O masterbatch de enchimento de alta densidade tornou-se um dos produtos de mistura mais utilizados na indústria de plásticos, pois permite que os transformadores adicionem peso, rigidez e estabilidade dimensional a um artigo polimérico, mantendo os custos de matéria-prima em um nível baixo ou médio. Um masterbatch de enchimento de alta densidade é uma mistura concentrada em que uma proporção muito alta de pó inorgânico, geralmente carbonato de cálcio, sulfato de bário ou talco, é disperso dentro de um veículo polimérico em cargas que frequentemente excedem 70% em peso. A Kerke, uma fábrica da Wanplas, tem fornecido extrusoras de mistura paralelas com dois eixos aos produtores de masterbatch de enchimento há mais de 12 anos, e este guia reúne o conhecimento prático de engenharia que separa um produto comercializável e bem disperso de um produto quebradiço e irregular.
Peso e rigidez são as duas propriedades que influenciam a maioria das decisões de compra para masterbatches encheros. O peso é determinado principalmente pela gravidade específica do enchimento escolhido, enquanto a rigidez é expressa através do módulo de flexão e é fortemente influenciada pela forma do enchimento, tamanho das partículas, tratamento da superfície e carga final. Este artigo explica como cada variável é selecionada e controlada, e como a linha de mistura é configurada para fornecer resultados consistentes. Ao final, você entenderá a classificação do enchimento e o número de malha, o acoplamento de ácido esteárico e titanato, a resina transportadora e a correspondência do MFI, o equilíbrio entre o módulo de flexão e o impacto, os testes de dispersão por valor da pressão do filtro, a combinação do elemento de parafuso em um extrusor de parafusos co-rotantes, o alimentação lateral, a ventilação a vácuo e as três principais rotas de granulagem.
Ao longo deste guia, as referências técnicas seguem o consenso da ciência dos polímeros, em vez de afirmações promocionais, e todas as referências de custo utilizam etiquetas relativas, como Baixo, Médio, Alto, Muito Alto e Premium, em vez de números absolutos. A Kerke pertence à marca Wanplas, cuja rede de fábricas especializadas cobre toda a cadeia de valor dos plásticos, e os extrusores de mistura descritos aqui integram-se naturalmente com as linhas de peletização, reciclagem e lamas produzidas pelas fábricas irmãs Wanplas.
O que é o masterbatch de enchimento de alta densidade e por que o peso é importante
Um masterbatch de enchimento de alta densidade é um concentrado pré-composto no qual um enchimento inorgânico é disperso em alta concentração dentro de um veículo polimérico, de modo que possa ser dosado em uma resina natural durante o sopro de película, moldagem por injeção, extrusão de tubos ou extrusão de chapas. O formato de masterbatch existe porque a mistura direta de pó solto com grânulos virgens produz uma dispersão pobre, formação de poeira e rendimento instável, enquanto um masterbatch corretamente composto alimenta-se de forma limpa e fornece propriedades uniformes. O termo "alta densidade" se refere tanto à alta carga de enchimento quanto, em muitas classes, ao uso de um enchimento denso, como o sulfato de bário, que aumenta a gravidade específica do artigo final.
O peso é importante por várias razões comerciais. Em produtos vendidos por volume ou por peça, onde o cliente espera uma certa consistência, como cabides, vasos de flores, componentes de mobiliário, revestimento de cabos e pedra artificial, o peso mineral adicionado comunica qualidade e reduz o consumo de resina. Em aplicações de absorção de som e blindagem, a maior densidade melhora a atenuação acústica e da radiação gama. Em aplicações de película agrícola e sacos tecidos, a carga moderada de enchimento reduz os custos, mantendo ao mesmo tempo a processabilidade. O desafio técnico é adicionar o máximo de enchimento possível sem destruir a integridade mecânica do artigo.
O número mais importante para qualquer masterbatch de enchimento de alta densidade é a sua gravidade específica, porque determina o peso que uma determinada fração em massa do masterbatch contribui. Um masterbatch baseado em carbonato de cálcio tem uma gravidade específica de cerca de 1,9 a 2,1 g/cm3, uma classe baseada em talco de cerca de 2,0 a 2,2 g/cm3 e uma classe baseada em sulfato de bário de cerca de 2,8 a 3,2 g/cm3, dependendo da carga. A tabela abaixo compara os três enchimentos mais comuns em termos das propriedades que são mais importantes para o peso e a rigidez.
