Masterbatch pengisi dengan kepadatan tinggi telah menjadi salah satu produk campuran yang paling banyak digunakan dalam industri plastik karena memungkinkan konverter menambahkan berat, kekuatan, dan stabilitas dimensi pada produk polimer, sekaligus menjaga biaya bahan baku pada tingkat rendah atau sedang. Masterbatch pengisi dengan kepadatan tinggi adalah campuran yang terkoncentrasi di mana proporsi yang sangat tinggi dari bubuk anorganik, paling sering karbonat kalium, sulfat barium, atau talc, disebarkan di dalam pembawa polimer dengan beban yang sering melebihi 70 persen berat. Kerke, pabrik Wanplas, telah menyediakan ekstruder campuran ganda paralel berputar untuk produsen masterbatch pengisi selama lebih dari 12 tahun, dan panduan ini menyatukan pengetahuan teknik praktis yang membedakan produk yang dapat dijual dan terdistribusi dengan baik dari produk yang rapuh dan tidak merata.
Berat dan kekakuan adalah dua sifat yang mempengaruhi keputusan pembelian untuk masterbatch yang diisi. Berat ditentukan terutama oleh kepadatan bahan pengisi yang dipilih, sedangkan kekakuan diungkapkan melalui modulus fleksibel dan sangat dipengaruhi oleh bentuk bahan pengisi, ukuran partikel, pengolahan permukaan, dan pengisian akhir. Artikel ini menjelaskan bagaimana setiap variabel dipilih dan dikendalikan, serta bagaimana garis komposisi diatur untuk menghasilkan konsistensi. Pada akhir artikel, Anda akan memahami penentuan kelas dan jumlah saringan, pengikatan asam stearat dan titanat, resin pembawa dan pemasangan MFI, keseimbangan modulus fleksibel versus dampak, pengujian dispersi dengan nilai tekanan filter, kombinasi elemen baut pada ekstruder ganda berputar bersama, pemberian samping, pengeluaran vakum, dan tiga jalur pembentukan pellet utama.
Selama panduan ini, referensi teknis mengikuti konsensus ilmu polimer, bukan klaim promosi, dan semua referensi biaya menggunakan label relatif seperti Rendah, Menengah, Tinggi, Sangat Tinggi, dan Premium, bukan angka absolut. Kerke merupakan produk dari merek Wanplas, yang memiliki jaringan pabrik khusus yang mencakup seluruh rantai nilai plastik, dan ekstruder komposisi yang dijelaskan di sini secara alami terintegrasi dengan lini pembuatan pellet, daur ulang, dan lembaran yang dibuat oleh pabrik Wanplas saudara.
Apa itu Masterbatch Filler dengan Kualitas Tinggi dan Mengapa Berat Penting
Masterbatch dengan kepadatan tinggi adalah konsentrat yang telah dicampur sebelumnya, di mana bahan pengisi anorganik disebarkan dalam konsentrasi tinggi di dalam pembawa polimer sehingga dapat dimasukkan ke dalam resin alami selama proses pembuatan film, injeksi, ekstrusi pipa, atau ekstrusi lembaran. Format masterbatch ada karena pencampuran langsung bubuk yang longgar dengan butiran asli menghasilkan dispersi yang buruk, debu, dan throughput yang tidak stabil, sedangkan masterbatch yang dicampur dengan benar memberikan hasil yang bersih dan memberikan sifat yang seragam. Term "kepadatan tinggi" mengacu pada beban pengisi yang tinggi dan, dalam banyak kelas, pada penggunaan bahan pengisi yang padat seperti sulfat barium yang meningkatkan kepadatan spesifik dari produk akhir.
Berat memiliki peran penting dalam beberapa alasan komersial. Pada produk yang dijual berdasarkan volume atau per satuan, di mana pelanggan mengharapkan berat tertentu, seperti gantungan, pot bunga, komponen furnitur, penutup kabel, dan batu buatan, penambahan berat mineral menunjukan kualitas dan mengurangi konsumsi resin. Pada aplikasi penyerap suara dan pelindung, kepadatan yang lebih tinggi meningkatkan penyerapan suara dan radiasi gamma. Pada aplikasi film pertanian dan kantong yang ditenun, pengisian bahan penambah yang moderat mengurangi biaya sambil mempertahankan kemampuan proses. Tantangan teknis adalah menambahkan sebanyak mungkin bahan penambah tanpa merusak integritas mekanis dari produk tersebut.
Angka paling penting untuk setiap masterbatch pengisi dengan kepadatan tinggi adalah berat jenisnya, karena itu menentukan seberapa banyak berat yang dihasilkan oleh fraksi massa masterbatch tertentu. Masterbatch yang berbasis pada karbonat kalsium memiliki berat jenis sekitar 1,9 hingga 2,1 g/cm3, kelas berbasis talc sekitar 2,0 hingga 2,2 g/cm3, dan kelas sulfat barium sekitar 2,8 hingga 3,2 g/cm3 tergantung pada pengisian. Tabel di bawah ini membandingkan tiga pengisi utama berdasarkan sifat yang paling penting untuk berat dan kekuatan.
