仿木紋塑料異型材的著色技術

專家姓名：王 耀　　類別：論文

廣東東莞恒彩塑膠顏料廠 梁新龍
重慶新美魚博洋塑鋼型材有限公司 王 耀
【摘 要】：本文通過對(PVC-U)通體仿木紋異型材的色母制備、型材配方設計、生產工藝控制等幾個方面的闡述來總結歸納仿木紋塑料異型材的著色技術。
【關鍵詞】：仿木紋 塑料異型材 配方 著色 生產工藝
【Abstract】: Heterotype material color mother preparation , section bar formula design , the productive technology waits for the main body of a book to sum up the plastic heterotype material tinting technology summing up letters modelled after a copy grain coming several aspect expounding under the control of by imitating grain face to face (PVC-U).
【Keywords】: Material ,　 formula ,　 tinting,　 produce letters modelled after a copy grain , 　plastic heterotype handicraft
前言：
隨著門窗行業的日益發展和創新,人們生活水平的提高，以及審美觀念的升華，塑料門窗正以多姿多彩的面孔呈現在人們的面前。目前彩色塑料異型材有覆膜、共擠、噴涂和通體(含木紋)這幾種生產方式。即將出版的彩色塑料異型材標準中也分別對這幾種型材作了要求。作為通體著色是這四種塑料異型材中最簡便的一種生產工藝，之前也是在耐候性方面最具爭議的一種塑料異型材，但因其加工簡便，物美價廉而倍受廣大用戶的青睞。標準中四種塑料異型材的老化時間都是6000小時，也是有道理的，而且有很多廠家生產的通體塑料異型材的老化時間已經達到了這一標準，這無疑是對通體彩色塑料異型材的一種肯定。雖然前面行業內同仁有不少這方面的文章和介紹，本文好象有重復描述之嫌。這里旨在讓人們重新認識通體型材的性能特點，走出以前那種“…通體型材不能應用于建筑外窗…”的誤區。下面以仿木紋塑料異型材為例，就色母的制備、型材配方設計以及整個生產工藝作具體描述。
一、色母粒的制備
一般的型材廠很少有自己來制備色母粒，都是通過專業的生產色母粒的廠家來提供,這就存在以下幾個問題：
㈠、載體的選用：
載體的選擇一般采用型材廠家提供的成熟配方料加顏料（或染料）以及其他助劑進行混合用錐雙或單螺桿進行造粒。但多數色母粒廠家的設備是平行雙螺桿，其剪切熱很高，長徑比很大，用PVC料作載體進行造粒是行不通的，那就勢必要選用其他原料作載體，這種原料必須是耐高溫高壓的，而且要跟PVC的相溶性好，例如：PMMA、SAN等（見表一）。
表一 不同熱塑性塑料的可混性
標準PS HIPS SAN共聚物 ABS PA PC PMMA POM PVC PP LDPE HDPE PBT
標準PS
HIPS 1
SAN共聚物 6 6
ABS 6 6 1
PA 5 4 6 6
PC 6 5 2 2 6
PMMA 4 4 1 1 6 1
POM 6 6 6 5 6 6 5
PVC 6 6 2 3 6 5 1 6
PP 6 6 6 6 6 6 6 6 6
LDPE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
HDPE 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 1
PBT 6 6 6 5 5 1 6 6 6 6 6 6
PET 5 5 6 5 5 1 6 6 6 6 6 6 6
說明：可混性由1降到6，1為相溶，6為不相溶
㈡、顏料的選用：
在整個配方體系中，顏料的選擇是關鍵性的。
1.著色劑的分類
著色劑從形態上分，有液態和固態，固態又分粉末狀和顆粒狀，其都可用于(PVC-U)等熱塑性塑料和樹脂。
從化學結構上分，有無機著色劑和有機著色劑。其中無機著色劑又分無機顏料和無機染料；有機著色劑又分有機顏料和有機染料。
2.顏料、染料的構成及其需要滿足的要求.
從廣義上講,著色劑不溶于聚合物則定義為顏料；而著色劑溶于聚合物則定義為染料。無機染料不能用于聚合物著色。個別顏料或染料在溶于或不溶于聚合物這個問題上沒有明確的區分（見表二、三）。

