聚烯烃类色母粒的生产工艺及其性能研究的全文

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聚烯烃类色母粒的生产工艺及其性能研究

学生姓名：孟超                      指导教师：牛俊峰
（浙江科技学院生物与化学工程学院）

摘要:  本文介绍了色母粒的生产制备工艺，主要有干混法和湿法两种；讨论了聚烯烃类色母粒的各种性能及其对塑料加工的影响。以聚乙烯树脂作为载体为例，研究了包括薄膜透过率、转矩流变性能、力学性能等各种性能，比较分析了几种不同配方的色母粒的性能差别；从转矩流变性能和薄膜透过率出发，讨论了加工温度，分散剂含量等因素对色母粒中颜料分散性的影响；通过各种力学性能测试，分析了色母粒的加入对塑料制品的力学性能的影响。最后，对国内外色母粒今后的研究发展进行了展望。
关键词： 色母粒； 聚烯烃； 生产工艺；流变性能

Polyolefin masterbatch production process and its performance study
Student’ s name: MengChao               Advisor:NiuJunFeng
（School of Biological and Chemical Engineering Zhejiang University of Science and Technology）
Abstract:  This paper introduces the preparation of masterbatch production, mainly in dry and wet mixing; discussed a variety of polyolefin masterbatch to the plastics processing performance and its impact. In this paper, polyethylene resin as a carrier for example, film studies, including transmission, torque rheological properties, mechanical properties such as performance, a comparative analysis of several different formulations of the performance difference between the masterbatch; flow from the torque transmittance change from performance and film to discuss the processing temperature and dispersant content of the masterbatch and other factors in the effects of pigment dispersion; through a variety of mechanical properties testing, analysis of the masterbatch of the accession to the mechanical properties of plastics impact. Finally, the future of domestic and foreign research and development masterbatch prospected.
Keywords: masterbatch; Polyolefin ; Production Process; Rheological properties

目  录
中文摘要 I
英文摘要 II
目录 III
1. 绪论 1
1.1  色母粒概论 1
1.2  色母粒的制备工艺 1 
1.3  色母粒的生产设备 3
1.4  载体树脂的作用及选择 3
1.5  着色剂的作用及选择 4
1.6  分散剂的作用及选择 5
2. 实验部分 6
2.1  原料 6
    2.2  设备及测试仪器 6
2.3  实验工艺流程 7
2.4  测试样品制备 7
2.4.1  着色薄膜的制备 7
2.4.2  样板的制备 7
2.5性能测试 8
2.5.1  薄膜透过率测试与数据处理 8
2.5.2. 力学性能的测定 8
2.5.3  流变性能测试 9
3. 结果与讨论 10
3.1  不同分散剂含量对薄膜黑度值的影响 10
3.2  不同类型载体树脂对颜料分散性能的影响 10
    3.3  转矩流变曲线的分析 11
 3.4  不同类型载体树脂对色母粒流变性能的影响 13
3.5  不同配方对转矩流变值的影响 13
    3.6  温度对转矩流变值的影响 14
3.7  不同蜡含量对转矩值的影响 16
3.8  色母粒对材料力学性能的影响 16
3.8.1  不同母粒对无缺口冲击强度的影响 16
3.8.2  不同母粒对树脂缺口冲击强度的影响 17
3.8.3  不同母粒对树脂拉伸性能的影响 18
4．总结与展望 19
4.1  总结 19
4.2  展望 19
4.2.1. 颜料 19
4.2.2. 分散剂 20
4.2.3. 载体 20
4.2.4. 新型混合和塑炼设备 20
致谢 21
参考文献 22

