塑料色母粒用立德粉的有机表面处理方案

塑料色母粒用立德粉的有机表面处理综述道奇威（成都）科技有限公司粉体事业部彭宗凯（611139）1.前言随着中国经济的高速增长和居民收入显著提高，房地产市场也呈爆炸式增长，另外，为了拉动内需，国家基础建设项目连续开建，导致对塑料建材（塑料水管，穿线管，塑钢门窗，塑料片材，塑料薄膜等）的需求也急剧增加。塑料色母粒是现代塑料制品加工中不可或缺的颜料产品。作为塑料色母粒主要颜料的钛白粉和立德粉也因此得到了高速发展，色母粒用无机颜料的需求每年以25%以上的比例快速上升。立德粉又称为锌钡白，英文名Lithopone为无毒白色粉末，是硫化锌和硫酸钡的混合物，不溶于水。硫化锌和硫酸钡在紫外光照射下，褪色成灰色，因此耐候性和耐久性较差，但是其遮盖力和白度却很优异，是仅次于钛白粉的白色颜料。由于立德粉的价格远远低于钛白粉，因此立德粉常常被用于钛白粉的替代品，与钛白粉混合使用，以期达到既能获得优异的遮盖力合白度，又能降低生产成本的目的。由于立德粉的耐候性和加工性能较差，为了能够增加立德粉的使用量，必须对其进行表面改性处理。2.色母粒的基础知识2.1色母粒的定义由高比例的颜料（如钛白粉、立德粉等）或添加剂与热塑性树脂，经良好分散而成的塑料着色剂，其所选用的树脂对着色剂具有良好润湿和分散作用，并且与被着色材料具有良好的相容性。2.2热塑性塑料常用的着色方法有：2.2.1色料:将本色树脂与着色剂（如钛白粉、立德粉等）混和混炼造粒成有色塑料后，再加入到成型树脂中，用于制造塑料制品。2.2.2干粉着色：把粉状着色剂（如钛白粉、立德粉等）与本色树脂均匀混和后直接用于制造塑料制品。2.2.3色母粒着色：现今最普遍采用的塑料着色法。把分散于载体的着色剂（如钛白粉、立德粉等）,与本色树脂简单混和后用于制造塑料制品。2.3色母粒着色的显著优点有：（1）使用方便,对成型环境无污染。（2）着色均匀,稳定，提高塑料制件质量。（3）易于计量,可应用自动化程度高的成型生产系统。（4）可将着色,抗老化剂、抗静电剂等集于一方，制成多功能母粒，方便使用。2.4塑料用色母粒的基本要求：（1）良好的耐热性（热稳定性）（2）良好的耐光性（光稳定性）（3）良好的分散性（即要遮盖率大）（4）要无迁移性（包括耐溶剂性）（5）要有很好的着色力2.5色母粒的构成：颜料+载体+添加剂=色母粒2.5.1参考配方立德粉:5—40%钛白粉:40—60%其它无机颜料：5-20%增白剂:0.02%分散剂:3—4%高压PE:26%2.5.2颜料一般分有机颜料(如酞青绿等),无机颜料(如氧化铁红、钛白粉、立德粉),染料(如还原桃红、分散橙等)。聚烯烃、PVC色母粒采用的是钛白粉和立德粉。一般来说染料不可用于聚烯烃着色，否则会引起严重迁移。除白色母粒外，一般会采取多种颜料复配，以生产彩色母粒。钛白粉由于其具有非常好的遮盖力，通常会作为配色的第一选择。立德粉由于性价比高，因此也常被用于配色。2.5.3分散剂主要对颜料（如钛白粉、立德粉等）进行表面润湿，有利于钛白粉进一步分散，并稳定存在树脂中；同时必须与树脂相容性好，不影响着色产品品质。聚烯烃色母粒分散剂一般采用低分子量聚乙烯蜡或硬酯酸锌等。工程塑料色母粒分散剂一般采用有极性低分子量聚乙烯蜡、硬酯酸镁、硬酯酸钙等。2.5.4载体树脂使钛白粉、立德粉等均匀分布并使色母粒呈颗粒状。选择载体需考虑与被着色树脂的相容性，还要考虑母粒应有良好分散性，因此载体的流动性应大于被着色树脂，同时被着色后不影响产品质量。如选用熔体指数较大的同类高聚物，使母粒的熔体指数较高于被着色高聚物，以保证最终制品的色泽一致。