マスターバッチはどのようにプラスチックに添加されますか?投与方法、割合、および装置

黒いフィルムのリールがワインダーから出てきて、最初の 40 分間は完璧に見えます。その後、一方の端に沿って灰色の縞が現れ、3 時間目までにシフトの監督者が作業の半分を打ち切ります。最終的にマスターバッチのサプライヤーに電話すると、その式は問題ないことがわかります。問題は、マスターバッチがどのようにラインに追加されたかでした。

簡単に言うと、マスターバッチは計量と分散の 2 つの別々のステップでプラスチックに添加されます。 容積測定または重量測定の計量ユニットは、マスターバッチ ペレットを押出機または射出成形機の供給口に、計算されたレットダウン比 (通常は重量でブレンド全体の 1% ～ 4%) で供給します。次に、スクリューがブレンドを溶かし、各ペレット内にあらかじめ分散されている顔料が溶融ポリマー中に均一に分散するまで剪断します。ほぼすべての縞、斑点、および色合いのずれに関する苦情は、マスターバッチ自体ではなく、これら 2 つのステップのいずれかに遡ります。

この記事では、マスターバッチ ペレットの中に実際に何が入っているのか、レットダウン比の計算方法、どの生産実態に適合する注入装置か、フィルム、射出成形、パイプのラインのどこに材料を入れる必要があるか、添加が失敗した場合の古典的な欠陥を診断する方法など、機械のプロセッサー側から全体像を説明します。公差と例は、日々の押出および成形の実践から得られたものであり、E-LUCK がまさにこれらのプロセスを実行する顧客向けにブラック マスターバッチを配合する方法を反映しています。

マスターバッチ ペレットがラインに届くまでに何が入るのか

マスターバッチ ペレットは濃縮送達システムであり、その組成を知ることで、マシンがまだ何をしなければならないかを正確に知ることができます。 ブラックマスターバッチは、カーボンブラック、キャリア樹脂、および添加剤を高せん断下で一緒に配合し、次に溶融物を押し出し、切断してペレットにすることによって製造されます。プロセッサーが生の顔料を扱うことはありません。ペレットは、すでに湿らせて分散させた状態で、正確に計量できる形で運びます。

典型的なブラックマスターバッチペレットは次のように分解されます。

• カーボン ブラック顔料: 通常、ペレットの 20 ～ 50%。漆黒のフィルムと高光沢グレードは範囲の最上位に位置します。パイプや厚い成形品用のフィラータイプのグレードは下位にあります。
• キャリア樹脂: 約 40 ～ 70%、ベース樹脂と同じポリマーファミリー (PE、PP、PS、ABS、PC、PA など) から選択されます。
• 分散剤: 約 5 ～ 10%、通常は配合中に顔料表面を湿らせ、凝集物の再形成を防ぐワックスです。
• 機能性添加剤: 酸化防止剤、UV 安定剤、加工助剤など、最終用途に応じて添加されます。

業界がこのように機能する実際的な理由は 3 つあります。未加工のカーボンブラック粉末は粉塵が多く、扱いにくく、ほとんどの製品が必要とする 1 ～ 2% のレベルで計量することはほとんど不可能です。内部濾過による高せん断下での分散は専用の配合装置の仕事であり、フィードスロートで再現できるものではありません。また、顔料を濃縮することで、プロセッサーは移動する流れに微量の粉末を供給する代わりに、少量の制御された割合のペレットを計量することができます。

このようにペレットを見ると、この機械の仕事、つまり希釈が明らかになります。キャリアとベース樹脂が一緒に溶け、スクリューがブレンドを剪断し、事前に分散された顔料が溶融物中に広がります。ハードな分散作業はすでに完了しており、マスターバッチ プラントで検証されています。そのロジックについては、次の記事で詳しく説明します。 なぜプラスチック製品の合否を黒のマスターバッチが決めることが多いのか .

