O carbonato de cálcio (CaCO3) é o enchimento inorgânico mais utilizado na indústria global de plásticos, devido ao seu baixo custo, alta brancura, boa rigidez e amigabilidade ambiental. O masterbatch de enchimento, um veículo concentrado de CaCO3 uniformemente disperso na resina de polímero, tornou-se a forma predominante de aplicação de enchimento para o processamento downstream, abrangendo filmes de embalagem, produtos moldados por injeção, extrusão de tubos, produção de chapas e componentes automotivos. À medida que as indústrias downstream apresentam requisitos mais altos para a aparência do produto, as propriedades mecânicas e a estabilidade do processamento, a alta dispersão tornou-se o indicador central para medir a qualidade do masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio. Uma dispersão inadequada pode levar a manchas brancas, olhos de peixe, acabamento superficial desigual e redução da resistência mecânica dos produtos finais, limitando diretamente o escopo de aplicação e a margem de lucro dos produtos masterbatch.
O equipamento principal para alcançar uma alta dispersão do masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio é o extrusor de dois parafusos, também conhecido como extrusor de masterbatch ou extrusor de compósitos no setor. Em comparação com os extrusores de um parafuso, os extrusores paralelos de dois parafusos que se rodam em paralelo apresentam uma capacidade de mistura por cisalhamento mais forte, uma distribuição mais uniforme do tempo de permanência do material e um desempenho de auto-limpeza melhor, o que os torna a configuração padrão para a produção de masterbatch de enchimento de alta qualidade. No entanto, nem todos os extrusores de dois parafusos conseguem alcançar o efeito de dispersão ideal. A configuração do parafuso, a precisão de alimentação, o sistema de controle de temperatura, o projeto de escape e a correspondência dos parâmetros do processo do equipamento afetarão diretamente a qualidade de dispersão do carbonato de cálcio no veículo de resina.
Como fabricante profissional com foco em R&Com mais de 20 anos de experiência na produção de equipamentos de extrusão de parafusos gêmeos, a Kerke lançou uma série de extrusoras de masterbatch de alta performance e extrusoras de compósitos, adaptadas à produção de masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio, com elementos de parafuso otimizados, sistemas de transmissão de alta torque e sistemas de controle de precisão, para ajudar os clientes a alcançar uma dispersão uniforme a nível nano dos enchimentos de carbonato de cálcio. Este guia explicará sistematicamente o valor da alta dispersão para o masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio, analisará os fatores principais que afetam a qualidade da dispersão, apresentará como as extrusoras de parafusos gêmeos conseguem uma dispersão eficiente, fornecerá recomendações detalhadas de produtos e análise de custo-benefício do equipamento Kerke, e resumirá esquemas práticos de otimização do processo e soluções comuns para a resolução de problemas, cobrindo todas as informações que os fabricantes e os usuários precisam para obter o máximo desempenho dos seus equipamentos.&O pessoal de D precisa saber sobre a produção de masterbatch de enchimento de alta dispersão.
1. O Valor da Alta Dispersão para o Masterbatch de Aditivo de Carbonato de Cálcio
A dispersão refere-se ao grau em que as partículas de enchimento de carbonato de cálcio são separadas e distribuídas uniformemente no veículo polimérico sem aglomeração. Para os fabricantes de masterbatch e os usuários downstream, uma alta dispersão não é apenas um requisito de qualidade, mas também está diretamente relacionada com os custos de produção, o desempenho do produto e a competitividade no mercado.
1.1 Melhoramento das propriedades mecânicas dos produtos finais
Quando as partículas de carbonato de cálcio estão uniformemente dispersas no nível das partículas primárias, elas podem agir como uma fase de reforço na matriz de resina, melhorando efetivamente a resistência à tração, o módulo de flexão, a resistência ao impacto e a dureza do produto. Por outro lado, se houver partículas aglomeradas na mistura-prima, esses aglomerados se tornarão pontos de concentração de tensão dentro do produto. Sob a ação de uma força externa, as fissuras serão iniciadas e expandidas a partir das posições de aglomeração, resultando em uma significativa diminuição das propriedades mecânicas do produto. Dados da indústria mostram que, para misturas-prima de carbonato de cálcio com alto teor de enchimento de 80%, uma dispersão inadequada pode reduzir a resistência ao impacto dos produtos finalizados por injeção em mais de 30%, e até mesmo causar fraturas frágeis dos produtos em ambientes de baixa temperatura. As misturas-prima de alta dispersão podem manter mais de 90% das propriedades mecânicas teóricas da fórmula, ajudando os produtos downstream a atender a padrões de qualidade mais elevados.
1.2 Otimização da aparência do produto e da qualidade da superfície
Para cenários de aplicações de alto nível, como filmes de embalagem, recipientes esferoidais e peças decorativas de superfície, a aparência do produto é um indicador de qualidade fundamental. Um masterbatch mal disperso produz manchas brancas, olhos de peixe, aberração cromática e uma superfície irregular no produto final, o que afeta seriamente a qualidade de aparência e até pode levar à rejeição de lotes de produtos. Por exemplo, na produção de filmes, partículas de carbonato de cálcio aglomeradas maiores que 10μm formam olhos de peixe evidentes na superfície do filme, o que impede que o produto seja utilizado para embalagens de alto nível. Um masterbatch de alta dispersão pode garantir que todas as partículas de carbonato de cálcio estejam abaixo de 5μm no produto final, sem manchas brancas visíveis ou olhos de peixe na superfície, e o produto apresenta alto brilho e cor uniforme, o que pode atender aos requisitos de qualidade de aplicações de alto nível.