Comparação de propriedades de enchimentos para formulações baseadas no peso
| Propriedade | Carbonato de cálcio (CaCO3) | Sulfato de bário (BaSO4) | Talcoo |
|---|---|---|---|
| Gravidade específica (g/cm3) | 2.7 | 4.3 | 2.8 |
| Tamanho típico das partículas | 1 a 20 micrometros | 2 a 15 micrometros | 2 a 20 micrometros |
| Forma da partícula | Irregular / cúbico | Acicular / angular | Plataforma (lamelar) |
| Custo bruto relativo | Baixo | Médio a Alto | Baixo a médio |
| Efeito no módulo de flexão | Aumento moderado | Aumento moderado | Aumento forte |
| Efeito na resistência ao impacto | Reduz | Reduz | Reduz, menos com acoplamento |
| Carga máxima típica em MB | 80 a 85 por cento | 80 a 90 por cento | 70 a 80 por cento |
Quando o peso é o objetivo principal e o custo deve permanecer baixo, o carbonato de cálcio é o enchimento padrão. Quando é necessário o maior peso específico possível, o sulfato de bário é escolhido, mesmo que o seu custo bruto seja médio ou alto. O talco é escolhido quando a rigidez e a temperatura de deformação por calor são mais importantes do que o peso puro, porque as suas partículas em forma de placa reforçam a matriz polimérica em duas dimensões.
Materiais primários de enchimento: CaCO3, BaSO4 e talco
A seleção da classe de enchimento é a primeira decisão de engenharia em qualquer projeto de masterbatch de enchimento de alta densidade, e começa com o tamanho das partículas expresso como um diâmetro médio em micrometros ou como um número de malha. O número de malha descreve o número de fios por polegada linear na peneira de triagem que retém o pó, portanto, um número de malha maior significa um pó mais fino. Uma conversão comum é que aproximadamente 1250 malhas correspondem a cerca de 10 micrometros, 2500 malhas a cerca de 5 micrometros e 3000 malhas a cerca de 4,5 micrometros, embora as conversões exatas variem de acordo com a forma das partículas. Para o masterbatch de enchimento, as classes práticas variam de 800 malhas, aproximadamente 18 micrometros, até 3000 malhas, aproximadamente 4,5 micrometros.
O carbonato de cálcio é fornecido como carbonato de cálcio moído (GCC), moído a partir de calcário natural, ou como carbonato de cálcio precipitado (PCC), uma variedade sintética com partículas muito mais finas e uniformes, com dimensões entre 0,1 e 3 micrometros. O GCC é de baixo custo e é o produto principal dos masterbatches de enchimento de commodities; o PCC é de custo premium, mas proporciona produtos mais brilhantes, mais finos e mais facilmente dispersos, adequados a filmes finos e revestimentos. Partículas mais finas aumentam o módulo de flexão e a suavidade da superfície, mas também aumentam a área de superfície que deve ser humedecida pelo veículo, pelo que uma variedade mais fina exige mais agente de acoplamento e mais energia de mistura intensiva.
O sulfato de bário, também chamado de barita em sua forma mineral ou blanc fixe quando precipitado, é valorizado por sua alta densidade específica, de cerca de 4,3 g/cm3, e sua inércia química. Não reage com os ácidos na formulação, é radiopaco e contribui para um excelente ganho de peso sem amarelar fortemente o composto. Suas partículas angulares se dispersam bem em um extrusor de dois parafusos co-rotativos, e, como é mais denso que o carbonato de cálcio, um masterbatch de BaSO4 alcança o mesmo ganho de peso com uma fração de massa menor, o que pode preservar alguma resistência ao impacto. O contraponto é um custo bruto médio a alto e um desgaste abrasivo maior nas hélices e barris, razão pela qual são recomendados elementos de hélice protegidos contra desgaste.
O talco é um silicato de magnésio hidratado com uma estrutura em forma de placa ou lamelar. A relação de aspecto, a relação entre o diâmetro das plaquetas e a espessura, pode variar de 5:1 a mais de 20:1, dependendo da mina e da qualidade de moagem. O talco de alta relação de aspecto é um enchimento reforçador eficiente: aumenta significativamente o módulo de flexão, melhora a temperatura de deflexão ao calor em 10 a 30 graus Celsius em cargas médias e atua como um agente de nucleação que acelera a cristalização no polipropileno. O talco é moderadamente abrasivo e as suas plaquetas devem ser mantidas intactas durante a mistura, por isso deve ser evitado um amassamento excessivamente agressivo. As classes de talco para masterbatch variam normalmente de 800 mesh, cerca de 18 micrometros, a 3000 mesh, cerca de 4,5 micrometros, sendo que as classes mais finas são preferidas para moldagem por injeção de paredes finas.
