Maßgeschneiderte Farbmasterbatche für hochwertige TPE-Einfärbungen - Caparol Industrial ...
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Farbmasterbatche
Maßgeschneiderte Farbmasterbatche für hochwertige
TPE-Einfärbungen
Anwendungen der Caparol NEFA MB Masterbatche in thermoplastischen Elastomeren – Teil 2
M. Hübner
Dispersive und distributive Mischvorgänge sind ein wesentlicher Bestandteil bei der Herstellung thermoplastischer Masterbatche und
Compounds. Zur Compoundierung werden überwiegend kontinuierlich arbeitende Doppelschneckenextruder und Knetersysteme einge-
setzt. Eine wesentliche Einschränkung dieser Mischaggregate ist die limitierte Verweilzeit der zu mischenden Komponenten. Hier bieten
die neu entwickelten Farbmasterbatche von Caparol Industrial Solutions eine innovative Lösung.
In diesem Spannungsfeld entstehen die Compounds und Masterbatche der Produktgruppe NEFA MB. Durch die Kombination von diskon-
tinuierlichen Mischern und Doppelschneckenextrudern gelingt es, auf Basis spezieller thermoplastischer Elastomere, sehr hochgefüllte
und spezialisierte Produkte herzustellen.
Im Bereich der Farbmasterbatche zeichnen sich NEFA MB Konzentrate durch höchste Pigmentfüllgrade aus. Aufgrund des Herstellungs-
verfahrens kann dabei auf den Einsatz von Dispergierhilfsmitteln vollständig verzichtet werden. Dies ist insbesondere für TPE Einfärbun-
gen vorteilhaft, bei denen es durch Dispergierhilfsmittel zur Filmbildung auf der Bauteiloberfläche kommen kann. Aufgrund der hohen
Farbstärke der NEFA MB Masterbatche können bei vergleichsweise geringen Masterbatchzugaben auch TPEs mit einer starken Eigenfarbe
brillant eingefärbt werden.
Dispersive and distributive mixing processes are major elements in the manufacture of thermoplastic masterbatches andcompounds.
Continuously working twin-screw extruders and kneader systems are mainly used for compounding. A crucial restriction of these mixing
devices is the limited dwell time of the components to be mixed.
This is where the compounds and masterbatches of the NEFA MB product group come into play. The combination of discontinuous mi-
xers and twin-screw extruders can manufacture very highly filled, specialist products on the basis of special thermoplastic elastomers.
In the area of colour masterbatches, NEFA MB concentrates stand out because of their very high pigment fill levels. The manufacturing
process employed makes the use of dispersion agents completely unnecessary. This can be an advantage for TPE tints in particular, since
dispersion agents may lead to film formation on the component surface in some cases. Because of the colour intensity of the NEFA MB
masterbatches, even TPEs with a strong colour of their own due to fillers, for example, can be tinted brilliantly with comparatively low
quantities of masterbatches.
1 Einleitung schaften, aber auch die thermische oder Werkstoffe zum Einsatz kommen. Sehr ge-
chemische Beständigkeit der Werkstof- bräuchlich für viele TPE-Einfärbungen sind
Bei der Entwicklung von TPE-Compounds fe wesentliche Faktoren für deren Ausle- Masterbatche auf Basis von Polyethylen oder
spielen verschiedenste Werkstoffeigen- gung. Die Einfärbung der TPEs – oftmals Polypropylen. Zur Herstellung dieser Mas-
schaften eine wichtige Rolle. So sind die entscheidend für die Verkaufsfähigkeit der terbatche werden üblicherweise Dispergier-
mechanischen oder rheologischen Eigen- aus dem Werkstoff produzierten Erzeugnis- hilfsmittel verwendet, damit die Pigmente
se – nimmt aber bei der Entwicklung der im Herstellungsprozess ausreichend zer- und
Werkstoffe eine eher untergeordnete Rol- verteilt, sowie benetzt werden können. Kon-
le ein. Eine Ursache hierfür mag darin lie- ventionelle Thermoplaste, die nicht zu den
Dr.-Ing. Matthias Hübner gen, dass die Einfärbung häufig über Mas- TPEs zählen, verfügen bei Anwendungstem-
Produkt Manager Masterbatches terbatche erst bei der finalen Formgebung peratur aber über eine deutlich reduzierte