1.3 Redução dos custos de produção e do desperdício de materiais
A alta dispersão pode dar pleno uso ao papel funcional do enchimento de carbonato de cálcio, de modo que a mesma quantidade de enchimento possa obter um melhor efeito de desempenho. Sob a premissa de atender aos mesmos requisitos de desempenho, o masterbatch de alta dispersão pode aumentar a quantidade de enchimento em 10-15% em comparação com o masterbatch comum, reduzindo ainda mais o custo da matéria-prima dos produtos downstream. Ao mesmo tempo, uma boa dispersão pode reduzir a taxa de desperdício no processo de produção. Para os fabricantes de masterbatch, uma dispersão inadequada pode levar a um grande número de produtos não qualificados que precisam ser retrabalhados ou descartados, aumentando a perda de matéria-prima e os custos de mão-de-obra. Para os produtos de fórmula de alta enchimento, a taxa de desperdício da produção com extrusor comum é geralmente de 6-10%, enquanto a taxa de desperdício da produção com extrusor de dupla hélice de alto desempenho pode ser controlada abaixo de 1,5%, economizando uma grande quantidade de custos de matéria-prima a cada ano.
1.4 Ampliação dos cenários de aplicação do produto e da margem de lucro
O masterbatch com qualidade de dispersão diferente apresenta grandes diferenças no preço de mercado e no escopo de aplicação. O masterbatch de enchimento de dispersão baixa comum só pode ser utilizado para moldagem por injeção de baixo nível, sacos de lixo e outros cenários com requisitos de qualidade baixos, com margens de lucro finas e uma concorrência acirrada no mercado. O masterbatch de alta dispersão pode ser utilizado em campos de alto valor agregado, como filmes de embalagem alimentícia, filmes respiráveis, peças de interior de automóveis, carcaças de aparelhos domésticos e materiais de construção, com preços de produtos 20% a 40% mais altos do que os produtos comuns, o que traz margens de lucro mais ricas para os fabricantes. Com a continuação da melhoria das exigências de qualidade da indústria downstream, a demanda do mercado por masterbatch de enchimento de alta dispersão está crescendo rapidamente, e o domínio da tecnologia de produção de alta dispersão tornou-se a chave para que as empresas de masterbatch ganhem vantagem competitiva.
2. Fatores principais que afetam a qualidade de dispersão do masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio
O processo de dispersão do carbonato de cálcio na resina polimérica inclui três etapas: a umectação das partículas de enchimento pela mistura fundida do polímero, a destruição das partículas aglomeradas sob ação de cisalhamento e a distribuição uniforme das partículas dispersas na matriz. Cada etapa é afetada por muitos fatores. Para obter uma alta dispersão, é necessário controlar sistematicamente todos os links, desde o pré-tratamento da matéria-prima até o processamento de extrusão.
2.1 Tratamento prévio da matéria-prima e projeto da fórmula
As características das matérias-primas são a base que afeta o efeito de dispersão. O carbonato de cálcio com diferentes tamanhos de partículas, estados de tratamento de superfície e valores de absorção de óleo apresentam grandes diferenças na dificuldade de dispersão. O carbonato de cálcio nano, com tamanho de partícula menor, tem um melhor efeito de reforço, mas é mais fácil de aglomerar e mais difícil de dispersar. O carbonato de cálcio comum de cor clara tem tamanho de partícula maior e é mais fácil de dispersar. O tratamento de superfície do carbonato de cálcio também é muito crítico. O carbonato de cálcio tratado com agentes de ligação, como ácido esteárico, titanato e aluminato, tem melhor compatibilidade com a matriz de resina, é mais fácil de ser encharcado pela fusão e não é fácil de reaglomerar durante o processamento.
Em termos de projeto da fórmula, a proporção de enchimento, resina portadora e aditivos afetará diretamente a dificuldade de dispersão. Uma quantidade de enchimento muito alta aumentará a viscosidade do sistema, aumentando a dificuldade de mistura e facilitando a dispersão desigual. A seleção da resina portadora deve ser compatível com a temperatura de processamento e a viscosidade de fusão do carbonato de cálcio, de modo a garantir que a resina possa molhar completamente as partículas de enchimento no processo de extrusão. A adição de dispersantes e lubrificantes adequados pode reduzir a frição entre as partículas e promover a separação dos aglomerados, mas uma adição excessiva afetará as propriedades mecânicas dos produtos. Na produção real, a mistura prévia adequada de matérias-primas antes de entrar no extrusor pode melhorar significativamente o efeito final de dispersão. O misturador de alta velocidade pode dispersar o carbonato de cálcio e a resina de forma uniforme e completar o revestimento do agente de ligação a uma determinada temperatura, reduzindo a pressão de dispersão do extrusor.
2.2 Configuração do elemento de parafuso e distribuição do campo de corte
Como componente principal do extrusor de dois parafusos, o parafuso determina diretamente a capacidade de mistura e dispersão do equipamento. O parafuso do extrusor de dois parafusos co-rotantes é composto por diferentes tipos de elementos, incluindo elementos de transporte, elementos de amassamento, elementos de mistura dentes e elementos de transporte reverso. Diferentes elementos têm funções diferentes e formam campos de cisalhamento e fluxo diferentes dentro do parafuso.
