Высокоплотной наполнительный концентрат стал одним из наиболее широко используемых продуктов компаундирования в пластмассовой промышленности, поскольку он позволяет переработчикам увеличивать вес, жесткость и размерную стабильность полимерного изделия, сохраняя при этом стоимость сырья на низком или среднем уровне. Высокоплотной наполнительный концентрат представляет собой концентрированную смесь, в которой очень высокая доля неорганического порошка, чаще всего карбоната кальция, сульфата бария или талька, диспергирована внутри полимерного носителя при загрузках, часто превышающих 70 процентов по массе. Компания Kerke, завод Wanplas, более 12 лет поставляет параллельные двухвальные двухшнековые экструдеры-компаундеры производителям наполнительных концентратов, и это руководство объединяет практические инженерные знания, которые отличают качественный, хорошо диспергированный продукт от хрупкого и неоднородного.
Вес и жесткость — два свойства, определяющие большинство решений о покупке наполнительных концентратов. Вес определяется преимущественно удельным весом выбранного наполнителя, а жесткость выражается через модуль изгиба и сильно зависит от формы наполнителя, размера частиц, обработки поверхности и конечной загрузки. В этой статье объясняется, как выбираются и контролируются каждая переменная, и как конфигурируется линия компаундирования для обеспечения стабильных результатов. К концу вы будете понимать классификацию наполнителей и количество ячеек сита, стеариновую кислоту и титанатные агенты связи, смолу-носитель и согласование MFI, баланс между модулем изгиба и ударной вязкостью, тестирование дисперсии по значению давления фильтрации, комбинацию шнековых элементов на соосном двухвальном двухшнековом экструдере, боковую подачу, вакуумное дегазирование и три основных метода гранулирования.
На протяжении всего этого руководства технические ссылки следуют консенсусу в науке о полимерах, а не рекламным утверждениям, и все ссылки на стоимость используют относительные обозначения, такие как Низкая, Средняя, Высокая, Очень высокая и Премиум, вместо абсолютных цифр. Компания Kerke принадлежит бренду Wanplas, сеть специализированных заводов которого охватывает всю цепочку создания стоимости пластмасс, а описанные здесь экструдеры-компаундеры естественно интегрируются с линиями гранулирования, рециклинга и производства листов, выпускаемыми дочерними заводами Wanplas.
Что такое высокоплотной наполнительный концентрат и почему важен вес
Высокоплотной наполнительный концентрат — это предварительно компаундированный концентрат, в котором неорганический наполнитель диспергирован при высокой концентрации внутри полимерного носителя, чтобы его можно было дозировать в натуральную смолу при выдуве пленки, литье под давлением, экструзии труб или экструзии листов. Формат концентрата существует потому, что прямое смешивание сыпучего порошка с первичными гранулами приводит к плохой дисперсии, пылению и нестабильной производительности, тогда как правильно компаундированный концентрат подается чисто и обеспечивает однородные свойства. Термин «высокоплотной» относится как к высокой загрузке наполнителя, так и, во многих марках, к использованию плотного наполнителя, такого как сульфат бария, который повышает удельный вес конечного изделия.
Вес важен по нескольким коммерческим причинам. В продукции, продаваемой по объему или поштучно, где клиент ожидает определенной тяжести, такой как вешалки, цветочные горшки, компоненты мебели, кабельная оболочка и искусственный камень, добавленная минеральная масса сигнализирует о качестве и снижает потребление смолы. В приложениях звукоизоляции и экранирования более высокая плотность улучшает акустическое затухание и ослабление гамма-излучения. В сельскохозяйственной пленке и тканых мешках умеренная загрузка наполнителя снижает стоимость, сохраняя перерабатываемость. Инженерная задача состоит в том, чтобы добавить как можно больше наполнителя, не разрушая механическую целостность изделия.
Самым важным числом для любого высокоплотного наполнительного концентрата является его удельный вес, поскольку он определяет, какой вес вносит данная массовая доля концентрата. Концентрат на основе карбоната кальция имеет удельный вес около 1,9–2,1 г/см³, тальковый — около 2,0–2,2 г/см³, а сульфат бария — около 2,8–3,2 г/см³ в зависимости от загрузки. В таблице ниже сравниваются три основных наполнителя по свойствам, наиболее важным для веса и жесткости.
