مستربچ محصولی است كه در آن پودر رنگ (پیگمنت) و یا افزودنی های دیگر بصورت بهینه با یكدیگر در یک رزین پایه ادغام شده اند.
افزودنی های مستربچ مقدار زیادی پودر رنگ (پیگمنت )، پر كننده های معدنی یا شیمیایی هستند كه به سه منظور مختلف شامل، تولید رنگ، بهبود خواص و یا كاهش قیمت تمام شده به پلیمر اضافه می شود. پایه پلیمری مستربچ معمولا باید مشابه پلاستیک اصلی باشد و شكل ظاهری آن، دانه ای (گرانول) است.
مستربچ ها دارای سه جز اصلی پایه پلیمر، افزودنی و سازگاركننده هستند.
پایه پلیمری مصرفی، غالبا انواع پلی اتیلن، پلی پرو پیلن، پی وی سی، پلی استایرن، اتیلن وینیل استات، وكس هایی با وزن مولكولی پایین، پلیمر آلكیدی یا پلیمر های مخصوص دیگر هستند.
به منظور تغییر خواص پلیمرها، مواد شیمیایی افزودنی به مستربچ ها اضافه می شود. كه عبارتند از افزودنی های بهبود دهنده خواص، پیگمنت ها و پر كننده ها، با توجه به نوع و قدرت افزودنی و پایه پلیمر میزان خوراک دهی افزودنی در مستربچ متفاوت است.
سازگار كننده ها با عنوان علمی تركیبات آمفی فیلیک، دارای یک سر آب دوست و یک سر آلی دوست هستند و به دلیل ماهیت شیمیایی خاصشان باعث:
وجود سازگاركننده از طرفی باعث ایجاد ترشوندگی در سطح رنگ دانه و در نتیجه پخش بهتر پیگمنت می شود و از طرفی دیگر بدون آنكه روی كیفیت محصول نهایی تاثیر بگذارد، پلیمر را نیز پایدار می كند.
با افزودن سازگاركننده ها به مستربچ، فرآیند پذیری آنها از طریق بهبود ترشوندگی، یكنواختی و تثبیت، تسهیل می شود كه هر یک شامل موارد زیر می شوند:
یكی از بهترین راهكارهای ایجاد خواص فیزیكی و شیمیایی ویژه در محصول نهایی، استفاده از مستربچ افزودنی است.
رایج ترین روش تولید قطعات رنگی از مواد پلاستیکی، افزودن مستربچ های رنگی است. این افزودنی ها گاهی علاوه بر ایجاد رنگ مطلوب محصول نهایی، باعث بهبود و اصالح خواص فیزیكی، مكانیكی نیز می شود.
مستربچ رنگی، یک مخلوط پلاستیكی شامل درصد بالایی از رنگ دانه و درصد كم پلیمر است و از طریق تغییر غلظت و مقدار این ماده، می توان به نمونه های رنگی مختلف دست یافت.
انواع مستربچ های رنگی، مستربچ سفید، مشكی و سایر رنگها هستند. این مستربچ ها معمولا دارای دو نوع پایدار كننده و دو نوع روان كننده داخلی و خارجی، رنگینه و پایه پلیمری می باشد.
با كمک این مستربچ، پلمرها را می توان به رنگهای مختلف در آورد. نكته بسیار مهم در انتخاب مستربچ ، سازگاری پالستیک با رنگ و سایر افزودنی های همراه آن مستربچ است.
اجزای اصلی مستربچ رنگی شامل: رنگدانه، سازگاركننده و پلیمر حامل است.
شامل پیگمنت ها در دو گروه آلی (فتالو سیانین سبز) و معدنی (اكسید آهن قرمز و تیتانیوم ) و دای كه مانند یک جوهر یا رنگ بی اثر است عموما نمی توان از آن برای رنگ كردن پلی اولفین استفاده نمود.
وجود سازگاركننده از طرفی باعث ایجاد تر شوندگی بر سطح رنگدانه و در نتیجه پخش بهتر پیگمنت می شود و از طرف دیگر بدون آنكه بر روی كیفیت تاثیر بگذارد، پلیمر را نیز پایدار می كند.
