مستربچ چیست و استفاده از آن چه مزایایی دارد؟ (قسمت اول: معرفی مستربچ)

    مستربچ چیست؟ مستربچ آمیزه‌ای غلیظ حاوی سه جزء پایه پلیمری، مواد شیمیایی افزودنی و عامل سازگارکننده فعال به‌عنوان پخش­‌کننده است. افزودنی­‌های 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 معمولاً بایستی مشابه پلاستیک اصلی تزریقی باشد و شکل ظاهری آن، دانه‌­ای (گرانول) است. استفاده و کاربرد مستربچ به‌صورت شماتیک در شکل 1 مشاهده می­‌شود:

شکل 1. استفاده و کاربرد شماتیک مستربچ

اجزای مستربچ

    مستربچ‌ها دارای سه جزء اصلی پلیمر پایه، افزودنی و عامل سازگارکننده هستند که هر یک در زیر توضیح داده شده‌اند:

• پلیمر پایه: پایه پلیمری مصرفی غالباً انواع پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، پلی‌استایرن، اتیلن وینیل استات، واكس‌هایی با وزن مولكولی پایین، پلیمر‌ آلكیدی یا پلیمر‌های مخصوص دیگر هستند.
• افزودنی: به‌منظور تغییر خواص پلیمرها، مواد شیمیایی افزودنی به مستربچ‌ها اضافه می‌شوند که عبارتند از افزودنی‌های بهبوددهنده خواص، پیگمنت‌ها و پرکننده‌ها. با توجه به نوع و قدرت افزودنی و پایه پلیمر، میزان خوراک­‌دهی افزودنی در مستربچ متفاوت است.
• عامل سازگارکننده: موثرترین روش پخش‌ افزودنی یا رنگ، تركیب آنها با یك پلیمر مذاب سازگار با ماده نهایی مصرفی است. افزایش سازگاری شیمیایی افزودنی‌ها با پلاستیک پایه در فرآیند تولید مستربچ، با پلی‌پروپیلن گرافت‌شده با مالئیک انیدرید (PP-g-MA)، پلی‌اتیلن گرافت‌شده با مالئیک انیدرید (PE-g-MA) و ABS گرافت‌شده با مالئیک انیدرید (ABS-g-MA) انجام می­‌گیرد که باعث بهبود خواص می‌گردند. در این راستا، به‌منظور دست یابی به حداکثر سازگاری، استفاده از تجهیزات مناسب نیز از اجزای جدایی ناپذیر تولید مستربچ‌ها است. گستره وسیعی از تجهیزات در این صنعت مورد استفاده قرار می‌­گیرند، اما عموماً تجهیزات باید شامل دستگاه‌هایی با توانایی ایجاد نیروی برشی مناسب، به‌همراه مخلوط­ کن و كنترل­‌گر دما باشد. معتبرترین نظریه در مكانیزم اختلاط، نظریه‌­ای است که بر نیروی برشی به‌عنوان بحرانی‌ترین مرحله تأكید دارد و بهترین زمان افزودن اجزای مخلوط زمانی است که پلیمر مصرفی بیشترین چسبندگی را دارد. اختلاط مواد بعد از این نقطه، تحت تأثیر افزایش دما و در نتیجه، كاهش چسبندگی قرار می‌گیرد.

انواع مستربچ

    انواع مستربچ‌ها عبارتند از مستربچ رنگی، افزودنی و پرکننده. در شکل 2 انواع مستربچ‌ها مشاهده می­‌شوند:

مستربچ افزودنی

مستربچ رنگی

مستربچ پرکننده

شکل 2. انواع مستربچ

    1) افزودنی: یکی از بهترین راهکارهای ایجاد خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه در محصول نهایی، استفاده از مستربچ افزودنی است. شرکت آریا پلیمر پیشگام، فعالیت گسترده‌ای در زمینه تولید سفارشی این مستربچ‌های مهندسی دارد.

1. نانو افزودنی­‌ها: مستربچ‌های نانو پایه PE ،PP و UPVC به‌منظور بهبود خواص مکانیکی و ضربه‌‍پذیری به‌کار می­‌رود.
2. مستربچ­‌های افزودنی: در شکل 3 انواع مستربچ‌های افزودنی مشاهده می‌شوند و عبارتند از:

