可熔性聚全氟乙丙烯色母粒的研制浅析

可熔性聚全氟乙丙烯色母粒的研制浅析颜料之家讯:摘要:本文对聚全氟乙丙烯的着色进行了研究,分析认为先制备聚全氟乙丙烯色母粒,再得到彩色树脂的方法可使颜料在基体中获得较好的分散。重点讨论了制备聚全氟乙丙烯色母粒用载体树脂、颜料、分散剂及加工设备等几个方
    1 前言
    聚全氟乙丙烯是四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物,简称氟-46(或F-46),英文名Tetrafluoroethylene-Hexafluoropropylene Copolymer,简称FEP,属于热塑性塑料。它具有优异的耐高温性、化学性和电学性,突出的表面不粘性和较高的机械强度,是一种高性能的材料,广泛应用于化工、电子、电器、纺织、冶金、航天、国防等领域。
    近年来,80%的FEP树脂用于电线和电缆,并以每年20%的速度增长。15%的FEP树脂作工业应用,如脱模、薄膜、管道和模制品。目前,由于计算机中强制通风电缆的规范,对这种树脂已供不应求。
    对FEP需求的巨浪促进了其后加工及产品品级多样化的研究开发[1]。其中,传统的白色FEP绝缘电线电缆有被彩色线缆替代的趋势。这种彩色线缆不仅要求在性能上完全符合耐高温绝缘要求,而且颜色要鲜艳,易于分辨。它的出现,不仅可以美化产品,而且起到标志作用。这将给电线电缆的制造和使用带来极大便利,提高了安装和调试水平。
    本文结合文献资料和实验实践,研究制备可熔性聚全氟乙丙烯色母粒。
    2 聚全氟乙丙烯色母粒的制备
    有关FEP着色的文献报道至今较少。
    对于普通塑料而言,塑料着色的传统方法有干法(浮染)着色、糊状着色剂着色、液体着色剂着色、色母粒着色等。这几种方法都有很多缺点,如颜料的分散性差、飞扬大、污染环境、危害工人身体健康、颜料计量不易控制、着色效果差、成本高等[2]。特别是颜料加入量极小的制品,由于颜料的分散性差,从而导致色差的产生。对于颜料浓度很高的制品,由于颜料与树脂的亲和性差,制品加工性能欠佳,并且物理机械性能下降[3]。
    色母粒着色较好地解决了上述问题,现在已经成为普通塑料获得高质量着色塑料制品的主要手段。
    色母粒(Color Masterbatch)也称颜料制备物(Pigment Preparation),由颜料、载体树脂和添加剂三部分组成。色母粒是通过特殊的方法,把颜料高浓度地均匀载附于特定树脂中而形成的一种高效着色剂,故又称颜料浓缩物(Pigment Concentration)。
    FEP彩色树脂的制备可借鉴此法,即先制备出色母粒,再得到树脂。
    以FEP为载体树脂的色母粒的制备罕见文献报道。
    在实验室用直接着色和先制备聚全氟乙丙烯色母粒再得到彩色树脂两种不用方法得到的着色树脂中颜料分散效果。通过色母粒得到的着色树脂,颜料的分散效果相当理想,而直接着色的结果很差,有大的颜料团聚体存在,颜料小颗粒分散也不均匀。
    因此,聚全氟乙丙烯色母粒的制备非常必要。下面具体研究制备聚全氟乙丙烯色母粒用载体树脂、颜料、分散剂及加工设备等几个方面的问题。
    2.1线缆用FEP树脂的物性
    FEP树脂分子量不同,粘度和熔融指数不同,不同熔指级别的树脂其用途也不同。适用于电线电缆的FEP树脂,其熔融指数应该在4.5~8.5g/10min(测试条件为327℃,5000g装填)范围。
    2.2适用于制备FEP色母粒的载体树脂
    最终制品FEP彩色树脂是将FEP色母粒与FEP树脂按一定配比挤出成型。当使用色母粒时,依据等粘点理论,树脂与色母粒应具有相近的粘度,方可使之混合均匀,颜料粒子在制品中分散效果良好。忽略粘度的匹配,将导致熔体均一性较差,最后引致绝缘包覆不合格。
    因此,FEP色母粒用载体树脂的熔融指数也应在4.5~8.5之间。
    2.3制备FEP色母粒对颜料的要求
    颜料是色母粒中的关键部分。因为它不仅为塑料制品提供颜色,而且颜料的各项性能指标,如化学结构、热稳定性、分散性、细度等,直接影响到所生产的色母粒的质量。
