando un estrusore bivite co-rotante, perché
questo tipo di attrezzatura è in grado di for-
and increase its properties. Only after having
clearly understood which kind of product must
be produced on the recycling extrusion plant,
it is possible to list the relevant properties and
to study the recipes necessary to reach the
production target.
Materials normally mixed in a polymeric matrix
are the following:
• mineral fillers (to reduce the costs, increase the
stiffness and the dimensional stability);
• fibres (to increase the stiffness, the strength
and the electrical properties);
• impact modifier (to increase the toughness);
• nucleants (to modify the crystallinity);
• lubricants (to help the process);
• compatibilizers (to create chemical bonding).
These components need to be mixed properly
inside the plastic to obtain the desired results.
The quality of the final products therefore
depends from the obtained distributive and
dispersive mixing. Mixing represents a critical
phase of the plastics recycling process.
Mixing
Co-rotating twin-screw extruder is capable of
an high mixing quality (it is a mixer). We cannot
say the same for the single-screw extruder,
which main task is to create enough pressure
to extrude the material throughout the die (it’s
mainly a pump). Aim of the distributive mixing
is to obtain a final uniform composition of the
extruded products.
The figure 1 clearly shows this concept. A good
dispersive mixing, is much more difficult to
obtain and it aims to reduce agglomerates size
or molten polymer droplets size, to a defined
dimensions. By processing recycled materials,
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3
estrusione
3 L’intensità dello sforzo da applicare dipende dal
tipo dello stesso (taglio/allungamento) e dal rapporto
delle viscosità delle materie plastiche da miscelare
3 The intensity of the requested stress depends
on the stress type (shear/elongation) and on the
viscosity ratio of the plastics to be mixed
nire un’elevata qualità di miscelazione. Al
contrario, il ruolo principale di un estrusore
monovite è quello di creare pressione per
estrudere il materiale attraverso la testa.
Inoltre, per il controllo e l’ottimizzazione dei
processi di miscelazione è necessario comprendere meccanismi fondamentali quali la
miscelazione dispersiva e la miscelazione
distributiva.
L’obiettivo della miscelazione distributiva
è di ottenere una composizione finale del
prodotto estruso uniforme (figura 1a), mentre quello della dispersiva (figura 1b) di ottenere la riduzione a una dimensione ben
definita degli agglomerati o delle gocce di
plastica fusa da miscelare. Una buona miscelazione dispersiva è molto più difficile
da ottenere. Nel caso di materiali riciclati
il tipo di miscelazione più frequente è quello fra due liquidi (plastiche allo stato fuso)
con caratteristiche reologiche diverse.
Attraverso le viti dell’estrusore si trasferiscono sforzi di taglio e di allungamento
4 Elementi vite di trasporto
(a) ed elementi miscelanti o kneading (b)
4 Conveying (a) and kneading (b) elements of a corotating twin screw extruder
it frequently happens that two kinds of liquids
(plastics in molten form) with different rheology
must be mixed. By means of the extrusion
screws, shear stress and elongation stress are
transferred to the material particles, which must
be dispersed (figure 2).
If the applied stresses are higher than particle
cohesive forces, droplet is deformed and breaks,
creating smaller particles size (dispersion). The
intensity of the requested stress depends on the
stress type (shear/elongation) and on the viscosity
ratio of the plastics to be mixed (figure 3).
Modular screws of the co-rotating twin screw
4
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alle particelle del materiale da disperdere
(figura 2). Se gli sforzi applicati superano
le forze di coesione della particella, quest’ultima si deforma e si rompe generando
particelle più piccole (dispersione).
L’intensità dello sforzo da applicare dipende dal tipo dello stesso (taglio/allungamento) e dal rapporto delle viscosità delle
a
extruder, consisting of a well defined sequence
of conveying (figure 4a) and kneading (figure 4b)
elements, make possible an accurate calibration
of the intensity of the shear and elongation
stresses along the machine axis.