レットダウン率: 全体の結果を決定する数値

レットダウン比は操作全体の主制御です。計算が間違っていると、投与装置やネジの設計がシェードを救うことはできません。 レットダウン比は、ブレンド全体にどれだけのマスターバッチが含まれるかを表し、製品に必要な最終的な顔料充填量とマスターバッチ内の顔料濃度という 2 つの数値から直接導き出されます。

計算は逆方向にも実行され、ほとんどのトラブルシューティングはこれから始まります。最終的なカーボン ブラックの配合量は、添加量に顔料含有量を乗じたものに等しくなります。45% マスターバッチの 4% は、製品中に 1.8% のカーボン ブラックを供給します。パイプの仕様で、UV 保護のために 2.0 ～ 2.5% のよく分散したカーボン ブラックが必要な場合、50% マスターバッチを 4 ～ 5% の添加量で実行する必要があり、そうでない場合は顔料含有量を増やす必要があります。アンダーシュートは耐用年数を犠牲にします。オーバーシュートはコストがかかり、溶融粘度が上昇し、製品が硬くなる可能性があります。

薄い部分ではあらゆる欠陥が露出する一方、厚い部分ではすぐに色が付くため、一般的な適用量ウィンドウは用途によって異なります。

ウィンドウの端ではなく中央から開始し、ダイの外観ではなく測定された色に基づいて調整します。リグラインドにはすでに顔料が含まれているため、通常、リグラインドが 30% 含まれるストリームでは、それに応じて新鮮な投与量を減らす必要があります。そうしないと、シフト全体でシェードが暗くなります。

投与装置: 容積測定、重量測定、または事前ブレンド

定量フィーダーは、安定した単一グレードの生産に適しています。重量測定システムは、色の一貫性が顧客が購入するものの一部になった瞬間に元が取れます。 装置は、計算された比率が実際の生産との接触にどれだけ正確に耐えられるかを決定します。

容積測定による投与

容積測定フィーダーは、目標パーセンテージに対応する速度に設定された回転オーガーまたはディスクの体積によって測定します。安価でコンパクトで操作が簡単なため、小規模な押出成形工場で主流となっています。その弱点は、体積が重量ではないことです。ペレットの嵩密度、ホッパーの充填レベル、およびペレットのサイズ分布はすべて、実際にユニットから排出されるものに影響を与えます。ホッパーが満杯の状態で調整されたフィーダーは、ホッパーが空になると顕著にドリフトする可能性があります。ホッパーレベルを一定に保ち、キャッチテストでフィーダー速度を確認し、マスターバッチグレードが変わるたびに再調整します。

重量による注入

重量単位は、餌の重さを量ります。減量フィーダーと計量ブレンダーは、適切に維持された設備で投与量をおよそ ±0.1 ～ 0.5% に保ち、目標質量に対して出力を継続的に補正します。かさ密度の変化やホッパーレベルの影響を受けにくいため、長いパイプライン、印刷用に販売されるフィルム、およびリール間の目に見える色合いの変化によってクレームが発生する製品の標準的な選択肢となっています。投資は高額になります。彼らが除去する漂流関連廃棄物は通常、さらに多くなります。

短期間の場合は事前ブレンド

数百キログラムまでのバッチサイズの場合、樹脂とマスターバッチを 3 ～ 5 分間タンブル混合することが正当な代替方法です。 2 つの注意事項が適用されます。まず分離です。マスターバッチペレットと樹脂ペレットのサイズが異なる場合、搬送中およびホッパー内でブレンドが分離するため、ミキサー出力をスロートに直接供給し、搬送距離を短くします。第二に、粒子サイズが類似している場合を除き、自由流動再生粉砕物と事前に混合しないでください。再生粉砕微粉は層状になり、投与量が一緒に運ばれます。

マスターバッチがプロセスラインに入る場所

圧倒的多数の設置では、マスターバッチが供給口から入り、バージン樹脂と混合され、スクリューが残りの作業を行います。 代替案は特定の理由から存在しており、その中から選択することは主に負荷レベルと混合強度の問題です。

供給口で、ペレットはベース樹脂とともにバレル内に自由落下します。固体搬送により最初の混合が行われ、スクリューの溶解ゾーンと計量ゾーンで混合が完了します。これはシンプルで信頼性がありますが、最終的な分散品質はスクリューの設計に大きく依存します。分散およびせん断混合セクションを備えたスクリューは、控えめなフィーダーを一貫した色の結果に変えますが、滑らかで摩耗したスクリューでは、良好なマスターバッチでも縞模様に見える可能性があります。

配合操作では、ポリマーがすでに溶融した後、マスターバッチをサイドフィーダーを通して下流に供給できます。これは、マスターバッチ生産者自身が高濃度グレードを製造する方法であり、フィードスロートが処理できる量をはるかに超える装填が可能になります。つまり、ポリマー溶融物は固体ペレットよりも容易に顔料を受け入れます。マスターバッチを購入する加工業者の場合、このルートは、完成品を着色するのではなく、販売用の黒色コンパウンドを製造するときに関連します。