PE、PP色母料选择LDPE（低密度聚乙烯）树脂为载体，PS、ABS母料选择改性PS为载体。3．色母粒用立德粉的要求色母粒所用立德粉，必须注意与钛白粉和塑料原料、助剂之间的搭配关系，其选择要点如下所述：（1）化学稳定性好：立德粉不能和树脂及各种助剂有反应，耐溶剂性强、耐热性好等。也就是说，色母粒中的立德粉及其表面的有机处理剂不能参与各种化学反应。（2）耐温性好：由于色母粒在制造过程中和塑料制品成型加工时都是在高温环境下进行，所以立德粉应在加热成型温度条件下不分解变色（3）迁移性小：由于塑料制品成型加工过程中存在很大的温度变化，室温（原料）—高温（加工过程）—室温（冷却成型）。立德粉必须保证不发生迁移，否则会造成塑料制品表面色泽不均。（4）分散性好：立德粉分散不均匀时，会影响制品的外观性能；立德粉着色力差时，会使立德粉用量增加，材料成本提高。同一立德粉在不同树脂中分散性和着色力并不相同，所以在选择立德粉时应注意这一点。另外，立德粉的颗粒大小与分散性也有关系，立德粉粒径越小，则分散性越好，着色力也强。（5）加工性优：立德粉在载体树脂中具有高熔融指数时，色母粒生产中的混炼和捏合工序就能顺利进行（加工温度低，捏合时间短，节约时间和能源）。优异干粉流动性可以帮助立德粉顺利和准确地添加，容易通过过滤的震动筛，同时减少其在包装袋中的残留。4．色母粒用立德粉的有机表面处理诚如前述，立德粉在色母粒配方中的功能是作为钛白粉的替代品，只有尽量提高立德粉的加工性能和耐温、耐候等性能，才能最大限度的多加立德粉，少加钛白粉，从而达到既不影响色母粒质量，又能大幅度降低生产成本的目的。通过合适的有机表面改性处理，是可以使立德粉粉的加工性能和耐温耐热性能得到大幅度改善的。（1）化学稳定性：立德粉中的硫化锌的耐酸性不好，可与酸在一定条件下发生化学反应而释放出硫化氢，而硫化氢可能与铅类稳定剂反应，导致“铅黑”现象的出现，塑料加工体系中经常会使用硬脂酸类润滑分散剂和铅类稳定剂。如何避免立德粉与这些物质发生化学反应就显得尤为重要。因此，我们应该选择一些化学惰性的有机处理剂，如某些特殊的聚硅氧烷或改性聚硅氧烷，它在低温和高温环境中都具有非常好的化学稳定性，不会与色母粒体系中任何添加剂发生化学作用。将其包覆在立德粉表面，避免立德粉与塑料体系中的其它组分的直接接触，就可以解决化学稳定性的难题。（2）耐温性：立德粉由于含硫化锌粉高温时容易变色。完整的有机薄膜可以大幅度的提高立德粉的耐温性能。传统的分散剂（如硬脂酸及其衍生物）由于其本身不耐高温，高温环境下容易发生黄变和分解，加之其本身易于加速硫化锌变色，因此不可用于立德粉的改性处理。某些特殊的有机硅材料的分解温度超过350度，300度以内不会发生颜色变化，即不会发生黄变。另外，这种有机硅材料包覆到立德粉颗粒表面后，可以防止立德粉与体系其它物质的直接接触，从而进一步提高立德粉的耐热和耐光性能。（3）迁移性：立德粉的迁移主要是由于它与树脂的润湿相容性不好，在温度降低，塑料制品收缩时，树脂与立德粉的移动速度不一致所造成的。要降低迁移性，就要提高立德粉与树脂的相容性。根据相似相容原理，立德粉表面的有机处理剂最好具有与应用树脂相同或相似的官能团。对于最常用的聚烯烃型塑料，选用含有长链烷烃的有机处理剂会比较适合。（4）分散性：立德粉分散性主要受分子间作用力，极性吸附，颗粒细度等因素影响。用于塑料色母粒的立德粉，立德粉的粒径一般为0.4微米左右。这种细小颗粒具有极大的比表面积和吉布斯自由能，处于热力学不稳定的状态。