Os elementos de transporte são principalmente responsáveis pelo transporte de materiais, e seu tamanho de ligação afeta o grau de enchimento e o tempo de permanência dos materiais. Os elementos de amassamento são os componentes principais para alcançar a dispersão por corte. A força de corte e o efeito de mistura variam com o ângulo de deslocamento dos discos de amassamento. Os blocos de amassamento com ângulo de deslocamento de 30° desempenham principalmente o papel de mistura distributiva com força de corte fraca; o ângulo de deslocamento de 45° leva em conta tanto a dispersão quanto a distribuição, que é a configuração mais comum; o ângulo de deslocamento de 60° tem força de corte forte, o que pode destruir efetivamente partículas aglomeradas, mas excesso pode facilmente levar à degradação do material. O número e a posição de arranjo dos blocos de amassamento também devem ser projetados de forma razoável de acordo com as características da fórmula de carbonato de cálcio. Um número insuficiente de elementos de corte não consegue obter uma dispersão adequada, enquanto um número excessivo causa excesso de corte, levando à degradação da resina e ao amarelecimento do masterbatch. Para o masterbatch de carbonato de cálcio de alto enchimento, também é necessário configurar um número razoável de elementos de mistura para garantir a distribuição uniforme dos preenchimentos em todo o matriço.
2.3 Controle dos parâmetros do processo de extrusão
Mesmo com o mesmo equipamento e fórmula, diferentes parâmetros de processo podem levar a grandes diferenças no efeito de dispersão. Os principais parâmetros de processo que afetam a dispersão incluem a curva de temperatura, a velocidade do parafuso, a taxa de alimentação e o grau de vácuo.
A temperatura afeta diretamente a viscosidade do derretimento da resina e a força de cisalhamento do sistema. Uma temperatura muito baixa pode levar à insuficiente plasticização da resina, a uma alta viscosidade do derretimento e à dificuldade de umedecimento das partículas de enchimento; uma temperatura muito alta pode reduzir a viscosidade do derretimento, enfraquecer o efeito de cisalhamento e até mesmo causar degradação da resina e declínio das suas características. Para o masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio, a curva de temperatura deve ser ajustada de forma razoável de acordo com o tipo de resina portadora, de modo a garantir a completa plasticização da resina e manter uma viscosidade de cisalhamento adequada. A velocidade do parafuso e a taxa de alimentação juntos determinam o tempo de permanência e o grau de enchimento dos materiais no parafuso. Uma velocidade de parafuso mais alta pode fornecer uma força de cisalhamento mais forte, mas um tempo de permanência muito curto pode levar a uma mistura insuficiente. Uma taxa de alimentação muito alta pode aumentar a carga do extrusor, reduzir o grau de enchimento dos materiais no parafuso e enfraquecer o efeito de mistura por cisalhamento. Somente combinando a velocidade do parafuso e a taxa de alimentação de forma razoável é possível alcançar o melhor equilíbrio entre o efeito de dispersão e a capacidade de produção.
2.4 Sistema de desgasificação e remoção de compostos voláteis
Os enchimentos de carbonato de cálcio geralmente contêm uma certa quantidade de umidade e matéria volátil de baixo peso molecular, especialmente o nano-carbonato de cálcio com grande área específica é mais propenso a absorver umidade. Se esta umidade e matéria volátil não puderem ser removidas de forma eficaz durante a extrusão, formarão bolhas dentro do masterbatch, resultando em poros e vácuos na superfície do produto, e também afetando a uniformidade da dispersão. Ao mesmo tempo, a presença de umidade também acelera a degradação de algumas resinas a altas temperaturas, afetando o desempenho do masterbatch.
Os extrusores de parafuso duplo de alta qualidade geralmente estão equipados com sistemas de ventilação a vácuo em várias etapas, que removem a umidade e a matéria volátil da mistura através da pressão negativa na seção de ventilação. A posição, o número e o grau de vácuo das portas de ventilação afetarão o efeito de desgasificação. Para o masterbatch de carbonato de cálcio com alto teor de umidade, é necessário pelo menos uma ventilação em duas etapas, uma para a evacuação natural e outra para a evacuação a vácuo, para garantir a remoção completa da matéria volátil. O design do parafuso da seção de ventilação também precisa ser adequado. Normalmente, são utilizados elementos de condução de liga de chumbo grandes para reduzir o grau de enchimento do material, de modo que a mistura possa expor completamente a superfície na área de ventilação, o que é favorável à evaporação da matéria volátil.
3. Vantagens dos extrusores de parafuso gêmeo na produção de masterbatch para enchimento de alta dispersão
No momento, os equipamentos para a produção de masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio no mercado incluem principalmente extrusores de um único parafuso, misturadores internos compatíveis com extrusores de um único parafuso e extrusores paralelos co-rotativos de dois parafusos. Entre eles, os extrusores de dois parafusos, como extrusores de mistura profissional e extrusores de masterbatch, se tornaram a primeira escolha para a produção de masterbatch de alta qualidade, graças às suas vantagens técnicas únicas.
