Как мастербатч добавляется в пластик? Методы дозирования, соотношения и оборудование

С намотки снимается катушка черной пленки, которая первые сорок минут выглядит идеально. Потом по одному краю появляется серая полоса, и к третьему часу начальник смены списывает половину пробега. Когда наконец позвонили поставщику маточной смеси, формула оказалась в порядке — проблема заключалась в том, как маточная смесь была добавлена ​​в линию.

Краткий ответ: маточная смесь добавляется в пластик в два отдельных этапа — дозирование и диспергирование. Дозирующий блок, объемный или гравиметрический, подает гранулы маточной смеси в загрузочное отверстие экструдера или литьевой машины с расчетным коэффициентом разбавления, чаще всего от 1% до 4% от общей массы смеси. Затем шнек плавит смесь и сдвигает ее до тех пор, пока пигмент, уже предварительно диспергированный внутри каждой гранулы, не распределится равномерно в расплавленном полимере. Почти каждая полоса, пятнышко и смещение тени связаны с одним из этих двух этапов, а не с самой маточной смесью.

В этой статье представлена ​​полная картина со стороны процессора машины: что на самом деле находится внутри гранул мастербатча, как рассчитать коэффициент разжижения, какое дозирующее оборудование соответствует какой производственной реальности, где материал должен поступать на линию для изготовления пленки, литья под давлением и труб, а также как диагностировать классические дефекты, когда добавление идет не так, как надо. Допуски и примеры взяты из повседневной практики экструзии и формования и отражают то, как мы в E-LUCK разрабатываем рецептуру черной маточной смеси для клиентов, выполняющих именно эти процессы.

Что входит в состав маточной гранулы, прежде чем она достигнет вашей линии

Гранулы маточной смеси представляют собой концентрированную систему подачи, и зная ее состав, вы точно поймете, что еще должна делать ваша машина. Черную маточную смесь получают путем смешивания технического углерода, смолы-носителя и добавок под высоким усилием сдвига, а затем экструдирования и разрезания расплава на гранулы. Процессор никогда не обрабатывает необработанный пигмент; гранула содержит его уже смоченным и диспергированным в форме, которую можно точно дозировать.

Типичная черная гранула маточной смеси распадается следующим образом:

• Пигмент сажи: обычно 20–50% гранулы. Черная как смоль пленка и глянцевая пленка занимают верхние позиции в ассортименте; марки наполнителя для труб и толстых фасонных изделий располагаются ниже.
• Смола-носитель: примерно 40–70 %, выбранная из того же семейства полимеров, что и базовая смола — ПЭ, ПП, ПС, АБС, ПК, ПА и так далее.
• Диспергатор: около 5–10%, обычно воск, который смачивает поверхность пигмента во время смешивания и предотвращает повторное образование агломератов.
• Функциональные добавки: антиоксиданты, УФ-стабилизаторы или технологические добавки, добавляемые в зависимости от конечного применения.

Есть три практические причины, по которым отрасль работает таким образом. Сырой порошок технического углерода пыльный, с ним неприятно обращаться, и его практически невозможно отмерить на уровне 1–2%, который необходим большинству продуктов. Диспергирование при высоких сдвиговых нагрузках с внутренней фильтрацией — это задача специального оборудования для компаундирования, которую не может повторить подающая горловина. А концентрация пигмента позволяет процессору дозировать небольшой контролируемый процент гранул вместо того, чтобы пытаться подавать крошечные количества порошка в движущийся поток.

Как только вы увидите гранулу таким образом, работа машины станет ясна: разбавление. Носитель и базовая смола плавятся вместе, шнек разрезает смесь, и предварительно диспергированный пигмент распространяется через расплав. Тяжелая работа по диспергированию уже завершена и проверена на заводе по производству мастербатчей — мы объясняем эту логику более подробно в почему черный мастербатч часто решает, пройдет или не пройдет пластиковый продукт .

Коэффициент падения: число, которое решает весь результат

Коэффициент снижения давления является основным элементом управления всей операцией: если он рассчитан неправильно, никакое дозирующее оборудование или конструкция шнека не спасут жалюзи. Коэффициент разбавления показывает, сколько маточной смеси входит в общую смесь, и он следует непосредственно из двух чисел — конечного количества пигмента, необходимого продукту, и концентрации пигмента внутри маточной смеси.

