透明聚丙烯专用色母粒的研制

透明聚丙烯专用色母粒的研制

0色母粒的开发聚丙烯（pp）具有良好的强度、无毒性、相对密度低、耐候性、耐候性、易加工和形成的特点，且价格低。它是目前五大一般合成树脂中最快速生长和开发的品种。透明PP是近几年开发的一个热点,广泛应用于对制品透明性有较高要求的医用注射器、食品容器、文具、家用电器及各类包装用品等方面,且其中很大部分为着色制品。透明PP的着色对色母粒有着更为苛刻的要求,不仅要求色母粒具有良好的着色性能,同时还要保持制品较高的透明性。采用普通色母料对透明PP进行着色处理,会使制品的透明性显著降低,这不利于透明PP的推广应用。有鉴于此,针对市场需求,我们通过对颜料、载体树脂、分散剂等的筛选,开发出了适用于透明PP着色的蓝色专用色母粒。这对于进一步拓宽聚丙烯的应用领域将起到积极的作用。1实验1.1聚丙烯粉料聚丙烯粉料,洛阳石油化工总厂宏力化工厂;聚丙烯,F401粉料,洛阳石油化工总厂聚丙烯厂;透明聚丙烯,洛阳石油化工总厂研究所;颜料,市售;分散剂,市售。1.2试验仪器与仪器高速混合机,SHR100,张家港轻工机械厂;双螺杆挤出机,SLF-35,成都科强高分子工程公司;注塑机,CWI-160,上海纪威机械有限公司;万能实验机,5566,INSTRON公司;冲击试验机,BPI-2008,AtlasEleftripDeviesCompany;熔体流动速率仪,MFI2,CustomSci.InstrumentsInc.;流变仪,RC-9000,Haake公司;氙灯气候箱,Atlas公司;透光率、雾度测定仪,WGG-ZO,上海光学仪器厂;测色配色仪,CM-3700d,日本MinoltaLtd.;光泽计,Novo-Gloss,Phopointwcng公司。1.3试验性能及设备塑料树脂取样按GB2547;力学性能测试按GB1039—92;拉伸性能实验按GB1040—92;悬臂梁冲击试验按GB1843—80;熔体流动速率测定按GB3682—88;弯曲性能测试按GB9341—88;透光率测试按GB2410—88;光泽度测试按GB8807—88;机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候加速试验按GB14523—93。流变性能的测试尚无制定的国家标准,我们采用RC-9000哈克流变仪进行测试,毛细管长径比40∶1,温度220℃。氙灯耐侯性实验:黑板温度:60～66℃,湿度75%～85%,光照600W/m2,试验时间100h。2试验结果与讨论2.1金属盐的用量颜料主要分为无机颜料和有机颜料两大类,无机颜料通常是金属的氧化物、硫化物或其它金属盐,一般粒径较大,不溶于普通溶剂,与塑料也不相容,在树脂中易引起光的散射和反射,不宜作为透明PP的着色剂。有机颜料的某些性能较无机颜料优良,具有着色力强、分散性好、色泽鲜艳等优点,本实验中,选择几种不同的有机颜料作为着色剂。2.1.1颜色的量化表达颜色的种类繁多,采用单一的颜料着色,很难满足人们对颜色多样化的需求,颜色可以互相混合产生不同于原来颜色的新颜色,这个过程就是配色。颜色是一种主观感受,同一种颜色的表达常受环境及人们心情的影响,用言语来表达颜色是一件困难又极复杂的事情。国际照明委员会(简称CIE)经过几代科学家的研究,总结推荐CIE—1931标准色度系统及CIE—1964补充标准色度系统,使颜色的表达做到量化,也就是用数值来表示颜色,L*a*b*(CIELab)是当前最通用的测量物体颜色的色空间之一,在这一色空间中,L*是亮度,a*和b*是色度坐标,图1是这一色空间的简单表示。用户提供的色标为:L*=+85.6,a*=-0.26,b*=-16.6,配色要求为|ΔL*|≤1,|Δa*|≤1,|Δb*|≤1,色差≤1。我们选用不同的颜料进行配色,表1表示了几组符合颜色要求的颜料体系的颜色值。2.1.2颜料体系的研究颜料的耐热性是指在加工温度下颜料的颜色或性能发生变化的程度,颜料耐热性的优劣直接影响其着色效果。