顏料的物理形態(tài)對塑料著色性能影響

陳信華

（上海金泰色母粒有限公司，上海，200434)

1 塑料著色劑的基本要求

能改變物體顏色的，或者能賦于本來無色的物體以顏色的物質，統(tǒng)稱為著色劑。著色劑是通過有選擇性地將有色光波中某些光吸收和反射，而產(chǎn)生出顏色。按照傳統(tǒng)習慣一般將著色劑分為染料和顏料兩大類。塑料著色是個系統(tǒng)工程(見圖1)。著色應用對象，應用配方，應用工藝，應用場所均對著色劑提出種種要求。

塑料著色是個系統(tǒng)工程，在這個系統(tǒng)中，塑料著色劑如果是僅僅賦予塑料各種顏色是遠遠不夠的，還需能經(jīng)受塑料加工成型處理中各項工藝條件，以及在使用條件下有良好的應用性能。因此綜合上述要求，塑料著色劑應具有基本性能是：色彩性能、耐熱性、耐光（候）性、分散性、耐遷移性、收縮與翹曲、耐酸耐堿耐溶劑性、耐化學藥品性、安全性。

因此著色劑有效使用價值取決于它的色彩性能、牢度性能和加工性能。一個色彩價值很高的著色劑,如果因為加工性能差,在用戶的應用加工條件下就不能發(fā)揮其顏色價值,使用價值就低；同樣，一個色彩性能和加工性能都很好的顏料,如果用在牢度性能不合適的應用場合,對該用戶而言，使用價值也低。

顏料用于塑料著色時,并非溶于這些塑料介質而是以分子形態(tài)存在,以許多分子組合成的微納米顆粒形態(tài)分散在塑料介質中,通過顏料分子顆粒對投射到這些應用介質表面的光線產(chǎn)生吸收、反射、透射、折射等作用，實現(xiàn)對這些塑料的著色功能，因此顏料在塑料著色上應用性能不僅與結構有關而且與顏料的晶體形態(tài)、晶格結構、粒徑大小與分布等有密切關系。見圖2。

溶劑染料在塑料上著色時以分子狀態(tài)完全溶解于聚合物中，此時溶劑染料的晶體狀態(tài)與它的著色行為關系不密切，它在塑料著色的各項性能僅僅與化學結構有關。

本文試就塑料著色劑的要求和其物理狀態(tài)與性能關系作介紹。其目的是對著色劑的性能指標有一個全面深刻的認識，能選用到合格的著色劑品種，使塑料產(chǎn)品增值，把我們的五彩繽紛世界打扮得更美麗。

圖1 塑料著色是個系統(tǒng)工程Fig.1 Systems engineering of plastic coloring

2 顏料晶型影響

有機顏料分子具有強烈形成高度有序晶格排列的傾向，形成這種晶體的晶格排列主要趨動力是分子間H鍵，π/π電子相互作用與范德華引力。化學組成相同的顏料，物理性質很大程度上由它的晶格結構決定。很多屬于不同化學類別的有機顏料具有多晶性，表1顯示了常用的具有多晶型的有機顏料。

最常見的是銅酞菁藍，不少于5個晶型（α、β、γ、δ、ε）。多晶狀態(tài)不意味著不同晶型之間有非常明顯的區(qū)別；在很多情況下顏色以及特性非常相似。

圖2 顏料性能與其在塑料上應用關系Fig.2 Relationship between pigment properties and plastic coloring application performance

表1 用于塑料有機顏料的多晶狀態(tài)Tab.1 Polycrystalline state of organic pigments in plastic coloring

任何顏料晶型都有它的X衍射光譜，就像指紋一樣，所以，X射線衍射分析成為用于檢測顏料晶型的最重要的技術。

2.1 顏料晶型對色相性能影響

偶氮顏料生產(chǎn)中，生產(chǎn)工藝變化會使顏料呈一定的物理形態(tài)。如顏料紅170在生產(chǎn)時酸值的改變可以控制晶型的產(chǎn)生。在高酸值的條件下，β型偏藍光的顏料紅170很容易生成，如果將酸值降低，偏黃光的γ晶型將成為主要產(chǎn)品見圖3。其不同晶型品種色相和性能見表2。

圖3 顏料紅170不同晶型X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction of crystal types of Pigment Red 170

表2 不同晶型品種色相和性能Tab.2 Hue and properties of crystal types of Pigment Red 170

喹吖啶酮類顏料是喹琳吖啶或喹吖啶的二酮衍生物，喹吖啶酮類顏料相對分子質量小，分子結構簡單，顏料具有多晶性，也就是說在晶胞水平相同的化學組成在晶格中可按照不同方式排列，其色相也不一樣。如顏料紫19其β晶型是紫色，γ晶型是藍光紅，見表3。

表3 顏料紫19晶型對色光的影響Tab.3 Effect of crystal types of Pigment Purple 19 on the chromatic light and properties

酞菁藍顏料 15∶1 和 15∶2（α晶型，紅色相），15∶3 和 15∶4（β晶形，綠色相）。 晶型之間的差異是晶格間距，α晶型間距是2.39 nm而β晶型是1.94 nm見圖4。酞菁藍顏料晶型X射線衍射圖見圖5，顏料色相性能見表4。

