Биоразлагаемая пленка может разрушиться из-за одной крупной частицы карбоната кальция. Именно поэтому два порошка с одинаковым показателем D50 могут вести себя совершенно по-разному на линии производства пленок из PLA или PBAT. Карбонат кальция — это наполнитель, который большинство производителей биоразлагаемой упаковки используют в первую очередь, и причина проста: он снижает затраты, не ухудшая при этом важные свойства. Но технические специалисты, которые указывают карбонат кальция в качестве наполнителя для биоразлагаемых пластмасс, быстро понимают, что результат зависит не столько от самого минерала, сколько от трех факторов:
- Насколько мелко он помолот
- Насколько строго контролируется распределение частиц по размерам и верхний предел среза
- Как обрабатывается его поверхность
Все три компонента поступают из оборудования для измельчения и классификации порошка. В этом руководстве описаны эти процессы, чтобы разработчики рецептур и покупатели могли выбрать правильный сорт PLA и PBAT.
Основные выводы
- Пленочный карбонат кальция обычно используется для производства пленочных изделий. D50 ≈1,5 мкм и D97 ≤5 мкм.
- Одного лишь D50 недостаточно. Значение D97 и грубый хвостовой участок определяют, образует ли тонкая пленка точечные отверстия или разрыв.
- Поверхностное покрытие Определяет степень дисперсии и максимально допустимую концентрацию наполнителя.
- НОАК обычно ездит 10–30% загрузка; ПБАТ Исследования в области кино чаще всего проводятся в рамках... 10–20 wt% диапазон.
- Стоимость следует оценивать. за тонну готового компаундане за тонну пороха.
- Главное, что серьезный покупатель должен проверить у поставщика, — это стабильность качества от партии к партии.
Почему PLA и PBAT зависят от карбоната кальция
И PLA, и PBAT сопряжены с проблемой высокой стоимости.
- НОАК Он жесткий, но хрупкий.
- ПБАТ Мягкий и прочный, но дорогой.
Сами по себе ни один из них не обеспечивает полного набора свойств, необходимых для пленки, пакета или пищевой упаковки, по цене, приемлемой для рынка. Стандартным решением является добавление недорогого минерала, и карбонат кальция является первым наполнителем, который тестирует большинство разработчиков рецептур.
Наполнитель из карбоната кальция выполняет три функции в составе PLA или PBAT:
- Он заменяет дорогостоящий полимер. Как правило, стоимость наполнителя ниже цены смолы, поэтому каждый цент наполнителя снижает себестоимость компаунда.
- Это повышает жесткость., измеряемый как модуль Юнга, который помогает тонким пленкам сохранять свою форму.
- Он действует как нуклеирующий агент. и может влиять на деградацию изделий, предназначенных для разложения.
Эти три эффекта, а именно снижение стоимости, повышение жесткости и контролируемое разрушение, объясняют, почему карбонат кальция присутствует во многих компаундах PLA и PBAT.
Размер частиц определяет верхний предел возможностей порошка.
Когда частицы слишком велики для детали, в которую они попадают, они становятся дефектами, а не наполнителем. В тонкой пленке частица, размер которой превышает долю толщины пленки, концентрирует напряжение при растяжении, и пленка разрывается или образует микропоры вокруг нее. Поэтому пленочный карбонат кальция измельчается гораздо мельче, чем тот, который используется в деталях, полученных методом литья под давлением.
Правильный размер частиц зависит от области применения, а не от какого-либо фиксированного правила. Для пленок толщиной от 10 до 30 микрон, используемых в пакетах и упаковке, целевым рабочим параметром является средний размер частиц, или Д50, вокруг 1,5 микронас максимальным размером частиц, или Д97, проводимый на уровне или ниже 5 микрон.
Для тонких пленок, Спецификация D97 зачастую является наиболее критичной.Поскольку крупные частицы могут выступать в качестве концентраторов напряжений и создавать микропоры или разрывы. Точный предел зависит от толщины пленки, коэффициента растяжения и качества дисперсии, но для многих марок пленок целевое значение D97 составляет ≤5 мкм.
Более крупные фракции от 2 до 5 микрон используются в литье под давлением, при изготовлении листового металла и более толстых деталей, где окружающий полимер поглощает локальное напряжение, а не разрушается.
