鈦白粉在塑料中的應(yīng)用性能比較

攀 鋼 技 術(shù) 17 鈦白粉在塑料中的應(yīng)用性能比較 李 禮，伍良英，吳健春，陳新紅，杜劍橋 （攀 鋼 集團(tuán) 研究院 有限公司 ） 摘 要： 研究了國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的鈦白粉在塑料中的應(yīng)用性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：杜邦生產(chǎn)的鈦白粉比國(guó)內(nèi)同類型產(chǎn)品的遮蓋力和著色力都強(qiáng)；在未添加任何分散劑的情況下，國(guó)外鈦白粉產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)鈦白粉產(chǎn)品在 脂中都具有較強(qiáng)的分散性能。 關(guān)鍵詞： 鈦白粉；色母粒；分散性 ；塑料 0 引言 鈦白粉（二氧化鈦）是最重要的白色顏料之一，廣泛應(yīng)用在涂料、油墨、造紙、塑料與合成纖維等領(lǐng)域中。塑料是鈦白粉的第二大用戶，全世界 500余個(gè)鈦白粉牌 號(hào)中，屬于塑料專用的就有 50 多個(gè)。鈦白粉在塑料制品中的應(yīng)用，除了利用它的高遮蓋力、高著色力及其他顏料性能之外，它還能提高塑料制品的耐熱、耐光、耐候性。由于鈦白粉的著色力強(qiáng)，在塑料中的用量一般不超過 5%，所以對(duì)塑料的加工性能和力學(xué)性能影響較小。色母粒是塑料著色的新型手段，能很好的解決傳統(tǒng)塑料著色方法中存在的缺點(diǎn)（如：顏料分散性差、著色效果差、成本高等）。由于色母粒具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，很快在塑料行業(yè)得到推廣，目前世界塑料色母粒每年消耗約二百多萬噸 1。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦白粉在塑料中的應(yīng)用研究的相關(guān)報(bào)道較多，主要 集中在鈦白粉的表面處理與分散性、高濃度色母粒的制備，未見文獻(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外塑料用鈦白粉的應(yīng)用性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析比較。 筆者從遮蓋力、著色力和分散性三個(gè)方面評(píng)價(jià)了 試 驗(yàn)室開發(fā)塑料專用鈦白粉在聚乙烯（ 的應(yīng)用性能，并與國(guó)內(nèi)外塑料專用鈦白粉進(jìn)行比較，對(duì)開發(fā)塑料專用鈦白粉及鈦白粉在塑料中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。 1 試驗(yàn)部分 試驗(yàn)原料與儀器 本試驗(yàn)所用的鈦白粉和樹脂見表 1，試驗(yàn)所使用的設(shè)備和測(cè)試儀器 列于 表 2。 試驗(yàn)過程 樣品制備 本試驗(yàn)采用干法制備色母粒工藝，首先制備鈦白粉含量為 50%的色母粒，再將色母粒（ 2%）添加到樹脂中制備成測(cè)試所需的樣品。試驗(yàn)流程如圖 1所示 。 稱取 300 g 號(hào) 50A）樹脂和 300 g 鈦白粉，混合均勻，然后擠出，切粒。工藝參數(shù)如表3 所示 。表 1 原料和試劑 名 稱 牌 號(hào) 粒度 /產(chǎn)廠家 鈦白粉 00 美國(guó)杜邦公司 鈦白粉 02 美國(guó)杜邦公司 鈦白粉 80 攀鋼集團(tuán)重慶鈦業(yè)股份有限公司 鈦白粉 90 四川龍蟒集團(tuán)公司 鈦白粉 90 攀鋼集團(tuán)鈦業(yè)公司 鈦白粉 A 302 攀鋼集團(tuán)研究院自制 鈦白粉 B 304 攀鋼集團(tuán)研究院自制 0A 北京燕山石化公司 042 揚(yáng)子石化公司 18 2010 年第 33 卷第 1 期 表 2 試驗(yàn)設(shè)備 設(shè)備名稱 型 號(hào) 生產(chǎn)廠家 同相雙螺桿擠出機(jī) 南京杰恩特機(jī)電有限公司 轉(zhuǎn)矩流變儀 S 美國(guó) 司 光電霧度儀 海珊科儀器廠 掃描電子顯微鏡 本電子株氏會(huì)社 積分球分光光度儀 國(guó)愛色麗公司 圖 1 試 樣制備流程 表 3 擠出工藝參數(shù) 螺桿轉(zhuǎn)速 /(r料筒和機(jī)頭溫度 / 區(qū) 區(qū) 區(qū) 區(qū) 15 100 120 130 140 稱取 300 g 脂和 6 g 色母粒，混合均勻（薄膜中鈦白粉含量為 1%），然后吹膜、取樣。