Сравнение свойств наполнителей для рецептур, ориентированных на вес
| Property | Calcium Carbonate (CaCO3) | Barium Sulfate (BaSO4) | Talc |
|---|---|---|---|
| Specific gravity (g/cm3) | 2.7 | 4.3 | 2.8 |
| Typical particle size | 1 to 20 micrometer | 2 to 15 micrometer | 2 to 20 micrometer |
| Particle shape | Irregular / cubic | Acicular / angular | Plate-like (lamellar) |
| Relative raw cost | Low | Medium to High | Low to Medium |
| Effect on flexural modulus | Moderate increase | Moderate increase | Strong increase |
| Effect on impact strength | Reduces | Reduces | Reduces, less with coupling |
| Typical max loading in MB | 80 to 85 percent | 80 to 90 percent | 70 to 80 percent |
Когда вес является основной целью, а стоимость должна оставаться низкой, карбонат кальция является наполнителем по умолчанию. Когда требуется максимально возможный удельный вес, выбирается сульфат бария, несмотря на его среднюю или высокую стоимость сырья. Тальк выбирают, когда жесткость и температура тепловой деформации важнее чистого веса, поскольку его пластинчатые частицы армируют полимерную матрицу в двух измерениях.
Сырье для наполнителей: CaCO3, BaSO4 и тальк
Выбор марки наполнителя — это первое инженерное решение в любом проекте высокоплотного наполнительного концентрата, и оно начинается с размера частиц, выраженного либо как средний диаметр в микрометрах, либо как количество ячеек сита (mesh count). Количество ячеек описывает число проволок на линейный дюйм в просеивающем сите, которое удерживает порошок, поэтому более высокое число mesh означает более мелкий порошок. Обычное рабочее преобразование: примерно 1250 mesh соответствует около 10 микрометров, 2500 mesh — около 5 микрометров и 3000 mesh — около 4,5 микрометров, хотя точные преобразования варьируются в зависимости от формы частиц. Для наполнительных концентратов практические марки варьируются от 800 mesh (около 18 микрометров) до 3000 mesh (около 4,5 микрометров).
Карбонат кальция поставляется как молотый карбонат кальция (GCC), полученный из природного известняка, или как осажденный карбонат кальция (PCC), синтетическая марка с гораздо более мелкими и однородными частицами размером от 0,1 до 3 микрометров. GCC имеет низкую стоимость и является рабочей лошадкой товарных наполнительных концентратов; PCC имеет премиальную стоимость, но дает более яркие, мелкие и легко диспергируемые продукты, подходящие для тонких пленок и покрытий. Более мелкие частицы повышают модуль изгиба и гладкость поверхности, но также увеличивают площадь поверхности, которую должен смочить носитель, поэтому более мелкая марка требует больше агента связи и более интенсивной энергии смешения.
Сульфат бария, также называемый баритом в минеральной форме или blanc fixe при осаждении, ценится за высокий удельный вес около 4,3 г/см³ и химическую инертность. Он не реагирует с кислотами в рецептуре, рентгенопроницаем и обеспечивает отличный вес без сильного пожелтения компаунда. Его угловатые частицы хорошо диспергируются в соосном двухвальном двухшнековом экструдере, и поскольку он плотнее карбоната кальция, концентрат на основе BaSO4 достигает того же увеличения веса при меньшей массовой доле, что может сохранить некоторую ударную вязкость. Компромиссом является средняя или высокая стоимость сырья и более высокий абразивный износ шнеков и цилиндров, поэтому рекомендуются износостойкие шнековые элементы.
Тальк — это водный силикат магния с пластинчатой или слоистой структурой. Его отношение сторон (отношение диаметра пластинки к толщине) может варьироваться от 5:1 до более чем 20:1 в зависимости от месторождения и степени помола. Тальк с высоким отношением сторон является эффективным армирующим наполнителем: он сильно повышает модуль изгиба, улучшает температуру тепловой деформации на 10–30 градусов Цельсия при средней загрузке и действует как нуклеатор, ускоряющий кристаллизацию в полипропилене. Тальк умеренно абразивен, и его пластинки должны оставаться целыми во время компаундирования, поэтому следует избегать чрезмерно агрессивного перемешивания. Марки талька для концентратов обычно варьируются от 800 mesh (около 18 микрометров) до 3000 mesh (около 4,5 микрометров), при этом более мелкие марки предпочтительны для литья тонкостенных изделий.
