1. Рынок черных концентратов
Черные концентраты занимают значительную долю рынка переработки полимерных материалов – они активно применяются для окрашивания и светостабилизации непрозрачной полимерной упаковки, технических изделий, изоляционных покрытий, георешеток, полимерных труб и других изделий. На отечественном рынке доля полиолефиновых черных концентратов составляет около 30 %.
Объем рынка черных концентратов находится в постоянной динамике, что поддерживается ростом производств полимерных изделий для жилого и дорожного строительства, разнообразных ТНП и особенно – упаковки (рис. 1). Драйвером роста сегмента гибкой упаковки в последнее время активно выступает сегмент электронной коммерции (e-commerce), которая демонстрирует взрывной рост. Остановимся на этом интересном явлении поподробнее.
Российский рынок традиционного ритейла в последнее время ежегодно прирастал лишь на 1–2 %, тогда как объемы e-commerce увеличились в разы. За 2023 г. россияне сделали около 4,7 млрд онлайн-заказов, потратив на них 7,7 трлн руб. Согласно прогнозам, к 2028 г. объем продаж продовольственных и непродовольственных товаров через интернет-площадки в России существенно вырастет (рис. 2).
Как правило, заказ на маркетплейсе формируется из нескольких товаров, и каждый из них нужно индивидуально упаковать сообразно его характеристикам и условиям транспортировки от распределительного центра до клиента через пункт выдачи заказов или с помощью курьера. Так, за прошлый год в соответствии с запросами ведущих игроков отечественного рынка e-commerce было произведено свыше 68 тыс. т различной гибкой полимерной упаковки, в том числе 97 % из них – на российских предприятиях.
Темпы развития сферы e-commerce впечатляют: в 2024 г. объем продаж российского интернет-ритейла значительно увеличился и превысил 10 трлн руб. Этот стремительный рост стимулирует развитие многих других рыночных сегментов. Практически во всех отраслях будут востребованы соответствующие решения со стороны производителей полимерной продукции. Продолжит расти спрос на гибкую и жесткую упаковку для e-commerce, появятся и совершенно новые требования к ней. Это касается не только индивидуальной упаковки товаров, но и транспортной, обеспечивающей процессы хранения, сортировки и упаковывания заказов «на последней миле» доставки. К транспортной упаковке относится пластиковая тара различного назначения, курьерские сумки для переноски заказов, стрейч-пленки и клейкие материалы.
Развитие логистики и расширение географии онлайн-продаж потребует строительства складов, распределительных и сортировочных центров – как правило, быстровозводимых и высокофункциональных. И для строительства, и для оснащения этих зданий нужны современные полимерные решения – пластиковые паллеты, поддоны, стеллажи, отделочные материалы, трубы. Перспективы в этом сегменте велики: например, под брендом Wildberries сейчас работает более 60 распределительных центров, а у OZON – уже 78 складских помещений различного назначения.
Для всех указанных полимерных изделий применяются черные концентраты, причем для каждого направления существуют оптимальные решения, о которых более подробно будет рассказано далее.
2. Технический углерод как пигмент для черных концентратов
Основным пигментом для черных концентратов является технический углерод или, выражаясь простым языком, – «сажа», хотя это и не совсем корректно с точки зрения их получения: технический углерод производится в промышленных масштабах и строго контролируемых условиях, в то время как «сажа» – продукт разложения углеводородного сырья (каменного угля, нефтепродуктов, древесины и др.). Однако далее в тексте под «сажей» будет подразумеваться именно технический углерод.
В некоторых случаях, когда к продукции предъявляются специфические требования, используются и другие пигменты, такие как железо-оксидные или особые смеси органических и неорганических пигментов, которые обеспечивают глубокий черный цвет, например, для так называемых carbon-free (бессажевых) концентратов, о которых будет сказано ниже. Технический углерод известен своей высокой красящей способностью и оптической плотностью, что делает его идеальным для полимерных изделий, требующих долговременной светостойкости, таких как трубы, оболочки кабелей или покрытия металлических трубопроводов. Также он незаменим для черных упаковочных пленок, где важна их непрозрачность.
Одним из факторов, способствующих популярности технического углерода, является его низкая цена, которая зачастую ниже стоимости большинства полимеров. Это приводит к тому, что повышение концентрации сажи в концентрате позволяет снизить его стоимость при прочих равных условиях.
