Радуга цвета супер-концентратов

Полимерные материалы изначально не имеют привлекательности по цвету и фактуре, но, поскольку изделия из пластика формуются из однородного расплава, им можно придать любые цветовые и фактурные свойства с помощью специальных добавок еще на стадии переработки. Производство подобных добавок можно организовать непосредственно на предприятии, объединив тем самым процессы переработки, прокраски и собственно изготовления красящей массы.

Просто добавь в… расплав

Окрашивание пластика проводится «в массе» — когда материал находится в расплавленном состоянии, к нему добавляют пигмент или краситель. При этом происходит диспергирование (рассредоточение) частиц последнего в массе полимера, что обеспечивает равномерность и насыщенность покраски.Основные преимущества окрашивания в массе:
сокращение технологических операций;
качество окраски сохраняется весь период эксплуатации изделия;
окрашенный слой не отслаивается из-за плохой адгезии или механических повреждений поверхности;
окрашенный в массе материал не выгорает.


Добавлять краситель в расплав пластика можно в виде порошка или в составе другого расплава. Окрашивание полимеров в массе путем добавления порошка красителя неудобно, так как это имеет ряд недостатков: неудовлетворительные оптические свойства окрашиваемого полимера, снижение механических показателей изделия, неоправданно высокий расход дорогостоящего красителя, трудность перехода от одного цвета к другому, вызванная чисткой оборудования. В основном все перечисленные недостатки имеют одно объяснение — сложность полного диспергирования (распределения) красителя в объеме полимера. Частички красителя агрегируются (слипаются), что приводит к возникновению разводов, тусклости и неравномерности окраски.

Выгода концентрирования

Для предотвращения описанных выше проблем, а также улучшения условий труда при окрашивании пластиков используют суперконцентраты красителей.

Суперконцентраты представляют собой дисперсии пигментов в веществах, легко совмещающихся с окрашиваемым полимером. Другими словами, при использовании суперконцентрата в объем полимера вводится уже диспергированный порошок красителя. При переработке частицы красящего вещества будут легко и равномерно распределяться по всему объему будущего изделия, не слипаясь и не оседая в нижней части материального цилиндра. В названии суперконцентратов приставка «супер» означает высокое содержание порошка красителя в красящей массе (до 90%). При этом наряду с суперконцентратами существуют просто концентраты красителей, которые содержат в своем составе до 20% пигмента. Производителям пластмассовых изделий более выгодно иметь дело с суперконцентратами, так как из-за высокого содержания пигмента их расход на производство значительно ниже. Основы
Под термином «суперконцентрат» понимается не только производство концентрированных красителей. К достаточно обширной группе специальных веществ, называемых суперконцентратами, также относятся: светостабилизаторы, антиоксиданты, антиперены, антистатики, антислипы, скользящие добавки, антиблоки, нуклеаты.
Красители — органические соединения, которые способны растворяться и придавать цвет материалу, а пигментами, как правило, называют нерастворимые вещества неорганического происхождения.


Пигменты в матрице

В зависимости от способа получения конечный красящий продукт может быть в виде гранул, порошка, пасты или раствора.

В простейшем виде суперконцентрат красителя представляет собой систему из двух компонентов: пигмента и матрицы (связующего вещества). В качестве матрицы могут быть использованы практически все полиолефины, полиолефиновые воска, полистирол, твердые эпоксидные смолы и т.д. Выбор таких материалов определяет способ получения суперконцентрата — диспергирование в расплаве, для чего используют двухшнековые экструдеры. Классификация суперконцентратов

Светостабилизаторы позволяют длительное время сохранять первоначальный цвет изделия и его механическую прочность, защищая изделие от ультрафиолетовых лучей. В качестве светостабилизаторов могут применяться производные бензонитризола, бензофенола, никелевые и кобальтовые соли замещенных фенолов и др. Светостабилизаторы эффективны даже при очень низких концентрациях (менее 0,1 %).

Антиоксиданты предотвращают термоокисление в процессе переработки полимера и замедляют деструкцию материала во время хранения и эксплуатации изделия. К антиоксидантам относятся смеси соединений фенолов и фосфидов.

Антипирены значительно снижают горючесть полимеров. Специальные антипирены используют для производства негорючих пленок, листов и литьевых изделий. К антипиренам относятся сульфат аммония, а также различные бромиды и хлориды.

