Изображение: techconfronts.com
Качество наполненных полимерных композиций сильно зависит от степени однородности смешивания и распределения компонентов. Такие добавки как пигменты, наполнители и антипирены представляют собой порошки разной дисперсности, которые не плавятся при температуре переработки полимеров. В результате смесь внутри цилиндра экструдера или литьевой машины при переработке будет представлять собой расплав с твердой фракцией порошка, содержание которого в полимерной композиции может достигать 80–90 %.
Что касается пигментов, то, будучи уже диспергированными, они имеют склонность к повторному агломерированию, поскольку в составе смеси нет никаких веществ, которые препятствовали бы этому процессу. Это крайне нежелательное явление усложняет задачу равномерного распределения частиц пигмента в объеме полимера и снижает качество окрашенного изделия.
Что такое диспергатор
Для улучшения распределения наполнителя или пигмента в расплаве полимера и предотвращения повторного агломерирования используют специальные диспергирующие добавки или, иначе, диспергаторы, представляющие собой, как известно, химические вещества, вводимые в полимерную композицию в количестве от 0,5 до 1,5 % для улучшения разделения частиц и предотвращения их слипания. Эти добавки, наряду с механическим воздействием на композицию шнека экструдера или литьевой машины, повышают совместимость полимера с частицами наполнителя, улучшая их смачиваемость расплавом, и обеспечивают их равномерное распределение в полимере, повышая тем самым качество готовой продукции.
Изделия из полиолефинов в процессе их производства методами экструзии или литья под давлением окрашивают цветными суперконцентратами или, иначе, мастербатчами. Они состоят из гранул, содержащих пигменты и (или) красители, распределенные в основном полимере, например, в ПЭ или ПП. Требуемое качество окрашивания такими мастербатчами с высокой степенью концентрации пигмента достигается лишь при условии равномерного распределения его частиц в массе изделия. Для получения ярких и насыщенных цветов обычно используются органические пигменты, которые имеют как свои достоинства, так и недостатки, в частности, сложность диспергирования частиц пигмента из-за их малого размера.
Качество диспергирования становится особенно чувствительной проблемой при производстве тонких пленок, так как плохо диспергированные пигменты ухудшают и прочностные свойства пленки, и ее внешний вид из-за достаточно крупных агломератов пигментов и малой толщины конечного продукта.
Традиционно для диспергирования пигментов, в том числе органических, используется неокисленный ПЭ-воск – относительно дешевый и доступный продукт. Однако при его применении не происходит смачивание пигментов и, как следствие, остается большое количество агломератов как в концентрате красителя, так и в конечном изделии. С точки зрения механизма действия, ПЭ-воск вообще не является диспергатором.
Механизм действия специальных диспергаторов
Пигмент сам по себе находится в агломерированном состоянии, и разъединить эти агломераты сложно, поскольку частицы пигмента имеют высокое сродство. При физическом воздействии на агломераты, осуществляемом в экструдере или литьевой машине без диспергатора или с диспергатором низкого качества, эти скопления частиц пигмента разъединяются, но в процессе течения расплава агломерируются заново. Для уменьшения размеров и количества агломератов производители цветных мастербатчей, использующие добавки в виде ПЭ-воска, часто прибегают к двойному перегранулированию мастербатча, т.е., по сути, просто перемешивая всю смесь заново, что приводит к значительному увеличению времени производства, повышению себестоимости продукта и дополнительной деструкции полимера.
Эта проблема становится особенно актуальной для органических фталоцианиновых пигментов, которые наиболее трудно диспергируются по своей природе. В этом случае настоятельно рекомендуется применение специальных диспергаторов, принцип действия которых основан на последовательном смачивании, разъединении и обволакивании частиц агломерата пигмента, что препятствует повторному агломерированию (см. таблицу).
Последовательные стадии диспергирования агломератов пигмента с помощью специальной диспергирующей добавки
Диспергаторы могут иметь гидрофильные группы, гидрофобную и липофильную части. Выбираются они в зависимости от химической природы пигмента и основного полимера в целях хорошего смачивания частиц пигмента и (или) улучшения взаимодействия за счет образования химических и физических связей. Например, карбоксильные группы диспергатора взаимодействуют с основными центрами пигмента, а алифатические – обладают совместимостью с полиолефинами.
Следует добавить, что подобные диспергирующие добавки, имеющиеся на российском рынке, используются, как правило, в составе готовых мастербатчей.
Выводы
Таким образом, преимущества данного подхода заключаются в следующем:
- улучшается дисперсность частиц пигмента;
- повышается эффективность действия мастербатча и, как следствие, окрашивания готовых изделий;
- облегчается процесс переработки, повышается его производительность, а материал меньше подвергается деструкции, поскольку отпадает необходимость в повторном гранулировании;
- сокращаются отходы;
- снижаются производственные риски и косвенные затраты.
Подготовлено экспертами компании «Интернешнл Пластик Гайд»
Plastic Coloring: Dispersion vs Agglomeration
One of the tasks in the processing of polymer materials containing dispersed fillers, pigments, flame retardants, etc., is the qualitative dispersion of particles of these components in the polymer matrix, which is complicated by the danger of their repeated agglomeration. This problem and the principal ways to solve it are considered using the example of polymers stained with pigments.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 7 (314) 2025 г., с. 18-19.
