DEEL 3 : GRONDSTOFFEN VOOR MASTERBATCH

Transcriptie

1 Een initiatief van Masterbatch.nl is een initiatief van om de kunststofverwerkende sector in Nederland en Belgie een beter inzicht te verschaffen in de kennis en ontwikkeling alsmede de productie van kleuren masterbatches en additieven voor kunststoffen. Onderverdeeld in 4 hoofdstukken worden diverse aspecten en definities over masterbatch belicht. DEEL 3 : GRONDSTOFFEN VOOR MASTERBATCH 3.1 : Algemeen De manier waarop onze ogen kleuren onderscheiden is anders dan de manier waarop onze oren geluiden onderscheiden. We horen het bereik tussen Hz en we kunnen zichtbaar licht waarnemen met golflengtes tussen de 400 en 700 nm, zoals violet, blauw, groen, geel, oranje en rood. Infrarood en ultraviolet zijn termen welke met kleuren geassocieerd worden, maar niet zichtbaar zijn voor het menselijk oog. Kleur waarneming ontstaat door het feit dat er bepaalde substanties zijn welke licht reflecteren of absorberen. Een absolute weerkaatsing (reflectie) resulteert in wit en absolute absorptie wordt waargenomen als zwart. Felle kleuren komen voort uit pigmenten welke licht reflecteren en absorberen. Zoals vermeld in de basisprincipes zijn masterbatches kleurenpreparaten van additieven, pigmenten en/of kleurstoffen, welke in een plastic matrix ingewerkt zijn. (zie figuur). Het onderstaande figuur laat zien hoe de verschillende kleurmiddelen ingedeeld kunnen worden in groepen.

2 Een initiatief van 3.2 : Kleurmiddelen De in het vorige figuur genoemde kleurmiddelen zijn in het algemeen zeer kleur intensief in hun originele vorm en daarom moeilijk in deze originele vorm te verwerken. Daar er een brede diversiteit is aan verschillende kleurmiddelen worden in deze site alleen de kleurmiddelen genoemd welke in kunststoffen verwerkt kunnen worden. Alle kleurmiddelen zijn geclassificeerd aan de hand van hun tint (zoals rood, geel, groen, blauw etc.), pigment klasse (chemische classificatie), kleur index (internationale benoeming), temperatuur bestendigheid ( C), licht- en weerechtheid. Temperatuurbestendigheid wordt normale wijze vastgesteld in een HDPE medium. 3.3 : Kleurstoffen In tegenstelling tot pigmenten, zijn kleurstoffen oplosbaar in kunststoffen. Ze zijn verkrijgbaar in een breed scala aan kleuren en staan bekend om hun goede temperatuurbestendigheid en lichtechtheid. Kleurstoffen worden bij voorkeur ingezet voor de transparante inkleuring van transparante kunststoffen. Echter, hun inzet wordt enigszins beperkt, omdat ze de neiging hebben om te migreren uit vele kunststoffen. Een ander nadeel is de relatief hoge prijs. 3.4 : Anorganische pigmenten Zeer goede echtheden (licht en weer) en relatief lage prijzen zijn de reden dat deze kleurmiddelen de voorkeur genieten voor het inkleuren van kunststoffen. Titaan- dioxide is het dominerende wit pigment en carbon black is het meest gebruikte zwart.