Поэтому разработчикам рецептур и покупателям следует запрашивать два показателя, а не один. D50 обозначает средний размер, а D97 — размер верхней части среза. Порошок может иметь мелкую фракцию D50 и при этом разрушаться при формировании пленки, если не контролируется образование хвоста из крупных частиц. Именно для поддержания этого хвоста и предназначен воздушный классификатор.
| Приложение | Типичный D50 | Типичный D97 (верхний срез) | Типичная нагрузка | Рекомендуемый маршрут | Что произойдет, если слишком грубая шероховатость? |
|---|---|---|---|---|---|
| Тонкая пленка, 10–30 мкм | ≈1,5 мкм | ≤5 мкм | 10–20% | Струйная мельница + высокоточный классификатор | микроскопические отверстия, разрывы, рыбьи глаза |
| Листовое / термоформование | 2–3 мкм | ≈8 мкм | 20–30% | Шаровая мельница + воздушный классификатор | шероховатость поверхности, низкий блеск |
| Литье под давлением | 2–5 мкм | ≈10 мкм | 20–30% | Шаровая мельница + воздушный классификатор | слабые сварные швы, меньшая ударная нагрузка |
Дистрибьютор также определяет качество фильма.
Значение D50 указывает только на медиану. Два порошка могут иметь одинаковое значение D50, но вести себя совершенно по-разному, если их распределение по размерам частиц различается.
- А широкое распространение Это означает совокупность крупных частиц, которые разрывают тонкие пленки, а также совокупность мелких частиц, которые повышают вязкость расплава и затрудняют диспергирование.
- А узкое распределение Это решает обе проблемы.
Здесь классификатор определяет качество. Одного лишь измельчения достаточно для получения порошка разного размера. Высокоточный воздушный классификатор разделяет поток и возвращает частицы крупного размера для повторного измельчения, поэтому готовый порошок выходит из линии с плотным распределением и контролируемой верхней фракцией D97.
В случае биоразлагаемой пленки, где одна крупная частица может пробить отверстие во всей катушке, плотный верхний срез ценится больше, чем дополнительная доля микрона от средней толщины.
Обработка поверхности превращает порошок в рабочий наполнитель.
Необработанный карбонат кальция является гидрофильным, что означает, что он плохо смешивается с гидрофобными полимерами, которые он заполняет. Порошок слипается, и эти комки ведут себя как крупные частицы в расплаве. Решением является нанесение поверхностного покрытия, чаще всего стеариновой кислоты или связующего агента, после измельчения и классификации.
Модификация поверхности изменяет две вещи:
- Это снижает поверхностную энергию.Поэтому частицы легче разделяются в полимере.
- Это улучшает адгезию. на границе раздела частица-полимер, что позволяет наполненному компаунду сохранять свою прочность, а не разрушаться на границе наполнителя.
Поскольку дисперсия обычно является первым свойством, которое ухудшается с увеличением концентрации, именно хорошо покрытый порошок делает использование более высоких концентраций вообще возможным.
Уровень покрытия обычно поддерживается на низком уровне, как правило, около 0,8–1,5 wt% Для стеариновой кислоты выбор зависит от площади поверхности и области применения. Нанесение верхнего слоя может снизить адгезию частиц к полимеру, а нанесение нижнего слоя приводит к образованию агломератов. Покупателям следует запрашивать:
- Тип покрытия (стеариновая кислота, связующее вещество и т. д.)
- Уровень покрытия
- Площадь поверхности
- Тест на дисперсию целевого полимера.
Уровень загрузки — это компромисс, а не игра в угадайку.
Количество добавляемого карбоната кальция зависит от полимера и от того, для чего предназначена деталь.
НОАК
В ПЛА нагрузки из от 10 до 30 процентов Это распространенные явления. Наполнитель повышает жесткость, и в условиях промышленного термофильного компостирования полимолочная кислота с минеральным наполнителем может разлагаться быстрее, чем ее ненаполненный аналог. Этот эффект сильно зависит от количества наполнителя, дисперсии, размера частиц и условий компостирования. При захоронении в почве или домашнем компостировании скорость разложения одного и того же соединения может быть разной, а некоторые исследования сообщают о более медленном разложении, поскольку наполнитель снижает поглощение воды.
Компромисс заключается в том, что избыток наполнителя превращает и без того хрупкий PLA в материал, где ударная прочность и удлинение быстро снижаются.
ПБАТ
Большинство опубликованных исследований пленок PBAT/CaCO₃ посвящены этой теме. 10–20 wt% диапазон. Приближается загрузка. 30 wt% Они всё ещё могут быть практичными, но требуют тщательного контроля за рассеиванием. Выше примерно 40 процентовАгломерация усиливается, а граница раздела частица-матрица ослабевает.
Механические свойства ухудшаются быстрее, чем снижается стоимость, поэтому практический целевой показатель для большинства компаундов PBAT составляет менее 30 процентов, если только рецептура и линия компаундирования не рассчитаны на более высокую нагрузку.
