菁藍(lán)顏料分散性能及色母粒耐候性研究

菁藍(lán)顏料分散性能及色母粒耐候性研究

隨著體育產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和人們健康意識(shí)的提高，人造草坪越來越受到重視。人造運(yùn)動(dòng)草絲是人造運(yùn)動(dòng)草坪的關(guān)鍵材料,目前國(guó)內(nèi)外有許多生產(chǎn)人造運(yùn)動(dòng)草坪的廠家,但是對(duì)人造草絲用色母粒的系統(tǒng)研究還很少。人造運(yùn)動(dòng)草絲纖維材料需要承載高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)磨損并面臨惡劣的氣候變化,所以人造運(yùn)動(dòng)草絲纖維材料應(yīng)具備高性能化即耐久性和耐候性能。草絲顏色是人造草絲的一項(xiàng)重要性能指標(biāo),它與真草顏色的相似與否在很大程度上影響著人們的視覺享受。色母粒作為塑料著色的主要方法,能夠保持顏料的化學(xué)穩(wěn)定性和制品顏色的穩(wěn)定,并且使用方便。高品質(zhì)的人造草絲色母粒,可以賦予人造草顏色、光澤上的仿真性,進(jìn)而滿足激烈比賽的觀賞要求以及對(duì)運(yùn)動(dòng)員的人文關(guān)懷。色母粒中顏料的分散性是影響其性能的主要因素,本文對(duì)人造草絲色母粒中酞菁藍(lán)顏料的分散性及耐候性進(jìn)行了研究,以期為高品質(zhì)人造草絲色母粒的制備提供借鑒。1實(shí)驗(yàn)部分1.1材料、偶聯(lián)劑低密度聚乙烯:1F7B,燕山石化;低密度聚乙烯:1I2A,燕山石化;酞菁藍(lán):402SD,捷虹顏料;聚乙烯蠟:WE-3,上海金山星星塑料有限公司;偶聯(lián)劑:乙烯基-三-(2-甲氧基乙氧基)硅烷(A-171),南京立派化工有限公司;偶聯(lián)劑:乙烯基三甲氧基硅烷(A-172),南京立派化工有限公司;硬脂酸鋅:上海昊化化工有限公司。1.2試驗(yàn)材料和設(shè)備高速混合機(jī):BST-SHR25A,張家港貝斯特機(jī)械有限公司;雙螺桿擠出造粒機(jī)組:KS-20,昆山科信橡塑機(jī)械有限公司;聚乙烯吹膜機(jī):45型,濟(jì)南新東方塑料機(jī)械廠;光學(xué)顯微鏡:NikonEllipseE200,日本Nikon公司;加速耐候試驗(yàn)機(jī):QUV,美國(guó)Q-lab公司;便攜式分光光度儀:SP64型,美國(guó)X-rite公司;電子織物強(qiáng)力機(jī):YG026T型,常州第一紡織設(shè)備有限公司;掃描電鏡:SEM(JSM-6360LV),日本JEOL公司。1.3偶聯(lián)劑處理工藝色母粒制備:將按配方稱好的載體、顏料、分散劑按一定次序倒入高速混合機(jī)中進(jìn)行高速混合約20min,高速捏合機(jī)產(chǎn)生的摩擦熱使聚乙烯蠟融化,使顏料均勻地黏附在載體上,出料溫度約100℃。最后用雙螺桿擠出機(jī)擠出,擠出條料經(jīng)水槽冷卻、切粒機(jī)切粒。偶聯(lián)劑處理工藝:分別稱取適量的硅烷偶聯(lián)劑用無水乙醇稀釋,按比例與顏料倒入高速混合機(jī)混合均勻。取出后在80℃下烘干2h,使溶劑揮發(fā)。將處理好的顏料按上述工藝混合。薄膜樣品制備:取100g低密度聚乙烯,稱取5g色母粒,混合均勻,吹膜,厚度控制在100μm左右,用于測(cè)試色澤變化。1.4色度和評(píng)價(jià)指數(shù)分散性:將所制備的著色薄膜(30μm),放在光學(xué)顯微鏡下觀察顏料粒子的分散均勻程度及其粒徑大小,同時(shí)進(jìn)行拍照(400X)。