 
1. 绪论
1.1  色母粒概论
色母粒的研究开发起源于欧洲，如瑞士的Ciba-Geigy公司与德国的Hoechst公司。由于色母粒具有的一系列优点，很快在塑料行业得到推广，目前世界塑料色母粒每年消耗约二百多万吨。色母粒在工业发达国家已经成为树脂着色的主要手段。据报道，美国的着色塑料制品中，95%应用色母粒 [1]。
我国在80年代后期开始引进国外技术并加强研究开发力度,先后在广东、辽宁、北京、上海等地建厂投产，现已普及至全国各地，沿海地区尤为突出。现在国内色母粒年生产能力约2万吨左右，填充母粒生产能力约20万吨，但实际设备利用率仅占15%左右[2]。
色母粒着色效果优越、使用方便、节约能源，而且不会造成粉尘、污水等污染。此外色母粒着色工艺还有配色准确、色泽稳定、加工性能优良、制品性能好等优点。色母粒可广泛应用于注塑、挤出、中空吹塑、压延等各种塑料成型方法中，对于超薄制品和浓色制品的注塑，色母粒更具有其优越之处。
色母粒在国外的发展也只有几十年的历史，中国改革开放使我国色母粒工业一起步就紧跟世界发展潮流。全套引进世界先进生产设备和生产技术，进口质量优异的颜料和分散剂，可以生产世界一流的色母粒，因此可以说中国色母粒工业水平与世界水平差距不大 [3]。
1.2  色母粒的制备工艺
色母粒(Color Master Batch)，也称为颜料浓缩物（Pigment Concentration），是一种新型高分子材料专用着色剂。它是把超常量的颜料均匀地载附于树脂之中而制得的聚集体，通常由颜料、载体树脂、添加剂三个基本要素所组成。高浓度色母粒基本颜料含量可达30～40%，载体占60%左右，此外按制品的用途和性能要求可分别加入润滑剂——增加被着色树脂的流动性；光亮剂——使制品易于脱膜 和表面光亮；抗氧剂——提高制品的抗氧化性能；紫外光吸收剂——增加制品耐老化性能等，为赋予制品特殊性能还制造出多功能色母粒[4]。
色母粒的制备方法有很多种，但基本工艺均可用以下过程简示：

 
目前，通用的色母粒制备方法可分为干混法和湿法两种。我国大部分塑料母粒厂（尤其是中小企业）采用干混工艺生产母粒。国外如瑞士的山道士公司部分色母粒亦是采用这种工艺[5]。
其工艺路线为：
 
该方法工艺过程简单，易于操作，但母粒中颜料分散程度相对较低。而我国一些较大规模的色母粒生产厂，如燕山石化树脂应用研究所、广东新会纤维色母粒厂等，采用湿法工艺制备色母粒[6]。
其工艺路线为：
 