バレル内で起こることはどこでも同じ順序に従います。ブレンドは移行ゾーンで溶融し、圧縮によりせん断力が上昇し、計量ゾーンで溶融物が均質化されます。せん断応力により、残っている顔料の凝集体が破壊されます。分散混合では、粒子が分散して再凝集できなくなります。スクリューとダイの間にあるスクリーンパックが最後の防御線として機能し、スクリューが破壊できなかったものを捕らえます。

もう 1 つの変数が重要です: 滞留時間です。押出逆混合により、フィーダーの短期変動が平滑化されるため、瞬間的な投与量のしゃっくりがダイに到達することはほとんどありません。射出成形はそれほど寛容ではありません。すべてのショットは短く個別のイベントであり、フィーダーの安定性とスクリュー回復の一貫性が成形品に直接現れます。

プロセスに応じて添加量がどのように変化するか: フィルム、射出成形、パイプ

2 段階のロジック (測定、次に分散) は一定のままですが、各マシン ファミリはその異なる部分に重点を置きます。実際の違いはここにあります。

フィルム押出

フィルムはゲージが薄いため、最も許容度の低い用途です。20 ～ 50 ミクロンでは、直径 1 ミリメートルの何分の 1 かの凝集物が目に見える斑点またはダイ ストリークとなり、リール全体に繰り返し発生します。したがって、フィルムグレードは、高顔料マスターバッチの 2.5 ～ 4% の添加量で実行され、ラインでは、スクリューが見逃したものをキャッチするために、ダイの前に細かいスクリーンパックが必要です。同じダイの位置で縞が繰り返し発生する場合は、顔料のせいにする前に、スクリーン パックとフィーダーのサージを疑ってください。

ここでもキャリア配合が重要です。フィルム グレードには追加の分散ワックスが含まれているため、顔料は圧力をかけずに狭いダイ ギャップをすり抜けます。フィルムが屋外で保存されなければならない場合、投与量と配合が連携して機能します。「」を参照してください。 インフレーションフィルムのブラックマスターバッチがフィルムの耐久性と耐候性をどのように改善するか 顔料の内容と UV パッケージが相互作用する方法について。

射出成形

成形品は 1.5 ～ 3% の添加量で稼働し、結合の制約は時間です。スクリューの回復には数秒かかるため、ブレンドは迅速に着色して均質化する必要があります。背圧を適度に上げて（溶融物を過熱することなく回復中にせん断を加えるのに十分な量）、光沢と色合いの許容差が厳しい混合フライトを備えたスクリューを優先します。色の変化には計画が必要です。2 ～ 3 バレルのパージ量、一時的な溶融温度を材料の安全範囲の上限に設定し、色合いが安定するまでショットごとにサンプルをチェックします。

表面品質は射出成形グレードの特徴です。家電製品のハウジングや技術部品には、フローマークのない深みのある均一な黒色が必要です。これは、微粒子のカーボン ブラックと、成形温度ですぐに濡れるキャリアから得られます。

パイプおよび異形押出

パイプは最も簡単なケースのように見えます – 厚い壁、遅いライン – しかし、それは最も厳しい機能的投与量を運びます。 PE 圧力パイプは、数十年にわたる屋外使用にわたってポリマーを保護するために、約 2.0 ～ 2.5% のよく分散したカーボン ブラックを必要とします。そのため、壁が厚い場合でもパイプ グレードは 2 ～ 4% の添加量で稼働します。キロメートル単位で測定される連続運転中、その投与量は一定に保たれなければなりません。0.5 パーセントポイント移動する容積フィーダーはリール間の微妙な影の段差として現れ、パイプ上ではその段差が他に何が変わったのかという疑問を引き起こします。

キャリアの互換性: 同じマスターバッチが各樹脂で異なる動作をする理由

キャリアは、あらゆる添加量の計算において重要な変数です。キャリアがベース樹脂と一致しない場合、顔料は間違った環境に分散します。 作業ルールは単純です。マスターバッチキャリアをベース樹脂と同じポリマーファミリーに保つことです。ポリオレフィン用の PE キャリア グレード、ポリプロピレン用の PP グレード、スチレン系樹脂用の PS または ABS グレード。