圖4 酞菁藍顏料晶格間距Fig.4 Lattice space of crystals of phthalocyanine blue pigments

圖5 酞菁藍顏料不同晶型X射線衍射圖Fig.5 X-ray diffraction of crystals of phthalocyanine blue pigments

表4 顏料藍15色相性能Tab.4 Properties of crystals of Pigment Blue 15

2.2 顏料晶型對耐熱性能影響

晶型不同也影響顏料耐熱性，顏料藍15擁有各項性能很好的化學結構，但其晶型不穩(wěn)定，不耐溶劑和高溫，其耐熱性只有200℃，如將其晶型轉為穩(wěn)定的β晶型的顏料藍 15∶3，其耐熱性可達300℃。表5為不同晶型酞菁藍品種在塑料中的耐熱性。

表5 不同晶型酞菁藍品種在塑料中的耐熱性Tab.5 Heat resistance of different crystals of phthalocyanine blue pigments in plastic coloring

同一化學成分鉛鉻黃顏料，單斜晶系的鉛鉻黃比之斜方晶系的鉛鉻黃耐光性要好。其晶型圖及性能見圖6，表6。

圖6 氧化鐵黃顏料晶型圖Fig.6 Crystal types of ferric oxide yellow pigment

表6 氧化鐵分子式與晶體結構Tab.6 Molecular formula and crystal structure of ferric oxide yellow pigment

2.3 顏料晶型對耐光（候）性能影響

無機顏料即使是同一化學成分的顏料，由于晶體成長的環(huán)境不同，也會出現(xiàn)不同的晶體結構。顏料粒子的微觀結構的種種不同直接影響它的宏觀現(xiàn)象。金紅石型與銳鈦型二氧化鈦都屬于四方晶系，但因晶型不同，所以有不同晶體屬性。金紅石型是細長的成對的孿生晶體，每個金紅石晶胞有兩個二氧化鈦分子，以兩個棱邊相連。而銳鈦型則以八面體的形式出現(xiàn)，氧位于八面體的頂角，每個銳鈦晶胞有四個二氧化鈦分子，以八個棱邊相連。不同鈦白粉晶型的晶胞圖見圖7，金紅石型與銳鈦型鈦白粉比較見表7。

圖7 不同鈦白粉晶型的晶胞圖Fig.7 Unit cell of crystalline forms of titanium dioxide(White Pigment Powder)

金紅石型和銳鈦型由于晶型不同,所以其對光反射率也不同,造成對塑料的影響也不同，見圖8。

表7 金紅石型與銳鈦型鈦白粉性能比較Tab.7 Performance comparison between Anatose and Rutile Grade

圖8 金紅石型和銳鈦型鈦白粉對太陽光反射率Fig.8 Solar reflectivity of Anatose and Rutile Grade

從圖8可看到銳鈦型鈦白（A型）紫外反射率比金紅石型鈦白（R型）大,所以鈦白（A型）底色白度較鈦白（R型）白而且顯蘭光.而鈦白（R型）紅外反射率比鈦白（A型）大的多，所以選用鈦白（R型）引起著色樹脂溫升低，耐候性好,經(jīng)過十年以后其外觀只有很小變化。鈦白（A型）耐候性較差，僅僅經(jīng)過一年以后即開始龜裂或者碎片狀剝落。

同樣例子如氧化鋅的生產(chǎn)，直接法和間接法形成的晶型不同，造成性能上差異和使用上的差距。

2.4 顏料晶型對翹曲性能影響

一般來說，顏料結晶呈各向異性，當其結晶狀態(tài)如針、棒狀時，塑料成型時，長度方向容易沿樹脂流動方向排列，因而產(chǎn)生較大的收縮；球狀結晶不存在方向排列，因而收縮小。無機顏料通常具有球狀結晶。圖9、圖10分別是無機顏料黃53和有機顏料酞菁藍15∶3的透射電子顯微鏡照像。

圖9可以看出顏料黃53晶型結構呈球狀，球型結晶不存在方向排列而酞菁顏料結構呈棒狀。在注塑成型時其長度方向極易沿著熔體樹脂流動方向排列，起到阻位特殊的成核作用，從而影響樹脂原有的結晶規(guī)律和節(jié)奏，產(chǎn)生異常內(nèi)應力。酞菁藍15∶3晶體顆粒并不粗大，但其特有的針狀晶體顆粒導致嚴重的翹曲。顏料的晶體形狀、結晶大小等對塑料成型收縮的影響，可通過電子顯微鏡觀察，其結果見表8。

圖9 顏料黃53 TEM圖片F(xiàn)ig.9 TEM photo of Pigment Yellow 53

圖10 顏料藍15∶3 TEM圖片F(xiàn)ig.10 TEM photo of Pigment Yellow 15

表8 顏料晶體形狀、大小、結晶等和PE成型收縮關系Tab.8 Relationship between PE Forming shrinkage and the crystal form,size,crystallization of pigments

（未完待續(xù)）