Коротко о главном: суперконцентраты и добавки.

Суперконцентраты (мастербатчи) это полимеры с диспергированными в них концентрированными пигментами. По типу полимеров выделяют полиолефиновые, полистирольные, для ПВХ и универсальные суперконцентраты. Высококачественные светостойкие суперконцентраты, не дающие пятен, разводов, утяжек и прочих нежелательных эффектов, достаточно дороги. Но при производстве конкретных изделий требуется меньшая их дозировка. В конечном итоге можно даже выиграть в цене, поскольку высококлассного суперконцентрата понадобится в полтора – два раза меньше. Сегодня производитель пленки может выбрать практически любой цвет и оттенок в пределах известной цветовой гаммы (PANTONE). Кроме того, появились, так называемые, спецэффекты – результат добавления в суперконцентрат особых компонентов. При этом внешний облик изделий из полимеров существенно меняется. К спецэффектам относятся флюорисценты, металлик, флек . Изделия из полимеров с флюорисцентным эффектом применяются там, где окраска должна бросаться в глаза. Это – дорожные знаки и разметка, рекламные изделия, спецодежда, игрушки и многое другое. Флек  это вкрапления в основную массу полимера волокон или точек. В результате получается совершенно уникальная окраска под горные породы – мрамор, гранит и другие. По сравнению с традиционными способами окрашивания полимеров введение суперконцентратов имеет ряд существенных преимуществ. Это возможность окрашивания фактически в любые цвета, при высоком качестве окраски на любом стандартном оборудовании. Отсутствие пыли красителя и загрязнения оборудования и помещений. Минимальное количество отходов при переходе с одного цвета на другой. Простота применения суперконцентрата. Экологичность и безопасность процесса окрашивания.

 Многочисленную группу специальных веществ, существенно влияющих на свойства полимеров, называют добавками к полимерным материалам.

Различают светостабилизирующие добавки, антиоксиданты, огнезащитные добавки или антиперены, антистатики, антислипы, скользящие добавки, антиблоки, нуклеаторы, модификаторы и некоторые другие.

Добавки для продления срока службы изделий

Длительный срок эффективной эксплуатации изделия является важнейшей задачей при модификации полимера. Под действием солнечного света, высокой температуры, кислорода воздуха в полимерных изделиях быстро начинают протекать процессы разложения, и накапливаются продукты деструкции.

Светостабилизаторы позволяют длительное время сохранять первоначальный цвет изделия и его механическую прочность, обеспечивая защиту от ультрафиолетовых лучей. Ультрафиолетовая (УФ) часть солнечного спектра отрицательно влияет на изделия, изготовленные из полиолефинов, делая их непригодными к использованию: УФ – излучение разрушает химические связи в полимере (такой процесс называется фотодеструкцией) и может вызвать в конечном итоге растрескивание, изменение цвета и ухудшение физико-механических свойств, таких как ударопрочность, предел прочности при растяжении, относительное удлинение при разрыве и др. К основным классам светостабилизаторов, используемых для светостабилизации полиолефинов, относятся: пространственно затрудненные аминовые светостабилизаторы (HALS), поглотители УФ – излучения. Наиболее эффективными для защиты полиолефинов от воздействия УФ – излучения являются HALS . При сравнительно низких концентрациях (0,1-0,6%) эти материалы обеспечивают высокий уровень стабилизации. При этом их эффективность не зависит от толщины изделия: они пригодны для использования в тонкостенных изделиях (пленках). Использование концентратов светостабилизаторов позволяет получить долговечное светостойкое изделие (пленку, тару, мебель) со сроком службы 3-5 сезонов. Поглотители УФ – излучения (УФ-фильтр), не только увеличивают срок службы полимерных изделий, но выполняют и другие важные задачи – предотвращают порчу содержимого упаковки (пищевых и косметических продуктов) под действием солнечных лучей и тем самым увеличивают срок годности продукта. Кроме того, они предотвращают выцветание как продуктов внутри упаковки, так и самой упаковки, окрашенной несветостойкими пигментами. Введение 0,1-0,5 % различных УФ-поглотителей обеспечивает поглощение 80-95 % ультрафиолетовых лучей, особенно в наиболее жесткой области (280-320 нм).

