ГЛАВНОЕ

Союз переработчиков пластмасс

ПОЛИМЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ: газета, купить и продать оборудование, цены на полимеры, изделия из пластмасс, книги, маркетинг, вакансии
стать партнером

Медиаплан 2020

СТАТЬИ И ОБЗОРЫ

Типы концентратов для окрашивания полимерных материалов

| Тема: Сырье

 

типы концентратов Концентрат для окрашивания полимеров состоит из полимера (основа), колоранта и специальных добавок. Последние могут быть введены в полимер двумя путями. Первая возможность — введение добавок в концентрат; такой способ предпочтителен, если содержание добавок невелико. Если содержание добавок значительно (например, наполнители, концентрация которых достигает 60%, или замедлители горения), их следует вводить непосредственно при производстве полимерного изделия.

Известны три вида агрегатного состояния вещества: газообразное, жидкое и твердое. Колоранты в газообразном состоянии не существуют; следовательно, для окрашивания полимеров могут быть использованы концентраты либо в жидком, либо в твердом состояниях. Концентраты в твердом агрегатном состоянии могут быть как в порошкообразной, так и в гранулированной форме.

Каждый тип концентратов обладает характерными свойствами, присущими агрегатному состоянию, которые следует учитывать в процессе окрашивания; в противном случае это может привести к производственному браку.

Для окрашивания термопластичных полимеров (термопластов) используют все три типа концентратов, хотя многие производители предпочитают гранулированную форму. Два другие типа концентратов, жидкие и порошкообразные, используются реже, в основном, производителями, специализирующимися на этих типах смесей.

Для окрашивания термоотверждающихся полимеров (реактопластов) используют концентраты только в жидком и порошкообразном видах. Обычно термоотверждающиеся полимеры содержат два жидких компонента: реакционно-способный и отверждающий. После их смешения образуется сшитый (сетчатый) полимер, который затем не может быть переработан термопластическими способами. По этой причине лишь один из двух компонентов должен быть окрашен перед смешением; как правило, колорант вводят в отвердитель, поскольку последний обычно инертен. Использование жидких концентратов предпочтительнее, поскольку они легче смешиваются и удобнее в обращении; кроме того, окрашенное связующее может являться отвердителем как, например, в эпоксидных смолах. Сшивание жидких лаков зависит от того, является ли система многокомпонентной или однокомпонентной. Однокомпонентный лак отверждается путем влагопоглощения. Выпускаются два типа однокомпонентных лаков: в виде уже окрашенной системы либо в виде жидкого концентрата, добавляемого в систему непосредственно перед использованием. Выбор системы зависит от ряда условий, главным из которых является химическое строение компонентов лака. Однако в обоих случаях концентрат ни в коем случае не должен содержать влагу для предотвращения преждевременного сшивания (в однокомпонентной системе) или слишком быстрого сшивания (во время смешения лака с концентратом).

Скорость сшивания термоотверждающихся полимеров можно варьировать в широких пределах путем замены колорантов, поскольку последние далеко не всегда химически инертны. Они могут как ускорять, так и замедлять сшивание, поэтому правильный выбор колоранта очень важен. Другая возможность при замене колорантов - слегка изменить композицию реактопласта. Такой способ не всегда бывает успешным, но, по крайней мере, приводит к изменению оттенка цвета.

Для окрашивания эластомеров используются те же принципы: колорант должен быть введен в систему до ее переработки в изделие, поэтому для окрашивания этих типов полимеров используют лишь жидкие или порошкообразные концентраты.

Гранулированные концентраты (маточные смеси)

Гранулированные концентраты, или маточные смеси, в настоящее время считаются наиболее предпочтительными для использования, что отражается большим объемом их продаж на рынке. Гранулированные концентраты содержат следующие компоненты:

  • полимер (основа);

  • колорант;

  • диспергирующий агент;

  • добавки, если это необходимо (стабилизаторы, центры кристаллизации, антистатики и т. д.).