这种方法工艺流程较长，生产成本增加，但色母粒质量得到了保证。瑞士的Ciba-Geigy公司、德国的Hoechst公司均采用这种方法。
1.3 色母粒的生产设备
色母粒的加工工艺过程有三个步骤，首先进行颜料的处理，然后将处理好的颜料与载体进行初混合，最后将混合好的物料进行塑炼并造粒。完成这三个步骤的主要设备有[7]：
（1）三辊研磨机  又称三辊磨，其作用是通过水平方向排列的三根辊筒的表面相互挤轧，使色浆中的颜料颗粒团聚体打开，生成原生颗粒，而达到研磨作用。
（2）混合机  使用混合机可以将三辊研磨机处理好的颜料与载体进行初混合。混合机的结构比较简单且种类较多，如转鼓式混合机、V形混合机、双锥混合机、高速混合机等等。
（3）密闭式塑炼机  也称密炼机，是在开放式塑炼机基础上发展起来的一种高强度间歇混合设备。它是通过两个转动的辊筒将物料混合或使物料达到规定状态的。经过混合机初混合的颜料和载体再经过密炼机的混合、塑化，可以制成色母粒的半成品。密炼机的混炼室是密闭的，有效地改善了工作环境。
（4）连续混炼机  密炼机是间歇性工作的，从而影响了混炼效率。连续混炼机是在密炼机的基础上发展起来的，大大提高了混炼效率。
（5）单、双螺杆挤出机  经密炼机塑炼出的物料形态为片状和团状。挤出机是将破碎过的物料进一步塑炼和挤出造粒，得到成品色母粒。
（6）双转子连续混炼造粒机  此机组由双转子连续混炼机与热喂料挤出造粒机相配组成。因为该机组将机器的混炼功能与挤出功能分开，所以可控变量多，能在很宽的范围内完成混合任务，可以对各种高分子材料进行混炼、造粒，工艺适应性较强，尤其适用于各类中低温母料（如ABS、PP、PE等）和各种色母粒的混合和造粒，正在得到越来越广泛的应用。
1.4  载体树脂的作用及选择
顾名思义，所谓载体就是承载颜料和助剂的工具，是母粒的基体。理想的载体应起到以下几个作用：一是作为颜料预分散、稳定保护储备室，防止颜料再度结团；二是在熔融后带着颜料（在助剂的帮助下）均匀地分散到基材树脂中，完成着色的功能。这就需要载体本身具有良好的熔融流动性，与颜料较强的亲和性及与基材（被着色树脂）有良好的相容性，并且要在熔化后有一定程度的主动扩散能力。同时对基材的物理机械性能的负面影响小，甚至还可改善制品的某些性能，起到增强的作用。因此，载体选择是非常关键的[8]。
聚烯烃色母粒的载体树脂一般选用与被着色树脂的同类聚合物，例如聚丙烯用色母粒所选的载体为聚丙烯，而往往选用聚乙烯作为聚乙烯用色母粒的基体树脂。但对于现有普遍色母粒的生产设备和生产工艺情况，通常要选用熔体指数较大的树脂作为基体树脂，这样有利于颜料在基体树脂中的分散。因为现有的设备不能提供最大的剪切力来实现对颜料的强力剪切，因此通过降低体系的粘度来实现颜料的分散。但是，长久以来，我国的色母粒工业没有专门的载体树脂。部分企业使用昂贵的进口树脂，但更多的企业使用市场上较易买到的通用级树脂（一般熔融指数为2 g/10min）。因为通用级树脂的动性不好，需要在配方中添加较多的价格不菲的低分子蜡（主要为聚乙烯蜡）来作为分散剂。低分子蜡的过多加入，不仅增高了色母粒的制造成本，同时也降低了制成品的许多物理性能。选择一种高熔融指数的LLDPE与LDPE共混作为载体树脂一方面使体系的粘度降低，提高颜料在载体树脂中的分散性，另一方面，可以减少低分子蜡的使用量，从成本角度考虑很经济，同时可以避免由于低分子量的填加剂的加入对塑料制品力学性能的损害。
1.5  着色剂的作用及选择
据文献报道[9]颜料的分散首先要进行润湿，润湿过程是用润湿剂润湿、包覆颜料表面。润湿过程可以简单的分为三个阶段：吸附，渗透，扩散。
颜料和润湿剂接触时，接触角小，润湿剂吸附在颜料周围，然后渐渐渗透至颜料颗粒之间的孔隙，因而降低了颜料颗粒之间的吸引力，降低了破碎颜料团聚体所需的能量，使颜料容易分散细化。
颜料的细化是将团聚体颗粒破碎，它主要靠颜料颗粒之间的自由运动和颜料团聚体通过周围介质的应力（剪切应力）来完成。颜料经细化后，粒径减小，表面积增大，颜料表面自由能也增加，造成了细化了的颜料的不稳定性。为此颜料细化后，其表面应吸附一层包覆层，使颜料的表面能降低，当带有包覆层颜料的结合体再度碰撞就不会凝聚起来。这对于制造色母粒是一个很关键的过程。
着色剂一般包括无机颜料、有机颜料和一部分染料。无机颜料通常是金属的氧化物、硫化物和硫酸盐、铬酸盐钼酸盐等盐类以及炭黑。这一类颜料不溶于普通溶剂和塑料，它们的热稳定性和光稳定性一般比有机颜料优良。钛白和炭黑是应用于塑料着色的两种非常重要的无机颜料。有机颜料与无机颜料相比，具有着色力高、分散性好、色泽鲜艳、色谱齐全、相对密度小等优点，同时在耐热性、耐光性等方面也得到了突破性进展，因此在塑料工业界受到广泛的重视和欢迎。按分子结构可将有机颜料分为偶氮颜料、酞菁颜料、杂环颜料、色淀颜料、荧光颜料、荧光增白剂等等。染料不同于颜料，是透明的，能溶于水或油，一般都是油溶性的。它的特点是色彩光亮而鲜艳，通常适用于透明塑料，例如聚苯乙烯、聚酯、聚碳酸酯类等等。它的耐光性、耐热性、耐迁移性较差。塑料着色用的染料，按结构分有蒽醌、靛类和偶氮染料等。例如黄、橙、红色染料都具有双偶氮发色团；紫、蓝和绿色染料都含有蒽醌和酞菁类发色团[10]。
1.6  分散剂的作用及选择
常见的用于色母粒的分散剂包括低分子蜡、离子聚合物、硬脂酸盐类及一些具有表面活性 的物质等。低分子蜡包括聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、EVA蜡等，是色母粒生产中使用的最重要的一类分散剂。其中聚乙烯蜡最为常用。聚乙烯蜡的分子量在1000～10000之间，可以由两种方法得到：高、低压聚乙烯裂解或由小分子烯烃聚合，即裂解法和聚合法。其它低分子蜡与之类似，但各有其不同的结构与用途[11]。配方中添加了低分子蜡后，在提高色母粒产量和降低成本的同时色母粒的着色力会有显著提高。
据日本专利报道[12]，两个配方（一个加有低分子聚乙烯蜡，另一个没加，其它组分相同）用相同的加工工艺生产的色母粒，加有低分子聚乙烯蜡的色母粒的着色力比另一个提高了15%。
可以作为聚烯烃色母粒分散剂的通常有低分子量聚乙烯蜡、无规聚丙烯和脂肪酸及其衍生物。目前较普遍采用的是低分子量聚乙烯蜡。进口聚乙烯蜡多为聚合法产物，而国产蜡多为裂解法生产或掺混部分低压聚乙烯副产品的复合蜡。蜡的选用根据不同颜料种类有所区别。以BASF蜡为例[13]，一般有机、无机颜料可采用LuwaxA蜡，这是一种通用型产品；有机酞菁类颜料可采用AL3蜡，其与LuwaxA蜡的区别主要是熔体粘度较低；对于较难分散的有机颜料和炭黑可采用EVA蜡或氧化聚乙烯蜡。对于一般中等浓度的聚烯烃色母粒选用国产裂解蜡是可以生产出合格的产品的，但须注意杂质或其它填充物。
2. 实验部分
2.1 原料
表2-1 实验用原料
原料名称                        牌号                      生产厂家
线性低密度聚乙烯（MI＝50）      TJZS－2650F        山东齐鲁石化工程有限公司
线性低密度聚乙烯（MI＝33）      TJZS－2433F        山东齐鲁石化工程有限公司
线性低密度聚乙烯（MI＝2）       0209盘锦乙烯       山东齐鲁石化工程有限公司
线性低密度聚乙烯（MI＝2）       DFDA－7042        山东齐鲁石化工程有限公司
低密度聚乙烯（MI＝7）           1F7B               燕山石化公司
聚乙烯蜡                        4型                东莞市冠利塑料有限公司
聚丙烯                          1700                东莞市冠利塑料有限公司
钛白粉                          BA01－01           上海顺宜化工有限公司