Расчеты также выполняются в обратном порядке, именно с этого начинается большинство операций по устранению неполадок. Конечная загрузка технического углерода равна дозировке, умноженной на содержание пигмента: 4% маточной смеси с концентрацией 45% дают 1,8% технического углерода в продукте. Если спецификация трубы требует наличия 2,0–2,5% хорошо диспергированной сажи для защиты от ультрафиолета, 50% маточная смесь должна работать с дозировкой 4–5% — иначе содержание пигмента должно увеличиться. Недооценка затрат на выветривание жизни; превышение стоит денег, повышает вязкость расплава и может привести к затвердеванию продукта.

Типичные окна дозирования различаются в зависимости от применения, поскольку на тонких срезах видны все дефекты, а на толстых деталях быстро окрашивается:

Начните с середины окна, а не с края, и корректируйте его по измеренному цвету, а не по внешнему виду на штампе. Перемол уже содержит пигмент, поэтому поток с 30% перемолом обычно требует соответственного уменьшения свежей дозировки — в противном случае с течением времени оттенок становится темнее.

Дозирующее оборудование: объемное, гравиметрическое или предварительно смешанное.

Объемные питатели подходят для стабильного односортного производства; гравиметрические системы окупают себя в тот момент, когда постоянство цвета становится частью того, что покупает клиент. Оборудование решает, насколько точно рассчитанное соотношение выдерживает контакт с реальным производством.

Объемное дозирование

Объемный дозатор дозирует по объему — вращающийся шнек или диск, установленный на скорость, которая должна соответствовать заданному проценту. Он недорогой, компактный и простой в эксплуатации, поэтому он доминирует в небольших экструзионных и формовочных цехах. Его слабость заключается в том, что объем не имеет веса: насыпная плотность пеллет, уровень заполнения бункера и распределение пеллет по размерам - все это влияет на то, что фактически покидает установку. Кормушка, откалиброванная при полном бункере, может заметно смещаться по мере его опорожнения. Поддерживайте постоянный уровень в бункере, проверяйте скорость питателя с помощью теста улавливания и проводите повторную калибровку всякий раз, когда изменяется сорт маточной смеси.

Гравиметрическое дозирование

Гравиметрические агрегаты взвешивают то, что они кормят. Питатели с функцией потери веса и весовые блендеры постоянно корректируют свою производительность в соответствии с заданной массой, поддерживая дозировку примерно на уровне ±0,1–0,5% в хорошо обслуживаемой установке. Они нечувствительны к изменениям объемной плотности и уровня бункера, что делает их стандартным выбором для длинных труб, пленки, продаваемой для печати, и любой продукции, в которой видимое изменение оттенка между рулонами вызывает претензии. Инвестиции выше; количество отходов, связанных с заносом, которые они удаляют, обычно еще выше.

Предварительное смешивание для коротких тиражей

Для партий объемом до нескольких сотен килограммов законной альтернативой является смешивание смолы и маточной смеси в барабане в течение трех-пяти минут. Действуют два предостережения. Во-первых, сегрегация: когда гранулы маточной смеси отличаются по размеру от гранул смолы, смесь разделяется во время транспортировки и в бункере, поэтому подавайте выход смесителя непосредственно в горло и сохраняйте расстояние транспортировки коротким. Во-вторых, никогда не смешивайте предварительно с сыпучим размолом, если размеры частиц не одинаковы — мелкие частицы размола расслаиваются и несут за собой дозировку.

Где маточная смесь попадает в технологическую линию

В подавляющем большинстве установок маточная смесь поступает в загрузочное отверстие, смешиваясь с первичной смолой, а остальную работу выполняет шнек. Альтернативы существуют по определенным причинам, и выбор среди них в основном зависит от уровня загрузки и интенсивности смешивания.

Из загрузочного отверстия гранулы свободно падают в цилиндр вместе с базовой смолой. Твердое транспортирование осуществляет первое смешивание, а завершают его зоны плавления и дозирования шнека. Это просто и надежно, но конечное качество диспергирования во многом зависит от конструкции шнека: шнек с секциями распределения и сдвига смешивания превращает скромный питатель в однородный цветной результат, а гладкий, изношенный шнек может сделать даже хорошую маточную смесь испачканной.

В процессе компаундирования маточную смесь можно подавать дальше через боковой питатель после того, как полимер уже расплавился. Именно так производители маточных смесей сами производят марки с высокой концентрацией, и это позволяет загружать намного больше, чем может выдержать загрузочное отверстие — расплав полимера принимает пигмент с большей готовностью, чем твердые гранулы. Для переработчика, покупающего маточную смесь, этот путь становится актуальным при производстве черных компаундов на продажу, а не при окрашивании готового изделия.