Антиоксиданты (термостабилизаторы) вводят в полимер во время экструзии или литья под давлением для предотвращения термоокисления в процессе переработки и для замедления деструкции во время хранения и эксплуатации изделия.Также данные добавки применяются и для защиты полимера при работе в агрессивных средах. Использование антиоксидантов позволяет получить долговечное светостойкое изделие, либо термостойкие материалы. Термостабилизаторы и антиоксиданты защищают изделия от разложения под действием температуры и кислорода воздуха (термоокислительной деструкции), особенно изделия, получаемые или эксплуатируемые при высоких температурах. Использование 0,1-0,5 % стабилизаторов увеличивает срок службы, у раздувных изделий (бутылки, канистры и т.п.) снижается запах во внутреннем объеме. При остановках оборудования на длительный простой антиокислители предотвращают сшивку, разложение и пригар полимера в цилиндре пленочного или листового экструдера или термопласт-автомата, тем самым, облегчая и ускоряя чистку оборудования после запуска (для этого перед остановкой в цилиндр машины вводится некоторое время концентрат термостабилизаторов – так называемый стоп-концентрат).

Добавки, изменяющие свойства поверхности

Для полимерных изделий, в особенности полиолефиновых пленок существенным фактором является регулирование свойств поверхности полимера, а именно, изменение коэффициента трения скольжения, удельного поверхностного сопротивления и др. Пленки из полимерных материалов (особенно это характерно для пленок из ПЭВД) обладают склонностью к слипанию и имеют высокий коэффициент трения (0,5-0,6).

Скользящие добавки служат, своего рода, внутренней смазкой в полимере. Они уменьшают вязкость расплава, ощутимо повышают производительность экструзии. И в тоже время делают поверхности пленок и других полимерных изделий более гладкой, блестящей и глянцевой. Уменьшают коэффициент трения готовых изделий. Применение скользящих добавок (слипов) позволяет улучшить технологические характеристики, уменьшая силы трения и адгезии, не оказывая существенного влияния на механические и оптические свойства полимеров. В качестве скользящей добавки используются амиды олеиновой или эруковой кислот при содержании их в пленке 0,05-0,1 %. Амид олеиновой кислоты обеспечивает превосходные антифрикционные свойства с несколько ограниченным антиадгезионным эффектом. Вследствие быстрой скорости миграции максимальное скольжение наступает через 24 часа. Амид эруковой кислоты обеспечивает как очень хорошие антиадгезионные свойства, так и превосходный антифрикционный эффект. По своим свойствам они отличаются по скорости миграции на поверхность. Более высокий молекулярный вес амида эруковой кислоты приводит к снижению скорости миграции. Максимальное скольжение наступает через 72- 96часов, поэтому такой слип может быть рекомендован для применения в тех случаях, когда нанесение печати или сварка пленки выполняется не сразу после ее производства. Это обусловлено тем, что избыток скользящих добавок на поверхности пленок снижает прочность сварного шва и ухудшает фиксацию печати. Эти же добавки при изготовлении литьевых деталей улучшают условия литья под давлением, внешний вид (блеск) и съем с формы изделий. 

Снижение слипаемости пленок достигается введением специальных антиблокирующих добавок. Они позволяют предотвратить слипание горячего рукава полиэтиленовой пленки за счет образования микрошероховатости поверхности в результате действия микронизированных наполнителей. При этом уменьшается площадь контакта между слоями пленки, и поэтому пакеты легко раскрываются. Наполнители подбираются так, чтобы коэффициент преломления неорганической частицы был близок к коэффициенту преломления полимера, при этом наполнители не влияют на прозрачность пленки. Чаще всего применяются диоксид кремния , а также различные алюмосиликаты. Необходимо отметить, что присутствие антиблокирующих добавок в пленке улучшает фиксацию печати, повышает прочность сварного шва. Возможно совместное применение антиблокирующей и скользящей добавки.Для этой цели выпускаются комбинированные концентраты, которые представляют собой сочетание антиблока и олеамида или антиблока и эрукамида

Антислип–добавки придают поверхностям пленок шероховатость. Используются при производстве тары, мешков для упаковки сыпучихпродуктов и прочих изделий, где шероховатость необходима.

