مستربچ؛ هر آنچه که باید درباره انواع مستربچ بدانید!

مستربچ ها، یکی از محصولاتی هستند که در صنعت از محبوبیت بسیار زیادی برخوردار هستند و به دلیل مزایای فراوانی که دارد، بسیار مورد استفاده تولیدکنندگان قرار می‌گیرد؛ سهولت ذخیره‌سازی، جابجایی و کاربری به دلیل شکل گرانولی مستربچ، از مزایای مهمی است که این محصول را به یک ماده کاربردی تبدیل کرده‌است.

در این مقاله، به ابعاد مختلف مستربچ پرداخته شده‌است و با معرفی مستربچ، اجزای مستربچ، انواع مستربچ و روش‌های تولید آن آغاز می‌شود و با مزایای مستربچ، درصد استفاده از مستربچ و ویژگی‌های مستربچ خوب به پایان می‌رسد. اگر می‌خواهید همه چیز را درباره این محصول کاربردی بدانید، در این مقاله با ما همراه باشید.

مستربچ چیست؟

مستربچ، محصولی است كه در آن پیگمنت و یا افزودنی‌های دیگر به صورت بهینه با یكدیگر در یك رزین پایه ادغام شده‌اند.

افزودنی های مستربچ مقدار زیادی پودر رنگ (پیگمنت)، پرکننده‌های معدنی یا مواد شیمیایی هستند که به سه منظور مختلف شامل، تولید رنگ، بهبود خواص و یا کاهش قیمت تمام‌شده به پلیمر اضافه می‌شوند. پایه پلیمری مستربچ معمولا باید مشابه پلاستیک اصلی باشد و شکل ظاهری آن، دانه ای (گرانول) است.

اجزای مستربچ

مستربچ ها دارای سه جزء اصلی پلیمر پایه، افزودنی و عامل سازگارکننده هستند.

پلیمر پایه

پایۀ پلیمری مصرفی، غالبا انواع پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌استایرن، اتیلن وینیل استات، واكس‌هایی با وزن مولكولی پایین، پلیمر‌ آلكیدی یا پلیمر‌های مخصوص دیگر هستند.

افزودنی

به منظور تغییر خواص پلیمرها، مواد شیمیایی افزودنی به مستربچ ها اضافه می شوند که عبارت‌اند از افزودنی‌های بهبود دهندۀ خواص، پیگمنت ها و پرکننده‌ها. با توجه به نوع و قدرت افزودنی و پایه پلیمر میزان خوراک‌دهی افزودنی در مستربچ متفاوت است.

عامل سازگارکننده

سازگارکننده ها با عنوان علمی ترکیبات آمفی فیلیک، دارای یک سر آب دوست و یک سر آلی دوست هستند و به دلیل ماهیت شیمیایی خاصشان، باعث:

• افزایش پایداری حرارتی
• سازگارسازی پلی اولفین ها و پلیمرهای مهندسی
• تشکیل لایۀ پایدار بر روی سطح افزودنی، پیگمنت یا پرکننده از طریق کنش متقابل با آن ها و ایجاد اتصال آن ها به ماتریس پلیمری می‌شوند.

وجود سازگارکننده از طرفی باعث ایجاد ترشوندگی بر سطح رنگ‌دانه و در نتیجه پخش بهتر پیگمنت می‌شود و از طرف دیگر بدون آن‌که روی کیفیت رنگ محصول اثر بگذارد، پلیمر‌ را نیز پایدار می‌کند.

مزایای سازگارکننده‌ها در فرآیند تولید مستربچ

با افزودن سازگارکننده‌ها به مستربچ، فرآیندپذیری آن‌ها از طریق بهبود ترشوندگی، یکنواختی و تثبیت، تسهیل می‌شود که هریک شامل موارد زیر می‌شوند:

• ترشوندگی سریع
• امکان افزایش سرعت فرآورش
• امکان افزایش بارگیری
• بهبود یکنواختی
• کلوخه‌ها و تجمع ذرات کمتر
• افزایش استحکام رنگ
• تثبیت عالی
• پیشگیری از کلوخه‌سازی مجدد
• رقیق‌سازی آسان و بهبود سازگاری مستربچ در کاربرد نهایی
• تطابق رنگ دقیق

انواع مستربچ

انواع مستربچ ها عبارتند از:

1. مستربچ افزودنی
2. مستربچ رنگی
3. مستربچ پرکننده

1- مستربچ افزودنی

یکی از بهترین راهکارهای ایجاد خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه در محصول نهایی، استفاده از مستربچ افزودنی است.

