Основы выбора колорантов и технологии приготовления окрашивающих композиций

Деннис Миэйд
«Производство окрашенных пластмасс»

Поставщики колорантов для поддержания и роста своего бизнеса часто оказывают услуги по подбору цвета. Производителям полимерной продукции часто необходима информация о стоимости колорантов для оценки себестоимости производства привлекательной, функциональной и конкурентоспособной продукции. С какой бы целью не производился подбор цвета, всегда важно, чтобы эта процедура выполнялась как можно тщательнее и быстрее.

Целью данного материала является обеспечение составителей окрашивающих композиций базовой системой сбора информации и материалами, необходимыми для производства окрашивающих систем, отвечающих требованиям заказчика. В статье будут предложены методы, помогающие в подборе колорантов и обеспечивающие быстрый надежный подбора цвета. Отметим, что первичный подбор цвета происходит всегда быстрее, чем последующие.

Базовые определения:

Внешний вид полимерного изделия — показатель, складывающийся из визуального восприятия цвета и текстуры поверхности готового изделия. Матовая или текстурированная поверхность приглушают цвет, а гладкая поверхность, напротив, увеличивает интенсивность цвета.

Связующее вещество — полимер, парафин или жидкость, используемые для «связывания» или удержания колорантов и добавок в целях получения окрашивающей рецептуры.

Колорант — пигмент, краситель или иное химическое соединение, придающее полимеру окраску (в том числе, белую и черную), либо специальный эффект. К специальным эффектам относят металлический или перламутровый блеск, крапчатый эффект, имитацию камня или мрамора, фосфоресцирующее или флуоресцентное свечение, термохромный и фотохромный эффекты.

Окрашивающая система — смесь колорантов, добавок и (или) полимеров, которая при добавлении к полимеру вводит и распределяет колоранты и аддитивы в объеме полимера.

Концентрат для окрашивания — окрашивающая система, в которой связаны колоранты и добавки. Концентраты выпускаются в виде гранул, крупнозернистого порошка, таблеток, жидкостей и паст.

Метамерия — явление, возникающее, когда два окрашенных изделия выглядят одинаково при одном источнике освещения и по-разному при другом источнике освещения. Под источниками освещения обычно понимают дневной солнечный свет, свет ламп накаливания и белый холодный свет люминесцентных ламп.

Переработка полимеров — получение готового полимерного изделия методами экструзии, инжекционного, ротационного, выдувного или компрессионного литья.

1. Окрашиваемые полимеры

При разработке рецептуры для окрашивания первым делом возникает вопрос: какой полимер будет окрашен? Обычно окрашивают следующие полимеры: полистирол; полиэтилен; полипропилен; сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС); поливинилхлорид; акриловые полимеры; поликарбонат; ацетали и т. д. Все они имеют естественный цвет, присущий только им, и различную степень прозрачности даже в пределах одного семейства. Рассмотрим, например, АБС, внешний вид которого меняется от прозрачного до мутновато-желтого в зависимости от марки полимера и производителя. Более яркая и чистая окраска полимерного изделия может быть достигнута с использованием прозрачных марок полимера, а мутновато-желтые марки требуют большего количества колоранта для «закрашивания» естественного цвета. Описанные выше различия являются определяющими для выбора колоранта и его концентрации.

Перед окрашиванием необходимо установить производителя и марку полимера. Операторы перерабатывающих машин хорошо разбираются в технических устройствах, но плохо знакомы с колорантами и их совместимостью с полимерами. Последнее является задачей специалиста по окрашиванию. Обычно очень полезным бывает прямой контакт с производителем полимера для выяснения совместимости полимера с колорантами, особенно в случае экзотических полимеров. Как правило, производители полимеров имеют опыт в этом деле и могут помочь в выборе колоранта или предостеречь от выбора проблематичного колоранта или добавок.