    由于FEP的高熔融温度,颜料的选择非常重要。典型的熔融温度变化范围为165~370℃,大多数使用的颜料是无机物。各种能耐380℃以上高温且其化学性质和物理性质均稳定不变的无机颜料均可使用。通常,大多数的红、黄、橙色为重金属,铬酸镉、铬酸铅可获得色彩艳丽的颜色及更好的稳定性、蔽光性和分散性,棕色、蓝色、绿色则由氧化铁、钴、镍的混合物制备,他们也能有上述颜料的性质,但色谱较为有限。
    随着对“无重金属色系”需求的增长,红、黄、橙及某些绿色配方非常受限,仅有橙色颜料在高温聚合物家族中应用,并且得到的是明亮、微透明且较难分散的制品。
    文献报道,Wodniok Lothar[4]将苝颜料应用到耐高温的挤出型聚合物中,作为对环境有害的Cd颜料的稳定替代品。这种复合材料可在高于270℃时进行挤出。例如:将含有95%Teflon FEP100和5%Red149颜料组成的复合物,在290~320℃下重复挤出5次,其颜色只发生轻微改变。
    2.4 FEP色母粒用分散剂
    2.4.1色母粒中颜料分散的意义
    制备色母粒的关键就是颜料的分散性。与染料染色不同,颜料是依靠细小的固体颗粒均匀分布在被着色的塑料中,对光线进行复杂的折射、反射、透射、吸收等作用而使被着色塑料形成某种特定的颜色。因此,颜料的着色效果与其粒子大小和分散不均匀程度密切相关。不仅如此,由于颜料粒子同时也是一种填料,它的加入必然会对树脂基体的加工和实用性能产生影响,而这种影响的大小与正负又必然与颜料粒子最终的大小和分布有关。
    一般说来,颜料的均匀分布并不困难,关键在于如何将颜料团聚体颗粒充分地细化。颜料分散差,必将造成着色力下降,光泽度、鲜艳度差,且出现斑点、条痕,严重影响着色制品的外观。此外,制品的强度、伸长率、耐候特性及电阻率等性能也会下降[5]。
    因此,色母粒中的颜料的分散问题主要是如何减少颜料粒子的粒径并使之稳定在一定的细度。
    2.4.2颜料的分散过程
    颜料在树脂中的分散可以分为以下三个步骤[5]:首先是熔融的树脂润湿颜料团聚体表面,置换内部孔隙中吸附的空气并渗透至团聚体内部;其次是在外加的剪切力和粒子之间相互冲击碰撞作用下团聚体破碎和细化;最后是细化的粒子被树脂熔体润湿与包覆,最终稳定而不再附聚。
    2.4.3分散剂的作用
    高效能分散剂的加入,可以使颜料粒子迅速和高效的被塑料载体树脂润湿,改善颜料与树脂相容性。分散剂还可以渗透入颜料团聚体中的孔隙与孔洞之中,减小粒子的表面张力与互相吸引力,传递设备剪切力,有效的打开团聚颗粒。此外,分散剂将颜料表面包覆起来,利用电荷排斥、空间阻隔或熵效应使细化后的颜料粒子不再聚集,起到稳定作用。
    2.4.4分散剂的选择
    由以上讨论可知,FEP色母粒用分散剂与载体树脂应该具有较好的相容性,且需稍先于载体树脂熔融。另外,由于FEP的加工温度高,对分散剂的耐热性要求不可忽视,其分解温度应在380℃以上。
    2.5 FEP色母粒用加工设备
    通常,单螺杆挤出机对混合物料的塑化效果和混合效果欠佳,双螺杆挤出机的混合效果较好。
    此外,FEP的熔点较高,成型温度较高,熔融状态的树脂对金属有腐蚀作用,因此与熔融树脂相接触的部分需采用耐腐蚀合金钢制造[10]。
    3 结论
    (1)FEP色母粒的制备可使颜料在着色树脂中获得较理想的分散。
    (2)FEP色母粒用载体树脂FEP的熔融指数应在4.5~8.5g/10min(测试条件为327℃,5000g装填)之间。
    (3)FEP色母粒用颜料为耐380℃以上高温且其化学性质和物理性质均稳定不变的无机颜料。
    (4)FEP色母粒用分散剂应与载体树脂有较好的相容性,且需稍先于载体树脂熔融。其分解温度应在380℃以上。
    (5)对FEP色母粒的加工效果,双螺杆挤出机优于单螺杆挤出机。

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