树脂的干燥

干燥原因

聚合物干燥的原因,为什么干燥对塑料很重要,以及保证材料被充分干燥的关键因素。我们会谈谈湿气,它的来源以及多大合适,多大不合适。我们还会谈到干燥速率和干燥器的效率。 我们从塑料中的湿气从何而来,以及为什么要关注干燥开始讨论。理由是,塑料在成为塑料零件到达你们手中之前的一段时间里会吸收湿气。这段时间包括:材料生产时,从我们的工厂运输到你的仓库和工厂时,还有材料存放在你的仓库时。所有这些时间里,塑料都暴露在空气中的湿气里。为了生产高质量的零件,我们必须除去湿气以确保塑料颗粒被充分干燥。 如果你没有充分除去湿气,塑料粒子将表现不出它们应有的性能。湿气对外观和性能都有影响,另外还会导致加工过程中严重的不稳定性。 来看看外观。如果材料在注塑加工过程中未经充分干燥,零件常会出现一些银纹,一般被称为”裂纹”或”银纹”。

微观来看,它实际上是由加工时被阻截在熔体中的一系列很小的气泡。这些小气泡是由加工时塑料里的湿气变为蒸汽而形成的。接着在物料进入模腔时小气泡迁移至零件表面。如果物料被很好地干燥,那么零件看起来将更像这张图片左边的零件,完全没有银纹,也完全没有不美观的瑕疵。 除了美观方面,另一个问题就是它们确实会对材料性能产生影响。蒸汽聚集在一起并在零件内部形成气泡而常常使零件产生气孔。

另外还会出现分子量的降低,我们称之为水解。 基本来说,蒸汽也就是湿气,在注塑成型过程中的压力和温度作用下将会像分子剪刀一样,靠近并开始剪碎我们希望得到的长链聚合物分子。由于聚合物的许多性能是通过这些长链分子相互缠绕而得,那么水解的发生和分子链的缩短的确会给塑料性能带来负面影响。这一影响不是水能单独产生的,在已成型的零件中不必担心水解的发生。像我们在注塑成型过程中看到的一样,只有在水、温度和压力都存在时它才会发生。所以如果零件是用干燥材料制得,就不必担心会发生水解。 性能损失常常发生,制造塑料时所得的长链高分子以及分子间的缠结给与聚合物许多机械性能。如果将这些长链切成一段段短链,它们就不能很好的缠结在一起。这会引起分子量降低或者说分子链缩短,从而降低材料性能。一般的,首先受影响的性能是抗冲击性。当分子链不能缠结,零件会变得脆得多,这常常是首先失去的性能。还有其它一些性能会受到负面影响。我们时常观察到物料流动变得容易。未干燥的物料流入模具会变得容易,这是因为短链分子比长链分子更易流动。

含湿量

我们接着讲如何干燥聚合物。首先先稍微谈谈含湿量,然后是干燥速率和干燥器的功效。 塑料粒子将从周围空气里吸收湿气。空气中总是含有湿气的,这些湿气会迁移到热塑性塑料粒子里。