Внутри барабана всюду происходит одна и та же последовательность: шихта плавится в переходной зоне, сжатие увеличивает сдвиг, а зона дозирования гомогенизирует расплав. Напряжение сдвига разрушает оставшиеся агломераты пигмента; Распределительное смешивание распределяет частицы друг от друга, поэтому они не могут повторно агломерироваться. Экран между винтом и матрицей действует как последняя линия защиты, улавливая все, что винту не удалось разрушить.

Имеет значение еще одна переменная: время пребывания. Обратное смешивание при экструзии сглаживает кратковременные колебания питателя, поэтому кратковременные сбои в дозировке редко достигают фильеры. Литье под давлением гораздо менее снисходительно: каждый выстрел — это короткое, дискретное событие, а стабильность механизма подачи и постоянство восстановления шнека проявляются непосредственно на детали.

Как добавки изменяются в ходе процесса: пленка, литье под давлением и трубы

Двухэтапная логика — измерение, затем рассеивание — остается неизменной, но каждое семейство машин уделяет особое внимание разным ее частям. Вот где различия проявляются на практике.

Экструзия пленки

Пленка является наименее щадящим применением, поскольку ее толщина тонкая: при толщине 20–50 микрон агломерат размером в доли миллиметра превращается в видимое пятнышко или полосу штампа, повторяющуюся по всей катушке. Таким образом, сорта пленки работают с дозировкой 2,5–4% маточной смеси с высоким содержанием пигментов, и линии требуется тонкий сетчатый пакет перед матрицей, чтобы улавливать то, что пропустил шнек. Если полосы продолжают возвращаться в одно и то же положение матрицы, прежде чем обвинять пигмент, заподозрите сито и устройство подачи.

Здесь также имеет значение состав носителя: сорта пленки содержат дополнительный диспергирующий воск, поэтому пигмент проскальзывает через узкий зазор матрицы без создания давления. Там, где пленка должна выживать на открытом воздухе, дозировка и рецептура работают вместе — см. Как маточная смесь черной пленки, полученная методом экструзии методом экструзии, повышает долговечность пленки и устойчивость к атмосферным воздействиям за взаимодействие содержания пигмента и УФ-пакета.

Литье под давлением

Формованные детали обрабатываются при дозировке 1,5–3%, а ограничением связывания является время: восстановление шнека занимает секунды, поэтому смесь должна быстро окрашиваться и гомогенизироваться. Умеренно повышайте противодавление — достаточно, чтобы добавить сдвиг во время восстановления без перегрева расплава — и отдавайте предпочтение шнеку со смешивающими лопастями, где допуск по глянцу и цвету жесткий. Изменения цвета требуют плана: два-три объема продувки в бочках, временное поддержание температуры плавления наверху безопасного диапазона материала и проверка образцов порция за порцией до тех пор, пока оттенок не станет стабильным.

Качество поверхности – это то, чем отличаются марки для литья под давлением. Корпусам приборов и техническим деталям необходим глубокий, ровный черный цвет без следов текучести, который получается из мелкозернистой сажи и носителя, который быстро смачивается при температурах формования.

Экструзия труб и профилей

Трубка выглядит как самый простой вариант — толстая стенка, медленная линия — но в ней самая строгая функциональная дозировка. Напорным полиэтиленовым трубам требуется примерно 2,0–2,5% хорошо диспергированной сажи для защиты полимера в течение десятилетий эксплуатации на открытом воздухе, поэтому для труб разных марок используется дозировка 2–4%, даже если стенки толстые. При непрерывном пробеге, измеряемом километрами, эта дозировка должна оставаться постоянной: смещение объемного питателя на полпроцента проявляется в виде едва заметного перехода между барабанами, а на трубе этот шаг вызывает вопросы о том, что еще изменилось.

Совместимость носителей: почему одна и та же маточная смесь ведет себя по-разному в каждой смоле

Носитель является тихой переменной при каждом расчете дозировки: если он не соответствует базовой смоле, пигмент рассеивается в неподходящей среде. Рабочее правило простое — держите носитель маточной смеси из того же семейства полимеров, что и базовая смола. Марка-носитель PE для полиолефинов, марка PP для полипропилена, марка PS или ABS для стирола.