این پلیمر باعث یكنواختی توزیع پیگمنت و سهولت شكل دهی آن به صورت گرانول می شود. وجود سازگاری پلیمر با عوامل پخش و همچنین سیالیت بیشتر حامل نسبت به رنگدانه و پلیمر ضروری می باشد.
پلیمر با توجه به شاخص مذابش، به صورتی انتخاب می شود كه بتواند مستربچ را در خود حل كند؛ از آنجا كه مستربچ ها برای تعداد محدودی از پلاستیک های پر مصرف صنعتی ساخته می شوند. لازم است در مورد توانایی رنگ آمیزی پلاستیک ها با رنگ دانه ها نیز اطلاعاتی ارائه شود.
بنا بر ماهیت شیمیایی پلاستیک می توان رنگ مناسب آن را انتخاب كرد. به عنوان مثال رنگ آمیزی پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پی وی سی به رنگ سفید (با استفاده از تیتان) یا زرد یا قهوه ای (با استفاده از اكسید های كروم) در آورد اما از رنگهای تركیبات آبی آهن نمی توان در فرمولاسیون پلی اتیلن و پلی پروپیلن استفاده نمود.
برای كاهش قیمت و بهبود خواص مستربچ استفاده می شود. از مستربچ كربنات كلسیم، مستربچ تالک، میكا و مستربچ های دیگر می توان به عنوان مستربچ پر كننده یاد كرد.
فرآیند تولید مستربچ شامل چهار مرحله فرمولاسیون، خوراک دهی، اختلاط و الک كردن است.
-1 فرآیند خیس شوندگی پیگمنت، افزودنی و پر كننده
-2 اختلاط و پخش
پیگمنت و افزودنی در پلیمر پایه
-3 توزیع پیگمنت، افزودنی و پر كننده در پلیمر پایه
-4 پراكنده سازی، پایداركردن این مخلوط و جلوگیری از كلوخه شدن.
مهم ترین مرحله تولید مستربچ اختلاط است و متداول ترین روش پخش مناسب افزودنی یا
رنگ از طریق تركیب اجزاء به صورت مذاب حاصل می شود.
مرحله اختلاط با بهره گیری از دستگاه های زیر انجام می گیرد:
1 مخلوط كن های داخلی همانند بنبوری: بهترین مورد جهت تولید مقدار زیادی از این افزودنی ها.
-2 مخلوط كن های داخلی مداوم.
-3 اكسترودر دو مارپیچ
-4 ماشین های تک مارپیچ مانند kneader – KO BUSS
-5 مخلوط كن های سرعت بالا به همراه اكسترودر های تک مارپیچ
مهم ترین دستگاه مورد استفاده در فرآیند اختالط و تولید مستربچ كه به طور گسترده در صنعت ایران به كار می رود، اكسترودر است.
در این روش پلیمر و افزودنی ها درون دستگاه اكسترودر ذوب و با هم تركیب شده و سپس از انتهای اكستروژن خارج می شوند.
در این روش خط تولید مستربچ به طور مختصر عبارتست از: سیستم تخلیه، سیستم خوراک دهی، خوراک دهی، اكسترودر، سیستم خنک كننده، سیستم برش، انبارش و بسته بندی.
اكسترودر دو پیچه همسوگرد:
این فرآیند شامل وزن كردن، وارد كردن خوراک، انتقال، ذوب كردن، پخش كردن و همگن كردن، خارج كردن گازهای مزاحم، فیلتر كردن و گرانول كردن است.
كلید بنیادی درک و بهینه سازی فرآیند اختلاط در تشخیص تمایز، مكانیسم های آن شامل پراكندگی و توزیع است.
مكانیسم پراكندگی شامل كاهش اندازه اجزاء چسبنده كوچک در یک سیستم چند فازی است. مكانیسم توزیع، فرآیند پخش ذرات كوچک در سراسر ماتریس به منظور دستیابی به پخش فضایی خوب است.
در هر دستگاه، اختلاط این دو مكانیسم به صورت هم زمان یا مرحله به مرحله انجام می پذیرد. پراكنش تحت تاثیر موازنه دو عامل نیروهای چسبندگی ایجاد كلوخه و نیروهای هیدرودینامیک تخریب است. همچنین، بزرگی تنشهای اعمالی، نقش تعیین كننده ای در توزیع اندازه قطرات دارد.