Для пленок или лент из полипропилена или ПЭНД применяются антифибрилляционные добавки, чаще всего микронизированный мел. Он используется для предотвращения расщепления ленты, а также дляпридания микрошероховатости поверхности пленки. В процессе изготовления тонких лент из полиолефинов при их растяжении за счет образования фибриллярной структуры может произойти расщепление лент на отдельные волокна. Введение мела в полимер увеличивает межфибриллярное взаимодействие и, таким образом предотвращает распад ленты на волокна.

Антистатики позволяют избавиться от статического эффекта, присущего всем полимерам. Избавиться от него иногда не просто желательно, но иногда и просто необходимо. Например, при изготовлении корпусов под аудио и видеотехнику. Антистатические добавки, которые вводятся в полимерный материал в количестве от 0,2% до 2% (в зависимости от поставленной задачи) и снижают электростатический заряд за счет миграции добавки из внутренних слоев изделия к поверхности. При этом удельное поверхностное сопротивление уменьшается с величины 1014-1016 Ом.см (для обычного полимера) до 108-109 Ом.см. Антистатический эффект достигается при взаимодействии добавки с атмосферной влагой, в результате чего образуется электропроводящий поверхностный слой, ускоряющий рассеяние электрических зарядов. Для достижения достаточного антистатического эффекта необходима определенная влажность (не менее 30%) воздуха, при которой образуется влажная проводящая пленка на поверхности полимера. Поскольку миграция на поверхность является предпосылкой действия антистатиков, то ихэффективность достигается либо сразу, либо в течение определенного времени после завершения технологического процесса. В зависимости от своей химической природы антистатики разделяются на краткосрочные, действие которых начинается уже в процессе изготовления изделия, но продолжается недолгое время (2-5дней), и длительного действия , полная миграция на поверхность занимает 2-3 дня, но срок действия их в изделии – 6-12 месяцев. Часто используют синергические смеси обоих классов добавок (в соотношении 2:1), которые намного болееэффективны, чем отдельные компоненты.

Для пленок сельскохозяйственного назначения желательно получение гидрофильных свойств. Гидрофильные добавки (так называемые антифоги) придают пленке большее сродство к воде. Если на обычной пленке влага конденсируется каплями, которые, как маленькие линзы, фокусируют солнечный свет, обжигая листья растений, то на пленке с гидрофильной добавкой конденсат растекается тонким равномерным слоем. Согласно опытным данным это повышает урожай в теплице за счет увеличения прозрачности пленки и уменьшения солнечных ожогов растений. В пищевой упаковке антифоги предотвращают образование капель росы внутри упаковки при хранении продуктов в холодильнике и тем самым улучшают внешний вид упаковки.

Скользящие, антистатические и гидрофильные добавки представляют собой низкомолекулярные полярные соединения, плохо совместимые с полимером и поэтому мигрирующие на его поверхность. Скорость миграции, эффективность действия и срок службы добавки зависят не только от природы добавки, но и от природы (полярности) полимера, его плотности и степени кристалличности, температуры и влажности хранения и эксплуатации изделия, толщины стенки или пленки. Большое значение имеет также способ введения добавки в полимер (более эффективно через концентрат) и используемые при этом совмещающие добавки, также влияющие на скорость миграции. Кроме того, следует учитывать, что при одновременном применении нескольких мигрирующих добавок возникает конкуренция на поверхности и эффективность действия каждой из них может снизиться.