Соответствие mesh, микрон и области применения
| Mesh count | Approx. mean size (micrometer) | Bulk density | Typical application |
|---|---|---|---|
| 800 mesh | 15 to 18 | Medium | Pipe, profile, thick injection parts |
| 1250 mesh | 9 to 11 | Medium | Woven sack, general film, sheet |
| 2500 mesh | 4 to 6 | Low | Thin film, laminating, surface-sensitive parts |
| 3000 mesh | 4 to 5 | Low | Premium thin film, high-gloss coatings |
Более мелкий порошок имеет меньшую насыпную плотность и занимает больше свободного объема в загрузочном горловине, что именно является причиной того, почему линии с высокой загрузкой полагаются на боковую подачу, а не на проталкивание всего через основной бункер. Инженер также должен следить за влажностью: минеральные наполнители могут содержать 0,2–0,8 процента поверхностной влаги, которую необходимо удалить вакуумным дегазированием, иначе конечные гранулы будут содержать пустоты, а FPV резко возрастет.
Обработка поверхности и агенты связи
Неорганические наполнители полярны и гидрофильны, тогда как полиолефиновые носители, такие как полиэтилен и полипропилен, неполярны и гидрофобны. Без обработки поверхности частицы наполнителя находятся в полимере как плохо связанные включения, что приводит к слабым межфазным границам, высокой вязкости расплава, плохой дисперсии и резкому падению ударной вязкости. Обработка поверхности превращает поверхность частиц из полярной в органофильную, так что носитель смачивает их, агент связи соединяет неорганическую и органическую фазы, а механические свойства улучшаются при равной загрузке.
Наиболее распространенным и недорогим методом обработки является стеариновая кислота, жирная кислота C18, наносимая в количестве 0,5–1,5 процента по массе наполнителя во время сухого покрытия в высокоскоростном смесителе. Стеариновая кислота снижает поверхностную энергию порошка, улучшает сыпучесть и позволяет носителю легче смачивать частицы. Это обработка типа смазки, а не настоящий агент связи, поэтому она в основном помогает переработке и дисперсии, но лишь скромно способствует сохранению ударной вязкости. Для товарного концентрата карбоната кальция, ориентированного на низкую стоимость, одной стеариновой кислоты обычно достаточно.
Для более высоких характеристик, особенно с тальком и сульфатом бария, где адгезия критична, используется титанатный агент связи в количестве 0,3–1,0 процента по массе наполнителя. Титанаты связываются через свою неорганически-реакционную группу с поверхностью наполнителя и через органическую цепь с полимером, создавая прочную межфазную границу, которая одновременно улучшает сохранение модуля изгиба и ударную вязкость. Другие системы связи включают алюминаты, силаны для кремнеземных наполнителей и полиолефин, привитый малеиновым ангидридом (PP-g-MAH), используемый как совместитель в системах на основе полипропилена. Выбор зависит от химии наполнителя и носителя: силаны подходят для стеклянных и кремнеземных поверхностей, титанаты — для карбоната кальция и сульфата бария, а малеинированный полиолефин — для талька в PP.
Способ нанесения так же важен, как и химия. Сухое покрытие в высокоскоростном смесителе при 80–110 градусах Цельсия в течение 3–8 минут обеспечивает равномерное распределение перед тем, как порошок попадет в экструдер. Жидкие агенты связи также можно впрыскивать вниз по потоку через жидкостной дозатор на расплав, что защищает агент от термической деградации и обеспечивает более воспроизводимое связывание. Слишком мало агента оставляет необработанные частицы; слишком много действует как пластификатор, снижающий модуль и вызывающий выпотевание на матрице. В таблице ниже обобщена лестница обработки.