При оценке свойств и областей применения концентратов на основе технического углерода важно учитывать тип используемой сажи. Стоит отметить, что международная классификация технического углерода ASTM D 1765 основывается на его стойкости к истиранию резиновых вулканизатов. Это исторически сложившаяся практика, поскольку около 90 % (здесь и далее – % мас.) производимой сажи используется в качестве усиливающего компонента в производстве резины для шинной промышленности.
В табл. 1 приведена сравнительная характеристика типов технического углерода согласно ASTM D 1765 – от высокодисперсных и высокоструктурных марок (SAF: Super Abrasion Furnace, марка N100) до низкодисперсных и низкоструктурных (MT: Medium Thermal, марка N900).
Концентраты ISAF и HAF, содержащие высокодисперсные (с малым размером частиц) и высокоструктурные (c большой разветвленностью агрегатов) типы сажи с большой удельной поверхностью, обладают отличной красящей способностью и высокой укрывистостью. Однако эти типы сажи можно эффективно диспергировать лишь при их содержании в концентрате не более 40 %, в редких случаях – до 45 % при комбинировании различных марок технического углерода. Также существуют черные концентраты с 50%-ным содержанием сажи (FEF), которые имеют хорошую укрывистость. Тем не менее большинство черных концентратов с содержанием сажи 50–60 % изготавливается с использованием низкодисперсных марок углерода типа GPF и (или) SRF, которые обладают лучшей диспергируемостью. Несмотря на высокое содержание сажи, такие концентраты уступают по укрывистости и светостабилизирующей способности продуктам, содержащим 40 % сажи типа ISAF, поскольку частицы сажи типа GPF и SRF значительно крупнее.
Размер частиц технического углерода также оказывает влияние на цветовой тон окрашиваемых изделий: марки сажи с частицами диаметром 20–30 нм придают изделиям синеватый оттенок (на отражение), в то время как низкоструктурные сажи SRF — коричневатый. При этом сажа SRF значительно легче распределяется в полимере, что делает такие концентраты востребованными на рынке бюджетной упаковки. Однако увеличение их содержания может не полностью компенсировать снижение стоимости.
На рынке также представлены особые марки сажи, предназначенные для окрашивания и светостабилизации пластиков, в частности полимерных композиций для напорных труб (газовых и водоснабжения) и тонких многослойных пленок. Это сажи марки p-type, которые отличаются низким содержанием золы, серы и экстрагируемых веществ (менее 0,1 %). Благодаря этому сажи p-type могут использоваться в изделиях, контактирующих с пищевыми продуктами, и в трубах водоснабжения. Их стоимость значительно выше, чем у технического углерода общего назначения, и они обычно применяются для производства премиум-концентратов.
3. Классы черных полиолефиновых концентратов и их назначение
Черные полиолефиновые концентраты, наиболее распространенные на рынке, можно условно разделить на три класса в зависимости от цены, состава и качества:
- премиум: высококачественные концентраты, используемые для производства высокотехнологичной продукции;
- стандарт: универсальные концентраты для окрашивания массовой продукции;
- эконом: удешевленные концентраты с некоторым снижением параметров качества.
Следует заметить, что в последние годы на российском рынке заметно выросла доля черных полиолефиновых концентратов премиум-класса (рис. 3).
Качество полиолефиновых концентратов оценивается через свойства окрашиваемых изделий и технологичность процесса окрашивания, в частности через укрывистость и диспергируемость.
Укрывистость, как основная характеристика непрозрачности черных пленок, косвенно оценивается через оптическую плотность D пленок из ПЭНП толщиной 50 мкм с добавлением 2% мас. концентрата. При этом чем выше значениеD, тем лучше укрывистость.
Диспергируемость оценивается через показатель фильтр-теста, т.е. повышение давления при экструзии расплава полимера, окрашенного исследуемым концентратом, перед калиброванной сеткой. Здесь качество диспергирования технического углерода тем лучше, чем ниже значение фильтр-теста и меньше размер ячеек фильтрующей сетки.