Добавки для улучшения внешнего вида

К специальным добавкам, улучшающим декоративные свойстваизделий, относятся нуклеаторы (просветлители), повышающие прозрачность полипропилена. Они снижают мутность и повышают прозрачность полипропилена в результате нуклеации расплава, действуя как зародышеобразователи и способствуя образованию большого числа маленьких сферолитов (размер менее микрона) при охлаждении полипропиленового расплава. Такие сферолиты, сравнимые по размеру с длиной волны видимого света, не рассеивают свет и улучшают прозрачность полимера в сравнении с полипропиленом, не содержащим просветлителя. Поскольку меняется скорость кристаллизации и кристаллическая структура полимера, добавка способствует также повышению жесткости литьевых изделий, уменьшению усадки и сокращению продолжительности процесса литья. Наиболее распространены просветлители на основе дибензилиденсорбитола, для него оптимальный температурный режим переработки гомополимера – 215-220 оС, но эффективность на 15-20% ниже, чем у другого распространенного типа – диметилбензилиденсорбитола, который действует при 240-260 оС с высокойэффективностью. К сожалению, пока не разработана аналогичная добавка для повышения прозрачности полиэтилена высокого или низкого давления,поскольку скорость кристаллизации полиэтилена слишком высока.

Добавки увеличивающие блеск и глянец.

Блеск полиэтиленовой пленки улучшается при использовании скользящих добавок (наряду с понижением коэффициента трения), особенно эффективен при этом эрукамид. Кроме того, блеск пленки из ПЭВД улучшается при введении в композицию до 10% линейного полиэтилена.

Добавки для снижения усадки

Существуют следующие способы снижения усадки изделий из полипропилена:

-введение минерального наполнителя (5-10% мела или талька) ввод нуклеатора (для ПП) – за счет изменения мелкокристаллической структуры снижается усадка полимера, в том числе и в окрашенных изделий, подбор безусадочных пигментов (non wrapping) со специальной обработкой поверхности, не оказывающих усиливающего воздействия на усадку.

-подвспенивание – использование концентратов добавок, разлагающихся при литье с выделением азота. Используются для получения вспененных изделий (поплавки, пены). В небольших количествах при литье повышают внутреннее давление в изделии и убирают усадку, кроме того, снижается вес изделия без потери прочности.

Вспенивающие добавки используются для производства пористых изделий из полипропилена и полиэтилена .Применяют при производстве растягивающихся пленок. Придает им эффект дополнительной упругости, а некоторым полимерам, в том числе и полипропилену –ударопрочность.

Технологические добавки

Технологические добавки не меняют свойств полимера, но способствуют улучшению его перерабатываемости и снижению доли потерь и отходов.

Процессинговые (экструзионные) добавки повышают производительность оборудования, снижает давление расплава и температуру переработки полимера в процессе экструзии. По своей природе эти добавки являются производными фторполимеров. Они плохо совместимы с основными полимерами и в местах наибольших усилий сдвига  высаживаются из расплава на поверхность металла, создавая на ней пристенный смазывающий слой, по которому скользит расплав при формовании. Применение экструзионной добавки в самых малых количествах 0,3-0,5% позволяет снизить крутящий момент и давление на головке экструдера, повысить производительность при снижении энергозатрат, устранить дефекты внешнего вида и налипание нагара на фильере, снизить температуру экструзии полимеров и композиций, чувствительных к воздействию повышенных температур, увеличить гладкость изделий, производить более тонкие пленки. При изготовлении крупногабаритных или тонкостенных литьевых изделий сложной формы, применение добавки позволяет улучшить проливаемость, убрать дефекты поверхности, линии спая и улучшить внешний вид изделия. Рекомендуется следующая схема применения: в течение первых 30-40 минут процесса вводится большая концентрация добавки для создания смазывающего слоя и начальной установки режима, а затем ввод резко (в 8-10 раз) снижается, только для поддержания созданного слоя. Введение малых количеств экструзионных добавок не влияет на свойства изделия. После прекращения ввода экструзионной добавки нанесенный на металл смазывающий слой постепенно смывается расплавом полимера.

Чистящие концентраты применяются при чистке литьевого и пленочного оборудования для быстрого перехода с цвета на цвет без остановки, чаще всего в пропорции 1:1 - 1:3 с полимером. При этом сокращается количество отходов и затраты времени на смену цвета. В состав чистящих концентратов входят, как правило, мягкие минеральные наполнители и поверхностно-активные моющие добавки. К технологическим добавкам, снижающим количество отходов, можно отнести и антиокислители (термостабилизаторы), вводимые в экструдер или термопласт-автомат перед остановкой (стоп-концентрат).

Антипирены

делают полимеры негорючими. Специальные антиперены используют для производства негорючих пленок, листов и литьевых изделий.