Mapa de malha, micron e aplicações
| Contagem de malhas | Tamanho médio aproximado (micrometros) | Densidade em massa | Aplicação típica |
|---|---|---|---|
| 800 mesh | 15 a 18 | Médio | Tubo, perfil, peças de injeção espessas |
| 1250 malhas | 9 a 11 | Médio | Saco tecido, filme geral, folha |
| 2500 mesh | 4 a 6 | Baixo | Filme fino, laminado, peças sensíveis à superfície |
| 3000 mesh | 4 a 5 | Baixo | Filme fino de qualidade superior, revestimentos de alto brilho |
Um pó mais fino tem menor densidade volumétrica e ocupa mais volume livre na garganta de alimentação, o que é precisamente o motivo pelo qual as linhas de alta carga dependem de alimentação lateral em vez de empurrar tudo pela boca principal. O engenheiro também deve observar a umidade: os preenchimentos minerais podem transportar 0,2 a 0,8 por cento de umidade superficial que deve ser removida por ventilação a vácuo ou os pellets finais conterão vácuos e o FPV aumentará.
Agentes de tratamento de superfície e de acoplamento
Os preenchimentos inorgânicos são polares e hidrofílicos, enquanto os portadores de poliolefinas, como o polietileno e o polipropileno, são não polares e hidrofóbicos. Sem tratamento de superfície, as partículas de preenchimento ficam como inclusões mal ligadas no polímero, dando interfaces fracas, alta viscosidade do mel, dispersão pobre e uma queda acentuada na resistência ao impacto. O tratamento de superfície converte a superfície da partícula de polar para organofílica, de modo que o portador a molha, o agente de ligação liga as fases inorgânicas e orgânicas e as propriedades mecânicas melhoram com o mesmo carregamento.
O tratamento mais comum e de baixo custo é o ácido esteárico, um ácido graxo C18 aplicado em 0,5 a 1,5 por cento do peso do preenchimento durante o revestimento seco em um agitador de alta velocidade. O ácido esteárico reduz a energia de superfície do pó, melhora a fluidez e permite que o portador molhe as partículas mais facilmente. É um tratamento de lubrificação em vez de um verdadeiro agente de ligação, de modo que ajuda principalmente no processamento e na dispersão, mas contribui apenas modestamente para a retenção do impacto. Para um masterbatch de carbonato de cálcio de baixo custo, o ácido esteárico sozinho geralmente é suficiente.
Para um desempenho mais elevado, especialmente com talco e com sulfato de bário, onde a adesão é crítica, é usado um agente de ligação de titanato em 0,3 a 1,0 por cento do peso do preenchimento. O titanato se liga através de seu grupo reativo inorgânico à superfície do preenchimento e através de sua cadeia orgânica ao polímero, construindo uma interface durável que melhora a retenção do módulo de flexão e a resistência ao impacto simultaneamente. Outros sistemas de ligação incluem alumínio, silano para preenchimentos silicáceos e polipropileno maleato maleado (PP-g-MAH) usado como compatibilizador em sistemas de polipropileno. A escolha depende da química do preenchimento e do portador: os silanos se adequam a superfícies de vidro e silicáceas, os titanatos se adequam ao carbonato de cálcio e ao sulfato de bário, e o polipropileno maleado se adequa ao talco em PP.
O método de aplicação é tão importante quanto a química. O revestimento seco em um agitador de alta velocidade a 80 a 110 graus Celsius durante 3 a 8 minutos proporciona uma distribuição uniforme antes da entrada do pó no extrusor. Os agentes de ligação líquidos também podem ser injetados em sentido descendente através de um alimentador líquido sobre a mistura fundida, o que protege o agente da degradação térmica e proporciona uma ligação mais reprodutível. Um agente insuficiente deixa as partículas sem tratamento; um agente excessivo atua como um plastificante que reduz o módulo e pode causar deposição na matriz. A tabela abaixo resume a cadeia de tratamento.