3.1 Capacidade de dispersão por cisalhamento forte
O intermeshing de dois parafusos co-rotantes pode produzir uma força de cisalhamento forte e uniforme durante a operação. Quando a matéria-prima passa pela área de interligação dos dois parafusos, é submetida a ações contínuas de cisalhamento, estiramento e dobramento, o que pode efetivamente quebrar as partículas de carbonato de cálcio aglomeradas e dispersá-las em partículas primárias. Em comparação com o extrusor de um parafuso, que se baseia principalmente na fricção entre a matéria-prata e o cilindro para a plasticização e tem uma capacidade de mistura muito limitada, o extrusor de dois parafusos tem uma força de cisalhamento e uma uniformidade de mistura várias vezes maiores, o que permite lidar facilmente com fórmulas de carbonato de cálcio de alta densidade que são difíceis de processar por meio de um parafuso único. Mesmo para o carbonato de cálcio nano, com tendência forte de aglomeração, os extrusores de dois parafusos com configuração adequada podem alcançar um bom efeito de dispersão, o que é impossível para equipamentos de um parafuso.
3.2 Transmissão positiva e desempenho de processamento estável
O parafuso gêmeo interligado de rotação conjunta apresenta características de transporte positivas, ou seja, a capacidade de transporte do parafuso depende da forma geométrica dos elementos do parafuso e é menos afetada pela viscosidade do material e pelas flutuações de pressão da cabeça. Isto faz com que o extrusor de parafuso gêmeo tenha uma capacidade de alimentação e transporte muito estável ao processar masterbatch de carbonato de cálcio de alta capacidade com grande variação de viscosidade, e não causará flutuações de descarga devido à mudança da viscosidade do material, garantindo a uniformidade da qualidade do produto. Em contraste, o transporte do extrusor de parafuso único depende da fricção entre o material e a parede do cilindro. Ao processar materiais de alta capacidade, o coeficiente de fricção varia significativamente, o que é fácil de causar descarga instável, resultando em flutuações na qualidade do produto e no efeito de dispersão.
3.3 Design modular e alta flexibilidade de processo
Os extruders de parafuso duplo modernos geralmente adotam um design modular de parafuso e tambor. Os utilizadores podem ajustar a combinação de elementos de parafuso e a estrutura do tambor de acordo com os diferentes tipos de fórmula e os requisitos de desempenho do produto, de modo a alterar a resistência à cisalhamento, o modo de mistura e o tempo de permanência do material dentro do extrusor. Para a produção de masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio, os fabricantes podem produzir tanto masterbatch de baixa enchimento normal de 30% como masterbatch de enchimento elevado de 80% ao substituir parte dos elementos de parafuso e ajustar os parâmetros do processo. Um equipamento pode ser compatível com vários produtos e fórmulas, o que melhora significativamente a flexibilidade da produção e reduz o custo de investimento do equipamento. O design modular também é conveniente para a manutenção e atualização posteriores. Ao produzir novos produtos de fórmula, apenas são necessários módulos funcionais correspondentes, sem a necessidade de substituir todo o equipamento.
3.4 Autolimpeza eficiente e baixo desperdício de materiais
O eixo interligado de dois parafusos tem uma boa função de auto-limpeza. No processo de rotação a alta velocidade, as escovas dos dois parafusos se esfregam um no outro, o que permite limpar em tempo útil os materiais residuais na superfície do parafuso, evitando a retenção a longo prazo dos materiais no tambor de alta temperatura, o que pode levar à degradação e ao amarelecimento. Este recurso é muito importante para a produção em pequenas quantidades e com várias variedades. Ao alterar as fórmulas ou as cores dos produtos, o tempo de limpeza e o consumo de materiais dos extrusores de parafusos duplos são muito menores do que os dos extrusores de parafusos simples, o que permite concluir rapidamente a troca de produtos e reduzir os desperdícios de materiais causados pela limpeza. Para as empresas de misturas de cores que têm muitos tipos de produtos e fazem muitas substituições, isso pode economizar muito custos de matérias-primas e custos de tempo todos os anos.
4. Série de extrusoras de masterbatch de alta performance Kerke para masterbatch de CaCO3 de alta dispersão
Com anos de acumulação técnica no campo da extrusão de hélice dupla, a Kerke lançou uma gama completa de produtos de extrusora de compósitos, adaptados à produção de masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio, cobrindo o laboratório R&D, cenários de produção experimental de médio porte e produção em massa em grande escala. Todos os equipamentos adotam um design de caixa de engrenagens de alta torque, elementos de parafuso de fabricação precisa e um sistema de controle inteligente, o que permite alcançar um excelente efeito de dispersão, ao mesmo tempo que garante uma alta rendibilidade e uma operação estável.
4.1 Extrusor de parafusos duplos Kerke SHJ-35 para a fórmula R&D e produção em pequenas séries
O SHJ-35 é um extrusor de masterbatch de escala de laboratório lançado pela Kerke para pesquisa e desenvolvimento de fórmulas, preparação de amostras em pequenas quantidades e produção experimental de novos produtos. É adequado para laboratórios universitários, centros de pesquisa e empresas de desenvolvimento de produtos.&Os departamentos D das empresas de materiais e dos pequenos fabricantes de misturas são equipados com um design integrado para desktop, com uma pequena área ocupada, que pode ser colocado diretamente no laboratório sem a necessidade de transformações especiais na instalação.
Especificações técnicas: O diâmetro do parafuso é de 35mm, a relação padrão de comprimento a diâmetro é de 40:1, e a relação máxima de comprimento a diâmetro pode ser personalizada para 48:1. Está equipado com um sistema de acionamento servo de alta precisão, com uma velocidade máxima de 600rpm e uma classe de torque de 8N·m/cm³. A capacidade de produção varia de 10kg/h a 50kg/h. Está equipado com um sistema de alimentação de perda de peso, com precisão de alimentação de ±0,3%. Está equipado com portas de escape a vácuo em dois estágios, para garantir um efeito de desgasificação adequado. A configuração padrão é o sistema de granulagem por estrangulamento com água, e os sistemas de granulagem por face de matriz refrigerada a ar e de granulagem subaquática também podem ser selecionados de acordo com as necessidades. O sistema de controle utiliza um PLC + tela táctil, que pode armazenar mais de 100 grupos de fórmulas de processo e suporta a exportação de dados e o armazenamento de registros de produção.