matthias.huebner@caparol-cis.de der Werkstoffe erfolgt. Auch wird den ge- makromolekulare Beweglichkeit. Dadurch
ringen Zugabemengen, die typischerweise findet der Transport von niedermolekularen
Caparol Industrial Solutions GmbH, im Bereich von 0,5 Gew.-% und 5 Gew.-% Substanzen, wie beispielsweise von Disper-
Grimma-Nerchau liegen, meist kein signifikanter Einfluss auf gierhilfsmitteln, in konventionellen Ther-
www.caparol-cis.de die werkstoffprägenden physikalischen Ei- moplasten nur sehr eingeschränkt statt. Das
genschaften zugerechnet. ist bei thermoplastischen Elastomeren an-
Alle Abbildungen und Tabellen wurden, sofern ders. Deren Eigenschaften basieren auf dem
nicht anders angegeben, freundlicherweise von Stand der Technik für die TPE-Einfärbung Prinzip, dass die Makromoleküle der elas-
den Autoren zur Verfügung gestellt. sind häufig Masterbatchsysteme, die auch tischen Phase im Anwendungstemperatur-
zur Einfärbung klassischer thermoplastischer bereich über eine sehr hohe Beweglichkeit
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Abb. 1: Prozessschema zur Herstellung von NEFA MB F Masterbatches
verfügen. Aus diesem Grund können Disper-
gierhilfsmittel oder auch andere Substanzen
leichter aus dem Werkstoff heraus migrieren.
Dies kann zu einer ungewollten Belagbildung
auf dem TPE-Bauteil führen. Andere Verun-
reinigungen in Pigmenten oder Füllstoffen,
wie beispielsweise Schwefel, können zu ei-
ner unangen ehmen Geruchsausbildung bei-
tragen. Die Einfärbung von TPE-Werkstoffen
mit TPE-unspezifischen Masterbatchen sind
nicht risikofrei.
2 Spezialisierte Farbmaster-
batche zugeschnitten Abb. 2: Dissolver
für TPE-Werkstoffe
NEFA MB F basieren ebenfalls auf dieser Her- tinuierlicher Verfahren, optimal dispergiert
In diesem Kontext bilden die Masterbat- stellungstechnologie (Abb. 1). werden können. Anders als bei Doppelschne-
che der Caparol Industrial Solutions GmbH ckenextrudern wird auf ein bestimmtes Dis-
eine interessante Neuheit zur Einfärbung Im Unterschied zur klassischen Farbmaster- pergierziel des Pigmentes, z. B. eine definierte
von TPE-Werkstoffen. Die Farbmasterbat- batchherstellung über Doppelschneckenext- Kornfeinheit, durch Variation der Mischzeit
che der Produktgruppe NEFA MB F (NEFA ruder oder andere kontinuierlich arbeitende hingearbeitet. Auch schwer zu dispergierende
steht für „Nerchauer Farben“) beruhen auf Dispergiersysteme erfolgt die Herstellung der Pigmente können ohne den Einsatz von Netz-
TPE-basierten Trägersystemen und können NEFA MB Farbmasterbatche über ein zwei- und Dispergierhilfsmitteln fein in einer flüs-
anwendungsspezifisch auf TPE-Anwendun- stufiges Verfahren. Der Kernprozess der Mas- sigen Basis verteilt werden. Ein weiterer Vor-
gen zugeschnitten werden. Bereits in einem terbatchherstellung, das Dispergieren der Pig- teil dieser Verfahrensweise wurde bereits im
früheren Beitrag wurde über rußbasierte mente, wird dabei mit Hilfe von in der Far- ersten Teil dieser Veröffentlichung beschrie-
Masterbatche und Compounds der Capa- benindustrie etablierten fest-flüssig-Misch- ben. Durch die längeren Prozesszeiten und
rol Industrial Solutions GmbH berichtet [1]. technologien realisiert. Bekannte Beispiele die damit einhergehende, bessere Benetzung
Als Schlüssel zu den speziellen Eigenschaf- für diese Technologien sind Dissolver (Abb. von Pigmentoberflächen, ermöglicht dieses
ten der Compounds wurde eine mehrstufige 2), Dreiwalzwerke oder Perlmühlen. Der Vor- Verfahren auch Masterbatche mit sehr ho-
Herstellungstechnologie an der Schnittstelle teil dieser Mischmethoden liegt darin, dass hen Pigmentbeladungen. So sind Füllgrade bis
der Farben- und Kunststoffindustrie vorge- die Pigmente in einer Flüssigkeit, unabhän- 80 Gew.-% bei anorganischen und 50 Gew.-%
stellt. Die Masterbatche der Produktgruppe gig von den Verweilzeitbeschränkungen kon- bei organischen Pigmenten realisierbar.