Концентрация перечисленных компонентов зависит от требуемой интенсивности цвета и (или) кроющей способности колоранта. Для реализации очень интенсивного цвета и хорошей кроющей способности необходима высокая концентрация колоранта (до 50%) при содержании полимера 40-45% и содержании диспергирующего агента 5-10%. Если в маточную смесь необходимо ввести добавки, то это становится возможным лишь за счет снижения концентрации колоранта. В настоящее время имется широкий выбор набора добавок, уже введенных в маточную смесь. Выбор между введением добавок в маточную смесь или смешением двух различных маточных смесей определяется экономическими соображениями.

Для придания пастельных оттенков и (или) прозрачности окрашенного изделия достаточно ввести лишь несколько процентов колоранта в маточную смесь, особенно при использовании колоранта с высокой интенсивностью цветового тона. В результате получим очень низко концентрированную маточную смесь. В этом случае уже не концентрация колоранта в маточной смеси определяет количество добавок, а технические причины. При очень малом количестве колоранта в маточной смеси трудно достичь гомогенности расплава полимера, поэтому при окрашивании полимера гранулированными концентратами используют минимальное количество добавок. Гранулы в маточной смеси обычно имеют 2-3 мм в длину и 1,5-2,5 мм в диаметре, их концентрация при окрашивании должна быть не менее 1%. Только при использовании гранул меньшего размера их содержание может быть ниже 1%, однако такие маточные смеси используют достаточно редко по экономическим соображениям. Таким образом, универсальных рекомендаций по концентрации колоранта в гранулированных концентратах не существует.

Производство гранулированных концентратов является многоступенчатым процессом, схема которого представлена на рис.1

схема производства гранулированных концентратов

Рис. 1. Схема производства гранулированных концентратов

Рассмотрим этапы производства гранулированных концентратов более подробно:

  •  Этап 1. Взвешивание и предварительное смешение всех порошкообразных компонентов состава.

  • Этап 2а. Гомогенизация порошкообразных компонентов в смесителе.

  • Этап 2б. Добавление гомогенной смеси к предварительно взвешенному полимеру и их тщательное смешение.

  • Этап 3. Экструзия смеси с использованием двушнекового экструдера, поскольку для полной дисперсии колоранта в расплаве полимера необходимы высокие скорости сдвига. Известны два типа двушнековых экструдеров: с вращением шнеков в одном и противоположных направлениях. Оба типа имеют как преимущества, так и недостатки. Выбор экструдера зависит от характеристик колоранта: очень твердые органические пигменты требуют высоких скоростей сдвига для полного диспергирования в расплаве полимера; поэтому экструдер с однонаправленно вращающимися шнеками предпочтителен для переработки концентратов, содержащих твердые органические пигменты, вследствие высоких скоростей сдвига. Пигменты, неустойчивые к сдвиговым деформациям, например, перламутровые, должны перерабатываться на экструдерах с противонаправленным вращением шнеков, реализующих более низкие скорости сдвига.

  • Этап 4. Гранулирование. Известны два метода гранулирования. Один из них -вытягивание охлаждающихся на воздухе струй окрашенного расплава, образующихся на выходе из экструзионной головки, охлаждение в водяной бане и нарезка. В результате получают гранулы цилиндрической формы. Другой метод - нарезка вращающимися ножами расплава экструдата непосредственно в момент, когда он выходит из экструзионной головки, с последующим охлаждением в водяной бане. В результате получают чечевицеобразные гранулы.

Наиболее предпочтительным считается метод получения гранул цилиндрической формы. Главное преимущество такого процесса - его быстрая перестройка, поскольку производство партий гранулированной маточной смеси - периодический процесс. Периодичность производства является следствием требований частой смены не только цветов, но и полимера. Размер таких партий может быть от 25 кг до нескольких тонн. Исключением обычно являются партии белого, черного и некоторых других «стандартных» цветов. Для получения таких маточных смесей обычно используют второй метод гранулирования.