表二 應用于PVC著色的有機顏料

顏色種類 色 調 例（染料索引C.I.Pigment） 應用性能 附 注
色牢度 耐遷移性 著色強度 耐光性 熱穩定性 價格 使用情況
單偶氮 黃、橙、紅 黃1,黃3 低 差 優 差 差 低 不推薦
單偶氮色淀 橙、紅、紫紅 紅48:2,紅53:1 中 好 優 淡色差 好 中 廣泛應用
雙偶氮 黃、橙 黃12,黃17 中 差 優 淡色差 好 中 通用
縮合偶氮 黃、橙、紅 黃93,紅144 高 好 優 較差 好 高 通用
奎諾酞酮 黃、橙 黃138,黃139 中/高 中/高 中 通用
酞青 藍、綠 藍15,綠7 最高 好 高 優 好 中 通用
異吲哚啉酮 黃、橙、紅 黃109,紅180 高 好 一般 優 好 高 通用
喹吖啶酮 紫、紅 紫19,紅192 較高 好 高 優 好 高 通用
二惡嗪 紫、橙 紫23,橙59 高 好 高 優 好 昂貴 通用
蒽醌、甕 黃、橙、紅、藍、紫 黃108,橙43,紅197,藍64 一般 高 優 較好 高 通用
硫靛、甕 紅、栗、紫 紅87,紅88 中 一般 高 優 較好 高 增塑PVC
苝、苝四酸、甕 紅、橙 紅29,橙27 高 好 高 優 好 高 通用
表三 應用于PVC著色的無機顏料

顏色 顏料名稱 化學品種類 亮度 不透明性 耐光性 熱穩定性 抵抗同可反應的聚合物反應的性能 耐遷移性 耐酸性 耐堿性 耐硫化物污染性 耐候性 著色力 經濟性
深色 淺色

白

色 二氧化鈦（R） OX H VH VH VH VH H-VH VH VH VH VH VH VH VH
二氧化鈦（L） OX H H VH VH VH VH VH VH VH VH M H H
氧化鋅 OX VH L VH VH VH VL VH VL M VH M L L
氧化銻 OX VH VL VH VH VH VH VH H H VH H VL VL
硫化鋅 MS VH M VP VH VH VL VH L M VH L L L

綠色 氧化鉻 OX VL L VH VH VH VH VH VH VH VH VH VL L
氫氧化鉻 OX M T VH VH VH VH VH VH VH VH VH VL L
氧化鐵黃
（天然） OX VL VH VH VH L/M VL VH L-M VH VH L VL H
氧化鐵黃
（合成） OX VL VH VH VH H H VH VH VH VH VH L H