为选择耐热性比较好的颜料体系,我们将一系列的颜料以一定的比例分别加入聚丙烯中,混合、挤出造粒、干燥后,分别在180℃、230℃、250℃,注塑周期为10min的条件下,观察它们颜色的变化情况,如表2所示。聚丙烯的加工温度一般在230℃以下,由表2可以看出,温度低于230℃时,颜料体系A、B、C、F、G的颜色变化不大,色差均小于0.5,可满足色母粒的生产。2.1.3品质检测方法颜料的耐候性是指颜料在大自然条件下颜色的稳定性,耐候性差,着色制品在使用过程中就会发生色变,严重影响制品的质量。为选取耐候性能优良的颜料,我们将颜料A、B、C、F、G以0.3%的比例加入到PP中,高速混合、挤出造粒、制样,在氙灯老化箱中进行加速老化100h,观察其颜色的变化情况,结果如表3所示。由表3可以看出,加速老化100h后,颜料体系A、C、F的色差较小,均小于0.5,说明它们具有较好的耐候性能。2.1.4颜料对透明pp透光率的影响透明PP的着色不仅要求色泽宜人,同时还要保持其良好的透明性。有机颜料的加入可能会对这一性能造成一定的影响,因此,我们又进一步考察了颜料对透明PP透光率的影响,结果如表4所示。有机颜料一般粒径较小,与聚丙烯树脂有较好的相容性,因此,能够相对均匀地分布在聚丙烯中,颜料微粒在树脂中常常起着成核剂的作用,使聚丙烯的晶核数量增加,从而防止大球晶的生成,因此不会显著影响其透明性。通过对比,可以发现有机颜料体系A对透光率的影响最小,因此,我们选用它作为颜料来开发色母粒。2.2不同的透明pp体系透光率载体是色母粒的基体,并可使色母粒呈颗粒状,选择载体要考虑其与被着色树脂的相容性及其对着色体系其它性能的影响,本实验分别选用几种不同的PP树脂作载体,按适当的颜料浓度制成色母粒,加入到透明PP中,考察其对体系透光率的影响,见表5。由表5结果可以看出,三种用不同载体树脂制得的色母粒对体系的透光率的影响相差不大,宏力厂的聚丙烯粉料由于采用小本体法生产,相对分子质量分布宽,杂质含量相对较高,对体系透光率的影响也相对较大。F401粉料和透明PP作载体树脂制得的色母料相比较,透明PP作载体相对较好,但透明PP为颗粒状,与颜料不易混合均匀。综合考虑,我们选用聚丙烯厂生产的F401粉料作为研制色母粒的载体树脂,一方面因为以它为载体树脂做出的色母粒对体系的透明性影响较小,另一方面它呈粉状,便于与颜料均匀混合。2.3分散剂c的分散效果分散剂的主要作用是将颜料分散成细微、稳定和能均匀分布在载体树脂中的一定粒径颗粒,并在加工过程中不再凝聚,它应与树脂有良好的相容性,并且和颜料也应有较好的亲合力。颜料在色母粒中分布的是否均匀与分散剂的选取密切相关,分散剂选取合适可显著提高色母粒的着色能力,降低色差,反之,分散剂选用不当,极易造成颜料分布不匀,影响着色效果。分散剂对颜料的分散过程可以简单地分为三个阶段:吸附、渗透、扩散。颜料和分散剂接触时,分散剂吸附在颜料周围,然后渐渐渗透至颜料颗粒之间的孔隙,从而降低了颜料颗粒之间的吸引力,降低了破碎颜料团聚体所需的能量,使颜料容易分散细化,并阻碍颜料颗粒重新积聚,起到对颜料分散、均化、细化的作用。图2是三种分散剂制得的色母粒的SEM照片。由电镜照片可以看出,分散剂C的分散效果最佳。色母粒中颜料的分散状况将直接影响透明PP的透光率、光泽度和色差。为进一步考察不同分散剂对颜料的分散好坏,我们将不同分散剂制得的色母粒分别加入透明PP中制样、测试,结果如表6所示。由表6结果同样可以看出,使用分散剂C的色母粒对透光率的影响较小,试样各点之间的色差也较小,这与电镜的分析结果相吻合。因为分散剂的分散效果好,颜料就会以较小的粒径均匀分布于体系中,因此,对体系的透光率影响较小,同时,因颜料分散均匀,体系的着色效果也较好,表现为试样各点之间的色差较小。另外,分散剂C对体系的光泽度也有一定的改善,因为分散剂C的熔点较聚丙烯树脂和颜料低,流动性较树脂好,与树脂和颜料有良好的亲合力,分散剂将树脂和颜料更均匀、更完全地混合在一起,改善了制品的表面状况,因而,体系中加入色母料后光泽度得到了提高。