混合APET瓶片到耐熱rCPET食品托盤的升級回收

將混合瓶片轉化為(wei) 可擠出的可循環再利用的結晶聚對苯二甲酸酯(rCPET)是一個(ge) 聯合開發項目的目標，該項目的目標是縮小PET回收係統的差距。

在德國、奧地利和瑞士已經實施了從(cong) PET瓶收集係統中回收瓶片，目前主要集中於(yu) 透明和單色的PET片。這些可以相對容易地重新循環成透明的食品包裝。然而多色PET薄片(標題圖)隻適用於(yu) 較低等級的應用，因為(wei) 它們(men) 的顏色不同，不能作為(wei) 可分解的均勻PET重新造粒和擠出。以德國為(wei) 例，在2019年一季度，多色PET薄片的市場價(jia) 值(500至700歐元/噸)大約隻有由原材料製成的透明PET顆粒(1100歐元/噸)或由回收料製成的透明PET顆粒(1300歐元/噸)的一半。

為(wei) 了利用這個(ge) 成本效益，德國Gneuss公司和瑞士Sukano公司以及Illig Maschinenbau公司聯合開發了這個(ge) 項目，德國Gneuss公司是擠出機製造商，瑞士Sukano公司是添加劑製造商，Illig Maschinenbau公司是熱塑性塑料的熱成形係統製造商。初步試驗結果表明，APET廢料的處理可以彌補現有回收係統的不足。項目證明可以增強APET混合瓶片——到目前為(wei) 止隻有一個(ge) 邊際可重用的價(jia) 值——可再生利用，在熱成型過程中，耐熱rCPET(見信息框43頁)可擠壓並製成食品級包裝（圖1）。

項目規劃的另一個(ge) 考慮因素是關(guan) 於(yu) 鋁製食品托盤存在有害物質轉移的潛在風險。可用於(yu) 烤箱的熱成型食品托盤可能是一個(ge) 更好的選擇。熱成型食品托盤的另一個(ge) 優(you) 勢是，可大量生產(chan) ，托盤更薄，資源友好，熱成型部件製造時間更短。

由於(yu) 之前的製造工藝，多色APET瓶片在顏色、分子量和汙染水平上有巨大的差異。這正是MRS技術(MRS = multi - rotation (extruder))的用武之地。在一個(ge) 帶有特殊脫氣區和環繞主螺杆的衛星螺杆的單螺杆擠出機中，衛星螺杆之間在25mbar的中等真空條件下進行連續的物料交換(圖2)。由於(yu) 主螺杆和衛星螺杆之間在真空條件下的快速、連續的表麵交換，聚合物熔體(ti) 的表麵交換大大增加，這使得聚合物熔體(ti) 的高效脫揮發和淨化(圖3)。

聚合物熔體(ti) 均質化，由於(yu) 分子量分布非常均勻一致，為(wei) 後期熱成型提供了良好的材料片材性能。此外，在MRS段的*效的混合過程促進了添加劑(如成核劑)在聚合物熔體(ti) 中的均勻分布。這種將添加劑平均分配到材料中的程序還有一個(ge) 額外的好處，即在下遊熱成型過程中，材料片的結晶始終是一致的，因此可以進行可預測的控製。

MRS技術簡化擠出前的熱預處理步驟，從(cong) 而消除了結晶和幹燥造成的典型熱應力，因此聚合物加工過程中的工藝鏈非常短。聚合物熔體(ti) 處理溫和，保持良好的物理和視覺性能，如高拉伸強度和抗衝(chong) 擊，透明度和低黃色指數評級(在透明片的情況下)。

在加工rPET時，不僅(jin) 擠出機本身，而且熔融過濾對板材質量也有特別重要的意義(yi) 。這就是為(wei) 什麽(me) 格諾斯片材生產(chan) 線包括一個(ge) 過程連續的，全自動的反衝(chong) 洗過濾係統。RSFgenius旋轉過濾係統能夠可靠、高效地去除聚合物熔體(ti) 中的固體(ti) 顆粒等汙染物。在線粘度計可以連續不斷地測量粘度，是質量保證儀(yi) 器產(chan) 品(圖4)。

在MRS擠出機單元的下遊，rCPET板材可以在板材擠出生產(chan) 線上生產(chan) ，並直接連接到內(nei) 聯熱成形機或卷繞到軋輥上，供以後脫機使用。