Диаметр цилиндрических гранул обычно составляет от 1,5 до 2 мм, а длина - от 2 до 3 мм. Размер гранул зависит, с одной стороны, от диаметра фильеры экструзионной головки, с другой - от степени разбухания окрашенного расплава полимера. В зоне компрессии перед фильерой расплав полимера подвергается сжатию, и степень этого сжатия зависит от типа полимера, а также от концентрации колоранта и добавок в расплаве полимера. В момент, когда расплав выходит из отверстия фильеры, происходит его декомпрессия, и диаметр струи увеличивается. В случае небольшого сечения фильеры экструдера струя расплава уже не может быть более вытянута, в то время как при больших сечениях возникает проблема с нарезкой гранул. Полимеры, как известно, обладают низкой теплопроводностью, и поэтому внутри струи расплава материал не охлаждается, т. е. после прохождения через водяную баню он становится достаточно твердым, что затрудняет процесс нарезки.

Чечевицеобразные гранулы широко используются для производства многих типов окрашенных полимеров; они типичны для концентратов стандартных цветов: белого и черного. В таких маточных смесях концентрация пигмента достигает 60-75%, в то время как содержание полимера снижается до 15-25%. Такие высококонцентрированные системы (суперконцентраты) не могут быть гранулированы обычным образом, а лишь с использованием гранулятора, принцип действия которого заключается в следующем: расплав сжимается при движении через экструзионную головку быстрым потоком воды, а затем вращающиеся ножи нарезают выходящую струю расплава на небольшие кусочки. Скорость движения воды должна быть достаточно высокой, чтобы гарантировать полное отделение каждой гранулы, еще достаточно мягкой. В быстром потоке воды первоначально имеющие цилиндрическую форму гранулы стремятся принять фи¬зически более выгодную, сферическую, форму. С другой стороны, вода охлаждает поверхность гранулы. Оба процесса действуют в различных направлениях, и в результате получается гранулы чечевицеобразной формы. В последнее время процесс гранулирования был модернизирован таким образом, чтобы получать гранулы почти сферической формы, так называемые микрогранулы. Основным недостатком микрогранул является их высокая стоимость, а преимуществом - производство большого количества гранул на единицу веса по сравнению с обычными цилиндрическими гранулами. Такие мелкие гранулы могут загружаться с точностью менее 1% при непосредственной загрузке в пластицирующую зону экструдера. Тогда распределение микрогранул в расплаве полимера оказывается гомогенным, а появление прожилок цвета в готовом изделии маловероятно. При необходимости получения пастельных оттенков и (или) прозрачных цветов, концентрация колоранта в маточных смесях должна быть очень низкой, чтобы избежать появления цветовых прожилок при окрашивании. В этом случае использование микрогранул оказывается оправданным, поскольку маточные смеси, содержащие пигменты пастельных оттенков и (или) прозрачных цветов, должны быть более концентрированы по сравнению с обычной гранулированной маточной смесью. В связи этим интересно сравнить стоимость окрашивания полимера при использовании микрогранул и обычных гранул. Гранулированные маточные смеси дешевле в производстве, но требуют большего количества добавок; микрогранулы более дороги в производстве, но их расход при окрашивании существенно ниже.

Известны различные технические усовершенствования при производстве гранулированных маточных смесей. Одно из них - модификация распылительной сушки, которая используется для производства очень мелких гранул из водных суспензий. Мелкие гранулы, производимые распылительной установкой и (или) быстро вращающимся диском, высушиваются в потоке горячего воздуха. В результате получаются очень мелкие гранулы сферической формы, часто полые. Кроме водного раствора можно также распылять расплав, содержащий пигмент и связующее вещество, в потоке холодного воздуха. В этом случае также получают мелкие сферические гранулы. При использовании распылительной установки требуется расплав с низкой вязкостью, поэтому, вероятнее всего, олигомеры или низкомолекулярные смолы, а не полимеры, могут использоваться в качестве связующего вещества. Маточные смеси, полученные указанными способами, в настоящее время широко используются в промышленности при окрашивании полимерных материалов.

Гранулированная маточная смесь - один из самых дорогих видов концентратов для окрашивания ввиду больших трудовых затрат (многоступенчатость производства) и энергетических расходов (экструзия). Другим их недостатком является несовместимость полимеров при смешении. Поэтому рекомендуется использовать один и тот же вид полимера как для маточных смесей, так и для окрашиваемого изделия.