Антистатики позволяют избавиться от статического эффекта, присущего всем полимерам. Антистатиками являются алкиламины. Скользящие добавки (слипы) применяются в качестве внутренней смазки в полимере. Такие добавки уменьшают вязкость расплава и существенно повышают производительность экструзии. Придают поверхности пленок и других полимерных изделий большую гладкость, блеск, глянец. Уменьшают коэффициент трения готовых изделий. К скользящим добавкам относятся производные высших жирных кислот.

Антислипы придают поверхности пленок шероховатость. Используются при производстве тары, мешков для упаковки сыпучих продуктов и прочих изделий, где шероховатость необходима. В качестве антислипа может использоваться сверхвысокомолекулярный полиэтилен.

Антиблоки препятствуют слипанию готовых изделий, что особенно важно при производстве пленок. Пакеты, изготовленные из пленки с добавлением антиблоков, легко раскрываются, а стенки пакета не слипаются. В качестве антиблоков используются кремневая кислота или амидные воски.

Нуклеаты увеличивают коэффициент светопропускания, повышая прозрачность пленок. Также нуклеаты оказывают влияние на надмолекулярную структуру полимера, делая ее более мелкозернистой, благодаря чему существенно сокращается время кристаллизации, и процесс охлаждения изделия осуществляется быстрее. Нуклеаты применяются исключительно для полипропиленовых материалов. В качестве нуклеатов используются бензоаты натрия или флуоресцентные органические вещества, поглощающие ультрафиолетовое излучение.

Вспенивающие агенты разрыхляют структуру полимера. Используются для производства пористых изделий. В качестве вспенивающих агентов применяются трифторхлорметан, бензосульфонилгидразин и другие вещества.



Помимо перечисленных выше материалов, связывающим веществом могут быть пасты некоторых пластификаторов, стеорокс, а также латексы, в которые можно ввести пигмент путем перетира. Такой способ получения суперконцентратов аналогичен получению типографских офсетных красок на краскотерочных машинах.

При получении эмульсии пигмента в растворе полимера используют полистирол, полиуретан, поливинилацетат. В этом случае могут применяться лопастные смесители, миксеры и т.д.

Наиболее востребованы суперконцентраты, полученные методом диспергирования пигмента в расплаве полиолефинов, полиолефиновых восков и полистирола. Объясняется это прежде всего тем, что львиная доля перерабатываемых материалов — именно полиолефины.

Для окрашивания пластиков могут использоваться как неорганические, так и органические пигменты. Среди неорганических пигментов наиболее часто используют диоксид титана, карбонат кальция, сажу, кадмиевые, кобальтовые, железоокисные, хромовые пигменты, ультрамарин, литопон и др. Преимущества использования суперконцентратов
возможность окрашивания полимера в любые цвета;
высокое качество окраски;
окрашивание может производиться на любом стандартном оборудовании без каких- либо дополнительных материальных и временных затрат;
экологичность производства;
простота введения необходимого количества суперконцентрата в расплав полимера;
возможность быстрого перехода с одного цвета на другой.


Из органических пигментов наиболее важными являются пигменты, имеющие молекулярно-кристаллическую структуру и отличающиеся нерастворимостью в окрашиваемых средах. К таким относятся азопигменты, фталоциановые пигменты, трифенилметановые и полициклические. Обладая более широкой гаммой ярких оттенков и большей красящей способностью, органические пигменты уступают неорганическим по термо-, свето- и атмосферостойкости, а также миграционной стойкости.

Зачастую к окрашенным изделиям из полимерных материалов предъявляют специфические требования. Например, если полимерное изделие находится в непосредственном контакте с пищевыми продуктами, то используемые добавки к полимерным материалам и суперконцентраты должны иметь соответствующее разрешение, то есть их выбор должен быть согласован с «Перечнем материалов», разрешенных Министерством Здравоохранения.

Цвет и Эффект

На данный момент имеется множество суперконцентратов, которые позволяют окрасить полимер практически в любой цвет и оттенок в пределах известной цветовой гаммы. Кроме того, появились суперконцентраты, позволяющие получить при окрашивании различные спецэффекты, от которых внешний облик изделий из полимеров существенно меняется.

К спецэффектам относятся перламутровые, флюоресцентные, опалесцирующие, фосфоресцирующие и радужные окраски полимеров. Добавки с такими эффектами используются в дорожных знаках, рекламе, спецодежде, игрушках и многих других изделиях, где важен визуальный эффект.

