O masterbatch de cor PET é um material colorante granular obtido pela dispersão uniforme de altas concentrações de pigmentos, corantes ou aditivos funcionais em uma resina portadora de PET. É amplamente utilizado na tintura de fibras de poliéster, bem como na coloração de garrafas de plástico, folhas e filmes. Na produção de masterbatch de cor PET, o extrusor paralelo de dois parafusos tornou-se o equipamento de produção mais essencial devido às suas excelentes capacidades de mistura e dispersão, ao sistema de controle de temperatura preciso e ao design modular. Neste artigo, serão sistematicamente explicados os princípios do processo, os pontos-chave técnicos e os parâmetros críticos da produção de masterbatch de cor PET utilizando um extrusor paralelo de dois parafusos.
I. Princípios básicos da produção de masterbatch de cores PET
A preparação de um masterbatch de cor PET é essencialmente um processo de obtenção de uma dispersão uniforme de pigmentos, resina portadora e vários aditivos por meio de mistura em fusão. A rota do processo central é a seguinte: após a secagem, a resina PET, os pigmentos, os dispersantes, os agentes de ligação, os antioxidantes e outras matérias-primas são pesadas de acordo com a relação de fórmula e introduzidas em um misturador de alta velocidade para pré-mistura, permitindo que o pigmento seja inicialmente revestido. O material pré-misturado é então enviado para um extrusor de dois parafusos para mistura em fusão, extrusão, resfriamento e granulação, resultando, no final, em um masterbatch de cor PET.
Na fórmula, o pó de PET geralmente representa 72% a 78%, o corante pode representar até 20%, o agente de endurecimento do elastómero é de 1% a 7%, com a adição de 0,5% de antioxidante e 0,5% de agente de ligação. O pigmento deve ser submetido a tratamento de superfície para garantir uma dispersão uniforme. .
II. Principais vantagens do extrusor paralelo de parafusos gêmeos
1. Excelente capacidade de mistura e dispersão
The parallel twin-screw extruder uses two parallel, intermeshing screws. The material forms a “∞”-shaped flow between the two screws, continuously undergoing shearing, stretching, folding, and recombining. This flow pattern ensures that each portion of material experiences a similar shear history and thermal history, resulting in consistent plasticization from feed to discharge. During the melting stage, the kneading blocks and toothed disc elements together generate powerful shear forces, effectively breaking up pigment agglomerates and achieving uniform dispersion and mixing .
2. Design modular de blocos de construção
Os parafusos e o cilindro do extrusor paralelo de dois parafusos adotam um princípio de design modular (de blocos). Os elementos de parafuso incluem blocos de transporte, blocos de mistura, blocos de amassamento, blocos de fluxo inverso e discos dentes. De acordo com as exigências do sistema de processamento de materiais e da fórmula de processo, a relação comprimento de parafuso a diâmetro, a estrutura do cilindro, a disposição dos parafusos e a posição de ventilação podem ser ajustadas de forma flexível para alcançar todo o processo de transporte de materiais, plastificação, corte, dispersão, homogeneização, ventilação e construção de pressão. . Este design se adapta às necessidades de produção de masterbatch de cores PET em pequenas quantidades e facilita a limpeza durante as frequentes alterações de cor.
3. Função de auto-limpeza
Os extrusores de parafusos gêmeos co-rotantes apresentam um excelente desempenho de auto-limpeza. Por meio da adequada interligação dos elementos de parafuso, a superfície do material é continuamente renovada entre os parafusos, impedindo que o material se estagne, se aglomere ou se decomponha na parede interna do cilindro ou nos parafusos. Para a produção de masterbatch de cores que requerem frequentes alterações de cor, a função de auto-limpeza reduz significativamente o tempo de inatividade para a limpeza e melhora a eficiência de produção. .
4. Sistema de controle de temperatura preciso
O PET é um suporte de plástico de engenharia sensível ao calor de cisalhamento e ao tempo de permanência, com uma janela de temperatura de processamento relativamente estreita. Uma temperatura demasiado alta pode facilmente levar à degradação da resina ou à mudança de cor, enquanto uma temperatura demasiado baixa afeta a eficácia da mistura. Os extrusores paralelos de dois parafusos geralmente utilizam sistemas de controle de temperatura em loop fechado em várias etapas, com cada seção do tambor a ter sistemas independentes de aquecimento e refrigeração. Em combinação com um projeto eficiente de troca de calor, as flutuações de temperatura podem ser controladas dentro de ±1℃ . Ao produzir um masterbatch de PET, a temperatura de fusão é geralmente controlada entre 240 e 290 °C, e a temperatura específica precisa ser ajustada de forma fina de acordo com a fórmula e as exigências do processo.
