АзовСинтезПоліетиленовий віск: що це, як його роблять і де він працює
Назва збиває з дороги. Поліетиленовий віск не родич парафіну й бджолиного воску, хоча в прайсах вони стоять поруч. Це той самий поліетилен, з якого роблять плівку й труби, тільки вкорочений: замість ланцюгів на сотні тисяч одиниць молекулярної маси тут кілька тисяч. Довгий полімер тягнеться, короткий плавиться й тече. Тому один іде у виріб, а другий у рецептуру як мастило.
У прайсі його зазвичай описують однією цифрою, температурою краплепадіння. Працює він переважно завдяки другій, в’язкості розплаву, і саме її часто не вказують. Два воски з однаковою точкою краплепадіння можуть відрізнятися за в’язкістю в сім разів, і в мастербатчі це будуть два різні продукти.
Ми тримаємо одну марку: CERALENE 2E виробництва EuroCeras, номер CAS 9002-88-4, прили, температура краплепадіння 103–110 °C, в’язкість 500–600 мПа·с при 120 °C. Нижче про те, як цей матеріал отримують, які три рядки в паспорті насправді щось означають і скільки його кладуть у ПВХ, мастербатчі, лаку, паркетному покритті та деревно-полімерному композиті.
Що це таке з погляду хімії
Поліетиленовий віск це низькомолекулярний поліетилен із середньою молекулярною масою приблизно 500–5000 г/моль (у CERALENE 2E близько 3000). Температура краплепадіння більшості товарних марок лежить у межах 70–130 °C, у поліолефінових доходить до 150 °C, ступінь кристалічності 60–95%. Матеріал неполярний, кислотне число 0, у хімію рецептури не втручається: працює фізично, як мастило, диспергатор пігменту й модифікатор поверхні.
Порівняння з парафіном показує різницю найшвидше. У нафтовому парафіні ланцюги на 20–40 атомів вуглецю, він плавиться при 50–65 °C і легко ріжеться нігтем. У поліетиленовому воску ланцюг на порядок довший, звідси точка краплепадіння вище 100 °C і твердість, яку в паспорті пишуть як пенетрацію 0,1–0,4 мм. Різниця не косметична: у переробці полімерів температура в циліндрі 180–210 °C, і парафін там просто вигорає, тоді як ПЕ-віск лишається робочим мастилом.
Кристалічність відповідає за тверду плівку. Ланцюги коротких молекул укладаються в кристаліти щільно й без напруг, тому засохла на поверхні лаку воскова плівка не мнеться під нігтем, а тримає навантаження й дає ковзання. Неполярність відповідає за інертність: реагувати на поверхні молекули просто нічому, кислотне число нуль, з пігментом і смолою хімічної взаємодії немає.
Звідси і головне обмеження. Неполярний віск не змішується з водою в принципі. У водну лакову систему його вводять тільки готовою мікродисперсією, і жоден порошок цю проблему не вирішить.
Основні числа, за якими марки взагалі відрізняються:
- температура краплепадіння: 101–109 °C у LDPE-восків, 121–122 °C у HDPE, 146–150 °C у поліолефінових марок;
- в’язкість розплаву при 120 °C: у межах однієї лінійки від 140 до 1100 мПа·с;
- густина при 23 °C: 0,92 г/см³ у LDPE-типу, 0,95–0,96 у HDPE;
- пенетрація при 25 °C: від 0,4 мм у м’яких марок до менш ніж 0,1 мм у твердих;
- кислотне число: 0 у неполярних восків, 0,1–15 мг KOH/г в окиснених;
- форма постачання: прили, луска або мікронізований порошок з розміром частинок 2–15 мкм.
Як його отримують: три технології під однією назвою
Маршрутів три. Пряма полімеризація етилену (радикальна під високим тиском або на металоорганічних каталізаторах) дає вузький розподіл молекулярних мас і повторювану в’язкість. Термічна деструкція готового поліетилену при 290–425 °C ріже довгі ланцюги на короткі: дешевше, але розподіл ширший, полідисперсність часто вище 4. Окиснення повітрям добудовує до ланцюга карбоксильні й гідроксильні групи й перетворює неполярний віск у полярний окиснений із кислотним числом до 15 мг KOH/г.
