DEEL 4 : VERWERKING VAN MASTERBATCH

4.1 : Algemeen

Het gebruik van masterbatches voor het inkleuren van thermoplastische kunststoffen is steeds meer bewezen en is de ontwikkeling steeds verder gegaan. Speciaal eind jaren '80 en in mindere mate tot 1997, is de groei van masterbatches hoger geweest dan de algemene groei in de kunststof industrie. In de polyolefinen sector is de vraag naar masterbatches een significant en constant deel van de markt. Er is echter nog een groot potentieel voor de verdere ontwikkeling van masterbatches voor bijvoorbeeld technische kunststoffen.

4.2 : Ontwikkeling

Batch productie was in de vroegere jaren de meest gebruikte manier in de masterbatch industrie, maar is in de loop der tijd verruild voor een kosten besparend continue productie proces. Deze verandering heeft geresulteerd in meer opties om bepaalde dragermaterialen te kunnen aanpassen aan een bepaalde applicatie. Tot op bepaalde hoogte was het inkleuren van technische polymeren alleen maar mogelijk met zuiver grondstofspecifieke masterbatches of met speciale dragersystemen.

Nieuwe ontwikkelingen in polymeren, vooral in technische kunststoffen zoals ABS, hebben geleid naar nieuwe materialen met een constante naturelle kleur. Dit is een belangrijke voorwaarde om een reproduceerbare en kosteneffectieve inkleuring te verkrijgen met masterbatches.

In de markt wordt de vraag naar goedkoper inkleuring steeds groter door de kleinere seriegroottes, een grotere flexibiliteit , dit komt mede door een kortere verwachte levenscyclus van een product. Naast deze feiten, dienen steeds meer producten aan hogere mechanische eisen te voldoen. Om deze reden is het vaak niet langer verantwoord om de kunststof en masterbatch diverse malen aan een thermische stap bloot te stellen en twee of meer verschillende polymeren bij te voegen.

De masterbatch industrie heeft hier op deze gegevens gereageerd met meer precies overeenstemmende producten, met een correct dragermateriaal, de juiste pigmentbelading en vloei-eigenschappen, een constante toevoegwaarde en eventueel extra toegevoegde additieven. Zelfs de vorm waarin de masterbatch wordt geleverd, zoals de granulaatvorm, kan aangepast worden afhankelijk van bepaalde eisen en wensen.

Intensieve communicatie en consultancy met de opdrachtgever is noodzakelijk op het gebied van de uiteindelijke toepassing, omdat er vele factoren een rol spelen, wanneer er masterbatches ingezet dienen te worden. Hieronder vallen de keuze van het polymeer, het type en capaciteit van de verwerkingsmachine, matrijsontwerp, gebruiksprofiel van het eindproduct, gebruikers eisen en wensen en natuurlijk het ontwerp van het product zelf.

Wanneer deze gegevens niet goed geïnterpreteerd worden, dan kunnen eisen en wensen ontstaan, welke leiden tot een onvoldoende product kwaliteit en een lagere efficiëntie van het productieproces.

4.3 : Homogeniteit

In principe is het makkelijk om een masterbatch in een polymeersysteem te mixen. Ook vandaag de dag, gebeurd het nog vaak dat de masterbatch en de in te kleuren kunststof handmatig gemixt worden. De juiste hoeveelheden masterbatch en kunststof worden gemixt alvorens de eindverwerking begint.

De mix wordt vervolgens op een normale manier verwerkt. Afhankelijk van de eisen aan het eindproduct, het type en de grootte hiervan en de gebruikte masterbatch, kan deze methode normaalgesproken perfecte resultaten opleveren. Aan de andere kant, wanneer er een groot verschil is tussen de dichtheden van de masterbatch en de kunststof, of als de granulaatgrootte verdeling slecht is, of als zich een statische lading opbouwt in een van de componenten, dan is het mogelijk dat er zich significante in-homogeniteiten voordoen.

Deze zullen zichtbaar zijn als kleurvariaties. Des te lager het inkleurpercentage, des te dunner de wanddiktes, des te sneller de product kwaliteit onder de gewenste waarden komt te liggen. De verwerkingsmachine parameters moeten dan ook optimaler ingesteld worden om tot de juiste applicatie te komen.

