DEEL 1 : BASISPRINCIPES MASTERBATCH

1.1 : Definitie

Masterbatches zijn Kleurstoffen en/of additief concentraten in een vaste kunststof of kunststofachtige matrix, met een bepaald gehalte aan kleurstoffen, pigmenten of additieven, welke hoger is dan in het eindproduct.

1.2 : Historie

De eenvoudigste weg voor de inmenging van een kleurstof en/of een additief was vroeger bij het inkleuren van kunststoffen, de directe toevoeging van een bepaalde stof in het verwerkings proces.

De verdeling met de grondstof vond plaats door middel van "optrommelen of voormixen" van poeders met het desbetreffende kunststofgranulaat, vaak met bijmenging van een kleine hoeveelheid hechtmiddel om ontmenging tegen te gaan. Evenzo laten de poedervormige werkstoffen zich direct in een vloeibaar dragersyteem dispergeren. Het eindproduct, een zgn. pasta of vloeibaar kleurmiddel, wordt ook direct met het kunststofgranulaat voorgemixt.

Bij menige verwerkingsresultaten met deze inmengmethode, kunnen vaak bepaalde problemen betreffende een gelijkmatige verdeling van de werkzame stoffen zichtbaar worden in de eindapplicatie. Ongelijkmatige concentraties van de werkzame stof, kunnen zich voordoen als zijnde agglomeraties, welke vaak zichtbaar zijn als stippen in een product.

Ook bij een automatische dosering van deze poedervormige stoffen loopt men tegen grenzen aan. Het toevoegen van vloeistoffen is zeer afhankelijk van het desbetreffende proces. Als voorbeeld kan men filmextrusie nemen. Bij een toegave van meer dan 2% vloeibare kleurmiddelen kan het hele proces , door het slippen van de schroef verstoord worden.

Naast deze technische begrenzingen is in de loop der jaren, de vraag gegroeid naar verbeteringen in automatisering en minder vervuiling van het verwerkingsproces. Vandaag de dag worden de meeste thermoplasten verwerkt in pellet-vorm, met behulp van volledig geautomatiseerde toevoersystemen. Om deze reden worden de meest kleur en additief systemen ook geleverd in pallet-vorm.

Hoe dan ook, voor sommige kunststofverwerkende processen zijn er bepaalde voordelen om kleuren/additieven toe te voegen als poeder of pasta. Een voorbeeld is in het inkleuren van transparante PET flessen, met geautomatiseerde doseringpompen, welke zeer kleine hoeveelheden pasta kunnen toevoegen.

1.3 : Dragersystemen

Er zijn twee mogelijkheden voor een masterbatch drager systemen. Bij universele dragersystemen, wordt er voor matrix gekozen, welke compatibel met een zo breed mogelijk scala aan kunststoffen. De masterbatch kan dan toegepast worden in diverse soorten thermoplasten of kunststofsystemen.

Een dergelijke drager kan bestaan uit bepaalde wassen, polyethyleen/polyolefinen dragers, EVA dragers, harsen of vergelijkbare substanties. Deze zgn. universele masterbatches zijn een prima alternatief, wanneer het om technische of economische redenen niet mogelijk is om de verwerkte kunststof als dragermateriaal in te zetten.

Dit kan het geval zijn bij het inkleuren van kleine hoeveelheden kunststoffen. In veel gevallen is het echter nodig om af te vragen welk effect een universele masterbatch kan hebben op de eind applicatie of verdere werkingsstappen zoals coaten, verven, printen of het lassen van de eindapplicatie.

Tegenwoordig worden kunststoffen speciaal gemodificeerd voor hun eindtoepassing en gespuitgiette producten worden steeds meer verfijnd, om deze reden worden steeds meer masterbatches speciaal ontwikkeld voor een bepaalde eindtoepassing.

