Технологии и тенденции в областта на полимерните компаунди

Компаундирането е производствен процес, обхващащ смесването в стопилка на полимери и определени добавки с цел промяна на термичните, физическите, естетическите и електрическите им характеристики. В резултат базовата смола преминава във формата на пластмаса, която е по-използваема, ефективна и хомогенна.
Според проучване на консултантската компания Global Market Insights през 2018 г. пазарът на полимерни компаунди е бил на стойност 35,4 млрд. щатски долара, като очакваният комбиниран годишен темп на растеж за периода до 2026 г. е 6,2%. Движеща сила за този ръст е разнообразната приложимост на полимерните компаунди в автомобилостроенето, производството на електрическа и електронна техника и в строителния сектор. През 2018 г. най-голям е делът на приходите от термопластични полимери – над 20 млрд. щатски долара.

Строителният сегмент държи повече от 25% от продажбите на полимерни компаунди през същата година, което според Global Market Insights се дължи на постепенното заместване на традиционните материали с усъвършенствани инженерни пластмаси и полимерни композити. Поради редицата предимства на пластмасите – по-висока якост на удар, по-добри естетически характеристики, лесно формоване, устойчивост на надраскване, възможност за рециклиране и ниско тегло, се очаква значителен ръст на пазара за полимерни компаунди за автомобилния сектор за прогнозния период до 2026 г.

Добавките

Заради пандемията от COVID-19 през последните месеци се наблюдава възобновен интерес към добавките, които спомагат за запазване на свойствата и хигиенните характеристики на пластмасовите продукти, използвани за всякакъв вид приложения. Въпреки че коронавирусът е вирус, а не бактерия, ситуацията предизвика множество дискусии дали и как използваните понастоящем биоциди и антимикробни агенти биха могли да допринесат за ограничаване на разпространението му. В допълнение в областта се провежда засилена научноизследователска и развойна дейност в посока подобряване на ефективността на антимикробните добавки в борбата с бактериите. Това се явява особено голямо предизвикателство, като се има предвид непрекъснато изменящата се нормативна база относно употребата им – в един случай дадена добавка може да спаси нечий живот, а в друг – да представлява здравен риск.

Антимикробните агенти се използват с цел предпазване на полимерните материали от развитието на мухъл, плесен, гъби, водорасли и други организми, способни да нарушат целостта на пластмасата. Те могат да бъдат добавени към разнообразие от пластмаси, осигурявайки защита от микробна атака за крайния продукт, спомагайки за запазване на качествата му и удължаване на експлоатационния му живот.

Когато са налице оптимални условия за растеж, гъбите, водораслите и бактериите могат да разградят или вътрешността, или повърхността на пластмасовия продукт. Този растеж може да доведе до появата на повърхностни петна, пукнатини, понижаване на структурната якост, ронливост, промяна в проводимостта или гъвкавостта, отделяне на лоши миризми или други изменения на физичните или механичните свойства.

Антимикробните добавки могат да възпрепятстват този растеж и да допринесат за запазване на механичните свойства на гъвкави продукти, използвани за изработка на покривни мембрани и геомембрани, подови настилки, уплътнения в бяла техника и много други приложения, особено при продукти, произведени от пластифициран поливинилхлорид. Инкорпорирането на антимикробни агенти може да е от полза и за пластмасите, използвани за тръби, профили за прозорци и облицовки.

Биоцидите, които се прилагат за подсилените с естествени влакна полиолефинови композити например, удължават полезния живот на панелите, изграждащи интериора на автомобилите. Биоциди се използват широко и в пластмасовите продукти, предназначени за употреба в медицината и здравеопазването.

Сред актуалните тенденции при полимерните компаунди е използването на маркери, осигуряващи защита от фалшифициране на продуктите. Все повече производители търсят начини да предпазят брандовете си, предимно с цел предотвратяване на загубата на приходи от продажбата на фалшификати, но също и от пагубно накърняване на имиджа на компанията. На пазара се предлагат маркери, които могат да бъдат добавени към полимерната смес преди от нея да бъде произведен детайл или опаковка. Възможно е маркерите да бъдат смесени и с продукти, например козметика, храни или лекарства, като откриването им може да се осъществи само със специален четец. Сред предимствата на маркерите са това, че се използват в ниски нива и обикновено не изискват изменения в производствения процес или продукта. Копирането на маркирани по този начин продукти е много по-трудно, а някои доставчици на такива добавки твърдят, че фалшифицирането е невъзможно. Маркерите често са под формата на разтвор, който се доставя в мастербач за добавяне към пластмаси или течности, мастила и покрития. Тези маркери могат да бъдат кодирани и да носят информация за продукта, производителя и дистрибутора. Четците могат да засичат повече от един маркер, но трябва да бъдат калибрирани за всеки един от тях.

Освен като мярка против фалшифициране на продукти маркиращите добавки могат да се използват и за сепариране на материали в потока от пластмаса за рециклиране. Докато при традиционните технологии материалите се сортират в зависимост от съществени различия между тях, например в плътността или химичния състав, с помощта на маркер могат да бъдат сепарирани дори идентични пластмаси, в случай че един вид пластмаса е маркиран, а друг – не.