耐候性能:將所制備的樣品,置于加速耐候?qū)嶒?yàn)箱中老化(55℃下照射4h,45℃下噴水2h),一定時(shí)間后測(cè)試?yán)匣蟮念伾兓土W(xué)性能的變化。色度:按測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T7921—1997于SP64型分光光度計(jì)上采用ΔE(L,a,b)來評(píng)價(jià)(CTE.1976)。評(píng)價(jià)指數(shù)有:L-光度指數(shù),變化范圍0～100,值越大光澤度越好;a-色度指數(shù),a>0為紅色值,a<0為綠色值;b-色度指數(shù),b>0為黃色值,b<0為藍(lán)色值;DE-色差,DE=(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2???????????????????√?DEDE=(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2?DE越小,耐候性越好。力學(xué)性能:取一定長(zhǎng)度的草絲樣品在YG026T型電子織物強(qiáng)力機(jī)上測(cè)定樣品的斷裂拉力與斷裂伸長(zhǎng)率。2結(jié)果與討論2.1分散2.1.1分散劑用量的影響由于人造草絲的顏色是綠色為主,綠色是由藍(lán)色與黃色調(diào)配而得,所以對(duì)酞菁藍(lán)進(jìn)行了研究。酞菁藍(lán)顏料具有特殊的封閉對(duì)稱結(jié)構(gòu),骨架呈連環(huán)形或多角形,由四個(gè)吡咯核組成,這四個(gè)吡咯核借B位置的氮原子或亞甲基互相聯(lián)結(jié)起來,同時(shí)各吡咯核的表面還連接有四個(gè)苯核,所以該顏料非?！坝病?難以獲得良好分散。為了改善顏料的分散性,通常是在體系中加入分散劑。本體系中基體樹脂為低密度聚乙烯,因此選用相容性較好的聚乙烯蠟進(jìn)行試驗(yàn)。從圖1可以看出,隨著聚乙烯蠟用量的增加,開始顏料顆粒變小(L2,L3)。但隨著聚乙烯蠟用量的進(jìn)一步增加,顏料顆粒直徑又有所增大。這是因?yàn)?混合過程中分散劑先于樹脂熔融,包覆在顏料表面。由于分散劑黏度低且與顏料相容性好,所以較易潤(rùn)濕顏料,并能滲透到顏料聚附體內(nèi)部孔隙中,削弱內(nèi)聚力,使顏料聚附體在外加剪切力的作用下更易打開,新生粒子也能夠得到迅速的潤(rùn)濕與保護(hù)。從而改善了體系與顏料的相容性,有利于分散;所以隨著用量的增加,這種作用逐漸顯現(xiàn)。但是聚乙烯蠟的用量也不是越多越好,因?yàn)榧尤刖垡蚁┫灲档土梭w系的黏度,使傳遞至顏料聚附體的剪切力大為下降不利于分散。這兩種異向作用的相互競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致最佳用量范圍的存在。當(dāng)少量分散劑加入體系中,其有利于分散的作用大于阻礙分散的作用,此時(shí)表現(xiàn)出較好的分散效果。隨著分散劑用量的增長(zhǎng),兩種作用都在加強(qiáng),當(dāng)分散劑的濃度超過某特定值時(shí),其不利于分散的作用占了上風(fēng),此時(shí)表現(xiàn)為分散效果的下降。因此分散劑用量有一個(gè)最佳值。在本實(shí)驗(yàn)中,聚乙烯蠟的用量約為顏料酞菁藍(lán)的0.5倍時(shí),分散效果較好。2.1.2硬脂酸鋅用量的影響研究表明,硬脂酸鋅作為塑料加工中的一種潤(rùn)滑劑和穩(wěn)定劑,它在顏料分散過程中也能起到促進(jìn)分散的作用,因此在分散劑聚乙烯蠟的體系中,考察了不同用量的硬脂酸鋅對(duì)顏料的分散情況的影響。