Полімеризація це синтез з нуля. Етилен полімеризують або радикально під високим тиском, або в низькотисковому процесі на металоорганічних каталізаторах, отримуючи середньомасову молекулярну масу приблизно від 2000 до 20 000. Довжину ланцюга задають температурою, тиском і агентом переносу. Головна споживча властивість такого маршруту не хімія, а повторюваність: реактор щоразу дає ту саму в’язкість, бо параметри процесу задані, а не успадковані від сировини.
Деструкція йде з іншого боку. Готовий поліетилен нагрівають, у масу вводять радикальні ініціатори (у патентній літературі це ди-трет-бутилпероксид, дибензоїлпероксид, дилауроїлпероксид, трет-бутилпербензоат), вони відривають водень від основного ланцюга, а полімерний радикал далі розпадається за механізмом бета-розриву. Температурний коридор процесу від 290 до 425 °C, разом з ініціаторами працюють агенти переносу: водень у частці 5–30% за об’ємом, олефіни, парафіни, спирти, альдегіди, кетони. Матеріал виходить дешевший, але з ширшим розподілом мас. Практично це означає, що в’язкість між партіями гуляє, а разом з нею повзе баланс мастила в рецептурі.
Окремо стоїть віск, який знімають як попутну фракцію на виробництві поліетилену, і віск із крекінгу вторинного поліетилену. Ціна там найнижча. Колір, запах і залишковий вміст важких фракцій непередбачувані, бо вихідна сировина щоразу інша.
Окиснення це вже не спосіб отримати віск, а спосіб змінити готовий. Продування розплаву повітрям пришиває до молекули карбоксильні, гідроксильні, кетонні групи та естерні зв’язки. Ступінь окиснення міряють кислотним числом, і воно ж прямо задає полярність: чим вище число, тим полярніший продукт. Окиснений віск емульгується у воді, краще працює з полярними полімерами й пігментами, а в ПВХ поводиться радше як внутрішнє мастило й прискорює пластикацію. Для галузевих рекомендацій це різні продукти: неокиснені марки й окиснені йдуть у ПВХ у різних дозах, і про це нижче.
Тип поліетилену задає температурний клас. LDPE-воски з густиною 0,92 тримають краплепадіння близько 101–109 °C і трохи м’якші, HDPE з густиною 0,95–0,96 дають 121–122 °C і пенетрацію менш ніж 0,1 мм, поліолефінові марки піднімають планку ще на два з половиною десятки градусів. Тому питання «дайте поліетиленовий віск» без уточнення типу, в’язкості й кислотного числа означає приблизно те саме, що «дайте метал».
Як прочитати паспорт на поліетиленовий віск
Рішення ухвалюють за трьома рядками. Температура краплепадіння показує верхню межу, де віск перестає тримати форму. В’язкість при 120 °C непрямо задає молекулярну масу, а разом з нею баланс «змащує чи диспергує». Кислотне число відповідає на єдине питання: полярний матеріал чи ні, тобто піде він у водну систему чи ні. Решта рядків уточнюють, але вибір марки роблять за цими трьома.
Ось паспортні значення CERALENE 2E з поясненням, що кожен рядок дає в роботі.
| Показник | CERALENE 2E | Що це означає в рецептурі |
|---|---|---|
| Зовнішній вигляд | прили (гранули), білі | сипка форма: не пилить, точно дозується шнеком і об’ємним дозатором |
| Температура краплепадіння | 103–110 °C (типово 106) | межа роботи воскової плівки; у розплаві ПВХ при 180–200 °C віск повністю рідкий і виходить на межу метал-полімер |
| В’язкість при 120 °C | 500–600 мПа·с | середина лінійки: досить низька, щоб змочувати пігмент, досить висока, щоб триматися на металі під зсувом |
| Густина при 23 °C | 0,92 г/см³ | ознака LDPE-типу, а не HDPE; разом з краплепадінням підтверджує температурний клас |
| Пенетрація при 25 °C | 0,2 мм | твердість: чим менше, тим твердіша плівка й вища стійкість покриття до подряпин |
| Кислотне число | 0 мг KOH/г | неполярний віск: у водну систему без готової дисперсії не піде, з полярними смолами сумісність обмежена |
| Молекулярна маса (середня) | близько 3000 г/моль | узгоджується з в’язкістю; різка невідповідність цих двох чисел означає інший маршрут виробництва |
Тепер про метод, бо він тут не формальність. Віски не мають істинної температури плавлення: при нагріванні вони не переходять з твердого в рідке стрибком, а поступово м’якшають. Тому «температуру плавлення» для них визначають умовним методом, і стандарт ASTM D3954 описує саме краплепадіння, тобто температуру, за якої з чашки падає перша крапля. Метод придатний для парафінових, мікрокристалічних, поліетиленових і природних восків, але число, отримане ним, не збігається з числом за методом кільця й кулі. Порівнювати марки за «температурою плавлення», не глянувши на метод, це порівнювати різні величини.
