Статьи

Как правильно окрасить полимер

Мы живем в мире победившей пластмассы. Удивительны глубина ее проникновения в нашу жизнь и широта охвата: одежда и обувь, самолеты и телефоны, автомобили и канцелярские товары, тара и упаковка – везде нашлось место полимерным материалам, а какие еще новые, неожиданные сферы применения ждут их в будущем! Пластик – это «дешево, надежно и практично», но, к сожалению, не всегда «эстетично». Во многих случаях неокрашенные изделия из полимеров имеют довольно неприглядный, бледный вид. Поэтому для повышения потребительской привлекательности требуется придать им красивый, заметный, а в ряде случаев – и фирменный цвет.

Следует сразу оговориться, что задача правильного окрашивания пластмасс – общая как для потребителей красящих концентратов (а это подавляющее большинство переработчиков полимерных материалов), так и для их разработчиков. Успех в этом деле требует совместной работы, и здесь очень поможет понимание процессов разработки красящих концентратов и получения с их помощью требуемого цвета изделия, чему, собственно, и посвящена данная статья, подготовленная на основе почти 30-летнего опыта компании НПФ «БАРС-2».

С чего начать

Когда необходимо окрасить полимерное изделие, нужно прежде всего выбрать способ окрашивания. Можно, конечно, попытаться окрасить полимер уже на стадии его синтеза и первичной грануляции, но для крупнотоннажных производств этот путь можно выбрать только для массовых цветов, т.е. белого и черного. И, кроме того, данный способ будет невыгоден производителям полимеров и неудобен для потребителей. Можно также попытаться окрасить изделия непосредственно при их изготовлении прямым вводом порошкообразных пигментов, но те, кто попробовал такой путь, быстро убедились в его неудобстве и низком качестве окрашивания. Самым популярным, удобным и доступным будет использование концентратов красителей – так называемых мастербатчей или, иначе, маточных смесей. Такой концентрат уже содержит пигментную композицию нужного цвета в высокой концентрации; причем эти пигменты уже продиспергированы и распределены в полимерном носителе, оптимальном для того вида пластика, который будет окрашен.

Красящие концентраты просты в использовании, но за этой простотой стоит большой объем работы производителя: знания и опыт команды разработчиков, труд и мастерство производственного персонала, требовательность и педантичность отдела контроля качества. Концентраты – это высокотехнологичный продукт, и к ним предъявляется ряд обязательных требований.

Каким должен быть концентрат

Концентраты должны обеспечивать яркий насыщенный цвет окрашиваемого полимера. При этом пигменты и красители, входящие в рецептуру концентрата, должны быть достаточно термостойкими, чтобы выдержать переработку без изменения своих свойств, и достаточно светостойкими, чтобы не утратить яркость цвета под прямыми солнечными лучами.

Ряд полимеров перерабатывается при температурах от 250 °С и выше; при этом многие полимерные изделия будут использоваться в южных, солнечных широтах. Все это нужно учитывать как при создании концентратов красителей, так и при их выборе. Важно, чтобы красящий концентрат не оказывал влияния на физико-механические свойства полимера, а следовательно – на эксплуатационные свойства изделия, которые необходимо сохранить на заданном уровне. Также не должны «страдать» технологи предприятия – технологичность окрашенных пластмасс должна оставаться неизменной при общепринятых режимах переработки на стандартном оборудовании. В ряде случаев допустимо и даже необходимо применение комбинированных концентратов, объединяющих в себе пигменты либо красители и различные функциональные добавки: антистатики, скользящие, антиблоки, негорючие модификаторы и т.д.

Имеется целый ряд требований, которым обязаны соответствовать концентраты красителей.

1. Концентрат должен обеспечивать соответствие окрашенного изделия эталону, в качестве которого может выступать как образец цвета, под который была выполнена разработка концентрата, так и концентрат той же марки в предыдущей партии. Идея одна – цвет должен быть постоянным и неизмененным.

2. Качество окрашивания полимера концентратом не должно вызывать нареканий, в том числе в отношении равномерного цвета и отсутствия разводов, включений и дефектов поверхности.

3. Полимерный носитель концентрата должен быть совместим с окрашиваемым полимером и по своей текучести в расплавленном виде обеспечивать требуемое качество окрашивания готового изделия.

4. Пигменты, входящие в состав концентрата, должны быть максимально равномерно и без крупных агломератов продиспергированы. Это особенно важно при окрашивании в массе полимерных волокон. Также они должны иметь необходимые термо- и светостойкость.

5. Воспроизводимость дозировки в каждой партии концентрата: потребитель должен быть уверен, что при соблюдении этого условия он всегда получит один и тот же необходимый ему оттенок. Несколько слов по поводу дозировки: использование технологии гранулированных красящих концентратов в общем случае довольно комфортно с точки зрения получения заданного цвета, и «прощает» технологу погрешность дозирующего оборудования или небольшую ошибку в настройке.