پراكندگی و توزیع پیگمنت ها در مستربچ های پلی اتیلنی، اختلاط موثر به كمک تركیبات سازگاركننده، سازگاركننده ها با عنوان علمی تركیبات 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 الفین ها و پلیمرهای مهندسی، تشكیل لایه پایدار روی سطح افزودنی، پیگمنت یا پر كننده از طریق كنش متقابل با آنها و ایجاد اتصال آنها، به ماتریس پلیمری می شود.
1 – به كار گیری مستربچ ها می توان در وقت، انرژی و هزینه های لازم برای مخلوط كردن این پودر ها و نیروی كار صرفه جویی كرد و استفاده از این تركیبات اقتصادی تر است.
2 – به دلیل عدم پخش شوندگی برخی از از افزودنی ها، امكان اضافه كردن مستقیم آن به محصول وجود ندارد كه این مشكل با استفاده از مستربچ حل می شود. به عنوان مثال در فرآیند تزریق، اضافه كردن افزودنی های پودری به دلیل كوتاه بودن طول مارپیچ دستگاه تزریق مناسب نبوده و استفاده از مستربچ پلیمری توصیه می شود.
3 – سهولت ذخیره سازی ، جابجایی و كاربری به دلیل شكل كاربری آن.
4 – ساده تر شدن خوراک دهی و حل مشكل غلظت افزودنی و یكنواختی رنگ یا خواص در حین تولید
5 – عدم پخش پیگمنت ها در هوا و در نتیجه ایجاد خطر سلامتی و ایمنی كاركنان و آماده سازی خطوط تولید مجاور.
6 – پخش و یكنواختی بهتر رنگ، افزودنی یا پر كننده در سراسر محصول نهایی.
7 – مصرف مقدار كمتر پیگمنت و افزودنی.
8 – بهبود فرآیند ذوب به دلیل سازگاری عامل اتصال دهنده مستربچ با پلیمر.
9 – ثبات بیشتر خواص یا رنگ.
10 – كنترل پذیری بیشتر كدری و شفافیت محصولات رنگی.
11 – كاهش دفعات خوراک دهی در فرآیند با استفاده از مستربچ حاوی افزودنی های تغلیظ شده پایدار uv، آنتی اكسیدانت، به تاخیر اندازنده شعله یا شفاف كننده نوری.
12 – افزایش تكرار پذیری فرآیند از طریق از پیش تعیین كردن نسبت اجزای افزودنی مستربچ.
13 – حذف هزینه پاک سازی و تمیز كاری.
با بالا رفتن درصد افزودنی مستربچ در كاربردی مشخص، میزان مصرف مستربچ پایین می آید. درصد مصرف مستربچ در محصول نهایی به عوامل زیر بستگی دارد:
1 – درصد و كیفیت افزودنی.
2 – ضخامت قطعه یا فیلم تولیدی.
3 – میزان پوشش دهی یا غلظت مورد نظر.
مقدار مستربچ مورد استفاده در محصول نهایی از زیر یک درصد ( در برخی از انواع ضد uv و پایداركننده رنگها ) تا بالای پنجاه درصد () گونه
هایی از كند كننده های حریق یا مستربچ های كربنات كلسیم ) متفاوت است. همچنین برای رنگ كردن محصولات، معمولا مقدار یک تا سه درصد مناسب است.
1 – مطابقت با پایه پلیمری مستربچ با مواد و كالای تولیدی.
2 – ثبات رنگ یا خواص در دفعات مصرف.
3 – غلظت یكنواخت یا درصد مناسب افزودنی یا پیگمنت.
4 – میزان مصرف كم.
5 – منحصر به فرد بودن رنگ و شید.
6 – عدم ایجاد مشكلات در در فرآیند تولید محصول نهایی.
7 – مشخصات فنی مطلوب كه عبارتند از (مقاومت انتقال سطع – درصد رطوبت – دمای ذوب – پراكندگی در ماتریس پلیمری –
شكل ظاهری و جلای مستربچ – مقاومت حرارتی سطح)