Та сама пастка з в’язкістю. Європейські виробники наводять її при 120 °C, американські технічні аркуші зазвичай при 140 °C за методом ASTM D1986, а іноді при 116 °C. Один і той самий віск при 140 °C покаже помітно нижче число, ніж при 120 °C. Коли постачальник надсилає «в’язкість 300» без температури, це не характеристика, а цифра. Пенетрацію міряють за ASTM D1321, і вона теж прив’язана до умов: 25 °C, певне навантаження, певний час.
Для покриттів до цього набору додається розмір частинок, бо там віск працює не як розплав, а як тверда мікрочастинка в плівці. Мікронізовані марки лежать у діапазоні 2–15 мкм, у паркетних і меблевих лаках беруть 5–10 мкм. Дрібніший порошок додає блиску замість матовості, крупніший дає текстуру й ризик відчутної шорсткості.
Приймання на складі просте. Прили мусять бути сипкими й розсипатися з долоні по одному. Мішок, у якому віск взявся в грудку або спікся в пласт, стояв біля джерела тепла: температура краплепадіння 106 °C не означає, що при 60 °C нічого не відбувається, поверхневе підплавлення починається задовго до краплепадіння. Такий матеріал не зіпсований хімічно, але дозувати його шнеком уже не вийде.
ПВХ: зовнішнє мастило, яке легко перебрати
У жорсткому ПВХ поліетиленовий віск працює зовнішнім мастилом: він мігрує до стінки шнека й фільєри та знімає прилипання розплаву разом із підгоранням. Норма мала: 0,2–0,5% від маси суміші для жорсткого ПВХ, а галузеві рекомендації для труб і профілю тримаються ще нижче, 0,1–0,4 phr (частин на 100 частин смоли) для неокиснених LDPE-марок і 0,05–0,2 phr для окиснених HDPE. Надлишок зовнішнього мастила не дає зернам ПВХ злитися в суцільний розплав.
Різницю між зовнішнім і внутрішнім мастилом плутають постійно, а вона принципова. Зовнішнє мастило створює шар між розплавом і металом обладнання й водночас обгортає окремі зерна смоли, притримуючи їхнє злиття в однорідну масу. Внутрішнє знижує ефективну в’язкість розплаву при температурі переробки, покращує плинність і, навпаки, сприяє злиттю. Тобто стеарат кальцію й ПЕ-віск у рецептурі не замінюють один одного, вони тягнуть у різні боки, і рівновага між ними і є налаштуванням мастильної системи. Ця пара стоїть окремим рядком серед задач розділу пластмаси та полімери.
Перебір видно за конкретними симптомами. Спочатку зростає час до гомогенізації, розплав виходить недоплавленим, у профілі падає міцність зварного шва й ударна стійкість. У патентній літературі це формулюють прямо: якщо концентрація зовнішнього мастила зашкалює, частинки полімеру не зливаються в суцільну масу в екструдері. Галузеві дані додають, що вже на 0,1–0,15 phr поряд із сильною зовнішньою мастильною дією видно ознаки впливу на злиття. Тому дозу підбирають знизу, кроком 0,05%, і дивляться не на амперметр екструдера, а на зріз профілю.
За що ПЕ-віск у ПВХ узагалі беруть, крім антиадгезії: вища швидкість виходу, менше нальоту на калібраторах і фільєрі, рівніша й глянцевіша поверхня екструдату. Окиснені марки в цій системі поводяться інакше. Полярність тягне їх ближче до внутрішнього мастила, вони прискорюють пластикацію, і чим вище кислотне число, тим сильніше виражений цей внутрішній ефект. Для товстостінних труб на свинцевій стабілізації галузева практика радше рекомендує неокиснені воски.