A typical screws configuration for recycled
materie plastiche da miscelare (figura 3).
Utilizzando un estrusore bivite co-rotante
si ha la possibilità di calibrare in modo accurato l’intensità degli sforzi di taglio e di
allungamento necessari alla miscelazione,
l’operazione è infatti favorita dalla modularità della vite, composta da una sequenza
ben definita di elementi vite di trasporto
(figura 4a) e di elementi miscelanti o kneading (figura 4b).
Una tipica configurazione della vite per
miscelare le plastiche riciclate (figura 5)
comprende una porzione iniziale di alimentazione dei materiali, una fase successiva
per la loro fusione/miscelazione, un gruppo
di kneading dedicati alla dispersione e un
blocco finale per la miscelazione distributiva. L’utilizzo di compatibilizzanti per limitare
il fenomeno della coalescenza è fondamentale: infatti, anche se si ottiene una buona
dispersione delle varie materie plastiche
alimentate nell’estrusore, il fenomeno porta
a una demiscelazione del prodotto finale.
b
plastic includes the following sections:
material feeding, melting, dispersive mixing
and distributive mixing (figure 5). The use of
compatibilizers to limit coalescence is essential.
This phenomena causes a de mixing of the final
product that needs to be avoided.
estrusione
5 La tipica configurazione della vite
per miscelare le plastiche riciclate
5 A typical screws configuration for
recycled plastic materials
Il degasaggio
La fase di processo dedicata al degasaggio
rappresenta un altro punto chiave per il processo di riciclaggio delle materie plastiche,
grazie a cui è possibile estrarre tutte le particelle volatili presenti e sviluppate durante il
processo di estrusione.
I meccanismi di estrazione di massa presenti
all’interno di estrusione sono due:
1 diffusione molecolare all’interfaccia polimero fuso/vapore;
2 espansione: nel polimero fuso si formano
delle bolle contenenti le sostanze da rimuovere; queste tendono a espandersi, collidono
fra di loro aumentandone la dimensione fino
al raggiungimento dell’interfaccia polimero/
vapore, dove rompendosi rilasciano il loro
contenuto. La prestazione della fase di degasaggio viene regolata modificando la temperatura del fuso, il tempo di permanenza,
la velocità delle viti e il grado di riempimento
del canale della vite in prossimità del caminetto. Incrementando la temperatura del fu-
so, se ne riduce la viscosità e vengono facilitate la formazione e l’espansione delle bolle;
un maggior tempo di permanenza, invece,
accresce il rendimento della diffusione molecolare. L’incremento di velocità della vite,
se da un lato riduce il tempo di permanenza,
dall’altro aumenta il rinnovo degli strati di materiale fuso (attenzione alla degradazione).
La diminuzione di grado di riempimento della vite incrementa l’espansione della massa
fusa e quindi il rendimento del processo di
degasaggio. Per ottenere il massimo delle
prestazioni è necessario un ‘fine tuning’ delle
condizioni operative ed eventualmente della
configurazione della vite.
Seguendo un approccio di questo tipo è
possibile massimizzare le espansioni di materiale fuso all’interno della vite evitandone
una fuoriuscita dal caminetto. Mentre in una
linea tradizionale di estrusione/compounding
viene installato un unico punto di degasag-
gio, in un processo di materiali riciclati si
prevedono due o più punti di estrazione di
sostanze volatili (figura 6).
the performance of the molecular diffusion
mechanism. Increase of screw rpm reduces
the residence time on one hand, while improve
layers renewal on the other hand (pay attention
to the degradation). A decrease of the screw
filling ratio, increases the expansion of the melt
and therefore the performance of the degassing
process. A fine tuning of the operational conditions
and – eventually – of the screw configuration are
requested to obtain the highest performance.