Варианты обработки поверхности и их эффекты
| Treatment | Typical dose (% filler) | Relative cost | Main benefit |
|---|---|---|---|
| Untreated | 0 | Low | None; poorest dispersion |
| Stearic acid | 0.5 to 1.5 | Low | Lubrication, wetting, flow |
| Titanate coupling | 0.3 to 1.0 | Medium | True coupling, impact retention |
| Silane coupling | 0.3 to 0.8 | Medium | Siliceous filler bonding |
| PP-g-MAH compatibilizer | 2 to 6 | Medium to High | Talc in PP adhesion |
Выбор смолы-носителя и согласование показателя текучести расплава (MFI)
Смола-носитель — это полимер, который удерживает наполнитель в суспензии и переносит его в конечное изделие. Для высокоплотного наполнительного концентрата носитель должен быть совместим с основной смолой, легко диспергироваться при очень высокой загрузке наполнителя и иметь достаточно низкую вязкость для смачивания порошка. Два доминирующих носителя — это полиэтилен и полипропилен, выбираемые в соответствии с конечным применением: носитель PE для полиэтиленовой пленки, мешков и труб, и носитель PP для литых деталей из полипропилена, волокон и рафии.
Среди полиэтиленов низкий плотный полиэтилен (LDPE) и линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) являются наиболее распространенными носителями, поскольку их более низкая кристалличность и широкое молекулярно-массовое распределение обеспечивают хорошее смачивание и легкую дисперсию. Среди полипропиленов гомополимер PP используется для жестких деталей, а статистический сополимер PP — там, где требуется некоторая вязкость. Критическим параметром является индекс текучести расплава (MFI), измеряемый в граммах на 10 минут при стандартной нагрузке. MFI носителя должен быть равен или немного выше MFI смолы, которую наполняют, чтобы концентрат не стал компонентом, ограничивающим вязкость в смеси.
Для высокозагруженного наполнительного концентрата носитель часто выбирают со средним или высоким MFI, например 20–50 г/10 мин для полиэтилена и 20–40 г/10 мин для полипропилена, даже если смола конечного продукта имеет более низкий MFI, такой как 2–12 г/10 мин. Носитель с более высоким MFI действует как внутренняя смазка, позволяющая экструдировать и гранулировать высокое содержание наполнителя. Если MFI носителя слишком низок, расплав становится слишком жестким для диспергирования порошка, и FPV растет; если он слишком высок, концентрат может смягчить механические свойства конечного изделия. В таблице ниже показаны типичные варианты выбора носителя.
Выбор смолы-носителя по конечному применению
| Host product | Recommended carrier | Carrier MFI (g/10min) | Notes |
|---|---|---|---|
| PE film and bags | LDPE or LLDPE | 20 to 50 | Good clarity retention, easy seal |
| PP injection molding | PP homopolymer | 20 to 40 | Match crystallinity, use PP-g-MAH |
| PP raffia and tape | PP homopolymer | 25 to 45 | High draw, low gel |
| HDPE pipe and profile | HDPE or LDPE blend | 15 to 35 | Balance stiffness and ESCR |
| EVA adhesive layer | EVA | 10 to 30 | Specialty, higher cost |
MFI измеряется при 190 градусах Цельсия для полиэтилена и полипропилена под нагрузкой 2,16 килограмма, и результат в граммах на 10 минут обратно пропорционален молекулярной массе. При согласовании носителя с основной смолой инженер также должен учитывать плотность: наполнительный концентрат уже повышает удельный вес, поэтому выбор менее плотного носителя, такого как LDPE (около 0,92 г/см³), а не HDPE (около 0,95 г/см³), может частично компенсировать увеличение веса, если цель — снижение стоимости, а не максимальная тяжесть. Напротив, для высокоплотного наполнительного концентрата, где вес является преимуществом, выбор носителя вторичен по отношению к удельному весу наполнителя.
Балансировка жесткости и ударной вязкости: компромиссы по модулю изгиба
Жесткость в наполненном компаунде наиболее полезно описывать через модуль изгиба, наклон кривой напряжения-деформации при изгибе, измеряемый в мегапаскалях. Добавление минерального наполнителя почти всегда повышает модуль изгиба, поскольку жесткие неорганические частицы ограничивают деформацию матрицы. Величина увеличения зависит от модуля наполнителя, загрузки, отношения сторон и межфазной адгезии. Тальк с его пластинчатыми частицами с высоким отношением сторон дает самое сильное увеличение модуля на единицу веса, тогда как сферический карбонат кальция дает более умеренное увеличение, а сульфат бария — умеренное увеличение с бонусом в виде плотности.