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Farbmasterbatche
Abb. 3: Reaktionsgleichung zur Herstellung von Polydimethylsiloxan-Polyharnstoff-Copolymeren
-aminopropyl-terminiertes PDMS
Thermoplastisches Siliconelastomer
Abb. 4: Entformungsverhalten von TPU im Spritzgießprozess mit NEFA MB A
Unabhängig vom ersten Prozessschritt ist Zum einen werden als Masterbatchträger konventioneller SEBS-Compounds. Beide Po-
für die Herstellung von NEFA MB F Master- thermoplastische Polydimethylsiloxan-Po- lymersysteme haben unterschiedliche, sehr
batchen eine Compoundierstufe erforderlich, lyharnstoff-Copolymere (PDHC) verwendet. vorteilhafte Eigenschaften für die Einfär-
die in Doppelschneckenextrudern erfolgt. Zum anderen kommen Styrol-Ethenbuten- bung von TPEs.
Dieser Verfahrensschritt dient der Ausbil- Styrol Block-Copolymere (SEBS) zum Einsatz.
dung und Homogenisierung einer polyme- Im Falle der PDHCs erfolgt die Pigmentein-
ren Matrix sowie der Granulierung, also der arbeitung in reaktive, flüssige Vorstufen der 3 Siliconadditiv trifft Farbe
Formgebung der Produkte. Trägerpolymere, den aminopropyl-termi-
nierten Polydimethylsiloxanölen. Die Mat- PDHC sind thermoplastische Copolymere
Damit die vorgestellte Verfahrensweise rix- und Masterbatchbildung erfolgt durch auf Basis von Harnstoff-Hartsegmenten und
zur Herstellung von Masterbatchen über- reaktive Extrusion, wobei die Pigmentpaste Silicon-Weichsegmenten mit Silicongehal-
haupt technologisch zugänglich wird, benö- zusammen mit einem Diisocyanat im Dop- ten von ca. 98 %. Aufgrund der blockförmi-
tigt man im ausreichenden Maße eine flüs- pelschneckenextruder verarbeitet wird. Die gen Kettenstruktur der PDHCs mit sehr un-
sige Vorstufe des polymeren Trägersystems Reaktionsgleichung hierfür ist in Abbil- terschiedlichen Polaritäten eignen sich diese
oder eine flüssige Rezepturkomponente, in dung 3 dargestellt. Bei den SEBS-Copoly- Trägersysteme für den Einsatz im gesamten
der die Einarbeitung der Pigmente erfolgen meren macht man sich deren Vermögen zu Spektrum der TPE-Werkstoffe. Für die An-
kann. Caparol Industrial Solutions GmbH Nutze, Weißöl in sehr großen Mengen als wendung in TPE-Werkstoffen ergeben sich
arbeitet dabei mit zwei unterschiedlichen Weichmacheröl zu binden. Die Bildung der neben den beschriebenen spezifischen Einfär-
Trägerpolymersystemen, die beide aus dem polymeren Matrix erfolgt durch Compoun- bevorteilen zusätzliche Nutzen. PDHC wirken
Spektrum der thermoplastischen Elastome- dierung der pigmentierten Weißölpaste zu- während der Verarbeitung des Masterbatches
re stammen. sammen mit anderen Rezepturbestandteilen beim Kunden als effektives Prozesshilfsmit-
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Abb. 5: Einfluss von Polydi-
methylsiloxan-Poly-
harnstoff-Copolyme-
ren auf die Abriebfes-
tigkeit von TPU
tel. So werden bei der Extrusion auftreten- wenn PDHC-Trägerpolymere zur Modifizie- 5 Fazit
de Verarbeitungsdrehmomente durch PDHC- rung der TPUs eingesetzt wurden. Obwohl
basierte Masterbatche deutlich reduziert. Im die siliconbasierten Trägersysteme spezifi- Die Einfärbung von TPE-Werkstoffen mit
Spritzgießprozess haben die Additive sowohl sche stoffliche Eigenschaften von TPEs auch konventionellen Masterbatchen kann Prob-
einen positiven Einfluss auf den Einspritzvor- bei den typischen Zugabekonzentrationen leme mit sich bringen. Niedermolekulare Be-
gang als auch auf das Entformen der ferti- im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 3 Gew.-% standteile von Masterbatchen, wie Disper-
gen Bauteile. Insbesondere der bei weichen verändern, zeigen die Systeme keinen signi- gierhilfsmittel oder auch Verunreinigungen
TPE-Werkstoffen manchmal problematische fikanten Einfluss auf das Spannungs-Deh- von Rohstoffen migrieren aus TPE-Werkstof-
Entformungsschritt kann durch die Verwen- nungs-Verhalten oder die Härte der modi- fen deutlich schneller heraus, als aus konven-
dung von NEFA MB F Masterbatchen signi- fizierten TPEs. tionellen Thermoplasten und können so die
fikant optimiert werden. Abbildung 4 zeigt Produkteigenschaften negativ beeinflussen.