黃色 天然黃土
（赭石） OX VL VH VH VH L VL VH L-M VH VH VL VL H
鉻黃 MS H H MH M H H VH L L VL M L H
鎘的硫化物 MS H H H L H H VH L H VH VH L L
鈦酸鎳 MS H VH VH VH VH VH VH VH VH VH VH VL VL
橙色 鉬（鉻）橙 MS VH VH H H VH H VH L L VL M L H
硫代硒化鎘 MS VH H VH M VH VH VH L H VH H L L
（硫化）汞鎘 MS H H VH M VH VH VH L H VH L-M L M
紅色 氧化鐵紅
（合成） OX VL VH VH VH VH VH VH VH VH VH VH L H
紫紅色 硫代硒化鎘和硒化鎘 MS H H VH M VH VH VH L H VH VH L L
硫代硒化汞和硒化汞 MS H H H L-M VH VH VH L H VH MH L M
礦物紫 MS MH M H M VH VH VH H L VH L VL VL
藍 群青藍 MS VH M H R VH VL VH VL VH VH VL VL L
鈷藍 MS M L VH VH VH VH VH VH VH VH VH VL VL
棕黃 氧化鐵棕 OX VL H VH VH H H VH H VH VH VH L VH
煅黃土 OX L T VH VH H H VH VH VH VH VH L VH
黑 炭黑，槽黑，爐黑，燈黑 E VL VH VH VH VH VH VH VH VH VH VH VH VH
骨黑 E VL L R R R VL VH VH VH VH L L L
氧化鐵黑 OX VL VL VH VH H H VH H VH VH H VL H
注：H，高；L，低；M，中等的，適當的；V，很；T，透明的；R，在PVC中有活性；OX，氧化物；
MS，金屬鹽；E，元素。
大多數的無機顏料是由金屬氧化物經高溫煅燒固相反應的產物或者純金屬,溫度可耐700～900℃。有機顏料則是由偶氮類或非偶氮類物質組成,非偶氮類又稱雜環顏料。
2.1.對顏料的要求：
(1).高遮蓋力；(2).良好的分散性；(3).優良的熱穩定性；(4).高著色力；(5).良好的耐光牢度和耐候性；(6).無遷移性；(7).無毒。
有機顏料的著色力和色彩的明亮度比無機顏料高,無機顏料通常有些暗淡；有機顏料的分散性不是很好,而無機顏料的分散性卻較好；有機顏料能部分相溶于聚合物樹脂,而無機顏料則完全不溶；有機顏料的耐熱性和耐光牢度有限,有時很低,而無機顏料則表現為很好。
2.2.對染料的要求：
(1).高熱穩定性；(2).高著色力；(3).良好的耐光牢度和耐候性；(4).可溶性好；(5).無升華(揮發)；(6).無遷移性；(7).無毒
染料的化學結構跟有機顏料非常相似,染料的耐熱性取決于它在聚合物樹脂中的濃度,其耐熱性通常高于相似化學結構的顏料,但用染料著色的聚合物戶外應用大多存在顏色遷移現象。
3.應用于(PVC-U)聚氯乙烯塑料異型材的著色劑需具備的特性
3.1.化學穩定性
與國際標準一樣,著色劑的供應商首先要檢測顏料的耐酸(HCl、H2SO4、HNO3)性,耐堿(NaOH、NaCO3)性以及染料的耐過氧化性。
PVC樹脂包括具有CH2CHCl重復單元的均聚物和含有若干不飽和單體的聚氯乙烯共聚物.PVC的玻璃化溫度為80℃,分解溫度140℃,加工溫度160℃～200℃。雖然配方中添加穩定劑等各種助劑來減緩或阻止PVC的分解化過程,但在混料和擠出時還是有一部分HCl氣體和水分揮發,會與著色劑中的個別顏料或染料產生反應造成變色現象。
3.2．耐遷移性
（1）噴霜。塑料制品溶解的顏料或染料從制品內部遷移至表面，并重新結晶的現象稱為噴霜。根據定義，顏料是完全不溶于塑料的，只有染料才能溶于塑料發生噴霜現象。而實際上有機顏料也能部分溶于塑料，因此也會出現噴霜。
（2）滲色。兩種方式發生：一種方式是當塑料制品中含有增塑劑時，由于許多有機顏料可部分溶于增塑劑，因此可以觀察到滲色現象。但是，門窗用（PVC-U）塑料異型材都是未經增塑的，所以不會出現滲色現象。另一種方式是塑料制品本身不含增塑劑，但會與溶劑或含增塑劑的塑料接觸，溶劑或增塑劑會部分溶解表層的有機顏料或染料，產生滲色。
3.3．熱穩定性
著色劑的熱穩定性取決于：（1）著色劑的化學性質；（2）晶體結構；（3）著色劑在塑料材料中的有效濃度；（4）混料工藝，擠出工藝。如：溫度參數和停留時間；（5）添加劑的影響。如：填料、穩定劑等