Análise de preços e custos: O preço FOB de Shanghai do extrusor duplo de parafuso padrão Kerke SHJ-35 varia de US$ 38.000 a US$ 52.000. O preço específico varia de acordo com a configuração do sistema de alimentação, o método de peletização e o grau de automação. Em termos de custos operacionais, a potência instalada total do equipamento é de cerca de 18 kW, e a potência operacional real é de cerca de 10 kW. Calculado com 2.000 horas de operação por ano, o custo anual de energia elétrica é de cerca de US$ 2.000. O equipamento só precisa de 1 operador, e o custo anual de mão-de-obra é baixo. O custo anual de manutenção, incluindo a substituição de peças desgastadas, é de cerca de US$ 1.500. Para R&Os cenários D, utilizando o SHJ-35 apenas para testes de formulação, consomem apenas alguns quilogramas de matérias-primas por teste, o que economiza mais de 90% dos custos de matérias-primas em comparação com o uso de equipamentos de escala de produção para testes. Para a produção em pequenas séries de masterbatch personalizados de alto valor acrescentado, calculado pela produção anual de 30 toneladas e lucro líquido de US$ 800 por tonelada, o lucro líquido anual pode chegar a US$ 24.000, e o período de amortização do investimento é de cerca de 1,5 a 2 anos. Se se considerar a economia resultante da terceirização dos testes e do desenvolvimento de novos produtos, o período de amortização pode ser ainda mais curto.&Se os custos D estiverem incluídos, o ciclo de retorno é mais curto.
4.2 Extrusor de mistura de escala média Kerke SHJ-65 para produção em massa
O SHJ-65 é o modelo mais vendido da Kerke, adequado para fabricantes de masterbatch de médio porte que desejam realizar a produção em massa de masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio. Este modelo equilibra a capacidade de produção, o efeito de dispersão e o custo de investimento, sendo a opção mais econômica para a produção convencional de masterbatch.
Especificações técnicas: O diâmetro do parafuso é de 65mm, a relação padrão de comprimento a diâmetro é de 44:1, e pode ser personalizada para 52:1 em fórmulas de alta carga. Está equipado com um redutor de engrenagem endurecido de alto torque, com uma classe de torque de 10N·m/cm³, que pode processar de forma estável fórmulas de carbonato de cálcio de alta carga com uma quantidade de carga de até 85%. A capacidade de produção varia de 300kg/h a 800kg/h. Está equipado com um alimentador principal de perda de peso + alimentador lateral, que pode realizar a adição de preenchedores e aditivos em seções. Está equipado com um sistema de exaustão a vácuo em duas etapas, com grau de vácuo até -0,095MPa, que pode remover eficazmente a umidade e a matéria volátil. O sistema de granulagem pode escolher granulagem em corrente de água, granulagem com superfície de matriz refrigerada a ar ou granulagem subaquática de acordo com as características do material. O sistema de controle utiliza um PLC de classe industrial com controle de temperatura PID de alta precisão, e a precisão do controle de temperatura está dentro de ±1℃. Suporte para diagnóstico remoto e chamada automática de fórmula de produção.
Análise de preços e custos: O preço FOB de Shanghai do extrusor de masterbatch padrão Kerke SHJ-65 varia entre US$ 85.000 e US$ 120.000. Se equipado com sistema de pelotização subaquática, sistema de alimentação de vários componentes e sistema automático de pesagem e embalagem, o preço pode chegar a US$ 150.000. Em termos de custos operacionais, a potência média de operação do equipamento é de cerca de 75 kW. Calculado com base em 6000 horas de operação anual e preço de eletricidade industrial de US$ 0,1 por kWh, o custo anual de eletricidade é de cerca de US$ 45.000. Em termos de mão-de-obra, cada linha de produção só precisa de 2 operadores por turno, e o custo anual de mão-de-obra é de cerca de US$ 60.000 para produção em três turnos. O custo anual de manutenção, incluindo reparação do desgaste do barril de engrenagem e substituição de peças desgastadas, é de cerca de US$ 8.000. Tomando como exemplo a produção de masterbatch de carbonato de cálcio HDPE de alta enchimento de 80%, a produção anual é de cerca de 3000 toneladas, o custo da matéria-prima é de cerca de US$ 1.500.000, o preço de fábrica do masterbatch é de US$ 700 por tonelada e a receita anual de vendas é de US$ 2.100.000. Após deduzir os diversos custos operacionais, o lucro líquido anual é de cerca de US$ 450.000, e o período de amortização do investimento é de apenas 4 a 6 meses. Além disso, devido ao bom efeito de dispersão do equipamento, o produto pode ser vendido no mercado de alto nível com um prémio de preço de 15%, e o espaço de lucro será maior.
4.3 Extrusor duplo de alta capacidade Kerke SHJ-75 para fabricação em grande escala
O SHJ-75 é um extrusor de mistura de grande escala lançado pela Kerke para fabricantes de masterbatch de grande escala com grandes encomendas estáveis. Possui maior capacidade de produção e maior torque de saída, sendo adequado para a produção contínua em grande escala de masterbatch de enchimento convencional.
