Модификация полиэтиленовых композиций

Большинство полимеров обладают традиционным комплексом свойств. Придать им специфические свойства можно с помощью различных методов модификации. Модификации полиэтилена посвящено много работ [25–32]. В основном полимеры – это прозрачные или в зависимости от степени кристалличности матово-белые бесцветные материалы. В ряде случаев вследствие особенностей химического строения и наличия добавок они окрашены в желтые, красные, коричневые, черные тона. Тем не менее способность окрашиваться в различные цвета является одним из важнейших качеств, которое обусловило широкое применение пластмасс, особенно в быту. Это делает окрашивание необходимой частью технологии переработки полимерных материалов.

Окрашивание пластмассовых изделий может проводиться либо предварительным введением красящих веществ [0,05–2% (масс.)] в полимер, либо окрашиванием поверхности сформованного изделия (к последнему варианту можно отнести различные виды декоративной обработки) [32].

Первоначальной технологической задачей при изготовлении окрашенных пластмассовых изделий является выбор красящего вещества. Помимо чисто эстетических соображений при этом необходимо учитывать следующие требования: термостойкость красящих веществ не должна быть ниже, чем у окрашиваемого полимера; химическая стойкость красящих веществ должна обеспечивать эксплуатацию изделий в требуемых условиях; красящие вещества не должны ухудшать свои характеристики при взаимодействии с другими добавками (отвердителями. ускорителями отверждения и т.д.); светостойкость красящих веществ не должна быть ниже, чем у окрашиваемого полимера; они должны хорошо диспергироваться и равномерно распределяться в массе полимера; они не должны мигрировать из массы на поверхность изделия, в том числе в средах органических и неорганических растворителей (этот процесс может привести к необратимому изменению или ослаблению окраски – выцветанию, а также к загрязнению соприкасающихся с такими материалами поверхностей как при эксплуатации, так и при переработке – плейт-эффект); красящие вещества должны быть нетоксичны и по возможности легкодоступны.

Красящие вещества подразделяют на красители и пигменты.

Красители – это красящие вещества, растворимые в полимерах. Обычно это азо- и антрахиноновые соединения различных цветов. К этой группе также относится распространенный черный краситель – нигрозин. Вследствие хорошей совместимости красителей с полимера ми, окрашенные ими пластмассовые изделия имеют прекрасный внешний вид, блестящую поверхность, равномерную интенсивную окраску, сохраняют прозрачность. Однако миграционная способность их велика, они нестойки к действию органических растворителей. Хотя разработаны новые виды красителей с пониженной миграционной способностью, доля их в общем объеме применяемых в переработке пластмасс красящих веществ составляет лишь несколько процентов.

Пигменты – это красящие вещества, нерастворимые в полимерах. Пигменты обладают минимальной миграционной способностью.

Неорганические пигменты – это различные природные и синтетические оксиды и соли металлов. В эту группу входят наиболее термо– свето-, химически стойкие красящие вещества. Однако при использовании неорганических пигментов требуются наибольшие усилия для их распределения в полимере. В общем объеме применяемых при производстве пластмасс красящих веществ доля этих пигментов составляет около 80%.

К органическим пигментам относятся нерастворимые в полимерах органические вещества, как правило синтетические, со сложной химической структурой: фталоцианиновые, азо-, полициклические, диокса-зиновые пигменты, а также лаки, получаемые осаждением красителей из их водных растворов. Эти красящие вещества лучше диспергируются в полимерах, однако они менее термостабильны, чем неорганические пигменты, выше их миграционная способность.

Следующей задачей, стоящей перед технологом, занимающимся окрашиванием пластмассовых изделий, является выбор способа окрашивания. Несмотря на то что окраска изделия определяется цветом тонкого, в несколько десятых долей миллиметра слоя, наиболее распространенными способами окрашивания полимеров являются способы, связанные с введением красящих веществ в массу полимера. Больший расход красящего вещества в этом случае компенсируется значительно более надежным и устойчивым окрашиванием. Кроме того, объемное окрашивание требует значительно меньшего количества дополнительных технологических операций, чем поверхностное.

