Catalogo Negro de Humo

USO DE NEGROS DE HUMO RAVEN ® ESPECIALES PARA PLÁSTICOS

Uso de Negros de Humo Raven® Especiales para Plásticos Introducción Los negros de humo Raven® de Columbian Chemicals Company pueden ser utilizados en una gran variedad de aplicaciones en plásticos. Este folleto resume estas aplicaciones, documenta el uso correcto del negro en varios tipos de plástico y orienta en la selección del negro de humo de Columbian.

Í n d i c e 3

Definición de Plásticos Propiedades Generales de los Plásticos

3 4

Características Importantes de los Plásticos Características Color Brillo Reología Durabilidad Propiedades Físicas Adsorción de Humedad

5

Aplicaciones Concentrados de Color Fibra Tubería Conductividad Cable Protección Ultravioleta (UV)

6

Propiedades Fundamentales Negros de Humo Raven® del Proceso Ultra®

7

Propiedeadess de las Partículas Propiedeade

8

Selección Negros de Humo Raven® Utilizados (Tabla)

9

Dispersión Técnicas Recomendadas (Tabla)

Í n d i c e

10 11

( c o n t . )

Medidas de Dispersión Apariencia de la Superficie Propiedades y Duración de Filtros Propiedades Físicas

12

Requisitos de Dispersión

12

Calidad y Estabilidad de la Dispersión

13

Proporción Negro de Humo/Polímero

13

Problemas y Limitaciones de Altas Concentraciones de Pigmento Viscocidad del Concentrado Química del Vehículo

13

Premezclado Selección de Premezcladora

14

Métodos de Dispersión Dispersión de Fuidos Dispersión por Molino de Perlas Dispersión por Molino de Tres Rodillos Dispersión de Alta Plasticidad

15

Dilución de Concentrados

16

Presentación

16

Medidas de Desempeño

17

Negros Disponibles para la Comunidad Internacional

18

Asistencia al Cliente

Las declaraciones, opiniones y/o recomendaciones aquí presentadas están basadas en información, datos, reportes y pruebas consideradas fiables. SIN EMBARGO, COLUMBIAN NO SE HACE RESPONSABLE, NI GARANTIZA LA EXACTITUD O TOTALIDAD CON RESPECTO A LO DICHO ANTERIORMENTE NI CON CUALQUIER PRODUCTO DE COLUMBIAN INVOLUCRADO, NI GARANTIZA LA COMERCIABILIDAD O LA ADECUACIÓN PARA UN USO EN PARTICULAR. Las declaraciones concernientes al uso de productos de Columbian no tienen como intensión ser consideradas como recomendación a ser utilizadas si esto infringe cualquier patente.

3 Usos de Negros de Humo Raven® Especiales para Plásticos

DEFINICIÓN DE PLÁSTICOS Descripción general A Partir de 1945 la industria plástica se ha convertido en una fuerza dominante de casi todos los mercados industriales del mundo. Los plásticos ahora se usan como materiales de construcción y diseño y compiten con materiales como madera, acero, cristal, etc. Algunos de sus usos primarios incluyen empaquetados, construcción, transportes, electrónica, aparatos electrodomésticos y muebles por mencionar algunos. Además de estos mercados primarios los plásticos son

utilizados en mercados nicho en los que el balance de sus propiedades físicas son atributos clave para el desempeño óptimo del producto. La gran mayoría de los plásticos son obtenidos de sustancias petroquímicas por medio de una serie de reacciones químicas. La materia prima, uno o varios monómeros, se hace reaccionar químicamente para formar polímeros. Una vez formados, se pueden utilizar varios aditivos para mejorar algunas propiedades del polímero como son resistencia al fuego, fluidez, resistencia al impacto y resistencia a la degradación por luz ultravioleta. Finalmente, el polímero puede ser empacado en perlas, polvo, o gránulos de diversas dimensiones. Los polímeros pueden ser divididos en dos subgrupos: termoplásticos y termofijos . Los termoplásticos son materiales que pueden ser fundidos y reformados; los termofijos, por el contrario, no pueden ser fundidos una vez que han sido formados. Existen algunos plásticos que se encuentran entre estos dos. Hay algunos termoplásticos que pueden tener características de ambos subgrupos; por ejemplo, algunos polímeros termoplásticos como el polietileno o poliuretano pueden hacerse reticulables. Los termoplásticos están clasificados en artículos de comercio o genéricos y en los llamados resinas para usos ingenieriles (engineering grades). Esta clasificación está basada en las propiedades requeridas por el producto final. El polietileno, poliestireno, polipropileno, poli(etileno tereftalato), y cloruro de polivinil (PVC) son tipos de artículos de comercio. Ejemplos de los ingenieriles incluyen los policarbonatos, nylons y acetatos. Plásticos como el ABS pueden ser incluidos en las dos categorías. Las propiedades requeridas en los plásticos ingenieriles son más estrictas que en los artículos genéricos; entre éstas se encuentran propiedades como la resistencia al impacto, deformabilidad, variabilidad del producto (tolerancias), y otras propiedades físicas. Los plásticos utilizados en artículos genéricos son usados en productos como paquetería (bolsas y contenedores) y materiales de construcción (pisos, aislantes). Los productos utilizados en el área de ingeniería son usados en automóviles (aplicaciones prácticas y estéticas), aparatos electrodomésticos y cubiertas, computadoras (ordenadores), otros productos electrónicos, y en productos ópticos (lentes y gafas). Los polímeros termofijos son populares debido a una variedad de aplicaciones entre las que se incluyen espumas, cubiertas, selladores y adhesivos. Tienen una variedad de propiedades de desempeño que incluyen durabilidad, resistencia a la temperatura

y propiedades mecánicas. Algunos ejemplos de materiales termofijos son los poliuretanos, fenólicos, silicones, epóxicos, y poliésteres. Existen aproximadamente sesenta tipos diferentes de polímeros disponibles en el mercado. Cada una de sus propiedades puede ser incrementada con el uso de aditivos y agentes de refuerzo para encontrar materiales apropiados para cada aplicación. Ya sea en relación con su producción, composición o uso final, la industria plástica tiene un brillante futuro.

CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES Color – El color que se observa en un compuesto plástico es el

resultado de la interacción de las propiedades ópticas de los pigmentos y del polímero usado. La mayoría de los pigmentos son selectivos pues absorben y dispersan selectivamente una u otras de las porciones del espectro visible. Los negros de humo absorben eficientemente la luz a lo largo del espectro visible. En las aplicaciones en color, la profundidad del color negro o “Jetness” y el matiz producidos por el negro de humo son afectados por factores relacionados con las propiedades del negro y la calidad de su dispersión. En las aplicaciones en tintas, la absorción de la luz es el mecanismo dominante por el que el negro de humo afecta el matiz de la tinta. Las propiedades de color de un compuesto plástico moldeado pueden ser medidas con instrumentos; es decir, lecturas con instrumentos pueden ser utilizadas para describir el color. Estos instrumentos convierten los datos del espectro de reflectancia en un punto de un espacio tridimensional de colores. El método de medición de Hunter L,a,b pone el color de la muestra en un espacio definido a lo largo de tres ejes: “Color Hunter ”

• L- eje blanco/negro. • a- eje rojo /verde. • b- e je amarillo /azul. L=100

blanco +b amarillo -a verde

+a rojo -b azul negro L=0

El color relativo de dos muestras puede ser descrito por la diferencia de posición a lo largo de los ejes L, a, b. La diferencia en color total entre dos muestras es descrita, en el si stema Hunter por DE o la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los valores del L, a, y b de cada muestra.

Usos de Negros de Humo Raven® Especiales para Plásticos 4

En los negros de Columbian se observa una excelente correlación entre la percepción visual de la profundidad del negro y los valores de Hunter L obtenidos al utilizar los espectrómetros de reflectancia equipados con geometrías de 0/45 para medir los niveles del color. La presencia del negro de humo principalmente reduce el valor de L del color del plástico. Esta propiedad puede ser utilizada para lograr una profundidad del color negro (jetness) donde el negro de humo sea usado como único pigmento o para oscurecer una tinta. Negros de humo bien dispersos van desde el matiz neutral al azul. Negros que no están bien dispersos tienden a tener un matiz café. Brillo – El brillo de una pieza de plástico se debe mayormente al

molde o a la textura de la superficie del dado del extrusor. En grado variable influyen el tipo de polímero, los aditivos, la concentración de los pigmentos, y el nivel de dispersión. El negro de humo tiende a absorber vehículo, lo que normalmente resulta en un brillo reducido. Mientras mayores sean los requerimientos de negro por el vehículo, mayor será la reducción en el brillo. Dentro de los límites del sistema, un negro de humo con buenas propiedades de dispersión y baja demanda de polí mero maximiza el brillo. Reología – La viscosidad de un compuesto plástico debe estar

diseñada de acuerdo al producto final y el método de moldeo utilizado. Normalmente al incrementar la superficie del área a pigmentar, la estructura y la concentración aumentan la viscosidad del compuesto plástico. La naturaleza de las partículas de negro de humo y su afinidad por el vehículo en el que se dispersan tienden a incrementar la viscosidad del polímero y la respuesta del sistema a esfuerzos cortantes. La química de superficie del negro de humo tiene efectos diferentes en los plásticos a los obtenidos en sistemas líquidos. Duración – La habilidad de un plástico para resisitir la exposición

a los elementos y abuso físico es una medida de la durabilidad. La excelente absorción de las longitudes de onda de la luz hace del negro de humo un excelente vehículo para proveer de protección contra los rayos ultravioleta (UV) a cualquier sistema plástico en el que se encuentre disperso. Cargas constantes de negros finos tienden a absorber más UV que los más gruesos; por consiguiente, negros más finos deben ser preferidos donde la protección contra UV sea requerida. Dentro de límites, mayores concentraciones de pigmento también resultarán en un incremento de la absorción de UV. Protección de Radiación UV

n ó i c c e t o r P r o y a M

Aumento›

concentración 1/tamaño de partícula

P a r a maximizar la durabilidad de un plástico es importante utilizar un pigmento sin impurezas. La tecnología Ultra® de Columbian da

residuos, y metales residuales) que los de los negros sin este proceso. Propriedades físicas – Las propiedades físicas de un material

termoplástico, tales como fuerza de impacto, esfuerzo a la tensión y elongación pueden ser influidas significativamente por la morfología, las propiedades coloidales y el nivel de dispersión del negro de humo utilizado para pigmentarlos. La resistencia al impacto es reducida al incluir cualquier partícula al compuesto. Algunos métodos que pueden ser utilizados para mantener la resistencia al impacto de la resina pura incluyen: • Mantenimiento de las cargas de negro de humo al mínimo requerido para satisfacer las necesidades de color y/o protección de los UV. • Optimación del nivel de dispersión adquirido. • Utilización de concentrados en oposición a mezcla directa del pigmento a la concentración del producto final.

Las propiedades tensiles son muy importantes para varias aplicaciones plásticas como los cables, fibras y películas delgadas. La influencia del negro de humo sobre estas propiedades puede variar sustancialmente con la morfología, carga y dispersión del negro utilizado; además se deben considerar los efectos que las propiedades físicas de los polímeros y aditivos utilizados pueden tener sobre las propiedades tensiles. Adsorción de Humedad – Un compuesto con un elevado nivel

de humedad puede tener efectos adversos durante la extrusión o el moldeo. Contenidos altos de humedad pueden resultar en la formación de vapor durante el proceso, lo que a su vez ocasiona la formación de burbujas en el producto final. El negro de humo contribuye al contenido de humedad de un compuesto. Al ser incluido en un compuesto el negro adsorbe humedad hasta alcanzar un equilibrio con la humedad del medio ambiente. Cuando se utiliza un negro de humo no poroso, se puede esperar que el compuesto alcance un contenido de humedad aproximadamente igual al esperado de acuerdo al área superficial. Cuando se usan negros porosos, el cálculo de humedad adsorvida al equilibrio deberá estar basado en su área superficial externa. La rapidez a la que un compuesto adsorbe humedad está influenciada por la granulometría del material y la habilidad del empaque para actuar como barrera impermeable.


El uso de métodos de almacenamiento correctos, los métodos de secado adecuados, y/o del equipo de ventilación para reducir el nivel de humedad de un compuesto son métodos comunes para resolver los problemas asociados con la humedad.