煅燒型無機顏料的熱穩定性，遠遠高于塑料材料本身的熱穩定性，一般在700～900℃之間。熱穩定性還取決于著色劑在塑料中的有效濃度，有機顏料的熱穩定性隨顏料濃度的減少而降低。
著色劑中有可能含有填料、增塑劑、分散劑、穩定劑、抗氧化劑等，所有這些組分都是非化學惰性的，它們中的任何一種都會影響到著色劑和塑料的熱穩定性。
任何聚合物樹脂（有機物質）的退色過程，實際上是溫度乘以停留時間的函數。熱混時間和物料在擠出機料筒中的停留時間都會對顏色造成影響。
還有，熱流道結構中的不良設計是引起退色的主要原因，壓縮比的大小，會引起難以計算和控制的摩擦熱，過高的溫度會導致有機著色劑和塑料本身的熱損傷。比如螺桿間隙，剪切能力和模具（口模）流道的設計等。
3.4．耐光牢度/耐候性
材料耐光牢度的定義是：給定顏料（或染料）與聚合物體系暴露于日光中保持其初始顏色值的能量。
耐候性的定義是：太陽輻射與大氣條件同時或交替作用于材料上時產生的影響，這些條件有濕度（雨水）、大氣中的氧及工業廢氣。簡而言之，耐候性就是耐光牢度加濕度，因為濕度通常是最重要的大氣參數，耐光牢度及耐候性對所處氣候具有很強的依賴性，氣候隨地域不同差別很大。如我國的新疆和深圳的紫外線輻射指數很高，化工城市的酸雨幾率很大等。
除了幾種無機顏料之外，其他的著色劑都會由于輻射使色光發生一些變化。光和氣候（濕度）的綜合影響對有機顏料（或染料）和聚合物損傷更快。有的有機著色劑有很好的耐光牢度，但耐候性卻不夠好。
有兩種方法可以測定耐光牢度/耐候性：
潮濕或干燥條件下，在戶外試驗場進行自然輻射。
潮濕或干燥條件下，在實驗室進行人工輻射。（模擬戶外氣候條件）
耐光牢度及耐候性取決于：（1）著色劑的化學性質；（2）晶型改變（有機顏料）；（3）著色劑濃度（有機顏料或染料）；（4）添加劑，如：填料、穩定劑、阻燃劑等；（5）加工參數，如：混料、擠出；（6）輻射強度和持續時間；（7）溫度影響；（8）所處環境的大氣條件。
大多數無機顏料的耐光牢度/耐候性是非常優異的，能達到7～8級。
耐光牢度對著色劑濃度（飽和度）的依賴性極為簡單，在高濃度的情況下，當許多單個分子的顯色作用被破壞或因光的影響未被著色時，在視覺上并不產生明顯的色差。但在濃度低時，每個單分子的破壞都會造成總的顯色分子的減少，因而就會在視覺上引起較為明顯的色差。塑料異型材用著色劑的添加份數一般在2.0%—3.0%之間，低于2.0%是不合理的。從分散性角度考慮，并不是只要達到樣板顏色，添加份數越少越好（有些人從降低成本方面考慮）。
3.5.木紋色種類
木紋型材常見的有櫻桃木和胡桃木等兩三種，生產每種型材一般都有兩種色母粒按比例組合與原料混合擠出而成，色母粒一種是基色，一種是紋色。櫻桃木由黃橙色為基色，紫紅色或棕色為紋色；胡桃木由棕色為基色，黑色為紋色�；�色和紋色的配比一般為4：1。
㈢、樣板的確定：
首先有型材廠家根據用戶的要求向色母粒供應商提供樣板或色卡，色母粒供應商根據樣板的顏色配色打板返回到型材廠家進行確認，這是一個漫長的過程，有的甚至要試驗4、5次才能對上板,直到用戶滿意。
㈣、造粒：
首先要將配好的顏色以及載體和其他助劑按比例配好后混合經平雙或單螺桿擠出機進行造粒�；�色和紋色要單獨進行，只是在型材配方中再按比例填加。
這里需要說明的是,基色和紋色在色母粒的制造過程中首先要遵循基色能提前塑化且分散性好。紋色延遲塑化且分散性差的原則來進行配方組合。這就要在載體選擇和潤滑劑應用上作適當調整。
二、塑料異型材配方的組成及對著色后耐候性的影響
塑料異型材配方由PVC樹脂、穩定劑、加工助劑、抗沖改性劑、填料、潤滑劑、紫外線吸收劑、抗氧劑，還有防靜電劑、防菌劑等多種組分按科學的配比混合而成。
在仿木紋塑料異型材配方體系里，在不含鈦白粉、熒光增白劑、群青的基礎上增加了著色劑。其中有多種添加劑在著色劑制備過程中也要添加。
各種組分對顏色的影響：
（1）PVC樹脂。加工塑料異型材一般用聚合度1000（SG5型），K值在66～68之間的硬型樹脂。雖然樹脂供應商的牌號和生產工藝各有不同，但一般型材廠家的樹脂選用是固定的，不會隨意更改。但用乙炔法生產的樹脂存在批次不穩定因素，如若選用最好采用同一批次。
而且，著色劑是由載體、色劑和添加劑三部分組成的，著色劑與PVC樹脂有某種程度的不相溶性，因此選擇著色劑的載體時，應與要被著色的樹脂為同一類型，反之亦然。
（2）穩定劑。穩定劑對塑料制品的耐光牢度和耐候性有積極的影響，穩定劑分：熱穩定劑和光穩定劑。同理不只型材配方中要添加此類助劑，著色劑本身也要添加，而且最好與型材配方中的型號、批次、生產廠商一致。