3 Een initiatief van 3.5 : Organische pigmenten Organische pigmenten worden steeds belangrijker voor het inkleuren van kunststoffen. De belangrijkste reden hiervoor is zijn de mondiale restricties voor het inzetten van op lood, chroom 6+ en cadmium gebaseerde kleurmiddelen. Organische pigmenten hebben een aantal significante nadelen ten opzichte van anorganische pigmenten, hieronder vallen oa. een gelimiteerde temperatuurbestendigheid, een slechte licht en weer echtheid en als laatste beïnvloeden zij het rekristallisatiegedrag van kristallijne polymeren. Deze laatste eigenschap, welke gebaseerd is op deeltjesgrootte kan uiteindelijk leiden tot scheluw trekken en andere problemen. 3.6 : Effect pigmenten De meest verbazingwekkende resultaten worden soms behaald wanneer speciale materialen verwerkt worden in kunststoffen. Men dient er echter te allen tijde mee rekening te houden dat de eigen naturel kleur van een kunststof restricties oplevert voor het gewenste eindeffect. Bijvoorbeeld, een puur metaaleffect kan alleen bereikt worden, wanneer de gebruikte kunststof een hoge mate van transparantie bezit. Een andere limiet voorkomend bij effect pigmenten is dat de oppervlakteruwheid van een product kan zorgen dat de deeltjesgrootte van het kleurmiddel te groot wordt, resulterend in vloeilijnen, welke duidelijke zichtbaar worden, wanneer er bv. parelmoer effect pigmenten gebruikt worden. Het is ook mogelijk om producten te spuitgieten, welke bij verschillende zichthoeken van kleur veranderen. Deze speciale karakteristiek wordt bereikt middel zgn. interferentie pigmenten. Met een abrasieve werking dient rekening gehouden te worden, wanneer er met glaspoeder, mineraalpoeder of gelijksoortige harde deeltjes gewerkt wordt. Op dezelfde wijze kunnen ook sommige polymeren, waarin effect pigmenten verwerkt zijn in sommige gevallen hun basiseigenschappen verliezen. Masterbatch producenten houden hier rekening mee en zullen de eisen van de opdrachtgever zo goed als mogelijk benaderen.

4 Een initiatief van Basis benodigdheden, zoals anorganische en organische pigmenten, zowel kleurstoffen worden verwerkt in een batch samen met het matrix (drager) materiaal. Ook in het geval van effect pigmenten is het belangrijk om te weten, dat een colorist alleen maar een goede masterbatch kan maken/optimaliseren als de precieze gegevens van de eindapplicatie bekend zijn. De eindeigenschappen van een masterbatch kunnen slechts zo sterk zijn als de zwakste ingrediënt/schakel in de ketting. 3.7 : Additieven Masterbatches worden vaak geassocieerd als zijnde kleurconcentraten voor het inkleuren van kunststoffen. Zoals beschreven in de definitie van een masterbatch, behoeft een masterbatch niet altijd een kleurstof te bevatten. Elke kunststof bevat extra ingrediënten of zgn. "peper en zout", in de vorm van additieven. Additieven worden ingezet om bepaalde eigenschappen in een kunststof te verbeteren, om of de handeling van de kunststof of eindproduct makkelijker te maken. Net als bij masterbatches, kunnen additieven in een bepaalde polymeersysteem verwerkt worden en wel op verschillende manieren. Vele industriële sectoren gebruiken vandaag de dag additief masterbatches voor gebruik in kunststoffen. Vele compoundeurs verkopen multifunctionele masterbatches, bestaande uit een combinatie van kleurmiddelen en additieven, als toevoeging op bestaande masterbatches en additieven. Het voordeel van additief masterbatches is dat men kan garanderen dat een kunststof naast de juiste kleur ook de juiste hoeveelheid additieven zal bevatten. De figuur op de volgende pagina laat een paar nuttige additieven zien om bepaalde eigenschappen van thermoplastische kunststoffen te verbeteren of veranderen.