APLICACIONES Concentrados de color: Uno de los mayores usos del negro de

humo en plásticos es el impartir propiedades de color y/o opacidad a un producto final. Un método típico usado para aprovechar al máximo las propiedades para pigmentar del negro de humo es el preparar concentrados con grandes contenidos de negro de humo. Este concetrado puede ser utilizado después para pigmentar el producto final. Las ventajas de este método son una dispersión más eficiente y la limpeza de manejo. El Raven 400 y 500 y la serie de negros Ultra® fueron diseñados para dar el mejor rendimiento en los mercados de polietileno al concentrado de color. Otros productos como el Raven 2500 Ultra® están diseñados para los plásticos del área de ingeniería.

Fibras: El negro de humo es utilizado en la producción de fibras para alfombras y otros textiles. Ésta requiere que los compuestos que contienen negro de humo sean capaces de pasar por hiladoras muy finas. En algunos casos los compuestos utilizados para producir fibras debe pasar por filtros tan finos como de un tamiz de 1400. Los negros de humo Raven 1190 Ultra® y Raven® C Ultra® de Columbian están preparados para porveer el color y la capacidad de extrusión que esta aplicación requiere. La capacidad de dispersión máxima combinada con la pureza del pigmento son claves en esta aplicación. Tubería: La razón más importante para utilizar un negro de humo en tubería es la protección de la radiación UV y la obtención del color deseado. Áreas importantes a considerar son la tersura de las superficies de extrusión, l a no interferencia con las propiedades físicas y, para usos con agua potable, las propiedades organolépticas. Condutividad: Las aplicaciones del negro de humo en esta área van desde materiales aislantes hasta protecciones de interferencia electromagnética (EMI). Columbian cuenta con una variedad de negros que pueden ser utilizados en el amplio rango de la aplicacion eléctrica. Los productos como el Raven 1255 minimizan la conductividad a través de una combinación de propiedades entre las que se incluyen:

• partículas de tamaño 21 nm que ofrecen una buena protección contra los UV • estructuras bajas para lograr una buena reología • tratamientos que al tener en su superficie diferentes grupos funcionales oxigenados permiten obtener una superficie químicamente activa que actúa como aislante Los productos como el Conductex 975 Ultra ® tienen un desempeño excelente en aplicaciones conductivas debido a la combinación de propiedades como tamaño de partícula fino, porosidad, altas estructuras y bajo contenido volátil. El proceso Ultra® utilizado en la producción de este negro da como resultado compuestos con una excelente duración de filtros y superficies

Cable: Las aplicaciones en cables requieren una amplia variedad de propiedades. El cable para transmisión de voltage de media potencia está formado por varias capas de compuestos. El conductor eléctrico se encuentra recubierto con un compuesto semiconductor diseñado para aliviar las tensiones eléctricas del cable al conducir los electrones que de otra forma podrían escapar a lo largo del conductor. Esta capa normalmente está hecha con un negro conductor. Esta capa protectora debe ser muy tersa para poder lograr la interface perfecta entre el aislante y el conductor. De no ser así puede ocurrir una falla prematura. La capa aislante se usa para separar el conductor del medio ambiente. Una segunda capa semiconductora aumenta la eficiencia del cable y la capa externa se puede utilizar para dar protección UV, para aumentar la protección en contra de la humedad u otros elementos, incluyendo cables que van bajo tierra. Al diseñar cables submarinos es imperativo evitar la contaminación con materiales ionizables en la protección del conductor. Cualquier material ionizable se puede mezclar con el aislante e iniciar un punto de degradación eléctrico. Los bajos niveles de impurezas de los negros Ultra® de Columbian ofrecen beneficios importantes al ser usados en esta aplicación. Cable de Transmisión de Poder de Voltaje Medio Aislante

Capa de Protección de Radiación UV

Capas Semiconductoras

Conductor

El principal uso de negro de humo en cables de telecomunicación o de bajo voltaje es contribuir a una larga duración por medio de la absorción de radiación UV. Cable de Bajo Voltaje

Capa aislante/cubierta

Conductor

Protección de ultravioleta(UV): El negro de humo absorbe la energía UV y la convierte en energía termal, la que puede ser disipada por un compuesto, protegiéndolo así contra los rayos ultravioleta. Las superficies de negro de humo actúan como trampas de radicales y estabilizadores, ofreciendo así un segundo mecanismo de protección contra la radiación ultravioleta.


PROPRIEDADES FUNDAMENTALES Las porpiedades fundamentales del negro de humo que afectan las propiedades del compuesto plástico final son: • Fineza, o distribución del tamaño de partícula • Estructura, o distribución del tamaño y forma de los agregados • Porosidad, o distribución del tamaño del poro • Química de la superfície , o distribución de la actividad química de la superficie

Las propiedades del negro de humo tienen influencia en el desempeño del mismo Las propiedades del negro de humo que tienen cierta influencia en el desempeño del compuesto plástico son:

Menor tamaño de partícula (mayor área superficial) • Incrementa la profundidad del color negro • Incrementa el poder tintóreo • Incrementa la portección y absorción de los UV • Incrementa la conductividad eléctrica • Incrementa la demanda por vehículo y la viscosidad • Disminuye la dispersibilidad • Incrementa la adsorción de humedad del compuesto y del negro de humo* *El área de la superficie de nitrógeno tiene influencia sobre el nivel de adsorción de humedad del negro de humo.

Una estrutura más compleja • Incrementa Absorción del Dibutil ftalato (DBP) • Reduce la profundidad del color negro y el poder tintóreo • Mejora la dispersibilidad • Aumenta la demanda de vehículo y la viscosidad • Aumenta la conductividad eléctrica La porosidad disminuye la densidad de una partícula de negro; por consiguiente, a contenidos equivalentes en peso la porosidad aumenta el número de partículas presente en el compuesto, reduciendo la distancia entre partículas y aumentando la conductividad. (Nota: la porosidad puede ser estimada por grandes diferencias entre NSA y STSA, donde NSA mide el área total de la superficie y STSA el área de la superficie externa).

Mayor porosidad • Aumenta la demanda por vehículo y la viscosidad • Aumenta la conductividad eléctrica • Permite el uso de cargas menores en aplicaciones en conductores Aumento del contenido de oxígeno en la superficie • Mayor contenido volátil • Reduce la conductividad eléctrica • Aumenta la velocidad de adsorción de humedad

Existen algunas otras propiedades que pueden afectar el desempeño de los compuestos plásticos; otros constituyentes del negro de humo como son azufre, cenizas, residuos, etc., y su forma de presentación como en perlas, o en polvo también deben ser considerados. El negro de humo de un grado específico no cuenta con partículas de un tamaño uniforme; por esta razón al hablar del tamaño de partícula se habla del promedio del tamaño de las partículas. La media de esta distribución es un factor importante en el desempeño del negro de humo en el plástico.