Пигментите

Освен естетическите аспекти, основна тема на дискусия сред потребителите и производителите на пигменти са въпросите, свързани с устойчивостта. По отношение на пигментите за полимерни компаунди понятието устойчивост има много страни, включително отговорно добиване на суровини, прилагане на устойчиви производствени методи и използване на безопасни продукти. Все по-голямо внимание се обръща и на въздействието на пигментите върху околната среда. Класовете пигменти, които се диспергират добре, могат да спомогнат за редуциране на енергопотреблението по време на преработка. Топлоотразяващите пигменти могат да изиграят водеща роля при проектирането на устойчиви строителни материали. Пигментите с висока издръжливост могат да допринесат за удължаване на експлоатационния живот на пластмасовите детайли. Заради увеличаващия се фокус върху кръговата икономика, сред основните приоритети е разработването на пигменти, разширяващи възможността за рециклиране на пластмасите.

Олекотяването на пластмасовите детайли е друг аспект на устойчивостта в сектора. Осигуряването на баланс между желаната непрозрачност и целевия външен вид на някои олекотени опаковки например може да се окаже трудна задача. За решаването на този проблем на пазара се предлагат разсейващи светлината пигменти, осигуряващи постигането на ефект на матирано стъкло, без да е необходимо модифициране на формата.

Химичният състав на пигментите също е обект на все по-строги регулаторни изисквания, налагащи ограничения в използването на никел и хром например. Кобалтово сините пигменти са с висока издръжливост, но диапазонът им на поглъщане на светлината попада в инфрачервения спектър, което понижава ефективността им в приложения като т.нар. cool roofs – покриви, проектирани така, че да отразяват повече слънчева светлина и да поглъщат по-малко топлина от стандартните.

Алтернативно решение разработват учени от Щатския университет в Орегон – пигмент YInMn (итрий, индий и манганов оксид), който позволява производството на издръжливи сини строителни материали, които запазват по-ниска температура при излагането им на слънчева светлина. Химичният състав на пигментите е и сред основните фактори, определящи безопасността и комфорта на потребителите, особено когато става дума за опаковки, влизащи в контакт с хранителни продукти, или играчки. Ниските нива на миризми и летливи органични съединения пък са важни за пигментите, използвани за изработката на автомобилни табла.

Въглеродните сажди, които се използват широко за пигментиране на черни пластмаси, смущават работата на инфрачервените сензори на сортиращото оборудване в заводите за рециклиране. Решение на този проблем предоставят както новоразработени, така и съществуващи черни пигменти, които не поглъщат в инфрачервения спектър. Увеличава се и търсенето на стабилни пигменти, способни да издържат множество етапи на рециклиране.

Нараства и употребата на пигменти за постигане на специални ефекти на пластмасата, което кара производителите да разработват нови формули и да внасят подобрения в характеристиките на съществуващите. Нови възможности за приложение на пигментите за специални ефекти, свързани със стремежа за утвърждаване на силната идентичност на даден бранд и създаването на по-индивидуализирани продукти, се отварят в автомобилостроенето, строителния сектор и производството на потребителска електроника и опаковки. Освен да придават добър външен вид обаче, ефектните пигменти трябва да позволяват и високо ниво на интеграция в процеса на преработка, както и в самия полимерен компаунд. Все по-голяма популярност набират пигментите, придаващи отразяващи свойства, металическа, перлена или блестяща външност.

Оборудването

Доставчиците на дозиращо оборудване, подходящо за производството на полимерни компаунди, се стремят да предоставят съоръжения с по-висока точност и усъвършенстван софтуер за проследяване и управление на процеса. Преработвателите на пластмаса често са склонни да надвишат нужната доза добавки с до 30% поради опасения, че заради флуктуациите в измервателното оборудване дозата може да падне под минималното ниво и да се стигне до бракуване на продукцията.

Това бързо може да доведе до ненужни допълнителни годишни разходи. Този проблем може да се елиминира чрез използването на съвременни дозатори с прецизно измерване в реално време, спомагащи за поддържане на константно съотношение на полимер и добавки в сместа.

Водеща тенденция при смесителите за производство на полимерни компаунди е автоматизацията на манипулирането и смесването на множество съставки. Предвид трендовете за намаляване на партидния размер, чести смени на произвежданите продукти и множеството формули и компоненти, свързани с тях, тази автоматизация осигурява високо ниво на надеждност за потребителите. Днес смесителните системи разполагат със захранващи станции със стандартизирани контейнери за съхранение (IBC), подаващо устройство и мобилни смесителни съдове. Процесите на транспортиране на централно съхраняваните компоненти, както и на прецизно подаване и смесване на добавките, дори и в много малки количества, се управляват изцяло. IBC контейнерите, които се зареждат на горното ниво на захранващата станция се отварят автоматично, след което суровините се подават чрез шнекове в смесителния съд в съответствие с производствената рецепта. За да се избегне замърсяване при смяна на рецептите, шнековете могат лесно да се отстраняват и подменят. IBC контейнерите и смесителните съдове могат да се транспортират или на ръка, или автоматично чрез автономни транспортни системи (AGV) или ролкови конвейери. Такива иновативни автоматизирани системи позволяват постигане на максимална ефективност и управление на процеса на смесване. Предлагат се и решения с интегрирани устройства за разчитане на баркодовете на IBC контейнерите, което дава възможност за надеждно проследяване на процеса на пълнене, независимо от това как се подава материалът – от чували, биг бегове, варели или тръбопроводи, което осигурява поддържане на постоянно съответствие с определените спецификации.