انواع مستربچ افزودنی

1. مستربچ شفاف کننده PP یا هسته زا: این نوع مستربچ های افزودنی، شفافیت پلی پروپیلن را از طریق سازمان‌دهی مولکولی در حین فرآیند افزایش می‌دهند.
2. نانو افزودنی: مستربچ های نانو پایه PE ، PP و UPVC به منظور بهبود خواص مکانیکی و ضربه‌پذیری به کار می‌رود.
3. مستربچ لیزکننده: پس از تولید فیلم‌های پلاستیکی، لایه‌های فیلم به سختی از هم جدا می‌شوند و در فرآیندهای بسته‌بندی مشکلات فراوانی ایجاد می کنند. همچنین در تولید برخی تجهیزات و لوازم پزشکی مانند سرنگ، اصطکاک بین دو قطعه باعث کندی حرکت آن می‌شود.
   برای از بین بردن مشکلاتی از این قبیل از مستربچ لیزکننده استفاده می‌شود. این مستربچ باعث لغزندگی بهتر و کاهش چسبیدگی سطح محصول (خصوصا فیلم و ورق) به قطعات فلزی می‌شود. انواع مستربچ‌های لیزکننده عبارتند از: 1) پایه پلی اتیلن جهت مصرف در نایلون، نایلکس و فیلم‌های چندلایه و 2) پایه پلی پروپیلن مخصوص سلفون.
4. مستربچ آنتی بلاک: مستربچ آنتی بلاک، در تولید فیلم‌های پلیمری کاربرد دارد. این مستربچ افزودنی جهت کاهش چسبندگی سطوح فیلم به همدیگر پس از تولید تا زمان مصرف است.
5. مستربچ روشن کننده نوری یا براق کننده PE: این مستربچ با نام های مواد سفیدکننده پلیمر، مستربچ شفاف کننده و عوامل سفیدکننده فلوئورسنت نیز شناخته می‌شود.
   این مستربچ برای براق‌کردن و رفع کدری محصولات به کار می‌رود و به دلیل عبور نور بیشتر در محصول، جلای بیشتری به مصنوعات پلاستیکی می‌دهد. این ماده مورد استفاده در فیلم‌های معمولی و نازک و ضخیم و ظروف یک بار مصرف و انواع مصنوعات پلاستیکی است.
6. مستربچ آنتی استاتیک: استفاده از این مستربچ باعث جلوگیری از ایجاد الکتریسیته ساکن و جذب گرد و غبار در سطح محصول می‌شود.
7. مستربچ پایدارکنندۀ نور UV: استفاده از این مستربچ‌ها باعث جلوگیری از اثرات تخریبی و رنگ‌پریدگی محصولات پلیمری در معرض تابش اشعه ماوراء بنفش می‌شود.
8. مستربچ آنتی اکسیدانت: پلیمرها به دلایل مختلف تحت تاثیر اکسیداسیون و تخریب قرار می‌گیرند. از این مستربچ ها جهت پایدار‌سازی پلیمر در برابر عوامل اکسایش در فرآیند تولید استفاده می‌شود.
9. کمک فرآیند پلیمر: به منظور افزایش قابلیت اکستروژن، مستربچ های کمک فرآیند پلیمری به طور گسترده در صنایع پلاستیک استفاده می‌شوند.
   مستربچ کمک فرایند شکست مذاب را حذف می کند، تجمع سرقالب را کاهش می دهد، با حذف پدیده پوسته‌ماهی سطح فیلم را بهبود می‌بخشند و با کاهش درصد ژل، خروجی تولید را افزایش می‌دهند.
10. ضد سایش: مستربچ های سیلیکونی بر پایه پلی اتیلن که به منظور بهبود مقاومت سایشی به کار می‌رود. از دیگر مستربچ‌های افزودنی می‌توان به: ضد حریق، ضد مه‌گرفتگی، تمیزکننده، کنترل‌کننده چسبندگی، حفره‌زا، ضد چسبندگی (Chill-roll Release)، خشک‌کننده، کندکننده‌ حریق، کاغذی (Paperlike)، صدفی‌رنگ (Pearlescent)، تجزیه‌پذیر نوری، ضد میکروبی، مقاوم ‌به‌ ضربه و فسفرسانس اشاره کرد.