塑料从大气里吸收一定量湿气,这在一定程度上取决于与材料接触的空气所提供的湿气的含量。 空气中含有的湿气越多,材料所处的环境湿度越大,塑料粒子里的湿气也就越多,并且它还会继续吸收湿气直到与周围空气达到平衡。 对塑料原料干燥可以除去塑料粒子里的湿气 如果我们把塑料粒子暴露在干燥的空气里,它会再一次试图与周围空气达到平衡,此时湿气就会溢出塑料粒子。我们干燥物料,希望它和周围空气能再一次达平衡。 我们如何定义塑料的含湿量,这里有4个主要因素,通常还有第5个来定义树脂含湿量。首先树脂类型非常重要,它决定湿气如何被吸收。第二,空气里的湿气含量;第三是空气温度;第四是暴露在空气里的时间;另外还有空气流量。干燥器里每分钟每立方英尺的空气流量尤其重要,虽然重要性可能不如湿气如何进入物料这一因素,但它会对干燥时湿气如何排出塑料产生很大影响。 让我们从聚乙烯开始来谈谈不同树脂的吸湿性。聚乙烯亲水性很低,因此,一般来说,聚乙烯与其它通用树脂,如聚苯乙烯和聚丙烯,加工前不需干燥。由于分子的固有结构,它们并不吸收很多湿气。另一方面,聚碳酸酯会从周围大气中吸收部分湿气。加工时聚碳酸酯也容易吸收湿气。它往往比其它原料更易发生水解反应。另外,尼龙就象海绵。只要有机会它就会吸收大量湿气,而且从尼龙中去除湿气非常困难。 当然,树脂含湿量不仅受树脂类型影响,而且也受塑料类型的特定等级影响。以ABS为例:ABS种类很多。在这张图片里,中间黄色的区域代表通用等级的ABS含湿量对相对湿度曲线;底部的蓝线表示透明和可膨胀等级的ABS;顶部的绿色区域指的是耐高温等级。干燥条件也应随树脂等级的不同而不同。 天气情况对你得到的塑料里湿气的多少起主要作用。我们周围空气里的湿气含量以两种不同方式定义。相对湿度是常见的定义。另一个在塑料行业中用得更多的是测量原料的露点。 湿度是空气中湿气的度量。如图所示,在非常潮湿的环境里,木头往往会膨胀并增大,使得这扇门很难打开。在非常干燥的环境下,同一扇木门将会收缩,使得开和关更容易。 相对湿度实际上定义为,在指定温度下,空气中含有的湿气与空气可容纳的最大湿气总量之比的百分数。24℃下,例如在沙漠环境里,一定体积的空气含很少量湿气,那么相对湿度是20%。当空气的相对湿度达到100%这一点时,意味着空气容纳了这一温度下允许容纳的全部湿气。此时湿气开始凝结并落下,我们称之为雨。这是在100%相对湿度时产生的。 如上一张图片所示的,改变空气湿气含量,或者如这张图片所示,改变空气温度,都可以改变相对湿度。一定体积的空气里含有一定量的湿气,通过升高温度,你可以改变空气的容水能力,从而这一体积空气里的湿气与最大容水量之比的百分数就减小了。因此,改变温度同样可以改变相对湿度。 湿气可以从空气里凝结出来,也就是相对湿度为100%时的温度,我们称之为露点。非常干燥的环境下,露点可能是1℃。中等湿度的环境下,湿气含量中等的空气里,水可能在12℃凝结。湿气越多,开始凝结的温度也就越高。当空气中所含的湿气达饱和时,空气的温度和露点就是同一回事。当相对湿度为100%时的温度,这就是材料的露点。 在这儿,让我们来谈谈塑料粒子的湿气吸附。露点越高,空气里湿气越多。所以如果运输塑料粒子的卡车是穿过沙漠将它们运送给你的话,与它们接触的湿气含量就低,它们到达时含有的湿气可能就少一些。如果塑料粒子是在雨林里,如屏幕右端所示,露点为24℃或以上,那么它们所含的湿气就可能比穿过沙漠的那些多。 因此我们再一次讨论这个平衡点,塑料粒子不断与周围空气交换湿气直至达到平衡,此时塑料粒子中含有与周围空气同样的湿气量。 接着,如果我们改变空气的露点或改变塑料周围空气中的湿气含量,我们就可以影响塑料粒子的含湿量。空气里湿气越多,塑料粒子吸收的就越多;空气里湿气越少,塑料粒子吸收的就少。然而吸收速率,即塑料粒子吸收或释放湿气的快慢,则取决于空气温度,而不是露点。 那么我们再来看看这儿的温度和时间的关系…温度增高会提高湿气进出塑料粒子的速率,进和出的速率都提高。

测定含湿量我们可以采用几种不同的方法。测试方法有:Carl Fisher测试法,Thomas Eddie测试法和TV测试法。湿度测试仪的价格随厂家不同而不同。如果你确实严格遵照既定的干燥速率和塑料生产商推荐的干燥条件,那些干燥速率,干燥方式的确定都带有确保合适干燥的意味,所以如果你严格遵照指定的干燥速率和流程,那么干燥物料后就会得到合适的树脂含湿量。