Het gebruik van gravimetrische of volumetrische doseerapparatuur wordt dan ook aanbevolen en kan de juiste inkleur/toevoeg percentages garanderen. Het is erg belangrijk om voor elke productierun of nieuw product de apparatuur te kalibreren om de juiste toevoegpercentages in te stellen. Verwerkers welke werken met centraal aangestuurde vervoersystemen, dienen deze ook direct op te machines aangesloten te hebben.

Inhomogeniteit ligt vooral in de smelt en het vloeigedrag van de masterbatch in de smelt, wanneer de masterbatch niet goed is ingesteld op de te gebruiken kunststof. De masterbatch kan de vroeg of te laat smelten, waaropvolgende resp. de masterbatch zich zal verspreiden op de schroef in de cilinder of niet compleet opgesmolten in het product komt. In extreme gevallen kunnen zelfs spuitneuzen verstopt raken. Speciale mixneuzen, zoals de Twente Mixing Ring (zie fig) welke op de schroef gemonteerd kunnen worden, bieden enige mate van oplossing. Deze voorwaarden zijn alleen nodig als een voldoende dispersie van de pigmenten in de masterbatch, in een polymeer vereist is. Er zijn applicaties waar het niet gewenst is om een homogene verdeling van de masterbatch te verkrijgen. Hoe dan ook, bij gevoelige applicaties en verwerking van bv. folies en vezels, gelden er hoge eisen aan de verdeling van de masterbatch in het eindproduct.

In het algemeen, laten kunststof verwerkende machines een relatief slechte menging zien in de axiale richting. Het plaatsen van mixunits in de cilinder kan enige verbetering opleveren. Wanneer men mixelementen toegepast worden in de schroef, dan kan zelfs met geringe toevoegpercentages een homogene inkleuring bereikt worden, waarbij afhankelijk van de kleur, de kosten van het inkleuren verlaagd kunnen worden.

Een andere manier om de homogeniteit te verbeteren/verhogen is om de stuwdruk te verhogen, totdat er een voldoende resultaat bereikt is. Ook alle andere procesparameters (oa. temperaturen) kunnen aangepast/geoptimaliseerd te worden, wat kan leiden tot verdere kostenreductie.

4.4 : Oppervlakte fouten

Oppervlakte fouten in het eindproduct worden vaak gerelateerd aan de masterbatch welke aan de kunststof is toegevoegd, vaak ook de reden is waarom deze niet zichtbaar zijn als er geen masterbatch wordt toegevoegd. Het is een feit dat incompabiliteit tussen de verwerkte kunststof en het gebruikte dragersysteem van de masterbatch kan leiden tot vreemde effecten zoals schilferen of het vormen van blaasjes op het oppervlak. Ook kunnen door het toepassen van de verkeerde additieven de zgn. silver streaks gevormd worden. Vaak zijn het echter andere oorzaken die een oppervlakte fout vormen. Wanneer men bv in een koude matrijs te snel inspuit dan kan er delaminatie in het product zich voordoen.

Naast problemen met masterbatch zoals slechte kleurverdeling of agglomeraten, welke door opeenhopingen in het eindproduct zich voordoen, zijn er ook problemen die zich direct relateren aan de additieven of pigmenten welke in de masterbatch verwerkt zijn. Kleurmiddelen welke een lage temperatuurbelasting mogen hebben, kunnen zich bij een te lange verblijftijd degraderen en gasbelletjes gaan vormen in het eindproduct, welke zich manifesteren als stervormige kleurenstrepen rondom de aanspuiting, strepen in het product, of afzettingen in de matrijs. De enige oplossing hiervoor is vaak andere of nieuwe keuze van de te gebruiken kleurmiddelen. Matte oppervlaktes kunnen worden veroorzaakt door migrerende componenten. Het is dus zaak dat de masterbatchproducent de pigmenten en additieven zorgvuldig uitzoekt, op basis van bepaalde wensen van de klant.