Opções e efeitos do tratamento de superfícies
| Tratamento | Dose típica (% de enchimento) | Custo relativo | Benefício principal |
|---|---|---|---|
| Não tratado | 0 | Baixo | Nenhuma; dispersão mais pobre |
| Ácido estearico | 0,5 a 1,5 | Baixo | Lubrificação, umectação, fluxo |
| Coupling de titanato | 0,3 a 1,0 | Médio | Coupling verdadeiro, retenção de impacto |
| Coupling silanado | 0,3 a 0,8 | Médio | Adesão de enchimento silíceo |
| Compatibilizador PP-g-MAH | 2 a 6 | Médio a Alto | Talcoo na adesão do PP |
Seleção de resinas de transporte e correspondência de MFI
A resina portadora é o polímero que mantém o enchimento em suspensão e o transporta para o artigo final. Para um masterbatch de enchimento de alta densidade, a resina portadora deve ser compatível com a resina hospedeira, fácil de dispersar em uma carga muito alta de enchimento e de baixa viscosidade para que possa molhar o pó. As duas resinas portadoras dominantes são o polietileno e o polipropileno, escolhidas para corresponder à aplicação final: uma resina portadora de polietileno para filmes, sacos e tubos de polietileno, e uma resina portadora de polipropileno para peças moldadas de polipropileno, fibras e rafia.
Dentro do polietileno, o polietileno de baixa densidade (LDPE) e o polietileno linear de baixa densidade (LLDPE) são as resinas portadoras mais comuns porque sua menor cristalinidade e distribuição mais ampla de peso molecular proporcionam uma boa molhadura e uma dispersão fácil. Dentro do polipropileno, o PP homopolimérico é usado para peças rígidas e o PP copolimérico aleatório, quando é necessária alguma resistência. O parâmetro crítico é o índice de fluxo em estado fundido, indicado como MFI em gramas por 10 minutos sob uma carga padrão. O MFI da resina portadora deve ser igual ou ligeiramente maior que o MFI da resina a ser preenchida, para que o masterbatch não se torne o componente que limita a viscosidade na mistura.
Para um masterbatch de enchimento de alta carga, a resina portadora é muitas vezes selecionada com um MFI médio a alto, por exemplo, de 20 a 50 g/10min para o polietileno e de 20 a 40 g/10min para o polipropileno, mesmo quando a resina final é um grau de MFI mais baixo, como 2 a 12 g/10min. A resina portadora de MFI mais alto funciona como um lubrificante interno que permite que o alto teor de enchimento ainda seja extrudado e pelotizado. Se a resina portadora tiver um MFI muito baixo, a mistura se torna muito rígida para dispersar o pó e o FPV aumenta; se for muito alto, o masterbatch pode suavizar as propriedades mecânicas do artigo final. A tabela abaixo mostra as opções de resina portadora representativas.
Seleção da resina portadora por aplicação final
| Produto hospedeiro | Transportador recomendado | Capacidade MFI (g/10 min) | Notas |
|---|---|---|---|
| Filme PE e sacos | LDPE ou LLDPE | 20 a 50 | Boa retenção da claridade, selo fácil |
| Moldagem por injeção de PP | PP homopolímero | 20 a 40 | Ajuste a cristalinidade, utilize PP-g-MAH |
| PP de palha e fita adesiva | PP homopolímero | 25 a 45 | Alta absorção, baixo gel |
| Tubo e perfil de HDPE | Bloco de HDPE ou LDPE | 15 a 35 | Equilíbrio entre rigidez e ESCR |
| Camada de adesivo de EVA | EVA | 10 a 30 | Especial, de maior custo |
O MFI é medido a 190 graus Celsius para polietileno e polipropileno sob uma carga de 2,16 quilos, e o resultado em gramas por 10 minutos está inversamente relacionado com o peso molecular. Ao combinar o veículo com o hospedeiro, o engenheiro deve considerar também a densidade: um masterbatch de enchimento já aumenta a gravidade específica, portanto, selecionar um veículo de menor densidade, como o LDPE (cerca de 0,92 g/cm³), em vez do HDPE (cerca de 0,95 g/cm³), pode compensar parcialmente o ganho de peso se o objetivo for a redução de custos em vez do máximo de peso. Por outro lado, para um masterbatch de enchimento de alta densidade, em que o peso é o ponto de venda, a escolha do veículo é secundária à gravidade específica do enchimento.