CARACTERÍSTICAS ESPECIALES NEGROS DE HUMO RAVEN® DEL PROCESO ULTRA® La teconología Ultra ® es un desarrollo comercial de Columbian Chemicals Company específico para negros de humo de muy alta pureza. Los negros producidos mediante

esta innovadora tecnología típicamente cuentan con cenizas y niveles de residuos de un tamiz 325; que son un grado de magnitud menores que los producidos por la tecnología convencional. El incluir Ultra® en un producto Raven® indica un producto para aplicaciones plásticas que ofrece mejoras en la facilidad de dispersión, duración de los filtros, la tersura y consistencia en la calidad de las superficies extruidas.


PROPRIEDADES FÍSICAS DE LAS PARTÍCULAS La microscopía de trasmisión de electrones con análisis automático de imágenes (TEM/AIA) es utilizada en Columbian Chemicals Company para determinar la distribución de tamaño y la forma de las partículas y agregados. Una técnica avanzada mediate TEM que utiliza i mágenes múltiples de los agregados ha sido utilizada recientemente para obtener un mayor conocimiento de las estructuras en tres dimensiones de los agregados. Al usar un goniómetro para rotar las estructuras en el microscopio de electrones los diferentes aspectos de la estructura pueden ser observados a diferentes ángulos. Los modelos en tres dimensiones pueden ser construidos por imágenes múltiples. En promedio los agregados de negros de humo de valores grandes de estructura muestran mayores cambios al ser estudiados por este método que los agregados de estructuras menores. La figura a continuación muestra una micrografía de electrones de un agregado (izquierda) y una imagen en tres dimensiones del modelo computarizado del mismo agregado a la misma escala (derecha). Aunque las dos figuras son bidimensionales, la imagen del modelo (derecha) muestra claramente el agregado en tres dimensiones; esto incrementa la información acerca de la relación espacial entre partículas de un agregado. Además, estos modelos computarizados pueden ser rotados a la orientación deseada para observarlos y medirlos. El desarrollo continuo de técnicas de análisis tridimensional contribuirá a la comprensión de cómo la estructura del agregado influye en las propiedades de las aplicaciones.

Negro de Humo de Estrutura Alta

Imagen TEM

Modelo en 3 dimensiones

50,000 aumentos

Existe un negro de humo Raven ® para satisfacer cualquier requisito de las aplicaciones plásticas. Columbian Chemicals Company produce más de 25 diferentes productos Raven® para varias aplicaciones plásticas. El rango de aplicaciones cubre desde concentrados de color básico que producen opacidad en los polímeros hasta sofisticados materiales conductores.


La sección a continuación discute los diferentes métodos de dispersión que pueden ser utilizados para aprovechar al máximo las propiedades del negro de humo.

SELECCIÓN Los negros de humo Raven ® de Columbian Chemicals Company han establecido una marca en cuanto a su calidad y desempeño,

y ofrecen una variedad de productos para aplicaciones plásticas que cubren las demandas más estrictas. Estamos orgullosos de la reputación de Raven® por su excelente calidad y servicio. Existe un negro de humo Raven® para cada aplicación plástica. Sin embargo, si su aplicación requiere de propiedades especiales, los Departamentos de Servicio Técnico, Tecnología de Producto y Laboratorios de Atlanta y de Europa están a sus órdenes para resolver sus dudas y necesidades específicas. Esta sección contiene el marco de referencia y la información necesaria para seleccionar el negro Raven® apropiado para sus aplicaciones plásticas. La tabla a continuación lo ayudará a seleccionar los negros de humo para aplicaciones específicas y sólo debe ser utilizada como un indicador de los negros utilizados y/o diseñados para los tipos de plásticos mostrados.

— Negros de humo Raven® utilizados

Grado

Colores Fuertes

Colores Medios

Colores Bajos

Especiales

Plásticos que requieran colores fuertes y excelente resistencia a la interperie

Plásticos que requieran colores superiores y excelente resistencia a la interperie

Concentrados de color y aplicaciones en tuberías

Materiales conductores y cables

1

Raven 5000 Ultra II 1 Raven 7000 Raven 2500 Ultra® Raven 2000 Raven 1500 1 Raven 1255 Raven 1200 Raven 1170 1 Raven 1100 Ultra ® 1 Raven 1060 Ultra ® 1 Raven 1040 1 Raven 1035 Raven 1020 Raven L Raven P Raven P-FE Raven P-3 Raven 1000 Raven 890 Raven 850 Raven 510 Raven 510Ultra® Raven 460 Raven 450 Raven 420 Raven 410 Raven 410Ultra® Raven 22 Raven 16 1 Raven 14 Raven C Ultra ® Conductex SC Ultra ® Conductex 975 Ultra® 1

Tipo Lámpara Matiz azul Tintas Adsorción UV Semi-conductor Conductor

tratamiento superficial

A continuación se presentan diferentes técnicas de dispersión y requisitos de molinos. Esta información será útil para aprovechar al


DISPERSIÓN Esta sección describe varios métodos y técnicas utilizadas para dispersar los negros de humo Raven® en aplicaciones en plásticos. La sección previa describe cómo seleccionar el negro Raven® óptimo para cada aplicación, mientras que en ésta se detalla cómo optimizar el uso de los negros de humo Raven®. La tabla a continuación resume las técnicas de dispersión de negros de humo Raven® recomendadas en aplicaciones en plásticos.