На примере, показанном на рисунке, можно видеть, как незначительно меняется параметр полного цветового различия ΔЕ при отклонении дозировки концентрата в 2 % относительно базовой дозировки для ярких насыщенных цветов. Однако для светлых оттеночных цветов точность дозировки должна соблюдаться более тщательно! Для различных направлений переработки полимеров существуют свои рекомендованные диапазоны дозировки концентрата красителя: это устоявшиеся величины, значение которых опирается на возможности дозирующего оборудования, используемого в отрасли, особенности выпускаемых изделий и их размерных соотношений, а также возможности и ограничения технологии выпуска концентратов красителей с точки зрения насыщенности пигментной композиции (табл. 1).

Как оценить цвет

Вернемся к вопросу соответствия цвета окрашенного изделия и эталона. Как грамотно сравнить два практически одинаковых по цвету образца? Каждый человек видит цвет, но видит по-своему. Известно, что женщины различают больше оттенков цвета, чем мужчины; профессиональные колористы увидят разницу тона там, где все прочие будут уверять, что цвета абсолютно одинаковы. Также необходимо формализовать цветовые характеристики: точно оценить цвет с формулировками «несколько зеленее» или «чуть-чуть краснее» совершенно невозможно.

При изготовлении концентратов красителей оценка цвета производится на всех стадиях производства, как визуально (качественно) – квалифицированными колористами, так и инструментально (количественно) – с использованием спектрофотометров. Наблюдение и визуальная оценка цвета должны проводиться в стандартных условиях освещения. Для этого используется световой шкаф с источником света – лампой D65 со световой температурой 6500 К, что обеспечивает имитацию освещения образца, как в полдень солнечного дня в северных широтах. Существуют альтернативные, дополняющие по своим характеристикам источники света, но D65 – основной.

Оценку цвета проводят строго в том полимере, с которым работает производство заказчика. Полимер может вносить заметный вклад в цвет изделия, поэтому этот фактор должен учитываться.

При разработке цветовой рецептуры можно воспользоваться инструментальным методом, когда стартовую рецептуру подбирает специализированная компьютерная программа по параметрам, полученным со спектрофотометра, опираясь при этом на имеющуюся базу пигментов и красителей. В большинстве случаев эта рецептура требует дальнейшей корректировки, которая выполняется колористом.

Критерием точности воспроизведения цвета является параметр полного цветового различия – ΔE. При инструментальной оценке этого параметра можно нормировать его допустимое отклонение: для белых и пастельных тонов – не более 1,0 отн. ед, для ярких насыщенных тонов – не более 2,0 отн. ед. В особо ответственных случаях, по специальному требованию заказчика, может быть согласовано допустимое отклонение в пределах от 0,5 до 1,5 отн. ед.

Итак, для того чтобы правильно оценить цвет окрашенного полимера визуально, необходимо, чтобы соблюдались следующие основные требования:

• достаточная освещенность наблюдаемого поля стандартным источником света;

• совпадение формы и размеров образца сравнения и эталона (затруднительно сравнивать тонкие оттенки окраски на образцах размерами с рублевую монету и кредитную карточку);

• соблюдение, что особенно важно, одинаковых условий изготовления сравниваемых образцов окрашенного полимера (та же марка полимера, та же используемая литьевая форма, одинаковая дозировка, идентичные температурные режимы переработки). При всем при этом желательно наличие так называемой «вилки эталонов», когда допускается колебание готового оттенка в диапазоне, ограниченном двумя цветовыми эталонами.

Определяющие свойства концентрата

При использовании концентрата красителя очень важную роль играет его полимерная основа (полимер-носитель). Она должна быть полностью совместима с окрашиваемым полимером, обладать необходимой термостойкостью, иметь оптимальные реологические свойства, обладать хорошей диспергирующей способностью и оказывать минимальное влияние на цвет и физико-механические характеристики изделия. Существует широкий спектр совместимых полимерных основ, наилучшим образом подходящих для различных видов окрашиваемых пластмасс.

Для получения качественно и равномерно окрашенного изделия необходимо, чтобы в расплавленном виде концентрат красителя имел вполне определенную текучесть, которую оценивают обычно с помощью показателя текучести расплава (ПТР). Для различных методов переработки (литье, экструзия, термоформование и др.) используются полимеры с различными ПТР; кроме того, сама технология предъявляет определенные требования к соотношению значений ПТР у концентрата и окрашиваемого полимера. В табл. 2 они приведены для некоторых типичных видов применения.

Важно отметить, что сравнивать ПТР концентрата и окрашиваемого полимера необходимо при одинаковых условиях измерения (температура и нагрузка). Кроме того, концентраты должны обладать дополнительным набором характеристик, часто специфических, ориентированных на определенное направление применения. Одним из таких важных направлений является окрашивание полиолефиновых пленок. Пленочные концентраты разрабатываются специально, с учетом особенностей технологии производства пленочных изделий и используемого в отрасли полимерного сырья.

