颜料在塑料中分散和评价

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1、颜料在塑料中分散和评价摘要摘要 本文简述了颜料在塑料中分散和评价关键词关键词 颜料，分散，评价颜料，分散，评价一 颜料在塑料中分散目的和意义颜料的分散对塑料着色有重要意义。颜料的分散不仅影响着色制品的外观（斑点、条痕、光泽、色泽及透明度）也直接影响着色制品的质量，如强度、伸长率、耐老化性和电阻率等，还影响塑料（色母粒）加工性能以及应用性能。颜料生产时刚生成的颜料粒子能产生最佳光谱特性，我们把这种粒子称为原始粒径，由于各方面原因，这些原始粒径粒子在制造过程中，有团聚或凝聚成比所要求大若干倍粒子团的倾向，如果要使颜料达到理想的着色力，透明度，亮度，必须对颜料在塑料中分散进行研究，以便将这些团聚体分

2、散到比较接近于原始沉积和锻烧加工时形成的单晶粒度。1 颜料分散为了提高着色力降低着色成本颜料于塑料着色而言，最重要的性能就是着色力。着色力是颜料着色能力度量，当塑料获得相同颜色时，2用量少的颜料着色力高。颜料的着色性能主要取决予其所获得的分散状态。颜料分数在特定介质中其着色强度在亚微细粒径范围内随平均粒径减少而增加。图 1 是颜料粒径与着色力关系。如果颜料颗粒大小为可见光波长l2，即 0.2-0.4，其获得着色力最高。 图 1是颜料粒径与着色力关系一般而言，颜料的分散越好，其着色力就越高。原因在于颜料对制品的着色和遮盖都是通过其表面与光线的复杂作用而达成。颜料分散得好，其平均粒径小，比表面积大

3、，对光线的作用就强，着色制品的外观就会显得均匀、光亮，色斑少，色差小。因此达到相同着色和遮盖效果时颜料的用量就能减少，从而使着色成本降低。在塑料着色中颜料的均匀混合并不困难，关键在于如何将其充分分散。充分分散后再将颜料均匀分布在塑料体系中，但需要注意的是充分分散并不能等同于均匀混合，有时侯颜料分散很好，但混合不均匀，会在塑料3制品上留有色条和斑痕。2 颜料分散为了提高塑料加工性能和产品应用性能一个颜料对使用者的有效使用价值取决于这个颜料的颜色性能,牢度性能和加工性能.一个颜色价值很高的颜料,如果因为加工性能(分散性)差,在用户的应用加工条件下就不能发挥其颜色价值,对用户的使用价值就低.颜料在塑

4、料中分散我们可以将其看作是对颜料粒子分散细化的一种过程。但是颜料在塑料加工时所承受的剪切力是要远比颜料在油墨和涂料加工时的低。塑料的基本特性决定塑料加工需加热熔融后从玻璃态变成粘流态后冷却成型后成为塑料制品，所以塑料一般加工成型的机械均为可加热单（双）螺杆挤出机，颜料在塑料流动溶融体里中受到剪切力不足以分散颜料达到理想的要求。而颜料在涂料和油墨加工时所采用设备为高速砂磨机和三辊机，颜料除了受高剪切力外还受到冲击力，和静压力，各种不同分散设备对颜料分散效果见表 1表1各种不同分散设备对颜料分散效果机 种生产量 批生产效率 (公斤小时)剪切力分散性消耗电力 公斤千瓦三辊研磨机少量低中中7立式砂磨机

5、中大量高高高25胶体磨少量低高高16单（双）螺杆挤出 机少中量低低低74所以在塑料对颜料分散性要求要远远高于涂料和油墨对颜料分散性的要求。颜料分散后的粒径多大为宜？对于不同塑料制品，不同成型工艺，对颜料分散要求不一。颜料粒径大于30 m，制品表面产生 斑点、条痕；在挤出过程中会堵网，影响生产，颜料粒径1030 m，制品表面无光泽。粒径小于5 m 时，对于一般制品，可以满足使用，但是对要求严格的产品，也会影响其力学性能、电性能及加工性。对于纤维（单根丝直径为2030m）和超薄薄膜（小于10 m），则颜粒粒径应小于1 m。另外对于纤维的应用，是与纺丝时使用的过滤滤网目数以及最终纤维的旦数(每单位长