— Técnicas de dispersión recomendada — Equipo de Dispersión

Intensidad

Premezclado

Negro RAVEN ® Recomendado

Fuerza cortante media

Requerido

Polvo Perlas sólo con buen premezclado

Requerido

Polvo

Fuerza cortante baja

No

Perlas o Polvo

Premezclado para Alta velocidad fundir algunos aditivos Fuerza cortante baja en los otros componentes

No

Perlas o Polvo

Aplicación

Molinos de Perlas

Plastisoles y concentrados líquidos de color

Molinos de Tres Rodillos

Plastisoles y Fuerza cortante alta concentrados líquidos de color

Mezcladoras de Listón y Rolado Mezcladoras Tipo Henschel

Uso de premezclas en materiales no fluyentes

Extrusores de un Husillo

Mezclado en material fundido


Funcional aunque no Perlas para manejo más necesario limpio

Extrusores de Doble Husillo



Funcional aunque no Perlas para manejo más necesario limpio

Mezcladoras Continuas


Fuerza cortante alta

Mezcladoras de Fuerza Cortante Alta Mezcladoras de dos Rodillos Banburys


Fuerza cortante alta Funcional aunque no Perlas para manejo más necesario limpio

No es necesario

Perlas para manejo más limpio

Los negros de humo Raven® son lo más avanzado en negros para aplicaciones plásticas; sin embargo, para aprovechar al máximo el potencial de cualquier negro de humo se deben seguir varios pasos entre los que se incluye: • Incorporar el negro de humo en el sistema. • Desplazar el aire atrapado en el negro de humo y sustituirlo con vehículo del sistema • Reducir los macroaglomerados de negro de humo a microaglomerados o agregados a través de la dispersión.

Cuando estos pasos se llevan a cabo cuidadosamente, el desempeño de los negros de humo Raven® es óptimo en cuanto a jetness,


MEDIDAS DE DISPERSIÓN La industria de los plásticos utiliza varias herramientas para caracterizar el nivel de dispersión obtenido, medidas tanto visuales como instrumentales de la apariencia de l a superficie del producto final, la duración de filtros, microscopía de luz, y propiedades físicas del producto final. Los indicadores utilizados en sistemas líquidos pueden ser utilizados para evaluar la dispersión de los concentrados. Apariencia de la superfície

Al examinar las películas, cubiertas de cables o tubería extruida de un compuesto pigmentado se pueden apreciar las características de la dispersión. El tamaño y la frecuencia de las imperfecciones en la superficie del compuesto extruido pueden indicar el nivel de dispersión en el material. Una apariencia deficiente puede indicar la necesidad de mayor energía de dispersión para lograr la calidad deseada. A mayor frecuencia y/o tamaño de las imperfecciones de la superficie, menor calidad. Las imperfecciones de la superficie también pueden ser ocasionadas por:

La superficie extruida puede ser revisada visualmente o por medio de instrumentos capaces de localizar y medir las imperfecciones de la superficie. Un ejemplo de estos instrumentos es el Surfanalyzer desarrollado por Columbian. El Surfanalyzer barre el perfil de la muestra y reporta el tamaño y frecuencia de las imperfecciones de la superficie. Propiedades y duración de los filtos

Las mezcladoras de concentrados de color normalmente incluyen en el proceso de extrusión una criba para prevenir que los materiales extraños contaminen el producto final. Cuando el negro de humo no se encuentra bien disperso puede tapar los filtros; por consiguiente, el uso de técnicas de dispersión apropiadas minimiza el reemplazo frecuente de los mismos. Además de la dispersión, la pureza del negro de humo en sí misma es un elemento crítico en la duración de los filtros. Los negros de humo de proceso Ultra® de Columbian cuentan con niveles muy bajos de cenizas y residuos. La duración de los filtros puede ser caracterizada al graficar la presión sobre el filtro del extrusor contra el tiempo de extrusión o la cantidad del compuesto extruido.

La temperatura del proceso La condición del equipo de proceso La selección de materiales en el compuesto El manejo de la muestra después de haber sido procesada Algunos ejemplos de los diferentes niveles de dispersión en superficies extruidas se muestran a continuación. Los puntos negros indican protuberancias de la superficie.

Presión sobre el filtro vs. tiempo de extrusión

) i s p (

Negro de humo sin Ultra

n

ó i s e r P

Negro de humo Ultra

Superficie con extrusión pobre

Superficie con extrusi ón buena

Tiempo de extrusi ón (min.)

Este ejemplo muestra cómo el negro de humo de proceso Ultra® tiene un filtro de vida superior con respecto a un negro de un proceso típico.


Microscopía de luz

Algunas aplicaciones, como el aislamiento para un cable de telecomunicación, deben cumplir algunos requisitos tanto en el nivel de dispersión como en la pureza. La microscopía de luz ofrece un medio para determinar si un compuesto cumple con las especificaciones en cuanto a dispersión. La muestra a evaluar es seccionada a un mínimo espesor de tal manera que sea transparente. Los resultados del microscopio de luz pueden ser interpretados comparándose con una serie de estándares. Normalmente el tamaño y la frecuencia de los aglomerados presentes en la muestra son caracterizados y comparados con estándares de calidad. En el Centro de Tecnología de Columbian la microscopía óptica puede ser utilizada en combinación con un análisis automatizado de imágenes para realizar esta función en forma más confiable y repetible. El microscopio de luz también puede ser utilizado para diferenciar muestras opacas. Una pequeña sección de la muestra a estudiar es puesta entre dos portaobjetos de vidrio. Los objetos son calentados al punto de fusión de la resina y presión es ejercida. Los ejemplos a continuación muestran el compuesto en gris y el material no disperso en negro. En el número 1 vemos la muestra al ser presionada. El número 2 y el 3 vemos la muestra después de ser recalentada y los portaobjetos deslizados uno con respecto del otro.

1) Dispersión presionada entre portaobjetos

2) Pobre dilución de concentrado

3) Pobre dispersión de pigmento en el concentrado

Es común el encontrar que lo que parece ser una mala dispersión resulte en un concentrado bien disperso pero con alta viscosidad como para mezclarse, o incorporarse completamente en la resina diluyente. Esto puede resultar si existe una gran diferencia de viscocidad entre el concentrado y la resina. Propiedades físicas

El nivel de dispersión puede manifestarse en las propiedades físicas del producto final. En las resinas ABS, por ejemplo, la resistencia al impacto es aumentada al mejorar la dispersión. Al comparar la resistencia al impacto de compuestos hechos con una carga final de 1% de negro de humo se observa que los materiales preparados a través de un concentrado mantienen una mayor resistencia al impacto que los manufacturados de manera directa. Se cree que este resultado es debido a que la mayor intensidad en las fuerzas de dispersión en la ruta a través del concentrado mejora el nivel de dispersión del pigmento.