Применяют следующие способы введения красящих веществ в полимерный материал: окрашивание в процессе синтеза полимера; сухое окрашивание; окрашивание в расплаве; окрашивание изделия в растворе красящего вещества через поверхность изделия.

Сухое окрашивание. При сухом окрашивании гранулы полимера опудриваются порошками красящего вещества. Сухое окрашивание не имеет самостоятельного значения, а является промежуточной, подготовительной стадией изготовления окрашенных пластмасс и используется с целью повышения равномерности распределения красящего вещества в массе полимера. Сухое смешение проводят в различных смесителях инерционного типа, в тихоходных или скоростных лопастных смесителях. Пигменты рекомендуется подвергать предварительному размолу. При увеличении концентрации красящих веществ в смеси, с целью предотвращения расслоения различных по дисперсности гранул полимера и частиц пигментов, применяются смачиватели (например, вазелиновое масло, полиэтиленовый воск и другие вещества), закрепляющие порошки на поверхности гранул. Количество смачивателей должно быть минимальным в связи с возможностью слипания гранул и ухудшения условий питания перерабатывающих агрегатов и транспортирующей способности шнековых машин.

Окрашивание в расплаве. В этом случае диспергирование и распределение красящих веществ проводится в расплаве полимера под действием сдвиговых напряжений и деформаций в перерабатывающем оборудовании. Этот способ является наиболее важным в технологии переработки пластмасс.

Основная часть этого процесса включает начальное дозирование компонентов.

Окрашивание изделия через поверхность. Этот способ окрашивания используют при производстве волокон из полимеров. По данной схеме волокна окрашиваются при прохождении ванны, заполненной растворителем, частично растворяющим полимер и содержащим краситель. За время нахождения волокна в ванне молекулы красителя диффундируют в объем волокна, окрашивая его.

Другое направление улучшения внешнего вида пластмассовых изделий связано с нанесением на их поверхность красочных покрытий. Среди способов осуществления этого процесса можно назвать следующие: окрашивание поверхности, печатание, тиснение, аппликация, декалькомания.

С помощью этих способов возможно воспроизведение на поверхностях многокрасочных рисунков, что переводит изделия из пластмасс в разряд декоративных, а иногда и художественных изделий. Кроме того, лакокрасочные покрытия предохраняют поверхность изделий от вредного влияния окружающей среды и повреждений.

Основной проблемой, возникающей при проведении указанных процессов, является создание условий, обеспечивающих прочное адгезионное соединение красочного покрытия с поверхностью пластмассовых изделий. В этом заключаются основные отличия указанных процессов от процессов декоративной обработки других материалов. Помимо способа нанесения влияние на прочность такого покрытия оказывают состав и свойства лакокрасочного материала и свойства поверхности изделия.

Для изделий из полимерных материалов очень важен внешний вид. Одним из основных показателей внешнего вида является окраска изделий. Хорошая окраска увеличивает потребительскую стоимость изделия.

В процессе литья под давлением полимерные материалы окрашивают концентратами красителей (выпускают в виде гранул и крошки) или непосредственно порошкообразными красителями и пигментами.

Для того, чтобы получить хорошо окрашенные литьевые изделия, необходимо правильно организовать все стадии технологического процесса получения изделий: смешение концентрата красителей с основным материалом, подготовку материала к переработке (сушку), пластикацию и формование.

Важно также правильно подобрать марку полимера.

Показателями хорошего окрашивания изделий являются следующие: сохранение цвета в конечном изделии, стабильность цвета – отсутствие разнооттеночности изделий, получаемых в разных циклах (особенно важно при сборке изделий), равномерность окраски, отсутствие цветовых разводов, пятен.

Смешение полимеров с концентратами красителей. Для получения цвета, соответствующего эталону, и обеспечения стабильности цвета изделий, получаемых в разных циклах, следует точно соблюдать рекомендации, регламентирующие процентное содержание концентрата красителей в основной полимере.