2.2 设备及测试仪器
表2-2 实验设备和测试仪器
名称                            型号                       生产厂家
双辊混炼机                    SK-160Bφ160×320         上海橡胶设备厂
挤出吹膜机组                  Brabender PID651            德国Brabender公司
注塑机                        UNIMAX-80HH             怡泰利集团有限公司
小型试验挤出机                SJ-20                       哈尔滨塑机模具厂
平板硫化机                    QLB-D600×600×2          铁岭化工机械厂                                              
支梁冲击实验机               XJJ-5                       承德金建检测仪器制造
万能试验拉力机               INDYTON-1185              英国instror国际有限公光
电分光光度计                 721型                      上海分析仪器厂      
扭矩流变仪                   Brabender PLV-151            西德Brabender公司
图像分析仪                   IBAS                       德国

2.3 实验工艺流程
原料称量→高速混合→计量加料→混炼挤出→真空脱气→冷却→干燥→切粒→成品
具体步骤：
（1）配方
实验用色母粒由着色剂、分散剂、载体树脂三部分组成。所有制备的色母粒中着色剂分别选择炭黑或钛白粉。炭黑母粒中颜料的含量为20％和30％两种，钛白粉中颜料含量为40％。分散剂为北京化工大学精细化工厂的4型蜡，不同体系选择不同的蜡含量。不同共混比的LDPE和LLDPE作为载体树脂，LDPE和LLDPE的共混比分别为1：3、1：2、1：1、2：1和3：1。
（2）预分散
按配方称取着色剂与分散剂，并在塑料袋中或其它适当的容器中充分地混合均匀，然后加入适量的载体树脂，混匀，备用。
（3）混炼
将双辊混炼机预热到90℃，开动机器，将不同配比的LDPE和LLDPE在双辊混炼机上混炼5min，然后加入低分子蜡进行共混5min，将颜料加入混熔良好的熔融的树脂中继续混炼5min。使颜料与载体树脂充分混合，使颜料在树脂中达到较好的分散。
（4）出料
将混炼均匀的色母粒料在双辊混炼机上压制成1mm左右厚度的薄片状，从双辊混炼机上取下，备用。
（5）造粒
按着色需要，用剪刀将一定重量的料片剪成3-5mm见方的小粒，收集备用。
2.4 测试样品制备
2.4.1 着色薄膜的制备
取150g LDPE树脂，加入色母粒，混合均匀。挤出薄膜，选取受前后影响小的薄膜，截取约1米长，标号，收储。
2.4.2 样板的制备
取150g载体树脂，按炭黑和钛白粉在树脂中的含量为1％称量相应重量的色母粒，混合均匀。
2.5 性能测试
2.5.1 薄膜透过率测试与数据处理
（1）选取数据点
从待测薄膜样品两端各截取20cm长的膜筒一段，从中剖开平铺。而后在两块薄膜上各均匀、随机地选取5个测试点，标以号码（1~10）。
（2）透过率与厚度测定
本论文中用着色薄膜的透过率作为表征与评价色母粒中颜料分散状况的指标。对于黑色薄膜，可以计算其黑度值，用来表征炭黑在薄膜中的分散状况。当一束强度为I0的光照在着色薄膜上时，除反射外，部分光线被其中的颜料粒子阻挡和吸收，剩余部分透射。设透射光强为I1，定义透射率（T）为：
T=I1/I0×100%
透射率反映薄膜的透光能力，其倒数则代表了薄膜阻挡光线的能力，称为阻光率：
（O）：O=1/T=I0/I1
薄膜的黑度（D）定义如下：
D=lgO=lg I0/I1
根据以上定义可以看出，薄膜中颜料粒子阻挡和吸收光线的能力越强，透射光强就越小，薄膜的透过率就越低，此时颜料粒子在薄膜中的分散情况良好。而对于黑色薄膜，往往将透过率换算成黑度来进行表征，黑度值越大，炭黑在薄膜中的分散越好，此时薄膜看上去就越黑。黑度可以用透射光密度计直接测量。薄膜的厚度用螺旋测微器测量，再将黑度换算成0.02mm厚度薄膜的黑度，作为薄膜的黑度的表征。
2.5.2.力学性能的测定
冲击样条和拉伸样条使用UNIMAX-80HH型注射机注射完成，注射样条在恒温箱中恒温23℃，保温24小时，充分消除材料的内应力。拉伸性能按GB1040－92在INSTRON-1185型拉伸试验机上进行。温度为23℃，湿度为50％，拉伸速率为50mm/min，每组5个样条，取平均值。冲击性能按GB1843－80在XJJ-5悬臂梁冲击试验机上进行，温度为23℃，每组5个样条，取其平均值。
2.5.3 流变性能测试
采用德国产Brabender PLV2151 型扭矩流变仪,取样品40g ,试验温度为130 ℃,转速30r/ min ,时间10min ,测定色母粒的流变性能。当物料加入混炼室后,受到两个不同转速、转向相反形状复杂的转子施加的作用力,使试样在转子与室壁间进行混炼剪切,物料对转子凸棱施加的阻力，传给转矩测力计,这个转矩通过机械分级的杠杆力臂机构转换成读数,其转矩大小反映了物料粘度的大小。