エンジニアリング樹脂はリスクを高めます。 PC、PA、PBT、およびそれらのブレンドは、商品キャリアを破壊する温度と湿度レベルで処理されるため、専用のキャリア上に構築されたグレードが必要です。まさにこれが、特殊マスターバッチ市場が存在する理由です。E-LUCK では、特殊製品の範囲が AS、PC、PA、PS、PPA、PPS、PET、PBT、TPU、PCTG、POE キャリアに及びます。これは、これらの樹脂に強制的に配合された汎用グレードが、後でゲル、曇り、多層構造の層間剥離、または衝撃強度の静かな低下として現れるためです。

後半戦はメルトフロー。実際のルールとして、キャリアは加工温度で少なくともベース樹脂と同じくらい容易に流動する必要があります。キャリアは最初に溶けて顔料を濡らし、メイン樹脂が完全に軟化する前に広がります。ベース樹脂よりも硬いキャリアは、未溶融の粒子を分散すべきゾーンに押し込みます。

キャリアフリーのマスターバッチは、基材と衝突する樹脂を一切使用せず、顔料と分散剤をほぼ全濃度で除去するという変数を完全に除去します。トレードオフは、投与量ウィンドウが低くなり、スクリュー混合に対する要求が大きくなることです。そのため、キャリアフリーグレードは、混合再生ストリームを実行している加工業者や、樹脂サプライヤーを頻繁に切り替えている加工業者にとって最も魅力的なものとなっています。

マスターバッチをプラスチックに誤って添加すると何が問題になるのか

ほとんどの色欠陥は製品上で公表されますが、その原因はフィーダー、スロート、またはキャリア マッチにあります。 以下の表は、フィルム、成形品、パイプに最もよく現れる欠陥と、その背後にある追加段階の原因をマッピングしています。

1 つの診断には独自のチャートが必要です。それは、スクリーン パック圧力です。ダイの前のフィルターは、押出機で最も安価なリアルタイム分散モニターです。マスターバッチがよく分散すると、シフト全体にわたって平坦でゆっくりと上昇する圧力曲線が生成されます。スクリーンを橋渡しする凝集物は、フィルムに目に見える欠陥が現れるずっと前に、急峻な加速上昇を引き起こします。

上昇曲線は消耗品の問題ではなく、プロセスのアラームとして扱います。画面を頻繁に切り替えると症状が隠れます。フィーダーの安定性、背圧、マスターバッチの分散評価をチェックすることで、この問題が除去されます。

投与後の分散を確認する方法

検証により、計算された比率と顧客が実際に見る製品との間のループが閉じられます。 4 つの小切手が地上をカバーしていますが、どの小切手も中規模の工場がすでに所有している以上の実験設備を必要としません。

• フィルター圧力値: ラインを細かいスクリーンパックに通し、圧力上昇を記録します。平坦な曲線は分散を裏付けます。急な旗は凝集します。
• 光学分散評価: 薄いプラークまたはフィルムサンプルをプレスし、基準スケールに対して拡大して検査します。マスターバッチ製造者がバッチリリースに使用するのと同じ方法です。
• 比色測定: 固定用量で成形プラーク上の維持された標準に対するデルタ E を測定します。サンプル間のドリフトにより、フィーダーまたはキャリアの問題が顔料の問題から切り離されます。
• メルトフローの比較: 天然樹脂に対する着色コンパウンドのメルトフローインデックスを実行します。大きなシフトは、キャリアの不一致または過剰投与を示します。

新しい材料の組み合わせの開始時にチェックを実行し、その後は一定の間隔 (フィルムとパイプのリールごと、成形の数時間ごと) で実行し、結果を実行記録に記録します。数か月後に日陰の主張が届いたとき、その記録は、5 分間の答えと 1 週間の憶測の違いになります。

新しいマスターバッチの実用的な開始前チェックリスト

新しいグレードの最初の 1 kg がホッパーに入る前に、次の順序で上記の問題のほとんどを防ぐことができます。

1. キャリアが樹脂ファミリーと一致し、そのメルト フローがベース樹脂と同等以上であることを確認します。
2. 技術データシートから顔料含有量を読み取り、レットダウン比を再計算します。前のグレードから引き継がないでください。
3. 湿気に対する感度をチェックします。加工前に PA、PBT、または PC キャリア上でプレ乾燥グレード。
4. キャッチテストでフィーダーを校正します。袋に入れて 10 分間実行し、実際の排出量を量ります。
5. 推奨される時間枠の端ではなく、中央から投与を開始してください。
6. ランで生成される最も薄いセクションに適切なスクリーン パックを取り付けます。
7. 両方向の切り替えのパージ量と温度を計画します。
8. 最初の 1 時間から始めて、一定の間隔でサンプルとスクリーン圧力を記録します。

チェックリストには 20 分かかります。通常、阻止される不合格には変化が生じます。

よくある質問

フィーダーを使用する代わりに、マスターバッチを樹脂と事前にブレンドできますか?

