Tecnologías para la elaboración de concentrados de color

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La fabricación de concentrados de color (masterbatch) para los polímeros ha acompañado a la industria plástica desde sus inicios y ha evolucionado de manera constante para dar respuesta a las nuevas necesidades y exigencias de los diferentes productos plásticos. La producción de estos materiales ha progrsado desde el aspecto simplemente estético y visual, con colores y tonalidades cada vez más llamativos, hasta aquellas características más funcionales requeridas por procesos de fabricación de alta exigencia (películas delgadas y coextruidos multicapas, rafia, hilatura, inyección de pared delgada, entre otros), en donde las nuevas tecnologías de fabricación son de mayor velocidad y en consecuencia demandan cada vez una mayor calidad y consistencia de los componentes que procesan, incluyendo los concentrados de color.

Para afrontar los retos que exigen las diferentes aplicaciones, los fabricantes de concentrados de color deben balancear una gran cantidad de variables y requerimientos que superan con creces el hecho de simplemente lograr el tono requerido, aspectos que van desde la elección del tipo de pigmento o colorante a utilizar, el vehículo en el cual se incorporará y la selección de una amplia gama de aditivos que buscan favorecer la dispersión, hasta el tipo de proceso de manufactura a usar, para lo cual existe una amplia variedad de soluciones tecnológicas con sus diferentes variantes.

Este documento presentará las tecnologías más usadas en la industria de fabricación de concentrados de color y sus principales variantes, las cuales tienen efectos importantes a considerar en cuanto a calidad, productividad y costo, variables a tener en cuenta a la hora de elegir el proceso más adecuado de acuerdo con los requerimientos de la aplicación.

Concentardos de color

Un concentrado de color, también conocido como masterbatch, es una mezcla de pigmentos o colorantes (la diferencia entre ellos radica en el tamaño de partícula y solubilidad) [1], aditivos y resina (vehículo), el esquema de la composición de una formulación de un concentrado de color se puede ver en la siguiente figura:

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Ilustración 1: Componentes generales de un concentrado de color

 

Los pigmentos en polvo tienen la tendencia a que sus partículas se unan, formando agregados o aglomerados, los cuales pueden llegar a tener diámetros superiores al espesor en la aplicación y causar grandes problemas a los procesos de transformación de los productos a los que se les incorpora tales como:

  • Variaciones en la intensidad del color y tono
  • Rápida obstrucción de filtros e hileras
  • Rompimiento en fibras
  • Grietas en laminados con foil de aluminio
  • Deterioro en las propiedades de barrera
  • Rompimiento en películas coextruidas multicapa

El objetivo de un fabricante de concentrado de color es asegurar que los agregados y aglomerados se rompan en pequeñas partículas homogéneas en tamaño, en un proceso conocido como dispersión. Este proceso puede mejorarse con la ayuda de aditivos que humectan las partículas de pigmento y previenen la re formación de agregados y aglomerados (floculación).

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Ilustración 2: Representación esquemática de los conceptos de dispersión

 

Una mejor dispersión por lo general asegura un mejor desempeño del concentrado en los procesos de transformación posteriores.

Extrusión doble husillo

La extrusión doble husillo ha sido la tecnología más adoptada a nivel mundial para la fabricación de compuestos en general, su principal ventaja radica en la gran capacidad de mezclado distributivo y dispersivo que posee, y en donde es posible favorecer a voluntad el componente elongacional vs el componente de cizalladura, lo cual se traduce en una mejora significativa en cuanto a la calidad de mezcla que puede obtenerse con esta tecnología.

La extrusión doble husillo puede llegar a ser muy versátil, toda vez que los tornillos pueden ser modulares y configurarse en función del tipo de mezcla que se requiera efectuar, con mayor o menor intensidad de mezcla, dependiendo del tipo de resina a procesar, forma en la que incorporan los componentes de la formulación y para el caso de los pigmentos, su naturaleza y funcionalidad requerida de los mismos.

Todo esto en principio parece muy complejo, pero una vez se comprenden los conceptos que hay detrás de las diferentes unidades o módulos que componen una configuración doble husillo (transporte, amasado, compresión, etc) es posible optimizar dicha configuración para obtener un compuesto homogéneo.

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Ilustración 3: Ejemplo de los diferentes módulos usados en extrusión doble husillo [1]

 

Dentro del proceso de extrusión doble husillo, existen variantes que tienen una gran influencia en la calidad y productividad de los concentrados de color, dentro de las cuales se resaltan:

Proceso en un solo paso

En este caso todos los componentes de la formulación se unen mediante una premezcla y se alimentan a la extrusora por la alimentación principal.

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Ilustración 4: Esquema de fabricación en un solo paso

 

Al estar todos los componentes de la formulación ingresando en la extrusora doble husillo al mismo tiempo, se pueden llegar a presentar fenómenos tales como:

  • Dificultades para plastificar el vehículo (resina)
  • Dificultades en el transporte de material al plastificar prematuramente elementos de bajo punto de fusión (como es el caso de algunas ceras y aditivos)
  • Necesidad de usar mayor cantidad de aditivos y por lo tanto el costo puede llegar a ser mayor.
  • Para el caso de pigmentos con efectos metálicos o perlados, en donde la forma de la partícula del pigmento debe preservarse para asegurar el efecto, esta configuración puede llegar a deteriorar un alto porcentaje de estas partículas.