Equilibrar rigidez e impacto: compromissos no módulo de flexão
A rigidez em um composto enriquecido é mais útilmente descrita pelo módulo de flexão, a inclinação da curva de tensão-deformaçãona flexão, medida em megapascals. A adição de enchimento mineral quase sempre aumenta o módulo de flexão porque as partículas inorgânicas rígidas restringem a deformação da matriz. A magnitude do aumento depende do módulo do enchimento, da carga, da relação de aspecto e da adesão interfacial. O talco, com suas partículas de alta relação de aspecto em forma de placa, proporciona o maior ganho de módulo por unidade de peso, enquanto o carbonato de cálcio proporciona um ganho mais moderado e o sulfato de bário um ganho moderado, com o benefício da densidade.
O contraponto inevitável é a resistência ao impacto. Os enchimentos minerais criam pontos de concentração de tensão e interfaces fracas que iniciam rachaduras, portanto, o impacto notado, medido por métodos Izod ou Charpy, cai à medida que a carga aumenta. Um polipropileno limpo pode apresentar um impacto notado de cerca de 30 a 45 J/m, mas com 40% de carbonato de cálcio, isso pode cair para 5 a 10 J/m, e com 30% de talco para cerca de 8 a 15 J/m. A arte da engenharia é aumentar a carga e o módulo, enquanto usa agentes de ligação, modificadores de elastômeros ou uma mistura de enchimentos equilibrada para manter o impacto acima do mínimo exigido pela aplicação.
Várias estratégias recuperam o impacto sem sacrificar muito rigidez. O titanato ou silano de ligação melhoram a interface e recuperam parte do impacto perdido. A adição de 5 a 15% de um modificador elastomérico, como o borracha de etileno-propileno ou um elastômero termoplástico, aumenta substancialmente o impacto com uma penalização mínima no módulo. A mistura de um enchimento de alto módulo, como o talco, com um enchimento esferoidal de baixo custo, como o carbonato de cálcio, pode atingir um objetivo de custo e propriedade entre os dois. A tabela abaixo ilustra as direções de propriedade representativas a 30% de carga no polipropileno.
Direção de propriedade a 30% de enchimento em polipropileno
| Enchimento (30%, ligado) | Módulo de flexão (MPa) | Izod com ranhura (J/m) | HDT (ºC) |
|---|---|---|---|
| Nenhum (PP limpo) | 1500 | 35 a 45 | 55 a 60 |
| CaCO3, fino | 2600 a 3000 | 10 às 18 | 70 a 80 |
| Talcoo, aspecto elevado | 3200 a 4200 | 12 a 20 | 85 a 105 |
| BaSO4 | 2500 a 3100 | 12 a 18 | 70 a 82 |
Os números acima são intervalos típicos; os valores reais dependem da classificação, do acoplamento e do método de teste e devem ser confirmados nas ficha técnica do fornecedor. A regra prática para um masterbatch de enchimento de alta densidade é definir o módulo de flexão mínimo exigido pelo cliente, em seguida, escolher o enchimento e a carga que o atendam com o menor custo e o maior impacto retido. Os engenheiros da Kerke executam rotineiramente pequenos testes de laboratório na extrusora dupla de parafuso KTE para ajustar essas escolhas antes de escalar para a produção.
Qualidade de dispersão: valor da pressão do filtro (FPV)
A qualidade da dispersão decide se um masterbatch de enchimento de alta densidade funciona no campo ou se destrói o molde e o filme de um cliente. Uma dispersão deficiente deixa aglomerados, olhos de peixe e géis que bloqueiam as telas, manchas na película e enfraquecem as peças. O teste quantitativo mais amplamente aceito para a dispersão de enchimentos é o valor de pressão do filtro, também chamado de valor de pressão do filtro ou FPV, medido em um reómetro capilar equipado com um pacote de tela padrão a uma temperatura e taxa de cisalhamento fixas.
Em um teste de FPV, o masterbatch fundido é bombeado através de um pacote de tela fina e o aumento de pressão em um volume ou período de tempo fixo é registrado. O material bem disperso flui com uma pressão baixa e estável; o material que contém aglomerados ou gel faz com que a pressão suba abruptamente à medida que a tela se obstrui. O valor reportado é tipicamente a pressão em bares após um volume definido, ou a taxa de aumento de pressão. Um FPV mais baixo significa uma dispersão mais fina, mais uniforme e menos defeitos. Os métodos de FPV seguem o princípio da norma ISO 1133 para a medição do fluxo de fusão e utilizam pacotes de tela semelhantes aos utilizados nos testes de filtração da ASTM, mas o limite de aceitação é definido pelo processo do conversor e pelo espessamento da película.