REQUISITOS DE DISPERSIÓN – CARGAS DE NEGRO DE HUMO Para lograr compuestos plásticos eficiente y económicamente la calidad del negro de humo utilizado en el proceso de dispersión debe ser de la más alta calidad posible al igual que debe ser consistente con el desempeño del sistema de mezclado y el tipo y calidad del producto a realizar. Plásticos diferentes requieren diferentes niveles de dispersión. En muchos casos el mal desempeño de un compuesto plástico puede ser atribuido directamente a una insuficiente dispersión del pigmento. Esto muestra la importancia de desarrollar y mantener buenos niveles de dispersión.

Sin embargo, se pueden presentar situaciones en las que la calidad de la dispersión y la estabilidad del producto final resulten inadecuadas para lograr el desempeño óptimo del negro de humo. La mala calidad de la dispersión y la inestabilidad se pueden manifestar a través de una gran variedad de problemas asociados con el concentrado de dispersión del pigmento o la apariencia de la aplicación final y el desempeño resultante. Algunos de estos problemas se explican a continuación:

1) “Puntos”, “aglomerados”, y “núcleos o aglutinantes” son los términos comunes que describen la aparición de pequeños grumos que resultan de la inestabilidad en los concentrados de color líquidos o en plastisoles. Para resolver este problema se debe obtener una buena dispersión, ya sea a través de aditivos, mejoras mecánicas u otras técnicas.

Una excelente dispersión es necesaria para materiales plásticos con requisitos estrictos de desempeño. Productos como el recubrimiento de cables y fibras requieren de este excelente nivel 2) La mala dispersión en el concentrado resulta en una posible de dispersión para adquirir el nivel de desempeño deseado. Un reducción de color, brillo y aparición de un matiz café en el mejor control de las propiedades del plástico (color, matiz, producto final. Estos problemas sólo pueden ser resueltos viscosidad, brillo, durabilidad, propiedades de extrusión, etc) aumentando la energía de dispersión del compuesto. Esto se puede ser logrado al obtener un nivel de dispersión máximo. Por obtiene optimizando las cargas de negro de humo, extendiendo otro lado, una mayor tolerancia en la dispersión del negro de los tiempos de mezclado y modificando las condiciones del humo se aplica en artículos de uso genérico como podrían ser proceso. artículos de plástico moldeado para ornato. 3) La alta viscosidad asociada con cargas altas de negro de humo puede generar calor excesivo durante el mezclado, lo que es dañino para los polímeros sensitivos al calor. El calor en exceso ocasiona la formación de geles que degradan la calidad y CALIDAD Y ESTABILIDAD DE LA DISPERSIÓN estabilidad de la dispersión. El uso de cargas reducidas o el control La meta en la producción de dispersiones es el obtener un correcto de la temperatura ayuda a resolver este problema. producto que cumpla con los requisitos de desempeño del cliente.


PROPORCIÓN NEGRO DE HUMO/POLÍMERO Altas proporciones negro de humo/polímero son convenientes en los concentrados aunque cada polímero tiene un límite en su habilidad para contener pigmento. Este límite es encontrado sólo por la experimentación con cada producto en particular y el equipo de dispersión con que se cuenta para realizar el producto. Si el compuesto original o inicial va a ser diluido, se debe estar seguro que se ha utilizado suficiente polímero para que la viscosidad sea la correcta y permita al concentrado mezclarse en la resina diluyente. La selección del negro de humo Raven® que permita el mejor desempeño es dictada en parte por la viscosidad necesaria del compuesto a producir.

PROBLEMAS Y LIMITACIONES DE ALTAS CONCENTRACIONES DE PIGMENTO Una gran variedad de problemas pueden aparecer al utilizar altas cargas de pigmento en la preparación de una dispersión de negro de humo. Aunque las concentraciones altas sean deseables, las limitaciones en la cantidad usada deben ser consideradas. Algunas de estas posibles limitaciones se describen a continuación:

PREMEZCLADO Mezcladora de cinta Mezcladoras tipo Henschel

Como puede ser observado en la Tabla al princio de esta sección, no todos los equipos de dispersión requieren que el negro de humo y el vehículo se premezclen. Para asegurar la mejor operación en los extrusores, en las mezcladoras de husillo doble y en el equipo de moldeo recomendamos que se haga una mezcla previa para asegurar la mejor operación del proceso. El contacto íntimo entre el polímero y el negro de humo en el tiempo de la fusión de la resina resultará en la mayor fuerza cortante posible y reducirá el tiempo requerido para lograr una dispersión completa. Equipo como el Henschel puede impartir suficiente energía para reducir a polvo el polímero y el pigmento. Aunque esto no sea práctico en todos los casos, es de gran valor cuando se desea utilizar inyección directa de una mezcla de pigmento y polímero. Selección de premezcladora

Viscosidad del concentrado Existe una gran variedad de equipo de mezclado que varía en la efectividad de proveer niveles de dispersión adecuados. El factor más importante en esta variación es la viscosiodad del compuesto a producir. La mezcladora Banbury, o la de Husillo Doble resultan ser muy convenientes para trabajar con compuestos de alta viscosidad.

Existen una gran variedad de premezcladoras que van desde una mezcladora de cinta a mezcladoras de alta velocidad y energía como las Henschel. Las mezcladoras de cinta están diseñadas para preparar mezclas razonablemente homogéneas a la vez que se utiliza poco trabajo en la mezcla. Las mezcladoras de alta velocidad y energía pueden impartir suficiente energía para fluidizar parcialmente el polímero. Sin embargo, se debe tener cuidado de no sobrecalentar el lote en las mezcladoras de tipo Henschel pues esto podría ocasionar que los compuestos formen una masa de plástico fundido que resultaría difícil de sacar de la mezcladora y continuar su proceso.

Química del vehículo La compatibilidad entre el vehículo del sistema y el negro de humo puede afectar dramáticamente los requisitos de energía de dispersión. Una buena interacción entre el polímero y el negro de humo facilita la humectación y acelera el proceso de dispersión. En otras palabras, una buena interacción entre el negro de humo y el polímero implica un mejor desempeño del compuesto.

Se puede seleccionar entre dos métodos de dispersión básica. Se puede escoger el pigmentar los productos finales en un paso o usar un método de dispersión de concentrado donde la concentración del pigmento en la fase de dispersión está muy por arriba de la del compuesto plástico final. Esta decisión debe ser tomada de acuerdo con las capacidades del equipo con que se cuenta y las necesidades de cada usuario en particular.