Необходима также информация о таких физических характеристиках полимера, как температура плавления и индекс течения в целях совместимости окрашивающей рецептуры с полимером без ухудшения его физических свойств.

Следует также выяснить, содержит ли полимер, который будет окрашен, какие-либо наполнители, поскольку последние оказывают определенное влияние на окрашиваемость и состояние поверхности полимеров, а также могут выступать в качестве слабо окрашивающих пигментов. Среди наполнителей полимеров наиболее распространены тальк, карбонат кальция, слюда, стеклянные волокна и шарики, графит, каучук, гидроксид алюминия и триоксид сурьмы. Помимо выявления типа наполнителя, необходима информация о его концентрации. Некоторые окрашивающие составы придают совершенно разные цвета наполненным и ненаполненным полимерам. Например, при использовании одной и той же окрашивающей рецептуры окраска чистого полипропилена отличается от окраски полипропилена, наполненного карбонатом кальция, тальком, стеклом или слюдой, а повышение концентрации талька с 30 до 40% также изменит цвет окрашенного наполненного полимера. Кроме того, цвет окрашенного наполненного полимера зависит от производителя как полимера, так и наполнителя.

Некоторые полимеры перед переработкой методами литья или экструзии требуют подсушки. При этом иногда вместе с полимером подсушивают также таблетированные концентраты для окрашивания. Хотя температура подсушки обычно достаточно низка, длительность сушки может достигать нескольких часов. Эта операция может вызвать потемнение полимера и повредить окрашивающий концентрат, особенно если последний содержит низко термостойкие колоранты.

2. Выбор колорантов в зависимости от области использования окрашенных полимеров

При разработке окрашивающей рецептуры большое значение имеет область использования окрашенного полимерного изделия. В зависимости от области использования выбирают те или иные колоранты и добавки.

• В автомобилестроении используют колоранты с очень высоким уровнем светостойкости.
• В электротехнике используют колоранты, обладающие либо проводящими, либо изолирующими свойствами.
• При производстве тонкостенных изделий, а также раздувных или экструдированных пленок используют пигменты с частицами предельно малого размера, не вызывающие появление прожилок.
• При окрашивании волокон используют хорошо диспергируемые колоранты с частицами малого размера.
• При производстве изделий медицинского назначения используют колоранты, прозрачные для рентгеновских лучей.

Таким образом, знание функционального назначения окрашенного полимера помогает выбрать оптимальную окрашивающую рецептуру и подобрать колоранты и добавки, удовлетворяющие конкретным требованиям.

Также необходима информация о среде, в которой будет эксплуатироваться окрашенное полимерное изделие. Если окрашенный поливинилхлорид будет использоваться в качестве материала для изготовления сайдинга, необходимо вводить в окрашивающую рецептуру свето- и атмосферостойкие колоранты. Если полимер будет использоваться для отделки плавательного бассейна, необходимо вводить хемостойкие колоранты. Если полимер будет использоваться для изготовления изделий, содержащихся под капотом автомобиля, необходимо использовать колоранты, обладающие долговременной термостойкостью.

Использование колорантов для окрашивания изделий, контактирующих с пищей, игрушек, косметики, фармацевтического и медицинского назначения регулируется государственными законами. Составитель окрашивающих композиций должен быть знаком с этими законами и подбирать колоранты в соответствии с их положениями. Следует помнить также о государственных законах, регулирующих содержание тяжелых металлов в колорантах, предназначенных для окрашивания полимерных упаковочных материалов.

Иногда для улучшения внешнего вида или повышения долговечности окрашивающих систем в них вводят добавки: светостабилизаторы, термостабилизаторы, антиоксиданты, антистатики, лубриканты, фунгициды, антимикробные агенты. Эти добавки также могут влиять на оттенок и функционирование окрашивающих систем.