3.1. Концентраты премиум-класса
К премиум-классу относятся концентраты, предназначенные для окрашивания тонких полимерных пленок, волокон и упаковки высокого качества. Для их производства используются специализированные марки сажи, такие как ISAF, HAF и p-type, а основой служит ЛПЭНП, который обладает лучшими смачивающими и диспергирующими свойствами. Эти концентраты не содержат неорганические наполнители, такие как мел или тальк и обеспечивают отличную укрывистость и насыщенный черный цвет. Важным требованием является высокая дисперсия сажи: показатель фильтр-теста должен быть менее 1,5 бар/г при использовании сетки с ячейками 5 мкм. Сравнительная характеристика импортных и отечественных премиум-концентратов с 40%-ным содержанием технического углерода представлена в табл. 1.
Несмотря на высокую цену концентратов премиум-класса, спрос на них на российском рынке увеличивается (см. рис. 3). Так, если в 2014 г. объем их потребления составлял примерно 130 т в месяц, то в 2024 г. он вырос более чем в 6 раз – до 820 т. Это связано с тем, что для окрашивания и светостабилизации высококачественных полимерных материалов, таких как многослойные пленки, пленки для ламинации, волокна из ПП и специализированные кабельные композиты, чье производство существенно выросло за эти годы, необходимы концентраты, которые обеспечивают глубокий черный цвет, хорошую укрывистость и не снижают физико-механические характеристики окрашиваемых материалов.
Кроме того, к премиум-классу относятся концентраты, используемые для светостабилизации труб и кабелей, причем в составе таких концентратов не должно быть мелкодисперсного карбоната кальция. Обычно они содержат 30–40 % сажи ISAF или p-type, а основой служат ЛПЭНП, так как такие концентраты используются для труб водоснабжения и газопроводов.
3.2. Концентраты стандарт-класса
Черные полиолефиновые концентраты стандарт-класса являются одними из наиболее популярных на рынке (см. рис. 3). Они широко применяются для окрашивания различных полимерных изделий, включая литьевые детали, профили, листы и упаковочные пленки. Для их производства не требуются дорогие высококачественные марки сажи. Вместо этого используются более доступные типы технического углерода, такие как FEF или смеси HAF и FEF. В качестве полимерной основы применяется не только ЛПЭНП, но и более дешевый ПЭНП или их смеси. Одним из ключевых факторов удешевления является добавление мелкодисперсного карбоната кальция (мела) в концентрации от 10 до 50 %.
Небольшое количество мела в составе концентрата может даже повысить его красящую способность. Это происходит за счет того, что субмикронные частицы сажи лучше распределяются на поверхности более крупных частиц мела. Также мел придает литьевым изделиям и профилям более высокую жесткость, снижает усадку, а в пленках улучшает поперечную прочность, свариваемость и разнимаемость благодаря антифибрилляционному и антиблокирующему эффектам. Сравнительная характеристика отечественных и импортных концентратов стандарт-класса приведена в табл. 3.
Укрывистость концентратов стандарт-класса ниже, чем у премиум-концентратов, и для измерения фильтр-теста используется более грубая 10-микронная сетка. Несмотря на менее тонкое диспергирование сажи и добавление мела, эти концентраты не подходят для высокотехнологичных и ответственных применений. Тем не менее их красящая способность, хотя и может уступать премиум-продуктам, вполне достаточна для массового производства.
3.3. Концентраты эконом-класса
Когда речь идет о черных концентратах эконом-класса, основными факторами выбора становятся цена и минимальные требования к укрывистости и технологичности производимых изделий. В этом сегменте можно даже заметить своеобразное соревнование среди производителей – кто сможет снизить цену, увеличив при этом долю мелкодисперсного карбоната кальция в составе, не ухудшая при этом основные свойства концентрата.
Концентраты эконом-класса обычно применяются в тех областях, где требования к прочности и насыщенному черному цвету продукции не являются критичными. Эти концентраты часто используются для производства недорогой упаковки, мусорных мешков, черных строительных и хозяйственных ведер, пленок, дренажных и канализационных труб, а также для изготовления ТНП. В таких концентратах содержание сажи типа HAF, FEF или GPF редко превышает 30 %, но доля мелкодисперсного мела в некоторых марках концентратов может составлять более 50 %. Сравнение свойств отечественных и зарубежных концентратов эконом-класса приведено в табл. 4.
