Подписаться 
Полиолефины (полиэтилен и полипропилен) — распространенные полимеры в мире, недорогие и универсальные. В основном они окрашиваются пигментами непосредственно при изготовлении изделий методами экструзии или литья под давлением.
Полиолефины относятся к неполярным материалам, что затрудняет смачивание и удержание частиц пигмента, которые не растворяются в полимере, а распределяются в нем, оставаясь твердыми. Качество такого окрашивания напрямую зависит от диспергирования — процесса измельчения агломератов (скоплений) пигмента на первичные частицы и их равномерного распределения в расплаве.
Для окрашивания полиолефинов можно использовать три основные формы пигментов:
- Порошки — редко применяются из-за пыления и сложности дозирования.
- Мастербатчи (концентраты) — полимерные гранулы с высоким содержанием пигмента (до 60%).
- Жидкие концентраты (взвеси пигментов в жидкости) — требуют специальных дозаторов, но хорошо смешиваются и работают в низкой дозировке.
1. Типы пигментов для полиолефинов
Неорганические пигменты
Чаще всего используется ярко-белый диоксид титана (TiO₂) или черная сажа (технический углерод, С). Для полиолефинов выпускаются специальные марки с различными типами поверхностной обработки частиц (т. е. с добавками для лучшего диспергирования). Другие неорганические пигменты (оксиды железа, кадмия, хрома и т. д.) используются реже. Некоторые из них ограничены в применении из-за токсичности (например, хромат свинца) или недостаточной яркости. Как правило, неорганические пигменты отличаются термостойкостью и хорошо выдерживают высокие температуры расплава.
Органические пигменты
Органические пигменты дают яркие и насыщенные цвета даже при низких концентрациях в расплаве (0,01–0,06%), поэтому практически не влияют на механические свойства изделий. Однако они, за редким исключением, менее термостойки, чем неорганические. Кроме того, они сложнее в диспергировании и склонны к повторной агломерации. Наиболее проблемные — фталоцианиновые пигменты (синие и зеленые), которые требуют применения специальных диспергаторов. Механизм действия этих добавок основан на смачивании поверхности частиц и создании на ней стерического барьера (наноразмерной защитной оболочки), предотвращающего повторную агломерацию.
2. Ключевые критерии выбора пигментов
Термостойкость
Полиолефины перерабатываются при высоких температурах: 200—300°C в зависимости от производимых изделий. Если пигмент применяется в виде мастербатча, он должен выдерживать нагрев дважды: сначала при производстве мастербатча, затем при производстве готового изделия. Для полипропилена, где температуры могут достигать 230—260°C, это критично. Дешевые органические пигменты могут разлагаться, меняя оттенок или выделяя газы, что приводит к пузырькам в пластике.
Случай из практики
Производитель ламинационной пленки попробовал добавить в расплав стандартный пленочный мастербатч голубого цвета, но не учел, что температура экструзии достигала 300°С. Обычные фталоцианиновые пигменты не рассчитаны на такой нагрев. В результате пленка изменила цвет из-за разложения пигмента. Для решения этой проблемы компания «Интернешнл Пластик Гайд» с помощью Rajiv Plastics разработала специальную марку мастербатча с пигментом, выдерживающим 300°С и отвечающим требованиям клиента к цвету.
Светостойкость и атмосферостойкость
Светостойкость — это способность пигмента сохранять свой первоначальный цвет под воздействием света (солнечного или искусственного) в отсутствие других атмосферных факторов. Светостойкость пигментов измеряется по 8-балльной шкале «Синяя шерсть» (Blue Wool Scale) в баллах: 1 — очень низкая светостойкость (выцветает за несколько дней), 8 — максимальная светостойкость (несколько лет без изменений). Название шкалы объясняется методом тестирования в сравнении с шерстяными образцами синего цвета, который широко используется в текстильной и полимерной индустрии.
Атмосферостойкость пигмента — это более комплексный параметр. Он показывает способность пигмента сопротивляться совокупному воздействию всех факторов внешней среды: солнечного света, влаги (дождь, роса), тепла, холода и промышленных загрязнений. Эта характеристика часто измеряется по 5-балльной «Серой шкале» на основе изменения цвета, степени меления (одного из видов деградации полимера) или разрушения полимерного покрытия после натурных испытаний или ускоренного старения в специальных камерах. 1 балл — очень низкая атмосферостойкость, 5 баллов — максимальная.
