Полимерные добавки для снижения себестоимости готовых изделий

1. Цены растут…

Инфляция по итогам 2024 г. существенно превысила целевые 4,0–4,5 %, но даже 10,3 % (по данным Росстата) – это некая «средняя температура по больнице». С инфляцией взаимосвязан и валютный курс рубля, падение которого на 10 % всегда вызывает рост инфляции на 0,5–0,6 %, как следует из наиболее оптимистичных раскладов Центробанка. Соответственно, российские производители сырья, которые рассчитывают цены его реализации, исходя из импортного паритета, повышают рублевые цены на полимерное сырье. Диаграмма роста цен в их зависимости от курса доллара приведена на рис. 1. Эта информация взята из собственной аналитики рынка ГК «Алеко», являющейся крупным потребителем полиолефинов, из которых производит упаковку и мастербатчи.

Из рис. 1 видно, что цены растут в зависимости от роста курса доллара США, точнее – просадки курса российского рубля относительно валют развитых стран с некоторым запаздыванием, обусловленным особенностями реакции рынка полимеров на информацию, поступающую с рынка валюты.

Очевидно, что грядущей весной наш рынок догонит еще и сезонный фактор, который также скажется на росте цен, поскольку весной и летом цены на полимеры всегда растут вместе со спросом на сырье. В то же время конечные потребители не готовы к подъему цен на готовую продукцию, так что переработчики попадают в самые настоящие ценовые «ножницы». И эти «ножницы» будут смыкаться все сильнее и сильнее по мере захода в сезон, особенно в условиях дальнейшей волатильности валютного курса и негативных инфляционных ожиданий.

2. И куда бедному переработчику податься?

Поскольку именно сырье является основной составляющей себестоимости любого полимерного изделия (для некоторых дорогостоящих полимеров до 80 % и более), то снижение его доли в ценообразовании является залогом успешного функционирования современного предприятия в непростых условиях сегодняшнего дня. Идеальным решением является замещение дорогостоящего основного сырья чем-то более дешевым. Двумя основными вариантами, которые доступны производителям, являются:

• вторично переработанный полимер;
• различные добавки.

Поскольку цены на вторичную гранулу напрямую зависят от цен на первичное сырье, график их роста будет полностью повторять поведение «первички». То есть решение является паллиативным. Кроме того, в ситуации роста цен на полимерное сырье весьма ожидаем дефицит вторичной гранулы: игроки, имеющие достаточные финансовые ресурсы и отсрочки платежа у поставщиков, наращивают запасы первичного сырья, а дефицит последнего заставляет игроков «рангом пониже» замещать первичную гранулу вторичной, вызывая тем самым и ее дефицит по «принципу домино».

С технологической точки зрения немаловажно то, что использование вторичной гранулы в экономически оправданной дозировке ведет к ухудшению качества готового изделия, поскольку полимер в ее составе уже дважды прошел термоокислительную деструкцию, а отходы в период их хранения подвергались фотодеструкции и окислению атмосферным кислородом. Соответственно, заново выстроить полимерные цепочки требуемой длины из вторичной гранулы уже невозможно, и никаких чудо-добавок, которые делают вторичную гранулу первичной, к сожалению, не существует. Можно только модифицировать свойства вторичной гранулы, чтобы повысить ее качество, но до уровня первичного материала ей все равно будет далеко.

Поэтому целесообразно рассмотреть и альтернативный вариант – использование добавок как эффективного инструмента снижения себестоимости готовой продукции.

3. Меловые добавки и страхи их использования

В первую очередь речь идет о меловой добавке. Это – разновидность гранулированного мастербатча, который содержит 65–90 % карбоната кальция (CaCO₃), диспергированного в некоторой полимерной матрице. В качестве носителя могут быть использованы полиэтилен, полипропилен или полистирол. Важное отличие меловой добавки от минералонаполненного компаунда в его общем определении состоит в том, что из 100 % компаунда можно получить готовое изделие, а из 100 % меловой добавки – нельзя. Меловая добавка вводится в основное полимерное сырье – причем как первичное, так и вторичное – в объеме до 80 % от объема этого сырья. Разумеется, указанный процент замещения основного сырья определяется техпроцессом, типом и состоянием оборудования, квалификацией персонала и требованиями к готовому изделию. Однако, в любом случае за счет гораздо более низкой цены, чем основное сырье – обычно в 1,5 и более раза, и способности замещать столь существенную его часть, как отмечено выше, меловая добавка служит мощнейшим инструментом в борьбе за себестоимость готовой продукции пользователя – переработчика пластмасс.