在擠出機中加入添加劑，對PET瓶片材料的性能進行刻意的改性。來自Sukano的rPET IV增強子拉長了聚合物的分子鏈，進而增加了分子量(圖5)。

添加劑還能提高熔體(ti) 的粘度，有利於(yu) 塑料後期的加工。對於(yu) 板材擠壓，添加劑擴展了加工窗口，提高了加工速度，提高了板材質量。此外，添加劑確保塑料具有更高的抗衝(chong) 擊性。

經此處理後，PET的物理性能可與(yu) virgin APET相比，缺點是不透明。因此它不適合透明包裝。然而烤箱用rCPET托盤通常是不透明的，因為(wei) 它的結晶濃度高。因此，在MRS擠出機中使用母粒對製備的rAPET進行著色並使用結晶劑將其轉化為(wei) 適於(yu) 熱成型的板材是有意義(yi) 的。Sukano采用自己的rPET結晶母料，用熱穩定色料著色效果好。

Sukano能夠開發市場需要的幾乎每一種顏色。然而，典型的顏色是白色、米色和黑色。黑色是rCPET托盤的典型顏色，也是CPET托盤生產(chan) 中使用十分廣泛的顏色。Fraunhofer的研究人員開發了一種名為(wei) “BlackValue”的雷達相機分揀係統，該係統可以識別和分類黑色的rCPET和CPET食品托盤，以及所有其他顏色的塑料，可以實時、大量地在下落的瓶片[1]流中進行分揀。

成核劑加快了塑料的結晶速度，使成型的rCPET托盤在烤箱中安全使用: 它們(men) 的形態在200°C下保持穩定至少20分鍾。此外，成核劑在熱成型過程中也是控製結晶過程的關(guan) 鍵，提高了熱成型塔板的生產(chan) 穩定性。

格諾斯 MRS擠出技術符合世界各地食品安全監管機構的要求，包括FDA、EFSA、Invima、Senasa、Anvisa的熱灌裝應用和室溫儲(chu) 存。同樣，Sukano的rPET添加劑適用於(yu) 食品級聚合物，確保rCPET單膜適用於(yu) 與(yu) 食品直接接觸的包裝。

由於(yu) 在較高的微波和烤箱溫度下的有害物質轉移的風險增加， rCPET食品托盤的板材通常有複合功能屏障層，由原始材料製成的，防止板材中的汙染物轉移。同樣，在食品托盤生產(chan) 的後階段，Illig公司的熱成型係統也符合嚴(yan) 格的衛生要求，他們(men) 有針對衛生清潔生產(chan) 的綜合清潔概念。

在聯合係列試驗中，格諾斯首先從(cong) 一批APET瓶片中生產(chan) 了一張不含添加劑的薄片作為(wei) 對照樣品。然後是四個(ge) 單分子膜，通過重量計量添加不同濃度的添加劑。全部5個(ge) 樣品的尺寸為(wei) 寬530mm，厚0.5mm。

在板材擠壓過程中，在線粘度計監測熔體(ti) 粘度，如預期一致，隨著IV增強劑的添加而增加(表格1)。然而，在0.01 dl/g時，與(yu) 表3相比，表4的特性粘度(IV)的增加不太明顯，而IV增強劑劑量的進一步增加使特性粘度增加了0.10 dl/g，達到0.83 dl/g(表5)。後續試驗需要解釋低劑量時候的意料之外的低效果。

對於(yu) 托盤的生產(chan) ，需要一個(ge) 多維輻射加熱器，就像Illig在熱成型機隧道加熱器中使用的一樣。多維輻射加熱器是必要的，因為(wei) 結晶的PET片隻能在橫向和縱向控製精度區域內(nei) 進行溫度控製。工具技術也是專(zhuan) 門為(wei) PET工藝設計的兩(liang) 步成型工具，在一步驟是成型工具內(nei) 腔壁加熱(Tg < Ttool cavity wall < Ts)，第二成型工具內(nei) 腔壁(Ttool cavity wall < Tg)冷卻，其中Tg為(wei) 玻璃化轉變溫度，Ts為(wei) PET的結晶熔融溫度。在一階段，托盤成型，接受熱能，通過接觸加熱的工具腔壁進行充分的結晶。該工具打開，預成型托盤被運輸到具有冷卻的工具腔壁的第二腔中。該工具關(guan) 閉，在第二成型步驟中，塑料在與(yu) 冷卻的工具腔壁接觸下變硬，在結晶過程完成時保持其形狀——成為(wei) 能安全應用在烤箱中的托盤。