III. Principais pontos do processo para a produção de masterbatch de cor PET
1. Pré-tratamento da matéria-prima
A resina de PET é higroscópica e deve ser secada completamente antes da processamento. Um processo típico é o seguinte: secar o pó de PET em um forno a 80°C durante 8 horas, aumentar a temperatura para 120°C e continuar a secagem por 4 horas para controlar o teor de umidade abaixo de 80 ppm. Se o teor de umidade for muito alto, isso causará hidrólise e degradação da PET durante a fusão a alta temperatura, afetando seriamente as propriedades mecânicas e a estabilidade da cor da mistura-prima. .
2. Processo de pré-mistura
A pré-mistura é uma etapa fundamental para garantir a eficácia da dispersão. Primeiro, pesa-se o corante, o agente de acoplamento e o antioxidante de acordo com a proporção da fórmula, adiciona-se-os a um misturador de alta velocidade a 500~2000 r/min e mistura-se por 5~10 minutos. Em seguida, adiciona-se o pó de PET e o agente de endurecimento do elastómero de acordo com a proporção da fórmula, e mistura-se novamente por 5~10 minutos para obter a pré-mistura. Por meio da pré-mistura, a superfície das partículas de pigmento é inicialmente molhada e revestida pelos aditivos, reduzindo a dificuldade de dispersão subsequente na extrusora de dois parafusos. .
3. Parâmetros do processo de extrusão com dois parafusos
Configuração do parafuso: O projeto da configuração da rosca deve configurar diferentes seções funcionais de acordo com as características do material. A seção de alimentação utiliza elementos de rosca de transporte para garantir um avanço estável do material. A seção de compressão utiliza blocos de amassamento e elementos de rosca inversa para gerar força de cisalhamento, o que permite a quebra de aglomerados de pigmentos. A seção de dosagem utiliza elementos de rosca direcionados para controlar a pressão e a temperatura da fusão, garantindo a completa plasticização do material.
Rácio de comprimento a diâmetro: A relação L/D para extrusores de dois parafusos utilizados na produção de masterbatch de cor PET é tipicamente de 40:1 a 48:1. Uma relação L/D maior significa maior tempo de permanência e mistura mais completa, mas também aumenta o consumo de energia e o risco de degradação do material. A escolha deve ser equilibrada de acordo com a fórmula específica.
Velocidade do parafuso: A velocidade da hélice afeta a intensidade do corte e o tempo de permanência do material. Aumentar a velocidade aumenta os efeitos de corte e promove a dispersão, mas um corte excessivo pode levar à quebra da cadeia molecular do PET. Nos processos típicos, a velocidade da hélice é controlada entre 100 e 250 r/min ou entre 150 e 180 r/min. .
Controle de temperatura: A temperatura de processamento de extrusão com dois parafusos para o masterbatch de cor PET é geralmente controlada entre 240 e 290 °C. A temperatura deve ser ajustada em etapas: a temperatura da seção de alimentação deve principalmente amolecer a resina, evitando o derretimento prematuro que poderia causar deslizamento dos parafusos; as temperaturas da seção de compressão e da seção de dosagem aumentam gradualmente, promovendo a difusão do pigmento na mistura fundida; ao mesmo tempo, evite temperaturas excessivamente altas que poderiam causar degradação da resina ou descoloração do pigmento. .
Ventilação e devolatilização: Na produção de masterbatch de cor PET, o barril geralmente está equipado com portas de ventilação naturais e portas de ventilação a vácuo para remover umidade, ar e volatílios de moléculas pequenas que se misturam ao material. O sistema de devolatilização a vácuo pode remover eficazmente as bolhas, garantindo a compactação das partículas acabadas e prevenindo a formação de partículas vazias. .