Perbandingan properti filler untuk formulasi yang didorong oleh berat
| Properti | Kalsium karbonat (CaCO3) | Sulfat Barium (BaSO4) | Talc |
|---|---|---|---|
| Tekanan jenis (g/cm3) | 2.7 | 4.3 | 2.8 |
| Ukuran partikel yang umum | 1 hingga 20 mikrometer | 2 hingga 15 mikrometer | 2 hingga 20 mikrometer |
| Bentuk partikel | Irregular / kubik | Acicular / berbentuk sudut | Bentuk seperti plat (lamelar) |
| Biaya asli relatif | Rendah | Mendekati tinggi | Rendah hingga sedang |
| Pengaruh pada modulus fleksibel | Kenaikan sedang | Kenaikan sedang | Kenaikan kuat |
| Pengaruh pada kekuatan benturan | Menurunkan | Menurunkan | Menurunkan, kurang dengan pengikat |
| Pengisian maksimum tipikal dalam MB | 80 hingga 85 persen | 80 hingga 90 persen | 70 hingga 80 persen |
Ketika berat adalah tujuan utama dan biaya harus tetap rendah, karbonat kalium adalah pengisi default. Ketika berat jenis yang tertinggi diperlukan, sulfat barium dipilih meskipun biaya aslinya adalah sedang hingga tinggi. Talc dipilih ketika ketahanan dan suhu defleksi lebih penting daripada berat murni, karena partikel berbentuk lembarannya memperkuat matriks polimer dalam dua dimensi.
Bahan baku pengisi: CaCO3, BaSO4, dan talc
Memilih kelas pengisi adalah keputusan teknis pertama dalam setiap proyek masterbatch pengisi berdensitas tinggi, dan ini dimulai dengan ukuran partikel yang diungkapkan sebagai diameter rata-rata dalam mikrometer atau sebagai jumlah saringan. Jumlah saringan menggambarkan jumlah kawat per inci linear dalam saringan yang menahan bubuk, sehingga angka saringan yang lebih tinggi berarti bubuk yang lebih halus. Konversi kerja yang umum adalah bahwa sekitar 1250 saringan sesuai dengan sekitar 10 mikrometer, 2500 saringan dengan sekitar 5 mikrometer, dan 3000 saringan dengan sekitar 4,5 mikrometer, meskipun konversi yang tepat bervariasi sesuai dengan bentuk partikel. Untuk masterbatch pengisi, kelas praktis berkisar dari 800 saringan, sekitar 18 mikrometer, hingga 3000 saringan, sekitar 4,5 mikrometer.
Kalsium karbonat disuplai sebagai kalsium karbonat yang dihaluskan (GCC), yang diproduksi dari batu kapur alami, atau sebagai kalsium karbonat yang tercurah (PCC), kelas sintetis dengan partikel yang lebih halus dan seragam hingga 0,1 hingga 3 mikrometer. GCC memiliki biaya yang rendah dan merupakan bahan utama untuk masterbatch pengisi komoditas; PCC memiliki biaya yang lebih tinggi namun menghasilkan produk yang lebih cerah, halus, dan mudah terdisperse, yang cocok untuk film tipis dan lapisan. Partikel yang lebih halus meningkatkan modulus bengkok dan kemurnian permukaan, namun juga meningkatkan luas permukaan yang harus disebarkan oleh pembawa, sehingga kelas yang lebih halus memerlukan agen pengikat yang lebih banyak dan energi pengadukan yang lebih intensif.
Sulfat barium, yang juga disebut baryt dalam bentuk mineral atau blanc fixe saat terdeposisi, dihargai karena berat jenis yang tinggi sekitar 4,3 g/cm3 dan ketahanannya kimia. Ia tidak bereaksi dengan asam dalam formulasi, ia radiopaque, dan memberikan bobot yang sangat baik tanpa membuat komposisi menjadi kuning. Partikel berbentuk segitiga ini dapat tersebar dengan baik dalam extruder ganda berputar bersama, dan karena lebih padat daripada karbonat kalium, masterbatch BaSO4 mencapai peningkatan bobot yang sama dengan fraksi massa yang lebih rendah, yang dapat menjaga kekuatan benturan. Pertukaran ini adalah biaya bahan baku sedang hingga tinggi dan gesekan abrasif yang lebih tinggi pada sekrup dan tabung, yang mengapa elemen sekrup yang dilindungi dari gesekan direkomendasikan.
Talc adalah silikat magnesium yang mengandung air dengan struktur seperti lembaran atau lapisan. Rasio aspeknya, rasio diameter platelet dengan ketebalan, dapat berkisar dari 5:1 hingga lebih dari 20:1 tergantung pada tambang dan kelas penggilingan. Talc dengan rasio aspek tinggi adalah pengisi peningkat kualitas yang efisien: ia meningkatkan modulus fleksibel dengan kuat, meningkatkan suhu defleksi panas sebesar 10 hingga 30 derajat Celsius pada beban sedang, dan berfungsi sebagai agen nukleasi yang mempercepat kristalisasi dalam polipropilen. Talc bersifat ringan abrasif dan plateletnya harus tetap utuh selama pembuatan campuran, sehingga pemadatan yang terlalu agresif harus dihindari. Kelas talc untuk masterbatch biasanya berkisar dari 800 mesh, sekitar 18 mikrometer, hingga 3000 mesh, sekitar 4,5 mikrometer, dengan kelas yang lebih halus lebih disukai untuk injeksi molding dengan dinding yang tipis.