在這五種材料板類型中，Illig在他們(men) 的IC-RDK 80熱成形機上使用帶有2 + 2個(ge) 空腔的內(nei) 部測試工具生產(chan) 食物托盤。在整個(ge) 係列試驗過程中，兩(liang) 步成形工藝的第。一個(ge) 工具腔加熱至160℃，第二個(ge) 工具腔溫度控製至20℃。隻有一個(ge) 的例外是材料1, 樣本材料1由100%瓶片製成,其中成形工具是溫度控製到20℃。本機上下加熱溫度設置在245 ~ 290℃之間。所有其他工藝參數保持不變。

成型塔板的清晰度水平是一個(ge) 重要的質量指標，由成型塔板表麵的真空孔所產(chan) 生的可見壓痕來衡量。與(yu) 熱成形相比，熱成形rCPET的成形精度隨熱添加量的增加而降低。這是因為(wei) 隨著結晶度的增加板材的粘度隨之增加。這意味著，一個(ge) 成型良好的托盤可能是一個(ge) 低水平的結晶指標，熱穩定性差。因此，在製造rCPET食品托盤的材料板過程中添加添加劑時，必須在成型精度和熱穩定性之間達到一個(ge) 健康的平衡。

從(cong) 表2中可以清楚地看出，材料卷2、3和4在定義(yi) 上幾乎沒有什麽(me) 區別。在270℃上下加熱器溫度後，結晶次序似乎降低了成型結果。5號樣品的rCPET食品托盤在選定的溫度下成型。PET瓶片含量為(wei) 92%，與(yu) 成核劑相比，5號樣品的PET生成率低。

在Illig公司的包裝實驗室，烤箱測試在200°C進行了20分鍾。第。一個(ge) 測試後立即進行熱成型，第二個(ge) 測試在室溫22°C中存儲(chu) 了18個(ge) 小時，以確定是否有所不同。如果有的話,可能是由過析晶導致。然而結果證明，隻有微不足道的不同，因為(wei) 沒有發現任何差異。

由樣品片材(沒有添加劑的APET)製成的熱成型食品托盤，沒有預期的熱穩定性差，視覺上沒有差異。對比添加添加劑的食品托盤，在上、下加熱器溫度均為(wei) 270℃時，所有食品托盤均具有較高的尺寸穩定性。材料輥5形成的食品托盤外觀為(wei) 啞光，這可以用成核劑濃度太高來解釋(圖6)。

顯然，隨著成核劑比例的增加，食品托盤的熱穩定性也會(hui) 增加。這種效應在上、下加熱器溫度均為(wei) 270°C時尤為(wei) 明顯(圖7)。

結論：存在加工製造高質量的終端產(chan) 品的可能性

根據客戶的要求，從(cong) Sukano中濃縮5%的成核劑可能已經足以從(cong) 以前的低價(jia) 值APET瓶片中獲得高質量的烤箱安全rCPET食品托盤。此外，隨著rPET-IV增強劑的比例增加，食品托盤的抗衝(chong) 擊能力也會(hui) 增加，這表明熱成型rCPET容器在製冷和冷凍領域的高質量應用潛力。

隨著對再生塑料粒子的需求不斷增長，為(wei) 了滿足終產(chan) 品的低再生含量要求，可獲得的透明再生PET越來越少。利用多色PET瓶片的行業(ye) 之一是捆紮業(ye) ，把PET瓶片變成包裝捆紮。多色PET瓶片用於(yu) 此目的的原因之一是在食品安全法規方麵沒有限製。市場上有大量的彩色PET瓶片，但目前使用的容量有限。該聯合開發項目考慮了經濟、法律和技術要求，並證明將多色APET共混物循環利用到新的高質量產(chan) 品中確實是可能的。

升級循環而不是降級循環——將回收塑料升級為(wei) 食品級rCPET在技術上輕鬆實現，*PET回收係統的空白。熱穩定良好的rCPET食品托盤作為(wei) 高質量的終產(chan) 品隻是眾(zhong) 多可能的應用之一。