Следует заметить, что концентраты эконом-класса уступают стандартным по укрывистости и имеют более скромные результаты в фильтр-тесте. Поэтому их следует использовать с осторожностью при окрашивании тонких пленок из ПЭВП или в изделиях с высокими требованиями. Также важно отметить, что большое количество карбоната кальция может придавать окрашиваемым изделиям белесоватый оттенок и делать их поверхность матовой, поскольку частицы мела могут вытесняться на внешнюю поверхность. Однако существенным плюсом, перевешивающим для многих переработчиков все недостатки эконом-концентратов, является их низкая стоимость. Из-за значительного содержания дешевых компонентов (карбонат кальция и сажа) цена этих концентратов может быть даже ниже, чем у самого полимера. Именно по этой причине такие рецептуры продолжают пользоваться популярностью.
4. Черные carbon-free-концентраты
Есть случаи, когда применение технического углерода для окрашивания пластмасс может привести к неожиданным затруднениям. Это связано с использованием автоматических систем сортировки полимерных изделий, которые значительно ускоряют процесс переработки по сравнению с ручным трудом. Этот метод особенно эффективен при производстве однотипных изделий в больших объемах, таких как бутылки, флаконы и баночки для косметики. Оснащение производственной линии системами оптического распознавания полимеров позволяет идентифицировать материалы по цвету и химическому составу.
Технология автоматической сортировки может быть использована как при переработке отходов пластмасс, так и на предприятиях с высокой степенью автоматизации контроля выпуска готовой продукции. Основа технологии заключается в облучении полимерных отходов излучением определенной волны с последующим спектральным анализом отраженного от материала излучения. Для определения цвета используется датчик, реагирующий на излучение в видимом спектре, а для анализа химического состава полимера применяется датчик в ближнем ИК-диапазоне. Система распознает полимеры путем сопоставления спектра отраженного света с базой данных.
Однако проблемы возникают при сортировке черных изделий, окрашенных сажей, так как углерод поглощает излучение как в видимом, так и в ИК-диапазоне, что затрудняет идентификацию. Для решения этой проблемы были разработаны черные бессажевые (carbon-free) концентраты, которые обеспечивают глубокий черный цвет и высокое качество окрашивания, при этом позволяют эффективно сортировать изделия с помощью оптических систем.
Компания БАРС-2 (Санкт-Петербург) предлагает такие концентраты под торговой маркой БАСКО™. Концентрат БАСКО™ П1902/28-ЛП обладает глубоким черным цветом с сине-зеленым оттенком на просвет и дозировкой 1–2 %. Он предназначен для окрашивания полиолефинов. Концентрат БАСКО™ П4902/18-СН имеет глубокий черный цвет с повышенным глянцем и дозировкой 0,5–2,0 %. Он используется для изделий из САН и АБС-пластика. Эти концентраты разработаны для окрашивания полимерной упаковки, что позволяет эффективно сортировать изделия с помощью ИК-сканеров.
Заключение
Общий обзор рынка черных концентратов свидетельствует о том, что потребители могут найти подходящий продукт для любых нужд. Важно подчеркнуть, что отечественные концентраты по своим техническим характеристикам не уступают импортным аналогам. Однако важно помнить, что стоит выбирать продукт не только по минимальной цене, но и с учетом требований к качеству. Грамотно подобранный сажевый концентрат с оптимальной дозировкой и хорошим смешением с полимером обеспечит улучшенные физико-механические свойства, светостабильность и долговечность полимерных изделий черного цвета.
Black (Masterbatches) Start and Win. Market, Application Features and New Growth Drivers
A. I. Mishin
D. V. Kositsky
Black masterbatches for coloring polymer products are widely in demand in production processes, where not only an aesthetic appearance of the products is required, but also an improvement in the functional characteristics of the polymer. Masterbatches are a homogeneous mixture of carbon black and (or) other pigments, heat stabilizers and antioxidants, as well as other functional additives in the base polymer. Their use makes it possible to significantly increase the durability, UV resistance and other consumer characteristics of a polymer product painted in black. Recently, the role of black masterbatches has been increasing due to their growing use in polymer packaging, automotive components, construction and electrical products. This article discusses market and some features of the use of black masterbatches, their impact on polymer properties and trends in their development.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 4 (311) 2025 г., с. 24-30.