工藝參數(shù)如表 4 所示。 表 4 吹膜工藝參數(shù) 螺桿轉(zhuǎn)速 /(r料筒和機(jī)頭溫度 / 區(qū) 區(qū) 區(qū) 區(qū) 15 170 175 180 180 遮蓋力測(cè)試 遮蓋力指顏料遮蓋被著色物底色的能力。鈦白粉是遮蓋力最強(qiáng)的白色顏料。在涂料、油墨中，鈦白粉的遮蓋力可以用黑白格玻璃板法來表征和測(cè)定，而在塑料中還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 2。 按 明塑料透光率和霧度的測(cè)試方法，使用 電霧度儀測(cè)試薄膜的透光率T，然后換算成光密度。用光密度的大小評(píng)價(jià)白顏料分散的好壞（即遮蓋力的高低） 2。透光率反映薄膜的透光能力，其 倒 數(shù)則代表了薄膜阻擋光線的能力，稱為阻光率 O， O=1/T。 光密度 D 定義如下 : D=1gO= 根據(jù)以上定義可以看出，薄膜中顏料粒子阻擋和吸收光線的能力越強(qiáng)，透射光強(qiáng)就越小，薄膜中顏料的遮蓋力就越高，此時(shí)薄膜看上去就越 白且不透光。 在薄膜上任意剪取三塊約 50 0 小片，用 電霧度儀測(cè)量三點(diǎn)的透光率，取平均，最后將其換算成光密度值。用光密度的大小評(píng)價(jià)鈦白粉分散的好壞（即遮蓋力的高低）。 著色力測(cè)試 用測(cè)色色差儀對(duì)母粒注射的樣板進(jìn)行了白度、黃度等測(cè)試 3。 分散性能測(cè)試 掃描電鏡可以觀察試樣斷口的 顯微結(jié)構(gòu) ，采用日本 描電子顯微鏡，放大倍數(shù)為5 000 倍，觀察顏料的分散狀態(tài)。 2 結(jié)果與討論 配方設(shè)計(jì) 試驗(yàn)用色母粒由鈦白粉和載體樹 脂組成。載體是承載顏料和助劑的工具，理想的載體應(yīng)起到以下幾個(gè)作用：一是作為顏料預(yù)分散、穩(wěn)定保護(hù)儲(chǔ)備室，防止顏料再度結(jié)團(tuán)；二是在熔融后帶著顏料（在助劑的幫助下）均勻地分散到基材樹脂中，完成著色的功能。這就需要載體本身具有良好的熔融流動(dòng)性，與顏料較強(qiáng)的親和性及與基材 (被著色樹脂 )有良好的兼容性，并且要在熔化后有一定程度的主動(dòng)擴(kuò)散能力。同時(shí)對(duì)基材的物理機(jī)械性能的負(fù)面影響小，甚至還可改善制品的某些性能，起到增強(qiáng)的作用。因此，載體選擇是非常關(guān)鍵的 4。 基于上述原則，本試驗(yàn)選用 號(hào) 50A，熔體指數(shù) 3 g/為載體，被著色樹脂為 號(hào) 7042，熔體指數(shù) 0.2 g/這樣由于載體和被鈦白粉 母粒 出 吹 膜 注 塑 攀 鋼 技 術(shù) 19 著色樹脂分子結(jié)構(gòu)一致，有極好的兼容性；又由于載體樹脂熔體指數(shù)遠(yuǎn)大于被著色樹脂。因此在擠出過程中色母粒流動(dòng)性好，有利于均勻著色。著色過程中，載體加入量極少為 2%，故對(duì)制品加工性能和力學(xué)性能影響不大。 本試驗(yàn)配方由鈦白粉和載體樹脂組成，配方組成見表 5。 表 5 色母粒配方 試驗(yàn)編號(hào) 鈦白粉 0A)/g 牌號(hào) 質(zhì)量 /g 1 00 300 2 00 300 3 00 300 4 00 300 5 00 300 6 A 300 300 7 B 300 300 鈦白粉對(duì) 色 母粒遮蓋力的影響 使用透過率、光密度值（以下稱光密度）來表征鈦白粉的遮蓋力。鈦白粉的種類是影響其遮蓋力的主要因素，而顏料粒子的分散對(duì)遮蓋力影響很大。顏料粒子越細(xì)小，分散越均勻，透過率越小，光密度值越大，則母粒的遮蓋力越強(qiáng)，反之，越弱。