En cualquier aplicación que requiera cargas altas, los polímeros que puedan manejar estas cargas deben ser utilizados.

Los concentrados de color normalmente tienen alta viscosidad. Ésta es reducida mediante dilución con polímeros apropiados.

La correcta selección de agentes de humectación y dispersión puede causar grandes mejoras en el desempeño del plástico. Tomando en cuenta sus aplicaciones en particular, los formuladores de plásticos deben evaluar las ventajas de dispersión y reológicas asociadas con los negros con tratamiento superficial.

El proceso de diluir un concentrado de pigmentos de carga muy alta debe ser realizado con mucho cuidado. Los polímeros para diluir deben ser añadidos lentamente y en pequeñas cantidades para garantizar la homogeneidad de la mezcla. Idealmente el concentrado debe tener la misma viscosidad del polímero diluyente para asegurar un producto homogéneo.


MÉTODOS DE DISPERSIÓN DISPERSIÓN DE FLUIDOS Molinos de Perlas Molinos deTres Rodillos Métodos de dispersión de fluidos son aplicados en los concentrados líquidos de color y en plastisoles. Dispersión por Molino de Perlas

Los molinos de perlas pueden ser considerados como una extensión de la tecnología de los molinos de bolas sólo que utilizando perlas más pequeñas. Estos procesos son muy similares en cuanto a que la dispersión es realizada mediante fuerzas de impacto y cortantes impartidas por las perlas sobre el pigmento. Sin embargo, un molino de perlas depende de las fuerzas centrífugas aplicadas a las perlas por un impulsor de disco plano que rota a gran velocidad; por otro lado un molino de bolas utiliza la fuerza gravitacional para provocar las fuerzas dispersantes. Algunas de las ventajas del molino de perlas incluyen la rapidez con que logra la dispersión; la habilidad de trabajar con éxito en sistemas muy viscosos; y el ser de menor dimensión en relación con la fórmula a ser dispersada. Una desventaja es que el molino de perlas requiere que los ingredientes de la fórmula estén premezclados para que resulte eficiente. Algunos de los materiales utilizdos en las perlas de este sistema son: acero, cristal y cerámicas de alta dureza.

DISPERSIÓN DE ALTA PLASTICIDAD Extrusoras de Husillo Simple Extrusoras de Husillo Doble Mezcladoras Continuas Banbury Molino de Rodillos El principio de molienda de alta plasticidad está involucrado en el uso de extrusoras de husillo simple o doble, mezcladoras continuas y Banbury. Estos tipos de aparatos consisten en dos o más superficies cercanas con velocidades diferentes en cada superficie. La dispersión de alta plasticidad ha sido utilizada por muchos años y produce un alto grado de energía de dispersión asociada con alto brillo, altas cargas de pigmento en concentrados y un mejor color y matiz. Los compuestos con alta plasticidad son más fáciles de manejar si se utilizan resinas como las poliolefinas que tengan un amplio rango de temperatura de fusión. Los polímeros como los acrílicos y estirenos, que tienen rangos de fusión muy pequeños, pueden ser manejados pero se debe manejar la temperatura del proceso cuidadosamente. Todos los negros de humo Raven®, desde el más pequeño al más grande de partícula, pueden ser utilizados. En este proceso las proporciones de ingredientes usados y la temperatura del equipo deben permitir que el lote sea lo suficientemente suave para que pueda fluir al principio del proceso de mezcla. Al aumentar la temperatura y comenzar la dispersión, el lote tiende a endurecerse debido al área de la superficie del negro que está libre para absorber vehículo. El control de la temperatura es muy importante para regular la dureza del lote y para prevenir la descomposición de la resina.

Normalmente la dispersión puede ser mejorada utilizando perlas más pequeñas para aumentar el número de puntos de impacto potenciales y manteniendo el volumen de perlas entre un 80 y 90% del volumen interno del molino. Una reducción del porcentaje del volumen de las perlas en el molino da como resultado la separación de las perlas y por consiguiente una dispersión irregular del pigmento. El uso de muchas perlas resulta Algunas características de los plásticos preparados con negros de humo bien dispersos incluyen: mayor en un desgaste excesivo de las mismas. profundidad del color negro, matiz más azul, mejor Con la práctica este sistema puede ofrecer excelentes resultados. apariencia de la superficie y mejor desempeño físico.

Molinos de Tres Rodillos Para obtener la mejor dispersión del negro de humo mediante el uso de molinos abiertos, como lo son los de tres rodillos, se deben cumplir ciertas condiciones. La distancia entre los rodillos debe ser ajustada y mantenida cuidadosamente. Una distancia óptima logra producir el brillo, alto nivel de dispersión, y coloración deseados. Reajustes cuidadosos de la distancia entre las superficies cortantes es esencial para producir uniformidad de lote a lote. Los productores de plastisoles pueden utilizar el molino de tres rodillos para manejar fómulas de alta viscosidad a temperaturas relativamente bajas. Si la pasta pasada por el molino de rodillos es demasiado fluida se pierde eficiencia en la dispersión o la dispersión toma mucho más tiempo.

Laboratorios equipados con microscopios de luz o de electrones deben considerar el uso de estos recursos para aplicaciones críticas. Cuando estas técnicas no se encuentran a la mano, una prueba de desempeño de las propiedades físicas finales puede ser utilizada para determinar si las especificaciones se cumplen. Cuando el color, la resistencia al impacto o alguna otra propiedad física no cumple las especificaciones, se puede suponer que la dispersión no ha sido la adecuada.


DILUCIÓN DE CONCENTRADOS Habiendo discutido ampliamente los procedimientos para obtener el mayor nivel de dispersión, profundidad del color negro, opacidad, y brillo con los concentrados de negro de humo Raven®, sería negligencia el no discutir el método para diluir el concentrado de color en la carga final. Cada una de las áreas discutidas anteriormente contribuye al resultado final. Pero debemos recordar que se está trabajando con dispersiones coloidales de negro de humo. Aun si hasta este momento se han utilizado las mejores técnicas, es posible arruinar el buen trabajo al hacer una dilución incorrecta del concentrado con la fórmula plástica final. Las micrografías a continuación muestran los resultados de manejar una buena dispersión al adelgazar la base. La dispersión A, a bajos aumentos, da la apariencia de estar mal dispersa. Al aumentar el acercamiento se aprecia la buena dispersión. Esto lleva a concluir que aunque la dispersión estuvo bien hecha la dilución final fue inadecuada. La dispersión B fue mal dispersa aunque la base adelgazada estuvo bien realizada.