 

Proceso en un solo paso con alimentación dividida

Las extrusoras doble husillo cuentan con la posibilidad de incorporar elementos de la formulación en distintos puntos a lo largo de la longitud del husillo; ciertas aplicaciones por ejemplo pueden llegar a tener dos y hasta tres puertos de alimentación diferentes, tal es el caso de compuestos altamente concentrados en donde un solo puerto de alimentación resulta insuficiente para lograr la incorporación en el vehículo de una alta cantidad de carga.

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Ilustración 5: Esquema de fabricación en un solo paso con alimentación divididas

 

En esta configuración por lo general solo se alimenta el vehículo (resina) por la alimentación principal y al no requerirse una premezcla con material en polvo (pigmentos y aditivos) es posible evitar la necesidad de pulverizar previamente el polímero, paso que suele ser requerido en la configuración anterior con el fin de evitar el fenómeno de segregación en la tolva de alimentación.

De esta manera se enfoca la capacidad la extrusora en la plastificación del vehículo, para luego incorporarle a la masa fundida los pigmentos y aditivos, evitando el efecto de una plastificación prematura de los compuestos o aditivos de bajo punto de fusión, así como la interferencia que puede tener un material no fundible como los pigmentos en el proceso de plastificación del vehículo.

Esta configuración resulta particularmente adecuada para aquellos pigmentos sensibles a la cizalladura y que brindan efectos especiales (perlados, metálicos, etc) dado que se evita someter la partícula a una excesiva carga térmica y mecánica que rompen o deterioran la forma de las partículas de pigmento y por consiguiente disminuyen el efecto que se quiere lograr.

Una de las desventajas de este proceso está en la limpieza que implica uno o más puertos laterales de alimentación, pero para ello los fabricantes de equipos han presentado soluciones tecnológicas tendientes a reducir estos impactos, tales como sistema de tolvas de repuesto de acople rápido, que permiten hacer el cambio de los elementos sucios por unos limpios, y realizar las labores de limpieza sin que se requiera que el equipo este parado. [3]

Monoconcentrado de color

La diferencia fundamental con los procesos anteriormente descritos radica en que en este proceso se elabora un concentrado de color a partir de un único pigmento (monoconcentrado) por extrusión doble husillo, y para obtener un tono específico se hace una mezcla de varios monoconcentrados nuevamente por extrusión doble husillo.

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Ilustración 6: Esquema de fabricación de monoconcentrados de color

 

En este proceso se realiza previamente una mezcla de los pigmentos, aditivos y resina en un equipo de alta eficiencia de mezclado (turbomezclador) en el cual se dan los proceso de rompimiento de los aglomerados, humectación y estabilización anteriormente descritos, para lo cual es importante controlar variables como velocidad de rotación, tiempo, temperatura y amperaje. Variables que deben ser ajustadas de acuerdo a la naturaleza y propiedades del vehículo, aditivos y pigmentos usados en la formulación, convirtiéndose en un proceso altamente relevante en la calidad del producto terminado a obtener.

Al salir de esta premezcla, el pigmento queda “encapsulado” por los aditivos por lo que se minimiza la generación de polvos y por consiguiente se favorecen los procesos de limpieza entre lote y lote en la extrusión.

Posteriormente para la obtención de un color y tono final se mezclan nuevamente todos los monoconcentrados en un segundo proceso de extrusión, lo que puede llegar a mejorar la calidad de la dispersión del producto terminado.

Este proceso implica un cambio radical con respecto a los anteriores, toda vez que se requiere contar con un inventario de monoconcentrados necesarios para la fabricación de una gama de colores específicos, aspecto que tiene que ser evaluado desde el punto de vista financiero.

Dentro de las ventajas que este proceso puede ofrecer son:

  • Producciones más “limpias” al minimizar el uso de material en polvo, y por consiguiente tiempos de limpieza menores entre lote y lote.
  • Valores de dispersión potencialmente mejores, al tener un segundo proceso de mezcla por extrusión doble husillo.
  • Productividad potencialmente mayor para la segunda extrusión pues su alimentación es exclusiva con pellets y no con polvos.

También es importante considerar algunas potenciales desventajas:

  • Adecuado para lotes de producción significativamente mayores que las tecnologías anteriormente descritas.
  • Incrementos en el Inventario de materia prima o semielaborado.
  • Puede afectar significativamente pigmentos sensibles a la cizalladura.

Conclusiones

Las tecnologías de fabricación de concentrados de color no son excluyentes entre sí y pueden ser empleadas de manera simultánea, su elección dependerá de:

  • Exigencia en calidad de dispersión por parte de la aplicación
  • Tamaño de lote a fabricar
  • Características especiales de los pigmentos o vehículos a utilizar

Un aspecto importante independiente de la tecnología de fabricación seleccionada está en los procesos de limpieza que requiere la industria del color, en donde una limpieza inadecuada puede cambiar el tono del color a fabricar con el riesgo de generar producto no conforme.

Dado que la industria del color es altamente dinámica y cambiante, con lotes de producción de bajo volumen (<500kg), implica intrínsecamente que quien se dedique a esta industria deberá perfeccionar sus procesos y metodologías de limpieza para asegurar una mayor disponibilidad de equipos, una mejor calidad y por consiguiente una mayor competitividad.

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