はい、短期間の生産や少量のバッチの場合は可能です。レジンとマスターバッチを 3 ～ 5 分間タンブルし、ブレンドを直接喉に送ります。リスクは分離です。異なるサイズのペレットは輸送中やホッパー内で分離するため、距離を短くし、細挽き粉との事前混合を避けてください。連続的なものや色が重要な場合は、喉にある投与ユニットの方が信頼性が高くなります。

新しい組み合わせではどのレットダウンレシオから始めるべきですか?

データシート (目標負荷量を顔料含有量で割った値) から計算し、サプライヤーが推奨するウィンドウの中央から開始します。溶融物の外観ではなく、プラークまたはサンプルの測定された色から調整します。再生粉が流れている場合は、再生粉がすでに保持している顔料に比例して、新しい投入量を減らします。

マスターバッチの添加量を上げると、溶融圧力と部品重量が変化するのはなぜですか?

マスターバッチは不活性ではありません。キャリアとカーボン ブラックの両方が溶融挙動を変化させます。顔料の添加量が増えると粘度が上昇し、ワックスが豊富なキャリアはスリップ剤として機能し、メルトインデックスが大きく異なるキャリアは可塑化曲線全体をシフトさせます。注入量が大きく変化するたびに、背圧と成形時の回復時間のバランスを再調整することが期待されます。

1 つのブラックマスターバッチで PP と PE の両方の生産をカバーできますか?

時々。 PE キャリアグレードはポリオレフィンファミリー全体で広く使用されており、商品用途で許容可能な結果を​​もたらしています。しかし、ベース樹脂が極性、加工温度、またはメルトフローにおいてキャリアから離れるほど、製品の光沢、機械的特性、および長期安定性の点でより多くの利益が得られます。エンジニアリング樹脂には常に専用のキャリアグレードを使用する必要があります。

ブラックマスターバッチの切り替えにはどのくらいのパージが必要ですか?

材料の安全範囲の上限にある溶融温度で、2 ～ 3 バレルのパージ量を計画し、前の色が消えるまでショットごとにサンプルをチェックします。高粘度のパージコンパウンドを使用すると、変化が短くなります。黒字になるのは早いです。黒からの脱却は計画が必要な方向です。

マスターバッチはどのようにして再生樹脂に添加されますか?

同じ 2 段階のルート (スロートでの投与とスクリューでの分散) を 2 回の調整で行います。通常、リサイクル品にはすでに顔料が含まれているため、新鮮な使用量はそれに応じて低下し、汚染レベルによりダイでの濾過を改善する必要があります。水分は 3 番目の変数です。洗浄されたリサイクル物は、分散欠陥のように見えるゲルを避けるために、喉の前で乾燥する必要があることがよくあります。

上記のすべてはテクニックではなく習慣に帰着します。マスターバッチの添加を測定されたプロセスとして扱います。比率を計算し、製品が要求する重量に基づいて供給し、キャリアを一致させ、視力の代わりに圧力と色の記録で確認します。マスターバッチ自体は、工場で 1 回だけ適切であればよいのです。追加はフロアで 1 時間ごとに正しく行われなければなりません。

E-LUCK は、インフレーションフィルムとバッグ、射出成形と器具、パイプとプロファイル、食品と接触する包装、自動車の内装と外装、特殊キャリアとキャリアフリーグレードなど、あらゆる用途にわたるブラックマスターバッチを、基材や仕様が標準範囲外である顧客向けにカスタム配合で製造しています。樹脂の種類とメルトインデックス、プロセス、最終的なカーボンブラックターゲット、部品またはフィルムの厚さをお送りいただければ、推奨用量、技術データシート、試運転用のサンプルをお送りします。足し算を正しく行うには、評定を正しく行うことから始まり、その会話が両方への一番の近道です。