結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?隨著硬脂酸鋅用量的增加,顏料顆粒逐漸減小。這是由于硬脂酸鋅分子體積小,能夠改善樹脂的流動(dòng)性,進(jìn)而起到潤(rùn)濕顏料顆粒的作用,同時(shí)含有非極性的脂肪鏈結(jié)構(gòu),被硬脂酸鋅潤(rùn)濕的顏料與樹脂的相容性提高,分散變好,因此硬脂酸鋅用量增加,顏料顆粒越小。2.1.3硅烷偶聯(lián)劑的篩選偶聯(lián)劑是在分子中同時(shí)具有2種不同的反應(yīng)性基團(tuán)的有機(jī)化合物,可以形成無機(jī)相-偶聯(lián)劑-有機(jī)相的結(jié)合層,從而使聚合物與無機(jī)材料界面間獲得較好的黏結(jié)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中選用了兩種硅烷偶聯(lián)劑,A-171和A-172。由于A-171具有更長(zhǎng)的取代鏈,在聚合物和顏料體系中,能夠改善兩者的親和力,同時(shí)減少了顏料顆粒直接碰撞聚集的機(jī)會(huì),所以在分散照片上顯示顏料顆粒較小,相比A-172顆粒分散更均勻。2.2防水性能2.2.1硬脂酸鋅的用量對(duì)產(chǎn)品色澤的影響色母粒的色澤耐候性結(jié)果如圖4所示,可以看出,聚乙烯蠟10份,20份的色差變化比5份和8份的小,這與前面的分散性好壞的結(jié)果對(duì)應(yīng),可以認(rèn)為顏料的分散性好,其著色力提高,因此耐候性好。從圖4b可以看出,加入硬脂酸鋅后,色差都比沒有添加的要小,但是隨著硬脂酸鋅用量的增加,色差逐漸增大,這是因?yàn)橛仓徜\耐遷移性較差,用量增加,硬脂酸鋅遷移到制品表面量也增多,對(duì)光澤產(chǎn)生不利影響,因此使老化后色差變大。圖4c中為偶聯(lián)劑對(duì)色差的影響結(jié)果,可以看出A-171色差變化最小,200h加速老化后僅為0.12,這是由于顏料經(jīng)過偶聯(lián)劑處理后,微粒表面的偶聯(lián)劑阻止了顏料微粒間的團(tuán)聚,因此分散更均勻。2.2.2聚乙烯蠟用量對(duì)不同分散條件的樣品測(cè)試了老化前后的力學(xué)性能,結(jié)果如表2所示。隨著聚乙烯蠟用量增加,作用力呈現(xiàn)出逐漸增加,然后到一定值又降低,這說明顏料的分散性對(duì)草絲的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響。當(dāng)顏料分散均勻時(shí),顆粒起到成核劑作用,成核劑顆粒的大小及其尺寸分布成為影響力學(xué)性能的主要因素。由前面分散照片得出,聚乙烯蠟用量為8份、10份時(shí),顏料顆粒較小,分散均勻,樹脂結(jié)晶度增大,因此斷裂拉力和伸長(zhǎng)率較高;而分散不好的樣品(20份),顏料作為添加物,顆粒與樹脂界面明顯,容易成為應(yīng)力集中點(diǎn),導(dǎo)致拉力降低。硬脂酸鋅的加入對(duì)力學(xué)性能的影響趨勢(shì)不明顯。偶聯(lián)劑的加入,改善了顏料與樹脂的相容性,導(dǎo)致分散均勻,使拉力有明顯增加;且老化后偶聯(lián)劑樣品的性能變化率也較小,表明偶聯(lián)劑的加入,改善了顏料的分散。圖5為樣絲的拉伸斷面掃描電鏡照片。圖5a為8份聚乙烯蠟時(shí),斷面的掃描電鏡照片,可以看出,斷裂面上有較大的孔穴;而圖5b為添加偶聯(lián)劑A-171的斷面照片,圖中孔穴相對(duì)小一些,且分布較均勻,這進(jìn)一步證明了偶聯(lián)劑對(duì)顏料的分散起促進(jìn)作用。3菁藍(lán)顏料顆粒表面改性1)增加聚乙烯蠟的用量,能夠改善酞菁藍(lán)顏料的分散,但并不是用量越多越好,當(dāng)其用