3. 结果与讨论
3.1 不同 分散剂含量对薄膜黑度值的影响
分散剂也是影响颜料分散性的重要因素。当分散剂的类型选定后，分散剂的含量是控制颜料分散性的重要指标。分散剂的含量分别为0、5%、10%时，混炼制得黑母粒，吹膜后对所得的薄膜测黑度。图3-1列出了不同分散剂含量色母粒的黑度值。
 
图3-1不同分散剂含量色母粒的黑度值。

从图3-1可以看出，当分散剂含量为5%时，薄膜的黑度值最大，炭黑的分散性最好。蜡的加入是为了增加对基体树脂的润湿，增加碳黑的分散性，使炭黑在基体树脂中更易分散，达到很好的分散效果，使得所得的薄膜黑度提高。按常规量加入分散剂使体系粘度降低太大，剪切力太小，对力的传递作用减弱，反而使薄膜的黑度值降低，但完全不加分散剂效果也不好。色母粒中添加分散剂,颜料易被润湿,有利于颜料分散;分散剂含量过多,熔体黏度太低,剪切力不易传递,颜料不易破碎分散。
3.2 不同类型载体树脂对颜料分散性能的影响
将不同配方制备的色母粒加人到与各配方载体树脂相同的树脂中，进行吹膜实验，并测定薄膜的透光率(光密度)。用透光率的大小评价白颜料分散的好坏，透光率越大，则颜料在薄膜中的分散程度越高，如图3-2所示
 
图3-2 不同配方制备的色母粒加人到不同载体树脂的透光率
从图4可以看出，在不添加分散剂的情况下，1# 、2# 、3# 光密度值相近，可知此条件下载体树脂的MFR对颜料的分散影响不大；由粉状形式的4# 树脂制备的色母粒光密度值较高，是由于粉状物料较粒状物料容易与钛白粉粉料混合的原因；添加聚乙烯蜡后，1# 和2# 体系相比，达到最高光密度值，所需的聚乙烯蜡的量较多一些；3# 体系的光密度变化趋势不大，均较低；4 #体系在没有添加聚乙烯蜡的情况下光密度值已经达到了较高的程度。可见，MFR较高的载体树脂流动性能较好，对颜料粒子的润湿性较好，从而减少了用于润湿颜料粒子的分散剂的添加量。
3.3 转矩流变曲线的分析
色母粒体系的转矩流变实验一般得到如图3-1所示的典型曲线。曲线反映了随着时间发展由转子所传递的扭矩的变化。
 