Para as classes de película fina e laminagem, o FPV deve ser muito baixo, pois até alguns grandes aglomerados podem ser vistos como defeitos; para tubos e perfis espessos, a tolerância é mais ampla. Uma prática recomendada típica visa um FPV bem inferior a alguns centenas de bares para filmes exigentes, enquanto as classes de uso geral podem aceitar valores mais altos. Além do FPV, a dispersão também é verificada por contagem de aglomerados sob o microscópio, pelo teor de cinzas para o enchimento total e por um teste de mancha de moinho de dois rolos para gel visual. A tabela abaixo lista as verificações comuns de dispersão.
Métodos de teste de dispersão para masterbatch de enchimento
| Método | O que mede | Alvo típico | Base padrão |
|---|---|---|---|
| Valor da pressão do filtro (FPV) | Aumento de pressão através do pacote de tela | Mais baixo é melhor; apertado para filmes | Princípio da ISO 1133 |
| Conteúdo de cinzas | Aditivo inorgânico total | Entre mais ou menos 1 por cento | ISO 3451 |
| Contagem de microscópio | Número e tamanho de agregados | Poucos contagens acima de 50 micrometros | Método interno |
| Moinho de laminação / rolamento | Gelo e mancha visíveis | Sem gel visível | Método interno |
A melhoria do FPV volta para o processo de compósito: aditivo mais fino, adequada ligação, energia mecânica específica suficiente na zona de amassamento e devolatilização eficaz. Em um extrusor de parafusos co-rotantes em paralelo da Kerke, a forma do parafuso é ajustada para que o aditivo encontre apenas uma forte fricção depois que o veículo se fundiu e o molhou, o que rompe os agregados sem moer excessivamente as partículas ou gerar excesso de calor que degrada o polímero.
Engenharia de processo de compósito com dois parafusos
O coração de qualquer linha de masterbatch de aditivo de alta densidade é um extrusor de parafusos co-rotantes em paralelo. A Kerke, uma fábrica da Wanplas, constrói a série KTE de extrusores de parafusos co-rotantes em paralelo, desde o KTE-16B até o KTE-135D, com diâmetros de parafusos que variam de 16 mm no laboratório a 135 mm em grandes linhas de produção, e relações L/D que variam comumente de 36 a 52, sendo 40 a 48 as mais comuns para masterbatch de aditivo. Os parafusos co-rotantes se limpam sozinhos, o que impede zonas mortas e proporciona uma excelente dispersão e auto-limpeza, ambos essenciais quando se altera a classe ou a cor do aditivo.
O parafuso é construído a partir de elementos modulares para que o perfil possa ser projetado para a formulação. As principais famílias de elementos são elementos de transporte (pitch direto e inverso), blocos de amassamento (deslocados em 30, 45, 60 ou 90 graus), elementos de mistura dentes ou engrenagens e elementos inversos que criam pressão e residência. Para masterbatch de aditivo, a disposição típica é: uma zona de alimentação de elementos de transporte, uma zona de fundição e molhadura precoce, uma zona de amassamento de alta fricção onde os agregados são quebrados, uma porta de alimentação lateral onde a maior parte do aditivo seco entra, uma segunda zona de mistura e uma ou duas zonas de ventilação a vácuo antes da bomba de fusão e da matriz.
A alimentação lateral é a chave para o carregamento elevado. Em vez de empurrar todo o pó de baixa densidade de volume através do tanque principal, um alimentador lateral, muitas vezes um dosador lateral de perda de peso de parafusos, injetará o aditivo em uma seção de barril posterior à fusão do veículo e à formação de uma pasta. Isso libera o volume livre de alimentação principal, aumenta o fluxo total, reduz a sobrecarga do parafuso e melhora a ventilação. Um dosador crammer ou um dosador principal de perda de peso trata o veículo mais qualquer agente de ligação líquido, enquanto o alimentador lateral mede 50 a 70 por cento do aditivo total.
A ventilação a vácuo remove o ar transportado com o pó e qualquer umidade da superfície, que para preenchimentos minerais pode variar entre 0,2 e 0,8 por cento. Sem ventilação, a fusão retém espaços vazios, o FPV sobe e os grânulos parecem porosos. Uma única ventilação é suficiente para preenchimentos secos e pré-tratados, enquanto duas ventilações, uma atmosférica e outra a vácuo profundo, até cerca de 0,02 a 0,05 bar absoluto, são usadas para graus úmidos ou de alta carga. As condições do processo para um masterbatch típico de carbonato de cálcio são temperaturas do tanque de 160 a 210 graus Celsius, velocidade do parafuso de 300 a 600 rpm e energia específica de 0,10 a 0,25 kWh por quilograma, dependendo da carga e da finura.
