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Miércoles, 27 septiembre 2017
Ciencia de los Materiales

Artículo técnico sobre concentrados de color (masterbatch) de altas prestaciones y compatibilidad mejorada

Concentrados de color (masterbatch) “universales” aportan solución a un problema importante de flexibilidad de uso en la industria del plástico.

1.1 Resumen

 

Este artículo técnico pretende dar a conocer un problema común en la industria del plástico como es la utilización de un solo masterbatch que pueda ser procesado en dos resinas diferentes sin producir problemas de incompatibilidad y el trabajo que ha realizado el autor del mismo buscando una vía que aporte solución a dicho problema.

 

Jorge Israel Garcia cuenta con mas de 25 años de experiencia en el sector de la fabricación de concentrados de color masterbatch para la industria del plástico, específicamente en el campo del desarrollo de nuevos procesos.

 

1.2 Introducción

 

Antes de nada es importante definir qué es un concentrado de color (masterbatch) y para ello lo mejor es describir su composición y su propósito ademas de entender por qué es tan ampliamente usado como método de coloración de plásticos.

 

El masterbatch esta compuesto por uno o mas pigmentos y un polímero base que actúa como soporte para mantener las partículas de dichos pigmentos libres de aglomerados.

 

La forma mas utilizada de masterbatch es un poco más pequeña que el tamaño de un grano de arroz, alrededor de 2 milímetros de diámetro, y que es a su vez parecido al tamaño de un pellet del polímero que se va a colorear.

 

Al someter esta mezcla de pigmento(s) y polímero base a temperatura, fricción y posterior enfriamiento dentro de un equipo de extrusión se forman los pellets de masterbatch.

 

Anteriormente a la utilización del masterbatch se utilizaban pigmentos en polvo directamente sobre el polímero que se iba a moldear. Esto creaba una serie de problemas que el masterbatch vino a solucionar. Algunos de estos problemas son la dificultad a la hora de manejar pigmentos ya que crean un ambiente muy sucio por su naturaleza, asimismo son difíciles de limpiar cuando se requiere un cambio de color en los equipos de fabricación.

 

Otra de sus desventajas es que el proceso de mezclado debe ser realizado previamente a su uso, creando un proceso adicional.

 

Desde el punto de vista de calidad, su principal desventaja es la dificultad para obtener una buena dispersión de las partículas de pigmento dentro del producto fabricado con la aparición de aglomerados de pigmento que a simple vista aparecen como puntos de colores en la superficie de la pieza moldeada.

 

El masterbatch es ampliamente aceptado porque da respuesta a todos estos problemas que tiene el uso directo de pigmentos en la fabricación de piezas de plástico. El masterbatch ofrece un ambiente de trabajo limpio ya que no es volátil y no ensucia las superficies con las que entra en contacto.

 

No requiere salvo excepciones el proceso de mezclado previo, ya que normalmente se utiliza directamente sobre el equipo que moldea las piezas (en el caso de moldeo por inyección) mediante un dosificador (siendo los mas utilizados los dosificadores volumétricos por su bajo coste y facilidad de uso).

 

Pero lo mas importante es el aumento en cuanto a la calidad obtenida debido a que los pigmentos dentro del masterbatch han sido dispersados durante el proceso de fabricación del masterbatch y de esa manera se evita la aparición de aglomerados en el acabado final.

 

Para entender el proceso de fabricación de un producto de plástico generalmente se usa un polímero base y para darle la propiedad de color se agrega un concentrado de color (masterbatch) en una proporción entre 1% y 2% del total de polímero.

 

Por lo general, si el polímero que se va a usar en la producción es polietileno el masterbatch que usará también tendrá una base de polietileno. Lo mismo ocurrirá si se requiere que el producto esté fabricado con poliestireno, el masterbatch tendrá también una base de poliestireno.

 

El motivo de seguir este método es simplemente obtener la mayor compatibilidad entre el polímero usado y el masterbatch empleado para aportar color al producto.

 

1.3 Problemática

 

En un escenario perfecto sabemos que el polímero empleado en un masterbatch debe ser el mismo que se va a usar para la fabricación del producto final.

 

Ahora bien, a menudo nos encontramos en situaciones, ya sea por motivos de logística u otros, en los que se requiere que un mismo masterbatch deba ser empleado en la fabricación de productos con diferentes polímeros. Es en estas situaciones cuando los métodos usados comúnmente fallan por completo en dar una solución aceptable.

 

Por poner un ejemplo de situaciones reales que ocurren a menudo, supongamos que se requiere fabricar un conjunto de piezas en polietileno y se emplea un masterbatch con base de polietileno para tal efecto.

 

Al poco tiempo, debido a cambios en el diseño se requiere que una pequeña parte del conjunto de piezas en lugar de ser fabricadas en polietileno se hagan en poliestireno. A partir de este momento no se pueden fabricar con el masterbatch de polietileno con lo que se crea un problema en el proceso de producción.