Pemetaan jaring, mikron, dan aplikasi
| Jumlah jaring | Ukuran rata-rata (micrometer) | Kepadatan massal | Aplikasi yang umum |
|---|---|---|---|
| 800 mesh | 15 sampai 18 | Media | Tubing, profil, dan bagian injeksi yang tebal |
| 1250 mesh | 9 sampai 11 | Media | Kain yang terbuat dari film umum, lembaran |
| 2500 mesh | 4 sampai 6 | Rendah | Film tipis, laminasi, bagian yang sensitif terhadap permukaan |
| 3000 mesh | 4 sampai 5 | Rendah | Film tipis berkualitas tinggi, lapisan dengan efek glossy |
Bubuk yang lebih halus memiliki kepadatan bulk yang lebih rendah dan memakan lebih banyak volume kosong di mulut pemasok, yang merupakan alasan mengapa garis pemuatan yang tinggi mengandalkan pemasakan samping daripada memasukkan semua barang melalui hopper utama. Insinyur juga harus memperhatikan kelembaban: pengisi mineral dapat membawa 0,2 sampai 0,8 persen kelembaban permukaan yang harus dihilangkan dengan penguapan vakum atau partikel akhir akan mengandung celah dan FPV akan meningkat.
Pemrosesan Permukaan dan Agen Pengikat
Pengisi anorganik bersifat polar dan hidrofil, sedangkan pembawa poliolefin seperti polietilen dan polipropilen bersifat non-polar dan hidrofob. Tanpa pemrosesan permukaan, partikel pengisi berada sebagai inklusi yang tidak terikat dengan baik dalam polimer, memberikan interfase yang lemah, viskositas cairan yang tinggi, dispersi yang buruk, dan penurunan yang tajam dalam kekuatan benturan. Pemrosesan permukaan mengubah permukaan partikel dari polar menjadi organofil, sehingga pembawa melembapkan partikel, agen pengikat menghubungkan fase anorganik dan organik, dan sifat mekanis meningkat dengan pengisian yang sama.
Pemrosesan yang paling umum dan terjangkau adalah asam stearat, asam lemak C18 yang diterapkan pada 0,5 sampai 1,5 persen dari berat partikel pengisi selama pengepakan kering dalam mixer berkecepatan tinggi. Asam stearat menurunkan energi permukaan bubuk, meningkatkan kemudahan pengisian, dan memungkinkan pembawa untuk melembapkan partikel dengan lebih mudah. Ini adalah pemrosesan jenis pelumas daripada agen pengikat yang sebenarnya, sehingga hanya membantu proses dan dispersi, tetapi berkontribusi hanya sedikit pada retensi benturan. Untuk masterbatch kalsium karbonat komoditas yang bertujuan untuk biaya rendah, asam stearat saja biasanya cukup.
Untuk kinerja yang lebih tinggi, terutama dengan talc dan dengan sulfat barium di mana adesinya sangat penting, digunakan agen pengikat titanat pada 0,3 sampai 1,0 persen dari berat partikel pengisi. Titanat mengikat melalui kelompok reaktif anorganiknya ke permukaan pengisi dan melalui rantai organiknya ke polimer, membangun interfase yang tahan lama yang meningkatkan retensi modulus fleksibel dan kekuatan benturan secara bersamaan. Sistem pengikat lainnya termasuk aluminate, silan untuk pengisi silisik, dan polipropilen yang digraft dengan anhidrid maleat (PP-g-MAH) yang digunakan sebagai kompatibilisor dalam sistem polipropilen. Pilihan tergantung pada kimia pengisi dan pembawa: silan cocok dengan permukaan kaca dan silisik, titanat cocok dengan kalsium karbonat dan sulfat barium, dan polipropilen yang digraft dengan anhidrid maleat cocok dengan talc dalam PP.
Metode aplikasi sama pentingnya dengan kimia. Pencampuran kering dalam mixer berkecepatan tinggi pada suhu 80 hingga 110 derajat Celcius selama 3 hingga 8 menit memberikan distribusi yang merata sebelum bubuk masuk ke ekstruder. Pengikat cair juga dapat disuntikkan ke bawah melalui pemberi cairan ke cairan, yang melindungi agen dari degradasi termal dan memberikan pengikat yang lebih dapat diulangi. Terlalu sedikit agen meninggalkan partikel yang tidak diolah; terlalu banyak berfungsi sebagai plastisir yang menurunkan modulus dan dapat menyebabkan penumpukan pada die. Tabel di bawah ini menjelaskan urutan pengolahan.