表 6 是不同廠家鈦白粉在 中的遮蓋力值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在鈦白粉添加量為 1%的 膜中，渝鈦白產(chǎn)品 蓋力最 強(qiáng)，光密度值為 驗(yàn)室研制產(chǎn)品 A 的遮蓋力與杜邦公司產(chǎn)品遮蓋力相同，優(yōu)于龍蟒集團(tuán)的 品的性能。這是由于鈦白粉的粒徑大小不同造成，平均粒徑為 280 其余牌號(hào)的鈦白粉平均粒徑均大于 290 表 6 不同鈦白粉的透過率及光密度值 試驗(yàn)編號(hào) 透過率 /% 光密度 1 鈦白粉對(duì) 色 母粒著色力的影響 著色力指顏料的著色能力。兩種顏料使被著色物體獲得相同顏色時(shí)，用量少的著色力高。鈦白粉在塑料中使用時(shí)，其著色力大小是評(píng)價(jià)鈦白粉應(yīng)用性能的重要指標(biāo)。 鈦白粉對(duì)塑料的著色力可用色母粒著色的注塑標(biāo)準(zhǔn)樣板的白度來表征，白度（ 高，著色力越強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)使用 度表征。計(jì)算公式如下： 222)1 0 0(1 0 0W 明度（ L）表征樣板的明亮程度，其值和樣板對(duì)光的反射程度有關(guān)，明度越高說明樣品越明亮，對(duì)光的反射越高； a 為正值時(shí)，表示樣板色澤 偏紅，負(fù)值偏綠； b 為正值時(shí)表示樣板色澤偏黃，負(fù) 值 偏蘭；黃度（ 征樣板的黃值。表 7 為不同鈦白粉所制備色母粒的著色性能數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：杜邦產(chǎn)品 白度最高，即著色力最強(qiáng)；實(shí)驗(yàn)室制備鈦白粉與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品相比較，著色力相 當(dāng)，但 都低于國(guó)外產(chǎn)品。主要原因是國(guó)內(nèi)鈦白粉顆粒形狀不均勻，帶有棱角；而國(guó)外鈦白粉粒子呈球形，規(guī)整度高，散射率高，其著色力就高 。 表 7 不同鈦白粉 所 制備色母粒的著色性能指標(biāo) 試驗(yàn)編號(hào) L a b h 1 20 2010 年第 33 卷第 1 期 鈦白粉的分散性能 分散性指顏料在被著色介質(zhì)中的分散能力。鈦白粉的顆粒以原生粒子、凝聚體和團(tuán)聚體三種形式存在。鈦 白粉在塑料中的分散，就是團(tuán)聚體被破碎成為聚集體和原生粒子，新生成粒子繼而穩(wěn)定的過程。分散性對(duì)鈦白粉在塑料中的應(yīng)用性能具有重要影響。一般情況下，鈦白粉顆粒越細(xì)，分散性越高，其著色力和遮蓋力越強(qiáng)。這是由于細(xì)化的鈦白粉具有更大的比表面積，對(duì)光的散射增強(qiáng)的結(jié)果。將不同鈦白粉所制備的色母粒以 2%的含量加入到 液氮淬斷，取其斷面，用電子掃描顯微鏡拍照。圖 2 的 7 張掃描電子顯微鏡照片分別顯示 7 種不同鈦白粉在 脂中的分散狀態(tài)，從圖 2 可以看出鈦白粉與 體樹脂之間邊界層模糊，結(jié)合較好，鈦白粉分散相粒 徑較小，分散均勻。 (a) (b)c) (d)e) (f) A (g) B 圖 2 不同色母粒的掃描電鏡照片 攀 鋼 技 術(shù) 21 3 結(jié)論 1）杜邦生 產(chǎn)的鈦白粉比國(guó)內(nèi)同類型產(chǎn)品的遮蓋力和著色力都強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)室研制的鈦白粉遮蓋力能達(dá)到杜邦公司產(chǎn)品 水平，但是著色力略有差距。 2）在未添加任何分散劑的情況下，國(guó)外鈦白粉產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)鈦白粉產(chǎn)品在 脂中都具有較強(qiáng)的分散性能。 3）從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，