 

Es posible que por logística, flexibilidad o costes de producción no sea posible fabricar un nuevo masterbatch para poliestireno ya sea por disponibilidad de tiempo o por que el numero de piezas sea muy pequeño y haga inviable fabricar un masterbatch solo para esa fabricación.

 

Para empeorar la situación, supongamos que este conjunto de piezas que no podemos fabricar forman parte de un producto aún mayor que no puede ser distribuido al mercado creando un perjuicio todavía mayor.

 

Es en estos casos cuando disponer de un masterbatch que pueda ser utilizado en diferentes polímeros ofrece al fabricante una flexibilidad que se traduce en ventajas para sus clientes.

 

1.4 Innovaciones

 

Mediante el uso de diferentes polímeros y compuestos se ha logrado el objetivo de que un mismo masterbatch pueda ser empleado en diferentes polímeros sin que por ello exista ningún problema de incompatibilidad o merma en las cualidades físicas del producto fabricado.

 

1.5 Resultados

 

Utilizando una combinación de Etilvinil Acetato, Etilen bis-estereamida, Carbonato de Calcio y cera micro-cristalina se están fabricando con gran éxito masterbatches que permiten su uso en polietileno de alta y baja densidad, Polipropileno, Poliestireno y ABS ofreciendo una flexibilidad sin precedentes a los fabricantes de piezas de plástico mediante molde por inyección o extrusión.

 

Debido a las muy diferentes propiedades físicas de los compuestos empleados en la fabricación de masterbatch “universales”, se requiere aplicar una mezcla intensiva en el interior del equipo de extrusión por lo que los mejores resultados se han obtenido con extrusores de tipo co-rotante, de velocidad de rotación media/alta, con un ratio de longitud recomendado de al menos L/D 40:1 y provistos de sistema de desgasificación.

 

1.6 Conclusiones

 

Se necesita seguir investigando en este terreno, específicamente, en aplicaciones en las que se requiera que el producto final sea traslúcido; a mayor requerimiento de transparencia mayor será la dificultad.

 

Sabemos que en estos momentos el factor limitador a la hora de conseguir masterbatch “universales” para obtener colores traslúcidos se encuentra en el uso de carbonato de calcio debido a su alta opacidad.

 

1.7 Referencias

 

PE Polietileno

- https://es.wikipedia.org/wiki/Polietileno

LDPE Polietileno de baja densidad

- https://es.wikipedia.org/wiki/Polietileno_de_baja_densidad

HDPE Polietileno de alta densidad

- https://es.wikipedia.org/wiki/Polietileno_de_alta_densidad

PP Polipropileno

- https://es.wikipedia.org/wiki/Polipropileno

PS Poliestireno

- https://es.wikipedia.org/wiki/Poliestireno

ABS Acrilonitrilo butadieno estireno

- https://es.wikipedia.org/wiki/Acrilonitrilo_butadieno_estireno

Carbonato de calcio

- https://es.wikipedia.org/wiki/Carbonato_de_calcio

EBS Etilen Bis-Estereamida

- https://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_bis(stearamide)

EVA Etilvinilacetato

- https://es.wikipedia.org/wiki/Etilvinilacetato

Cera Microcristalina

- https://en.wikipedia.org/wiki/Microcrystalline_wax

 

 

 

Technical article on high-performance and improved compatibility color concentrates (masterbatch)



“Universal” color concentrates provide solution to a major problem of application flexibility in the plastic industry

 

1.1 Abstract



This technical article pretends to present a common problem in the plastic industry as it is the use of a single masterbatch that can be processed in two different resins without producing problems of incompatibility and the work that in this field has done the author leading to a solution to that problem.

 

Jorge Israel Garcia has more than 25 years of experience in the sector of the manufacture of masterbatch color concentrates for the plastic industry, specifically in the field of new process development.

 

1.2 Introduction

 

First of all it is important to define what is a masterbatch and for this it is best to describe its composition and purpose in addition to understanding why it is so widely used as a method of coloring plastics.

 

The masterbatch is composed of one or more pigments and a base polymer which acts as a carrier to keep the particles of said pigments free from agglomerates.

 

The most used form of masterbatch is a little smaller than the size of a grain of rice, about 2 millimeters in diameter and which is in turn similar to the size of a pellet of the polymer to be colored.

 

Subjecting this mixture of pigment(s) and base polymer to temperature, friction and subsequent cooling within an extrusion equipment forms the mastertbacth pellets.

 

Prior to the use of the masterbatch, powder pigments were used directly on the polymer to be molded. This created a series of problems that the masterbatch came to solve.

 

Some of these problems are the difficulty in handling pigments as they create a very dirty environment by its nature and are difficult to clean when a change of color in the manufacturing equipment is required.