Неизбежным следствием является ударная вязкость. Минеральные наполнители создают точки концентрации напряжений и слабые межфазные границы, инициирующие трещины, поэтому ударная вязкость с надрезом, измеряемая методами Izod или Charpy, падает по мере роста загрузки. Чистый полипропилен может показывать ударную вязкость с надрезом около 30–45 Дж/м, но при 40 процентах карбоната кальция это может упасть до 5–10 Дж/м, а при 30 процентах талька — примерно до 8–15 Дж/м. Инженерное искусство заключается в том, чтобы повышать загрузку и модуль, используя агенты связи, эластомерные модификаторы или сбалансированную смесь наполнителей, чтобы сохранить ударную вязкость выше минимума, требуемого применением.
Несколько стратегий восстанавливают ударную вязкость без чрезмерной потери жесткости. Титанатная или силановая связь улучшает межфазную границу и частично восстанавливает потерянную ударную вязкость. Добавление 5–15 процентов эластомерного модификатора, такого как этилен-пропиленовый каучук или термопластичный эластомер, значительно повышает ударную вязкость при небольшом снижении модуля. Смешивание высокопрочного наполнителя, такого как тальк, с недорогим сферическим наполнителем, таким как карбонат кальция, может достичь целевых показателей стоимости и свойств между двумя крайностями. В таблице ниже иллюстрируются типичные направления изменения свойств при 30-процентной загрузке в полипропилене.
Направление изменения свойств при 30-процентной загрузке наполнителем в полипропилене
| Filler (30%, coupled) | Flexural modulus (MPa) | Notched Izod (J/m) | HDT (deg C) |
|---|---|---|---|
| None (neat PP) | 1500 | 35 to 45 | 55 to 60 |
| CaCO3, fine | 2600 to 3000 | 10 to 18 | 70 to 80 |
| Talc, high aspect | 3200 to 4200 | 12 to 20 | 85 to 105 |
| BaSO4 | 2500 to 3100 | 12 to 18 | 70 to 82 |
Приведенные выше цифры являются типичными диапазонами; фактические значения зависят от марки, связывания и метода испытаний и должны быть подтверждены по техническим паспортам поставщика. Практическое правило для высокоплотного наполнительного концентрата состоит в том, чтобы установить минимальный модуль изгиба, требуемый клиентом, а затем выбрать наполнитель и загрузку, которые удовлетворяют этому требованию с наименьшей стоимостью и наибольшей сохраненной ударной вязкостью. Инженеры Kerke регулярно проводят небольшие лабораторные испытания на лабораторном двухвальном двухшнековом экструдере KTE, чтобы зафиксировать эти компромиссы перед масштабированием до производства.
Качество дисперсии: значение давления фильтрации (FPV)
Качество дисперсии определяет, будет ли высокоплотной наполнительный концентрат работать в поле или испортит матрицу и пленку клиента. Плохая дисперсия оставляет агломераты, «рыбьи глаза» и гели, которые блокируют сетки, создают полосы на пленке и ослабляют детали. Наиболее общепринятым количественным тестом на дисперсию наполнителя является значение давления фильтрации (Filter Pressure Value), также называемое FPV, измеряемое на капиллярном реометре с установленным стандартным пакетом сеток при фиксированной температуре и скорости сдвига.
В тесте FPV расплавленный концентрат прокачивается через пакет тонких сеток, и регистрируется повышение давления за фиксированный объем или время. Хорошо диспергированный материал течет с низким стабильным давлением; материал, содержащий агломераты или гель, вызывает резкий рост давления по мере засорения сетки. Сообщаемое значение обычно представляет собой давление в барах после определенного объема или скорость роста давления. Более низкое FPV означает более мелкую и однородную дисперсию и меньше дефектов. Методы FPV следуют принципу ISO 1133 для измерения текучести расплава и используют пакеты сеток, аналогичные тем, что в тестах фильтрации ASTM, но приемлемый предел устанавливается процессом переработчика и толщиной пленки.