2. مستربچ رنگی

رایج‌ترین روش تولید قطعات رنگی از مواد پلاستیکی، افزودن مستربچ‌های رنگی است. این افزودنی‌ها گاهی علاوه بر ایجاد رنگ مطلوب محصول نهایی، باعث بهبود و اصلاح خواص فیزیکی، مکانیکی نیز می‌شود.

مستربچ رنگی، یک مخلوط پلاستیکی شامل درصد بالایی از رنگ دانه و درصد کم پلیمر است و از طریق تغییر غلظت و مقدار این ماده می توان به نمونه‌های رنگی مختلف دست یافت.

انواع مستربچ های رنگی، مستربچ سفید، مشکی و سایر رنگ ها هستند. این مستربچ ها معمولا دارای دو نوع پایدارکننده و دو نوع روان کنندۀ داخلی و خارجی، رنگینه و پایه پلیمری است.

با کمک مستربچ، پلاستیک مورد نظر را می توان به رنگ های مختلفی در آورد. نکتۀ بسیار مهم در انتخاب مستربچ، سازگاری پلاستیک با رنگ و سایر افزودنی های همراه آن مستربچ است.

اجزای اصلی مستربچ رنگی عبارتند از رنگ دانه، سازگارکننده و پلیمر حامل

رنگ‌دانه ها: شامل پیگمنت ها در دو گروه آلی (مانند فتالو سیانین سبز) و معدنی (مانند اکسید آهن قرمز و یا تیتانیوم) و دای که مانند یک جوهر یا رنگ بی اثر است و عموما نمی توان از آن برای رنگ کردن پلی اولفین استفاده کرد.

سازگارکننده (پخش کننده): وجود سازگارکننده از طرفی باعث ایجاد ترشوندگی بر سطح رنگ‌دانه و در نتیجه پخش بهتر پیگمنت می شود و از طرف دیگر بدون آن‍که روی کیفیت رنگ محصول اثر بگذارد، پلیمر‌ را نیز پایدار می‌کند.

پلیمر حامل: این پلیمر‌ باعث یکنواختی توزیع پیگمنت و سهولت شکل دهی آن به صورت گرانول می شود. وجود سازگاری پلیمر‌ و عامل پخش و همچنین سیالیت بیشتر حامل نسبت به رنگ‌دانه و پلیمر‌ ضروری است.

پلیمر با توجه به شاخص مذابش، به صورتی انتخاب می‌شود که بتواند مستربچ را در خود حل کند؛ از آن جایی که مستربچ ها برای تعداد محدودی از پلاستیک های پر مصرف صنعتی ساخته می‌شوند، لازم است در مورد توانایی رنگ آمیزی پلاستیک‌ها با رنگ‌دانه نیز اطلاعاتی ارائه شود.

بنابر ماهیت شیمیایی پلاستیک می‌توان رنگ مناسب آن را انتخاب کرد. به عنوان مثال، رنگ آمیزی پلی اتیلن، پلی پروپیلن و پی وی سی به رنگ سفید (با استفاده از تیتان) یا زرد یا قهوه ای (با استفاده از اکسیدهای کروم) در آورد اما از رنگ‌های ترکیبات آبی آهن نمی‌توان در فرمولاسیون پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن استفاده کرد.

3. مستربچ پرکننده

برای کاهش قیمت و بهبود خواص مستربچ استفاده می‌شود. از مستربچ کربنات کلسیم، مستربچ تالک، میکا و مستربچ های دیگر می توان به عنوان مستربچ پر کننده یاد کرد.

فرآیند تولید مستربچ

فرآیند تولید مستربچ شامل چهار مرحله فرمولاسیون، خوراک‌دهی، اختلاط و الک‌کردن است:

شکل 1: نمونه ای از فرآیند تولید مستربچ

1. فرمولاسیون

اولین و مهم‌ترین مرحله، فرمول‌بندی رنگ و میزان افزودنی است. در این مرحله توزین دقیق تمام اجزاء فرمولاسیون انجام می‌گیرد که در بعضی موارد لازم است كه این تركیبات با سرعت بالا تركیب شوند تا نتیجه بهتری ارائه دهند.