При этом важно отметить как ее несомненные плюсы, так и «страхи» пользователей, связанные с ее применением.

3.1. Страх износа оборудования

Самый базовый страх связан с убеждением, что карбонат кальция способствует износу рабочих инструментов перерабатывающего полимер оборудования. Страх этот действительно обоснован, потому что мел, мрамор, микрокальцит и прочие модификации карбоната кальция являются абразивом. При этом не важно, что это – мел или мрамор, осадочного или какого бы то ни было иного происхождения. Твердость по Моосу у карбоната кальция – 3. Вроде бы, это немного. У стали шнековых пар твердость по Моосу минимум 7. Но постоянное воздействие вкупе с температурой и давлением делают свое дело, и действительно, износ может возникать. А может и не возникнуть. Существует целый ряд примеров, когда при вводе 50 % меловой добавки, состоящей, в свою очередь, из 80 % карбоната кальция и 20% полимерной основы (т.е. доля карбоната кальция в составе смеси составляет 40 %), срок службы шнека составлял 10–12 лет. За это время стоимость шнека «отбилась» до 100 раз за счет экономии на сырье.

У данного достижения есть две составляющие. Во-первых, шнек и цилиндр должны быть азотированы до твердости 60–65 HRC. Азотирование должно быть проведено в строгом соответствии с технологией, а марка стали также должна подходить для термообработки и азотирования, обладая при этом достаточной твердостью и упругостью. Большинство современных сталей для производства шнеков отвечают указанным требованиям.

Во-вторых, самое главное – меловая добавка должна иметь в составе микрокальцит со специальной поверхностной обработкой стеариновой кислотой (С₁₇Н₃₅COOH). Такого рода обработка создает на поверхности микрокальцита слой стеарата кальция Ca(C₁₇H₃₅COO)₂, вообще не имеющий измеримой твердости. Он является своеобразной смазкой, которая не дает частицам карбоната кальция воздействовать на металл оборудования. И при этом слоя данной смазки на абразивной поверхности хватает для того, чтобы «сопроводить» микрокальцит по материальному цилиндру до формующего инструмента без вреда для машины. Наличие обработки микрокальцита проверяется в лаборатории, но проблема в том, что возможность такой проверки есть далеко не у всех производителей.

При использовании карбоната кальция без поверхностной обработки срок функционирования шнека до недопустимого его износа составляет от полугода до года, цилиндра – от года до трех лет. Экструзионная головка или пресс-форма «живут» еще меньше. Поэтому, при информировании о том, как карбонат кальция повредил чей-то экструдер или ТПА, уместен вопрос: по какому критерию пользователь выбирал меловую добавку – по принципу «дешевле» или по принципу «качественнее»? Несомненно, поверхностная обработка карбоната кальция имеет свою цену, вследствие чего обработанный микрокальцит не может стоить дешево. Как и качественная меловая добавка.

Ряд производителей меловых добавок приобретают необработанный микрокальцит, жирные кислоты или их соединения, перемешивают данные компоненты в течение известного времени в горячем миксере и полагают, что тем самым они обработали карбонат кальция надлежащим образом. Это огромное заблуждение! В условиях большого мелового комбината есть специальные реакторы, где обработка микрокальцита производится в замкнутом пространстве при определенных значениях температуры, давления и скорости впрыска агента. Ничего этого нельзя воспроизвести даже в самом совершенном миксере. В результате степень и качество обработки мела в миксере недостаточны, поверхность абразивных частиц не защищена стеаратной смазкой полностью, и по механизму воздействия такой микрокальцит не отличается от необработанного.

3.2. Страх снижения качества продукции

Второй страх пользователей состоит в том, что меловая добавка снижает физико-механические показатели готовой продукции. В той или иной степени, но это, действительно, так: любая неорганика при встраивании в органическую матрицу повреждает полимерные цепочки и сказывается на прочности и эластичности готовых изделий. Пример падения прочностных характеристик материала при вводе меловой добавки в зависимости от дозировки различных марок в основном сырье при производстве полипропиленовой рафии ГК «Алеко» показан на рис. 2.