Технические смолы повышают ставки. PC, PA, PBT и их смеси обрабатываются при температурах и уровнях влажности, которые разрушают товарный носитель, поэтому им нужны марки, созданные на специальных носителях. Именно поэтому существует рынок специальных маточных смесей: в E-LUCK специальный ассортимент включает носители AS, PC, PA, PS, PPA, PPS, PET, PBT, TPU, PCTG и POE, поскольку стандартный сорт, введенный в эти смолы, позже проявляется в виде гелей, помутнения, расслоения в многослойных структурах или незаметного падения ударной вязкости.

Растопить поток — вторая половина матча. Как правило, носитель должен течь как минимум так же легко, как базовая смола при температуре обработки: носитель сначала плавится, смачивает пигмент и растекается до того, как основная смола полностью размягчится. Носитель, более жесткий, чем базовая смола, проталкивает нерасплавленные частицы через ту самую зону, которая должна их диспергировать.

Маточная смесь, не содержащая носителя, полностью удаляет переменные: пигмент и диспергатор в почти полной концентрации, при этом смола не может конфликтовать с подложкой. Компромиссами являются более низкий интервал дозирования и больший спрос на шнековое смешивание, что делает сорта без носителя наиболее привлекательными для переработчиков, использующих смешанные потоки измельчения или часто меняющих поставщиков смолы.

Что происходит, когда мастербатч неправильно добавляется в пластик

Большинство цветовых дефектов проявляются на изделии, но их источник лежит в подающем устройстве, горловине или несущей спичке. В приведенной ниже таблице показаны дефекты, которые чаще всего появляются в пленке, формовочных изделиях и трубах, с причинами, стоящими за ними на этапе добавления.

Одна диагностика заслуживает отдельной таблицы: давление сетчатого пакета. Фильтр перед матрицей — это самый дешевый монитор дисперсии в экструдере, работающий в режиме реального времени. Хорошо диспергированная маточная смесь дает плоскую, медленно возрастающую кривую давления в течение смены; агломераты, перекрывающие экраны, создают крутой, ускоряющийся подъем задолго до того, как на пленке появятся видимые дефекты.

Рассматривайте подъем кривой как сигнал тревоги технологического процесса, а не как проблему с расходными материалами. Смена экранов чаще скрывает симптом; проверка стабильности питателя, противодавления и степени дисперсности маточной смеси позволяет устранить эту проблему.

Как проверить дисперсию после дозирования

Проверка замыкает связь между рассчитанным соотношением и продуктом, который фактически видит покупатель. Четыре проверки охватывают территорию, и ни одна из них не нуждается в лабораторном оборудовании, кроме того, которое уже есть на заводе среднего размера:

• Значение давления на фильтре: пропустите линию через сетчатый фильтр и зафиксируйте повышение давления. Плоская кривая подтверждает дисперсию; крутой флаги скопления.
• Оценка оптической дисперсии: нажмите на образец тонкой пластинки или пленки и проверьте его под увеличением по эталонной шкале — тот же метод, который производители маточной смеси используют для выпуска партии.
• Колориметрия: измерение дельты Е по сравнению с сохраненным стандартом на формованной бляшке при фиксированной дозировке. Дрейф между образцами изолирует проблемы питателя или носителя от проблем с пигментом.
• Сравнение текучести расплава: измерьте индекс текучести расплава окрашенного состава по сравнению с натуральной смолой. Большой сдвиг сигнализирует о несовпадении несущих или о передозировке.

Выполняйте проверки в начале каждой новой комбинации материалов, затем через определенные промежутки времени — каждую катушку пленки и трубы, каждые несколько часов при формовании — и сохраняйте результаты в журнале испытаний. Когда несколько месяцев спустя поступает заявление о тенях, этот журнал представляет собой разницу между пятиминутным ответом и неделей спекуляций.

Практический контрольный список перед запуском новой маточной смеси

Прежде чем первый килограмм нового сорта попадет в бункер, следующая последовательность действий предотвращает большинство описанных выше проблем:

1. Убедитесь, что носитель соответствует семейству смол и что его текучесть расплава равна или выше, чем у базовой смолы.
2. Прочтите содержание пигмента в техническом паспорте и пересчитайте коэффициент разбавления — не наследуйте его от предыдущего сорта.
3. Проверьте чувствительность к влаге; предварительно высушенные сорта на носителях из ПА, ПБТ или ПК перед обработкой.
4. Откалибруйте кормушку с помощью теста на улов: запустите мешок на десять минут и взвесьте фактическую производительность.
5. Начинайте дозировку с середины рекомендуемого окна, а не с его края.
6. Установите пакет сит, соответствующий самому тонкому сечению, которое будет получено в ходе анализа.
7. Запланируйте объемы продувки и температуру для переключения в обоих направлениях.
8. Регистрируйте пробу и давление на сетке через фиксированные промежутки времени, начиная с первого часа.