当把立德粉加入到树脂体系中时，由于临近粒子间的极性吸附和范德华力的作用，粒子有相互靠近，降低总比表面积和表面自由能的趋势，从而使立德粉颗粒从高度分散体向团聚体转化。对于未进行表面有机改性处理的立德粉，在与树脂一起混炼时，立德粉很难分散，即使在高温高速捏合时能分散开，一旦捏合终止，它又会慢慢变成多聚体，将来使用时容易造成“颜料迁移”。为了提高立德粉的分散稳定性，必须消除或削弱其表面极性和降低其表面自由能。建议采用具有较低自由能和易于扩展润湿的非离子性有机硅处理剂进行表面改性处理。这类有机硅处理剂一般含有长链脂肪链，可提高立德粉与树脂的相容性，降低立德粉的表面张力以提高相容性；同时它还可以屏蔽立德粉表面的极性基团(如羟基)，在立德粉表面生成位阻官能团，阻止立德粉颗粒相互靠近，增加团聚的难度，从而达到稳定分散的目的，防止“颜料迁移”。另外，有机硅表面处理剂一般还具有很好的助磨功能，可以有效降低立德粉颗粒的粒径和提高粒径的分布均匀性，从而进一步提高立德粉在树脂中的分散性。（5）加工性：色母粒生产企业对立德粉的加工指标主要有两个：熔融指数和干粉流动性。熔融指数主要由立德粉的润湿润滑性能和吸油量决定。润滑性越好，则立德粉与树脂的复合体的流动性就好，熔融指数就高，加工就更方便。吸油量越低，润湿等量立德粉的载体树脂就少，易于制造高浓度的色母粒，从而在节约生产成本的同时，提高色母粒的着色能力。优异的干粉流动性主要是为了便于使用，减少浪费。要提高熔融指数，除了通过致密的无机包膜外，还必须对其进行表面有机改性处理，以提高其润湿润滑性能，并进一步降低吸油量。改性聚硅氧烷具有很好的润湿润滑性能，可以显著提高熔融指数，同时，改性聚硅氧烷还可以在立德粉表面形成一层疏水的，非极性有机硅膜层，可以防止立德粉颗粒因极性吸附或因吸潮而造成的团聚，从而提高其干粉流动性。5．色母粒用立德粉表面改性剂的选择根据色母粒用立德粉的特殊要求，特别是“耐候性”和“耐酸性”问题的突出性。相对于普通用途的立德粉的有机处理来讲，色母粒用途的立德粉的有机处理应该重点考虑处理剂的耐温性能。建议选择改性聚硅氧烷作为立德粉的表面改性剂，如道奇威公司的PT-108粉体改性剂。下图是PT-108粉体改性剂热重损失分析图：烘烤温度及时间表面改性剂初始（%）105度2小时150度1小时200度1小时220度半小时250度半小时300度半小时350度半小时不挥发物100%100%100%100%100%100%99.0%98.5%颜色无色透明无色透明无色透明无色透明无色透明无色透明无色透明无色透明从图中可以看出，PT-108粉体改性剂在300度以内，重量基本上无变化，而且颜色基本无变化，一直为无色透明状。PT-108粉体改性剂是特殊聚硅氧烷和改性聚硅氧烷的复配物，可以在立德粉表面形成一层非极性的，具有极佳的润湿性能和润滑性能的有机硅膜层。实际应用证明该膜层具有以下优点：改善耐立德粉的耐热性和耐酸性能，降低光敏性，避免“灰分”的产生。帮助立德粉颗粒在粉碎时向球形结构转化，提高立德粉的分散性能和光泽度。降低吸油量，增强润滑性，显著提高熔融指数。提高干粉流动性，易于添加，减少残留。PT-108主要产品指标参数单位数值外观无色透明液体有效含量%100%比重g/ml0.975．PT-108表面改性剂应用方法在粉碎设备（如雷蒙磨、球磨机、气流粉碎机）或喷雾干燥机的进料口计量滴加。雷蒙磨、球磨机等粉碎设备的添加工位示意图：喷雾干燥机、气流粉碎机等粉碎/干燥设备的添加工位示意图：可以1-4号添加点单独添加，也可以在多个添加点同时添加