Дозирование порошковых добавок и красителей

Современные полимерные изделия состоят, как правило, из смеси основного полимера с различными технологическими и функциональными добавками – смазками, антиоксидантами, термо- и светостабилизаторами, слипами или антислипами, антиблоками, антифогами и т.д., которые упрощают процессы переработки и (или) улучшают потребительские свойства готовой продукции. Окрашиваемые изделия требуют введения в состав материала красителей. Экономически выгодно при этом совмещать стадию окрашивания и введения добавок со стадией переработки полимерного материала в изделия.

Дозирование добавок и красителей при производстве готовой продукции, а также при изготовлении суперконцентратов красителей или добавок требует высокой точности и стабильности в течение всего периода изготовления серии изделий. Эта задача усложняется в случае «сложных» сыпучих материалов и, тем более, при их малых дозировках. К основным причинам снижения точности и ухудшения стабильности дозирования в процессе производства продукции относятся следующие:
• неравномерность подачи добавок по времени;
• неравномерность распределения добавок в материале;
• нагревание и плавление добавок в дозаторе;
• слишком маленький процент ввода;
• влияние вибрации при работе оборудования;
• склонность добавок к накапливанию статического электричества;
• вариативность (неоднородность) свойств сыпучих добавок и красителей – размера частиц, их физической и (или) насыпной плотности, гигроскопичности, комкуемости, текучести и др.);
• неудачные системы и принципы подачи и смешивания материалов в зоне смешивания;
• отсутствие системы управления и (или) ряда важнейших ее функций (запоминание рецептур, различные уровни допуска оператора к системе управления, дистанционное управление, функция истории работы системы). 

Правильный выбор оборудования для дозирования и подачи сыпучих красителей и (или) добавок в основной материал нельзя сделать без полного знания о главном технологическом процессе, основном полимере, а также о красителях и добавках, которые планируется использовать в процессе переработки.

Важным фактором, вызывающим неравномерность подачи «сложных» сыпучих материалов в основной полимер, является неправильный выбор конструкции подающего узла. Производителями дозаторов в качестве инструмента дозированной подачи используются, главным образом, шнек, диск и дозирующий цилиндр, которые могут существенно отличаться между собой по равномерности дозирования. Так, например, при одном и том же заданном значении дозы порошкообразного красителя (0,4 г), приходящейся на один цикл литья под давлением, из-за неравномерности его шнековой подачи приходится каждый раз расходовать на 0,1 г (на 25 %) больше красителя, чем при использовании дозирующего цилиндра, обеспечивающего минимальные отклонения дозы красителя (рис. 1).

Понятно, что для производителя вместе с увеличением расхода красителя пропорционально увеличиваются и денежные затраты на него, что неизбежно приводит к повышению стоимости готовой продукции и снижению рентабельности производства.

Другим негативным и крайне нежелательным (особенно для потребителя продукции) следствием неравномерности подачи добавок в основной полимер становится нестабильность свойств перерабатываемого компаунда и изготавливаемых из него изделий.

Следует подчеркнуть при этом, что равномерность дозирования добавок во времени принципиально зависит от выбранной конструкции подающего узла. Так, из рис. 2 видно, что для шнековой или дисковой конструкции подающего узла характерно «порционное» дозирование, график которого во времени в первом случае близок к синусоидальному (см. рис. 2, а), а во втором (см. рис. 2, б) – четко отражает подачу материала «порциями» с перерывами между ними. В отличие от них дозирующий цилиндр отличается гораздо большей равномерностью работы (см. рис. 2, в).

Описанные выше закономерности присущи дозированию обычных (гранулированных) красителей и добавок и не «работают» в случае «сложных» сыпучих материалов, имеющих специфические физикохимические свойства, среди которых малый размер фракции, гигроскопичность, сыпучесть, насыпная плотность, склонность к комкованию, повышенному накапливанию статического электричества и др. Именно такие специфические свойства сыпучих материалов могут вызывать проблемы их дозирования, если для этого выбрана конфигурация «обычного» дозатора, т.е. дозатора, традиционно используемого для гранулированных добавок и красителей.

В конце 2013 г. ООО «КомиПак» представило на рынке инновационную систему компании Movacolor, основанную на новых технических решениях и предназначенную для дозирования «сложных» сыпучих материалов и порошков с производительностью от 0,1 г/c (рис. 3). Основным узлом этой компактной системы модульной конструкции, названной MCBALANCE POWDER, является специальный гравиметрический (весовой) дозатор, работающий по принципу «потери веса» дозируемого материала.

В состав системы Movacolor входит двуспиральный дозирующий цилиндр с двумя синхронно вращающимися спиралями дозирования, которые с высокой точностью дозы на один оборот захватывают дозируемый материал из загрузочного бункера (см. рис. 3, б). Изменения, направленные в том числе на повышение удобства работы и улучшение доступа к оборудованию, коснулись также поддерживающей рамы с шибером, монтажного фланца типа Neckpiece и системы очистки. В бункере измененной конструкции находится ворошитель, работающий через редуктор от двигателя дозатора и предназначенный для постоянного ворошения находящегося в бункере порошка, не давая ему слежаться и поддерживая его сыпучесть. Даже если материал склонен к образованию комочков, система подачи, состоящая из двух вращающихся спиралей, разбивает эти комочки, продвигая материал к точке «ввода».

Все перечисленные изменения конструкции системы и ее узлов позволяют сделать процесс дозирования мелкодисперсных, слеживающихся, гигроскопичных и способных к комкованию порошкообразных материалов с плохой сыпучестью максимально точным и стабильным. Благодаря модульной конструкции компоновка новой системы дозирования может иметь большое количество различных конфигураций, что расширяет ее возможности и позволяет решить практически любую задачу дозирования добавок с обеспечением автоматизации и непрерывного контроля их подачи и расхода. Вот лишь некоторые примеры.

1. Гравиметрическая многокомпонентная система дозирования, предназначенная для одновременного ввода в основной материал двух добавок, одна из которых может быть порошкообразной, а вторая – гранулированной (рис. 4, а). При этом система запоминает в режиме реального времени расход каждого из подаваемых компонентов. Дополнительно в нижней части конструкции установлен статический миксер.

2. Гравиметрическая система дозирования для ввода порошковой добавки, выполненная в паре с весовым бункером основного материала, что позволяет контролировать реальный вес и добавки, и основного материала (рис. 4, б). Так же как и в первом случае, система оснащена статическим миксером.

3. Гравиметрическая система дозирования для ввода порошковой добавки, выполненная в паре с поддерживающей рамой для установки на нее бункера с добавкой, автоматически подающего ее в бункер дозатора (рис. 5). В заключение следует еще раз подчеркнуть, что новая конструкция узлов системы Movacolor проектировалась специально исходя из требований к дозированию «сложных» сыпучих материалов. Более чем годовые испытания на стабильность работы и точность подачи материала были успешно завершены вводом нового оборудования в его серийное производство.

А. В. Бореев, генеральный директор ООО «КомиПак»