With this approach it is possible to maximize
6 Esempio di configurazione di estrusore per il
riciclaggio
6 Extruder configuration example for recycling
Flessibilità
Un requisito irrinunciabile per un impianto
di estrusione di materie plastiche riciclate
è la flessibilità, perché la grande varietà di
plastici disponibili e i differenti gradi di viscosità impongono la necessità di modificare
facilmente la configurazione dell’estrusore
e le condizioni operative. L’estrusore bivite
co-rotante rappresenta in assoluto la soluzione più flessibile disponibile sul mercato in
termini sia di riconfigurabilità sia di possibilità
di modificare le condizioni di funzionamento
(portata, velocità viti, temperatura cilindro).
Il cilindro di un estrusore bivite co-rotante è
definito da diversi moduli di lunghezza pari
a 4D, disponibili in due differenti versioni: a
sezione circolare (figura 7a) o rettangolare
Degassing
Degassing is another essential step in the
plastics recycling process. In this phase the
volatiles developed by the extrusion process are
extracted.There are two extraction mechanisms in
the extrusion process:
1 molecular diffusion to the polymer melt surface;
2 expansion: bubbles containing the materials to
be removed are formed inside molten polymer;
they expand, collide one against the other and
increase their dimensions until the melt surface is
reached, where they break releasing their content.
Performance of the degassing step is adjusted
by modifying the melt temperature, the residence
time, the screw rpm and the filling ratio of the
screws channel closed to the venting dome. When
increasing the melt temperature, the viscosity
decreases helping the bubbles formation and the
expansion. An higher residence time increase
6
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the melt expansions inside the screw, avoiding
relevant leakages from the venting dome, while on
a traditional extrusion/compounding line only one
degassing point is installed, two or more volatiles
extraction points are provided in a recycled
materials process (figure 6).
estrusione
a
(figura 7b). La riconfigurazione del cilindro è
un’operazione semplice e rapida. Su estrusori di taglia medio-piccola i diversi moduli
di cilindro vengono montati su quattro tiranti;
sbloccando quattro bulloni in testa è possibile sfilare i moduli e ricomporre la configurazione in funzione della nuova esigenza di
processo (figura 8). A partire da un diametro
vite di 60 mm il collegamento fra i vari moduli
di cilindro avviene con il sistema tradizionale
a bulloni. Un discorso analogo è valido per la
configurazione della vite. I vari elementi che
la compongono vengono montati su un albero brocciato e possono quindi essere sfilati
facilmente e rimontati velocemente.
Attraverso un’attenta definizione della configurazione della vite è possibile calibrare il trasferimento di energia al processo limitando
inutili sprechi (figura 9). Il grado di riempimento di un estrusore bivite co-rotante è variabile
Flexibility
Machinery flexibility is a must when processing
recycled plastics. The use of different plastics
and different viscosity grade requires the
possibility to easily modify the extruder
configuration and the operational conditions
set-up. The co-rotating twin-screw extruder is
the most flexible solution available on the market
both from the re-configuration point of view and
the possibility to play with its working conditions
(throughput, screw rpm, barrel temperature). The
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7 Moduli di un cilindro di un estrusore bivite corotante a sezione circolare (a) o rettangolare (b)
7 The extrusion barrel of co-rotating twin-screw
extruder consists of different sectors available in
two different shapes: round (a) or square (b)
diando soluzioni mirate per rendere il riciclo
di tali materiali vantaggioso dal punto di vista
economico. Tra queste, Icma San Giorgio ha
studiato diverse soluzioni tra cui due impianti, uno per il riciclo di PET e l’altro di nylon.
Vediamoli nel seguito.
Compounding di PET e di PA
b
a differenza di quanto avviene nell’estrusore
monovite, dove il canale vite è sempre pieno,
con conseguente elevato consumo di energia (figura 10).
