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高浓色母粒的制备及流变行为研究

时间: 2011-07-05 10:02 来源: 作者: 陈逢刚 乔辉 吴立峰 &nbs 点击:
流变性是联系色母粒生产、加工行为与产品最终性能的重要纽带。高浓白母粒也是通过熔融态加工,但由于钛白粉颜料浓度含量高,其加工流动性能较低浓色母粒特殊。本文在低浓色母粒的生产工艺基础上,改进高浓白母粒的加工工艺,成功地加工出性能优良的高浓白母粒;并测试高浓白母粒的流变性能,分析了颜料、分散剂对高浓白母粒流变行为的影响,为高浓白母粒的工艺设计和应用提供理论依据。

1 实验部分

1.1主要原料

LDPE,1F7B,北京燕山石化公司;
钛白粉:CR515(金红石型),简称T1,攀钢锦州钛业公司;
钛白粉:PTAl20(锐钛型),简称T2,攀枝花钢铁有限责任公司钛业分公司;
聚乙烯蜡:LPE―4,简称W1,北京化工大学精细化工厂;
聚乙烯蜡:简称W2,吉林四平智星有限公司;
聚乙烯蜡:简称W3,上海金山星星有限公司。

1.2 工艺路线

先将载体树脂和分散剂(聚乙烯蜡)在高搅中混合到80℃,恒温,待分散剂完全熔化后,加入钛白粉,搅拌,到树脂表面包覆大量钛白粉为止;双螺杆升温至试验温度后,加入混合好的样品,挤出、造粒、备用。样品的配方组成见表1。

表 1: 样品配方组成

2结果与讨论

2.1母粒的分散状态

共混理论指出,当填料体积分数大于74%会成为连续相。对高浓白母粒,如果载体树脂不能成为连续相,母粒不能挤出。质量分数为70%的高浓白母粒,通过计算可知,锐钛型钛白粉体积分数为75.88%,金红石型钛白粉所占体积分数为73.68%,两者都处于成为连续相的临界值74%附近;因此在制备母粒时有可能出现载体树脂不能成为连续相的情况。


图 1: 不同种类钛白粉的高浓白母粒电镜照片

图1是不同种类钛白粉制备高浓白母粒的SEM照片。从图1b可看出,尽管载体树脂所占质量分数较少,但形成了网状结构的连续相,包覆着钛白粉粒子,母粒外观上也呈现光滑细腻的表面。相反,图1a中载体树脂未形成明显的连续相,有些钛白粉粒子未能被载体树脂包覆,因此,母粒外观粗糙。

2.2着色力测试

着色力是色母粒一项重要的性能指标,白度可以表征白母粒的着色力。本文将制备的母粒注塑成样板,用色差计测量白度值列于表2。

表 2: 母粒注塑样板的白度值

从表2可以看出,配方1制备样品的白度较配方2低,可能是因为T1为锐钛型钛白粉,其颗粒形状不如T2光滑,对入射光的散射率低,因此白度较低。此外,由图1可以看出,配方1载体树脂未能形成连续相,钛白粉分散较差,也最终影响制品的白度。而配方2、3、4三种母粒制备的样品的白度最高。究其原因,可能是W2对钛白粉有良好的润湿作用,制备的母粒分散最好,对光的散射率高,白度值高。

2.3 不同种类钛白粉的高浓白母粒流变性能

很多研究发现,在树脂中添加无机填料,如碳酸钙、二氧化硅等,共混物粘度随填料用量的增多而增大;而钛白粉是典型的无机粉体,使用钛白粉制备高浓白母粒,研究其流变性能与在树脂中添加无机填料有很多类似之处。本实验采用毛细管流变仪,研究了高浓白母粒的流变行为。图2是不同种类钛白粉的高浓白母粒熔体流变曲线。从图2可以看出,在实验范围内,LDPE是切力变稀流体,加入大量的钛白粉后,熔体仍然是切力变稀的;且流变曲线稳定连续,随剪切速率的增加,几条曲线趋于重合。说明钛白粉末影响载体树脂的流动类型。


图 2: 不同钛白粉的高浓白母粒熔体流变曲线

从图2中还可以得知,在低剪切速率下,两种母粒的熔体的表观粘度均高于纯料;随着剪切速率的增加,T1制备的母粒熔体表观粘度降低很快,接近LDPE,熔体流动性能较好,有利于色母粒着色应用而在实验范围内,T2母粒熔体表观粘度与LDPE差异较大,熔体流动性能较差,不利于色母粒着色。

2.4分散剂对高浓白母粒流变性能的影响

在制备色母粒时,加入聚乙烯蜡作为分散剂,一方面可润湿颜料粒子,改善颜料与树脂的界面状态,使颜料容易分散;另一方而减小了聚合物分子链的缠结作用,对聚合物分子链起到了润滑作用,加速了聚合物分子的运动,从而改善了共混物的加工流动性能。因此在制备高浓色母粒时,分散剂是必不可少的加工助剂。为了解分散剂对共混物体系粘度的改善作用,用毛细管流变仪测试了W1、W2、W3三种聚乙烯蜡高浓白母粒的流变性能,结果如图3。


图 3: 不同PE蜡高浓白母粒熔体的流变曲线

由图3可以看出,在低剪切速率下,三种母粒的熔体表观粘度均高于纯料,这对于颜料的分散不利;但是随着剪切速率的增加,三种色母粒比纯物料呈现了更显著的切力变稀趋势;当剪切速率大于50 s后,三种色母粒与纯料的流变曲线非常接近,这为色母粒的着色提供了宽的加工范围。尤其是在一定的实验条件下,W2和W3制备的母粒的流变曲线与LDPE的流变曲线发生交叉,出现了等粘点,由共混理论可知,共混物在等粘点附近能得到理想的混合效果。因此,W2和W3制备的高浓白母粒着色时,颜料易分散,容易得到着色均匀的产品,且由W2制备的母粒的等粘点的剪切速率较低,在产品中更容易达到理想的分散状态。

2.5加工流动性能测试

通过转矩流变仪可以测试色母粒的最大扭矩、平衡扭矩、平衡时间,从而分析母粒的加工流动性能。图4为不同种类聚乙烯蜡高浓白母粒的转矩流变曲线。从图4可以看出,三种母粒的最大转矩、平衡扭矩均小于PE纯料,母粒的加工性能较PE纯料好。但是随着混合时间的增加,三种聚乙烯蜡对颜料粒子良好润湿增加,使母粒的扭矩大大降低,尤其是由W3制备的母粒,扭矩下降很快,且很快达到平衡。说明由W3制备的色母粒,加工性能优异,设备的功率消耗较低。


图 4: 转矩流变曲线

3结论

1)制备高浓白色母,颜料的体积分数已接近成为连续相的临界值,通过改变加工工艺,成功制备出性能优良的高浓白/寸粒。

2)通过SEM观察到高浓白母粒分散状态,钛白粉T1制备的母粒,质小分数高达70%,载体树脂依然形成了网状的连续相结构。

3)流变性能测试表明,PE高浓白母粒为切力变稀流体,在实验范围内熔体的流变行为稳定连续,且切力变稀趋势比纯树脂明显,并且为色母粒的着色提供了宽的加工范围。

4)在一定的实验条件下,W2、W3制备的母粒与PE纯料出现了等粘点,使用该母粒着色易得到理想的分散效果,为设计改进高浓白母粒制备和着色应用工艺提供理论依据。

5)分散剂能明显改善色母粒的加工流动性能,使用W3制备的高浓白母粒加工性能最优。

陈逢刚 乔辉 吴立峰 北京化工大学材料科学与工程学院 (end)

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