В суперконцентратах могут использоваться также флеки и флиттеры, как вкрапления в основную массу полимера волокон, чешуек или точек. С их применением возможно получать окраску «под горные породы» — мрамор, гранит и другие. Такие эффекты достигаются за счет того, что данные вкрапления являются окрашенными частицами полимеров с более высокой температурой плавления, чем окрашиваемый материал.

Производители

Производителей суперконцентратов на данный момент существует достаточно много. В основном это иностранные предприятия, которые предлагают как суперконцентраты, так и красители либо пигменты в чистом виде. Наиболее крупные — транснациональные корпорации Global Colors, Holliday Chemical Holding PLC, Schulman GmbH и такие компании как «Габриель-Хеми» (Австрия), Ampacet (Бельгия), Karl Finke, Sigmund Lindner GmbH (Германия), United Colors Corporation Limited (Таиланд) и др.

Все перечисленные компании имеют представительства и дилерские сети в Украине и России.

Помимо иностранных производителей суперконцентраты собственного производства предлагают ОАО «СТИРОЛ» (г. Горловка), ООО «Партнер» (г. Киев), ООО «Биохимсервис» (г. Полтава), ООО НПП «ПАКС» (г. Дергачи, Харьковская область), ЗАО «Сталкер М» (г. Санкт-Петербург), АО «Синтез» (г. Тамбов), ГП «ВИАМ-ПЛАСТКОЛОР» (г. Москва), ТОО «Спектропласт» (г. Москва), ООО «Евромастер» (г. Нижнекамск, Татарстан).

Сделай сам

Вопрос окраски пластиковой продукции актуален почти для всех перерабатывающих предприятий. Независимость от поставщиков и возможность более точного подбора необходимых свойств красящих веществ может обеспечить только собственное производство суперконцентратов на основе качественных красителей и пигментов.

Рассматривая производство суперконцентратов, имеет смысл остановиться на производстве методом диспергирования пигмента в расплаве полимера, так как суперконцентраты на основе полимеров, в частности полиолефинов, являются самыми востребованными.

Прежде всего, для организации производства суперконцентратов необходимо специальное оборудование. Так как в полимерную матрицу вводится достаточно большое количество пигмента, то используются только двухшнековые экструдеры. В отличие от одношнековых, они позволяют перерабатывать труднозахватываемые червяком порошкообразные, волокнистые, пастообразные материалы и материалы с высоким содержанием летучих веществ. Использование двухчервячных экструдеров позволяет:
компаундировать термопластичные материалы с различными добавками и модификаторами;
гранулировать термопласты;
удалять гелеобразные дефекты;
обеспечивают равномерное диспергирование пигмента;
смешивать различные термопласты;
возможность быстрого перехода с одного цвета на другой.


Подобные экструдеры являются очень эффективными в процессах смешения и гомогенизации.

Зона загрузки двухчервячных экструдеров имеет больший объем, нежели зона сжатия. Именно это обстоятельство позволяет перерабатывать термопласты как в виде гранул, так и в виде порошка. Поскольку перемешивание происходит во всех направлениях, давление в зоне загрузки быстро повышается, и в экструдере достаточно активно идут процессы массообмена, теплообмена и выделения летучих веществ, которые удаляются в зонах дегазации.

Двухчервячные экструдеры на рынке представлены в основном азиатскими компаниями Shanghai Jwell Machinery Co Lt» (Китай),«Lider Makina San ve Tic Ltd St» (Турция) и европейским Reifenhauser GmbH & Co и APX GmbH (Германия), Cincinnati Extrusion GmbH (Австрия).

Помимо экструзионного оборудования для производства суперконцентратов необходимы дозаторы, вакуумные загрузчики и турбомиксеры. Все это оборудование используется для подачи в смеситель нужного количества подготовленного красителя.

Для дозирования необходимого количества вводимого в расплав полимера красителя можно рекомендовать голландские объемные дозаторы Movacolor и весовые дозаторы FERLIN Plastics Automation. Для подготовки и загрузки красителя и термопласта лучше использовать итальянские загрузчики, миксеры и дробилки фирмы Pulsotrinic.

Важные особенности

Несложно укомплектовать линию по производству суперконцентратов как на проектируемом, так и уже на действующем предприятии, учитывая, правда, определенные нюансы. К таким нюансам относятся производительность проектируемой линии, особенности подготовки сырья и рецептур будущих концентратов красителей.