Для марок тонкой пленки и ламинирования FPV должен быть очень низким, поскольку даже несколько крупных агломератов видны как видимые дефекты; для толстых труб и профилей допуск шире. Типичная хорошая практика предполагает FPV значительно ниже нескольких сотен бар для требовательной пленки, тогда как марки общего назначения могут принимать более высокие значения. Помимо FPV, дисперсия также проверяется подсчетом агломератов под микроскопом, содержанием золы для общего наполнителя и тестом на размазывание между двумя вальцами для визуального обнаружения гелей. В таблице ниже перечислены общие проверки дисперсии.
Методы тестирования дисперсии для наполнительных концентратов
| Method | What it measures | Typical target | Standard basis |
|---|---|---|---|
| Filter Pressure Value (FPV) | Pressure rise through screen pack | Lower is better; tight for film | ISO 1133 principle |
| Ash content | Total inorganic filler | Within plus or minus 1 percent | ISO 3451 |
| Microscope count | Agglomerate number and size | Few counts above 50 micrometer | Internal method |
| Smear / roll mill | Visual gel and streak | No visible gel | Internal method |
Улучшение FPV сводится к процессу компаундирования: более мелкий наполнитель, адекватное связывание, достаточная удельная механическая энергия в зоне перемешивания и эффективное дегазирование. На соосном двухвальном двухшнековом экструдере Kerke KTE профиль шнека настроен так, чтобы наполнитель подвергался интенсивному сдвигу только после того, как носитель расплавился и смочил его, что разрушает агломераты без чрезмерного измельчения частиц или генерации избыточного тепла, деградирующего полимер.
Инженерия процесса компаундирования на двухшнековом экструдере
Сердцем любой линии высокоплотного наполнительного концентрата является соосный параллельный двухвальный двухшнековый экструдер. Компания Kerke, завод Wanplas, производит серию KTE параллельных соосных двухвальных двухшнековых экструдеров от KTE-16B до KTE-135D с диаметрами шнеков от 16 мм в лаборатории до 135 мм на крупных производственных линиях и отношениями L/D обычно от 36 до 52, при этом 40–48 являются наиболее распространенными для наполнительных концентратов. Соосные шнеки самоочищаются, что предотвращает застойные зоны и обеспечивает отличную дисперсию и самоочистку, оба из которых необходимы при смене марки наполнителя или цвета.
Шнек состоит из модульных элементов, поэтому профиль можно спроектировать под конкретную рецептуру. Основные семейства элементов — это транспортные элементы (прямой и обратный шаг), блоки перемешивания (смещенные на 30, 45, 60 или 90 градусов), зубчатые или шестеренчатые смесительные элементы и обратные элементы, создающие давление и время пребывания. Для наполнительного концентрата типичная компоновка такова: зона подачи транспортных элементов, ранняя зона плавления и смачивания, высокоинтенсивная зона блоков перемешивания, где разрушаются агломераты, порт боковой подачи, куда поступает большая часть сухого наполнителя, вторая зона смешения и одна или две зоны вакуумного дегазирования перед насосом расплава и матрицей.
Боковая подача является ключом к высокой загрузке. Вместо того чтобы проталкивать весь порошок с низкой насыпной плотностью через основной бункер, боковой дозатор, часто двухвальный шнековый дозатор потери веса (side stuffer), впрыскивает наполнитель в нижний участок цилиндра после того, как носитель уже расплавился и образовал пасту. Это освобождает свободный объем основной подачи, повышает общую производительность, снижает перегрузку шнека и улучшает дегазирование. Дозатор-заполнитель (crammer feeder) или дозатор потери веса основного бункера обрабатывает носитель плюс любой жидкий агент связи, тогда как боковой дозатор дозирует 50–70 процентов общего наполнителя.
Вакуумное дегазирование удаляет воздух, переносимый с порошком, и любую поверхностную влагу, которая для минеральных наполнителей может составлять 0,2–0,8 процента. Без дегазирования расплав захватывает пустоты, FPV растет, а гранулы выглядят пористыми. Одного отвода достаточно для сухого, предварительно обработанного наполнителя, тогда как два отвода, один атмосферный и один глубокий вакуум до примерно 0,02–0,05 бар абсолютного давления, используются для влажных или высокозагруженных марок. Технологические условия для типичного концентрата карбоната кальция: температуры цилиндра 160–210 градусов Цельсия, скорость шнека 300–600 об/мин и удельная энергия 0,10–0,25 кВт·ч на килограмм в зависимости от загрузки и дисперсности.
