钛白粉在塑料中的应用性能比较

攀 钢 技 术 17 钛白粉在塑料中的应用性能比较 李 礼，伍良英，吴健春，陈新红，杜剑桥 （攀 钢 集团 研究院 有限公司 ） 摘 要： 研究了国内外生产的钛白粉在塑料中的应用性能。试验结果表明：杜邦生产的钛白粉比国内同类型产品的遮盖力和着色力都强；在未添加任何分散剂的情况下，国外钛白粉产品与国内钛白粉产品在 脂中都具有较强的分散性能。 关键词： 钛白粉；色母粒；分散性 ；塑料 0 引言 钛白粉（二氧化钛）是最重要的白色颜料之一，广泛应用在涂料、油墨、造纸、塑料与合成纤维等领域中。塑料是钛白粉的第二大用户，全世界 500余个钛白粉牌 号中，属于塑料专用的就有 50 多个。钛白粉在塑料制品中的应用，除了利用它的高遮盖力、高着色力及其他颜料性能之外，它还能提高塑料制品的耐热、耐光、耐候性。由于钛白粉的着色力强，在塑料中的用量一般不超过 5%，所以对塑料的加工性能和力学性能影响较小。色母粒是塑料着色的新型手段，能很好的解决传统塑料着色方法中存在的缺点（如：颜料分散性差、着色效果差、成本高等）。由于色母粒具有的一系列优点，很快在塑料行业得到推广，目前世界塑料色母粒每年消耗约二百多万吨 1。 目前，国内外对钛白粉在塑料中的应用研究的相关报道较多，主要 集中在钛白粉的表面处理与分散性、高浓度色母粒的制备，未见文献对国内外塑料用钛白粉的应用性能进行系统的分析比较。 笔者从遮盖力、着色力和分散性三个方面评价了 试 验室开发塑料专用钛白粉在聚乙烯（ 的应用性能，并与国内外塑料专用钛白粉进行比较，对开发塑料专用钛白粉及钛白粉在塑料中的应用具有指导意义。 1 试验部分 试验原料与仪器 本试验所用的钛白粉和树脂见表 1，试验所使用的设备和测试仪器 列于 表 2。 试验过程 样品制备 本试验采用干法制备色母粒工艺，首先制备钛白粉含量为 50%的色母粒，再将色母粒（ 2%）添加到树脂中制备成测试所需的样品。试验流程如图 1所示 。 称取 300 g 号 50A）树脂和 300 g 钛白粉，混合均匀，然后挤出，切粒。工艺参数如表3 所示 。表 1 原料和试剂 名 称 牌 号 粒度 /产厂家 钛白粉 00 美国杜邦公司 钛白粉 02 美国杜邦公司 钛白粉 80 攀钢集团重庆钛业股份有限公司 钛白粉 90 四川龙蟒集团公司 钛白粉 90 攀钢集团钛业公司 钛白粉 A 302 攀钢集团研究院自制 钛白粉 B 304 攀钢集团研究院自制 0A 北京燕山石化公司 042 扬子石化公司 18 2010 年第 33 卷第 1 期 表 2 试验设备 设备名称 型 号 生产厂家 同相双螺杆挤出机 南京杰恩特机电有限公司 转矩流变仪 S 美国 司 光电雾度仪 海珊科仪器厂 扫描电子显微镜 本电子株氏会社 积分球分光光度仪 国爱色丽公司 图 1 试 样制备流程 表 3 挤出工艺参数 螺杆转速 /(r料筒和机头温度 / 区 区 区 区 15 100 120 130 140 称取 300 g 脂和 6 g 色母粒，混合均匀（薄膜中钛白粉含量为 1%），然后吹膜、取样。工艺参数如表 4 所示。 表 4 吹膜工艺参数 螺杆转速 /(r料筒和机头温度 / 区 区 区 区 15 170 175 180 180 遮盖力测试 遮盖力指颜料遮盖被着色物底色的能力。钛白粉是遮盖力最强的白色颜料。在涂料、油墨中，钛白粉的遮盖力可以用黑白格玻璃板法来表征和测定，而在塑料中还没有统一的标准 2。 按 明塑料透光率和雾度的测试方法，使用 电雾度仪测试薄膜的透光率T，然后换算成光密度。用光密度的大小评价白颜料分散的好坏（即遮盖力的高低） 2。透光率反映薄膜的透光能力，其 倒 数则代表了薄膜阻挡光线的能力，称为阻光率 O， O=1/T。 光密度 D 定义如下 : D=1gO= 根据以上定义可以看出，薄膜中颜料粒子阻挡和吸收光线的能力越强，透射光强就越小，薄膜中颜料的遮盖力就越高，此时薄膜看上去就越 白且不透光。 在薄膜上任意剪取三块约 50 0 小片，用 电雾度仪测量三点的透光率，取平均，最后将其换算成光密度值。用光密度的大小评价钛白粉分散的好坏（即遮盖力的高低）。 着色力测试 用测色色差仪对母粒注射的样板进行了白度、黄度等测试 3。 分散性能测试 扫描电镜可以观察试样断口的 显微结构 ，采用日本 描电子显微镜，放大倍数为5 000 倍，观察颜料的分散状态。 