Контрольный список занимает двадцать минут. Отбраковка, которую он предотвращает, обычно требует смены.

Часто задаваемые вопросы

Могу ли я предварительно смешать маточную смесь со смолой вместо использования дозатора?

Да, для небольших тиражей и небольших партий. Перемешивайте смолу и маточную смесь в течение трех-пяти минут и подавайте смесь прямо в горловину. Риск заключается в сегрегации: гранулы разного размера разделяются во время транспортировки и в бункере, поэтому соблюдайте небольшое расстояние и избегайте предварительного смешивания с тонким измельчением. Для чего-либо непрерывного или важного цвета более надежен дозатор на горловине.

С какого коэффициента снижения следует начинать при новой комбинации?

Рассчитайте его по таблице данных — целевую загрузку, разделенную на содержание пигмента — и начните с середины рекомендуемого поставщиком окна. Корректируйте по измеренному цвету на пластинке или образце, а не по тому, как выглядит расплав. Если в потоке присутствует измельченный порошок, уменьшите дозировку свежего продукта пропорционально пигменту, который уже содержится в измельченном материале.

Почему давление расплава и вес детали изменяются, когда я увеличиваю дозировку маточной смеси?

Мастербатч не инертен: носитель и технический углерод меняют поведение расплава. Более высокое содержание пигмента повышает вязкость, носитель с высоким содержанием воска может действовать как антискользящий агент, а носитель с совершенно другим индексом плавления смещает всю кривую пластификации. Ожидайте восстановления баланса противодавления и, при формовании, времени восстановления всякий раз, когда дозировка существенно изменяется.

Может ли одна черная маточная смесь обеспечить производство одновременно ПП и ПЭ?

Иногда. Сорта полиэтилена-носителя широко используются в семействе полиолефинов и дают приемлемые результаты в товарных применениях. Но чем дальше базовая смола находится от носителя (по полярности, температуре обработки или текучести расплава), тем больше блеск, механические свойства и долговременная стабильность продукта. Для технических смол всегда следует использовать специальные марки-носители.

Какая степень очистки необходима для замены черной маточной смеси?

Запланируйте продувку на два-три объема ствола при температуре плавления, превышающей безопасный диапазон материала, и проверяйте образцы порцию за порцией, пока предыдущий цвет не исчезнет. Высоковязкие промывочные составы сокращают время замены. Переход в черный цвет происходит быстро; выход из темноты — это направление, которое требует планирования.

Как маточная смесь добавляется в переработанную смолу?

По тому же двухступенчатому пути — дозирование в горловине и дисперсия в шнеке — с двумя регулировками. Рециклат обычно уже содержит пигмент, поэтому свежая дозировка соответственно снижается, а уровень загрязнения требует лучшей фильтрации на фильере. Влажность является третьей переменной: промытый вторсырь часто требует сушки перед горловиной, чтобы избежать образования гелей, похожих на дефекты дисперсии.

Все вышеперечисленное сводится к привычке, а не к технике: относитесь к добавлению маточной смеси как к измеренному процессу — рассчитывайте соотношение, подавайте по весу там, где этого требует продукт, поддерживайте соответствие носителя и проверяйте с помощью записей о давлении и цвете, а не с помощью зрения. Саму маточную смесь нужно подготовить только один раз, на заводе; дополнение должно быть на вашем этаже каждый час.

E-LUCK производит черные маточные смеси для всего спектра применения — пленки и пакеты, полученные экструзией с раздувом, литье под давлением и оборудование, трубы и профили, упаковку, контактирующую с пищевыми продуктами, внутреннюю и внешнюю часть автомобилей, специальные носители и безносители — с индивидуальным составом для клиентов, чья подложка или спецификация выходят за рамки стандартного окна. Если вы отправите нам тип смолы и индекс плавления, процесс, конечную цель технического углерода и толщину детали или пленки, мы вернемся с рекомендациями по дозировке, техническими данными и образцами для пробного запуска. Правильное сложение начинается с правильной оценки, и этот разговор — самый быстрый путь к обоим.