Compound da polimeri di riciclo
I polimeri oggi più comunemente riciclati sono PET, PVC, poliolefine, PS, PA e ABS. Per
questo i costruttori di estrusori stanno stu-
extrusion barrel of co-rotating twin-screw extruder
consists of different sectors having a length of 4D,
available in two different shapes: round (figure
7a) or square (figure 7b). Barrel re-configuration
is simple and quick: on the medium/small size
extruders, the different barrel sectors are fixed by
four tie-rods. By releasing four bolts at the end of
the extruder it is possible to remove the sectors
and prepare a new configuration according
to the new process request (figure 8). Starting
from 60 mm. Extruder size, the different barrel
In un processo di riciclaggio di PET è necessario non trascurare le diverse possibilità di
degradazione del materiale (meccanica, termica, ossidativi, idrolitica). La degradazione
per idrolisi è la più insidiosa, ed è in grado di
far crollare velocemente il peso molecolare,
la viscosità e quindi le proprietà meccaniche
del materiale. Questo problema è aggravato
dal fatto che il PET è fortemente igroscopico
e assorbe velocemente l’umidità dall’aria,
pertanto durante il processo di estrusione è
necessario limitare la sollecitazione trasferita
8 Modularità del cilindro e della vite
8 Barrel and screw modular design
sectors are connected together by bolts. The
same for the screw configuration. The different
screw elements are assembled on a splined shaft
and they can therefore be easily removed and
quickly re-assembled. With a well defined screw
configuration it is possible to adjust the energy
transfer to the process, limiting useless energy
losses (figure 9). Unlike the single-screw extruder,
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dalle viti, ma soprattutto estrarre l’umidità presente nel materiale prima di che si inneschi il
fenomeno idrolitico. La deumidificazione del
PET normalmente viene eseguita off-line e
richiede una precedente cristallizzazione del
materiale al fine di evitarne il rammollimento
all’interno del deumidificatore (Tg = 75 °C).
L’impiego di un estrusore bivite co-rotante
consente, invece, di effettuare la deumidificazione in linea all’interno dell’estrusore. Ma
questo non è l’unico vantaggio, perché questa configurazione consente di operare con
un risparmio energetico di circa il 50% (il cristallizzatore e il deumidificatore non sono più
presenti nell’impianto), di alimentare scaglie
9 Una configurazione della vite ottimale consente di calibrare il trasferimento di energia
al processo limitando inutili sprechi
9 A well defined screw configuration allows to adjust the energy transfer to the process,
limiting useless energy losses
10 Il grado di riempimento di un estrusore bivite co-rotante è variabile
10 The filling ratio of a co-rotating twin-screw extruder is variable
11 Alcune proprietà
meccaniche di tre diversi
tipi di blend
(Arcom 1-2-3) sviluppati
da Arel
11 Different mechanical
properties of blends (Arcom
1-2-3) producted by Arel
which works normally with a fullfilled channel
with consequent high-energy consumption, the
filling ratio of a co-rotating twin-screw extruder is
variable (figure 10).
Compound from polymer recycling
PET, PVC, polyolefin, PS, PA and ABS are the
most commonly recycled plastics. For this
reason many producers of extrusion plants,
such as Icma Sam Giorgio (Legnano, Milan) are
developing new and competitive solutions. In
the following a plant for the recycling of PET and
nylon will be illustrated.
PET and PA compounding
When recycling PET it is necessary to cope
with its different degradation possibilities
(mechanical, thermal, oxidative, hydrolytic).
Hydrolytic oxidation is the most dangerous
10
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degradation process and it can produce a
severe reduction of molecular weight, viscosity
and so the mechanical properties of the material.
PET is an extremely hygroscopic material,
which quickly absorbs the air humidity. During
the extrusion process it is necessary to limit the
stress transferred by the screws (mechanical
degradation), but it is most important to extract
the humidity from the material before the
hydrolytic degradation process will begin.
