不同表面处理的铝颜料在聚丙烯中的应用研究.pdf

收稿日期：2022-07-12作者简介：徐曈曈（1992-），男，助理工程师，从事金属粉体的表面改性工作,；通讯联系人：董前年（1972-），男，硕士，正高级工程师，从事微纳米粉体的表面改性工作,。不同表面处理的铝颜料在聚丙烯中的应用研究徐曈曈1，2，董前年1，2，朱雷明1，徐俊军1，2，吴 艺1，贺 平1，何 凡1，朱双单1，2（1.合肥旭阳铝颜料有限公司，安徽 合肥 231131；2.安徽天易金属新材料有限公司，安徽 六安 237200）摘要：重点研究了PE蜡包覆处理的铝颜料、二氧化硅包覆处理的铝颜料、丙烯酸树脂包覆处理的铝颜料和未包覆处理的铝颜料在聚丙烯中的分散性、Lab值以及冲击性能的影响。结果显示，未包覆处理的铝颜料在PP中白亮度（L值）最差，其在PP中分散性也差，因此，铝颜料应用于PP塑料中需要做表面包覆处理。关键词：免喷涂；金属铝颜料；包覆；表面处理；塑料doi：10.3969/j.issn.1008-553X.2023.02.016中图分类号：TQ320.67文献标识码：A文章编号：1008-553X（2023）02-0073-03安 徽 化 工ANHUI CHEMICAL INDUSTRYVol.49，No.2Apr.2023第49卷，第2期2023 年 4 月随着国内环保要求越来越高，塑料制品着色采用的传统喷涂工艺VOC排放超标、生产工序多、成本高以及残次品无法回收等问题越来越凸显，而塑料免喷涂材料1-4汇集了设计自由度高、一次成型、环保等优点于一身，更符合当下的环保趋势，所以更多的研发人员把产品开发的方向瞄向了免喷涂。金属效果5-6作为免喷涂家族重要的一员，由于其特殊的金属质感和绚丽的反光效果，改变了塑料的廉价感，提升了产品的档次和附加值，深受广大消费者的喜爱。但免喷涂工艺制备的材料的金属效果与喷涂工艺制备的材料的金属效果相比，免喷涂工艺制备的材料白亮度较差，主要原因在于微米级的片状铝粒子在塑料中定向排列差，分散不均匀，受到螺杆剪切易破碎7以及高温挤出工艺色泽变暗等。目前市场上常用于塑料免喷涂工艺的铝颜料有8-10未包覆处理的铝颜料（铝银浆）、PE蜡包覆处理的铝颜料、二氧化硅包覆处理的铝颜料、丙烯酸树脂包覆处理的铝颜料。铝银浆是由65%75%的微米级片状铝粒子和25%35%的溶剂油组成；PE蜡包覆处理的铝颜料是由70%80%的微米级片状铝粒子和20%30%的PE蜡组成；二氧化硅包覆处理的铝颜料是通过溶胶凝胶法在微米级的片状铝粒子表面包覆一层致密的二氧化硅薄膜层的颜料，主要组成是微米级的片状铝粒子含量为65%75%，二氧化硅含量为8%12%，其余为醇醚类溶剂；丙烯酸树脂包覆处理的铝颜料是通过溶液聚合法在微米级的片状铝粒子表面包覆一层丙烯酸树脂薄膜层的颜料，主要组成是微米级的片状铝粒子含量为65%75%，丙烯酸树脂含量为8%12%，其余为烃类溶剂。本文重点研究了PE蜡包覆处理的铝颜料、二氧化硅包覆处理的铝颜料、丙烯酸树脂包覆处理的铝颜料和未包覆的铝颜料在聚丙烯中的分散性、Lab 值以及冲击性能。1 实验部分1.1 实验原料铝银浆（未包覆处理，以下称为铝颜料）：型号A15，粒径（D50）15 m，径厚比L/D=50，微米级的片状铝粒子含量70%，自制；PE蜡包覆处理的铝颜料：型号P15，其中微米级的片状铝粒子含量70%，粒径（D50）15 m，径厚比L/D=50，聚乙烯蜡含量为30%，自制；二氧化硅包覆处理的铝颜料：型号S15，其中微米级的片状铝粒子含量70%，粒径（D50）15 m，径厚比L/D=50，二氧化硅包覆层含量为10%，醇类溶剂含量20%，自制；树脂包覆处理铝颜料：型号R15，其中微米级的片状铝粒子含量70%，粒径（D50）15 m，径厚比L/D=50，丙烯酸树脂包覆层含量为10%，烃类溶剂含量为20%，自制。