低密度聚乙烯蜡色母粒的制备及性能研究

低密度聚乙烯蜡色母粒的制备及性能研究

颜色母粒由承载树脂、颜料和分散剂组成。其中,载体树脂是颜料的承载体,分散剂则起着浸润颜料、分散颜料的作用。但是,加入低相对分子质量分散剂(聚乙烯蜡)会降低制品的某些性能(如力学性能、制品的透明度、外观等)。高熔体流动速率(MFR)的低密度聚乙烯(LDPE)一方面与色母粒的传统载体树脂LDPE1相同,两者能够充分混合;另一方面,高MFR的LDPE对色母粒体系的黏度有调节作用,又可将其视为分散剂。本工作基于这一理念,选择几种高MFR的LDPE,与一般MFR的LDPE1按质量比1:1共混制备色母粒,考察了色母粒的加工流变性能、着色性能及力学性能,并与含有聚乙烯蜡的经典色母粒配方对比。1实验部分1.1mfr材料LDPE1,MFR为7g/10min,上海金山石化股份有限公司生产;高MFR的LDPE,MFR分别为20,40,80,200g/10min,美国伊斯曼公司生产;聚丙烯(PP),K1008,中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司生产;酞菁蓝颜料,C.I.PB15:3,上海捷虹化工集团工贸发展有限公司生产;聚乙烯蜡,LPE-4[F],北京化工大学精细化工厂生产。1.2仪器和检测方法KS-20型双螺杆挤出机,江苏昆山科信橡塑机械厂生产;Colori5型积分球式测色仪,爱色丽有限公司生产;CEAST毛细管流变仪,CEAST熔体流动速率仪,均为意大利Ceast公司生产;JPH10型注射机,广东泓利机器有限公司生产;722型分光光度计,上海精密仪器厂生产。1.3造粒母粒的制备按配方(见表1)称取原料、充分混合、置于双螺杆中挤出造粒制备母粒。将母粒于90℃烘箱中干燥2h,分别加入到LDPE,PP中吹膜和注塑试样。薄膜制品中颜料质量分数为1%,注塑试样中颜料质量分数为0.4%和0.5%。1.4悬臂梁缺口冲击强度测定拉伸强度按ASTMD638—2008测试;弯曲性能按ASTMD790—2007测试;悬臂梁缺口冲击强度按ASTMD25—2005测试:MFR按ASTMD1238—2004测试。采用毛细管流变仪测试色母粒熔体的流变曲线。毛细管长径比为20:1,温度为190℃,空气气氛,剪切速率(γ)为100～5000s-1。2结果与讨论2.1色母粒的流动曲线在190℃下,1#～5#色母粒的MFR分别为2.314,1.152,2.789,3.823,10.895g/10min。由图1可知,LDPE1是切力变稀流体,加入酞菁蓝和高MFR的LDPE后,流体性质没有改变,且流变曲线稳定连续。2#色母粒中添加了MFR为20g/10min的LDPE。在低γ下,2#色母粒的熔体表观黏度(η)高于纯载体树脂,但流变曲线接近纯载体树脂,且有交叉点,即等黏点。由共混理论可知,在等黏点附近,共混效果较为理想。因此,采用2#色母粒着色时,颜料易分散,容易得到着色均匀的产品。当γ大于200s-1时,2#的流变曲线与纯载体树脂的流变曲线最为接近,这为色母粒的着色提供了宽的加工范围。与纯载体树脂相比,所制母粒的η均低于纯载体树脂。随着γ的增加,η均降低很快,说明色母粒的流动性能很好,有利于着色过程中颜料的分散。3#,4#色母粒的流变曲线与1#配方最为靠近。添加了高MFRLDPE的色母粒的流动性由大到小依次为:5#,4#,3#,2#。这证明高MFR的LDPE能够很好地调节体系的黏度。但MFR也不能过高,由图1看出,5#色母粒的流变曲线与纯树脂的流变曲线差距很大。色母粒η过低反而不利于机械力传递到颜料粒子上,不利于分散。2.2颜色母粒的颜色性能2.2.1透光率曲线与ldpe/ldpe1的比较制品中颜料粒子的分散程度可通过薄膜的透光率体现。透光率越小,薄膜中颜料粒子阻挡和吸收光线的能力也就越强,薄膜中颜料的遮盖力就越高,那么薄膜中颜料粒子的分散就会越均匀。