2 结果与讨论 配方设计 试验用色母粒由钛白粉和载体树 脂组成。载体是承载颜料和助剂的工具，理想的载体应起到以下几个作用：一是作为颜料预分散、稳定保护储备室，防止颜料再度结团；二是在熔融后带着颜料（在助剂的帮助下）均匀地分散到基材树脂中，完成着色的功能。这就需要载体本身具有良好的熔融流动性，与颜料较强的亲和性及与基材 (被着色树脂 )有良好的兼容性，并且要在熔化后有一定程度的主动扩散能力。同时对基材的物理机械性能的负面影响小，甚至还可改善制品的某些性能，起到增强的作用。因此，载体选择是非常关键的 4。 基于上述原则，本试验选用 号 50A，熔体指数 3 g/为载体，被着色树脂为 号 7042，熔体指数 0.2 g/这样由于载体和被钛白粉 母粒 出 吹 膜 注 塑 攀 钢 技 术 19 着色树脂分子结构一致，有极好的兼容性；又由于载体树脂熔体指数远大于被着色树脂。因此在挤出过程中色母粒流动性好，有利于均匀着色。着色过程中，载体加入量极少为 2%，故对制品加工性能和力学性能影响不大。 本试验配方由钛白粉和载体树脂组成，配方组成见表 5。 表 5 色母粒配方 试验编号 钛白粉 0A)/g 牌号 质量 /g 1 00 300 2 00 300 3 00 300 4 00 300 5 00 300 6 A 300 300 7 B 300 300 钛白粉对 色 母粒遮盖力的影响 使用透过率、光密度值（以下称光密度）来表征钛白粉的遮盖力。钛白粉的种类是影响其遮盖力的主要因素，而颜料粒子的分散对遮盖力影响很大。颜料粒子越细小，分散越均匀，透过率越小，光密度值越大，则母粒的遮盖力越强，反之，越弱。表 6 是不同厂家钛白粉在 中的遮盖力值。实验结果表明：在钛白粉添加量为 1%的 膜中，渝钛白产品 盖力最 强，光密度值为 验室研制产品 A 的遮盖力与杜邦公司产品遮盖力相同，优于龙蟒集团的 品的性能。这是由于钛白粉的粒径大小不同造成，平均粒径为 280 其余牌号的钛白粉平均粒径均大于 290 表 6 不同钛白粉的透过率及光密度值 试验编号 透过率 /% 光密度 1 钛白粉对 色 母粒着色力的影响 着色力指颜料的着色能力。两种颜料使被着色物体获得相同颜色时，用量少的着色力高。钛白粉在塑料中使用时，其着色力大小是评价钛白粉应用性能的重要指标。 钛白粉对塑料的着色力可用色母粒着色的注塑标准样板的白度来表征，白度（ 高，着色力越强。本实验使用 度表征。计算公式如下： 222)1 0 0(1 0 0W 明度（ L）表征样板的明亮程度，其值和样板对光的反射程度有关，明度越高说明样品越明亮，对光的反射越高； a 为正值时，表示样板色泽 偏红，负值偏绿； b 为正值时表示样板色泽偏黄，负 值 偏兰；黄度（ 征样板的黄值。表 7 为不同钛白粉所制备色母粒的着色性能数据。试验结果表明：杜邦产品 白度最高，即着色力最强；实验室制备钛白粉与国内同类产品相比较，着色力相 当，但 都低于国外产品。主要原因是国内钛白粉颗粒形状不均匀，带有棱角；而国外钛白粉粒子呈球形，规整度高，散射率高，其着色力就高 。 表 7 不同钛白粉 所 制备色母粒的着色性能指标 试验编号 L a b h 1 20 2010 年第 33 卷第 1 期 钛白粉的分散性能 分散性指颜料在被着色介质中的分散能力。钛白粉的颗粒以原生粒子、凝聚体和团聚体三种形式存在。钛 白粉在塑料中的分散，就是团聚体被破碎成为聚集体和原生粒子，新生成粒子继而稳定的过程。分散性对钛白粉在塑料中的应用性能具有重要影响。一般情况下，钛白粉颗粒越细，分散性越高，其着色力和遮盖力越强。这是由于细化的钛白粉具有更大的比表面积，对光的散射增强的结果。将不同钛白粉所制备的色母粒以 2%的含量加入到 液氮淬断，取其断面，用电子扫描显微镜拍照。图 2 的 7 张扫描电子显微镜照片分别显示 7 种不同钛白粉在 脂中的分散状态，从图 2 可以看出钛白粉与 体树脂之间边界层模糊，结合较好，钛白粉分散相粒 径较小，分散均匀。 (a) (b)c) (d)e) (f) A (g) B 图 2 不同色母粒的扫描电镜照片 攀 钢 技 术 21 3 结论 1）杜邦生 产的钛白粉比国内同类型产品的遮盖力和着色力都强，实验室研制的钛白粉遮盖力能达到杜邦公司产品 水平，但是着色力略有差距。 2）在未添加任何分散剂的情况下，国外钛白粉产品与国内钛白粉产品在 脂中都具有较强的分散性能。 3）从试验结果可以看出，