顏料的物理形態對塑料著色性能影響(續)

陳信華

（上海金泰色母粒有限公司，上海，200434)

3 顏料粒徑大小影響

顏料用于塑料著色性能不僅僅由化學結構決定，也與顏料粒子大小和分布有關。顏料粒徑大小對顏料的應用性能起到重要作用，諸如：著色力、透明度、遮蓋力、光澤度、鮮艷度，分散性，耐熱性，耐光（候）性等。當顏料粒徑降低時，其透明性變好，著色力增加，鮮艷度光澤度提高，而耐熱性，耐光性，分散性下降見表9。

有機顏料黃183有兩個品種，其中一個品種為透明的（小粒徑），其色調值76.0明顯比遮蓋183黃（大粒徑）色調值 85.2綠光多了。遮蓋183黃（大粒徑）耐熱性300℃比透明183黃（小粒徑）280℃要好，而且遮蓋183黃（大粒徑）耐候性 3～4可用于戶外。不同粒徑有機顏料黃183色彩性能見表10。

表9 顏料粒徑大小對性能的影響Tab.9 Effect of particle size of pigments on the coloring performance

表10不同粒徑顏料黃183品種色彩性能——1/3標準深度Tab.10Coloring performance of Pigment Yellow 183 with different particle sizes(1/3 standard coloring depth)

3.1 顏料粒徑大小與色相影響

同一化學結構顏料粒徑大小影響到色相或色光，例如同一黃色顏料品種，當粒徑微細，則顯示綠光黃色，而粒徑較粗時，則可顯示紅光黃色；紅色顏料品種，粒徑變小，色相角加大，顯示更強黃光；粒徑變大，色相角變小，顯示更強藍光；藍色顏料品種，粒徑變小，色相角加大，顯示更強紅光：粒徑變大，色相角變小，顯示更強綠光；綠色顏料品種，粒徑變小，色相角加大，顯示更強藍光；粒徑變大，色相角變小，顯示更強黃光；不同色譜顏料，顏料粒徑大小與色光變化規律如表11。

表11顏料粒徑大小與色光變化規律Tab.11 Particle size and variation of color and light

二氧化鈦的平均粒徑為0.2 μm，它對短波藍光（400 nm）有較強的散射力，底層色相帶有較微的藍相。而平均粒徑在0.4 μm時，對長波紅光（700 nm）有較強的散射力，底層色相帶有較微的紅相。二氧化鈦的平均粒徑與色光關系見圖11。

氧化鐵紅化學名稱為三氧化二鐵(Fe2O3)，是鐵的氧化物中最穩定的化合物，氧化鐵紅顏色的從紅黃色到暗紅色深淺不等取決于純度、制法和粒徑。氧化鐵紅顆粒大小和色相變化見表12。

圖11 典型鈦白粉粒徑分布與底色關系Fig.11 Diameter of particle(Pigment White Powder)vs.relative scattering power

表12 氧化鐵紅顆粒大小和色相變化Tab.12 Particle size and hug change of iron oxide red

3.2 顏料粒徑大小與著色力影響

著色力 (也稱著色強度)是顏料賦予被著色物質顏色深度的一種度量。著色劑在塑料上著色力是指將每公斤含5%TiO2聚氯乙烯 （PVC）或1%TiO2聚烯烴 （PO）塑料，達到顏色的標準色深度（SD）時所需要的著色劑克數。

著色劑最大吸收波長決定它的顏色，而在最大吸收波長處的吸收能力決定了它的著色力。

影響著色力的主要因素是化學結構和晶體結構。除了結構外，飽和度增加，著色強度越高，亮度增加，著色強度下降，此外著色強度還與被著色物質組份、材質及應用條件有關。群青顏料粒徑與著色力關系見表13。

表13群青顏料粒徑與著色力關系Tab.13 Relationship between distribution of particle sizes of ultramarine pigment and coloring power

透明顏料183黃（小粒徑）在HDPE著色力1/3標準深度0.23值比遮蓋顏料183黃(大粒徑)著色力1/3標準深度0.43低的多，因此著色力明顯高近一倍見圖12。

圖12 不同粒徑顏料黃183品種著色力（1/3標準深度）Fig.12 Coloring power of Pigment Yellow 183 with different particle sizes(1/3 standard coloring depth)

3.3 顏料粒徑大小與遮蓋力（透明性）影響

有機顏料透明性對于某些特定用途十分重要，例如在配制珠光色、金屬色以及化纖紡絲時，需具有高透明度。欲使應用介質呈現非透明性，除了要求分散介質與顏料粒子之同的折射指數有明顯差值外，還與顏料粒子對光線的散射作用有關。當顏料粒徑大小是光線波長的一半，即顏料顆粒直徑 0.3～0.55μm(即 300～550 nm)對光的散射能力最強，可導致高的遮蓋力、即非透明性(Opaque)；而平均粒徑小于光線波長的一半數值，其遮光能力出現明顯下降，如氧化鐵顏料粒徑為0.001～0.05μm(10～50nm)則呈現透明性，見圖 13。 透明性氧化鐵紅顏料具有高UV吸收特征，云母氧化鐵用作防銹漆的顏料。

圖13 不同粒徑氧化鐵顏料性能圖Fig.13 Properties of iron oxide red with different particle sizes

