Окрашивание и модификация суперконструкционных пластиков

Введение

Суперконструкционные пластики (high-performance plastics) используются в основном тогда, когда требования к термо- и химической стойкости изделий из них очень высоки и (или) когда они подвергаются высоким механическим нагрузкам. Эта группа термопластов в отличие от стандартных (standard plastics) и инженерных (engineering plastics) пластиков также характеризуется значительно более высокой температурой длительной эксплуатации, обычно более 150 °C. Суперконструкционные пластики с температурой их переработки до 420 °C образуют вершину так называемой пирамиды термопластов (рис. 1).

Существуют как частично кристаллические, так и аморфные суперконструкционные пластики. К первым, например, относятся полиэфирэфиркетон (PEEK) и полифениленсульфид (PPS), ко вторым – полиэфиримид (PEI), полисульфон (PSU), полиэфирсульфон (PES) и полифениленсульфон (PPSU). Эти материалы, несмотря на их гораздо более высокую стоимость по сравнению со стандартными и инженерными пластиками, все более широко используются во многих отраслях промышленности, в частности, в машиностроении, автомобильной, медицинской, аэрокосмической и других отраслях. Причем используются в особенно жестких условиях эксплуатации – там, где инженерным или, тем более, стандартным пластикам «не под силу» отвечать требованиям, предъявляемым к свойствам материалов.

Примером служит автомобильная промышленность, а точнее – ее быстрорастущий сектор в виде электромобилестроения, где все чаще применяются исключительно электрические приводы. Например, для обеспечения высокой электрической мощности, необходимой для зарядки, в электромобилях используются бортовые сети напряжением 400 или даже 800 В. При этом сила тока, создаваемого зарядными устройствами большой мощности, часто достигает 500 А, и тогда при напряжении 400 В теоретически возможна максимальная мощность зарядки, равная 200 кВт. В этом случае для кабеля сечением 50 мм² мощность тепловых потерь составляет около 85 Вт на 1 м электрической линии. Поэтому высокотемпературные нагрузки на кабели и разъемы требуют для их производства соответствующих материалов.

В медицине благодаря хорошей термической и химической стойкости суперконструкционных пластиков можно производить из них многоразовые изделия, которые допускаю их стерилизацию в автоклаве водяным паром при температуре 134 °C, что также повышает экологичность продукции, способствуя сокращению количества отходов.

В аэрокосмической промышленности суперконструкционные пластики пользуются большим спросом прежде всего из-за их высокой механической прочности, в химической промышленности – благодаря их высокой стойкости к агрессивным химическим средам.

Возможности и ограничения

Вместе с тем суперконструкционные пластики не лишены недостатков, среди которых их высокая стоимость, а также определенные трудности при окрашивании и модификации. За последние 60 лет концентраты красителей и добавок, или так называемые мастербатчи, завоевали прочное место в области переработки пластмасс в качестве красящих и функциональных добавок. Для стандартных термопластов в настоящее время доступны различные системы полимерных носителей, добавок и красителей, которые без особых проблем позволяют индивидуально адаптировать изделие к требованиям заказчика. Рекомендации поставщиков сырья для добавок и красителей в этой области очень обширны и дополняют многолетний опыт производителей концентратов.

Однако ситуация с инженерными пластиками уже выглядит по-другому. Любой тип таковых может оказывать негативное влияние на красители и добавки из-за уже содержащихся в нем стабилизаторов процесса (так называемый антагонизм добавок), а также реакционной способности полимера в расплаве. Ключом к успеху в производстве этих материалов является опыт производителя концентратов добавок и красителей и доверительное взаимодействие между клиентом и поставщиком. Этот фактор усиливается в случае суперконструкционных пластиков. Если желаемый оттенок должен выходить за рамки бежевого, серого или коричневого цвета, необходимы точные знания о свойствах красителей и, соответственно, их пригодности для конкретного полимера (рис. 2). Первым показателем пригодности является термостойкость, указанная поставщиком красителя. Однако, эта информация доступна, как правило, только для красителей, предназначенных для стандартных и инженерных пластмасс.

Поэтому производители концентратов для суперконструкционных пластиков должны проводить их обширный предварительный анализ и испытания. Например, при испытании в соответствии с процедурой A стандарта DIN 12877-2 тестируемый краситель перерабатывается на литьевой машине с использованием соответствующего окрашиваемого пластика в течение 5 мин, после чего осуществляется литье образца окрашенного пластика. При этом температуру переработки очередной дозы гранулированного концентрата ступенчато повышают на 10 °C до тех пор, пока не будет достигнута конечная температура или не разложится краситель. Термостабильность же можно определить по изменению цвета литьевых образцов с помощью фотоспектрометра.

Химический состав красителей или добавок, а также их устойчивость к возможным химическим реакциям в расплаве не менее важны, чем термостойкость. Что касается органических пигментов, то при разложении они часто приобретают коричневатый оттенок в результате разрушения хромофора или флуоресценции в процессе растворения. Температура, при которой добавка или краситель переходят в газообразное состояние, играет важную роль в растворимых красителях. Это также называется склонностью вещества к сублимации.