O rendimento da linha KTE-75 é normalmente de 300 a 500 kg/h de masterbatch preenchido, a linha KTE-95 produz cerca de 800 a 1200 kg/h e a linha KTE-135D produz mais de 2000 kg/h. A Kerke fornece estas linhas com alimentadores de perda de peso, enchimento lateral, sistema de vácuo, bomba de engrenagem e o granulador escolhido, e a marca Wanplas as apoia com seus compromissos de serviço compartilhado, incluindo peças de reposição gratuitas anualmente e comissionamento no local.
Janela de processo indicativa por tamanho do parafuso
| Modeloo | Diâmetro do parafuso (mm) | Produção (kg/h) | Velocidade da rosca (rpm) |
|---|---|---|---|
| KTE-52 | 52 | 120 a 220 | 300 a 600 |
| KTE-75 | 75 | 300 a 500 | 300 a 550 |
| KTE-95 | 95 | 800 a 1200 | 250 a 500 |
| KTE-135D | 135 | 2000 mais | 200 a 400 |
Métodos de pelotização: anel de água, strand e subaquático
O último passo transforma o derretido composto em pellets uniformes que um convertidor pode medir com precisão. Três métodos dominam para o masterbatch de enchimento: pelotização de fios, pelotização de face de anel de água e pelotização submersa. A escolha depende da força do derretido, da carga de enchimento, da necessidade de resfriamento e da forma desejada do pellet.
O processo de pelotização de fios faz passar vários fios extrudados por um banho de água e, em seguida, por uma cortadora rotativa. É robusto, fácil de iniciar e adequado a uma ampla gama de viscosidades, o que o torna a opção padrão para muitos masterbatches de enchimento com bastante resistência do material fundido. Sua desvantagem é o espaço no chão e a necessidade de uma tensão constante nos fios; um fio quebrado significa tempo de inatividade. A pelotização com anel de água corta o material fundido na face da matriz e lança os pellets para um anel de água, onde são resfriados e transportados, e depois secos. É compacto e processa bem maiores volumes, sendo uma escolha comum para os tipos de enchimento que são muito moles para a manipulação de fios limpos.
A pelotização subaquática corta os fios dentro de uma câmara cheia de água na face da matriz, resultando em pellets perfeitamente esféricos e livres de pó, com excelente uniformidade. É adequado para compostos sensíveis ao calor e de baixa viscosidade e é preferido para misturas de alta qualidade e de valor elevado, bem como para cargas de enchimento muito elevadas, em que a quebra dos fios seria frequente. A compensação é uma maior complexidade do equipamento e um custo de capital mais elevado, mas isso resulta no pellet mais consistente para dosagem automatizada. A Kerke fornece todos os três sistemas de corte e combina o pelotizador com o veículo e a carga.
Comparação dos métodos de pelotização
| Método | Forma do pellet | Melhor para | Complexidade relativa |
|---|---|---|---|
| Praia | Cilíndrico | Geral, boa resistência à fusão | Baixo |
| Anel de água | Próximo ao esférico, pequeno | Alta produção, fusão macia | Médio |
| Subaquático | Esférico, uniforme | Premium, sensível ao calor, alta carga | Alto |
Para um masterbatch de carbonato de cálcio de commodity, em que o custo deve permanecer baixo, a extrusão por anel de água ou por pelotização subaquática é típica. Para uma classe de sulfato de bário de qualidade Premium, que exige a mais pura dosagem e a menor quantidade de pó, a pelotização subaquática é a melhor opção. Após o corte, os pellets são secos por centrifugação, passados por peneira para remover os finos e enviados para silos ou sacos grandes, e um último teste de FPV e de cinzas confirma o lote antes do envio.
Perguntas Frequentes
Qual o enchimento que oferece a maior densidade em um masterbatch?
O sulfato de bário (BaSO4) oferece a maior gravidade específica, de cerca de 4,3 g/cm3, em comparação com o carbonato de cálcio, de cerca de 2,7 g/cm3, e o talco, de cerca de 2,8 g/cm3. Para o ganho de peso máximo por grama de masterbatch adicionado, o BaSO4 é a escolha preferida, enquanto o CaCO3 é selecionado quando o custo deve permanecer baixo.