3. Влияние способа переработки полимеров на выбор колоранта

Выбор процесса переработки полимера может казаться очевидным делом. Однако окрашивающие составы, предназначенные для переработки полимеров методом литья, могут оказаться непригодными для пен, получаемых методом инжекционного литья. Окрашивающие составы, предназначенные для инжекционного литья, могут содержать слишком большое количество лубрикантов или диспергирующего агента при использовании их для получения полимеров методом раздувного формования. Окрашивающие рецептуры для раздувного литья могут содержать колоранты с высокой термостойкостью вследствие продолжительного пребывания расплавленного полимера в литьевой форме по сравнению с полиэтиленом, перерабатываемом методом инжекционного литья. При производстве экструдированных или раздувных пленок требуется повышенное содержание колорантов для снижения прозрачности по сравнению с тем же полимером, перерабатываемым методом инжекционного литья или толстостенного экструдированного профиля. Мы привели здесь лишь несколько примеров, показывающих влияние процесса переработки на выбор колорантов для одного и того же полимера.

4. Влияние условий переработки на выбор колоранта

Составители окрашивающих рецептур должны иметь полную информацию об условиях переработки полимеров, содержащих колоранты. Особенно важными параметрами являются продолжительность и температура переработки. Обогреваемые литники, использующиеся в современных литьевых машинах, повышают температуру расплава полимера и положительность его пребывания при высокой температуре. Напомним, что термостойкость как колорантов, так и добавок, существенно зависит от температуры и времени. Может быть составлена прекрасная окрашивающая композиция, но если ее составитель не принял во внимание температурный и временной режимы переработки — его усилия будут напрасными.

Другим параметром переработки, влияющим на полимер и окрашивающую композицию, является напряжение сдвига или отношение длины шнека к его диаметру. Слишком малый диаметр литника или слишком высокое давление приводят к большим сдвиговым напряжениям, оказывающим такое же негативное влияние, как и высокие температуры. Окрашивающие композиции, не обладающие высокой термостойкостью, могут потемнеть или приобрести иной оттенок, а в изделии могут появиться полосы.

Составители окрашивающих рецептур должны выяснить, будет ли подвергаться готовое полимерное изделие последующему декорированию или маркировке. Некоторые пигменты обеспечивают возможность лазерной маркировки. Избыток лубрикантов или диспергаторов может повлиять на возможность лазерной маркировки. Неправильно подобранные колоранты могут мигрировать на поверхность изделия, затрудняя декорирование или маркировку.

5. Эталон цвета

Составители окрашивающих композиций должны иметь эталон цвета, имеющий ту же форму, размеры и изготовленный из того же материала, что и окрашиваемое изделие. Изготовление цветового эталона является одним из важнейших аспектов правильного подбора цвета. Очень важно, чтобы эталон был одобрен заказчиком.

Начнем с неудачного примера использования эталона. Необходимо изготовить изделие определенного цвета и определенной стоимости. Заказчик находит какой-то предмет в мусорной корзине, поднимает его и говорит: «Вот тот цвет, который мне нужен». Вы спрашиваете заказчика о назначении изделия, полимере, процессе и условиях переработки. Затем вы изготавливаете цветовой эталон, разрабатываете технологические условиями, подбираете наиболее экономичные колоранты и добавки. Через две недели вы возвращаетесь в офис заказчика для одобрения цвета изделия. Заказчик опять достает из мусорной корзины тот же предмет, кладет его рядом с вашим эталоном и оказывается, что цвет вашего эталона не соответствует ему. Что же произошло? Как избежать напрасной потери времени, сил и средств?

Разумеется, вы поступили правильно, создав эталон цвета. Проблема в том, что вы использовали один цветовой эталон, а заказчик — совершенно другой. Цветовые отклонения в разных партиях концентрата для окрашивания, изменения технологических параметров процесса со времени изготовления первого эталона привело к существенному изменению цвета.

В этой ситуации возможны два пути решения проблемы. Один из них — доставить заказчику первый цветовой образец и получить одобрение цвета. Затем одобренный цветовой образец может быть использован в качестве эталона. Разумеется, с эталоном нужно обращаться крайне осторожно при его транспортировке. Его следует оберегать от света и механических повреждений.