Иногда на рынке встречаются так называемые универсальные маточные смеси (пасты). В идеале предполагается, что полимерная основа таких смесей должна быть совместима с любыми другими полимерами. Однако практический опыт отрицает универсальность таких маточных смесей. Другим ограничением использования подобных смесей является тот факт, что не все колоранты могут быть использованы для окрашивания полимеров любого типа по различным причинам, таким как термостойкость, светостойкость, атмосферостойкость или, в случае жидких красителей, миграция пигмента в частично кристаллизующихся полимерах. Проиллюстрируем вышесказанное на примере окрашивания полиэтилена (ПЭ) и полиамида (ПА). Для окрашивания первого требуется большое количество колоранта, для второго - гораздо меньшее. Следовательно, для них нельзя использовать одну и ту же «унивесальную» окрашивающую пасту. С другой стороны, на практике иногда для окрашивания ПА используют специальные пасты на основе ПЭ, но лишь в том случае, если никакие специальные требования не ограничивают качество выпускаемого изделия. Для таких концентратов более удачным было бы название «ограниченно универсальные маточные смеси».

Жидкие концентраты

Состав жидких концентратов для окрашивания подобен составу гранулированных маточных смесей; основное отличие заключается в том, что в них вместо полимера как основы используется жидкое связующее. Помимо двух основных компонентов - связующего и колоранта - жидкий концентрат может содержать добавки, такие как стабилизаторы, центры кристаллизации, антистатики, наполнители и т. д. Типичными связующими являются эфиры жирных кислот, этоксилированные эфиры жирных кислот, парафиновое масло, пластификаторы, непредельные спирты, непредельные амины, этоксилированный спирт и другие компоненты. Перечисленные связующие используются по отдельности или в различных сочетаниях.

Выбор связующего зависит от типа окрашиваемого полимера или, в случае термоотверждающихся полимеров и эластомеров, от химического строения их жидких компонентов. Для окрашивания термопластичных полимеров в качестве связующего обычно используют (этоксилированные) эфиры жирных кислот или парафиновое масло, а для пластицированного поливинилхлорида — пластификатор. Для реактопластов преимущественно используют связующие, содержащие неподвижные реакционные группы на концах молекулы, поскольку, помимо сшивания, связующее также упрочняет полимер. Например, для эпоксидных смол обычно используют непредельные спирты и амины.

Производство жидких концентратов для окрашивания сравнительно несложно и представлено на рис.2.

Схема производства жидких маточных смесей

Рис. 2. Схема производства жидких маточных смесей

После взвешивания все компоненты смешиваются в связующем, предварительно диспергируясь, а затем подвергаются размолу. Строго говоря, это даже не размол, а полное диспергирование колорантов в связующем. Размол должен производиться без разрушения исходных частиц колорантов, так как это может привести к изменению цвета колорантов, поскольку известно, что интенсивность цвета и другие характеристики колорантов зависят от размера частиц. Поэтому колоранты, выпускаемые для продажи на рынке, измельчаются до стандартизированного распределения размеров частиц, определяемого заказчиком. Как правило, средний размер частиц диспергированного колоранта в жидких концентратах не должен превышать 10 мкм. Для размола можно использовать любой агрегат, предназначенный для работы с жидкостями и развивающий достаточные сдвиговые деформации.

Подобно другим типам концентратов для окрашивания термопластичных полимеров, жидкие концентраты имеют как недостатки, так и достоинства. Один из недостатков - высокая стоимость очистки оборудования при смене цвета, за исключением случая, когда жидкий концентрат дозируется непосредственно в зону пластикации экструдера. Однако главный недостаток заключается в том, что при концентрации колоранта, превышающей 1,5-2%, может возникать эффект «размазывания». Гранулы полимера, покрытые жидким концентратом, при движении от зоны загрузки к зоне пластикации пластически деформируются, т. е. необратимо меняют свою форму, что может привести к изменению цвета колоранта. Такая проблема может возникнуть при использовании колорантов с высокой интенсивностью цвета и высокой кроющей способностью для получения окрашенных тонкостенных полимерных изделий. В некоторых случаях окрашивание полимеров с использованием жидких концентратов становится невозможным.