如圖14中所示，顏料顆粒直徑對光的吸收與散射作用的影響，使顏料顯示非透明性與透明性的特征。著色劑在使用時因散射而導致的透明或遮蓋取決于其在應用介質中的粒子尺寸。

圖 14 顏料粒徑與遮蓋（透明性）的特征Fig.14 Particle sizes vs.covering(transparency)of pigments

S.Brunauer(布魯尼爾)、P.Emmett （埃密特）和E.Teller（特勒）于1938年提出的BET多分子層吸附理論，其表達方程即BET方程，我們采用BET方法，測定顏料紅254六種不同試樣（254/1，254/2，254/5，254/6，254/10，254/11）的比表面積，以離心轉盤方法測定粒徑大小，其關系如圖15所示。

圖15顏料紅254粒徑大小與表面積關系Fig.15 Relationship between particle size and specific surface area of Pigment Red 254

結果表明顏料紅 254/1，254/2，254/5粒徑較大，其比表面積數值小；反之顏料紅254/6，254/10，254/11粒徑較小，其比表面積數值大。

我們在可見光區域內黑白格背景下測定不同粒徑大小試樣的色差值（△E），數據表明粒徑較小試樣顏料紅254/6，254/10，254/11， 則更透明（△E色差值較大），而粒徑較大顏料紅試樣，由于強的散射作用，較小色差值，高的遮蓋力。見圖16。

圖16不同粒徑顏料紅254與透明性（遮蓋力）的關系Fig.16 Particle size vs.transparency(covering)of Pigment Red 254

3.4 顏料粒徑大小與耐熱性影響

有機顏料的原始粒徑大小也對耐熱性有很大影響，一般來說顏料粒徑小，比表面積大，而耐熱性和分散性差。反之粒徑大，比表面積小，著色力低，而耐熱性和分散性好。顏料紅254其粒徑大小對耐熱性影響見表14。

表14同一結構顏料紅254不同粒徑品種的耐熱性Tab.14 Heat resistance of Pigment Red 254 with the same structure but with different particle sizes

從表14可以看出Red BOC比表面積19.9 m2/g相對應粒徑大，在顏料含量0.05%耐熱性達300℃，而Red BTR比表面積93.8 m2/g相對應粒徑小，在顏料含量0.05%耐熱性達280℃。

3.5 顏料粒徑大小與分散性影響

顏料粉體顆粒的細度對于顏料的潤濕和分散有著較大的影響。通常細小顆粒粉體之間的間隙要比較大顆粒之間的間隙來的小，因而載色體樹脂對小顆粒粉體顏料的潤濕和滲透速率就比較慢，從而影響顏料顆粒最終的分散效果。

表15 不同粒徑大小顏料紅122分散性Tab.15 Dispersivity of Pigment Red 122 with different particle sizes

從表15所得到的實驗結果就充分驗證了上述分析的結論。同一化學結構的顏料品種（顏料紅122，喹吖啶酮），由于采用了不同的表面處理工藝，得到顆粒粒徑大小分明的兩個不同產品，經由完全相同的色母粒制成工藝，再將所得母粒通過25 μm孔徑的濾網進行過濾值測試，得出結果相差非常懸殊的兩組數據。實驗證明：具有較大粒徑顆粒的顏料相對比較容易被潤濕而得到較好的分散效果。

同樣道理，無機顏料大多數是由金屬氧化物組成的，相對于有機顏料而言，平均顆粒也較有機顏料來得大，因此無機顏料相對于有機顏料的分散性要好。尤其像二氧化鈦，鉻系以及鎘系顏料在塑料中都是最容易分散的。

3.6 顏料粒徑大小與耐光（候）影響

有機顏料經光照后褪色過程，被認為是光氧化——降解的過程，反應速度與比顏料表面積有關。細小的顏料粒子，有較大的比表面積，在光射照射下更易發生顏料的光化學氧化與還原反應，導致顏料褪色，耐光牢度降低，因此耐光堅牢度就比較差。著色劑經光照后粒徑較大的顏料其褪色速度與粒子直徑平方成反比，而粒徑較小時其褪色速度與粒子直徑的一次方成反比。

不同粒徑顏料139黃經曝曬后顏色變化。見圖17。從圖17可以看出表面積23.3 m2/g顏料黃139，相對應粒徑大在陽光曝曬下色差變化明顯比顏料表面積51 m2/g顏料黃139相對應粒徑小要小的多，表明耐光性提高。

圖17不同粒徑顏料139黃經曝曬后顏色變化Fig.17 Color changes(after exposure to sunlight)of Pigment Yellow 139 with different particle sizes

圖18 異吲哚啉酮顏料不同粒徑對成型收縮關系Fig.18 Relationship between particle size and molding shrinkage rate of isoindolinone pigments

同一結構顏料紅254不同粒徑品種的耐候性見表16。從表16可以看出表面積12.0 m2/g相對應粒徑大顏料紅254，加鈦白，在1000 h耐候性有5級，而表面積106 m2/g相對應粒徑小顏料紅254只有4級。大粒徑DPP Red SR1C可用在需耐候要求特別高的汽車漆。

表16 同一結構顏料紅254不同粒徑品種的耐候性Tab.16 Weatherability of Pigment Red 254 with the same structure but with different particle sizes

3.7 顏料粒徑大小與翹曲性影響

顏料粒徑大小也會影響成型收縮率，如圖18所示。同一異吲哚啉酮，當顏料顆粒大至一定程度或小至一定程度時，其成型收縮率和收縮比為最小。

4 結語

塑料著色是一項系統工程，為了開拓塑料制品的商業價值，從單純追求產品美觀，發展到對商品的應用性能和安全性等提出了對著色劑更高的要求，所以塑料著色時我們僅僅選擇某個化學結構的顏料還遠遠不夠，而是要選擇具有良好物理狀態，滿足著色性能要求顏料。

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