Сухие концентраты для окрашивания полимеров: типы, выбор носителя, оборудорувание для компаундирования

Тема: Технологии

Производство концентрата

При производстве концентратов используют различные дисперганты и увлажняющие агенты. Эти, а также другие ингредиенты, определяют соответствующие технологии производства концентратов. Детально каждую технологию описать не возможно, однако наиболее важные моменты, которые необходимо принимать во внимание, заключаются в следующем. Процесс увлажнения определяется относительным поверхностным натяжением пигмента и полимера. Твердые пигменты имеют очень высокое поверхностное натяжение, и увлажнить их поверхность полимером не так-то просто. Для облегчения увлажнения пигменты, предназначенные для окрашивания полимеров, обычно дробят на мелкие частицы, повышая таким образом площадь их поверхности. Как правило, пигменты, предназначенные для окрашивания других (неполимерных) материалов, имеют меньшую площадь поверхности и при использовании их для окрашивания полимеров обнаруживают худшую окрашивающую способность; в особенности это справедливо для органических пигментов. Таким образом, при производстве концентратов необходимо соблюдать баланс между хорошим диспергированием концентратов и эксплуатационными свойствами окрашенного полимерного изделия. Для снижения поверхностного натяжения (и возможности переработки полимера) полимер нагревают до высокой температуры, при которой он переходит в состояние расплава. Колоранты должны при этом обладать достаточной термостойкостью.

Многие органические пигменты при нагреве могут расплавиться, особенно если их содержание невелико. Это плавление может быть вызвано плавлением полимера или появлением продуктов разложения, образующихся под действием температуры и деформаций сдвига. Независимо от причин, плавление колорантов может привести к возникновению проблемы миграции и изменения цвета. Красители, использующиеся для окрашивания полимеров, также должны быть нагреты до температуры, превышающей их температуру сольватации, для распределения частиц красителя в объеме полимера. Использование увлажняющих агентов может вызвать дополнительные проблемы, связанные с растворимостью красителей, что может заставить технолога искать различные ингредиенты для каждого из подобранных цветов.

Окрашивание полимеров

При использовании концентратов следует помнить, что на результат окрашивания полимера могут повлиять любые добавки. Если концентрат смешивается с полимером, а затем смесь непосредственно поступает в узел загрузки перерабатывающего оборудования, очень важно, чтобы размеры частиц или гранул полимера и концентрата были близки. В противном случае частицы концентрата будут отделяться от частиц полимера при вибрации оборудования, и через дозатор будут поступать различные по составу порции полимера и концентрата. В особенности это явление характерно для частиц концентрата кубической формы, которые смешиваются с частицами полимера в определенном соотношении и в таком виде поставляются производителю полимерных изделий. Впрочем, проблемы, возникающие в загрузочном узле, не относятся к частицам смеси различных материалов, имеющим одинаковый размер. Так, в смеси стеклянных волокон, имеющих длину до 0,75 дюйма, с гранулированными частицами концентрата высотой около 0,75 дюйма, обеспечивается полная совместимость ингредиентов.

Если колорант поступает в загрузочный узел перерабатывающего оборудования отдельно от полимера (например, через другой загрузочный узел), необходимым требованием является однородность размера и формы частиц в различных партиях колоранта. В идеале для повышения распределения частиц пигмента и снижения уровня необходимого дистрибутивного смешения, частицы окрашивающего агента должны иметь как можно меньший размер и быть размолоты, по возможности, более тонко. Некоторые производители концентратов даже патентуют размер и форму частиц концентрата, что имеет особое значение при малых скоростях подачи концентрата в загрузочный узел.

Распределение или дисперсия?

