Środki wspomagające przetwarzanie to substancje dodawane w celu poprawy przetwarzalności związków polimerowych w procesach wytłaczania i formowania wtryskowego. Ich zastosowanie pozwala obniżyć koszty produkcji oraz poprawić jakość polimeru. Dzięki tym środkom proces przetwarzania przebiega szybciej, a cykle formowania ulegają skróceniu. Do najczęściej stosowanych środków należą akryle, węglany wapnia, środki smarne oraz oleje silikonowe.
Polimerowe środki ułatwiające przetwórstwo (Polymer Processing Aids, PPA) to grupa materiałów stosowanych w celu poprawy przetwórstwa i obróbki wielkocząsteczkowych materiałów polimerowych. Ich główną funkcją jest zmniejszenie tarcia między topiącą się masą a metalowymi częściami urządzeń, co ułatwia przepływ stopionego materiału.
Jednak równoczesne stosowanie PPA z innymi dodatkami, wypełniaczami lub barwnikami może wpływać na ich efektywność. Środki te tworzą cienką warstwę na metalowych powierzchniach maszyn przetwórczych, zmniejszając przyczepność przetwarzanego polimeru do tych powierzchni. W rezultacie ograniczają naprężenia ścinające w obszarze matrycy, co pomaga zredukować lub całkowicie wyeliminować problem pękania stopu.
Warto zaznaczyć, że różne rodzaje środków wspomagających przetwarzanie wymagają różnego czasu na utworzenie takiej ochronnej powłoki, co może wpływać na przebieg procesu technologicznego.
| Typowe problemy przetwórcze - zaburzenia przepływu z głowicy wytłaczarskiej |
|---|
| Skóra rekina (sharkskin, SS): Ten defekt powierzchniowy, zwany również matowieniem, skórką pomarańczy, chropowatością powierzchni lub powierzchniowym pękaniem stopu (surface melt fracture), objawia się nieregularną, szorstką strukturą powierzchni wyrobu. |
| Cykliczne pękanie stopu (cyclic melt fracture, CMC): Charakteryzuje się naprzemiennymi cyklami sklejania i poślizgu masy polimerowej wypływającej z głowicy wytłaczarskiej, co prowadzi do niestabilnego przepływu i defektów powierzchni. |
| Stałe lub całkowite pękanie stopu (continuous lub gross melt fracture): Występuje przy wysokich mocach podawczych i może być spowodowane różnymi czynnikami, takimi jak budowa polimerów, zróżnicowana gęstość materiału, geometria głowicy czy temperatura procesu przetwórstwa. Defekt ten prowadzi do poważnych uszkodzeń powierzchni wyrobu. |
Polimerowe środki ułatwiające przetwórstwo (PPA) odgrywają kluczową rolę w eliminacji dwóch pierwszych zaburzeń przepływu, czyli skóry rekina (SS) i cyklicznego pękania stopu (CMC), natomiast mają ograniczony wpływ na stałe lub całkowite pękanie stopu. PPA ułatwiają przepływ stopionej masy przez głowicę i wspomagają jej ześlizgiwanie się ze ścianek, co zapobiega gromadzeniu energii lepkosprężystej wewnątrz głowicy, a w efekcie zatykania dyszy wylotowej. Redukują również przylepianie się stopionego polimeru do ścianek głowicy oraz ograniczają jej zarastanie.
Środki PPA dodaje się zwykle w ilościach od 0,01% do 0,1%, a często wystarczy nawet kilkaset ppm. Ponieważ nie mieszają się z gorącym polimerem, tworzą na jego powierzchni zdyspergowaną fazę o średnicy cząstek około 1 mikrometra. Cząstki te kontaktują się ze ściankami głowicy, tworząc na nich powłokę, która umożliwia swobodny przepływ stopu.
Przepływający polimer stopniowo ściera powstałą warstwę PPA, co dodatkowo przyspieszają mineralne dodatki oraz środki antyblokingowe. Proces ten prowadzi do powstania równowagi między tworzeniem się nowej warstwy a jej ścieraniem. Na tę równowagę wpływają takie czynniki, jak stężenie PPA oraz jakość dyspersji (wielkość cząstek fazy zdyspergowanej).
Ważne jest również dostosowanie lepkości stosowanych PPA do właściwości przetwarzanego tworzywa polimerowego. Większość komercyjnych środków PPA jest kompatybilna z PE-LLD i PE-LD o wskaźniku szybkości płynięcia (MFR) wynoszącym około 2 g/10 min, co czyni je uniwersalnym rozwiązaniem w przetwórstwie tych materiałów.
Zastosowania środków PPA
Polimerowe środki ułatwiające przetwórstwo są najczęściej stosowane w celu:
- przeciwdziałania pękaniu stopu, szczególnie w przetwórstwie PE-HD, PE-LLD i mPE-LLD oraz ich mieszanin (a także innych poliolefin). Na rynku dostępne są również PPA dedykowane do przetwarzania innych tworzyw
- poprawy wyglądu powierzchni i właściwości optycznych, w tym eliminacji efektu "skóry rekina" oraz zapobiegania powstawaniu żeli
- polepszenia jakości wyrobów, dzięki zmniejszeniu rozrzutów grubości, poprawie połysku, uzyskaniu porównywalnych właściwości wytrzymałościowych w obu kierunkach oraz ograniczeniu degradacji materiału poprzez obniżenie temperatur przetwórstwa
- zwiększenia wydajności procesów przetwórczych, co przekłada się na lepszą efektywność produkcji
- przeciwdziałania zarastaniu głowicy, co jest szczególnie istotne przy przetwarzaniu poliolefin zawierających biel tytanową i inne pigmenty.
Rola dodatków wspomagających przetwarzanie polimerów w produkcji tworzyw sztucznych
Wewnętrzne i zewnętrzne środki wspomagające przetwarzanie polimerów (PPA) to powszechne dodatki, które często pełnią funkcję środków smarnych. Ich podstawowym celem jest zmniejszenie tarcia między topionym lub stopionym polimerem a metalowymi elementami urządzeń produkcyjnych, co poprawia charakterystykę przepływu, taką jak lepkość, i zapewnia płynny przebieg procesu.
Wewnętrzne PPA działają wewnątrz mieszanki polimerów, redukując tarcie między jej składnikami, co poprawia przepływ masy polimerowej. Z kolei zewnętrzne PPA migrują na powierzchnię polimeru, zmniejszając tarcie między tworzywem a metalowymi częściami maszyn. Dzięki temu stopiony polimer łatwiej prześlizguje się przez matrycę lub formę, zapobiegając przywieraniu. Wewnętrzne i zewnętrzne PPA można stosować razem, aby osiągnąć optymalne właściwości przetwarzania.
Środki wspomagające przetwarzanie znajdują zastosowanie w wielu procesach, takich jak rozdmuchiwanie i odlewanie folii, wytłaczanie rur i arkuszy, formowanie rozdmuchowe czy mieszanie. Są szczególnie skuteczne w produkcji polimerów o wysokiej lepkości i dużej masie cząsteczkowej, takich jak PE-LD, PE-LLD, PE-HD, PP, PS i inne. Wykorzystuje się je w szerokiej gamie produktów, od plastikowych butelek, przez folie, aż po rury budowlane.
Dodatkowym atutem PPA jest ich wysoka stabilność, co pozwala na stosowanie ich w procesach wymagających wysokich temperatur. Dzięki tym właściwościom środki wspomagające przetwarzanie są niezastąpione w optymalizacji procesów produkcyjnych oraz w poprawie jakości wyrobów końcowych.
