Дозировка мастербатчей в производстве полимерных изделий

1. Как дозируют сыпучие добавки при переработке полимеров?

Типы дозаторов

В переработке полимеров ключевым требованием является точность смешивания основного полимерного сырья (гранул, порошка) с добавками, в том числе красителями. Для этого используются системы дозирования, которые можно разделить на два основных типа: объемные и гравиметрические (весовые). Рассмотрим их принципы действия, достоинства и недостатки.

Тип 1: объемные дозаторы (Volumetric Feeders)

Этот тип оборудования дозирует материал, подавая его непрерывно с заданным объемным расходом. Принцип действия: за один оборот шнек перемещает строго определенный объем материала. Дозатор работает в предположении, что насыпная плотность материала всегда остается постоянной, поэтому он контролирует только объем, а не массу. Заданный объем подачи достигается исключительно за счет геометрии шнека (диаметра, шага и глубины витка) и скорости его вращения.

Масса подаваемого материала в этом случае зависит от следующих параметров:

• Насыпная плотность.
• Размер, форма, фракционный состав частиц.
• Сыпучесть.

Достоинства объемных дозаторов:

• Относительно низкая стоимость. Оборудование значительно дешевле весовых дозаторов.
• Простота конструкции. Легкость в обслуживании и ремонте.
• Надежность. Меньше электроники и движущихся частей, подверженных износу.
• Высокая производительность. Способность быстро перерабатывать большие объемы материала.

Недостатки:

• Зависимость от плотности. При изменении насыпной плотности материала (например, при использовании регранулята или влажного порошка) точность дозирования падает, так как масса меняется, а объем остается тем же.
• Низкая точность добавок. Эти дозаторы плохо подходят для дорогих добавок, где критичны доли процента, так как погрешность может составлять 3–5% и более.
• Проблемы с материалами с плохой сыпучестью. Может требоваться установка ворошителей или вибраторов, предотвращающих «зависание» материала в бункере.
• Необходимость калибровки при переходе на новый дозируемый продукт.
• Часто дозировка устанавливается «в оборотах шнека», поэтому сложно оценить реальную дозировку по массе.

Тип 2: гравиметрические, или весовые, дозаторы (Gravimetric Feeders)

Это высокоточное оборудование, которое дозирует материал по его массе, компенсируя изменения его плотности и давления в бункере. Принцип действия: бункер или дозирующий узел установлен на тензодатчиках (датчиках веса), а для точности взвешивания помехи от вибрации фильтруются программно.

Достоинства весовых дозаторов:

• Максимальная точность. Обеспечивают стабильность состава продукта, что критически важно для дорогих добавок и для высокого качества окраски.
• Адаптивность. Автоматически подстраиваются под изменение плотности (регранулят, влажность, слеживание).
• Контроль расхода. Позволяют в реальном времени отслеживать расход основного материала и выработку линии.

Недостатки:

• Высокая цена. В несколько раз дороже объемных дозаторов.
• Сложность настройки. Требуют квалифицированной настройки PID-регуляторов и калибровки под конкретный материал («привязки» шнека).
• Чувствительность к внешним факторам. Тензодатчики могут давать ошибки из-за сильной вибрации экструдера или литьевой машины, задевания за соседние элементы (шланги, кабели) и воздушных потоков от пневмотранспорта.

2. Корректно ли измерять дозировку оборотами шнека?

Часто объемные дозаторы поставляются без возможности определения точной дозировки добавок (в т. ч. красителей) в процентах. На экране отображаются только обороты в минуту или проценты оборотов шнека дозатора от оборотов основного шнека.

В этом случае дозировка определяется в относительных величинах. Если цвет изделия визуально устраивает технолога, то такой способ дозировками имеет право на существование.

Значительным недостатком является невозможность определения фактической дозировки онлайн, а также сложность сравнения дозировок конкурирующих продуктов при разной насыпной плотности.

3. Почему важно обращать внимание на насыпную плотность материала?

При использовании объемных дозаторов в переработке полимеров насыпная плотность материала — это один из критических параметров, поскольку такие дозаторы отмеряют порцию не по весу, а по объему (по оборотам шнека за определенное время).

От насыпной плотности зависит, какую массу подает дозатор за определенный промежуток времени. В паспорте качества на добавки и красители всегда указывается насыпная плотность: норма и фактический показатель. При входном контроле на это нужно обращать внимание, так как если насыпная плотность колеблется от партии к партии, то, скорее всего, потребуется калибровка дозатора.

Переработчики часто используют регранулят или дробленку. У дробленки (неправильных, рваных кусков) насыпная плотность на 15–30% ниже, чем у правильных цилиндрических гранул той же марки. Если дозатор настроен под гранулы, то при переходе на дробленку при том же объеме переработчик получит существенно меньшую массу материала в изделии.

Калибровка дозатора требуется при переходе на гранулы от разных производителей, так как насыпная плотность зависит в том числе от формы и размера гранул, а также от плотности входящих в состав мастербатчей добавок и пигментов.

4. Что нужно учитывать при смене концентрата красителя, особенно при переходе на продукцию другого производителя?

Насыпная плотность материала (гранул) зависит от следующих параметров:

1. Плотность базового полимера (необходимо соответствие).
2. Плотность добавок, пигментов, наполнителей.
3. Размер гранул концентрата (мастербатча).
4. Форма гранул концентрата (мастербатча).

Насыпная плотность, как правило, указана в паспорте качества на продукт: нормативные значения и фактический показатель.

При переходе с цвета на цвет, а также при использовании мастербатчей одного цвета, но от разных производителей, важно проводить калибровку дозатора.

В первом случае, как правило, меняется только плотность материала за счет отличий в плотности пигментов и наполнителей, а размер и форма гранул обычно остаются неизменными. Здесь можно обойтись простым пересчетом насыпной плотности и задать нужное количество оборотов шнека дозатора, но лучше сделать калибровку.

Во втором случае, когда переработчик переходит на гранулы другого производителя, калибровка ОБЯЗАТЕЛЬНА! Так как реальная подача материала шнеком дозатора зависит не только плотности, но и от размера и формы гранул.

5. Почему у разных производителей мастербатчей разная дозировка для окрашивания одного и того же полимера?

Концентраты красителей для окрашивания полимерных изделий состоят из базового полимера, пигмента (чаще смеси пигментов), наполнителя и диспергаторов. Рецептуру концентрата красителя производитель разрабатывает самостоятельно, исходя из требований клиента, процесса переработки и возможностей дозаторов. В результате концентраты красителей могут содержать разное количество пигментов и наполнителя, что напрямую влияет на дозировку мастербатча при окрашивании конечного изделия.

Например, если один концентрат содержит 30% пигмента, а другой 15%, то дозировка по массе у них будет отличаться ровно в 2 раза при окрашивании одного и того же изделия.

Также на дозировку концентрата красителя влияет толщина стенок изделия: чем она выше, тем ниже расход красителя. Например, при окрашивании литьевых изделий с толщиной стенок 1–2 мм расход концентрата красителя будет составлять 1–1,5%, а для пленки толщиной 40–50 мкм расход может составить уже 5–6% для достижения того же цвета.

Высокое содержание наполнителя в цветном мастербатче, с одной стороны, удешевляет рецептуру, а с другой стороны, повышает расход красителя при окрашивании полимерного изделия.

На дозировку концентрата красителя могут накладывать ограничение возможности дозировочного оборудования — по верхней или нижней дозировке. В этом случае концентрация пигментов в мастербатче подбирается для «комфортной» работы дозатора.