Table of Contents
Мастербатч наполнителя из карбоната кальция изготавливается путем смешивания карбоната кальция с полипропиленовым (PP) носителем. Это гранулированный материал, по объему аналогичный базовой смоле пластиковых изделий, полученный путем смешивания и гранулирования карбоната кальция с носителем. Он имеет широкое применение в пластиковой промышленности. Поверхностная модификация порошка карбоната кальция перед обработкой мастербатча значительно улучшает его связь с полимерной смолой за счет повышения дисперсии.
Применение и преимущества
Основное назначение мастербатча наполнителя из карбоната кальция — снижение производственных затрат. В его состав входят неорганические порошки или промышленные отходы с низкой стоимостью и широкими источниками, такие как наполнители, а также соответствующие добавки и смолы. Например, красный шлам + ПВХ и добавки используются для производства цветочных горшков. Также существуют стеклянные микросферы, полученные из промышленных отходов тепловых электростанций, которые могут использоваться в качестве наполнителя для литьевых изделий. Помимо снижения себестоимости, они значительно повышают жесткость и ударную прочность продукции.
Преимущества мастербатча наполнителя из карбоната кальция:
- Снижение себестоимости – уменьшает затраты на производство пластиковых изделий, повышает производственную эффективность и обеспечивает хорошие экономические выгоды.
- Повышение жесткости – улучшает жесткость пластиковой продукции и увеличивает ее вес.
- Снижение усадки и деформации – уменьшает усадку пластиковых изделий и деформации, вызванные усадкой.
- Хорошая диспергируемость – обладает отличной совместимостью с полипропиленом и полиэтиленом, благодаря чему даже при значительном содержании наполнителя обеспечивается высокая гладкость поверхности.
- Высокая белизна – позволяет гибко подбирать цветовую гамму для производства различных цветных изделий.
- Сохранение механических свойств – благодаря использованию связующих агентов, диспергаторов и других обработок мастербатч сохраняет хорошие механические характеристики даже при высоком содержании наполнителя.
Введение в состав
Карбонат кальция является основным компонентом мастербатча, определяющим его базовые свойства. Содержание порошка карбоната кальция в мастербатче обычно составляет 80–85% при производстве на двухшнековом экструдере и около 88% при производстве на непрерывном внутреннем смесителе.
Существует множество разновидностей карбоната кальция, которые делятся на тяжелый карбонат кальция и легкий карбонат кальция.
- Тяжелый карбонат кальция бывает:
- кальцитовый карбонат кальция,
- мраморный карбонат кальция,
- доломитовый карбонат кальция.
- Кальцитовый карбонат кальция дополнительно делится на крупнозернистый и мелкозернистый.
Выбор карбоната кальция в зависимости от свойств:
- Поглощение масла: у легкого карбоната кальция этот показатель значительно выше, чем у тяжелого карбоната кальция. Если в составе присутствуют жидкие добавки, предпочтителен тяжелый карбонат кальция.
- Механические свойства:
- Легкий карбонат кальция улучшает ударную прочность.
- Тяжелый карбонат кальция значительно увеличивает прочность на растяжение.
- Цена: тяжелый карбонат кальция с одинаковым размером частиц примерно на 30% дешевле легкого карбоната кальция.
- Применение в ПВХ:
- Для изделий из ПВХ предпочтителен легкий карбонат кальция, так как он более щелочной.
- Он способен поглощать разлагающуюся соляную кислоту (HCl), что улучшает термическую стабильность в процессе переработки ПВХ.
Выбор смоляного носителя для кальциевого карбонатного мастербатча
1. Совместимость носителя с основной смолой
- Теоретически, для обеспечения полной совместимости носителя и основной смолы следует выбирать одинаковые материалы (например, PE для PE, PP для PP).
- Однако в некоторых случаях использование идентичной смолы невозможно, поэтому выбираются альтернативные совместимые материалы:
- Для PE: PP, POE, EVA.
- Для PVC, PC, PET, PA: EVA – наиболее подходящий вариант.
2. Текучесть носителя должна быть выше, чем у основной смолы
- Чем выше текучесть носителя, тем лучше распределение мастербатча в основной смоле.
- Однако слишком высокая текучесть (высокий индекс расплава, MI) снижает прочность композита.
- Поэтому важно найти баланс между хорошей дисперсией и механической прочностью.
3. Температура плавления носителя должна быть ниже, чем у основной смолы
- Носитель должен плавиться раньше основной смолы, чтобы улучшить распределение неорганического наполнителя.