Opsi dan Efek Pengolahan Permukaan
| Pengobatan | Dosis tipikal (% bahan penuh) | Biaya relatif | Manfaat utama |
|---|---|---|---|
| Tidak dirawat | 0 | Rendah | Tidak ada; dispersi terburuk |
| Asam stearat | 0,5 hingga 1,5 | Rendah | Pengolahan minyak, penyerapan, aliran |
| Koneksi titanat | 0,3 hingga 1,0 | Media | Koneksi yang baik, retensi dampak |
| Koneksi silane | 0,3 hingga 0,8 | Media | Koneksi bahan penambah kekerasan silisik |
| Kompatibilisator PP-g-MAH | 2 hingga 6 | Mendekati tinggi | Koneksi talc dalam adhesi PP |
Pemilihan Resin Carrier dan Pemaduan MFI
Resin pengantar adalah polimer yang menahan bahan penambah kekerasan dalam suspensi dan mengangkutnya ke produk akhir. Untuk masterbatch bahan penambah kekerasan dengan kepadatan tinggi, resin pengantar harus kompatibel dengan resin tuan rumah, mudah disebarkan pada pengisian bahan penambah kekerasan yang sangat tinggi, dan memiliki viskositas yang rendah untuk menyebar pada bubuk. Dua pengantar dominan adalah polietilen dan polipropilen, dipilih untuk sesuai dengan aplikasi akhir: pengantar PE untuk film polietilen, kantong, dan pipa, dan pengantar PP untuk bagian polipropilen yang diproduksi, serat, dan raffia.
Dalam polietilen, polietilen rendah densitas (LDPE) dan polietilen rendah densitas linear (LLDPE) adalah pengantar yang paling umum karena kristalitas yang lebih rendah dan distribusi berat molekul yang lebih luas memberikan pengikatan yang baik dan dispersi yang mudah. Dalam polipropilen, PP homopolimer digunakan untuk bagian yang kaku dan PP kopolimer acak di mana kekuatan yang diperlukan. Parameter kritis adalah indeks aliran cair, yang dilaporkan sebagai MFI dalam gram per 10 menit di bawah beban standar. Indeks MFI pengantar harus sama dengan atau sedikit lebih tinggi dari MFI resin yang diisi, sehingga masterbatch tidak menjadi komponen yang membatasi viskositas dalam campuran.
Untuk masterbatch bahan penambah kekerasan dengan pengisian tinggi, pengantar sering dipilih pada MFI yang mendekati rata-rata hingga tinggi, misalnya 20 hingga 50 g/10 menit untuk polietilen dan 20 hingga 40 g/10 menit untuk polipropilen, bahkan ketika resin akhir adalah kelas MFI yang lebih rendah seperti 2 hingga 12 g/10 menit. Pengantar MFI yang lebih tinggi berfungsi sebagai pelumas internal yang memungkinkan isi bahan penambah kekerasan yang tinggi tetap dapat diekstrusi dan dipelintir. Jika pengantar memiliki MFI yang terlalu rendah, cairan menjadi terlalu kaku untuk mendispersi bubuk dan FPV meningkat; jika terlalu tinggi, masterbatch dapat melemahkan sifat mekanis produk akhir. Tabel di bawah ini menunjukkan pilihan resin pengantar yang representatif.
Pemilihan Resin Pengantar oleh Aplikasi Akhir
| Produk utama | Penyedia yang direkomendasikan | MFI penyedia (g/10 menit) | Catatan |
|---|---|---|---|
| Film dan kantong PE | LDPE atau LLDPE | 20 hingga 50 | Konsistensi kejelasan yang baik, mudah dipotong |
| Pemotongan injeksi PP | PP homopolimer | 20 hingga 40 | Sama dengan kristalisasi, gunakan PP-g-MAH |
| Raffia dan pita PP | PP homopolimer | 25 hingga 45 | Tarik tinggi, tidak mengental |
| Pipa dan profil HDPE | Blending HDPE atau LDPE | 15 hingga 35 | Menjaga ketegangan dan ESCR |
| Lapisan perekat EVA | EVA | 10 hingga 30 | Spesialisasi, biaya yang lebih tinggi |
MFI diukur pada suhu 190 derajat Celsius untuk polietilen dan polipropilen dengan beban 2,16 kilogram, dan hasilnya dalam gram per 10 menit berbanding terbalik dengan berat molekul. Ketika mencocokkan pembawa dengan host, insinyur juga harus mempertimbangkan kepadatan: masterbatch pengisi sudah meningkatkan berat jenis, sehingga memilih pembawa dengan kepadatan rendah seperti LDPE (sekitar 0,92 g/cm3) daripada HDPE (sekitar 0,95 g/cm3) dapat sebagian mengimbangi peningkatan berat jika tujuannya adalah penurunan biaya, bukan berat maksimum. Sebaliknya, untuk masterbatch pengisi dengan kepadatan tinggi di mana berat adalah poin penjualan, pilihan pembawa menjadi sekunder dibandingkan dengan berat jenis pengisi.