 

Another disadvantage is that the mixing process must be carried out prior to use by creating an additional process.

 

From the point of view of quality, its main disadvantage is the difficulty to obtain a good dispersion of the pigment particles inside the product made, with the appearance of pigment agglomerates that at first sight appear as colored dots on the surface of the piece molded.

 

The masterbatch is widely accepted because it responds to all these problems that has the direct use of pigments in the manufacture of plastic parts. The masterbatch offers a clean working environment as it is non-volatile and does not dye the surfaces it comes into contact with.

 

It does not require pre-mixing process, since it is normally used directly on the equipment that molds the parts (in the case of injection molding) by means of a feeder (being the most used volumetric feeder machines for its low cost and ease of use).

 

But the most important is the increase in quality obtained because the pigments inside the masterbacth have been dispersed during the manufacturing process of the masterbatch and in that way prevents the appearance of agglomerates in the final product surface.

 

To understand the manufacturing process of a plastic product generally a base polymer is used and in order to obtain the desired color a masterbatch is added in a proportion between 1% and 2% of the total polymer.

 

Generally, if the polymer to be used in production is polyethylene the masterbatch it will use will also have a polyethylene base. The same will happen if the product is required to be made of polystyrene, the masterbatch will also have a polystyrene base.

 

The reason for following this method is simply to obtain the greater compatibility between the polymer used and the masterbatch used to contribute color to the product.

 

1.3 Challenge

 

In a perfect scenario, we know that the polymer used in a masterbatch must be the same one that will be used to manufacture the final product.

 

However, we are often in situations, either for logistical reasons or others, where it is required that the same masterbatch must be used for the manufacture of products with a different polymer. It is in these situations when commonly used methods fail completely to give an acceptable solution.

 

To give an example of real situations that occur often, suppose that it is necessary to manufacture a set of parts in Polyethylene and a masterbatch with polyethylene base is used for this purpose.

 

Soon after, due to design changes, a small part of the set of parts is required to be made of polystyrene instead of being made of polyethylene. From this moment on, they can not be manufactured with the polyethylene masterbatch, which creates a problem in the production process.

 

It is possible that, due to logistics, flexibility or production costs, it is not possible to manufacture a new masterbatch for polystyrene either because of availability of time or because the number of parts is very small and makes it impossible to manufacture a masterbatch only for that production order.

 

To make matters worse, suppose that this set of parts that we can not manufacture is part of an even greater product set that can not be distributed to the market creating even greater harm.

 

It is in these cases when having a masterbatch that can be used in different polymers offers the manufacturer a flexibility that translates into benefits for its customers.

 

1.4 Innovations



The use of different polymers and compounds in specific proportions has achieved the objective that the same masterbatch can be used in different polymers without there being any problem of incompatibility or reduction in the physical qualities of the product manufactured.

 

1.5 Results

 

Using a combination of Ethylene Vinyl Acetate, Ethylene Bis-stereamide, Calcium Carbonate and Micro-crystalline Wax is being manufactured with great success masterbatches that allows its use in high and low density polyethylene, polypropylene, polystyrene and even ABS offering unprecedented flexibility to manufacturers of plastic parts by injection molding or extrusion.

 

Due to the very different properties of the compounds used in the manufacture of "universal" masterbatch it is necessary to apply an intensive mixing action inside the extrusion equipment, so the best results have been obtained with extruders of co-rotating type, medium/high rotation speed, with a recommended length ratio of at least L / D 40: 1 and provided with a degassing system.

 

1.6 Conclusion

 

It is necessary to continue investigating in this field specifically in applications in which the final product is required to be translucent, the greater the transparency requirement the greater the difficulty.

 

We know that at the moment the limiting factor when manufacturing "universal" masterbatch to obtain translucent colors is the necessary use of calcium carbonate due to its high opacity.

 

1.7 References

 

PE Polyethylene

- https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene

LDPE Low Density Polyethylene

- https://en.wikipedia.org/wiki/Low-density_polyethylene

HDPE High Density Polyethylene

- https://en.wikipedia.org/wiki/High-density_polyethylene

PP Polipropylene

- https://en.wikipedia.org/wiki/Polypropylene

PS Polystyrene

- https://en.wikipedia.org/wiki/Polystyrene

ABS Acrylonitrile Butadiene Styrene

- https://en.wikipedia.org/wiki/Acrylonitrile_butadiene_styrene

Calcium Carbonate

- https://en.wikipedia.org/wiki/Calcium_carbonate

EBS Ethylene Bis-Stearamide

- https://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_bis(stearamide)

EVA Ethylene Vinyl Acetate

- https://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene-vinyl_acetate

Microcrystalline Wax

- https://en.wikipedia.org/wiki/Microcrystalline_wax


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