干燥速率

现在我们来讲讲干燥速率。 影响塑料干燥的变量有: 空气含湿量、树脂种类、干燥温度、干燥时间还有空气流量。这些都影响塑料的干燥。 塑料释放湿气的时间比吸收时间长。

如果你让塑料吸收湿气,它们将沿着图标的曲线达到平衡点。但从塑料里除去湿气会困难一点,因为我们通常需要为此提高温度。接着如果你将物料从高温的干燥器里取出,塑料粒子将开始再次更快地吸收湿气,比初期在箱子里和运输时快得多,因为此时不是在室温下了。要逆转吸湿过程,你必须确保含湿气的塑料暴露在干空气中的时间足够长以使含湿量从最大值降下来。最大含湿量可以是任何值,这取决于塑料。有些塑料可能是0.8%,有些可以是2,3%。甚至含湿量可高达7 ,8%。 我们需要塑料达到”合格线”。对许多工程树脂,这指的是0.02%的含湿量。这一”合格线”指的是某一给定的树脂在加工为具有良好外形和性能前必须被干燥到的推荐湿度水平。在一定程度上,”合格线”确实随塑料而变,但你如果用0.02%这一数值就不会有太大误差。 数据表指出你一定要使用例如露点为-30ºC或以下干空气。数据表同时还指明你应当在什么温度下干燥物料,以及干燥物料的最短时间,通常还有一个最长时间。 我们怎样保证得到干空气呢?我们通过检测露点并确保它至少低于-30ºC。如果露点温度不低于-30º C,就可能不能达到”合格线”。 这儿有一些种类已知的塑料干燥标准样本。请注意这些值并不是绝对的。干燥温度随塑料种类和等级而变。干燥时间同样随种类和等级而变。请注意重研磨颗粒的存在必需干燥更长的时间,因为重研磨颗粒的表面积比原来塑料粒子的表面积大,去除重研磨颗粒里的湿气也就要更长时间。因此,如果混有重研磨颗粒,通常在原本要求的干燥时间的基础上再加一至两小时就够了,但唯一可以绝对确定的方法是在干燥前对你的塑料用烘干法测定湿气。 这张图片显示的是聚酯的典型干燥曲线。橙色曲线是我们针对聚酯推荐的,在120ºC下干燥时间与含湿量的关系,露点为-30ºC。我们推荐干燥时间是2-4小时。 如果在正确温度下干燥物料,时间太短,树脂无法充分干燥。时间过长,又可能使树脂热降解而不是过干。一旦达到”合格线”,你便可以充分地除去树脂里的湿气,也不会导致加工过程出现问题。相反,你干燥过长时间,非但不会对加工带来好处,反而会让物料降解。

如果我们让物料在过低温度下干燥,最常出现的问题是树脂没有被充分干燥。如果你让物料在过高温度下干燥,可能会出现降解现象,或更普遍的是,得到我们称为Texas塑料粒子的产品。如果干燥时间太短,物料极可能没得到充分干燥。如果干燥时间太长,由于长时间暴露在高温里,物料实际上可能已经降解的危险性就高。