Мастербатч: віск, що змочує пігмент
У концентраті барвника ПЕ-віск займає близько 10%: типова промислова рецептура це 25% пігменту, 10% воску й 65% полімеру-носія. Низька в’язкість розплаву дає йому проникати в пори агломерату пігменту, витісняти звідти повітря й знижувати міжфазний натяг. Пігмент розходиться дрібніше, колір лягає без розводів, а сам віск заодно працює мастилом при компаундуванні.
Механіка тут повністю фізична. Агломерат пігменту це не суцільна частинка, а губка з дрібних кристалів, між якими сидить повітря. Поки повітря там, зсув у екструдері рве агломерат неохоче. Розплавлений віск із низькою в’язкістю затікає в пори швидше за в’язкий полімер, витісняє повітря, і далі зсув працює вже по змоченій частинці.
Звідси правило вибору марки, яке рідко пишуть у прайсах: для диспергування хочеться в’язкість нижче, для мастила вище. CERALENE 2E зі своїми 550 мПа·с стоїть посередині й закриває обидві задачі помірно. Коли потрібне жорстке диспергування у високотемпературному компаунді, у тій самій лінійці EuroCeras є поліолефінові марки з краплепадінням 146–150 °C і в’язкістю 175–225 мПа·с, які виробник окремо рекомендує саме під мастербатч. Це і є практична цінність широкої лінійки, до неї повернуся в розділі про виробника.
Другий компонент цієї задачі, про який зазвичай згадують поряд, це стеарат цинку: він розводить частинки пігменту в мастербатчі й дає рівний тон. У рецептурі концентрату ці два продукти часто стоять разом, бо закривають різні ділянки одного процесу.
Лаки, фарби й друкарські чорнила
Мікронізований ПЕ-віск у частці 0,5–2% від маси лаку дає блиск 20–50 GU; глибоке матування 10–20 GU потребує до 3% разом із мікротальком або матуючим кремнеземом. З кремнеземом віск беруть у співвідношенні від 1:1 до 1:4. У водні системи він вводиться лише готовою водною мікродисперсією, у розчинникові йде порошок або луска.
Працює це так. Поки плівка сохне, частинки воску виштовхуються до поверхні й лягають там тонким шаром. Коефіцієнт тертя на поверхні падає, і предмет, що тягнеться по покриттю, ковзає замість того, щоб рвати плівку. Звідси стійкість до подряпин і стирання, ковзання й антиблокування у стосі свіжопофарбованих деталей.
Матовість це побічний ефект того самого мікрорельєфу, і його рівнем керують часткою й розміром частинок. Тут легко зробити протилежне тому, чого хотіли: занадто тонкий помел вирівнює поверхню й піднімає блиск. У паркетних і меблевих лаках робочий діапазон 5–10 мкм, у промислових покриттях трохи ширший, 4–15 мкм. Сучасні мікронізовані марки для покриттів роблять і без PTFE, працюючи на чистому поліетилені: приклад такого підходу це серія CERAFLOUR у BYK, придатна для водних, розчинникових, безрозчинникових і УФ-систем.
Про ґрунтовки окремо. Віск дає ґрунту шліфуємість: покриття збирається в суху пудру й не засалює шкурку. Для деревообробки це окрема технологічна операція, і там ПЕ-віск традиційно стоїть у парі з стеаратом цинку.
Головна помилка введення не в дозі, а в температурі. Віск не можна перетирати на бісерному млині разом з пігментом: тертя гріє камеру, частинка підплавляється, розмір втрачається, і матовість зникає разом із грошима за мікронізацію. Вводять його на стадії розведення, у зібрану систему, тримаючи температуру помітно нижче точки м’якшення. Ознака перетримки характерна: блиск викрасу росте замість того, щоб падати. Це та сама логіка, що з ламелярними наповнювачами, про яку йдеться в розборі відмінностей між тальками, і задача теж стоїть серед проблем розділу лаки та фарби.