图3-3色母粒体系的转矩流变曲线示意图

达到最大扭矩的时间tp，实际上就是色母粒体系的塑化时间。因为只有体系完全塑化后，扭矩才能逐渐下降。扭矩从最大值（Nmax）变化到最终的稳定值（Ns）的时间，称为平衡时间（tb）。本论文认为，平衡时间tb能够反映载体树脂与分散剂混合介质对着色剂的亲和性与润湿性。转矩流变仪的混炼室是一个包含一对相向转动转子的封闭空间。
实验时，着色剂、分散剂及载体树脂混合物料在外加热量和压力的作用下，因转子的转动而受到较强的剪切混炼作用，颜料粒子得以分散。显然，当扭矩曲线最终平衡时，体系中的颜料粒子进入“聚集←→破碎”的分散平衡状态。平衡时间tb反映了体系从塑化到分散平衡的时间长短，体现了母粒的加工性能的好坏。
如果熔体介质对颜料的亲和性好，则润湿相对容易，润湿时间短，这样不但可以迅速渗透颜料团聚体，传递剪切力，而且在团聚体破碎后能够较快地润湿和保护新生成的表面，阻止粒子重新聚集。由此，颜料的分散平衡就会早一些来到。反之，如果介质对炭黑的亲和性较差，润湿和渗透较慢，那么就会影响剪切力传递的效率，使颜料团聚体的破碎过程减缓。由于润湿时间较长，团聚体破碎后新生成的粒子部分又重新凝聚。这样，分散过程变得缓慢——即使最后能达到同样的分散，由于润湿效率的低下必然导致平衡时间的延长。
因此，可以用tb来衡量树脂介质对颜料亲和性的高低和润湿的难易。转矩流变曲线直接反映色母粒体系的加工性能。较小的Nmax和Ns表明加工较易，设备的功率消耗较低。平衡转矩Ns显然是体系最终粘度的直接反映。
3.4 不同类型载体树脂对色母粒流变性能的影响
载体树脂的MFR将影响到色母粒配方体系的整体黏度，进而影响到色母粒的流动性能。图3-4为以4种不同分子重量的树脂作为载体树脂、钛白粉质量分数为70％的白母粒的转矩流变曲线。
 
图3-4不同载体树脂的色母粒的流变曲线
从转矩流变数据也可以看出，对应于较大分子重量的LLDPE的转矩值较大，而较小的分量则对应于较小的流动转矩。
3.5 不同配方对转矩流变值的影响
色母粒中载体树脂的加工流动性是影响颜料分散的主要因素。众所周知，聚合物的粘度是体系中聚合物链段运动难易程度的度量，分子链越易运动，则粘度越小，炭黑在体系中将越容易分散，另一方面，体系粘度降低，对炭黑－聚合物体系的剪切作用下降，不利于炭黑的细化。因此对于母粒载体体系而言，体系粘度即不能太高，也不能太低。本实验所选用的LLDPE的熔融指数为50，在流变实验中，转矩值很小，而LDPE的熔融指数为7.5，转矩值相对较大。不同配比的LDPE／LLDPE体系加入炭黑后，体系粘度也不相同。图3-5所示是各体系时间~转矩曲线。
 
图3-5不同配方色母粒时间~转矩曲线。
配方Ⅰ：（LDPE／LLDPE）为1：3
配方Ⅱ：（LDPE／LLDPE）为1：2
配方Ⅲ：（LDPE／LLDPE）为1：1
配方Ⅳ：（LDPE／LLDPE）为2：1
配方Ⅴ：（LDPE／LLDPE）为3：1
从图3-5可以看出，LDPE的最高转矩值和平衡转矩值比LLDPE的对应值大得多，而随着LLDPE的加入，使体系的各对应值降低。即体系的粘度降低。也就是说LLDPE的加入，使LDPE的大分子链更容易运动，整个体系中，炭黑更容易分散，但是粘度降低也使炭黑和聚合物体系之间的剪切作用下降，因此分散度反而下降，这可以从以上的黑度实验数据中得到证实。
3.6 温度对转矩流变值的影响
对于LDPE和LLDPE分别在温度130℃和140℃时，测定其转矩流变曲线，可以得到图3-6、3-7，从图3-6、3-7中可以看出温度对树脂转矩流变值的影响情况。
 
图3-6不同温度下LDPE的转矩流变值

 
图3-7不同温度下LLDPE的转矩流变值
以上两图可以看出温度对转矩流变值的影响，随着温度的升高转矩值减小，这是因为物料熔融后，转矩与粘度有直接关系，体系粘度越大，则转矩也越大。随着温度的升高，大分子链的运动更加容易，则体系粘度将会随之而减小，转矩值随之减小。
3.7 不同蜡含量对转矩值的影响
蜡的含量不同对体系的转矩流变值有不同的影响，从图3-8可以看出：
 