В зависимости от области применения необходимо учитывать и другие требования при выборе красителей и добавок. Таковыми, например, являются:

• устойчивость к свету и погодным условиям;
• химическая стойкость к кислотам, щелочам и растворителям;
• пригодность для применения в соответствии с нормативными требованиями, например, для питьевой воды, контакта с пищевыми продуктами или медицинским оборудованием;
• отсутствие негативного взаимодействия с красителями наполнителей, которые могут содержаться в пластиках.

Красящие вещества

Веществами, используемыми для окрашивания пластиков, обычно являются неорганические и органические пигменты, а также органические красители. Большинство неорганических пигментов обладают отличной термостабильностью и высокой устойчивостью к свету и атмосферным воздействиям. Поэтому многие из этих пигментов используются для окрашивания суперконструкционных пластиков. Так, диоксид титана (TiO₂), который служит наиболее часто используемым белым пигментом, сочетает в себе высокую цветопередачу и непрозрачность. Черным аналогом TiO₂ является сажа. Это наиболее часто используемый пигмент черного цвета, так как он также стабилен при высоких температурах и обладает сильным цветом. Кроме того, сажа гораздо дешевле других черных красителей.

Пигменты на основе оксида железа представляют собой группу красящих веществ, которые также очень устойчивы к высоким температурам и обладают хорошей атмосферостойкостью. Они доступны в красном, желтом, коричневом и черном цветах. Однако существует множество других неорганических пигментов, таких как оксид хрома, синий кобальт и желтый никель-титан (нитинол), которые можно использовать для окрашивания суперконструкционных пластиков. Впрочем, есть и не подходящие. Так, некоторые неорганические пигменты, например сульфиды, могут применяться только в ограниченной степени из-за их сравнительно низкой термостабильности.

Диапазон термостойкости органических пигментов, которые могут иметь самый разнообразный цвет, очень широк. Поэтому для этой группы красящих веществ важным фактором, определяющим их пригодность для использования, является температура переработки суперконструкционного пластика. Некоторые пигменты устойчивы к температуре до 300 °C, другие – до 400 °C. Для окрашивания PEEK в настоящее время можно использовать только несколько органических пигментов синего и зеленого цветов. Для пластиков с температурой переработки менее 380 °C разнообразие возможных цветов значительно больше. Например, для красной и фиолетовой областей цветового спектра существуют красители из группы периленов, обладающие достаточной термостабильностью.

Следует добавить, что в группе растворимых органических красителей есть много таких, которые обладают очень высокой термостабильностью. С их помощью можно добиться сильных и ярких оттенков PEEK, похожих, например, на очень сложный темно-оранжевый RAL 2011.

Что касается получения концентратов добавок или красителей, то их обычно экструдируют на тех же непрерывных экструзионных линиях с последующей грануляцией, что и компаунды. Промером служит их налаженное производство на заводе немецкой компании Treffert GmbH & Co. KG, которая разрабатывает и изготавливает по индивидуальному заказу партии концентратов от небольшого размера до нескольких тонн (рис. 3).

Не цветом единым

Помимо окрашивания, все более важную роль играет функционализация суперконструкционных пластиков. Примером может служить лазерная сварка, которая обусловливает различный состав материала свариваемых деталей, одна из которых должна быть прозрачна для лазерного излучения, а другая – его поглощать, например, с помощью ИК-поглотителя, настроенного на длину волны лазера. Но при этом следует также учитывать термостойкость и химическую совместимость красителей и ИК-поглотителей. Кроме того, для получения оптимального результата необходимо знать оптические свойства исходных материалов, а также концентратов по пропусканию, поглощению и рассеянию лазерного излучения.

Помимо сборки, все более важное значение для деталей из суперконструкционных пластиков имеет их лазерная маркировка. Этот вид маркировки, устойчивой к истиранию, химическим веществам и высокой температуре, чистый и бесконтактный при нанесении, все чаще используется для однозначной идентификации деталей в медицинской технике, а также в качестве средства защиты от плагиата. В этом случае маркировочная добавка должна быть адаптирована не только к сочетанию маркируемого пластика и длины волны лазера, но и к наполнителю и красителю в составе пластика, которые могут повлиять на качество маркировки. Последнее можно оценивать субъективно – путем визуального осмотра, а также объективно – в соответствии с ISO/IEC 29158 (Директива по качеству для прямой маркировки деталей).

Возможна также комбинация лазерной сварки и лазерной маркировки, что требует дальнейшей адаптации рецептур добавок или красителей к этому сочетанию методов обработки модифицируемого или окрашиваемого пластика.

Заключение

Таким образом, модификация и окрашивание суперконструкционных пластиков требует большого опыта и знаний как в области их переработки, так и в сфере концентратов добавок и красителей для их правильного выбора. Кроме того, нужно иметь информацию об их стойкости к воздействию температуры и химических веществ и правильно оценивать их возможное взаимодействие с наполнителем и другими добавками в составе пластика. Только обладая этими знаниями и опытом, можно с уверенностью анализировать возможности и ограничения на пути модификации и окрашивания суперконструкционных пластиков и достигать оптимальных результатов.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 7 (302) 2024 г., с. 14–17.