2. خوراک‌دهی

میزان تغذیه اجزاء متناسب با خروجی دستگاه تنظیم می‌شود.

3.اختلاط

اختلاط مذاب در دمای مخزن تنظیم می‌شود تا مخلوط ذوب شود. دمای نامناسب باعث اختلال در برش‌ گرانول و پخش‌ پودر می‌شود.

اختلاط شامل ۴ مرحله زیر است:

1- فرآیند خیس‌شوندگی پیگمنت، افزودنی و پرکننده
2- اختلاط فیزیکی: اختلاط و پخش پیگمنت و افزودنی در پلیمر پایه
3- توزیع: توزیع پیگمنت، افزودنی و پرکننده در مذاب پلیمری
4- پراکنده‌سازی پایدار کردن این مخلوط و جلوگیری از کلوخه‌شدن

مهم‌ترین مرحله تولید مستربچ، اختلاط است و متداول‌ترین روش پخش‌ مناسب افزودنی یا رنگ از طریق تركیب اجزاء به صورت مذاب حاصل می‌شود.

مرحله اختلاط با بهره‌گیری از دستگاه‌های زیر انجام می‌شود:

- مخلوط‌كن‌های داخلی همانند بنبوری: بهترین انتخاب برای تولید مقدار زیادی از این افزودنی‌ها
- مخلوط‌كن‌های داخلی مداوم
- اكسترودر دو مارپیچ
- ماشین‌های تك مارپیچ مانند Buss Ko-Kneader
- مخلوط‌كن‌های سرعت بالا به‌ همراه اكسترودر تك مارپیچ
مهمترین دستگاه مورد استفاده در فرآیند اختلاط و تولید مستربچ که به طور گسترده در صنعت ایران به کار می‌رود، اکسترودر است.

در این روش پلیمر و افزودنی‌ها درون دستگاه اکسترودر ذوب و با هم ترکیب شده و سپس از انتهای اکستروژن خارج می‌شوند.

در این روش خط تولید مستربچ به طور مختصر عبارت است از سیستم تخلیه، سیستم خوراک‌دهی، اکسترودر، سیستم خنک کننده، سسیستم برش، انبارش و بسته‌بندی.

اکسترودر دو پیچه همسو گرد: این فرایند شامل وزن کردن، وارد کردن خوراک، انتقال، ذوب کردن، پخش کردن و همگن کردن، خارج کردن گازهای مزاحم، فیلتر کردن و گرانول کردن است.

کلید بنیادی درک و بهینه سازی فرآیند اختلاط در تشخیص تمایز، مکانیسم های آن شامل پراکندگی و توزیع است.

مکانیسم پراکندگی شامل کاهش اندازۀ اجزاء چسبندۀ کوچک در یک سیستم چند فازی است. مکانیسم توزیع، فرآیند پخش ذرات کوچک در سراسر ماتریس به منظور دست یابی به پخش فضایی خوب است.

در هر دستگاه اختلاط، این دو مکانیسم به صورت هم زمان یا مرحله به مرحله انجام می گردد. پراکنش تحت تاثیر موازنۀ دو عامل نیروهای چسبندگی ایجاد کلوخه و نیروهای هیدرودینامیک تخریب است. همچنین، بزرگی تنش های اعمالی، نقش تعیین کننده ای در توزیع اندازۀ قطرات دارد.

پراکندگی و توزیع پیگمنت‌ها در مستربچ های پلی اتیلنی، اختلاط موثر به کمک ترکیبات سازگارکننده، سازگارکننده‌ها با عنوان علمی ترکیبات آمفی فیلیک، دارای یک سر آب دوست و یک سر آلی دوست هستند و به دلیل ماهیت شیمیایی خاصشان، باعث افزایش پایداری حرارتی، سازگارسازی پلی اولفین‌ها و پلیمرهای مهندسی، تشکیل لایۀ پایدار بر روی سطح افزودنی، پیگمنت یا پرکننده از طریق کنش متقابل با آن‌ها و ایجاد اتصال آن‌ها به ماتریس پلیمری می‌شوند.