Mengimbangi Ketegangan dan Dampak: Kompromi Modulus Bending
Ketegangan dalam komposisi yang terisi dapat dijelaskan dengan modulus fleksibel, kemiringan kurva tekanan-deformasi saat dipangkas, yang diukur dalam megapascal. Penambahan filler mineral hampir selalu meningkatkan modulus fleksibel karena partikel anorganik yang kaku menghambat deformasi matriks. Besarnya peningkatan tergantung pada modulus filler, beban, rasio aspek, dan adhesi permukaan. Talc, dengan partikel berbentuk piring dengan rasio aspek tinggi, memberikan peningkatan modulus yang paling kuat per satuan berat, sementara karbonat kalium bulat memberikan peningkatan yang lebih moderat dan sulfat barium memberikan peningkatan moderat dengan tambahan kepadatan.
Sisi yang tak terhindarkan adalah kekuatan benturan. Penambahan bahan pengisi mineral menciptakan titik konsentrasi stres dan interfase yang lemah yang memicu keretakan, sehingga kekuatan benturan yang diukur dengan metode Izod atau Charpy menurun seiring dengan peningkatan beban. Polipropilen yang rapi mungkin menunjukkan kekuatan benturan Izod sekitar 30 hingga 45 J/m, tetapi pada 40 persen kalsium karbonat ini dapat menurun menjadi 5 hingga 10 J/m, dan pada 30 persen talc menjadi sekitar 8 hingga 15 J/m. Seni teknik adalah meningkatkan beban dan modulus sambil menggunakan agen pengikat, modifikasi elastomer atau campuran bahan pengisi yang seimbang untuk menjaga kekuatan benturan di atas minimal yang diperlukan oleh aplikasi.
Beberapa strategi dapat memulihkan daya tahan tanpa mengorbankan keberulangan yang terlalu tinggi. Penggabungan titanat atau silan meningkatkan permukaan kontak dan memulihkan sebagian dari daya tahan yang hilang. Menambahkan 5 hingga 15 persen modifikasi elastomer seperti karet etilen-propilen atau elastomer termoplastik dapat meningkatkan daya tahan secara signifikan dengan penurunan modulus yang kecil. Memadukan pengisi dengan modulus tinggi seperti talc dengan pengisi sferik dengan biaya rendah seperti karbonat kalium dapat mencapai target biaya dan sifat yang berada di antara keduanya. Tabel di bawah ini menunjukkan arah sifat representatif pada beban 30 persen dalam polipropilen.
Orientasi properti pada 30 persen pengisi dalam polipropilen
| Filler (30%, dikombinasikan) | Modulus fleksibel (MPa) | Notched Izod (J/m) | HDT (deg C) |
|---|---|---|---|
| Tidak ada (PP rapi) | 1500 | 35 sampai 45 | 55 sampai 60 |
| CaCO3, halus | 2600 sampai 3000 | 10 sampai 18 | 70 sampai 80 |
| Talc, aspek tinggi | 3200 sampai 4200 | 12 sampai 20 | 85 sampai 105 |
| BaSO4 | 2500 sampai 3100 | 12 sampai 18 | 70 hingga 82 |
Angka-angka di atas adalah kisaran yang umum; nilai-nilai yang sebenarnya tergantung pada kelas, kaitan, dan metode pengujian, dan harus diverifikasi terhadap spesifikasi produsen. Aturan praktis untuk masterbatch pengisi dengan kepadatan tinggi adalah menetapkan modulus fleksibilitas minimum yang diperlukan oleh pelanggan, kemudian memilih pengisi dan pengisian yang memenuhi persyaratan tersebut dengan biaya terendah dan dampak yang dipertahankan yang tertinggi. Para insinyur Kerke secara rutin menjalankan percobaan laboratorium kecil pada ekstruder kembar KTE untuk menentukan kompromi-kompromi ini sebelum skala ke produksi.
Kualitas dispersi: Nilai Tekanan Filter (FPV)
Kualitas dispersi menentukan apakah masterbatch dengan kepadatan tinggi akan berfungsi di lapangan atau merusak cetakan dan film pelanggan. Dispersi yang buruk menyebabkan terbentuknya agregat, bintik-bintik seperti mata ikan, dan gel yang menghalangi layar, mengurangi kualitas film, dan melemahkan bagian-bagian. Uji kuantitatif yang paling banyak diterima untuk dispersi filler adalah Nilai Tekanan Filter, juga disebut nilai tekanan filter atau FPV, yang diukur pada reometer kapiler yang dilengkapi dengan paket saringan standar pada suhu dan kecepatan gesekan yang tetap.
Dalam uji FPV, masterbatch yang sudah mencair dipompa melalui paket saringan dengan mesh halus dan peningkatan tekanan di atas volume atau waktu yang tetap dicatat. Bahan yang tersebar dengan baik mengalir dengan tekanan yang rendah dan stabil; bahan yang mengandung agregat atau gel menyebabkan tekanan naik dengan tajam saat saringan tersumbat. Nilai yang dilaporkan biasanya adalah tekanan dalam bar setelah volume yang ditentukan, atau kecepatan kenaikan tekanan. FPV yang lebih rendah berarti dispersi yang lebih halus, lebih seragam, dan lebih sedikit kerusakan. Metode FPV mengikuti prinsip ISO 1133 untuk pengukuran aliran cair, dan menggunakan paket saringan yang serupa dengan yang digunakan dalam uji penyaringan ASTM, namun batas penerimaan ditetapkan oleh proses konverter dan ketebalan film.