由图2看出,高MFRLDPE/LDPE1体系的薄膜透光率曲线与LDPE1基本重合。在波长为475nm附近,添加了MFR为40g/10min的LDPE色母粒的透光率比LDPE1体系低,说明这种色母粒中颜料粒子的分散更好。当MFR变为20g/10min或80g/10min时,用色母粒制备的薄膜的透光率曲线与添加了聚乙烯蜡的色母粒曲线重合,说明这几种颜料粒子的分散程度接近。而添加了MFR为200g/10min的色母粒的透光率在各个波段均比添加了聚乙烯蜡的色母粒的薄膜高,即遮盖力低。这说明在添加了MFR为200g/10min的高MFRLDPE/LDPE1体系的颜料粒子的分散性稍差。这与根据图1曲线预测的结果一致。2.2.2母粒注射nm反射率曲线由图3看出,添加了高MFRLDPE的色母粒注射样板与只添加了聚乙烯蜡的色母粒注射样板的反射率曲线基本一致。在波长475nm附近,添加了MFR为80g/10min的LDPE色母粒反射率最高,反射率由大到小依次为:4#,2#,3#,1#,5#。反射率越大,样板表面的光泽度越高,说明着色力越好。2.2.3高mfrldpe的色母粒色彩性能的三要素是色相、明度(L*)、纯度。颜色的鲜艳程度是由L*决定的,L*越大,颜色越鲜艳。L*、色度坐标(a*,b*)是当前最通用的测量物体颜色的色空间之一,即国际照明委员会(CIE)颜色系统(如图4所示,+a*为红色方向,-a*为绿色方向;+b*是黄色方向,-b*为蓝色方向)。可以利用L*,a*,b*值表示色母粒的着色力(见表2)。从表2可以看出,与添加了聚乙烯蜡的色母粒相比,添加了高MFRLDPE的色母粒的L*均有提高,说明样板的颜色更鲜亮,光泽度也更好。由于制备的是蓝色母粒,可用b*的大小评价着色性能。由于-b*代表蓝色方向,b*值越小,样板越蓝。2#,3#,4#试样的b*值小于1#,说明添加了MFR为20,40,80g/10min的高MFRLDPE/LDPE1样板比1#更蓝,即着色力更高。而5#的b*值比1#大,说明MFR过高的LDPE不利于颜料的分散,因此着色效果不好。这一结果也与流变曲线所得推论吻合。△E是人们对颜色差异的量化指标,也是对色彩变化的整体评价,即为L*,a*,b*值之间的关系。△E越大,说明2种颜色差异越大。当2种颜色的△E小于某一定值(一般为3)时,人的眼睛就无法区分这两种颜色之间的差异,就可认为该样板是合格的,可满足塑料着色的要求。我国色母粒现行的3个行业标准也以△E小于或等于3作为衡量颜色差异的指标。实验中,以添加了聚乙烯蜡的色母粒制备的样板为标准样板,将添加了高MFRLDPE的色母粒制备的样板与之比较。由表2可知,高MFRLDPE/LDPE1体系所制样板与标准样板相比较,△E均小于或等于1.00。而添加了MFR为40g/10min的LDPE所制样板的△E仅为0.23。在图5中,大圆内的区域(△E小于或等于3)表示行业标准,小圆里的区域(△E小于或等于1)表示更高的色差要求。由图5可知,实验所制色母粒的△E在图中显示均在小圆内的区域。因此,实验数据表明,高MFRLDPE应用于聚烯烃色母粒,在不使用聚乙烯蜡的情况下,与标准样板的色差很小,不仅符合标准而且可以达到更高的色差要求。因此,高MFRLDPE应用于聚烯烃色母粒体系是切实可行的。2.3pp注塑制品的弯曲模量和断裂伸长率色母粒的添加不应对着色制品的力学性能产生影响。由表3看出,与添加了1#色母粒的PP制品相比,添加2#～5#色母粒的PP注塑制品弯曲模量、弯曲强度和断裂伸长率均有所提高,其他测试项目均变化不大。与纯PP相比,1#～5#色母粒所制PP制品的弯曲强度及模量、拉伸强度均有提高;断裂伸长率和悬臂梁缺口冲击强度有所降低。由此可见,添加高MFRLDPE的色母粒没有使制品的力学性能变差。3色母粒的添加量a)高MFR的LDPE可用于聚烯烃色母粒,制备不含聚乙烯蜡的新型色母粒,在色母粒中既作为载体又起到分散