Другой путь состоит в разрезании оригинального цветового эталона на две части, одна из которых оставляется заказчику. Как специалист по окрашиванию, так и заказчик должны подписать и поставить дату на каждой из половин эталона. Та половина, которая осталась у специалиста по окрашиванию, передается в лабораторию для составления окрашивающей композиции.

Во многих областях промышленности используют накраски — стандартные окрашенные пластины. Автомобильные компании регулярно создают набор накрасок и сертифицируют каждую из них. В машиностроении, электротехнической, электронной и других отраслях также разработаны подобные программы изготовления накрасок. Эти программы гарантируют, что цветовые стандарты, разработанные производителями изделий, и стандарты заказчиков совпадают. Некоторые компании, такие как Panton Inc. и Munsell Color Services, выпускают цветовые стандарты и цветовые каталоги, которые широко используются при переработке полимеров. Федеральные ведомства США также разработали ряд стандартов, перечисленных в федеральном каталоге № 595.

Иногда специалиста по окрашиванию могут попросить подобрать цвет в соответствии с набором коэффициентов отражения или координат L, А, В, полученных в результате спектрометрических измерений. Другими словами, заказчики просят подобрать цвет, которого они никогда не видели. В то время как методика инструментальных измерений за последние годы существенно улучшилась, между различными спектрофотометрами все еще имеются значительные расхождения. Приборы значительно облегчают качество цветового контроля и количественного определения различий в цвете. Однако их использование сводит значимость цветовых эталонов к набору чисел, которые отправляются затем специалисту по окрашиванию. Использование таких оцифрованных эталонов не всегда приводит к успешным результатам. Все же натуральные цветовые стандарты, которые можно рассматривать под различными углами освещения, предпочтительнее.
  
6. Критерии одобрения подобранного цвета

Главная задача составителя окрашивающей композиции заключается в разработке окрашивающей системы, которая удовлетворяет запросам потребителя. Однако далеко не всегда удается достигнуть полной идентичности цвета. В таких случаях составитель должен попытаться определить, какой из критериев — качество (как можно близкий подбор цвета) или стоимость — является для заказчика приоритетным.

Попробуем разобраться с первым критерием — качество. Составитель композиции должен выяснить у заказчика: является ли цвет, максимально близко подобранный к требуемому, главным фактором подбора цвета. Поскольку составителю приходиться выбирать из сотни цветов, требуемого цвета можно достичь различными комбинациями. Может быть, отсутствие метамерии является для заказчика наиболее важным показателем качества подбора цвета? Если полного отсутствия метамерии достичь невозможно, в каких случаях метамерия все же допустима? Какой источник освещения предпочтителен для заказчика при попытке избежать метамерии?

В некоторых случаях основным критерием подбора цвета является стоимость. Если цвет является лишь идентификационным атрибутом изделия, заказчик может поинтересоваться: какой цвет наиболее близок к эталонному при минимальной стоимости окрашивающей композиции? Примерами такого утилитарного использования цвета может быть полимерное покрытие кабеля или электрического провода, амортизирующий материал в двигателе автомобиля, поддоны, подносы, упаковочные контейнеры и т. д.

7. Введение окрашивающей композиции в полимер

Известно два основных способа введения окрашивающих композиций в полимер, каждый из которых диктует свой выбор добавок и связующих веществ.

В одном случае смешение окрашивающей композиции с полимером происходит в маломощном смесителе в центральной части цеха, а затем полученная смесь доставляется пневматически или в контейнерах к литьевой машине или экструдеру.

В другом случае загрузчик заправляет окрашивающую композицию в расплав полимера непосредственно через дозирующее отверстие литьевой машины или экструдера. Дозировка окрашивающей композиции может происходить по объему или по весу. При объемном дозировании объемная плотность окрашивающей системы должна контролироваться от партии к партии. Это необходимо для поддержки постоянного содержания колоранта в расплаве полимера.