4.الک‌کردن

مستربچ نهایی باید به اندازه‌ای محكم و با سایز مناسب باشد كه مصرف کننده نهایی بتواند در مرحله تولید خود با مشکل خوراک دهی روبرو نشود. بنابراین لازم است تا از الک هایی برای اطمینان از اندازه مناسب مستربچ دانه‌ای‌(گرانول) و نبودن مستربچ‌های خارج از اندازه یا بسیار ریز، استفاده شود.

مزایای استفاده از مستربچ

1- با به کار بردن مستربچ‌ها می‌توان در وقت، انرژی و هزینۀ لازم برای مخلوط‌كردن این پودرها و نیروی كار صرفه‌جویی كرد و استفاده از این تركیبات اقتصادی است.

2- به‌دلیل عدم پخش‌شوندگی مناسب برخی از افزودنی‌ها، امکان اضافه‌کردن مستقیم آن به محصول وجود ندارد که این مشکل با استفاده از مستربچ حل می‌شود.

به عنوان مثال در فرآیندهای تزریق، اضافه کردن افزودنی های پودری به دلیل کوتاه بودن طول مارپیچ دستگاه تزریق مناسب نبوده و استفاده از مستربچ پلیمری توصیه می‌شود.

3- سهولت ذخیره‌سازی، جابجایی و کاربری به دلیل شکل گرانولی آن
4- ساده‌ترشدن خوراک‌دهی و حل مشکل تغییر غلظت افزودنی و یکنواختی رنگ یا خواص در حین تولید
5- عدم پخش پیگمنت‌ها در هوا و در نتیجه ایجاد خطر سلامتی و ایمنی کارکنان و آلوده‌سازی خطوط تولید مجاور
6- پخش و یکنواختی بهتر رنگ، افزودنی یا پرکننده در سراسر محصول نهایی
7- مصرف مقدار کمتر پیگمنت یا افزودنی
8- بهبود فرآیند ذوب به دلیل سازگاری عامل اتصال دهندۀ مستربچ با پلیمر
9- ثبات بیشتر خواص یا رنگ
10- کنترل‌پذیری بهتر کدری و شفافیت محصولات رنگی
11- کاهش دفعات خوراک‌دهی در فرآیند با استفاده از مستربچ حاوی افزودنی های تغلیظ شدۀ پایدار UV، آنتی اکسیدانت، به تاخیر اندازندۀ شعله یا شفاف کنندۀ نوری
12- افزایش تکرارپذیری فرآیند از طریق از پیش تعیین‌کردن نسبت اجزای افزودنی مستربچ
13- حذف هزینه پاک‌سازی و تمیزکاری

درصد استفاده از مستربچ

با بالا رفتن درصد افزودنی مستربچ در کاربردی مشخص، میزان مصرف مستربچ پایین می‌آید. درصد مصرف مستربچ در محصول نهایی به عوامل زیر بستگی دارد:

- درصد و کیفیت افزودنی
- ضخامت قطعه یا فیلم تولیدی
- میزان پوشش‌دهی یا غلظت مورد نظر

مقدار مستربچ مورد استفاده در تولید محصول نهایی از زیر یک درصد (در برخی انواع ضد UV و پایدارکننده رنگ‌ها) تا بالای 50 درصد (گونه‌هایی از كندكننده‌های حریق یا مستربچ های کربنات کلسیم) متفاوت است. همچنین برای رنگ‌كردن محصولات، معمولا مقدار یک تا سه درصد مناسب است.

ویژگی‌های مستربچ خوب

فاکتورهای موثر در انتخاب مستربچ با کیفیت مناسب عبارتند از:
- مطابقت پایه پلیمری مستربچ با مواد و کالای تولیدی
- ثبات رنگ یا خواص در دفعات مصرف
- مشخصات فنى مطلوب که این مشخصات فنی عبارتند از مقاومت انتقال سطح، درصد رطوبت، دمای ذوب، پراکندگی در ماتریس پلیمری، شکل ظاهری و جلای مستربچ، مقاومت حرارتی سطح

- غلظت یکنواخت و درصد مناسب افزودنی یا پیگمنت
- ميزان مصرف كم
- منحصر به فرد‌بودن رنگ و شيد
- عدم ایجاد مشکلات در فرآیند تولید محصول نهایی

منبع: آریاپلیمر

ویکی پلاست | مرجع بازار صنعت پلاستیک