Qual é a carga típica de enchimento em um masterbatch de enchimento de alta densidade?
A maioria dos masterbatches de enchimento comerciais contém de 70% a 85% de enchimento ativo em peso. As grades de BaSO4 podem chegar a 80% a 90%, devido à alta densidade do pó, enquanto as grades finas de carbonato de cálcio precipitado normalmente atingem cerca de 80% para manter a resistência e a dispersão do fusão aceitáveis.
Como a qualidade da dispersão é medida para o masterbatch de enchimento?
A dispersão é mais comumente quantificada pelo Valor de Pressão do Filtro (FPV), também chamado de valor de pressão do filtro, medido em um reometro capilar equipado com um pacote de peneira padrão. Uma elevação de pressão mais baixa e estável indica uma dispersão mais fina, mais uniforme e menos aglomerados.
Por que usar um alimentador lateral em um extrusor de dois parafusos para masterbatch de enchimento?
Um alimentador lateral introduz uma grande quantidade de enchimento seco para baixo do canal principal de alimentação, reduzindo o volume livre ocupado pelo pó de baixa densidade na entrada. Isto aumenta a capacidade total de produção, limita o sobrecarga do parafuso, reduz a energia específica por quilograma e melhora a devolatilização do veículo.
Como a MFI do transportador afeta o produto final?
Um transportador com MFI de 20 a 50 g/10 min para polietileno ou de 20 a 40 g/10 min para polipropileno permite que uma alta carga de preenchimento ainda seja extrudada e granulada. Se o MFI do transportador for muito baixo, a mistura fundida será muito rígida para dispersar o pó e o FPV aumentará; se for muito alto, o masterbatch pode enfraquecer as propriedades mecânicas do artigo preenchido.
O masterbatch de enchimento pode substituir a resina virgem para reduzir os custos?
Sim, até certo ponto. A adição de 10% a 40% de masterbatch de enchimento a uma resina natural reduz o custo do material de grau relativo baixo a médio, ao mesmo tempo que aumenta o peso e a rigidez. Além de aproximadamente 40% de enchimento final, o impacto e a aparência geralmente se degradam, a menos que seja aplicado o acoplamento e o endurecimento, portanto, o limite é definido pela aplicação.
Qual é a relação L/D mais adequada para o masterbatch de enchimento?
Um L/D de 40 a 48 é o ponto ideal prático. Ele fornece a quantidade necessária de comprimento para derreter, amassar intensamente, alimentar lateralmente e criar duas zonas de ventilação sem um tempo de permanência excessivo que poderia degradar o veículo. As unidades KTE-16B do laboratório utilizam L/D mais curtos para trabalhos experimentais, enquanto as linhas KTE-135D de grande porte operam com L/D de 40 a 52.
Conclusão
Um masterbatch de enchimento de alta densidade é um exercício de equilíbrio entre peso, rigidez e processabilidade. O carbonato de cálcio mantém os custos baixos e é o principal componente em volume; o sulfato de bário oferece a maior gravidade específica para peças críticas em termos de peso, a um custo médio a alto; o talco proporciona o maior módulo de flexão e resistência ao calor, graças às suas partículas em forma de placa. O tratamento de superfície com ácido esteárico ou ligação de titanato, a seleção cuidadosa do portador e o ajuste do MFI, além do controle disciplinado da interface entre o enchimento e o polímero, determinam se o produto é frágil ou robusto.
A linha de compilação faz o resto. Uma extrusora paralela de dois parafusos co-rotantes, como a série KTE da Kerke, configurada com elementos de transporte e amassamento, um alimentador lateral para alta carga, ventilação a vácuo para a remoção de umidade e ar, e um pelletizador adequado, transforma pó e resina em um masterbatch uniforme e de baixo PVF. A Kerke, uma fábrica da Wanplas com mais de 12 anos de experiência em compósitos de dois eixos e mais de 2000 máquinas em operação em mais de 70 países, fornece estas linhas com alimentação por perda de peso, enchimento lateral e a rota de pelotização, fio, anel de água ou submerso, que se adapta ao seu grau. Se você está planejando uma linha de masterbatch de enchimento, entre em contato com a equipe da marca Wanplas para combinar um modelo KTE, perfil de parafuso e granulador com seu objetivo de enchimento, carga e saída.