Как оборудование формирует конечный порошок
Все вышеперечисленное связано с тем, как производится порошок. Для производства измельченного карбоната кальция для биопластиков используются два основных способа.
| Маршрут | Типичный продукт | Преимущества | Ограничения | Лучший вариант |
|---|---|---|---|---|
| Реактивная мельница | D50 1–2 мкм, плотная PSD | Отсутствие загрязнения среды, узкий спектр распределения частиц по размерам. | Более высокие затраты энергии, более низкая производительность. | Тонкопленочные, высококачественные компаунды |
| Шаровая мельница + воздушный классификатор | D50 1,5–5 мкм | Масштабируемый, недорогой, гибкий способ обрезки верха. | Износ носителей информации, более широкий спектр плотности мощности при плохом контроле. | Пленка большого объема, литьевая, листовая |
Реактивная мельница Измельчение осуществляется высокоскоростным ударным потоком воздуха без использования мелющих тел, которые могли бы вносить загрязнения. В результате получается чистый, мелкодисперсный порошок с концентрированным распределением частиц по размерам, подходящий для сверхтонких фракций, используемых в тонких пленках и высококачественных компаундах. Струйное измельчение — это метод, когда чистота и низкий процент дефектов важнее, чем производительность.
Шаровая мельница с воздушным классификатором Это стандартный метод для крупномасштабного производства, где важна экономическая эффективность. Мельница измельчает материал до заданного диапазона, а классификатор контролирует верхний размер частиц, перерабатывая крупногабаритный материал до тех пор, пока вся продукция не будет соответствовать спецификации. Такая комбинация позволяет получать тщательно классифицированные, конкурентоспособные по цене сорта, которые закупают крупные производители пакетов и пленок.
Какой бы маршрут ни был выбран, линия должна поддерживать одинаковую плотность порошка D50, одинаковую верхнюю границу среза и одинаковое качество покрытия от партии к партии. Производители пленок используют непрерывные линии и не могут останавливаться для перенастройки из-за разбрызгивания порошка. Эта стабильность зависит от оборудования для измельчения и классификации, и это главное, на что серьезный покупатель должен обратить внимание при выборе поставщика.
Контрольный список для покупателя, проверяющего карбонат кальция в биопластиках.
Решение о покупке обычно принимается на основе четырех проверок.
| Проверять | Почему это важно | Как проверить |
|---|---|---|
| Чистота ≥98% | Предотвращает загрязнение, которое ухудшает цвет и долговременную стабильность. | Сертификат анализа, рентгенодифракционный анализ, содержание золы. |
| Размер частиц и верхний срез | Контролирует дефекты пленки и технологичность процесса. | Лазерная дифракция, седиграф, данные о партиях продукции от поставщика. |
| Поверхностное покрытие | Определяет дисперсию и пригодную для использования нагрузку. | Термогравиметрический анализ (ТГА), измерение краевого угла смачивания, дисперсионный тест в PLA/PBAT. |
| Стабильность от партии к партии | Линии непрерывного пленочного литья не допускают сноса пленки. | Данные SPC, записи входного контроля |
Чистота: не менее 98 процентов, чтобы избежать загрязнения, которое ухудшает цвет и долговременную стабильность.
Размер частиц и верхний срез: Для пленок требуется пленка класса D50 толщиной около 1,5 микрон и пленка класса D97 толщиной не более 5 микрон; для более толстых деталей может потребоваться пленка толщиной от 2 до 5 микрон.
Покрытие поверхности: Регулярная обработка стеариновой кислотой или связующим агентом после классификации обеспечивает стабильное поддержание заданной концентрации диспергируемых веществ.
Стоимость указана за тонну готового компаунда, а не за тонну порошка. Наполнитель, который равномерно распределяется в количестве 20 процентов и не образует дефектов, часто обходится дешевле в готовом изделии, чем более дешевый порошок, который заставляет снижать его концентрацию.
Решение о закупке должно основываться на общей стоимости с доставкой и однородности партии, а не на текущей рыночной цене минерала.
Найдите линию, соответствующую спецификации.
Если вы создаете или модернизируете производственную линию по выпуску биопластиков на основе карбоната кальция, пришлите нам ваши целевые значения D50, D97 и спецификацию покрытия. Компания Epic Powder порекомендует схему измельчения и классификации, которая позволит достичь этих показателей.
Эпический порошок
В Эпический порошокМы предлагаем широкий выбор моделей оборудования и разрабатываем индивидуальные решения, отвечающие вашим конкретным потребностям. Наша команда имеет более чем 20-летний опыт в обработке различных порошков. Компания Epic Powder специализируется на технологиях обработки мелкодисперсных порошков для горнодобывающей, химической и пищевой промышленности и т.д.
Свяжитесь с нами сегодня для профессиональной консультации и индивидуальных решений!
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем EPIC Powder. Зельда для любых дальнейших запросов».
— Эмили Чен, Инженер