色粉極性不同對(duì)著色聚苯乙烯改性工程塑料顏色的影響分析

童秋菊

秦皇島天秦裝備制造股份有限公司 河北 秦皇島 066004

引言

在進(jìn)行A密封包裝筒24小時(shí)60℃貯存試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)筒體密封槽與橡膠圈。接觸部位由綠變?yōu)闇\藍(lán)色。其他未與橡膠圈接觸的部位沒有顏色變化。

針對(duì)該問題從原材料、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程和操作人員方面進(jìn)行了原因排查，結(jié)果未見異常。

1 故障分析

A密封包裝筒主要由筒體和筒蓋構(gòu)成，使用綠色聚苯乙烯改性工程塑料（以下簡稱為B料）生產(chǎn)。筒體與筒蓋以螺紋結(jié)構(gòu)配合旋緊，結(jié)合部位由橡膠圈保證密封。經(jīng)60℃高溫貯存試驗(yàn)后，接觸橡膠圈部位顏色變藍(lán)問題進(jìn)行了FTA分析，建立故障樹，如圖1所示（見下頁）。

圖1 故障樹

B料與橡膠圈接觸變藍(lán)可能有三類原因，第一類是色粉接觸橡膠圈后變色，第二類是樹脂材料接觸橡膠圈后變色，第三類是橡膠圈物質(zhì)遷移到材料表面造成變色。

2 原因排查

下面對(duì)B料接觸橡膠圈顏色變藍(lán)故障樹所有底事件進(jìn)行逐一排查。

2.1 化學(xué)反應(yīng)

橡膠圈的材質(zhì)為丁腈橡膠，橡膠料添加色粉中的組分均為化學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不存在與丁腈橡膠反應(yīng)的官能團(tuán)，到貨記錄顯示色粉原材料無異常，因此可排除該底事件[1]。

2.2 烘烤揮發(fā)

B料所應(yīng)用的色粉為耐高溫色粉，常溫及60℃烘烤不會(huì)造成色粉揮發(fā)變色，其他未與密封膠圈接觸部位沒有變色也否定了這一假設(shè)，因此可排除該底事件。

2.3 接觸遷移

丁腈橡膠含有強(qiáng)極性基團(tuán)—C≡N，屬于強(qiáng)極性物質(zhì)，能夠?qū)εc其接觸的物質(zhì)進(jìn)行極性吸引作用，B料用色粉體系中部分組成含有極性官能團(tuán)，能夠與丁腈橡膠間進(jìn)行官能團(tuán)間的極性作用發(fā)生遷移，因此該底事件不能排除。

2.4 HIPS樹脂變色

HIPS為聚丁基橡膠增韌的聚苯乙烯，為高分子聚合物，與丁腈橡膠不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，不存在變色機(jī)制，到貨記錄顯示HIPS原材料無異常，與橡膠圈接觸只有輕微應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，因此可排除該底事件。

2.5 填充材料變色

填充材料為無機(jī)物質(zhì)，化學(xué)惰性，與丁腈橡膠不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，不存在變色機(jī)制，到貨記錄顯示填充材料無異常，與橡膠圈接觸無變色現(xiàn)象，因此可排除該底事件。

2.6 橡膠圈物質(zhì)遷移

橡膠圈含有殘留單體、炭黑等小分子物質(zhì)，在與其他材料表面接觸時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生遷移，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，橡膠圈與HIPS樣品接觸后沒有造成HIPS變色，因此可排除該原因。

3 原因定位

綜上所述，B料接觸橡膠圈顏色變藍(lán)的故障原因定位為料中添加的色粉發(fā)生了遷移，橡膠圈為極性物質(zhì)，與該材料接觸后引起色粉體系中的極性色粉遷移，造成色相改變，導(dǎo)致變色。

4 機(jī)理分析

4.1 顏色由綠變藍(lán)的機(jī)理分析

根據(jù)圖2所示的色相疊加原理，綠色為黃色與藍(lán)色疊加后的色相，顏色由綠色變?yōu)樗{(lán)色可歸因于黃相色減少。

圖2 色相疊加原理

4.2 黃相色減少的機(jī)理分析

對(duì)橡膠圈的ATR分析，表明其屬于丁腈橡膠材質(zhì)，含有極性基團(tuán)—C≡N，能夠?qū)εc其接觸的物質(zhì)進(jìn)行極性吸引作用。B料所用黃相色粉屬于環(huán)保、耐高溫的有機(jī)酮類物質(zhì)，含有—C=O極性基團(tuán)，在—C≡N極性作用下會(huì)從樹脂體系中遷移到接觸面，并被丁腈橡膠吸附。