Производительность масштабируется с диаметром шнека. Линия KTE-75 обычно производит 300–500 кг/ч наполненного концентрата, KTE-95 — около 800–1200 кг/ч, а KTE-135D — более 2000 кг/ч. Kerke поставляет эти линии с дозаторами потери веса, боковым шнековым дозатором, вакуумной системой, шестеренным насосом и выбранным гранулятором, а бренд Wanplas поддерживает их своими общими обязательствами по обслуживанию, включая бесплатные запасные части каждый год и пусконаладочные работы на месте.
Ориентировочное технологическое окно по размеру шнека
| Model | Screw diameter (mm) | Output (kg/h) | Screw speed (rpm) |
|---|---|---|---|
| KTE-52 | 52 | 120 to 220 | 300 to 600 |
| KTE-75 | 75 | 300 to 500 | 300 to 550 |
| KTE-95 | 95 | 800 to 1200 | 250 to 500 |
| KTE-135D | 135 | 2000 plus | 200 to 400 |
Методы гранулирования: водяное кольцо, струйное и подводное
Финальный шаг превращает компаундированный расплав в однородные гранулы, которые переработчик может точно дозировать. Для наполнительных концентратов доминируют три метода: струйное гранулирование, гранулирование с водяным кольцом на торце матрицы и подводное гранулирование. Выбор зависит от прочности расплава, загрузки наполнителя, потребности в охлаждении и желаемой формы гранул.
Струйное гранулирование протягивает несколько экструдированных струй через водяную ванну, а затем через ротационный нож. Он надежен, легко запускается и подходит для широкого диапазона вязкостей, что делает его вариантом по умолчанию для многих наполнительных концентратов с достаточной прочностью расплава. Его недостаток — занимаемая площадь и необходимость постоянного натяжения струй; разрыв струи означает простой. Гранулирование с водяным кольцом режет расплав на торце матрицы и отбрасывает гранулы в водяное кольцо, где они охлаждаются и транспортируются, а затем сушатся. Оно компактно и хорошо справляется с высокой производительностью, являясь обычным выбором для наполненных марок, которые слишком мягкие для чистой обработки струй.
Подводное гранулирование режет струи внутри водонаполненной камеры на торце матрицы, обеспечивая идеально сферические, беспыльные гранулы с отличной однородностью. Оно подходит для термочувствительных и низковязких компаундов и предпочтительно для премиальных высокоценных концентратов и для очень высоких загрузок наполнителя, где частые разрывы струй были бы неизбежны. Компромиссом является более высокая сложность оборудования и более высокие капитальные затраты, но оно дает наиболее стабильные гранулы для автоматического дозирования. Kerke поставляет все три системы резки и подбирает гранулятор под носитель и загрузку.
Сравнение методов гранулирования
| Method | Pellet shape | Best for | Relative complexity |
|---|---|---|---|
| Strand | Cylindrical | General, good melt strength | Low |
| Water ring | Near-spherical, small | High output, soft melt | Medium |
| Underwater | Spherical, uniform | Premium, heat-sensitive, high load | High |
Для товарного концентрата карбоната кальция, где стоимость должна оставаться низкой, типично струйное или гранулирование с водяным кольцом. Для премиальной марки сульфата бария, требующей самого чистого дозирования и наименьшего пыления, подводное гранулирование является лучшим выбором. После резки гранулы центрифугируются для сушки, просеиваются для удаления мелочи и отправляются в силос или биг-бэг, а финальная проверка FPV и содержания золы подтверждает партию перед отгрузкой.
Часто задаваемые вопросы
Which filler gives the highest density in a masterbatch?
Сульфат бария (BaSO4) обеспечивает наибольшую удельную плотность около 4,3 г/см³ по сравнению с карбонатом кальция примерно 2,7 г/см³ и тальком примерно 2,8 г/см³. Для максимального увеличения веса на грамм добавленного мастербаатча BaSO4 является предпочтительным выбором, тогда как CaCO3 выбирается, когда необходимо сохранить низкую стоимость.
What filler loading is typical in a high density filler masterbatch?