Графики поведения двух продуктов в ходе эксперимента – стандартного материала, наполненного меловой добавкой марки A-Len V2PP-280E, и конкурирующего продукта, существеннейшим образом зависят от качества сравниваемых меловых добавок, а именно – от двух основных факторов:

• размера частиц микрокальцита и их склонности к агломерированию (агрегатированию);
• вида использованной полимерной основы – первичная она или вторичная, а также совместима ли реологически с основным сырьем.

Размер частиц определяется по двум показателям. Первый – это медианный размер (D50), показывающий, какой размер в микрометрах должен быть у ячеек сита, через которое пройдет 50 % порошка карбоната кальция. Обычно это 0,7–3,0 мкм. Меньший размер частиц за счет слишком большой удельной поверхности не способствует оптимальному смачиванию карбоната кальция полимером и в дальнейшем – встраиванию частиц неорганики в органическую матрицу. Больший же размер частиц может приводить к нарушениям внутренней структуры полимера.

Второй показатель – это максимальный размер (D98), показывающий, какой размер в микрометрах должен быть у ячеек сита, через которое пройдет 98 % мелового порошка. Обычно это от 3 мкм и до бесконечности больше. Данный параметр определяет, частица какого максимального размера может в теории попасться пользователю при работе с данной меловой добавкой. Частицы очень большого размера могут выступать за пределы поверхности полимера и создавать шероховатость. Количество таких крупных частиц, как это понятно из наименования показателя, не превышает 2 %, но зачастую это и есть та самая «паршивая овца», которая портит, в принципе, совсем неплохое «стадо».

Соответственно, более крупные частицы, особенно при недостаточной обработке диспергирующими добавками на меловом производстве, способны слипаться в агломераты, которые блокируют фильтрующие сетки, приводя к частым остановкам оборудования, а также увеличивают долю брака. Чтобы избежать подобных неприятных сюрпризов, применяются специальные лабораторные приборы. Например, на производстве меловых добавок ГК «Алеко» имеется лазерный измеритель размера частиц карбоната кальция, который позволяет на основании теорий рассеяния света сферической частицей Г. Ми и дифракции Й. Фраунгофера достоверно определять качество входящего сырья и отвечать за качество отгружаемой клиентам продукции на основании фактов (рис. 3).

Если, как показано выше, первая «беда» меловых концентратов – их ненадлежащий гранулометрический состав, то вторая – это массовое применение в их составе вторичных полимеров. Производители меловых добавок, считая в рамках жесткой конкуренции самым лучшим аргументом для продажи своей продукции цену, забывают о качестве своих добавок. В итоге в какой-то момент наводнившие рынок низкокачественные добавки на вторичной полимерной основе приводили к появлению у продукции конечных потребителей посторонних запахов и оттенков, критическому снижению прочности и эластичности готовых изделий. Кроме того, время показало, что низкокачественные добавки на вторичной основе, не могут быть экономически выгодны в связи с тем, что норма их ввода в 2–3 раза ниже, чем у аналогов на первичной основе, тогда как цена отличается не в разы, а не более чем на 15–20 %. Данный эффект связан с тем, что вторично переработанные полимеры с учетом многократно имевшей место термоокислительной деструкции имеют достаточно аморфную структуру с крайне короткими молекулярными цепочками. Нарушенные таким образом связи СН-групп внутри полимерной матрицы не способствуют сохранению требуемых характеристик готового изделия. Кроме того, вторичная гранула накапливает и содержит в себе, а при переработке даже в формате меловой добавки – высвобождает продукты деструкции: предельные алифатические карбоновые кислоты [1]. циклические сопряженные непредельные кетоны [2, с. 8], полиалкилаценафтены [2, с. 16], органические пероксиды и пр. Именно продукты деструкции ответственны за нарушение органолептических и физико-механических свойств готовой продукции.

С учетом проблем, возникающих при постоянном применении добавок на вторичной основе, конечные потребители, наученные горьким опытом, в большинстве своем вернулись к применению продуктов высокого качества, позволяющих заместить собой гораздо больший объем основного сырья без ущерба характеристикам готового изделия. А это уже напрямую повышает экономический эффект от применения меловой добавки, который, собственно говоря, и является конечной целью данной операции.

В целом, меловая добавка высокого качества является отличным инструментом снижения себестоимости готовой продукции за счет существенной разницы в цене с основным сырьем и способности к замещению ею значительной части этого сырья.