图3-8不同蜡含量的转矩流变曲线
不同的蜡含量对应于不同的转矩流变曲线，蜡含量为5％时的转矩值处于中间。合适的转矩值使颜料在载 体分散性良好。

3.8 色母粒对材料力学性能的影响
色母粒在实际应用中，不但要考虑它的着色功能和颜料的分散效果，还要保证色母粒的加入不能影响制品其它方面的性能，其中力学性能是材料的一项基本性能，从对力学性能的影响来考虑色母粒加入对材料性能的影响。选择黑母粒为炭黑含量为30％，LDPE／LLDPE为3：1，蜡含量为15％（记为b）。白母粒分别钛白粉含量为40％，LDPE为载体的母粒(记为c)和LDPE／LLDPE为1：3的母粒为载体（d），按颜料在树脂中的含量为1％配料，使用注射机注射测试样条，在恒温箱中恒温24小时，消除样条的内部应力，分别进行缺口冲击、无缺口冲击和拉伸实验，与纯树脂（记为a）进行对比。
3.8.1 不同母粒对无缺口冲击强度的影响
图3-9给出了黑母粒和两种白母粒加到树脂中注射样条得到的无缺口冲击强度情况：

 
图3-9不同母粒无缺口冲击强度比较
从图3-9可以看出，母粒的加入没有使树脂的无缺口冲击强度降低，反倒有所提高，颜料的加入具有一定的补强作用。
3.8.2 不同母粒对树脂缺口冲击强度的影响
图3-10给出了黑母粒和两种白母粒加到树脂中注射样条得到的缺口冲击强度情况：

 
图3-10不同母粒缺口冲击强度比较
从图3-10可以看出，除了样品c的缺口冲击强度有所下降外，另两种母粒的注射样条的缺口冲击强度均有所提高，可以认为母粒的填加对于材料的缺口冲击强度的影响不大。
3.8.3 不同母粒对树脂拉伸性能的影响
表3-1给出几种母粒注射所得样条的拉伸测试结果：
表3-1不同母粒的拉伸测试结果
试样编号 拉伸点负荷  拉伸强度  拉伸应变  拉伸断裂应力  断裂伸长率  拉伸弹性模量           （N）     （MPa）   （％）      （MPa）     （％）        （MPa）
A        274.26       27.65       879.59      27.74        913.26        591.18
B        289.21       28.65       904.76      26.59        939.39        613.98
C        271.32       27.52       886.53      23.19        919.41        599.32
D        266.12       25.69       886.56      25.19        900.14        592.10

从表3-1可以看出，不同的母粒注射样条后的拉伸实验所得结果差别不大，拉伸强度、拉伸断裂应力和断裂伸长率基本不变。色母粒的填加对材料的拉伸性能影响不大。炭黑母粒的加入对于基体材料有一定的补强作用。