• مستربچ شفاف‌کننده PP یا هسته‌زا: این مستربچ‌ها شفافیت پلی‌پروپیلن را از طریق سازمان‌دهی مولکولی در حین فرآیند افزایش می‌دهند.
• مستربچ لیزکننده PP و PE: پس از تولید فیلم‌های پلاستیکی، لایه‌های فیلم به‌سختی از هم جدا می‌شوند و در فرآیندهای بسته‌بندی مشکلات فراوانی ایجاد می‌کنند. 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 (خصوصاً فیلم و ورق) به قطعات فلزی می‌گردد. مستربچ‌ لیزکننده پلی‌اتیلن جهت مصرف در نایلون، نایلکس و فیلم­‌های چند لایه کاربرد دارد و لیزکننده پلی‌پروپیلن (مستربچ پ پ لیز) مخصوص سلفون است.
• مستربچ آنتی بلاک: این مستربچ در تولید فیلم‌های پلیمری کاربرد دارد. این مستربچ افزودنی جهت کاهش چسبندگی سطوح فیلم به هم‌دیگر پس از تولید تا زمان مصرف است.
• مستربچ روشن‌کننده نوری یا براق‌کننده PE: این مستربچ با نام‌های مواد سفیدکننده پلیمر، مستربچ شفاف‌کننده و عوامل سفید‌کننده فلوئورسنت است. این مستربچ برای براق کردن و رفع کدری محصولات به‌کار می‌رود و به‌دلیل عبور نور بیش‌تر در محصول، جلای بیشتری به مصنوعات پلاستیکی می‌دهد. این ماده مورد استفاده در فیلم‌های معمولی و نازک و ضخیم و ظروف یک‌بار مصرف و انواع مصنوعات پلاستیکی است.
• مستربچ ضد شرینک و اعوجاج: به‌منظور اصلاح فرآیند بلورینگی و کنترل سرد شدن قطعات پلاستیکی تزریقی با تأثیر در فرآیند کریستالیزاسیون پلیمر مذاب و در نتیجه حفظ پایداری ابعادی و شکل نهایی قطعه به‌کار می‌رود.
• مستربچ پایدارکننده نور UV: استفاده از این مستربچ‌ها باعث جلوگیری از اثرات تخریبی و رنگ‌پریدگی محصولات پلیمری در معرض تابش اشعه ماوراء بنفش می‌گردد.
• مستربچ آنتی اکسیدانت: پلیمرها به‌دلایل مختلف تحت تأثیر اکسیداسیون و تخریب قرار می‌گیرند. از این مستربچ‌ها جهت پایدار‌سازی پلیمر در برابر عوامل اکسایش در فرآیند تولید استفاده می‌شود.
• مستربچ کمک فرآیند پلیمر: به‌منظور افزایش قابلیت اکستروژن، مستربچ‌های کمک فرآیند پلیمری به‌طور گسترده در صنایع پلاستیک استفاده می‌شوند. مستربچ کمک فرآیند شکست مذاب را حذف می‌کند، تجمع سرقالب را کاهش می‌دهد، با حذف پدیده پوسته ماهی سطح فیلم را بهبود می‌بخشد و با کاهش درصد ژل، خروجی تولید را افزایش می‌دهد.
• مستربچ رطوبت‌گیر: به‌عنوان یک ماده خشک‌کننده و جاذب رطوبت در مواد پلاستیکی، پلیمری و نایلونی که دارای مواد بازیافتی یا فیلر در فرمولاسیون هستند، باعث بهبود کیفیت و بازده محصول، افزایش بهره‌وری و کاهش مصرف انرژی و براقیت محصول نهایی و هم‌چنین جلوگیری از مشکلات مربوط به رطوبت مانند تخلخل و ایجاد حباب می­‌شود.

شکل 3. انواع مستربچ‌های افزودنی

    دیگر مستربچ‌های افزودنی عبارتند از ضد حریق، ضد شبنم (Anti Fog)، ضد سایش، تمیزکننده، کنترل چسبندگی، حفره‌زا، ضد چسبندگی (Chill-roll Release)، خشک‌کننده، افزاینده MFI، به‌تأخیر‌ اندازنده شعله، کاغذی (Paper like)، صدفی رنگ (Pearlescent)، تجزیه­‌پذیر نوری، ضد میکروبی، بهبوددهنده مقاومت به ضربه و فسفورسانس.

    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 رنگ‌دانه و درصد کم پلیمر است و از طریق تغییر غلظت و مقدار این ماده می‌توان به نمونه‌های رنگی مختلف دست یافت. انواع مستربچ‌های رنگی، مستربچ سفید، مشکی و سایر رنگ‌­ها هستند. این مستربچ‌­ها معمولاً دارای دو نوع پایدارکننده و دو نوع روان‌کننده داخلی و خارجی، رنگینه و پایه پلیمری است. با کمک مستربچ، پلاستیک مورد نظر را می توان به رنگ‌­های مختلفی در آورد. نکته بسیار مهم در انتخاب مستربچ، سازگاری پلاستیک با رنگ و سایر افزودنی‌های همراه آن مستربچ است.

    اجزای اصلی مستربچ رنگی عبارتند از رنگ­‌دانه، سازگارکننده و پلیمر حامل:

• رنگ­ دانه‌ها: شامل پیگمنت­‌ها 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 بی‌اثر است و عموماً نمی‌توان از آن برای رنگ کردن پلی‌الفین استفاده کرد. در شکل 4 انواع رنگ‌دانه­‌ها نشان داده شده است:

رنگ‌دانه (پیگمنت)