100X Aumentos Dispersión A Dispersión B

20,000X Aumentos Dispersión A Dispersión B

A continuación se describen formas para evitar este problema:

1) Si el concentrado base está demasiado viscoso, se debe adelgazar lentamente añadiendo el polímero en pequeñas cantidades. De lo contrario se pueden formar pequeños geles de concentrado que son difíciles de fracturar. 2) Resulta muy difícil el tratar de adelgazar concentrados de alta viscosidad con polímeros de baja viscosidad. Esto se puede solucionar utilizando concentrados y polímeros con viscosidades similares. Esto se logra seleccionando la resina o controlando la temperatura de los componentes. De ser posible el concentrado debe ser fluidizado primero para suavizar el compuesto y después se puede agregar la resina diluyente. Al utilizar esta técnica se puede esperar que el polímero tenga una viscosidad un poco mayor o igual que la del concentrado dando como resultado condiciones óptimas para adelgazar la base. 3) La selección de resina o vehículo diluyente debe heacerse cuidadosamente tomando en cuenta las especificaciones requeridas por el producto final. Se debe utilizar el mejor sistema posible y debe mantenerse limpio y libre de partículas o cualquier contaminante. La contaminación puede dar como resultado “manchas”, “ojos de pescado”, u otras imperfecciones que dan una mala apariencia a la superficie.


PRESENTACIÓN Los negros en polvo pueden ser utilizados; sin embargo, en algunas ocasiones resulta más cómodo utilizar el negro en perlas. Al usar el negro en perlas, los tiempos de premezclado/humectación deben ser ajustados para asegurarse que las perlas han sido fracturadas. Se puede anticipar que la dispersión requiere de más trabajo al utilizar las perlas de negro. Sin embargo, este trabajo extra reditua pues las perlas se incorporan más rápidamente al vehículo y su manejo y limpieza se simplifican considerablemente. La planta de Columbian en North Bend, Louisiana cuenta con equipo especializado para producir perlas de negro de dispersión fácil. A continuación se enlistan los productos de negro para plásticos producidos en North Bend: NEGROS DE HUMO RAVEN ® PRODUCIDOS EN NORTH BEND Raven® Raven® Raven® Raven® Raven® Raven® Raven® Raven® Raven®

5000 Ultra II 3500 1500 1200 1100 Ultra® 1040 1020 890 450

Raven® Raven® Raven® Raven® Raven® Raven® Raven® Raven®

7000 2500 Ultra® 1255 1170 1060 Ultra® 1035 1000 850

En algunos casos el cliente puede optar por pulverizar las perlas antes de incorporarlas al sistema del vehículo. Si este proceso va a ser utilizado se requiere del equipo especial para el manejo y ventilación del polvo.

MEDIDAS DE DESEMPEÑO Armonizar la apariencia de un compuesto plástico final con el color, brillo, conductividad y durabilidad deseados son los elementos claves para la satisfacción del cliente. El color del producto final puede ser evaluado subjetivamente a la vista o mediante el uso de instrumentos. Como se ha mencionado, las mediciones de color tomadas por instrumentos equipados con geometrías de 0/45 ofrecen la mayor posibilidad de éxito al correlacionarlas con el color observado a simple vista. Las propiedades de brillo de un plástico pueden ser caracterizadas fácil y correctamente por varios medidores de brillo. La selección de la medida del ángulo de incidencia es dictada por el nivel de brillo general del plástico. Plásticos de bajo brillo pueden ser distinguidos más facilmente utilizando un ángulo de incidencia de 85 o 60 grados. Plásticos de mucho brillo pueden ser distinguidos al utilizar un ángulo de incidencia de 20 grados.

La durabilidad de un plástico puede ser medida por s u habilidad para resistir la decoloración o la pérdida de propiedades mecánicas al ser expuesto a la interperie. Las pruebas mecánicas de duración son muy directas. Predecir los efectos del tiempo y de clima, sin embargo, es mucho más complicado. Se debe tener mucho cuidado al seleccionar las condiciones de las pruebas y al desarrollar una correlación con la exposición al medio ambiente. Para cumplir las expectativas fijadas en la producción de un compuesto plástico, los negros de humo deben ser de alta calidad y seleccionados cuidadosamente; además deben ser combinados con sólidas prácticas de formulación y buenas técnicas de dispersión.


NEGROS PARA LA COMUNIDAD INTERNACIONAL Columbian Chemicals Company produce tres negros tipo P específicos para el mercado internacional: Raven P, Raven P-FE , y Raven P-3. Los tipos P fueron desarrollados específicamente para su uso en plásticos. Son los más utilizados en las poliolefinas en Europa. Cubren las funciones de: • Estabilizar en contra de las radiaciones UV • Contribuir a la conductividad eléctrica • Producir opacidad y dar color Todas las variantes de los tipos P tienen extremadamente bajos extractos de tolueno. Muestran altos niveles de pureza, bajo nivel de residuos, bajo contenido de cenizas y azufre y bajos niveles de adsorción de humedad antes y después de la formación del compuesto. El Raven P es el más tradicional; por su alta área de superficie y estructura muestra buena conductividad eléctrica. El Raven P-FE facilita la rapidez al extruir. Su baja área de superficie y estructura permite concentraciones más altas del negro o puede resultar en flujos mayores a concentraciones fijas. Raven P-3 cuenta con la menor área de superficie de los tipos P

por lo que es muy utilizado en compuestos de tubería para agua.

ASISTENCIA AL CLIENTE En Columbian Chemicals Company estamos deseosos de proveer la información y asistencia para ayudarle a utilizar nuestros negros de humo Raven®. Nuestro compromiso es ofrecer el mejor servicio, información, y apoyo al igual que producir los mejores negros de humo disponibles en el mercado. Siéntanse en libertad de llamarnos y decirnos cómo le podemos ayudar. Ya sea a resolver sus dudas o si necesita asistencia con los productos y procesos mencionados en este folleto.

COLUMBIAN CHEMICALS COMPANY World Headquarters Marietta, Georgia USA A subsidiary of

Catalogo Negro de Humo

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