- Подбор материалов:
- PP и HDPE: носители LDPE, LLDPE, HDPE, PP или их смеси.
- LLDPE и LDPE: только LLDPE, LDPE или их смеси.
- HDPE и PP нельзя использовать для LDPE и LLDPE, но могут служить носителями для PP и HDPE.
4. Оптимальный выбор — комбинированные смеси смол
- В кальциевом карбонатном мастербатче основными носителями являются LDPE, HDPE, LLDPE и PP с высоким индексом расплава.
- Часто используются смеси для улучшения характеристик:
- LDPE/HDPE, HDPE/LLDPE, LDPE/LLDPE, PP/HDPE.
- Дополнительные компоненты:
- mLLDPE – повышает прочность на разрыв, прочность термосварки и устойчивость к проколам.
- POE и EVA – улучшают ударную прочность.
- EVA и PCL – повышают прочность термосварки.
Важно!
Лучше использовать порошковые смолы, так как их размер частиц ближе к неорганическому наполнителю, что облегчает равномерное смешивание.
5. Дополнительные добавки
В состав мастербатча также входят:
- Алюминатный сшивающий агент – для улучшения сцепления наполнителя со смолой.
- Полимерный воск-диспергатор – для лучшего распределения наполнителя.
- Смазка – снижает трение и улучшает перерабатываемость.
Связующее агент (Coupling Agent)
Добавление связующего агента в состав предназначено для изменения гидрофильности неорганического порошка на липофильность, увеличения совместимости с липофильной смолой, увеличения толщины интерфейса, улучшения характеристик наполнителя или уменьшения его влияния на свойства материала.
Перед обработкой связующим агентом следует учитывать состояние приобретенного порошка: если он уже обработан стеариновой кислотой, необходимо использовать титанатный связующий агент для другого типа обработки, иначе это снизит эффект связывания. Если в процессе обработки используется водная шлифовальная добавка и маслолюбивый связующий агент, может сформироваться амфифильная функция, что даст хороший эффект. Например, впитываемость масла карбонатом кальция можно снизить до 22%, вязкость может уменьшиться в три раза, а на электронном микроскопе будет видно значительное утолщение интерфейса. Если поверхность порошка не обработана, можно применять любой метод последующей обработки.
Если увеличение прочности композитных материалов с неорганическим порошком не является целью, можно рассмотреть вариант исключения связующего агента из состава.
Для карбоната кальция лучшим связующим агентом является алюминат, который добавляется в количестве около 1% от массы порошка. Также можно использовать титанат, который обладает аналогичным эффектом, но имеет недостатки, такие как запах и сложность добавления жидкого продукта в порошок. В некоторых случаях оба связующих агента добавляют вместе для улучшения результата.
Обычно количество связующего агента составляет около 1% от массы порошка. Чем мельче частицы и выше их удельная поверхность, тем больше требуется связующего агента. При высоком значении впитываемости масла карбонатом кальция дозировка связующего агента должна быть увеличена. Например, если впитываемость масла увеличивается с 40 мл/100 мг до 50 мл/100 мг, количество связующего агента возрастает на 30%.
Диспергатор (Dispersant)
Функция диспергатора заключается в обеспечении равномерного распределения порошка в матрице. Разные диспергаторы применяются для разных носителей. Основными диспергаторами являются воски, соответствующие смоле-носителю:
- Для PE используется полиэтиленовый воск (PE-воск) или полипропиленовый воск (PP-воск).
- Для PP применяется PP-воск.
- Для среднеполярных смол, таких как PS и ABS, используется окисленный полиэтиленовый воск.
- Для полярных смол (PC, PET, PA) применяется EVA-воск.
Качество воска определяется его молекулярной массой, которая в идеале должна составлять около 5000, но не менее 3000. Температура плавления качественного воска составляет 110–120 °C. Если воск плавится при добавлении воды 100 °C, он считается некачественным.
Многие смазочные вещества, такие как стеариновая кислота и EBS, обладают диспергирующим эффектом, поэтому при их наличии в составе можно уменьшить количество диспергатора. Диспергирующий воск также действует как внутренняя и внешняя смазка.
Дозировка диспергатора зависит от следующих факторов:
- Размер частиц: чем больше частицы, тем меньше их удельная поверхность и легче их диспергировать, поэтому дозировка диспергатора может быть уменьшена. Если размер частиц превышает 800 меш, можно рассмотреть возможность исключения диспергатора.