6、度的质量)有关系。纤维生产商的目标是尽可能不更换滤网的基础上长期运行，不堵塞喷丝嘴，或者不发生纤维断丝，并最终不因颜料颗粒引起纤维强度的问题。因此对于纤维生产商的一个重要参数，是确保加入纤维加工过程的颜料分散体的质量。一个经验法则是，那些颜料粒径大于纤维直径10的颗粒是非期望的。表 2不同规格纤维期望颜料的粒径5颜料在纤维中分散不好，轻的影响喷丝板过滤性能，重的会影响生产正常进行，更严重影响成品质量，所以综合上述讨论颜料在塑料中分散的重要性意义更为重要。3 颜料分散提高为了降低产品节能降耗如果颜料分散性不好，为了达到分散目的，颜料用户往往采用加长双螺杆长径比，降低单位时间加料量或反复多次造粒来

7、达到要求，这样做会大大降低产量和提高单位能耗。在全球金融危机影响下,新一轮贸易保护主义出现抬头趋势,中国高能耗的出口产品将成为“碳关税”的课税对象，目前为了改善人类气侯环境，跨国公司已率先行动,通过各种方式降低自己的碳排放。美国沃尔玛公司已经要求 10 万家供应商必须完成商品碳足迹验证,并贴上碳标签,这将影响全球超过 500 万家工厂,其中大部应用领域纤度 （旦） (g/9000m)纤维直径（圆型） 微米期望颜料粒径 微米2258.262055.86地毯1852.951649.951446.75家具1243.241039.44835.33630.53汽车424.92217.62112.51服饰

8、0.811.21.16分在中国。这意味着,中国大量相关企业必须进行碳足迹验证,承担减排责任,否则跨国公司的订单将与你无缘。所以颜料用户会对颜料分散性提出越来越高要求。二 颜料分散理论塑料着色上应用1 颜料分散理论颜料分散通常通过三个过程实施的1 初始润湿：颜料与空气水份界面变为颜料与载色体界面（润湿角）2 分散：颜料粒子在外力作用下破碎粒子附聚体与聚集体3 分散稳定性：稳定已分散在解质中粒子，并有效防止颜料粒子再聚结2 初始润湿决定颜料分散的质量颜料在塑料中分散就是把颜料均匀混合在塑料中，并能充分地分散。颜料的分散第一步是颜料粒子的初始润湿，所谓颜料润湿就是一个载色体取代颜料表面上的空气和水份

9、的过程，颜料润湿的目的也就是使颜料粒子之间的凝聚力减小，如果在颜料表面不能完全被载色体（也称润湿剂）润湿，那么分散设备通过融体介质所产生的剪切应力对颜料附聚集体就没有什么作用。颜料润湿的难易由颜料粒子表面性质和载色体性质决定。颜料与载色体的接触7角越小，载色体的表面张力越小，润湿越容易。颜料的分散第二步是颜料粒子的的细化，颜料粒子被润湿后在外力的作用下完成颜料微粒化过程，将颜料粉碎细化达到理想的粒径。目前采用机械分散的外力不外乎有压力、冲击力和剪有压力、用以粉碎颜料大颗粒颜料的分散第三步是颜料粒子的稳定化，细化后的颜料粒子表面积增大，会产生再凝聚现象，将细化的颜料粒子进一步做包覆处理，降低新形

10、成的界面表面能，以便在进一步加工时，不致于使颜料再凝聚。 因此颜料的分散过程可以分为三步：润湿、细化和细化后的稳定化。 实际上，这三个过程几乎是同时发生的，只是为了便于讨论才将它们分开。颜料润湿对于颜料分散有重要意义，由于由一种简单的方法,就能使颜料润湿,因此人们对初始润湿的重要意义往往不注意，然后初始润湿不仅重要,而且是决定分散的质量这是因为载色体在颜料粒子聚集体中微小间隙间作毛细管渗透，由于毛细管滲透，颜料粒子间凝集力降低了，并在机械力的作用下，就很容易被粉碎。因此颜料的润湿速率对于分散总速率和质量，是一个决定性的因素。无数生产实践证明如果颜料分散不好，那么无论如何采用何种分散手段都达不到