Untuk kelas film tipis dan laminasi, FPV harus sangat rendah karena bahkan beberapa agregat besar dapat terlihat sebagai kerusakan; untuk pipa dan profil yang tebal, toleransi lebih luas. Praktik yang baik biasanya menargetkan FPV yang jauh di bawah beberapa ratus bar untuk film yang menuntut, sementara kelas umum dapat menerima nilai yang lebih tinggi. Di luar FPV, dispersi juga diperiksa dengan menghitung agregat menggunakan mikroskop, dengan kandungan abu untuk pengisi total, dan dengan uji penumpahan dua roll mill untuk gel yang terlihat. Tabel di bawah ini mencantumkan pemeriksaan dispersi yang umum.
Metode uji dispersi untuk masterbatch pengisi
| Metode | Apa yang diukur | Tujuan yang biasa | Basis standar |
|---|---|---|---|
| Nilai Tekanan Filter (FPV) | Kenaikan tekanan melalui paket saring | Semakin rendah semakin baik; ketat untuk film | Prinsip ISO 1133 |
| Kandungan abu | Total filler anorganik | Dalam kisaran plus atau minus 1 persen | ISO 3451 |
| Perhitungan mikroskop | Jumlah dan ukuran agregat | Banyak hitungan di atas 50 mikrometer | Metode internal |
| Smear / roll mill | Gel dan streak yang terlihat | Tidak ada gel yang terlihat | Metode internal |
Peningkatan FPV kembali ke proses komposisi: partikel yang lebih halus, pengikatan yang memadai, energi mekanik yang cukup di zona pengadukan, dan devolatilasi yang efektif. Pada mesin ekstruder ganda berputar Kerke KTE, profil silinder disesuaikan sehingga filler hanya mengalami gesekan yang kuat setelah bahan pengikat telah meleleh dan menempel, yang memecah agregat tanpa menggerus partikel terlalu banyak atau menghasilkan panas yang merusak polimer.
Teknik Proses Penggilingan dengan Twin-Screw
Hati dari setiap jalur masterbatch dengan kepadatan tinggi adalah mesin ekstruder ganda berputar paralel. Kerke, pabrik Wanplas, membangun seri KTE dari mesin ekstruder ganda berputar paralel KTE-16B hingga KTE-135D, dengan diameter silinder mulai dari 16 mm di laboratorium hingga 135 mm di jalur produksi besar, dan rasio L/D biasanya antara 36 dan 52, dengan 40 hingga 48 yang paling umum untuk masterbatch filler. Silinder berputar sendiri membersihkan diri, yang mencegah zona mati dan memberikan dispersi yang baik dan membersihkan diri sendiri, keduanya penting saat mengganti jenis atau warna filler.
Silinder dibangun dari elemen modular sehingga profilnya dapat dioptimalkan untuk formulasi. Kelompok elemen utama adalah elemen pengangkut (pitch maju dan mundur), blok pengaduk (bersebelahan pada sudut 30, 45, 60, atau 90 derajat), elemen pengaduk gigi atau gigi, dan elemen mundur yang membangun tekanan dan masa tinggal. Untuk masterbatch filler, tata letak yang umum adalah: zona pengisian yang terdiri dari elemen pengangkut, zona pemanasan dan penyerapan awal, zona pengadukan dengan gesekan tinggi di mana agregat terpecah, port pengisian samping di mana sebagian besar partikel filler kering masuk, zona pengadukan kedua, dan satu atau dua zona pengeluaran vakum sebelum pompa melarut dan tabung.
Pengisian samping adalah kunci untuk pengisian yang tinggi. Sebaliknya dari memasukkan semua bubuk dengan kepadatan rendah melalui hopper utama, pengisian samping, seringkali pengisian samping ganda-silinder dengan penurunan berat, menyuntikkan filler ke bagian tabung yang berada di bawahnya setelah bahan pengikat telah meleleh dan membentuk pasta. Hal ini membebaskan volume bebas pengisian utama, meningkatkan throughput keseluruhan, mengurangi beban silinder, dan meningkatkan pengeluaran. Pengisian crammer atau pengisian utama dengan penurunan berat menangani bahan pengikat dan bahan cair, sementara pengisian samping mengukur 50 hingga 70 persen dari total filler.
Ventilasi vakum menghilangkan udara yang dibawa bersama dengan bubuk dan kelembaban permukaan, yang untuk bahan pengisi mineral dapat berkisar antara 0,2 hingga 0,8 persen. Tanpa ventilasi, cairan menahan celah, FPV naik, dan butiran terlihat porus. Satu ventilasi sudah cukup untuk bahan pengisi kering yang telah diproses, sementara dua ventilasi, satu atmosfer dan satu vakum dalam yang mencapai sekitar 0,02 hingga 0,05 bar absolut, digunakan untuk kelas yang lembab atau berkapasitas tinggi. Kondisi proses untuk masterbatch kalsium karbonat yang umum adalah suhu silinder 160 hingga 210 derajat Celcius, kecepatan propeler 300 hingga 600 rpm, dan energi spesifik 0,10 hingga 0,25 kWh per kilogram tergantung pada kapasitas dan kehalusan.