Миграционная устойчивость
Пигмент не должен мигрировать на поверхность изделия («выпотевать») или провоцировать стресс-крекинг (растрескивание полимера под напряжением). Кроме того, для многих применений — от упаковки продуктов питания до медицинских изделий — он должен обладать максимальной химической инертностью по отношению ко всему, с чем может соприкасаться, в том числе при температурах разогревания пищи и стерилизации медизделий.
Диспергируемость
Плохое диспергирование — причина многих проблем:
- неравномерность окраски;
- снижение прочности (особенно в тонких пленках);
- забивание фильтра экструдера и обрывы нитей при производстве волокон.
Два случая из практики
1. Производитель мастербатчей для пленок использовал двухэтапный техпроцесс, чтобы получать равномерное распределение частиц в тонком слое полимера. Затраты на производство были высокими, но после изучения техпроцесса их удалось сократить с помощью специального диспергатора для органических пигментов: Finasperse DT500N. Теперь эти же мастербатчи с требуемой дисперсностью изготавливаются за один этап, при этом сохранилось высокое качество пленки — без разводов и агломератов.
2. Производитель ПП-спанбонда закупил стандартный черный пленочный мастербатч, не рассчитанный на специфику нетканых текстильных материалов. Это привело к обрывам нитей, каплепадению и быстрому засорению фильтрующих сеток: каждые 48 часов приходилось останавливать оборудование для прочистки. Решением проблемы стал черный мастербатч Black spunUP 21866006 с высокой дисперсностью сажи и низким значением фильтр-теста (ΔP, FPV). Каплепадение и обрывы прекратились, а пробег оборудования между чистками увеличился до 21 дня.
Концентрация и красящая способность
Органические пигменты (например, фталоцианиновые синие и зеленые, красные) позволяют получать яркие цвета при низких концентрациях в полимере, но обычно не обеспечивают непрозрачности. Неорганические (например, диоксид титана, сажа, оксиды железа) требуют более высоких концентраций, но позволяют достигать хорошей укрывистости, то есть выпускать непрозрачные изделия.
Выбор пигмента в зависимости от сферы применения
Группа изделий |
Приоритеты |
Выбор |
|---|---|---|
Изделия для наружного применения |
Долговечность, УФ-стабильность |
Диоксид титана с обработкой оксидом кремния (R-105, R-960), высококачественные органические пигменты |
Пищевая упаковка |
Чистота, отсутствие миграции |
Специальные марки, соответствующие санитарным нормам |
Кабельная оболочка и изоляция, тонкие пленки |
Равномерное диспергирование, отсутствие агломератов |
Пигменты с гидрофобной обработкой и низким влагопоглощением |
Трубы и крупногабаритные изделия |
Экономичность, технологичность |
Во многих случаях можно использовать доступные пигменты, если они не способствуют растрескиванию труб; важна хорошая текучесть окрашенного расплава |
Волокна и нити |
Чистота расплава, отсутствие засорений |
Специальные марки мастербатчей с превосходной дисперсией и текучестью |
3. Дополнительные требования к мастербатчам
Для окрашивания компаундов из полиолефинов чаще всего применяются мастербатчи. Чтобы изделия были прочными, красивыми и служили долго, важно понимать, как взаимодействуют три компонента: пигмент, носитель мастербатча и основной полимер.
Пигмент
Выбор пигмента в мастербатче основывается на тех же рассмотренных выше критериях, что и выбор пигмента вообще. Однако добавляется ключевое требование: качество заводского диспергирования. Пигмент в мастербатче должен быть идеально диспергирован еще на стадии производства концентрата, чтобы при смешивании с основным полимером не возникало проблем.
Полимер-носитель
Это очень важный и часто недооцениваемый аспект. Выбор полимера-носителя, доставляющего пигмент в основную полимерную массу, зависит от типа изделия и технологии переработки.
Основной критерий — совместимость: полимерная основа мастербатча должна быть совместима с основным полимером. Мастербатч на полиэтиленовом носителе (ПЭНП) идеально подходит для окрашивания полиэтилена; на полипропиленовом (ПП) — для полипропилена. Часто для удобства и экономии используют универсальные мастербатчи на основе линейного полиэтилена (ЛПЭНП), которые отлично совмещаются со всеми полиолефинами и пригодны для большинства процессов переработки. Могут также подойти универсальные мастербатчи на основе этиленвинилацетата (ЭВА), но у них есть ограничения.
Показатель текучести расплава (ПТР) носителя должен соотноситься с ПТР основного полимера. При большой разнице в вязкости возможны проблемы как с перемешиванием (разводы), так и с механическими свойствами конечного изделия.