Для обеспечения наилучшего результата концентраты для окрашивания полиолефиновых пленок также должны соответствовать определенным требованиям:

• высокая красящая способность и укрывистость;

• отсутствие агломератов пигментов и включений в окрашиваемой пленке;

• отсутствие влияния на физико-механические свойства пленочного изделия;

• обеспечение необходимых свойств и внешнего вида пленок – блеск, скольжение, возможность качественной флексопечати и т.д.;

• высокая прочность сварных швов и отсутствие специальных требований к стандартному сварочному оборудованию;

• нетоксичность и отсутствие у окрашенной пленки привнесенных органолептических свойств.

Как разрабатывается концентрат

При разработке концентрата красителя отправной точкой будет эталон требуемого цвета. В качестве такого эталона может выступать окрашенное полимерное изделие или его фрагмент, каталоги RAL или Pantone, образец какой-либо печатной продукции, вплоть до журнальной иллюстрации. Оптимальным вариантом является предоставление в качестве эталона небольшого количества того концентрата красителя, которым было окрашено эталонное изделие: это существенно ускоряет разработку, хотя случается сравнительно редко.

Для создания эксклюзивного цвета или концентрата со специальными условиями применения необходимы дополнительные данные, которые обычно включают в себя:

• допускаемые пределы отклонения цвета от эталона (возможные допуски или вилка эталонов);

• наименование, вид и толщина изделия, особенно толщина стенки или пленки;

• сведения о технологическом процессе переработки (литье под давлением, экструзия и т.д.);

• тип полимера изделия (желательно указать марку и изготовителя);

• максимальную температуру переработки;

• срок службы и условия использования изделия, прежде всего требования к светостойкости;

• требование пищевого допуска (допуска на контакт окрашенного изделия с продуктами питания и питьевой водой);

• желаемую итоговую стоимость концентрата (опционально).

В ряде случаев при разработке концентрата красителя можно столкнуться с факторами, затрудняющими работу колориста. Таковыми могут быть, например, явление метамеризма, при котором цвет окрашенного полимера будет меняться в зависимости от типа источника освещения, или высокие требования к качеству диспергирования пигментов для рецептур, предназначенных для окрашивания полимерных волокон в массе. Окрашивание полимерных композиций или вспененных материалов тоже несет в себе целый набор задач и требует ответа на ряд вопросов: как влияет состав компонентов композиции, их термостойкость, их собственный, в конце концов, цвет на итоговый оттенок окрашенного изделия; насколько сильно изменится насыщенность из-за неизбежного разбеливания цвета при вспенивании полимера. Также необходимо учитывать взаимное влияние соседствующих слоев при окрашивании многослойных соэкструзионных изделий и многое другое.

По завершении разработки рецептуры цвета колористами происходит согласование оттенка и цены получившегося концентрата. Затем производится наработка его небольшой навески (1–3 кг) на лабораторной установке с передачей заказчику для технологического опробования и окончательного утверждения полученной рецептуры.

Как правильно заказать концентрат

Выше были перечислены многочисленные требования к качеству «правильного» красящего концентрата. Чем более полно была предоставлена необходимая информация, тем более качественно будет выполнена разработка рецептуры под эксклюзивный заказ, тем меньше проблем будет при производстве изделия.

При этом важно, чтобы сформулированные требования отвечали реальным условиям производства и использования изделий. Недоучет каких-то условий может вызвать неприятные последствия: изделие получится не соответствующим назначению, не будет обеспечен срок его службы и др. В то же время выставление завышенных требований «про запас» наверняка приведет к неоправданному удорожанию концентрата, поскольку в рецептуру будут заложены более дорогие компоненты, чем требуется. К примеру, стоимость пигмента с максимальной светостойкостью может в 5–10 раз превышать цену пигмента, не столь устойчивого к выцветанию, но вполне приемлемого для окрашивания изделия разового применения, не попадающего под яркие солнечные лучи. Та же ситуация с термостойкостью пигментов – если полиэтиленовая пленка производится при температуре 190–220 °С, то достаточно использовать для ее окрашивания недорогой пигмент с термостойкостью 200 °С, но не 280 °С. Нужно помнить, что в этом случае стоимость пигментов может различаться на порядок.

В небольшой статье сложно охватить все детали такого сложного и интересного процесса, как создание и применение красящих концентратов для окрашивания полимеров в массе. Надеемся, что этот материал окажется полезным для заинтересованного читателя и приоткроет ему дверь в удивительный мир красоты и технологии.

Заполняя форму и отправляя данные, вы подтверждаете свое согласие с Политикой конфиденциальности.  This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.