4. Pelletização e resfriamento
Depois que o material fundido é extrudado através da matriz, pode ser resfriado e moldado utilizando a granulagem de fio resfriado a água, a granulagem subaquática ou o corte a quente na face da matriz. A granulagem de fio resfriado a água é um método comum para o masterbatch de cor PET: o material é extrudado da matriz em fios, resfriado e solidificado em um tanque de água de resfriamento, depois secado por um secador de ar para remover a umidade superficial e, finalmente, cortado em partículas uniformes por um granulador. Para fórmulas de pigmentos de alta concentração, os fios podem ser frágeis, e a granulagem subaquática pode ser considerada para garantir a continuidade da produção.
IV. Casos de aplicação típicos
Caso 1: Masterbatch para fibra de poliéster elástica tingida com corante
Uma patente da Universidade de Tecnologia Química de Pequim descreve um método para a preparação de fibras de poliéster elástico tingidas com tintura. Neste processo, a fórmula do masterbatch de cor PET é a seguinte: pó de PET 72%~78%, corante 20%, elastómero PBE (copolímero de etileno e propileno) 1%~7%, antioxidante 0,5%, agente de ligação 0,5%. O extrusor de dois parafusos utiliza um parafuso paralelo co-rotante com uma relação L/D de 32:1~48:1, temperatura de processamento de 270~290°C e velocidade do parafuso de 100~250 r/min. O masterbatch preparado, quando misturado com pellets de PET em uma proporção de 2:98 para fiação, produz fibras de poliéster coloridas com alta resistência à cor, cores brilhantes e boa elasticidade. .
Caso 2: Masterbatch de cor de PET reciclado composto por carbonato de cálcio nano
Outro patente prepara um masterbatch de cor de PET reciclado composto por nano-carbonato de cálcio. A fórmula é: masterbatch de PET reciclado 77,7%, nano-carbonato de cálcio 2%~5%, pigmento 20%~23%, estabilizador de cadeia de PET 0,3%, dispersante 2%. A velocidade do parafuso do extrusor de dupla hélice é de 150~180 r/min e a temperatura de fusão é de 240~260°C. O masterbatch preparado apresenta boa dispersão e poder de coloração, ao mesmo tempo em que garante a amabilidade ambiental e a reciclabilidade. .
V. Controlo de Qualidade e Problemas Comuns
1. Dispersão de pigmentos
A dispersão desigual de pigmentos é o problema de qualidade mais comum na produção de masterbatch de cor para PET, manifestando-se como manchas de cor, faixas ou poder de coloração insuficiente. As soluções incluem: otimizar o processo de pré-mistura, ajustar a configuração do parafuso para aumentar a seção de cisalhamento, aumentar adequadamente a temperatura de processamento ou reduzir a velocidade do parafuso para prolongar o tempo de permanência.
2. Controle da humidade
O PET é extremamente sensível à umidade, e o teor de umidade do masterbatch acabado deve ser controlado abaixo de 0,02%. Se a secagem for insuficiente, o PET sofrerá degradação hidrolítica durante a fusão, o que leva a uma queda da viscosidade intrínseca e, em casos graves, a quebra das tiras ou a produção de produtos frágeis.
3. Limpeza de alteração de cor
A produção de masterbatch de cores requer frequentes alterações de cor. A capacidade de autolimpieza e o design modular do extrusor paralelo com dois parafusos facilitam muito as operações de alteração de cor. Ao alterar as cores, o composto de limpeza pode ser utilizado para purgar o sistema. Para uma limpeza completa, alguns modelos utilizam um design de barril dividido, permitindo que o barril e os parafusos sejam rapidamente separados para uma limpeza completa, evitando a contaminação cruzada de cores. .
VI. Conclusão
O extrusor paralelo de dois parafusos é o equipamento central para a produção de masterbatch de cor PET. Suas excelentes capacidades de mistura e dispersão, sistema de controle de temperatura preciso, design modular de blocos de construção e função de auto-limpeza correspondem perfeitamente aos requisitos do processo de masterbatch de cor PET para alta dispersão, coloração uniforme e alterações de cor flexíveis. Ao selecionar razoavelmente a fórmula da matéria-prima, otimizar o processo de pré-mistura, ajustar com precisão a configuração dos parafusos e os parâmetros de temperatura e controlar estritamente as etapas de secagem e de formação de pellets, é possível produzir de forma estável masterbatch de cor PET de alta qualidade. À medida que a demanda por masterbatch de alta concentração, multifuncional e ecológico cresce na indústria de plásticos, a aplicação de extrusores paralelos de dois parafusos na produção de masterbatch de cor PET continuará a se aprofundar e expandir.