分析調查表明，是多種影響的共同作用造成樹脂老化，耐候性取決于包括著色劑和聚合物在內的整個體系。因此，聚合物必須使用可以抵抗光、熱和大氣中氧的高效穩定劑，因為這些穩定劑可以抵御聚合物長期暴露在大氣中環境對它造成的損害。
熱穩定劑可以保護聚合物在加工過程中以及后期免受熱損傷；光穩定劑可以減少光和大氣中的氧對聚合物的損害。
光穩定劑是一種用于提高聚合物和著色聚合物耐光牢度及耐候性的穩定劑，更為常見的情況是將光穩定劑加入到著色劑當中。
熱穩定劑有：鉛鹽穩定劑、復合鉛穩定劑、稀土穩定劑、有機錫穩定劑、鈣鋅穩定劑等，根據其化學結構和組成，通體彩色塑料異型材最好選用稀土和鈣鋅穩定劑，深色也可采用復合鉛或鉛鹽穩定劑，盡量不要采用有機錫穩定劑。
（3）抗氧化劑�？寡趸瘎�對聚合物的色澤有良好的保護作用，一般主輔抗氧化劑搭配使用有優異的熱穩定性和抗氧性。目前在塑料行業應用最好的是瑞士汽巴公司生產的1010，一般與ETHAPHOS368，BTHANOX310或DLTP等配合使用能發揮協同效應，用量一般在0.3—1.0%之間。
（4）紫外線吸收劑。在聚合物中添加紫外線吸收劑可降低陽光對聚合物樹脂的損害，但不能完全避免這種損害。實驗表明，添加紫外線吸收劑不能保護聚合物的表面，因為它首先在聚合物內部起作用，因此添加紫外線吸收劑的目的是在聚合物鏈反應開始之前使自由基失去活性。常用的型號有UV-9、UV-531、UV-35、UV-327等，而在塑料異型材中更為常用的是UV-531。且紫外線吸收劑與受阻胺（HALS）結合使用有化學協同效應。
（5）配方中外潤滑劑的選用也非常關鍵，好的潤滑劑會賦予塑料異型材高品質的光潔度。一般選用PE、OPE、EBS等。盡量不用石蠟，石蠟擠出時的嚴重析出會縮短清模時間，影響制品光潔度，且嚴重時會直接影響型材的物理性能。
（6）仿木紋塑料異型材在戶外經長時間氣候影響后會產生粉化和析出現象也會造成顏色產生變化，這就要求選擇好填料的種類和控制好添加份數,一般的CaCO3的填加量在5-8份。之前的木紋型材變色除個別廠家采用耐候性差的有機染料外，最主要的原因是CaCO3填加量太大，型材產生粉化和析出現象造成的。
（7）在塑料異型材加工過程中，樹脂在粉末狀態下流動都會產生靜電，加入抗靜電劑能避免粉料在輸送和喂料時由靜電引起的架橋現象。建議在用鐵、鈷、鎳等的金屬氧化物來著色的母粒時,去掉從色母加入到擠出各環節的磁力架,以免色母被吸附不能流動,比如說氧化鐵紅。
在配方中添加著色劑生產同一種仿木紋彩色塑料異型材時，型材配方是不變的，試驗表明任何一種助劑的切換都會對顏色造成影響，特別是穩定劑或碳酸鈣切換后造成的型材制品色差很大。
三、木紋型材的生產工藝
除了助劑的影響之外，顏色還受混料工藝（混料溫度和時間）、擠出工藝（擠出溫度，速度和壓力）及冷卻速率的影響。在仿木紋塑料異型材的生產過程中，擠出工藝是一個關鍵的因素，因為它直接受人為因素影響的程度較大。所以要遵循“定人”、“定機”、“定模具”、“定工藝”四定原則。當然包括對水溫的要求。
根據型材顏色和濃度的需要按一定的比例填加在混好的粉料（或粒料）中利用母粒分散不均勻和不同步塑化的特點在型材擠出時在型材表面行成木紋。色母粒法一般要用到二種色母，一種是型材的基色，另一種則形成底色略深的木紋。生產時按比例同時加入，最好是從冷混桶中加入。
用色母粒生產木紋型材時注意以下三點：
（1）工藝溫度設置偏高時木紋細小、致密。設置偏低時木紋粗大、松疏。調節幅度在±3～5℃
（2）可以采用增大或減小多孔板的孔徑來使木紋達到理想的效果。不加多孔板時木紋要比加多孔板時木紋線條粗，大孔徑多孔板比小孔經徑多板木紋效果明顯。
（3）如果不加多孔板，型材的木紋受螺桿旋轉方向的影響會出現底面花紋比上面和左右兩面花紋明顯的現象，此屬正常，可以適當調整溫度以縮小它的差距。
結論：
事實驗證，選用優質的顏料作著色劑，采用合理的型材配方作基礎，加上嚴格的生產工藝，一定會生產出合格的仿木紋異型材。其中東莞恒彩塑膠顏料廠開發的通體彩色型材已與深圳順嘉高新建材有限公司合作，戶外應用三年多時間得到很好的驗證，其中藍灰色型材通過了國家化學建筑材料測試中心6000小時老化試驗。仿木紋型材已在山東壽光新龍電化集團新型塑料建材有限公司得到推廣和應用……，這里對以上幾家公司的大力支持一并感謝，并希望與更多的型材廠家進行合作，為推動塑料門窗的彩色化發展盡綿薄之力。
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發表時間：2009-06-03

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