Дерево: паркетний лак, меблева плита й композит
У фінішних покриттях паркету ПЕ-віск відповідає за чотири речі одразу: ковзання, стійкість до подряпин і стирання, шліфуємість і антиблокування. У деревно-полімерному композиті задача інша, там це технологічне мастило: при вмісті деревного борошна 50–60% у HDPE-матрицю кладуть 4–5% мастильної системи, у поліпропіленову 1–2%, у ПВХ-композит 5–10%. Композит споживає приблизно вдвічі більше мастил, ніж звичайні пластмаси.
Паркетний лак і меблеве покриття це історія про верхній шар товщиною кілька мікрон, який зношується першим. Мікронізований віск, що вийшов на поверхню при сушінні, знижує тертя й тим самим прибирає причину подряпин, а не наслідок. Ринок водних лаків тут змінив вимоги до добавки: перехід з розчинникових систем на водні змусив виробників випускати воски у формі водних мікродисперсій, і саме така форма зараз стандарт для покриттів по дереву. Плутати форми не можна: порошок у водній системі не розподілиться, а мікродисперсія в розчинниковій дасть каламуть.
У композиті деревне борошно поводиться як абразив і водночас тягне вологу. Тертя в шнеку зростає, момент на приводі теж, поверхня профілю виходить рваною. Мастильна система знімає це відразу: падає момент і споживання енергії, довше живуть фільєра й циліндр, рівнішає поверхня, зростає продуктивність. ПЕ-віск тут головне зовнішнє мастило, бо плавиться раніше за матрицю й починає працювати з перших секунд процесу.
Перебір у композиті карається інакше, ніж у ПВХ. Мастило сідає на поверхню деревного волокна й погіршує його зчеплення з матрицею, а якщо в рецептурі є малеїнізований аппрет, надлишок мастил ослаблює й його роботу. Міцність на злам просідає, і виглядає це не як брак поверхні, а як несподівано низька несуча здатність дошки. Тому дозу тримають знизу діапазону.
Поряд у деревообробці працюють два суміжні продукти: технічний парафін як гідрофобізатор плити й карнаубський віск як твердий естетичний шар у поліролях і твердих восках. Розподіл ролей простий: парафін і ПЕ-віск закривають технологію, карнаубський дає дзеркальний глянець.
Суміжні задачі, за які його теж беруть
У термоплавких клеях віск задає в’язкість розплаву й час відкритого шару: додати воску означає зробити клей рідкішим і швидшим, прибрати означає подовжити час на складання. У модифікації бітуму частіше беруть високотемпературні HDPE-марки з краплепадінням 122 °C, і виробник саме їх рекомендує під цю задачу окремо. У переробці пінополістиролу віск працює технологічним мастилом і антиадгезивом, у гумовому виробництві допомагає виходу профілю з фільєри.
У свічках його додають до парафіну у частці приблизно 1–3% для твердості, глянцю поверхні й проти мармурових плям. Це реальне застосування, але з застереженням: віск підвищує температуру плавлення суміші й змінює характер горіння, тому ґніт після такої добавки підбирають заново, а частку вище 3% беруть тільки з тестами на пропалювання. Наша марка призначена насамперед для полімерів і покриттів, тож у свічковій рецептурі логічніше починати з церезину: він дає твердість м’якше й без ризику для горіння.
Коротка карта: задача, роль, частка
| Задача | Що робить ПЕ-віск | Частка |
|---|---|---|
| ПВХ: розплав липне до шнека й фільєри, підгорає | зовнішнє мастило на межі метал-полімер | 0,2–0,5% (труби й профіль 0,1–0,4 phr) |
| ПВХ: повільна пластикація, нерівна поверхня | окиснена марка, ближче до внутрішнього мастила | 0,05–0,2 phr |
| Мастербатч: колір лягає плямами | змочує агломерат пігменту, витісняє повітря | близько 10% від рецептури концентрату |
| Лак глянцевий: покриття дряпається | мігрує на поверхню, знижує коефіцієнт тертя | 0,5–2% |
| Лак: потрібне глибоке матування | мікрорельєф у парі з кремнеземом або мікротальком | до 3% |
| Ґрунт по дереву засалює шкурку | дає шліфуємість, збирається в суху пудру | за рецептурою |
| Композит: рвана поверхня, високий момент на приводі | зовнішнє мастило, плавиться раніше за матрицю | 4–5% (HDPE), 1–2% (PP), 5–10% (ПВХ) |
| Гарячий клей: не тримає час відкритого шару | регулює в’язкість розплаву | за рецептурою |
| Свічка м’яка, поверхня в мармурових плямах | підвищує твердість і глянець | 1–3% |
Про виробника і чому лінійка важливіша за одну марку
CERALENE 2E синтезує EuroCeras у Кендзежині-Козьле, польський спеціалізований виробник із понад 45 роками досвіду саме в поліетиленових восках. Виробництво працює на власних реакторах під неполярні LDPE, HDPE і PP воски плюс полярні кополімерні та поліестерні, сертифіковане за ISO 9001:2015 і ISO 14001:2015, продукт внесений до REACH і TSCA. Це не перепакована сировина: в’язкість, точка краплепадіння й колір повторюються від партії до партії, бо їх задає реактор, а не походження вторинного поліетилену.