Большое значение имеет также установление заказчиком желаемого разбавления, т. е. отношение веса (или объема) окрашивающей системы к полимеру, например, 25:1, 50:1, 100:1 и т. д. Первая цифра отношения выражает количество неокрашенного полимера, а вторая — количество колоранта. Разбавление также выражается в промилле. Например, 1 промилле означает одну часть окрашивающей системы на сто частей неокрашенного полимера.

8. Выпускные формы окрашивающих композиций

Окрашивающие композиции могут производиться в различных формах, и было бы неплохо обсудить с заказчиком форму и способ введения окрашивающих композиций в расплав полимера. Форма, в которой используется та или иная окрашивающая композиция, зависит от выбора колоранта, добавок и полимерной матрицы. Окрашивающие композиции доступны в следующих формах:

Сухие смеси — смесь пигментов и (или) красителей с добавками в виде сухого порошка.

Порошковая маточная смесь — смесь пигмента и (или) колорантов с добавками, введенная в парафин или полимерную матрицу, которая затем измельчается или гранулируется.

Таблетированный концентрат для окрашивания смесь пигментов и (или) красителей с добавками, введенная в парафин или полимерную матрицу, которая путем прессования или экструзии превращается в таблетки цилиндрической формы.

Жидкие или пастообразные концентраты для окрашивания — смесь пигментов и (или) красителей с добавками, введенная в жидкую полимерную матрицу, которая используется в виде жидкости или вязкой пасты.

Предварительно окрашенные компоненты — полимеры, содержащие колорант и добавки в виде таблеток или сухого порошка, готовые к непосредственному введению в литьевую машину или экструдер.

9. Выбор колоранта

Выбор колоранта является наиболее трудным этапом подбора цвета. Известны сотни пигментов и колорантов, и опытный специалист по окрашиванию должен быть знаком с ними в той или иной мере. Полезными могут оказаться базы данных по колорантам, добавкам и полимерным матрицам. Однако наилучшим источником технической информации является информация непосредственно от производителей. Они представляют информационные листы своих полимерных лабораторий. На основе собранной информации специалист по окрашиванию должен выбрать колоранты и добавки, которые совместимы с полимером, отвечают эксплуатационным требованиям, обеспечивают процесс переработки, не деструктируют в процессе переработки, соответствуют цвету эталона и одобрены к использованию.

10. Подбор цвета, идентичного эталонному

Начальным этапом процесса подбора цвета является смешение различных колорантов и добавок. Отобранные для смешения колоранты и добавки должны соответствовать цветовому эталону (не проявлять метамерии), соответствовать насыщенности цвета, соответствовать светлоте цвета, соответствовать требуемому уровню прозрачности (непрозрачности). Специалист по окрашиванию должен рассмотреть и принять во внимание влияние отобранных добавок на цвет окрашивающей композиции и оценить ее стоимость.

11. Методика смешивания компонентов окрашивающей композиции

Специалист по окрашиванию должен уметь выполнять следующие действия:

• смешивать выбранные колоранты с добавками для получения сухой смеси;
• смешивать выбранные колоранты с соответствующими добавками и полимерной матрицей для получения маточной смеси или таблетированного концентрата;
• смешивать выбранные колоранты с соответствующими добавками и жидкой полимерной матрицей для получения жидкого или пастообразного концентрата;
• смешивать колоранты и добавки непосредственно в расплаве полимера дляполучения предварительно окрашенного соединения.


12. Заключение

Для успешного подбора цвета необходима обширная информация о свойствах колорантов и полимеров, способах переработки и областях использования окрашенного полимерного изделия. Наиболее трудным делом является выбор колорантов. Подбор цвета — более простая задача.

Деннис Миэйд
По материалам: «Производство окрашенных пластмасс», издательство НОТ
Источник: Plastinfo.ru