Especificações técnicas: O diâmetro do parafuso é de 75 mm, a relação padrão de comprimento a diâmetro é de 48:1, e está equipado com uma caixa de engrenagens de alta torque com uma classe de torque de 12N·m/cm³, que pode lidar facilmente com várias fórmulas de alta carga e alta viscosidade. A capacidade de produção varia de 800 kg/h a 1500 kg/h. Está equipado com um sistema de alimentação multiponto, que pode adicionar resina, preenchimento e diversos aditivos de diferentes posições, respectivamente, para otimizar o efeito de mistura. Está equipado com um sistema de exaustão a vácuo em várias etapas e exaustão natural para garantir uma desgasificação completa. Pode ser combinado com vários sistemas de granulagem e linhas de embalagem automáticas para realizar uma produção totalmente automática, desde as matérias-primas até os produtos acabados. O sistema de controle suporta a conexão ao sistema MES, o que permite monitorar os dados de produção, rastrear a qualidade e gerir a produção.
Análise de preços e custos: O preço FOB de Shanghai do extrusor de parafuso duplo de alta capacidade Kerke SHJ-75, com configuração padrão, varia entre 160.000 e 220.000 dólares. O preço de uma configuração totalmente automática, incluindo pelotização subaquática e sistema de embalagem automático, pode chegar a 280.000 dólares. Em termos de custos operacionais, devido ao efeito de escala, o consumo de energia por unidade do SHJ-75 é 15% menor do que o do SHJ-65 por tonelada de produto, e a eficiência da mão-de-obra é maior. Calculando a produção anual de 8.000 toneladas, a receita anual de vendas é de cerca de 5.600.000 dólares, e o lucro líquido anual é de cerca de 1.200.000 dólares, após a dedução de vários custos. O período de amortização da investição é de cerca de 5 a 7 meses. Para grandes empresas com ordens estáveis de clientes, o SHJ-75 pode alcançar uma eficiência de produção mais alta e um custo unitário de produto mais baixo, trazendo benefícios econômicos mais significativos.
It should be noted that Kerke can provide customized services for all models of twin screw extruders. According to the customer’s formula characteristics, product quality requirements, plant conditions and budget, engineers can customize the appropriate screw configuration, barrel structure, auxiliary machine configuration and automation scheme for each customer to ensure that the equipment can maximize its performance and economic benefits after delivery.
5. Esquema de otimização do processo para um masterbatch de carbonato de cálcio de alta dispersão com extrusoras Kerke
With high-quality twin screw extruder equipment, it is also necessary to match reasonable process parameters and operation methods to achieve the best dispersion effect. Kerke’s technical team has summarized a set of practical process optimization schemes for calcium carbonate filler masterbatch production based on years of process experience, which can help customers quickly adjust to the best production state.
5.1 Otimizar o processo de pré-tratamento e pré-mistura de matérias-primas
O pré-mistura adequado é a premissa para garantir uma boa dispersão. Antes da extrusão, o carbonato de cálcio, a resina transportadora e vários aditivos devem ser misturados completamente em um misturador de alta velocidade. Para fórmulas que necessitam de modificação da superfície do carbonato de cálcio, a modificação in situ pode ser realizada no misturador de alta velocidade: primeiro adicione o carbonato de cálcio ao misturador e aqueça-o a 100-110°C para remover a umidade da superfície, em seguida, adicione o agente de ligação medido, continue a mistura a alta velocidade por 5-10 minutos, de modo que o agente de ligação possa ser revestido uniformemente na superfície das partículas de carbonato de cálcio, e, por último, adicione a resina transportadora e outros aditivos para misturar uniformemente. Este método de pré-tratamento pode melhorar significativamente a compatibilidade de interface entre o carbonato de cálcio e a resina, reduzir a dificuldade de dispersão no extrusor e melhorar o efeito final de dispersão.
Deve ser observado que os materiais mistos devem ser utilizados o mais rapidamente possível para evitar a absorção de umidade novamente. Para os materiais com alto teor de umidade, eles devem ser secos em uma secadora antes de entrarem no extrusor, para reduzir a pressão de degaseificação do extrusor e evitar bolhas no produto.
5.2 Personalizar a configuração de parafusos para as características da fórmula
Reasonable screw configuration is the key to achieve high dispersion. Kerke engineers will design targeted screw combinations according to the customer’s formula filling amount, particle size of calcium carbonate and performance requirements. For conventional calcium carbonate filler masterbatch with 50-70% filling amount, the screw usually adopts the combination of “conveying section + first kneading section + second kneading section + exhaust section + metering section”. The kneading sections are mainly 45° stagger angle kneading blocks, with appropriate number of 60° kneading blocks to provide appropriate shear force, which can not only break agglomerates, but also avoid excessive shear leading to resin degradation.
Para um masterbatch de alta densidade de 80% ou um masterbatch de carbonato de cálcio nano, é necessário aumentar adequadamente o número de blocos de amassamento e elementos de mistura, e configurar várias zonas de cisalhamento para garantir que os materiais sejam completamente cisalhados e misturados. Ao mesmo tempo, utiliza-se alimentação lateral para adicionar o enchimento de carbonato de cálcio após a completa plastificação da resina, de modo a evitar o desgaste excessivo do parafuso na seção de alimentação e a mistura desigual dos materiais. Para sistemas de resinas sensíveis ao calor, o número de elementos de cisalhamento forte deve ser adequadamente reduzido, e o tempo de permanência dos materiais no tanque deve ser curto para evitar a degradação dos materiais e a amarelecimento.