Для покупця тут важливі не роки, а сусідні марки. У LDPE-лінійці поряд із 2E (краплепадіння 106 °C, в’язкість 550 мПа·с) стоять 1X зі 102 °C і 170 мПа·с, 2V/220 зі 101 °C і 220 мПа·с, 1M зі 104 °C і 240 мПа·с, 2H зі 108 °C і 850 мПа·с, 2T зі 109 °C і 1100 мПа·с. Вище лежить HDPE-група: 1007 зі 121 °C і 170 мПа·с, 120/200 і 120/800 зі 122 °C і в’язкістю 200 та 800 мПа·с при 140 °C. Ще вище поліолефінові 882 і 885 із краплепадінням 146 і 150 °C.
Що це дає на практиці. Якщо на пробній партії з’ясувалося, що віск занадто в’язкий для диспергування або занадто м’який для вашої температури переробки, змінюється марка, а не постачальник. Технологія синтезу, контроль і документація ті самі, тож кваліфікувати матеріал заново з нуля не потрібно, а це для переробника полімерів зазвичай дорожче за різницю в ціні кілограма.
Із нашого боку до цього додається CoA на кожну партію з фактичними значеннями замість типового аркуша специфікації, паспорт безпеки й технічна специфікація українською, фасування 20 кг і відвантаження зі складу в Києві в день замовлення.
Як вводити в рецептуру
Дозу завжди підбирають знизу діапазону. У ПВХ пробну серію ставлять на 0,2% і піднімають кроком 0,05%, поки не зникне налипання, і тільки після цього дивляться на злиття розплаву. У лаку беруть 0,5%, оцінюють блиск на викрасі через добу після сушіння й додають, якщо матовості бракує. У композиті стартують з нижньої межі відповідної матриці.
У сухому змішувачі ПВХ віск подають разом з рештою мастильної системи на гарячій стадії: холодне змішування розподіляє прили нерівно, і перші метри профілю виходять з дефектом. У мастербатчі логіка протилежна, там віск має зустрітися з пігментом до входу в зону зсуву, щоб змочування відбулося раніше за подрібнення.
Тут згадаю річ, про яку не сказав на початку. Окиснений віск не є універсально «кращим», хоча продають його часто саме так. Полярність, за яку його беруть, у прозорих плівках і лаках дає муть, а в системах із чутливими пігментами може змінити відтінок. Якщо задача не вимагає емульгування чи сумісності з полярною смолою, неполярна марка з кислотним числом 0 буде передбачуванішою.
Зберігання просте, але має один нюанс. Прили не гігроскопічні й не деградують, проте поверхнево підплавляються задовго до точки краплепадіння, тому мішки не тримають біля печей, сушарок і під сонцем на майданчику. Оптимально нижче 40 °C. Мішок, занесений з холоду в теплий цех, варто дати вирівняти температуру до розкриття.
Поліетиленовий віск CERALENE 2E у мішках по 20 кг, із сертифікатом аналізу, паспортом безпеки й технічною специфікацією українською на кожну партію є в АзовСинтезу в Києві. Якщо задача поряд, у мастильній системі ПВХ або в матуванні покриття, подивіться також стеарат кальцію й мікротальк 5-SW: у рецептурах вони працюють з ПЕ-воском у парі, закриваючи ті ділянки процесу, куди він сам не дістає.