Физической характеристикой любой твердой частицы является площадь удельной поверхности. Для органических пигментов эта характеристика лежит в пределах от 10 до 140 м2/г, хотя для неорганических пигментов с высокой поглощающей способностью, например, технического углерода (угольная сажа), или неорганического наполнителя, например, диоксида кремния, она может достигать 1200 м2/г. На величину площади удельной поверхности влияют прежде всего химическое строение вещества и распределение размера частиц. Поэтому при получении жидких концентратов количество связующего, в котором диспергируются колоранты или добавки, зависит от площади удельной поверхности каждого компонента и, как следствие, при фиксированном количестве свя¬зующего вязкость концентрата может быть различной. Подбирая колоранты и их количество для достижения требуемого цвета, вязкость концентрата может существенно различаться, однако по практическим соображениям она не должна выходить за определенные пределы. При слишком низкой вязкости происходит довольно быстрое осаждение колорантов, особенно неорганических. Избежать этого можно подбором более высокой концентрации колорантов и (или) введением добавок с высокой поглощающей способностью; в обоих случаях вязкость системы возрастет. С другой стороны, слишком вязкая рецептура вызывает проблему загрузки концентрата в перерабатывающее оборудование.

Даже при постоянном составе концентрата его вязкость может варьировать в определенных пределах, поскольку площадь удельной поверхности колорантов не постоянна, а меняется от партии к партии, что вполне допустимо для технического продукта.

Другим преимуществом жидких концентратов является очень хорошее смачивание каждой гранулы полимера, что особенно важно при получении пастельных и прозрачных цветов. Это, кстати, выгодно отличает жидкие концентраты от гранулированных.

Наконец, преимуществами жидких концентратов являются также возможность полной реализации интенсивности цвета колорантов за счет их полного диспергирования, хорошая транспортировка в зоне загрузки экструдера, отсутствие пыли при работе и разумная стоимость продукта.

Порошкообразные маточные смеси

Простейшим видом порошкообразных концентратов является чистый колорант. Однако в состав порошкообразных концентратов обычно входят, помимо колоранта, растворители и диспергирующие агенты, которые улучшают смачиваемость колорантов расплавом полимера. Если вещество твердое или оно адсорбировано на носителе (в случае жидкого вещества), при необходимости могут вводиться добавки.

Для гомогенизации смеси, содержащей колоранты и добавки, необходим размол. Тонкость помола определяется в предварительных экспериментах. При размоле следует соблюдать большую осторожность, чтобы не разрушить исходные частицы колорантов, хотя, с другой стороны, измельчитель должен обеспечить достаточные деформации сдвига для разрушения агломератов колоранта. Следует отметить, что порошок органических веществ очень тонкого помола опасен как источник пылевого загрязнения. Схематически производство порошкообразного концентрата представлено на рис. 3.

Схема производства порошкообразного концентрата

Рис. 3. Схема производства порошкообразного концентрата

В порошкообразном концентрате колорант еще не диспергирован; его полное диспергирование в расплаве полимера достигается только в процессе переработки полимера. Машины для литья под давлением являются, по существу, одношнековыми экструдерами, которые, в сравнении с двушнековыми, применяемыми для производства гранулированных маточных смесей, обычно не обеспечивают достаточных деформаций сдвига для полного диспергирования колоранта, особенно в случае так называемых «твердых» пигментов, таких как оксид хрома зеленый и фталоциановые пигменты (синий и зеленый). При неполном диспергировании пигментов в расплаве полимера возникает цветовой крап и (или) разнородность цветового окрашивания, связанная с неполным использованием интенсивности цвета. Добавкой тех или иных диспергирующих агентов число и размер цветовых крапов можно уменьшить, но полностью крап уничтожить нельзя. Другой способ устранения крапа - использование специальной смесительной головки экструдера.

Прямая загрузка порошка в пластицирующую зону экструдера весьма проблематична ввиду плохих транпортировочных характеристик материала; частицы порошка имеют склонность к слипанию, и любая неравномерность подачи порошка приводит к дефектам окрашивания изделия.