Kapasitas produksi berbanding lurus dengan diameter baut. Sebuah lini KTE-75 biasanya menghasilkan 300 hingga 500 kg/jam masterbatch yang diisi, KTE-95 sekitar 800 hingga 1200 kg/jam, dan KTE-135D di atas 2000 kg/jam. Kerke menyediakan lini-lini ini dengan feeder penurunan berat, pengisi samping, sistem vakuum, pompa gigi, dan pemecah pelet yang dipilih, dan merek Wanplas mendukungnya dengan komitmen layanan yang sama, termasuk spare part gratis setiap tahun dan pengaturan di tempat.
Jendela Proses Indikatif berdasarkan Ukuran Pipa
| Model | Diameter baut (mm) | Produksi (kg/jam) | Kecepatan baut (rpm) |
|---|---|---|---|
| KTE-52 | 52 | 120 hingga 220 | 300 hingga 600 |
| KTE-75 | 75 | 300 hingga 500 | 300 hingga 550 |
| KTE-95 | 95 | 800 hingga 1200 | 250 hingga 500 |
| KTE-135D | 135 | 2000 plus | 200 hingga 400 |
Metode Pelletizing: Ring Air, Strand, dan Di Bawah Air
Langkah terakhir mengubah campuran cair menjadi butiran yang seragam yang dapat diukur dengan akurat oleh konverter. Tiga metode dominan untuk masterbatch pengisi adalah: pengolahan butiran dengan benang, pengolisan butiran dengan ring air, dan pengolisan butiran di bawah air. Pilihan tergantung pada kekuatan cair, pengisian pengisi, kebutuhan pendinginan, dan bentuk butiran yang diinginkan.
Proses pelletizing strand memasukkan beberapa benang diekstrusi melalui mandi air dan kemudian melalui pemotong berputar. Proses ini kuat, mudah dijalankan, dan cocok untuk rentang viskositas yang luas, sehingga menjadi pilihan default untuk banyak masterbatch pengisi dengan kekuatan pencairan yang cukup. Kekurangannya adalah ruang lantai dan kebutuhan untuk ketegangan benang yang konsisten; benang yang putus berarti waktu berhenti. Proses pelletizing ring air memotong pencairan pada permukaan die dan melemparkan pellet ke dalam ring air di mana mereka didinginkan dan dikirim, kemudian dikeringkan. Proses ini kompak dan dapat menangani output yang lebih tinggi dengan baik, dan merupakan pilihan umum untuk kelas yang diisi yang terlalu lembut untuk pengolahan benang yang bersih.
Proses pelletizing di bawah air memotong benang di dalam ruangan yang terisi air di permukaan matriks, menghasilkan pellet yang sempurna, bebas debu, dan memiliki keseragaman yang sangat baik. Ini cocok untuk bahan yang sensitif terhadap panas dan bahan dengan viskositas rendah, dan lebih disukai untuk masterbatch premium dengan nilai tinggi dan untuk beban pengisian yang sangat tinggi di mana patahnya benang akan sering terjadi. Perbandingan ini adalah kompleksitas peralatan yang lebih tinggi dan biaya modal yang lebih tinggi, tetapi menghasilkan pellet yang paling konsisten untuk pengadukan otomatis. Kerke menyediakan semua tiga sistem pemotongan dan menyesuaikan pelletizer dengan wadah dan beban.
Perbandingan Metode Pelletisasi
| Metode | Bentuk pellet | Terbaik untuk | Kompleksitas relatif |
|---|---|---|---|
| Strand | Cilinder | Umum, kekuatan pencairan yang baik | Rendah |
| Ring air | Cenderung bulat, kecil | Produksi tinggi, pencairan lembut | Media |
| Di bawah air | Bulat, seragam | Premium, sensitif terhadap panas, beban tinggi | Tinggi |
Untuk masterbatch kalsium karbonat komoditas di mana biaya harus tetap rendah, pelumasan ring air atau strand adalah yang umum. Untuk kelas sulfat barium premium yang menuntut pengisian paling bersih dan kadar debu terendah, pelumasan di bawah air adalah pilihan yang lebih baik. Setelah dipotong, pellet dijemur dengan cara sentrifugal, disaring untuk menghilangkan partikel halus, lalu dikirim ke silo atau kantong besar, dan pemeriksaan akhir FPV dan abu memastikan kualitas lot sebelum pengiriman.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Filler mana yang memberikan kepadatan tertinggi dalam masterbatch?
Sulfat barium (BaSO4) memberikan kepadatan spesifik tertinggi pada sekitar 4,3 g/cm3, dibandingkan dengan kalsium karbonat pada sekitar 2,7 g/cm3 dan talc pada sekitar 2,8 g/cm3. Untuk penambahan berat maksimum per gram masterbatch yang ditambahkan, BaSO4 adalah pilihan yang disukai, sementara CaCO3 dipilih ketika biaya harus tetap rendah.