4. Вспенивающие добавки

Другим вариантом снижения себестоимости является использование вспенивающих добавок или, иначе, вспенивателей или порообразователей. Их функция состоит в контролируемом создании полостей в структуре готового изделия за счет газообразования. Соответственно, эти полости свободны от дорогостоящего полимера, и изделие при сохранении общей геометрии весит гораздо меньше, чем аналогичное «сплошное». При этом практически сохраняются физико-механические параметры готовой продукции, так как полости являются мелкими, но частыми (рис. 4). Таким образом, экономится 15–30 % дорогостоящего основного сырья.

По механизму разложения вспениватели делятся на две основные категории: экзо- и эндотермические.

Экзотермические вспениватели, например, A-Len Tech FX30TL, как правило, используют в качестве действующего вещества азодикарбонамид – диамид диазендикарбоновой кислоты (С₄Н₄N₄О₂) – со специальными добавками для ускорения деструкции агента. Экзотермические вспениватели требуют нагрева для запуска реакции химического разложения активного вещества с образованием газов (азот, оксид и диоксид углерода) в количестве порядка 220 мл/г вспенивателя, которые и обеспечивают образование полостей в структуре полимера. При этом наблюдается тепловыделение около 10 ккал/моль [3, с. 668]. Соответственно, существует температурное окно, в рамках которого эти вспенивающие добавки работают наилучшим образом: 165–195 °С. За регулировку этого диапазона также отвечают специальные добавки в составе мастербатча.

Эндотермические вспениватели, например, A-Len Tech FN50TL, требуют активации для своего разложения. Они в большинстве своем состоят из бикарбоната натрия (NaHCO₃) и поликарбоновой кислоты, например, лимонной (2-гидрокси-1,2,3-пропантрикарбоновой/3-гидрокси-3-карбоксипентандиовой, С₆Н₈О₇) – химического активатора реакции, так что вспенивание начинается при гомогенизации материала внутри шнековой пары экструдера или литьевой машины. Эндотермические вспениватели обычно дороже экзотермических, однако создают гораздо более равномерную мелкоячеистую структуру, а каверны не выходят на поверхность изделия, что существенно снижает долю брака.

Таким образом, использование вспенивателей позволяет пользователю в прямом смысле слова «продавать воздух», не опасаясь за недопустимое снижение физико-механических показателей и иных показателей качества готового изделия.

Заключение

Помимо экономии затрат на полимерное сырье, меловые добавки и вспениватели выполняют важную технологическую функцию структурообразователей, которые снижают усадку и коробление готовых изделий. Это означает, что, уменьшая себестоимость вашей продукции, вы еще и решаете важные технологические задачи.

Все описанные добавки есть в постоянном ассортименте ГК «Алеко» и пользуются большой популярностью у покупателей. Как меловая добавка, при условии ее высокого качества, так и вспениватели всех видов, являются отличными технологическими инструментами снижения себестоимости, опробованными в реальных условиях многочисленных производств

Применение передовых технологий – это единственный способ бороться с экономической ситуацией в стране и ее последствиями для частного бизнеса. Выживут те производители, которые смогут опереться на правильные и передовые технологические решения, обеспечивающие снижение себестоимости их продукции, и на этой основе – преимущества в конкурентной борьбе. ГК «Алеко» всегда готова предоставить своим партнерам надежное плечо из продуктовых решений, способных на непростом этапе «вытащить» даже самую тяжелую экономическую и технологическую ситуацию на производстве.

Литература

1. Зырянова З. Е., Крынина А. И., Стаханова С. В. Анализ продуктов термоокислительной деструкции полиэтилена методом ИК-Фурье спектроскопии // Успехи в химии и химической технологии. – Том XXXVI. – 2022. – № 8. – С. 34–37.
2. Нехорошева А. В. Термоокислительная деструкция расплава низкомолекулярного атактического полипропилена в температурном интервале 180–250 °С / Автореферат дисс. … канд. хим. наук. / Ин-т орган. химии Уфим. науч. центра РАН. – Уфа, 2004. – 24 с.
3. Цвайфель Х., Маер Р. Д., Шиллер М. Добавки к полимерам. Справочник / Пер. с англ. 6-го изд. под ред. В. Б. Узденского, А. О. Григорова. – СПб.: 2016. – 1144 с.

Polymer Additives to Reduce the Cost of Finished Products

A. N. Kovalenko

Due to the well-known geopolitical events, the polymer industry, as a part of the Russian economy, faced the numerous challenges. Anyway, it affects the position of polymer processors, regardless of the scale of their business. The article discusses how polymer additives can help to reduce the cost of end plastic products.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 2 (309) 2025 г., с. 24-29.