Большинство коммерческих наполненных мастербаатчей содержат от 70 до 85 процентов активного наполнителя по весу. Марки BaSO4 могут достигать 80–90 процентов из-за высокой плотности порошка, тогда как марки тонкодисперсного осажденного CaCO3 обычно достигают пика около 80 процентов, чтобы сохранить приемлемые прочность расплава и дисперсность.
How is dispersion quality measured for filler masterbatch?
Дисперсия чаще всего количественно оценивается по значению давления фильтрации (FPV), также называемому значением давления при фильтрации, измеряемому на капиллярном реометре, оснащенном стандартным пакетом сеток. Более низкий и стабильный рост давления указывает на более тонкую, однородную дисперсию и меньшее количество агломератов.
Why use a side feeder on a twin-screw extruder for filler masterbatch?
Боковой загрузчик вводит большую часть сухого наполнителя ниже по потоку от основной горловины загрузки, уменьшая свободный объем, занимаемый порошком с низкой насыпной плотностью на входе. Это повышает общую производительность, ограничивает перегрузку шнека, снижает удельную энергию на килограмм и улучшает дегазацию носителя.
How does MFI of the carrier affect the final product?
Носитель с показателем текучести расплава (MFI) 20–50 г/10 мин для полиэтилена или 20–40 г/10 мин для полипропилена позволяет экструдировать и гранулировать материал с высоким содержанием наполнителя. Если MFI носителя слишком низкий, расплав слишком жесткий для диспергирования порошка, и FPV растет; если слишком высокий, мастербаатч может ухудшить механические свойства изделия с наполнителем.
Can filler masterbatch replace virgin resin to cut cost?
Да, до определенной степени. Добавление 10–40 процентов наполненного мастербаатча к натуральной смоле снижает стоимость материала с низкого до среднего относительного класса, одновременно увеличивая вес и жесткость. За пределами примерно 40 процентов конечного содержания наполнителя ударная вязкость и внешний вид обычно ухудшаются, если не применяются связующие агенты и модификаторы ударной прочности, поэтому предел определяется областью применения.
What screw L/D is best for filler masterbatch?
Отношение длины к диаметру (L/D) 40–48 является практическим оптимальным значением. Оно обеспечивает достаточную длину для плавления, интенсивного смешивания, боковой загрузки и двух зон вакуумной дегазации без чрезмерного времени пребывания, которое могло бы привести к деградации носителя. Лабораторные установки KTE-16B используют меньшее отношение L/D для пробных работ, тогда как крупные линии KTE-135D работают с отношением 40–52.
Заключение
Мастербаатч на основе наполнителя высокой плотности представляет собой задачу балансировки веса, жесткости и технологичности переработки. Карбонат кальция сохраняет низкую стоимость и является основным объемным материалом; сульфат бария обеспечивает наибольшую удельную плотность для деталей с критическим весом при средней или высокой стоимости; тальк обеспечивает наибольший модуль изгиба и термостойкость благодаря своим пластинчатым частицам. Обработка поверхности стеариновой кислотой или титанатным связующим, тщательный подбор носителя и показателя текучести расплава (MFI), а также строгий контроль границы раздела наполнитель-полимер определяют, будет ли продукт хрупким или прочным.
Компонировочная линия выполняет остальную работу. Двухшнековый экструдер с параллельными соосно вращающимися шнеками, такой как серия KTE от Kerke, сконфигурированный с транспортными и смешивающими элементами, боковым загрузчиком для высокой загрузки, вакуумной дегазацией для удаления влаги и воздуха, а также согласованным гранулятором, превращает порошок и смолу в однородный мастербаатч с низким FPV. Kerke, завод Wanplas с более чем 12-летним опытом в области двухшнекового компаундирования и более чем 2000 машин, работающих в более чем 70 странах, поставляет такие линии с дозирующими системами потери веса, боковой загрузкой и методом гранулирования — струйным, водяным кольцом или подводным, — который подходит для вашего класса материала. Если вы планируете линию производства наполненного мастербаатча, свяжитесь с командой бренда Wanplas, чтобы подобрать модель KTE, профиль шнека и гранулятор в соответствии с вашим наполнителем, загрузкой и целевой производительностью.