5 Een initiatief van 3.8 : Thermo stabilisatoren Het inzetten van antioxidanten zal de schade verminderen welke opgelopen wordt door de degradatie van de polymeerketens onder invloed van hitte en het polymerisatieproces zelf. Normaal gesproken begint de degradatie met het vormen van vrije radicalen in de polymeermatrix. Stabilisatoren kunnen onderverdeeld worden in primaire en secundaire stabilisatoren, afhankelijk van hun functionaliteit en hun chemische indeling. Primaire stabilisatoren werken direct wanneer radicalen gevormd worden, door deze te deactiveren. Gesubstitueerde fenolen en aromatische amines zijn primaire stabilisatoren. Wanneer het materiaal eenmaal begonnen is met het vormen van vrije radicalen, zal de degradatie zich voortzetten en zodoende ontstaan vrije peroxide radicalen. Secundaire stabilisatoren worden gebruikt om met deze hydroperoxiden te reageren, zodra deze ontstaan. Secundaire stabilisatoren bestaan vaak uit fosfieten en of thiostabilisatoren. In de praktijk wordt een combinatie van primaire en secundaire stabilisatoren ingezet, en deze combinatie heeft bewezen het meest effectief te zijn om kunststoffen te stabiliseren. De reden hiervoor is, dat de synergie tussen de twee stabilisatiecompounds veel effectiever is dan ze afzonderlijke componenten alleen. Een uitzondering hierop is de langeduur stabilisatie van polymeren, voor deze toepassingen worden in hoofdzaak alleen primaire anti-oxidanten ingezet in kunststoffen welke aan een langdurige hittebron of hoge temperaturen worden blootgesteld.

6 Een initiatief van 3.9 : UV stabilisatoren Afhankelijk van het polymeer en de aard van de applicatie, kunnen UV stabilisatoren ingedeeld worden in verschillende systemen, zoals absorbers, quenchers en de zgn. HALS UV stabilisatoren, welke alleen of in combinatie gebruikt kunnen worden. Als UV absorbers worden in eerste plaats Hydroxyphenylbenzotiazol en Hydroxybenzophenon ingezet als belangrijkste UV stabilisatoren in de absorberende categorie. Door absorbering van de UV straling in de buitenste laag van de kunststof, wordt het binnenste gedeelte beschermd tegen de voor kunststof schadelijke straling. Voor dezelfde toepassing kan men tevens speciale roet-types inzetten. Wel dient men voor een buiten toepassing rekening te houden dat zwart ingekleurde producten, sneller opwarmen en hogere temperaturen bereiken, wat betekend dat bij langere buiten verblijftijden een extra stabilisering met antioxidanten nodig is. In het quencher bereik wordt hoofdzakelijk met nikkelchelaten gewerkt. Net zoals bij UV absorbers worden de korte, energierijke UV stralen in lange energiearme straling omgezet. Het verschil is echter dat quencher ook in dunne wanddiktes functioneren. Daarom worden ze hoofdzakelijk in folie en vezeltoepassingen ingezet. De HALS (Hindered Amin Light Stabiliser) systemen worden het meeste ingezet als UV stabilisatoren. De monomeren, oligomeren en polymere amineverbindingen in HALS deactiveren vrijgekomen radicalen en verlengen zo de houdbaarheid van kunststoffen : Vlamdovende middelen Voor bepaalde doeleinden is het noodzakelijk om middels vlamdovende middelen, de brandbaarheid van een polymeer, rookontwikkeling en de ontvlambaarheid van een kunststof te reduceren. In tegenstelling tot andere additieven, verslechteren vlamvertragers de mechanische eigenschappen van een polymeer. Afhankelijk van het type vlamvertrager, kan het ook zijn dat de actieve ingrediënten ook reageren met andere additieven of kleurmiddelen, de beste combinatie van eigenschappen dient dan in iedere applicatie opnieuw bekeken te worden. Conventionele vlamdovende middelen kunnen ruwweg onderverdeeld worden in gehalogeneerde en niet-gehalogeneerde compounds. Taalgeleerde vlamvertragers bestaan vaak uit een combinatie van ofwel chloride of bromide compounds and antimoonoxide. Deze laatste heeft geen vlamvertragend effect, maak versterkt wel de werking van de halogeen compound. In het verleden was er veel discussie over het ontstaan van furanen en dioxines, welke ontstaan wanneer polygebromeerde diphenylether wordt ingezet. Deze substantie is nu op grote schaal vervangen door andere halogeencompounds. Hoewel de halogeencompounds nog steeds de meest gebruikte systemen zijn, worden er wegens strengere milieu eisen steeds meer halogeenvrije additieven ontwikkeld. De halogeenvrije types welke reeds ontwikkeld zijn, zijn vaak een combinatie van fosfor en aluminium verbindingen of magnesiumhydroxide. Ze hebben echter nog geen leidende positie weten te verwerven. Dit is te wijten aan de hoge vulgraad in de gebruikte kunststof, welke nodig is om het juiste effect te bereiken, wat vaak gepaard gaat met een aanzienlijk verlies aan mechanische eigenschappen. Verschillende bedrijven zijn bezig met experimenten om het brandgedrag van polymeren te kunnen controleren middels nano-composieten cq. nano-additieven.