Om deze reden is het ook noodzakelijk om een nauwkeurige inschatting van het productieproces te maken. Veelal wordt zonder medeweten van de masterbatch producent het toevoegpercentage veranderd bv. bij een andere toepassing of ook dikwijls bij een andere kunststof. Deze praktijken kunnen een wezenlijke negatieve invloed hebben op bv de licht- en weer-echtheid en de kleurvastheid. Organische pigmenten zijn erg afhankelijk van de gebruikte concentratie. In sommige gevallen kunnen op deze manier kritische waarden met betrekking tot levensmiddelencontact overschreden worden. Dit gebeurt als het toevoegpercentage wordt verhoogd en zodoende de concentratie van de pigmenten ook de toegestane waarde overschrijdt. Aan de andere kant, kan ook de dosering verlaagd worden, wat weer het gevaar kan opleveren dat de concentratie te laag wordt, waardoor de kleurmiddelen kunnen oplossen in het polymeer, met de kans op migratie uit het product. Wanneer men twijfelt over de dosering is het raadzaam om contact op te nemen met uw leverancier.

Orientatie effecten zijn kleurmiddel specifiek en kunnen alleen verholpen worden door het gebruikte pigment te vervangen door een ander. In het geval van speciaal effect pigmenten leidt dit tot een achteruitgang van het gewenste effect, maar dit is helaas vaak onvermijdbaar. In sommige gevallen is het verplaatsen van het aanspuitpunt en het verkorten van de vloeiwegen een optie, dit kan men checken middels vloeisimulaties. Het beste is om deze overwegingen reeds te maken bij de constructie van het product en de matrijs. Zo kan men vaak in het oog springende lelijke vloeilijnen voorkomen.

4.5 : Compatibiliteit

Een groeiend aantal aan toepassingen vraagt een steeds groter potentieel aan eigenschappen van een bepaalde kunststof. Het is daarom ook belangrijk dat het dragersysteem geen negatieve invloeden heeft op de gevraagde eigenschappen van een bepaalde kunststof. Daarom is het indien mogelijk het gunstigste om voor het dragersysteem, een zo dicht mogelijk benaderende dragerstructuur te nemen in vergelijking met de gebruikte kunststof.

Voor PP toepassingen met hoge eisen, zoals filmscharniertoepassingen of bedrukte folies, is het raadzaam om geen vreemde polymeren in te zetten in de masterbatch. Om deze reden bieden veel masterbatch producenten ook PP specifieke masterbatches aan. De noodzaak dat het gebruikte dragersysteem overeenkomt met de gebruikte kunststof geldt voor steeds meer hoogwaardige toepassingen, vooral op het gebied van technische kunststoffen. In deze sector wordt de inkleuring met masterbatches mogelijk op basis van universele harssystemen of grondstofspecifieke dragers.

4.6 : Krimpgedrag

Het krimpgedrag van niet ingekleurde kunststoffen kan significant beïnvloed worden door het veranderen van de procesparameters. Dit wordt helaas te vaak vergeten wanneer het om ingekleurde artikelen handelt. Het is echter noodzakelijk om te weten dat bepaalde kleurmiddelen een sterke negatieve invloed kunnen uitoefenen op het krimpgedrag.

In deze gevallen zijn de masterbatchproducenten grote inspanningen aan het verrichten om verbeterde producten te kunnen aanbieden. De progressie hiervan varieert en is vaak afhankelijk van de gewenste kleur, maar verbetering is vaak mogelijk. Goede afspraken van eisen en wensen tussen verwerker en masterbatchproducent zijn hier van wezenlijk belang. In sommige gevallen kan alleen verbetering plaatsvinden, ten koste van de kleur of de gemaakte kosten. Aan de andere kant, dienen deze gecompenseerd te worden door een verdere probleemloze verwerking en een reductie van uitval.

De opsomming van alle mogelijk oorzaken welke kunnen leiden tot een probleem is slechts een klein deel van de complexibiliteit van de huidige kunststofverwerkende productiemethoden. Competente leveranciers kunnen herkend worden door hun kennis van deze relaties tussen masterbatches en mogelijke problemen, wanneer een keuze gemaakt dient te worden voor een toepasselijk dragersysteem en de te gebruiken pigmenten en additieven.

Ook dient een masterbatch producent de wil te hebben om flexibel te kunnen werken en innovaties door te voeren. Al deze factoren maken het mogelijk om een goedkoop en probleemloos productieproces te kunnen garanderen. De verkoopprijs of kiloprijs van de masterbatch is dus niet de enige factor wanneer het om een efficiënte productie aankomt.