3.3 Definir parâmetros de processo adequados
A configuração dos parâmetros do processo deve ser ajustada de acordo com o tipo de resina de suporte e a quantidade de enchimento. Tomando como exemplo o masterbatch de carbonato de cálcio em HDPE, a temperatura de cada zona do tambor deve ser ajustada entre 160°C e 200°C, aumentando gradualmente da seção de alimentação à seção de plastificação e diminuindo ligeiramente na cabeça, para garantir uma descarga estável. A velocidade do parafuso deve ser ajustada de acordo com as exigências de produção e o efeito de dispersão. Normalmente, uma velocidade de 300-450 rpm é adequada. Uma velocidade muito baixa levará a uma cisalhamento insuficiente, e uma velocidade muito alta pode facilmente causar degradação do material e aumentar a carga do equipamento.
A velocidade de alimentação deve corresponder à velocidade do parafuso para manter um grau de enchimento razoável do material no parafuso. Normalmente, o grau de enchimento de 0,4-0,6 é o melhor. Um grau de enchimento muito alto levará a uma evacuação insuficiente e a uma má plastificação, enquanto um grau de enchimento muito baixo reduzirá a eficiência de produção e enfraquecerá o efeito de cisalhamento. O grau de vácuo da porta de evacuação deve ser mantido acima de -0,09MPa para garantir que a umidade e as substâncias voláteis possam ser totalmente removidas. Se houver muitas bolhas no produto, é necessário verificar se o tubo de vácuo está obstruído e se a vedação da porta de evacuação está bem feita.
Na produção real, os parâmetros do processo devem ser ajustados de acordo com a qualidade real do produto. Se a dispersão não é boa e existem manchas brancas, a temperatura pode ser adequadamente aumentada ou a velocidade do parafuso pode ser aumentada para fortalecer a cisalhamento; se o produto ficar amarelo e apresentar odor degradado, é necessário reduzir a temperatura de processamento, reduzir o tempo de permanência ou aumentar o grau de vácuo para remover substâncias de baixo peso molecular.
6. Defeitos comuns de dispersão e soluções de diagnóstico
Na produção real de masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio, podem ocorrer diversos defeitos de dispersão devido a alterações nas matérias-primas, ao desgaste dos equipamentos ou à configuração inadequada dos parâmetros. A seguir, resumimos os problemas comuns e as soluções correspondentes.
6.1 Manchas brancas e agregados no masterbatch
As manchas brancas e aglomerados são os defeitos de dispersão mais comuns, que se manifestam como partículas brancas visíveis na seção do masterbatch ou na folha prensada, que são aglomerados de carbonato de cálcio não quebrados. As causas comuns incluem: força de cisalhamento insuficiente da configuração do parafuso, que não consegue quebrar aglomerados duros; temperatura de processamento muito baixa, plasticização insuficiente da resina, que não consegue molhar completamente o enchimento; taxa de alimentação muito rápida, tempo de permanência do material muito curto, mistura insuficiente; danos na tela do filtro, permitindo que impurezas de partículas grandes passem; efeito de pré-mistura deficiente, concentração local de enchimento muito alta.
Soluções: Em primeiro lugar, verifique se a configuração da rosca corresponde à fórmula. Se a cisalhamento é insuficiente, aumente adequadamente o número de blocos de amassamento de 60° ou aumente a extensão da seção de mistura. Em segundo lugar, aumente adequadamente a temperatura de processamento para garantir a completa plasticização da resina e reduzir a viscosidade do derretido, o que é favorável à infiltração da resina no interior dos aglomerados. Em terceiro lugar, reduza adequadamente a taxa de alimentação, prolongue o tempo de permanência do material e faça com que o material seja completamente cisalhado e misturado. Em quarto lugar, verifique e substitua a tela do filtro e use um filtro com maior número de malhas para filtrar os aglomerados não dispersos. Em quinto lugar, otimize o processo de pré-mistura para garantir uma mistura uniforme das matérias-primas antes de entrar no extrusor.
6.2 Dispersão desigual e grande flutuação de desempenho entre lotes
Este problema é manifestado pela grande flutuação da cor e do desempenho do produto entre diferentes lotes de produção ou pela dispersão desigual no mesmo lote de produtos. As principais razões incluem: precisão de alimentação instável, grande flutuação da proporção de adição de enchimento; velocidade ou controle de temperatura do parafuso instável, resultando em alterações nas condições de processamento; desgaste grave do parafuso e do cilindro, resultando em diminuição do desempenho da mistura; diferentes lotes de matérias-primas com grandes diferenças de desempenho, como índice de fusão diferente da resina e efeito de tratamento superficial diferente do carbonato de cálcio.
Soluções: Primeiro, utilize um sistema de alimentação de perda de peso de alta precisão para garantir a precisão e a estabilidade da relação de alimentação de cada componente e calibre regularmente a balança de alimentação. Em segundo lugar, verifique o sistema de controle de temperatura e o sistema de acionamento do equipamento para garantir a estabilidade dos parâmetros do processo. Em terceiro lugar, detecte regularmente o desgaste do parafuso e do cilindro. Se o desgaste for grave, repare ou substitua-os a tempo. Em quarto lugar, fortaleça a inspeção de entrada das matérias-primas. Para matérias-primas de diferentes lotes, faça primeiro ajustes de teste pequenos e, depois, execute a produção em massa após confirmar que a qualidade é estável.