7 Een initiatief van 3.11: Antistatica Kunststoffen hebben hun snelle ontwikkeling en grote groei o.a. te danken aan hun zeer goede electro-isolerende eigenschappen. Een van deze eigenschappen is een hoge oppervlakteweerstand welke kan oplopen tot 1017 Ohm en zodoende kan leiden tot het opbouwen van elektrostatische ladingen aan de oppervlakte van een product. Deze lading trekt stof aan, welke zich op een product kan gaan verzamelen. In extreme gevallen kan vonkvorming zich voordoen, tijdens het verder verwerken van een gereed product. Afhankelijk van het type polymeer en de gebruikte ingrediënten kunnen antistatica ingezet worden om de oppervlakteweerstand te verlagen naar ongeveer 109 Ohm en op die manier het opbouwen van een elektrostatische lading te verkleinen. De meest gebruikte antistatica additieven bestaan uit moleculen met een hydrofiele en een hydrofobe component. Een voorwaarde voor het functioneren van een antistaticum, is dat de actieve component, migreert naar de oppervlakte van een product, waar de hydrofobe component zichzelf verankert in de kunststof en de hydrofiele component vocht uit de lucht verzamelt en zodoende de elektrostatische lading vermindert. Een gemiddelde atmosferische luchtvochtigheid is daarom noodzakelijk voor het correct functioneren van antistatica. Nieuwe ontwikkelingen in antistatica duren voort op het gebied van polymeren, oa niet migrerende compounds. Bij de niet migrerende producten horen geleidende carbon blacks, welke een oppervlakteweerstand garanderen van tussen de 102 en 104 Ohm. In tegenstelling tot de migrerende antistatica, is het functioneren van de carbon blacks niet afhankelijk van de luchtvochtigheid, daar de antistatische werking berust op een ander mechanisme Antiblock middelen De folieindustrie is de grootste verbruiker van antiblock additieven. Onder "blocken" wordt verstaan het samenkleven van folies onder invloed van warmte en druk, alsmede de cohesie tussen de kunststof zelf. Antiblock additieven bestaan vaak uit mineralen zoals krijt (CaCo3), talk en syntetische of natuurlijke silicaten als actieve ingrediënt. Voor bijzondere toepassingen en eisen (zoals blijvende transparantie, krasbestendigheid) komen er steeds meer organische antiblockmiddelen op de markt : Kiemvormers Kernvormende middelen of kiemvormers vergroten de neiging/tendens van kristallijne polymeren, om sneller te kristalliseren tijdens het afkoelproces. Een hogere graad van kristalliniteit verbetert tevens bepaalde eigenschappen zoals transparantheid, stijfheid etc. Ook kan het toevoegen van kiemvormers de cyclustijd verkorten, in het geval van spuitgietartikelen. Als additief worden verbindingen ingezet, welke niet oplosbaar zijn in de kunststofsmelt en anderzijds een deeltjesgrootte hebben van 1-10 mm en zodoende werken als kiemvormer. Deze eigenschappen zijn te vinden in anorganische stoffen zoals talk en silicaten en organische stoffen, zoals zouten van mono en polycarbonzuren. Ook kunnen bepaalde pigmenten en polymeren een kiemvormende werking zien.