4. Как выбрать мастербатч под конкретное изделие
Понимание связки «пигмент — носитель — конечное изделие» позволяет подобрать идеальный концентрат для каждой задачи.
Литье под давлением: толстостенные изделия и прочность
Примеры изделий: крышки для бутылок, контейнеры, детали автомобилей, ящики. Требования: высокая прочность, ударная вязкость, стабильность размеров. Выбор носителя: его показатель текучести расплава (ПТР) должен быть таким же, как у основного полимера, или немного выше. Если ПТР носителя будет слишком низким, это создаст напряжение в отливке, а если слишком высоким, то возможно расслоение. Выбор пигмента: для самых прочных деталей (например, бамперов) — стойкие к атмосферным воздействиям марки. Для пищевых контейнеров основное требование — соответствующие допуски.
Экструзия пленки (рукавная или плоскощелевая)
Примеры изделий: пакеты, стретч-пленка, термоусадочная пленка. Требования: отсутствие нерасплавленных частиц (гелей), равномерность толщины, высокая прочность на разрыв и прокол. Толщина пленки обычно составляет 6–250 микрон, поэтому даже микроскопический сгусток пигмента может привести к разрыву. Выбор носителя: в идеале — с таким же ПТР, как у пленочной марки ПЭ; обычно используют ПЭНП или ЛПЭНП. Выбор пигмента: требуется максимально тонкое диспергирование. Пигменты должны иметь гидрофобную обработку и минимальную влажность, чтобы при нагревании не возникали пузырьки пара, разрывающие тонкий материал. Для пищевой пленки необходим строгий контроль отсутствия миграции, тяжелых металлов и других опасных примесей.
Экструзия труб и профилей
Примеры изделий: водопроводные трубы, гофра, сайдинг. Требования: долговечность, стойкость к давлению и УФ-излучению. Выбор пигмента: часто применяется высокодисперсная сажа (для черных труб) и диоксид титана (для белых). Черные трубы для наружных сетей окрашивают мастербатчами с высоким содержанием высококачественной сажи, которая работает, в частности, как УФ-стабилизатор. Для белых труб и профилей используют диоксид титана рутильной кристаллической модификации (наиболее стойкой к солнечному свету) с защитной оболочкой (например, R-105), чтобы предотвратить меление и пожелтение на солнце. Выбор носителя: он должен иметь полную совместимость с основным полимером, чтобы частицы пигмента не становились центрами образования трещин под давлением.
Производство волокон и нитей
Примеры изделий: мультифиламентные нити, геотекстиль, нетканое полотно (спанбонд), мельтблаун. Требования: чистота расплава, постоянство диаметра нити, высокая прочность, отсутствие каплепадения. Выбор пигмента: особенно важно использование мелкодисперсных пигментов с равномерным помолом и узким распределением частиц по размерам. Необходимы специальные марки диспергаторов для равномерного окрашивания и для защиты от быстрого засорения фильтрующих сеток. Выбор носителя: неправильно подобранный носитель, как и плохое диспергирование, приведет к забиванию фильтров и обрыву нитей. Как правило, используются мастербатчи на основе специальных марок полиолефинов: «fiber grade» с очень высокой текучестью расплава.
5. Чек-лист по выбору мастербатча для окрашивания изделий из полиолефинов
Какое основное сырье? (ПЭНП, ПЭВП, ЛПЭНП, ПП.)
- Носитель мастербатча должен быть совместим с основным полимером.
Какой ПТР основного сырья?
- Носитель мастербатча должен быть близок по текучести или иметь немного более высокий ПТР.
Какая температура переработки?
- Пигмент и его носитель должны выдерживать эту температуру (с учетом нагрева при производстве мастербатча).
Где будет эксплуатироваться конечное изделие?
- На открытом воздухе — требуется высокая светостойкость (7–8 баллов).
- В контакте с пищевыми продуктами — требуется высокая миграционная стойкость и соответствующий допуск.
- В агрессивной среде — требуется химическая инертность (например, к кислотам, щелочам, хлору).
Какая толщина изделия?
- Тонкие пленки (менее 50 микрон) — требуется гидрофобная обработка и максимальное диспергирование.
- Толстостенное литье — как правило, допустимы экономичные марки.
- Нити и волокна — требуется максимальное диспергирование пигментов и низкий показатель фильтр-теста (ΔP, FPV).
Правильно подобранный мастербатч — это одно из обязательных условий качества ваших изделий. Уделите время анализу параметров пигмента и мастербатча, и ваши изделия будут радовать ярким цветом и безупречным качеством долгие годы.
Комментарии (0)