聚丙烯（PP）树脂：型号Z30S，中韩武汉石化有限公司；聚乙烯（PE）蜡：型号520，科莱恩化工有限公司；二氧化硅和丙烯酸树脂包覆材料：自制；抗氧剂：型号 1010 和型号168，巴斯夫（中国）有限公司；光稳定剂：型号783，巴斯夫（中国）有限公司。1.2 实验仪器SHJ-35双螺杆挤出机，长径比40 1，南京科亚化工成套设备有限公司；SSF720-K5注塑机，宁波双盛塑料机械有限公司；CM-3700A色差仪，柯尼卡美能达（中国）投资有限公司；Flex SEM1000电子显微镜，日本日立高新技术公司；XJ-5.5/5D悬简组合冲击试验机，济南辰达试验机制造有限公司。73总第 242 期 2023 年第 2 期（第 49 卷）安 徽 化 工1.3 样板制备把不同包覆处理的铝颜料和未包覆的铝颜料按聚丙烯 铝颜料 抗氧剂 光稳剂=98.6 1 0.2 0.2比例分别称取4组原料，用低速混合机混合均匀，然后用双螺杆挤出机在190220条件下挤出造粒，粒料在95真空干燥箱中干燥40 min后，在210220条件下注塑成测试所需的色板和标准力学测试样条。1.4 性能测试色差测试：在每组色板里任取5块，然后定点在每块色板上测试L、a、b值，测试得到5组数据，然后去掉最高值和最低值，剩余3组数据取平均值。分散性测试：在每组色板里任取50块，在D65标准光源灯箱中目视样板正反面，查看样板表面的凹坑和麻点数（目视可见拖尾巴的缺陷点）。冲击性能测试：按照ISO180 测试。2 结果与讨论2.1 不同表面处理的铝颜料在聚丙烯中的L、a、b值分析（表1）表1不同表面处理的铝颜料在聚丙烯中的L、a、b值分析未包覆处理PE蜡包覆处理二氧化硅包覆处理树脂包覆处理L77.8679.0080.0679.56a-0.58-0.62-0.60-0.55b-1.05-1.00-0.96-0.97由表1可知，二氧化硅包覆处理的铝颜料在PP中的L值最高，L值高表明白亮度好，分析认为，可能是二氧化硅在片状铝粒子表面呈颗粒状沉积（类似于外墙真石漆），二氧化硅对光有一定的折射，折射后的光呈白色，另外二氧化硅包覆于片状铝粒子表面，对片状铝粒子有一定的保护作用，降低了片状铝粒子被腐蚀氧化，所以综合L值最好；其次是树脂包覆处理的铝颜料在PP中的L值次之，分析认为，丙烯酸树脂在片状铝粒子的表面包覆平整，虽然对光的折射率影响不大，但丙烯酸树脂具有很好的耐酸碱和耐热作用，对片状铝粒子有很好的保护作用，降低了片状铝粒子被腐蚀氧化。因此，树脂包覆处理的铝颜料在PP中L值仅次于二氧化硅包覆处理的铝颜料在PP中的L值；PE蜡包覆处理的铝颜料在PP中的L值再次之，分析认为，PE蜡包覆处理的铝颜料，PE蜡附着于片状铝粒子表面，延缓了片状铝粒子在未充分融入PP体系前高温下与空气的接触，起到一定的保护作用；未包覆处理的铝颜料在PP中的L值最低，主要是片状铝粒子表面缺少保护，在未充分融入PP体系前存在一定程度的氧化。四组样品在PP中的a、b值相差不是很明显。由于a值表示从洋红色至绿色的范围，b值表示从黄色至蓝色的范围，而铝颜料是银白色，无论是否包覆处理，银白色不变，因此，处理前后a、b值不会有明显变化。2.2 不同包覆处理的铝颜料在聚丙烯中的分散性分析（表2）由于铝颜料是片状结构，且粒径分布具有一定的分布区间，采用常规的压滤值法无法测试其分散性，因此本文采用注塑样板目视数点法进行评价。为了数据的可靠性和客观代表性，在同等工艺条件下，注塑50块样板，通过增大样本的方式提高评价的准确性，见表2。麻点（或凹坑）数 个/50块样板未处理8PE蜡包覆处理5二氧化硅包覆处理15丙烯酸树脂包覆处理6表2不同表面处理的铝颜料在PP中的分散性分析由表2可以看出，PE蜡包覆处理的铝颜料和丙烯酸树脂包覆处理的铝颜料在PP中分散较好。