干燥器效率

让我们来讨论干燥器效率。 如果我们正确地干燥物料,由于加工前湿气被去除,加工稳定性会被改善;所以就不会产生塑料粒子分子量降低和流动速率不同等等现象。干燥的另一作用是在物料进入注塑机前对其预热。因此干燥或把物料放在干燥器里很有好处,哪怕物料已被干燥过。 干燥器种类很多,用途也不同。我们从烘箱干燥器开始谈。它们对小批量生产非常有效。料斗干燥器更适用于长时间的生产环境。 在料斗干燥器里,我们有一系列不同的干燥器,包括热风干燥器,冷凝/冷却干燥器和除湿干燥床。 热风干燥器从周围引入空气,鼓风机使之通过加热器,然后再通过塑料粒子。它能够除去空气中部分湿气是因为通过加热,我们可以提高空气吸收湿气的能力。 冷凝干燥器与热风干燥器类似,我们让空气首先在冷凝管里绕行,使湿气在通过鼓风机和加热器之前就被除掉一部分。这种干燥器的问题是,一旦冷凝管降到0ºC或以下,空气里的湿气就会结冰,而这里空气的实际温度不会达到0ºC,从冷凝管出来的空气的露点也不会比0ºC低。 露点被冷凝管温度限制而不会降到0ºC以下。热风干燥器我们能得到的最好的是16ºC的露点;冷凝式干燥器是2ºC左右的露点。而要达到”合格线”我们需要至少-30ºC的露点。因此热风干燥器和冷凝干燥器都是不够的。 我们推荐干燥床,因为这确实可以将空气干燥至指定的露点。大部分这种干燥器都可以在近-40ºC下运行,所以你可以制得非常干的空气。它们将空气加热到你设定好的任何温度并提供必要的空气流量。这些是在一个闭合回路体系里完成的。 这种干燥器工作的方式是干燥器内部有一个带干燥粒子的干燥筒。潮湿空气从筒一端进入,在力的作用下通过具有强烈亲水性的干燥粒子,干燥粒子将空气里的湿气吸取出来。接着干空气离开筒,穿过加热器再到达加料斗的塑料粒子里。 这是有关干燥过程的另一张图解。16ºC露点的空气流过干燥床。干燥床吸收空气中的绝大部分湿气,使露点降到-30ºC或更低。这就成为了流经塑料的干燥空气。 这张图片展示了关于干燥体系工作情况的图表。空气流过干燥床,再向下流过位于幻灯片底部的空气加热器,接着顺着管道向上,进入放置塑料粒子的料斗。然后空气从料斗顶部排出,经过过滤器和鼓风机,再循环通过干燥床。 就这样,空气沿着这一路径不停地循环。干空气被加热并流过例如聚碳酸酯树脂,把塑料粒子内的湿气吸取出来,需要3-4小时。然而最终干燥床会饱和。 这些是在闭合回路体系里完成的。从料斗顶部回收的空气通过过滤器和鼓风机,接着回流到干燥床。一旦干燥床里的湿气太多而无法维持-30ºC的露点时,阀门,像我们在这看到的,就会旋转,我们就能使用第二个干燥床了。大部分干燥器都至少有两个干燥床,有时更多。如今事实上一些干燥器配有连续的干燥床,那样就能持续更换。 换上第二个干燥床后干燥过程重新开始。空气流经新干燥床的同时,潮湿的一个被加热到非常高的温度来活化。这温度通常是100, 200, 300ºC。湿气被驱除出去从而干燥床被再活化并准备好。它们被准备好的同时另一干燥床开始被干燥。 还有明白这一点也很重要:进入干燥床的空气通常在80ºC这个最高温度左右。因此如果干燥塑料,例如在150ºC下干燥ULTEM材料,回流空气的温度很可能就会高于80ºC,所以你需要在系统里安置一个冷却器,在回流空气进入干燥床前把它的温度降下来。测量料斗入口处的空气温度也很重要。我们建议材料的干燥温度是90ºC或100ºC,这是进入料斗的空气温度,也是要测定的关键点。测量离开料斗空气的温度也很重要,如果离开料斗的空气温度与进入料斗的空气温度之间有大于10-20o的增量,这就是空气流量不足的标志。料斗里的空气流量不足,冷却就会太多。对每一小时一磅的加料量来说,气流量应当为1CFM。

料斗的构造对确保防止塑料粒子架桥现象很重要。如果你没有分散器,我们建议像这样在料斗底部安装分散器。因为分散器使气流平稳,保证空气平行地向上流过料斗,这样塑料粒子就会像这里我们看到的一样平行运动,沿着料斗向上流的气流也会平稳。如果没有分散器,你将会看到架桥现象,就是热空气从干燥器入口处进入,不经铺展直接沿着料斗向上流动,导致塑料粒子从料斗中部下落比沿料斗壁边下落得快,那么它们运动就不同步,整个过程就有物料干燥不均匀一致的危险。

料斗直径与高度之比应为2:1的长宽比。干燥器的高度不应超过其直径的两倍,如果太高,底部物料太重,结块的危险性增加。如果太宽,确保空气流动和塑料粒子落下的平稳性就会有问题。 总之,你需要经常检测露点和进入料斗空气的温度。测量回路的空气不超过-10ºC。对每一小时一磅的加料量来说,维持适当的空气流量在1CFM。如果使用了重研磨颗粒,由于颗粒表面积增大,记住加上1-2小时的额外干燥时间。最后,确定你的干燥床被再活化。确保你的干燥器在常规的预防性措施下正常工作。 计算足够的干燥时间:每批重量乘以循环时间,得到生产量。例如,一个1lb的零件,30秒一个循环,就是说每分钟加工2lbs,或每小时120lbs的生产量,然后用每小时120lbs,乘上干燥时间(大部分塑料的干燥时间为4小时)就得到了推荐料斗尺寸。在这个例子里,120 lbs的生产量和4小时的干燥时间,就意味着你需要容量至少为480 lbs的料斗。这个480 lbs的容量是在假设你不停的往加料斗里加料的前提下得到的,而这不太可能。所以为了操作每小时120 lbs.的进料量,你可能需要容量为600-700 lbs.料斗。

※ 以上数据并不包含所有情况,因此其内容并非能完全适用于客户的实际注塑情况,引用时请客户作最终判断。敬请注意!