Не е изненадващо, че развойната дейност при двушнековите екструдери – утвърдена технология с над 60-годишна история, е насочена по-скоро към еволюция, а не към революция. Нововъведенията при тези машини обаче са съществени благодарение на това, че доставчиците непрекъснато усъвършенстват предложенията си, осигурявайки все по-висока производителност и по-широка приложимост. Пример, демонстриращ тези тенденции, дава водещ германски производител, който през 2019 г. разширява гамата си от екструдери с 4 нови модела с производителност от над 2500 kg/h и диаметър на шнековете 98, 122, 142 и 166 mm. Компанията подчертава, че новите машини са проектирани за производители на пластмаса, работещи в непрекъснат режим и търсещи максимално ниво на надеждност. Друга тенденция сред производителите на двушнекови екструдери е стремежът към улесняване на експлоатацията и повишаване на енергийната ефективност на машините.

Нови технологии за управление предлагат по-лесни за употреба интерфейси, възможност за комуникация със системи за управление на производството (MES) и интегриране на интелигентни функции, например за мониторинг на процеса и прогнозна поддръжка въз основа на диагностични данни, съкратена продължителност на времето за настройка при смяна на компаунда и др. Наблюдава се и повишаване на нивото на модулност при съвременните двушнекови екструдери. Модулните системи позволяват опростени процедури по асемблиране и демонтаж, лесно почистване и поддръжка. Поради растящото потребителско търсене за биоразградими продукти, се разработват и решения за преработка на различни видове биоматериали, осигуряващи по-внимателно смесване чрез оптимизиран профил на шнековете и по-ниска скорост на въртене. Тези машини обикновено разполагат и със системи за извличане на влагата от материали като нишесте и за впръскване на течности, необходими за пластификацията.

Всяка линия за полимерни компаунди включва и гранулатор, като аналогично на екструдера, и тук няма универсално решение, подходящо за абсолютно всички приложения. Изборът на гранулатор се определя от преработвания полимер, използваните добавки за компаунда, скоростта на линията за преработка и изискванията за характеристиките на крайния продукт. Поради това производителите на гранулатори увеличават и усъвършенстват предлаганите от тях опции, за да гарантират, че потребностите на клиента са посрещнати. Сред новостите при гранулаторите е технология за регулиране на разстоянието между ротора и ножа. Фината настройка също е по-прецизна и лесна, тъй като може да се извърши и на ръка, без да са необходими никакви инструменти. Сред актуалните тенденции при гранулаторите е намаляването на размера им. За целта режещите инструменти във вътрешността се монтират по-близо един до друг, което допринася и за по-висока точност на рязане, особено когато се обработват меки материали. По този начин се получават по-малки мъртви зони във вътрешността на гранулатора, което, в комбинация с оптимизирани ръбове на конструкцията и намален размер на свободните повърхности, осигурява възможност за по-лесно и ефективно почистване. Предлаганите на пазара гранулатори се отличават и с по-ниски нива на шум и вибрации. Изходният улей се облицова с шумоизолиращ материал, а основата на машината се монтира върху виброизолиращи гумени подложки.

Дигитализацията

Компаундирането е сложен процес, при който иновациите често се реализират посредством подхода проба-грешка и благодарение на многогодишния опит и ноу-хау на производителите. През последните години обаче в помощ на преработвателите на пластмаса са и софтуерните продукти за компютърно моделиране и симулация на процеси. Днес възпроизвеждането на процеса на компаундиране чрез използването на тези инструменти и все по-богатите бази данни за материалите предлагат възможности за съкращаване на процеса на разработка и пускане на продуктите на пазара. Забелязва се, че все по-често тези програми се разработват за конкретни приложения и специфични видове оборудване, което води до повишаване на точността на резултатите. Преходът към облачно базирана среда на изчисления пък улеснява значително достъпа до тези инструменти.

Съвременният софтуер за моделиране предоставя на производителите на полимерни компаунди набор от мощни инструменти, които могат да спомогнат не само за прогнозиране на характеристиките на материалите при различни работни условия или шнекови конструкции, но и за оптимизиране на процеса на компаундиране и отстраняване на проблеми като структурни вибрации. За да се идентифицират най-добрите настройки, преди да се извършат експерименти на екструдер, могат да се проведат множество бързи симулации, което предоставя потенциал за спестяване на време и разходи при преминаването от етап на разработка към масово производство или при определяне на условията на екструзия за нов компаунд. Симулацията може да е от полза и при използването на двушнекови екструдери за реакционна смес. Екструдирането на реакционна смес зависи както от температурата, така и от времето на престой в екструдера, необходимо за протичане на реакцията.