溶解性能是影響色粉遷移性的重要因素，而影響色粉在樹脂中溶解性的關(guān)鍵是色粉的極性或稱為溶解度參數(shù)。小分子物質(zhì)與高分子材料的溶解度參數(shù)越相近，則溶解分散效果越好；如果兩者的差值超過了0.5，則一般難以達(dá)到很高程度的分散[2]。一般來講，結(jié)構(gòu)相似度高，小分子在高分子材料中的溶解度大，即通常所講的“相似相溶”。此外，色粉的遷移受溫度影響較大，有機(jī)色粉常為有機(jī)分子，在受熱過程中活化能增加，遇到溶解度更高的材質(zhì)會(huì)在二相材質(zhì)間產(chǎn)生一種再分配現(xiàn)象。

綜上所述，黃相色粉在B料與丁腈橡膠接觸后，在二相材質(zhì)間產(chǎn)生了再分配現(xiàn)象，黃相色粉遷移到丁腈橡膠基體中，造成了該材料與橡膠圈接觸一段時(shí)間后變?yōu)樗{(lán)色。

5 問題復(fù)現(xiàn)

取兩個(gè)批次的B料，注塑成色板，將裁成小段的橡膠圈用長尾夾固定在色板上，保證充分接觸，送入60℃烘箱中放置24小時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)被試批次的材料與橡膠圈接觸的部位都會(huì)由綠變藍(lán)，與故障情況基本一致，復(fù)現(xiàn)了故障現(xiàn)象。

6 采取的措施及驗(yàn)證

為解決B料與橡膠圈接觸變藍(lán)的問題，對(duì)黃相色粉進(jìn)行了調(diào)整，由原來的極性遷移型，變更為非遷移型，黃相色粉結(jié)構(gòu)也由原來的弱極性變更為非極性結(jié)構(gòu)。樹脂基體本身的溶解度參數(shù)約9.0，色粉體系的調(diào)整增強(qiáng)了黃相色粉與樹脂基體的相容性，避免了該材料與其他材質(zhì)材料接觸后發(fā)生色粉遷移現(xiàn)象。經(jīng)過60℃烘烤與橡膠圈的接觸24h試驗(yàn)，顏色沒有發(fā)生變化，措施有效。

7 與其他接觸物的變色試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮到B料生產(chǎn)的產(chǎn)品在使用過程中可能經(jīng)常接觸到的物質(zhì)，是否也存在高溫環(huán)境中變色的現(xiàn)象，隨后進(jìn)行了與泡沫橡膠、三元乙丙橡膠、天然橡膠及硝基漆的接觸試驗(yàn)。經(jīng)過60℃烘烤接觸24h后的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：使用有機(jī)色粉配制的B料與泡沫橡膠、三元乙丙橡膠、天然橡膠接觸后均有不同程度變藍(lán)現(xiàn)象，與白色硝基漆接觸后硝基漆顏色變黃[3]。

試驗(yàn)分析：泡沫橡膠、天然橡膠、三元乙丙橡膠，在硫化后具有一定極性，能夠類似于丁腈橡膠吸引黃相色粉；硝基漆的主要成膜物是硝化棉，硝基漆稀釋劑是由酯、醇、酮、苯類等有機(jī)溶劑配制而成的一類稀釋劑，對(duì)酮類黃相色粉有良好的溶解性，接觸后會(huì)造成黃相色粉遷移。

對(duì)用無機(jī)色粉配制的B料也進(jìn)行了可能接觸物質(zhì)的對(duì)比試驗(yàn)，接觸物種類、試驗(yàn)方法相同。試驗(yàn)結(jié)果為：與泡沫橡膠、天然橡膠、三元乙丙橡膠烘烤接觸后沒有發(fā)生顏色變藍(lán)現(xiàn)象，與白色硝基漆烘烤接觸后顏色沒有發(fā)生變化。

8 結(jié)束語

通過以上復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)、更換色粉前后對(duì)比試驗(yàn)、與可能接觸物的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：使用有機(jī)色粉配制的聚苯乙烯改性工程塑料接觸極性物質(zhì)在高溫條件下發(fā)生相溶性反應(yīng)，出現(xiàn)接觸部位變色現(xiàn)象；使用無機(jī)色粉配制的聚苯乙烯改性工程塑料接觸極性物質(zhì)，在高溫條件下不發(fā)生變色現(xiàn)象，再次證明了物質(zhì)相似相溶的客觀性。