دای

شکل 4. انواع رنگ‌دانه‌­ها

• سازگارکننده (پخش‌کننده): وجود سازگارکننده از طرفی باعث ایجاد ترشوندگی بر سطح رنگ­‌دانه و در نتیجه پخش بهتر پیگمنت می­‌شود و از طرف دیگر بدون آن­ که روی کیفیت رنگ محصول اثر بگذارد، پلیمر‌ را نیز پایدار می‌کند.
• پلیمر حامل: این پلیمر‌ باعث یک‌نواختی توزیع پیگمنت و سهولت شکل‌­دهی آن به‌صورت گرانول می‌­شود. وجود سازگاری پلیمر‌ و عامل پخش و هم‌چنین سیالیت بیشتر حامل نسبت به رنگ­‌دانه و پلیمر‌ ضروری است. پلیمر با توجه به شاخص مذابش، به‌صورتی انتخاب می­ شود که بتواند مستربچ را در خود حل کند. از آن‌جایی که مستربچ‌ها برای تعداد محدودی از پلاستیک‌های پر مصرف صنعتی ساخته می­‌شوند، لازم است در مورد توانایی رنگ‌­آمیزی پلاستیک­‌ها با رنگ‌دانه نیز اطلاعاتی ارائه گردد. بنابر ماهیت شیمیایی پلاستیک می­‌توان رنگ مناسب آن را انتخاب نمود. به‌عنوان مثال، رنگ‌آمیزی پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و پی‌وی‌سی را می‌توان به‌رنگ سفید (با استفاده از تیتان) یا زرد یا قهوه‌ای (با استفاده از اکسید­های کروم) در آورد، اما از رنگ­‌های ترکیبات آبی آهن نمی­‌توان در فرمولاسیون پلی­‌اتیلن و پلی‌­پروپیلن استفاده نمود.

    3) مستربچ پرکننده: برای کاهش قیمت و بهبود خواص مستربچ استفاده می­‌شود. از مستربچ کربنات کلسیم، مستربچ تالک، میکا و مستربچ‌های دیگر می‌توان به‌عنوان مستربچ پرکننده یاد کرد.

مزایای استفاده از مستربچ

    با به‌کار بردن مستربچ­‌ها می‌توان در وقت، انرژی و هزینه لازم برای مخلوط كردن این پودرها و نیروی كار صرفه‌جویی كرد و استفاده از این تركیبات اقتصادی است. همچنین به‌دلیل عدم پخش‌شوندگی مناسب برخی از افزودنی‌­ها، امکان اضافه کردن مستقیم آن به محصول وجود ندارد. به‌عنوان مثال در فرآیندهای تزریق، اضافه کردن افزودنی‌های پودری به‌دلیل کوتاه بودن طول مارپیچ دستگاه تزریق، مناسب نبوده و استفاده از مستربچ پلیمری توصیه می‌شود. دیگر مزایای استفاده از مستربچ عبارتند از:

1. سهولت ذخیره‌سازی، جابه‌جایی و کاربری به‌دلیل شکل گرانولی آن
2. ساده‌تر شدن خوراک‌دهی و حل مشکل تغییر غلظت افزودنی و یک‌نواختی رنگ یا خواص در حین تولید
3. عدم پخش پیگمنت‌ها در هوا و در نتیجه ایجاد خطر سلامتی و ایمنی کارکنان و آلوده‌سازی خطوط تولید مجاور
4. پخش و یک‌نواختی بهتر رنگ، افزودنی یا پرکننده در سراسر محصول نهایی
5. مصرف مقدار کمتر پیگمنت یا افزودنی
6. بهبود فرآیند ذوب به‌دلیل سازگاری عامل اتصال‌دهنده مستربچ با پلیمر
7. ثبات بیشتر خواص یا رنگ
8. کنترل‌پذیری بهتر کدری و شفافیت محصولات رنگی
9. کاهش دفعات خوراک‌دهی در فرآیند با استفاده از مستربچ حاوی افزودنی‌های تغلیظ شده پایدار UV، آنتی اکسیدانت، به‌تأخیر اندازنده شعله یا شفاف‌کننده نوری
10. افزایش تکرارپذیری فرآیند از طریق از پیش تعیین کردن نسبت اجزای افزودنی مستربچ
11. 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:

1. درصد و کیفیت افزودنی
2. ضخامت قطعه یا فیلم تولیدی
3. 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 مستربچ‌های کربنات کلسیم) متفاوت است. هم‌چنین برای رنگ كردن محصولات، معمولاً مقدار یک تا سه درصد مناسب است.

ویژگی های مستربچ خوب

    فاکتورهای مؤثر در انتخاب مستربچ با کیفیت مناسب عبارتند از:

1. مطابقت پایه پلیمری مستربچ با مواد و کالای تولیدی
2. ثبات رنگ یا خواص در دفعات مصرف
3. 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
4. غلظت یک‌نواخت و درصد مناسب افزودنی یا پیگمنت
5. ميزان مصرف كم
6. منحصربفرد بودن رنگ و شيد
7. عدم ایجاد مشکلات در فرآیند تولید محصول نهایی

    در قسمت دوم این مقاله فرآیند تولید مستربچ را بررسی خواهیم کرد.

    جهت خرید و دریافت هرگونه مشاوره در زمینه انواع مستربچ‌های افزودنی، می‌توانید با کارشناسان ما تماس بگیرید.