Обычно порошкообразный концентрат смешивают с полимером в барабане. Вначале поверхность гранул полимера слегка увлажняют аппретом, например, диспергирующим агентом или парафиновым маслом, затем добавляют порошкообразный концентрат, и все это перемешивают в барабане в течение нескольких минут. В результате поверхность полимерных гранул становится практически сухой, и технические проблемы при экструзии становятся маловероятными. Разумеется, такая процедура лимитируется качеством используемого порошкообразного концентрата, что, естественно, является недостатком в случае использования очень интенсивных, ярких красителей с хорошей кроющей способностью при окрашивании тонкостенных полимерных изделий.

Основными преимуществами порошкообразных концентратов является наиболее высокое содержание колоранта по сравнению с другими типами концентратов и низкая стоимость его производства.

Области использования концентратов

Вследствие удобства использования при окрашивании термопластов на рынке, безусловно, доминируют гранулированные маточные смеси. Их преимущества компенсируют сравнительно высокую стоимость по сравнению с другими концентратами.

По объему производства и потребления жидкие и порошковые маточные смеси существенно отстают от гранулированных маточных смесей для окрашивания термопластов и составляют около 10% от общего объема выпускаемых концентратов.

Исключение составляет ПВХ. Крупные производители ПВХ разработали собственные препараты, включая окрашивающие. При использовании концентратов для окрашивания они обычно предпочитают жидкие формы на основе пластификатора.

Как упоминалось выше, гранулированная маточная смесь не может быть использована для окрашивания термоотверждающихся полимеров и эластомеров; для окрашивания таких полимеров используют исключительно жидкие и порошкообразные концентраты. Однако по объему производства эти типы полимеров отстают от производства термопластов; поэтому потребность в жидких и порошкообразных концентратов также невелика.

По материалам: « Окрашивание полимерных материалов», издательство «Профессия»


СТАТЬИ ПО ТЕМАМ
 Технологии [154]     Изделия [78]   
 Оборудование [43]     Сырье [113]   
 Обзоры рынков [181]     Интервью [96]   
 Репортаж [25]     Все статьи   

Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник

Редакция оплачивает на договорной основе
технические статьи, маркетинговые отчеты, рецептуры, обзоры рынка
и другую отраслевую информацию и права не ее размещение

Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!

По вопросам публикации и оплаты статей обращайтесь в редакцию:
Тел: +7 (499) 490-77-79
Прислать сообщение


Полное или частичное копирование любых материалов, опубликованных на Plastinfo.ru, для размещения
на других Интернет сайтах, разрешается только с указанием активной гиперссылки на plastinfo.ru !

Полное или частичное использование любых материалов, размещенных на Plastinfo.ru,
в СМИ, печатных изданиях, маркетинговых отчетах, разрешается только с указанием ссылки
на «Plastinfo.ru» и в некоторых случаях требует письменного разрешения ООО Пластинфо




ОПРОС НА PLASTINFO.RU

Вы поддерживаете планируемый запрет на одноразовые изделия из пластмасс?

результаты


Проводится с 01.10 по 30.11.2021

Получаем результат...
Онлайн магазин книг Телеграм канал Plastinfo.ru интерпластика: международная выставка пластмасс и каучуков видео о индустрии переработки пластмасс и каучука

Новости

Выставки и конференции
Государство и бизнес
Литература и образование
Новые материалы и марки
Обзоры и анализ рынков
Обзоры СМИ
Оборудование
Объемы и мощности
Отходы и экология
Персоны и назначения
Пресс-релизы, форс-мажоры
Разработки изделий
Слияния и новые имена
Цены на сырье и изделия

Изделия

Полипропиленовые трубы
Полиэтиленовые трубы
Фитинги
ПВХ окна и двери
Емкости 1-5л
Канистры
Полиэтиленовая пленка
Мешки, пакеты майка
Термоусадочная пленка
Вагонка, сайдинг, профили
Сотовый поликарбонат

Объявления

Продать
Купить
Вакансии
Резюме
Форум

Информация

Справочник покупателя
Статьи и обзоры
Глоссарий
Выставки
Опросы
Стандарты
Видео Plastube

Подписка

Бизнес газета
Цены на полимеры
Импорт и экспорт
Магазин отчетов
Магазин книг
База полимеров
Polyglobe

О проекте

Контакты
Карта сайта
Партнеры
Реклама