6.3 Amarelamento do Masterbatch e declínio das propriedades mecânicas
O amarelecimento do masterbatch é geralmente causado pela degradação térmica da resina ou dos aditivos durante o processamento, o que muitas vezes é acompanhado por uma diminuição das propriedades mecânicas, como a resistência à tração e a resistência ao impacto. As causas comuns incluem: temperatura de processamento muito alta ou tempo de permanência excessivo dos materiais no tanque; muitos elementos de cisalhamento fortes na configuração do parafuso, resultando em um calor de cisalhamento excessivo; efeito de exaustão inadequado, matéria volátil residual que leva à degradação do material; baixa estabilidade térmica das matérias-primas ou adição insuficiente de antioxidantes.
SoluçõesEm primeiro lugar, reduza adequadamente a temperatura de processamento, especialmente a temperatura da cabeça e da seção de dosagem, e evite a permanência a longo prazo a altas temperaturas dos materiais. Em segundo lugar, ajuste a configuração do parafuso, reduza adequadamente o número de elementos de cisalhamento de alta resistência e substitua-os por elementos de mistura distribuída para reduzir a geração de calor por cisalhamento. Em terceiro lugar, melhore o grau de vácuo do sistema de exaustão para remover substâncias moleculares pequenas geradas pela degradação em tempo. Em quarto lugar, adicione uma quantidade adequada de antioxidante e estabilizador térmico à fórmula para melhorar a estabilidade térmica do material. Em quinto lugar, para linhas de produção com longo tempo de parada, os materiais no tanque devem ser limpos com materiais de limpeza antes da parada para evitar a degradação a longo prazo a altas temperaturas dos materiais residuais.
7. Caso real de cliente: o extrusor Kerke ajuda o fabricante da Ásia Sul a melhorar a qualidade da dispersão
A well-known filler masterbatch manufacturer in Southeast Asia has been using ordinary domestic twin screw extruders to produce calcium carbonate filler masterbatch for many years. With the increasingly fierce market competition, the company’s products have been facing the problem of low price and thin profit due to average dispersion quality, which can only be supplied to low-end injection molding customers. In order to expand the high-end film packaging market, the company decided to upgrade its production equipment and improve product dispersion quality. After comparing multiple equipment suppliers, the company finally chose two sets of Kerke SHJ-65 high-torque twin screw extruders.
After receiving the order, Kerke’s technical team communicated with the customer in detail about the formula system and product quality requirements, and customized the special screw configuration for high-filling calcium carbonate masterbatch for the customer. After the equipment arrived at the factory, Kerke’s on-site engineers completed installation, commissioning and personnel training within 10 days, and helped the customer adjust the optimal process parameters.
After the equipment was officially put into production, the effect exceeded the customer’s expectations. First, the dispersion quality was significantly improved. The 80% high-filling HDPE masterbatch produced had no visible white spots after being pressed into thin slices, and the dispersion grade reached the international advanced level. When used in film production, there were no fish eyes, and the surface gloss of the product was high, which fully met the requirements of food packaging film customers. Second, the production capacity was increased by 35% compared with the original old equipment, and the scrap rate was reduced from 7.2% to 1.1%, saving a lot of raw material costs every year. Third, the product grade was improved. The company successfully entered the supply chain of many large packaging enterprises in Southeast Asia, and the product price increased by 23% compared with the original ordinary products, greatly improving the profit space.
According to the customer’s financial statistics, the investment cost of the two production lines was fully recovered in less than 5 months. One year later, the customer ordered another set of larger SHJ-75 twin screw extruder from Kerke to expand production capacity, further expanding market share. This case fully proves that high-quality masterbatch extruder equipment can bring tangible economic benefits and competitive advantages to enterprises.
8. Conclusão
Alcançar uma alta dispersão do masterbatch de enchimento de carbonato de cálcio é um projeto sistemático que envolve a fórmula da matéria-prima, o desempenho dos equipamentos e o controle do processo. Entre eles, o extrusor de dois parafusos, como equipamento de produção principal, determina diretamente o limite superior da qualidade de dispersão e da eficiência de produção. Escolher um extrusor de masterbatch profissional e de alta performance ou um extrusor de compósitos é a chave para que as empresas produzam um masterbatch de enchimento de alta qualidade e obtenham uma vantagem competitiva no mercado.
Kerke’s series of twin screw extruders rely on excellent screw design, high-torque transmission system and precise process control, which can achieve efficient and uniform dispersion of calcium carbonate fillers in the resin matrix, helping customers produce high-quality filler masterbatch products with excellent dispersion, stable performance and high whiteness. At the same time, the equipment has the advantages of high cost performance, low operating cost and fast investment return, which can bring considerable economic benefits to enterprises. Whether it is laboratory R&D, produção experimental de médio porte ou produção em massa em grande escala, a Kerke pode fornecer soluções específicas e serviços técnicos perfeitos de pós-venda.
Com o desenvolvimento contínuo da indústria global de plásticos e a constante melhoria das exigências de qualidade dos produtos downstream, a demanda do mercado por masterbatch de enchimento de alta dispersão continuará a crescer. Dominar a tecnologia de produção de alta dispersão e equiparar os equipamentos avançados de extrusão com dois parafusos ajudará os fabricantes de masterbatch a se destacar na feroz concorrência do mercado e a alcançar um desenvolvimento estável a longo prazo.