При производстве концентратов задачей технолога является обеспечение хорошего диспергирования колоранта и составление такой композиции, которая реализует высокую цветоотдачу концентрата. При успешной работе технолога будут производиться полимерные изделия с минимальным количеством брака в виде комков, неровностей, слипшихся агломератов или цветовых прожилок. Распределение концентрата является ключевым моментом получения качественного окрашенного изделия, за которое отвечает и производитель концентратов, и производитель полимерных изделий. При адекватной цветоотдаче концентрата технолог должен быть в состоянии повторить ее в условиях хорошего распределения. Усилия, предпринимаемые по уменьшению стоимости производимой продукции, не должны приводить к ухудшению распределения частиц колоранта. Иногда изменения в технологии кажутся незначительными, а на конечной стадии производства концентрата — нарезке — может обнаружиться его низкое качество. Изменение скорости подачи окрашенного расплава полимера в форму или скорость загрузки гранулированного материала могут приводить к проблемам ухудшения распределения, которое не является недостатком концентрата или его производителя. Все возникающие проблемы должны рассматриваться и решаться в совокупности.

Цветоотдача

Теоретически чем выше содержание колоранта в концентрате, тем меньшее количество последнего (то есть меньшее отношение концентрата к полимеру) необходимо для получения окрашенного полимерного изделия. Однако при меньшем содержании концентрата предъявляются повышенные требования к распределению его частиц: необходимо качественное дистрибутивное смешение на перерабатывающем оборудовании. Закон убывающей доходности справедлив в отношении концентра тов для окрашивания, так же как и для многих других явлений (закон убывающей доходности — экономический закон, гласящий, что сверх определенных значений факторов производства (земля, труд, капитал) увеличение одного из этих факторов не обеспечивает эквивалентный прирост дохода, т. е. доход растет медленнее, чем фактор. Иначе говоря, закон убывающей доходности отражает связь между выпуском дополнительной продукции и изменением одного фактора производства при неизменном объеме других факторов).

В некоторых случаях отношение концентрата к полимеру может достигать 1:300, то есть одна гранула концентрата должна быть расплавлена и равномерно распределена среди 300 гранул полимера. Это, безусловно, трудная задача. Предположим, что достигается 100%-ная цветоотдача, а концентрат на 95% состоит из колоранта, то есть содержание пигмента составляет 0,316%. Для красителей и некоторых сильно окрашивающих органических пигментов такое содержание колоранта вполне разумно, однако для большинства колорантов их содержание должно быть не менее 0,5% для получения устойчиво¬го состава, как для надежного окрашивания полимера, так и для возможного сдвига цветового тона при температуре переработки, превышающей номинальную. В большинстве случаев идеальное распределение частиц колоранта не достигается. Окрашивающие составы обычно не содержат сильных окрашивающих пигментов и красителей, поэтому необходимо их более высокое содержание в концентрате.

Содержание колоранта в готовом изделии и концентрате

Обычно окрашенное полимерное изделие содержит от 0,5 до 2% пигмента. Если необходимо непрозрачное окрашивание и(или) выполнение требований повышенной светостойкости, может потребоваться до 5% пигмента. Чем выше содержание колоранта в готовом изделии, тем ниже должно быть отношение полимер/колорант. Это отношение выражают двумя способами: например, 4/100 или 25:1; оба означают номинальное содержание колоранта 4%. 50%-ное содержание колоранта в концентрате при отношении 25:1 приводит к содержанию колоранта в готовом изделии на уровне 2%. Тот же концентрат, использующийся в отношении 10:1, приводит к содержанию колоранта в готовом изделии на уровне 5%.

Концентраты со специальными эффектами

Некоторые специальные эффекты, такие как имитация под мрамор или крапчатый эффект, легко достигаются с использованием концентратов; при этом количество концентрата должно соответствовать типу перерабатывающего оборудования. Исключением являются фосфоресцирующие и металлические пигменты. Алюминиевые хлопья очень чувствительны к деформациям сдвига при смешении, а при изготовлении концентратов необходимо высокоинтенсивное смешение. Фосфоресцирующие пигменты должны добавляться в достаточном количестве, и отношение пигмент/полимер становится нереальным. Прозрачная или полупрозрачная окраска довольно легко может быть достигнута с использованием концентратов. Их содержание должно быть достаточно высоким для хорошего распределения частиц колоранта до плавления в перерабатывающем оборудовании. Многие из прозрачных полимеров, имеющих характерный желтоватый цвет, требуют «закрашивания» естественного тона, поэтому перед окрашиванием необходимо предварительно выяснить, какой полимер будет использован.

Джозеф Кэмерон
«Производство окрашенных пластмасс», издательство НОТ