Drager systemen bestaan vaak uit de kunststof welke ook gebruikt wordt voor het eindproduct. Deze manier van werken wordt toegepast voor de meeste thermoplasten, in het bijzonder voor bepaalde technische kunststoffen.

Helaas is het vaak niet mogelijk om de exact dezelfde kunststof te gebruiken als masterbatch matrix materiaal. De keuze van de matrix hangt sterk af van bepaalde factoren zoals, afschuif gevoeligheid en "wettability", natuurlijk speelt hierbij ook de economische factor een rol. Hierbij kan men toevoegen dat een hoge concentratie masterbatch vaak slechter smelt, wanneer de drager een lagere viscositeit heeft als de te verwerken kunststof.

De meeste masterbatch producten, hebben een breed scala aan dragersystemen tot hun beschikking. Ze kiezen vaak een toepasselijke combinatie van grondstoffen, afhankelijk van het eisenprofiel van de masterbatch. Het dragersyteem van bijna elke masterbatch is vaak op maat gesneden op basis van de technische eigenschappen van de te verwerken kunststof en het verwerkingsproces.

Pigmentmixer Foto: Esseti Plast Masterbatches	Pigment mixmolen Foto: Georg Deifel KG

1.3 : Productie

In het algemeen bestaan er tussen masterbatch productie en de eindverwerking van een product fundamentele verschillen. Masterbatch producenten hebben meer te maken met het homogeen dispergeren van kleurmiddelen/additieven in een geconcentreerde vorm. Complete andere factoren spelen een rol bij de eindverwerking of kwaliteit van geproduceerde producten.

De meest belangrijke aspecten bij de productie van spuitgietdelen zijn factoren zoals korte cyclustijden of hoge volumes produceren. Anderzijds, kunnen factoren zoals oppervlaktekwaliteit, glansgraad, hechting op inzetdelen en natuurlijk het verloop van mechanische eigenschappen een belangrijke rol spelen op de verwerkingseigenschappen. Deze staan vaak in contrast tot de verwerking van masterbatches waarbij lange verblijftijden en hoge afschuifkrachten gebruikelijk zijn.

Voor deze redenen dienen masterbatches vaak klantspecifiek geselecteerd en geproduceerd te worden.

De productie van de masterbatches zelf kan op vele manieren gebeuren. De meest gebruikte methode is om kleurconcentraten te produceren op zgn. dubbelschroefextruders. Bij deze manier zijn er twee verschillende methodes, het zgn. een-staps proces en het zgn. twee stapsproces (zie onderstaand figuur).

Bij een één-staps verwerkingsproces worden alle componenten voor het concentraat gecombineerd in een verwerkingsstap. Wanneer men met gecompliceerde ingrediënten werkt, dan is het ook mogelijk om met behulp van "side feeders" te werken. Op het eind van dit proces, kan men de masterbatches pelletizeren middels een perforatie extrusiekop en een pelletizer-unit of direct als granulaat middels een kopafslag proces (ingebouwde onderwater snij-unit).


Monoconcentraten op voorraad
Foto: Esseti Plast Masterbatch

Bij het twee-staps proces worden er allereerst zgn. "mono-concentraten" of basiskleuren geproduceerd. Een monoconcentraat bestaat uit een enkel pigment, welke hoog geconcentreerd en volledig gedispergeerd is ingewerkt in een dragersysteem (vaak met behulp van een knederproces). De eerste stap wordt gevolgd door een tweede extrusiestap, waarbij verschillende monoconcentraten gemixt worden om zodoende een eindkleur of applicatie te produceren op klantspecifieke wens. Hierbij is een enkelschroef extruder vaak voldoende om een voldoende hoge graad van homogeniteit te verkrijgen (zie onderstaand figuur).

Er zijn ook andere processen van masterbatch productie, welke ingezet worden bij bepaalde speciale eisen en hebben vaak een andere granulaat vorm. Men kan hierbij denken aan masterbatches met een wasdrager of in de vorm van microgranulaat.