分析认为，PE蜡是一种低分子量的分散剂，对片状铝粒子有一定的润湿分散作用，因此，PE蜡包覆处理的铝颜料与PP具有较好的相融性；丙烯酸树脂包覆处理的铝颜料，由于丙烯酸树脂与PP基材极性相近，因此，丙烯酸树脂包覆处理的铝颜料与PP具有很好的相融性；未包覆处理的铝颜料由于含有30%的溶剂，呈膏状，所以在PP中分散性不好，但溶剂在PP基材中能够起到一定的润滑作用，因此，未包覆处理的铝颜料在PP基材中分散性较好；二氧化硅包覆处理后的铝颜料在PP基材中分散性最差，分析认为，二氧化硅属于无机物，具有很好的亲水性，与PP极性相差甚大，因此二氧化硅包覆处理后的铝颜料在PP基材中分散性最差。2.3 不同表面处理的铝颜料对聚丙烯材料冲击性能的影响（表3）74由表3可以看出，在PP中添加未处理的铝颜料和表面处理的铝颜料，对PP材料的冲击性能都有小幅度降低的影响，但是相比而言，PE蜡包覆处理的铝颜料和树脂包覆处理的铝颜料对PP材料的冲击性能降低最小，未包覆处理的铝颜料对PP材料的冲击性能降低次之，二氧化硅包覆处理的铝颜料对PP材料的冲击性能降低最多，综合分析认为，铝颜料是无机颜料，铝粒子是微米级片状结构，由于它的存在，基体材料的分子链就不能再占据原来的全部空间，使得相连的链段在某种程度上被松散化，在PP基材中会造成一定程度的应力集中，因此降低了材料的冲击性能。通过PE蜡和丙烯酸树脂有机物的处理，增加了片状铝粒子和PP间的相容性，因此，两者的冲击性能相比空白样板降低较少。3 结论综上所述，未包覆处理的铝颜料在PP中白亮度（L值）最差，其在PP中分散性也差，因此，铝颜料应用于PP塑料中需要做表面包覆处理。虽然二氧化硅包覆处理的铝颜料在PP中白亮度（L值）最好，但其在PP中分散性差，其制备的复合材料冲击性能也有较明显下降，因此，二氧化硅包覆处理的铝颜料不宜在PP中应用。树脂包覆处理的铝颜料在PP中白亮度仅次于二氧化硅包覆处理的铝颜料，其在PP中分散性很好，树脂包覆处理的铝颜料制备的复合材料冲击性能下降少，因此，从复合材料性能角度考虑，树脂包覆处理的铝颜料是最佳选择。PE蜡包覆处理的铝颜料在PP中呈现出的白亮度仅次于树脂包覆处理的铝颜料，其在PP中分散性最好，PE蜡包覆处理的铝颜料制备的复合材料冲击性能与树脂包覆处理的铝颜料制备的复合材料一样。但由于树脂包覆处理的铝颜料处理工艺要比PE蜡包覆处理的铝颜料工艺复杂，制备成本较高，因此，从原材料性价比角度考虑，PE蜡包覆处理的铝颜料是最佳选择。参 考 文 献1 林洁龙，杨波，丁正亚，等.免喷涂外观美学树脂的应用J.工程塑料应用，2016，44（10）:36-40.2 莫荣强，雷春堂.家电壳体用高分子材料及其应用技术的发展趋势J.塑料工业，2019，47（2）:6-10.3 陶永亮，王晓光.免喷涂材料在汽车零部件中的应用J.橡塑技术与装备，2019，45：21-23.4 周启花，张扬，雷明辉.免喷涂材料及其应用概述J.广东化工，2019，46（16）：94-97.5 董前年，张彩云，徐曈曈，等.铝颜料的分类及其在塑料行业中应用概述J.山东化工，2015（15）：95-986 夏渊.铝颜料行业现状分析及未来技术与市场发展的方向J涂层与防护，2020，41（2）：41-48.7 徐曈曈，董前年，朱雷明，等.不同径厚比铝颜料在塑料中应用效果的研究J.安徽化工，2021，47（1）：76-78.8 董前年，徐曈曈.塑料免喷涂用条状铝颜料的制备和应用研究J.安徽化工，2019，45（1）:71-73.9 谷圣军，董前年，周辉，等.铝颜料的不同处理工艺及应用概述J.安徽化工，2021，47（2）：8-1010 陈坤，覃秋菊，皮丕辉，等.二氧化硅改性铝颜料的研究进展J.电镀与涂饰，2011，30（11）:76-80.11 蒲又祯，杨通豪，杨杰.聚丙烯材料在汽车零部件上的应用和展望J.塑料科技，2020，48（8）：138-141.12 卢朝亮，付大炯，苏娟霞，等.铝颜料对免喷涂聚丙烯热老化变色的影响J.工程塑料应用，2019，47（12）：101-105.表3不同表面处理的铝颜料对PP材料冲击性能的影响冲击强度（kJ/）PP空白样32PP+未处理铝颜料28PP+PE蜡包覆处理铝颜料29PP+二氧化硅包覆处理铝颜料27PP+丙烯酸树脂包覆处理铝颜料29St