11、理想效果。 ，只有重新把颜料8初始润湿做好，颜料的分散问题就应刃而解。图 4 表明对同一颜料选用一种润湿剂，无论挤出造粒一次和六次的分散性相差不大，而改换一种润湿剂其分散性大大提高。图 2 不同润湿剂对分散的影响 三 颜料的润湿1 润湿现象及其评价 接触角与杨氏方程当液体与固体表面接触时，是原来的固/气界面消失，形成新的固/液界面，这种现象叫润湿。当液体与固体接触时，会形成一个夹角，这个角被称为接触角，它是液体对固体润湿程度的一个衡量标志。图 3 所示（A）、（B）的不同水珠状在固体表面出现情况。02468101230% Wax 120% Wax 2FPV 挤挤出出一一次次FPV 挤挤出出六六

12、次次9（A）能润湿）能润湿 （B）不润湿）不润湿图 3 不同水珠状在固体表面出现情况。接触角 是气-液界面通过液-气与固-液界面所夹的角。接触角是三个张力共同作用达平衡的结果，图 4 是不同接触角所表示情况示意图完全不润湿完全不润湿 不能润湿不能润湿 能润湿能润湿 完完全润湿全润湿10图 4 是不同接触角示意图各种界面张力的作用关系可以用杨氏方程表示：液-气cos = 固-气 固-液 式中 液-气：液体、气体之间的界面张力固-气：固体、气体之间的界面张力固-液： 固体、液体之间的界面张力： 固体、液体之间的接触角Dr.A.Capelle 等指出润湿效率 BS=固-气固-液 , 即：BS = 液

13、-气cos 由上式可以得出固体、液体之间的接触角越小，润湿效率越高，润湿效果越好2 颜料的润湿颜料初始润湿就是把颜料表面的空气和水份取代为润湿剂和颜料界面，润湿过程可以简单地分为三个阶段：吸附、渗透、扩散。颜料和润湿剂接触时，接触角小，载色剂（下简称润湿剂）吸附在颜料周围，在润湿过程中润湿剂在颜料粒子间微波间隙中作毛细管渗透，然后渐渐渗透至颜料颗粒之间的孔隙，因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。图5分别为颜料润湿的示意图11颜料湿润良好湿润良好 颜颜料湿润不够料湿润不够润湿剂 颜料 空气和水份图5 颜料润湿的示意图颜料的润湿可以用著名瓦什伯恩（WASHBUM）方程式

14、描述，该方程式用下式表示了润湿初始阶段的润湿效率，如果把颜料粒子间隙近似看为半径为R，滲透长度为L的毛细管，渗透时间（润湿效率）为T T = KL2 2R rl*cos 12式中： 润湿剂粘度 rl 润湿剂表面张力，：颜料与润湿剂表面接触角度 K 是常数，影响颜料润湿的因素：KL2 R 颜料粒子附集体的几何学因子对颜料润湿速率影响2 rl*cos 润湿剂性能对颜料润湿速率影响 其影响因素如下： 颜料的润湿与颜料粒子性能有关由（WASHBUM）方程式来看颜料的润湿受到颜料粒子（KL2 ） 影响如下： R 颜料颗粒表面性能 几何形状包括聚集体的多孔性 颜料颗粒大小和分布(1) 颜料的润湿与颜料粒子

15、表面性能颜料颗粒的表面特性与其分子堆积，排列方式有关，不同的粒子排列显示不同表面状态。在颜料生产时，由于生成初级粒子具有高表面能量，引起它们之间的强烈吸引作用，分子迅速加大，并成长为晶体，假如晶体各13个方向亲和力相同，则可以取得如氯化钠一样正立方体，但通常分子排列晶体并不对称，在不同方向成长速度有差别导至形成片状，针状，长方形等不同晶体，因此在生产颜料为了得到所期望性能，设法尽可能控制颜料颗粒结晶按所需方向成长得到特定晶格产物按照相似相溶的原理，如果颜料表面呈极性的，那么颜料与极性溶剂（如水）的润湿角 小，也容易被极性溶剂润湿，所以该类颜料应用于高极性喷墨墨水，水性涂料中非常容易分散，如果颜料表面是非极性，塑料树脂也是非极性的，那么应用于塑料中就非常容易分散，图 6，7 是颜料黄 183 和颜料蓝 15：3 的透射电子显微镜照像。图中显示颜料黄 183 粒子形状是针状的，其长度，宽度(或直径)比可以高达 30-50 比 1。图 7 显示颜料蓝15：3 粒子形状是捧状的，其长度，宽度(或直径)比可以高达 8-10 比 1。下述两图可以明显看到颜料针状和捧状结构。具有这样结构的颜料明显强烈亲油性，其在塑料中的分散性是非常好的，颜料黄 1