因此,我们选用分散剂C对颜料进行分散处理。2.4色母粒生产方法对透光率的影响颜料的分散、细化,第一步是使用分散剂润湿颜料,使颜料之间的凝聚力减小,便于第二步颜料的粉碎和细化;粉碎和细化后的颜料进一步做包覆处理,以降低新形成界面的表面能,以便在进一步加工时,不致于使颜料产生再凝聚现象,第三步,细化后的颜料在熔体中能均匀分散。颜料的分散过程可以分为三步,润湿、细化和稳定化、混合分散,对色母粒而言,生产工艺对颜料的分散细化有着重要作用。色母粒的生产方法主要是干粉母粒生产法、预处理颜料色母粒生产法和颜料细化分散母粒生产法(湿法工艺)三种。颜料干粉母粒生产法是将颜料与分散剂、载体树脂在分散设备中打碎润湿后进行造粒,预处理颜料色母粒生产方法所使用的颜料必须经过颜料细化和表面处理再与树脂均匀混合,进行挤出造粒。颜料的细化分散母粒生产法是将物料经水相研磨、转相、水洗,干燥后,再与载体树脂一起经混合挤出造粒而制得,但工艺较为复杂,对设备要求较高,本实验中,选用F401粉料作为载体树脂,有机颜料体系A作为着色剂,分散剂C作为分散剂,分别采用工艺相对简单的干粉母粒生产法和预处理颜料色母粒生产方法生产色母粒,然后以2%加入透明PP中,考察其对透光率的影响,见表7。由表7中数据可以看出,预处理颜料法生产的色母粒对透明PP的透光率的影响相对较小,这说明预处理颜料法对颜料的分散、细化效果更好,因为经过预处理,颜料细化更彻底,颜料粒径更细,因此,对体系透光率的影响也较小。通过以上试验,我们选用F401粉料作为载体树脂,有机颜料体系A作为着色剂,分散剂C对颜料进行表面预处理,开发出了着色性能优良、对透明PP的透光率影响较小的透明聚丙烯专用色母粒。2.5色母粒的制备采用色母粒着色,一般有两种方式,一是将色母粒和树脂均匀混合,直接加工成型;二是在生产透明PP时,将色母粒和其它相关原料一起加入,混合均匀后,挤出造粒,然后再加工成型。表8是两种不同应用方式对体系透光率和光泽度的影响。从表8可以看出,采用方法2较方法1的使用效果较好,这是因为挤出造粒可使色母粒更加均匀地分散于体系之中,从而使颜料在体系中的分布更均匀。2.6颜料用量对体系力学性能的影响颜料在树脂中会起到成核剂的作用,从而引起树脂结晶行为的变化,也可能会因颜料颗粒的聚集,在树脂中形成结构上的缺陷,从而使力学性能下降。但当颜料选择合理、分散均匀、用量适中时对体系力学性能几乎不产生影响。研制的专用色母粒对透明PP着色前后力学性能的影响如表9所示。由表9中结果可看出,研制的专用色母粒透明PP的力学性能几乎没有影响,这主要是因为我们选用了性能优良颜料和分散剂,使颜料能够十分均匀地分布于透明PP中。2.7耐候性能优化为考察着色透明PP的耐候性能,我们将着色透明PP(色母粒含量为2%)和本色透明PP试样一起放入氙灯老化箱中进行加速老化实验,结果如表10所示。从表10数据可以看出,经100h人工加速老化后,着色透明PP的颜色仍能满足要求,这说明开发出的色母粒耐候性能优良。紫外线照射下高聚物易发生裂解和交联,使制品泛黄,并影响其力学性能和使用性能。在色度学理论中,用Δb的值来衡量发黄的程度,进而表征聚合物老化的程度,Δb越大,说明老化越严重。表11显示了透明PP和着色透明PP经氙灯紫外线气候实验后Δb的变化情况。由表11结果可以看出,着色透明PP的Δb与本色透明PP的Δb相比显著降低,说明着色后可显著改善体系的耐候性能。太阳光中波长为290～400nm的光称为紫外光,对聚丙烯来讲,375nm左右的紫外光最容易引起降解,而颜料能够有效地屏蔽掉波长为375nm左右的紫外光。因此,选用我们研制的专用色母粒对透明PP进行着色,不仅能够有效达到着色的目的,而且不影响其力学性能,更为重要的是能够明显改善体系的耐候性能。2.8变色前后透明pp体系的流变特性利用流变仪可以更加细致地考察高分子材料的加工使用性能,为弄清楚开发的专用色母粒对透明PP的加工性能是否会产生不良影响,我们对着色透明PP进行了流变性能研究,并与不着色的