Berapa beban filler yang umum dalam masterbatch filler dengan kepadatan tinggi?
Sebagian besar masterbatch filler komersial mengandung 70 persen hingga 85 persen filler aktif berdasarkan berat. Kelas sulfat barium dapat mencapai 80 persen hingga 90 persen karena kepadatan bubuknya, sementara kelas kalsium karbonat halus biasanya mencapai sekitar 80 persen untuk menjaga kekuatan pencairan dan dispersi yang dapat diterima.
Bagaimana kualitas dispersi untuk masterbatch filler diukur?
Dispersi paling sering diukur dengan Nilai Tekanan Filter (FPV), juga disebut nilai filter tekanan, yang diukur pada rheometer kapiler yang dilengkapi dengan paket saringan standar. Kenaikan tekanan yang lebih rendah dan lebih stabil menunjukkan dispersi yang lebih halus, lebih seragam, dan lebih sedikit agregat.
Mengapa menggunakan pengisi samping pada extruder gigi kembar untuk masterbatch pengisi?
Pengisi samping menambahkan bagian besar bahan pengisi kering di bawah lubang pengisian utama, mengurangi volume kosong yang diisi oleh bubuk dengan kepadatan rendah pada saluran masuk. Hal ini meningkatkan throughput total, mengurangi kelebihan beban penggerak, menurunkan energi spesifik per kilogram, dan meningkatkan devolatilasi pembawa.
Bagaimana MFI dari pemasok mempengaruhi produk akhir?
Pengemasan dengan MFI antara 20 dan 50 g/10 menit untuk polietilen atau 20 hingga 40 g/10 menit untuk polipropilen memungkinkan pengisian bahan pengisi yang tinggi tetap diekstrusi dan dipelintir. Jika MFI pengemasan terlalu rendah, cairan terlalu kaku untuk menyebarkan bubuk dan FPV meningkat; jika terlalu tinggi, masterbatch dapat melemahkan sifat mekanik produk yang diisi.
Apakah masterbatch filler dapat menggantikan resin asli untuk mengurangi biaya?
Ya, sampai batas tertentu. Menambahkan 10% hingga 40% masterbatch pengisi ke resin alami akan menurunkan biaya bahan dari kelas rendah ke menengah, sementara menambah berat dan kekerasan. Di atas sekitar 40% pengisi akhir, dampak dan tampilan biasanya menurun kecuali pengikatan dan penguatan diterapkan, sehingga batasnya ditentukan oleh aplikasi.
Screw L/D mana yang paling baik untuk masterbatch pengisi?
An L/D dari 40 hingga 48 adalah titik optimal yang praktis. Ini memberikan panjang yang cukup untuk pencairan, pemadatan intensif, pemberian makanan sampingan, dan dua zona ventilasi tanpa waktu tinggal yang berlebihan yang dapat merusak pembawa. Unit KTE-16B laboratorium menggunakan L/D yang lebih pendek untuk pekerjaan percobaan, sementara jalur KTE-135D yang besar berjalan dari 40 hingga 52.
Kesimpulan
Masterbatch dengan kepadatan tinggi adalah latihan untuk menyeimbangkan berat, ketangguhan, dan kemampuan proses. Karbonat kalium menjaga biaya rendah dan merupakan bahan utama dalam volume; sulfat barium memberikan kepadatan spesifik tertinggi untuk bagian yang kritis dari segi berat dengan biaya sedang hingga tinggi; talc memberikan modulus fleksibel yang paling kuat dan ketahanan terhadap panas melalui partikel berbentuk lembaran. Pengolahan permukaan dengan asam stearat atau pengikat titanat, pemilihan carrier dan MFI yang hati-hati, serta pengendalian yang disiplin terhadap interfase filler dengan polimer menentukan apakah produk tersebut rapuh atau kuat.
Baris pengkombinasian melakukan sisa pekerjaan. Extruder paralel ganda berputar bersamaan seperti seri KTE dari Kerke, yang dikonfigurasi dengan elemen pengangkut dan pengaduk, pengisi samping untuk pengisian tinggi, pengeluaran vakum untuk kelembaban dan udara, dan pengaduk yang cocok, mengubah bubuk dan resin menjadi masterbatch yang seragam dan memiliki indeks PV rendah. Kerke, pabrik Wanplas dengan lebih dari 12 tahun pengalaman dalam komposisi twin-screw dan lebih dari 2000 mesin yang beroperasi di lebih dari 70 negara, menyediakan lini-lini ini dengan pengisian dengan kerugian berat, pengisian samping, dan jalur pembuatan pellet, strand, lingkaran air, atau di bawah air, yang sesuai dengan kelas Anda. Jika Anda merencanakan lini masterbatch filler, hubungi tim merek Wanplas untuk mencocokkan model KTE, profil sekrup, dan alat pembuat pellet dengan target pengisian, pengisian, dan keluaran Anda.