PET dehumidification is normally done
separately and this requests a previous material
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11
estrusione
1
12 Proprietà meccaniche
di un blend di Arel
contenente PET da riciclo
12 Mechanical properties
of a blend based on
recycled PET developed
by Arel
(non è richiesto quindi un densificatore), e di
evitare ogni perdita di materiale per un cambio di formulazione. Anche la manutenzione
è più semplice, perché si evitano gli interventi
sul deumidificatore, sul cristallizzatore e sul
densificatore, che non sono presenti nell’impianto. Miscelando il PET con altri materiali
plastici o additivi/cariche/rinforzanti è possibile ottenere nuovi materiali caratterizzati da
proprietà interessanti. Un possibile blend è
quello PET/HDPE, dove entrambi i materiali possono essere da riciclo. Si tratta di un
materiale meno fragile del PET e non richiede deumidificazione. Rispetto aIl'HDPE si
presenta più rigido, più resistente, più fluido
e si raffredda più velocemente. Il blend può
essere usato nello stampaggio a iniezione
garantendo cicli di lavoro superiori. A titolo
di esempio, nella figura 11 alcune delle proprietà meccaniche di tre diversi tipi di blend
(Arcom 1-2-3) sviluppati da Arel (un’azienda
turca specializzata nel compounding di PET),
utilizzando un estrusore di Icma San Giorgio, vengono messe a confronto con quelle
di PBT, PA66 e ABS. Nella figura 12, invece,
sono illustrate le interessanti prestazioni di un
materiale ottenuto miscelando PET da riciclo
con una piccola quantità di un additivo chimico studiato da Arel.
Un’altra interessante possibilità offerta dalla
tecnologia è quella di riciclare il filato di nylon
partendo da balle per ottenere un compound
rinforzato (figura 13). Il punto critico nella progettazione di un impianto di questo tipo è la
capacità di dosare con sufficiente precisione
il filato di naylon. Nella composizione finale
del compound, la fibra vetro deve avere una
tolleranza di ±2%. La quantità in massa delle
particelle volatili presenti nel materiale riciclato non può essere costante al variare del lotto. Pertanto deve essere garantita una buona
flessibilità nell’impostazione delle condizioni
operative dell’impianto.
■
crystallization to avoid its softening inside
the dryer (Tg = 75 °C). Using a co-rotating
twin-screw extruder, dehumidification can be
done in-line, inside the extruder. Further to
the advantages of a continuous process, this
solution guarantee a 50% of energy saving in the
extrusion process (crystalliser and dehumidifier
are no more required in the plant).
Other advantages are:
• possibility to feed flakes (a densifyer is
therefore not required);
• reduced plant maintenance (dehumidifier,
crystalliser and densifyer are not present);
• no material losses due to a formulation change.
Mixing PET with other plastics or additives/fillers/
reinforced materials it is possible to obtain new
materials having interesting properties. One
of the most popular is PET/HDPE blend where
both materials can be from recycling source. It
is less brittle than PET and it does not require a
dehumidification process. It is stiffer, stronger,
better flowing and faster cooling than HDPE.
This blend could be used in injection moulding
process, granting faster working cycles.
Arel Company, a Turkish producer of PET
compounding starting from recycled source,
has supplied us with some diagrams (figure
11), showing some of the mechanical properties
of three different kinds of blend (Arcom 1-2-3)
compared with other engineering plastics (PBT,
PA66, ABS). Mixing recycled PET with a small
quantity of a ‘special’ chemical additive studied by
Arel, it is possible to obtain extremely interesting
performances (figure 12). Another interesting
13 Impianto sviluppato da Icma San Giorgio per riciclare
filato di nylon per ottenere un compound rinforzato
13 An extrusion line developed by Icma San Giorgio for
the production of reinforced compound starting from bales
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possibility granted by this technology is the
yarn recycling, starting from bales, to obtain a
reinforced compound. During the engineering of
the line suitable for the above-mentioned purposes,
the critical point is represented by the capability to
feed the Nylon yarn with enough accuracy. In the
final compound composition, fibre glass content
needs to have a ±2% tolerance. Mass quota of the
volatiles present in the recycled material cannot be
constant. For this reason flexibility in setting up line
operational conditions must be granted is a must.