den Kraftverlauf eines Auswerferstiftes bei Masterbatche von Caparol Industrial Solu-
der Entformung eines konischen, becherför- 4 Universelle SEBS-Masterbat- tions GmbH sind speziell auf TPE-Werkstoffe
migen Bauteiles aus einem TPU-Werkstoff che für brillante Einfärbungen zugeschnittene Produkte, die aufgrund des
mit und ohne PDHC-basiertem Masterbatch. Herstellungsprozesses an der Schnittstelle
Das PDHC reduziert die zur Entformung not- Das zweite Masterbatchsystem, die SEBS- von Farben- und Kunststoffindustrie ohne
wendigen Kräfte sehr deutlich und trägt da- basierten Farbkonzentrate, haben keinen den Einsatz von Dispergierhilfsmitteln aus-
mit zur Verbesserung der Entformbarkeit bei. zusätzlich additivierenden Effekt bei der kommen. Im Fokus der Masterbatche steht
Einfärbung von TPE-Werkstoffen. Durch stets die mehrstufige Fertigungstechnolo-
Auch auf die Werkstoffeigenschaften ver- die Struktur der polymeren Träger sind die gie, die eine besonders effiziente Füllstoff-
schiedener TPEs können die siliconbasierten SEBS-basierten Masterbatche aber ebenfalls dispergierung und sehr hohe Pigmentbela-
Trägersysteme der NEFA MB F Masterbat- im gesamten Spektrum der TPE-Werkstoffe dung ermöglicht. Damit eigenen sich diese
che einen positiven Einfluss haben, insbe- problemlos einsetzbar und sehr gut verträg- Masterbatche ideal für die Einfärbung und
sondere auf die Oberflächeneigenschaften. lich. Neben den bereits diskutierten Vorteilen Modifizierung von TPE-Werkstoffen.
So lassen sich Glanz, Oberflächengüte oder der Masterbatche lassen sich diese Systeme
auch der Oberflächenreibkoeffizient von trotz hoher Füllgrade auch in sehr weichen
Bauteilen durch PDHC-Trägersysteme ver- Qualitäten herstellen. Insbesondere, wenn 6 Literatur
bessern. Zusätzlich beeinflussen die Additi- eine negative Beeinflussung der Härte durch
ve die Abriebfestigkeit von TPEs sehr positiv. Masterbatche zu erwarten ist, sind diese Sys- [1] M. Hübner, I. Schaar, Innovative, rußgefüllte
Der Einfluss auf die Abriebfestigkeit zweier teme daher sehr gut geeignet. Weiterhin ist Compounds und Masterbatche an der Schnitt-
TPU-Werkstoffe durch drei Gewichtsprozent es aufgrund der breiten Rohstoffbasis von stelle zwischen Kunststoff- und Farbenindust-
PDHC-Zugabe ist in Abbildung 5 dargestellt. SEBS-Compounds möglich, diese Masterbat- rie – Teil 1, GAK Gummi Fasern Kunststoffe,
Es ist ersichtlich, dass es zu einer erheblichen che entsprechend aller kundenspezifischen 74(01 02) 2021, 38-41.
Reduktion des gemessenen Abriebs kommt, und regulatorischen Vorgaben einzustellen.
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