Рекомендуемый процент указывается в сертификате качества, паспорте или технических условиях на концентрат.

Уменьшение доли концентрата красителей в основном полимере приводит к получению блеклых, не ярко выраженных тонов.

Смешанный полимер с концентратом красителей следует засыпать в бункер литьевой машины небольшими порциями.

Сушка полимера при подготовке к переработке играет важное значение в достижении требуемого цвета изделий и устранении разводов на их поверхности.

Сушку полимера можно проводить отдельно или вместе с концентратом красителей (предварительно смешав), если требуется сушка концентрата перед переработкой.

Сушка полимера (отдельно или вместе с концентратом красителей) не должна приводить к изменению цвета самого полимера, в частности, к пожелтению. Изменение цвета возможно в результате термической деструкции полимера при сушке.

В случае, если полимер нетермостабилен, требуется сушка полимера под вакуумом при пониженной температуре. Сокращают продолжительность сушки.

Стадия пластикации – наиболее ответственная стадия в обеспечении равномерности окраски изделий.

Окрашивать полимеры концентратами красителей при литье под давлением можно только на литьевых машинах со шнековой пластикацией.

Для получения хорошо окрашенных изделий стадия пластикация должна обеспечить высокую степень смешения полимера с концентратом. Хорошее качество смешения достигается при высокой частоте вращения шнека N (линейной скорости V) и высоком давлении пластикации Рпл.

Частоту вращения шнека N и давление пластикации Рпл нужно устанавливать высокими одновременно. Повышение температуры материала Тп (нагревательных цилиндров) способствует достижению равномерности окраски изделий. Это связано с тем, что с повышением Тп вязкость материала снижается и распределение красителей (пигментов) в окрашиваемом материале облегчается. Чрезмерное увеличение температуры материала может привести к деструкции полимера или красителей. При этом изменяется цвет изделий.

Качество смешения красителей с полимером при пластикации можно оценить по внешнему виду струи, вытекающей при впрыске из сопла (без впрыска её в форму). При хорошем качестве смешения струя равномерно окрашена, на ней нет разводов. Только при таком качестве смешения достигается равномерное окрашивание изделий в форме.

Процессы формования оказывают влияние на равномерность окраски изделий. Это влияние зависит от конфигурации изделия, конструкции формы и технологических параметров формования.

Выбор марки полимера для окрашивания. Для получения хорошо окрашенных изделий нужно применять натуральные (неокрашенные) марки полимера. Если исходный полимер уже окрашен, например, в белый цвет, то при введении концентратов красителей получается не окрашивание, а так называемое «перекрашивание». При «перекрашивании» изделия получаются блеклыми, не ярко выраженных тонов.

«Перекрашивание» часто является причиной образования такого дефекта как мрамор, когда белые полосы на поверхности изделия чередуются с окрашенными.

Улучшению «перекрашивания» и уменьшению разводов способствует улучшение смешения полимера с концентратами красителей при пластикации. Для этого увеличивают частоту вращения шнека, давление пластикации, повышают температуру материала.

Наоборот, для получения поверхности изделия, окрашенной под мрамор, технологические параметры изменяют в противоположном направлении.

Проведенный анализ и обобщение существующих разработок показал:

· Возрастание объемов производства ПЭВД для изготовления товаров народного потребления.

· Основным направлением для повышения конкурентоспособности полимерной продукции является модификация полиэтилена как на стадии синтеза, так и на стадии переработки, окрашивания и наполнения.

Таким образом анализ литературы показал, что для совершенствования технологии изготовления полиэтиленовых труб, для расширения их ассортимента и улучшения качества рекомендуется:

– использование экструзионного оборудования при переработке;

– изменение конструкции шнека, приводящее к принципиальным улучшениям процесса, за счет внедрения в процесс захватывающей втулки, снабженной пазами. У полимерной массы появляется возможность зацепиться за пазы, что предотвращает ее одновременное вращение со шнеком;

– использование суперконцентратов для придания улучшенного внешнего вида полиэтиленовым трубам и одновременно – расширения ассортимента.