Суперконцентрат может включать в себя как минимум два компонента: термопласт и пигмент. Число дополнительных компонентов не ограничено. Например, «белый» суперконцентрат состоит из полимерной матрицы — полиэтилен высокого давления, пигмента — диоксид титана с карбонатом кальция, и внутренней смазки — полиэтиленовый воск, способствующий гомогенигазации всей массы. Таким образом, для производства такой смесевой композиции необходимо большее количество дозаторов и дополнительных настроек экструдера.

Двухчервячные экструдеры характеризуются взаимным расположением червяков, характером их сопряжения и направлением вращения, степенью сжатия материала и некоторыми конструктивными особенностями червяков и материальных цилиндров. Перечисленные выше параметры могут сочетаться в различных комбинациях, что приводит к многообразию конструктивных решений.

Следует отметить, что производители оборудования для переработки термопластов предлагают не только отдельные агрегаты и машины, но и специально спроектированные линии для получения конкретного материала или изделия. Так, например, итальянская компания ICMA предлагает готовые линии для производства суперконцентратов.

На линиях ICMA MASTERBATCH можно получать суперконцентраты, содержащие от 50 до 80% пигмента. Такие линии обеспечивают переработку всех полиолефинов, а также полиэтилентерефталата, полистирола и полиамида, как связующих компонентов суперконцентратов. На рис. 1 приводится примерная схема получения суперконцентратов на оборудовании фирмы ICMA.


Сложные оттенки

Применение флеков и флиттеров позволяет придавать пластикам фактуру камня, мрамора или дерева


Стоит отметить, что производство суперконцентратов хоть и кажется достаточно простым, на самом деле имеет множество тонкостей. Примером может послужить приготовление суперконцентрата заданного оттенка.

Практически любой оттенок может быть получен путем смешения трех основных цветов: красного, синего и зеленого. Каждый из этих цветов занимает одну треть видимой части спектра, а их сложение в одинаковых долях делает вещество или материал белым.

Комбинирование основных первичных цветов для получения новых (вторичных) осуществляется путем их сложения — аддитивное смешение (синтез). Существует также другой метод, который основан на вычитании — субтрактивное смешение. Смешивая вторичные цвета в различных пропорциях, можно получить полный круг цветности, включающий различные цветовые тона.

Поскольку пигменты и красители выпускаются различных цветов и оттенков, для получения конкретного цвета необходимо грамотно руководствоваться правилами субтрактивного вычитания и аддитивного сложения. Якость и насыщенность каждого из получаемых цветов зависит еще от множества других факторов. Таким образом, для того чтобы грамотно приготовить дисперсию суперконцентрата определенного цвета, необходимо привлекать колориста, знающего рецептуры и имеющего определенный опыт.

Кроме цветовых характеристик производства жесткие требования предъявляются и к исходным компонентам. Прежде всего, это касается красителей и пигментов. Они должны быть чистыми, тонкодисперсными, светостойкими, строго соответствовать колориметрическим показателям цветности и не мигрировать из объема полимера к поверхности.

При переработке в материальном цилиндре экструдера или литьевой машины красители должны выдерживать температуры, при которых плавится полимер, и не терять при этом своих оптических свойств. Именно по этому производители суперконцентратов отдают предпочтение красителям и пигментам таких авторитетных европейских компаний, как ГАК «Титан», MIKRO MINERAL, POLYALCO, NOVEON, OTSUKA CHEMICALS Ltd, «LORAMA CHEMICALS» EMSA TECNOLOGIA QUIMICA S.A., CEPSA, PDL, NUBIOLA, EASTERN CHEMICALS, IQAP GROUP, CCP, CHEM PARTNERS, JAYSYNTH и других.

Технологии по-украински

Инновационная технология производства суперконцентратов методом приготовления дисперсии в растворе полимера или полиолефинового воска разработана в Украинском Государственном Химико-Технологическом Университете. Технология основана на методике приготовления универсального суперконцентрата, который способен совмещаться практически со всеми термопластами. Отличительной особенностью данной методики является возможность получения качественного окрашивающего продукта без применения дорогостоящего оборудования.

Примерная схема получения суперконцентратов представлена на рис. 2. Вместо полимерной матрицы в данной методике предлагается использовать стеараты, которые имеют относительно невысокую температуру плавления. Попадая в расплав полимера, небольшие количества стеаратов выступают в роли внутренних смазок, способствуя гомогенизации и диспергированию порошка пигмента.