- Форма частиц: чем выше сферическая форма частиц карбоната кальция, тем легче их диспергировать. В порядке уменьшения диспергируемости: частицы (мраморный кальцит) > столбчатая форма (осажденный карбонат кальция, кальцит).
Смазка (Lubricant)
Внутренняя смазка снижает трение между материалами, улучшая текучесть, а внешняя — уменьшает трение между материалом и оборудованием, предотвращая появление царапин и обеспечивая гладкость поверхности. В рецептуре следует сбалансировать внутреннюю и внешнюю смазку.
Основные внешние смазки: парафин, стеариновая кислота, EBS.
Основные внутренние смазки: стеарат цинка, стеарат кальция.
Диспергирующий полиэтиленовый воск также выполняет роль внешней смазки, поэтому его наличие позволяет снизить количество добавляемой смазки.
- Для тяжелого карбоната кальция требуется меньше смазки, чем для легкого карбоната кальция, так как последний имеет большую впитываемость масла и низкую текучесть.
- Для улучшения блеска конечного продукта можно добавить 1 часть белого масла или 1-2 части парафина.
- Если внешней смазки слишком много, это ухудшит печатные свойства и термосвариваемость пленки.
Стабилизатор (Stabilizer)
Лучшим вариантом является добавление кальциево-цинкового стабилизатора, но из-за высокой стоимости чаще используют стеарат цинка, который одновременно выполняет функции внутренней смазки и термостабилизатора. Если цена продукта позволяет, можно добавить небольшое количество кальциево-цинкового стабилизатора.
Антиоксиданты, как правило, не требуются, за исключением случаев, когда необходима высокая прочность наполненного продукта или требуется особенно высокая белизна конечного изделия.
Антистатик (Antistatic Agent)
Антистатические добавки предотвращают накопление статического электричества при высокоскоростном перемешивании материалов и могут обеспечивать антистатический эффект в готовых изделиях.
Процесс гранулирования ПЭ + карбоната кальция с высокой наполненностью
Смешивание во внутреннем смесителе позволяет достичь наилучшего эффекта равномерной дисперсии. Закрытая герметичная смесительная камера под давлением не только обеспечивает высокое качество смешивания, но и предотвращает загрязнение окружающей среды пылью сажи.
Плотный материал из смесителя транспортируется элеватором и загружается в конический двухшнековый подающий механизм с принудительной подачей.
В качестве смесительного устройства используется параллельный соосно вращающийся двухшнековый экструдер. В процессе переработки полимерных материалов различные модификации полиолефинов и инженерных пластиков, а также подготовка мастербатчей требуют интенсивного смешивания. Этот процесс варьируется в зависимости от системы материалов. Оптимальная производительность оборудования, разумный процесс смешивания, передовая технология компаундирования и богатый производственный опыт являются ключевыми факторами успеха и эффективности смешивания.
Низкая скорость одношнекового экструдера предотвращает чрезмерное сдвиговое воздействие, а его внутренняя система охлаждения предотвращает перегрев и обеспечивает эффективный теплообмен.
Гидравлический автоматический сменщик фильтров пластинчатого типа с функцией быстрой смены сетки позволяет заменять фильтр без остановки работы машины.
Система гранулирования с воздушным охлаждением и горячей резкой подходит для переработки материалов с низкой вязкостью. Полученные гранулы обладают гладкой и эстетичной поверхностью.
Рекомендуемые экструдеры для производства мастербатчей с наполнителем CaCO3
Модель машины в основном определяется в соответствии с требуемой производительностью заказчика. Отношение длины к диаметру (L/D) у двухшнекового экструдера чем выше, тем лучше. Обычно требуется, чтобы оно превышало 40, что обеспечивает высокое соотношение цены и качества. Наиболее популярными среди клиентов являются двухшнековые экструдеры с диаметром 52 мм, 65 мм и 75 мм. Трёхшнековые экструдеры диаметром 52 мм, 65 мм и 75 мм обладают более высокой производительностью и лучшим эффектом смешивания по сравнению с двухшнековыми экструдером аналогичного размера.
Если в качестве полимерной основы используется полиэтиленовая смола, рекомендуется использовать процесс воздушного охлаждения с горячей резкой на лицевой поверхности (Air cooling hot face-cutting). Однако при увеличении диаметра экструдера (например, более 72 мм) и производительности свыше 300 кг/ч такой метод становится менее эффективным: температура трудно контролируется, частицы недостаточно охлаждаются и легко слипаются. В таких случаях целесообразно использовать систему охлаждения конвейерного типа, которая подходит для производства различных наполненных мастербатчей или модифицированных специальных материалов.