4.总结与展望
4.1 总结
1．由于色母粒对塑料制品着色时用量很小，对于材料的力学性能影响不大。黑母粒和白母粒在使用中，保证材料的冲击性能和拉伸性能基本不变。
2．对于颜料在载体中的分散情况可以通过对薄膜的透过率的测定来进行表征，相应样品的相差照片和粒度分布情况得到的结果是一致的。薄膜的透过率的测定可以作为颜料分散情况表征的一种简单易行的方法。
3．色母粒充分分散的两要素一高流动能力和高变形能力。好的色母粒应该同时具有高流动能力和高变形能力。在和被着色树脂共混时，高流动能力可以保证色母粒到达每个角落，高变形能力可以保证色母粒在受挤压和剪切时容易被拉长和破碎，从而有利于分散。对注塑级色母粒，高变形能力和高流动能力是良好分散的两要素。
4． 色母粒中加入聚乙烯蜡,改善了颜料与载体树脂的界面作用,减小了聚乙烯分子链的缠结作用,这种协同作用导致熔体表观黏度降低。所以，分散剂能明显改善色母粒的加工流动性能,
5.   载体树脂MFR的差别影响了色母粒的流动性能、质量及应用性能；载体树脂MFR越大，色母粒的流动性能越好，颜料的分散程度越高；色母粒配方中加入分散剂后，提高了颜料的分散程度，但也影响了色母粒与着色树脂之间的相容性，对于高MFR的载体树脂制备的色母粒，影响程度较大；色母粒在膜材和板材中的应用，应同时考虑色母粒的质量及色母粒被着色树脂之间的相容性，最终产品的质量是这两个方面相互竞争的结果。
4.2 展望
色母粒技术发展的核心在于颜料、分散剂和载体的相互兼容, 关键在于提高颜料的分散性, 目标在于提高色母粒中颜料含和着色效率。
4.2.1. 颜料
色母粒高浓度化是今后发展的潮流和趋势, 色母粒中颜料含越高, 分散越困难, 所以对颜料的要求主要是微细化和可分散性越来越高。目前, 高浓度色母粒用颜料80%的市场被国外跨国公司占领,这些颜料在出厂前已进行处理, 并且对这方面的技术高度保密, 其技术优势十分的明显。随着环保意识的提高, 某些含重金属和禺氮的颜料染料应用越来越受到了限制。开发新型、高效、微细化、易分散、无毒和稳定性良好的颜料是未来的发展趋势。
4.2.2. 分散剂
分散剂在色母粒制备中起润湿和包粗颜料、辅助颜料在载体中分散等作用, 国外对分散剂的研究比较全面和深入, 品种也比较齐全。分散剂的微细化、高功能化和专用化是今后的发展方向。为着色技术开辟了新方向, 即通过化学反应, 将染料与载体树脂直接键合, 实现染色基团与被着色对象在分子水平上的结合, 这种新型色母粒可同时解决制品的透明性和染料的迁移问题, 是一个值得关注的新方向。[14]
4.2.3. 载体
载体是色母粒的重要组成部分, 其作用是增强颜料与被着色树脂之间的亲和力、提高着色组分在被着色树脂中的分散和混合。随着茂金属催化技术在高分子合成工业中的应用, 一系列新型合成树脂材料问世（POE、EXACT弹性体等）并且得以广泛的应用。与催化技术制备的树脂相比较, 新型合成树脂的分子分布较窄、熔体粘度高、适于高填充等优点, 十分适合于高浓度色母粒的制备。
随着反应挤出技术的发展和日臻成熟, 反应挤出技术在合成高粘度尼龙和热塑性聚氨酯方面取得了成功并得以应用。由于反应挤出技术具有投资较低、生产周期短、设计灵活方便的优点, 适合于色母粒企业用于合成低分子的尼龙、等载体, 这样色母粒企业可按照生产需要制备一系列分子里不同的载体, 大大拓宽载体的选择范围。
4.2.4. 新型混合和塑炼设备
混合和塑炼设备的发展将推动色母粒技术的进步, 新型高效的混合设备不仅能有效提高色母粒的制备水平, 而且能大大提高生产效率。如加拿大COLORTECH公司的HfMD混合设备, 采用复杂的分散摩擦流动机理产生热能, 与传统通过剪切作用产生热能的方法相比,具有物料受热均匀、无高温热点和高剪切作用区等优点, 制备聚乙烯母粒一般仅需10一15秒钟 ，从而有效减少聚合物的降解、降低抗氧剂的消耗和减少某些颜料和填料的变色问题。总之, 高效的加工设备在色母粒行业的应用为制备性能优异的色母粒提供了强有力的保证。
致谢
这次毕业论文得以顺利完成，是所有曾经指导过我的老 师和实习单位领导，帮助过我的同学，一直支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！
首先，我要感谢我的指导老师——牛俊峰老师，牛老师在我整个论文撰写过程中，提供了许多宝贵意见，给与了我极大的帮助和指导。
其次我要感谢我的实习单位——宁波色母粒有限公司，在我撰写毕业论文期间，公司向我提供了材料、实验设备和技术支持。
在此，我还要感谢四年来无论是在学习上，还是在生活上帮助过我的老师和同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和挫折。谢谢你们！

参考文献
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2．秦文福，ABS塑料着色及其颜色稳定性探讨，合成材料老化与应用，1987（3）:13~22
3．罗河胜，通用塑料色母粒，国外塑料，1995（1）:26～29
4．R.根赫特H.米勒，塑料填加剂手册，化学工业出版社，2002:560～564
5．Terry Breckenidge，塑料色母粒公司加工技术简介，内部资料
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7．吴立峰，塑料着色和色母粒实用手册，第1版，北京，化学工业出版社，1998:175~264
8．曹淑荣，色母粒应用于丙纶加工中流变行为的研究，国外塑料，1995（1）:北京化工大学硕士学位论文
9．吴立峰，塑料着色和色母粒，第1版，北京，化学工业出版社，1994:35~48
10．陈荣圻，染料化学，纺织工业出版社，1989
11．Kern George M.,Aluminum pigments for plastics,.,1997,42（8）:63~66
12．Anon,Low-color pigmented polyimide film,.,1998,405：65
13．Klaus e，BASF蜡在色母粒中的应用，内部资料
14．吴立峰，乔辉．颜料在塑料着色中的应用和测试．北京化学工业出版社，2005．1
15．常俊山, 冰青我国色母粒市场现状和发展前景.精细与专用化学品, 2001年第21期:15-17