多功能分散劑對色母粒性能的影響*

冼彩虹，楊婉瓊，劉婉培，楊雄，黎澤順，劉鵬，陽范文

（1.廣州醫(yī)科大學，廣州 511436； 2.廣東波斯科技股份有限公司，廣州 510530）

多功能分散劑對色母粒性能的影響*

冼彩虹1，楊婉瓊1，劉婉培1，楊雄1，黎澤順2，劉鵬2，陽范文1

（1.廣州醫(yī)科大學，廣州 511436； 2.廣東波斯科技股份有限公司，廣州 510530）

研究了分散劑YY–5023及其與聚乙烯（PE）蠟復配對色母粒中酞青藍分散性的影響。結果表明，隨著分散劑用量的增加，色母粒的熔體流動速率（MFR）增大，平衡扭矩降低，達到最大扭矩所需時間延長；當YY–5023用量為2%和4%時，平衡扭矩分別為5.3 N·m和4.4 N·m，比未添加分散劑時的平衡扭矩分別下降28.4%和40.5%，達到最大扭矩的時間分別為53.5 s和57.3 s；復合分散劑（YY-5023與PE蠟配比為1∶1）用量為2%和4%時，平衡扭矩分別為5.7 N·m和5.1 N·m，比未添加分散劑時的平衡扭矩分別下降23.0%和31.1%，達到最大扭矩的時間分別為48.5 s和52.3 s。當復合分散劑用量為2%時，色母粒中酞青藍的分散效果最好，L*值、a*值、b*值分別為34.19，-9.82，-31.82，低密度聚乙烯薄膜表面的色點和晶點數(shù)目小于3個。

多功能分散劑；酞青藍；色母粒

酞青藍又名銅酞青、海利勤藍B、顏料蘭、花青藍宮、蒙納斯藍B等，屬于酞青顏料系列，分子式為C32H16CuN8，其結晶性高、穩(wěn)定性好、著色力強，透明性良好，不溶于大多數(shù)溶劑，加熱到500℃時不升華和不發(fā)生化學變化，具有鮮艷的藍色，現(xiàn)已成為有機顏料中產(chǎn)量最大、用途最廣的藍色品種之一［1–3］。酞青藍不僅用作著色劑，而且還用于有機半導體、光電導、感光性樹脂的增感劑等領域。

然而，酞青藍用于塑料著色時，其著色力與分散狀況關系密切［4–5］。分散良好時，顯示出優(yōu)異的著色力和穩(wěn)定的著色性能；分散不良時，著色力較低，注塑制品表面會出現(xiàn)色點，薄膜產(chǎn)品會出現(xiàn)大量色點或晶點，表面粗糙，影響使用性能［6–7］。

因此，如何解決色母粒中酞青藍的分散性能是獲得良好著色效果的關鍵?，F(xiàn)有的分散劑如硬脂酸鋅、聚乙烯蠟、乙撐雙硬脂酸酰胺等對酞青藍的分散效果都不太理想。YY–5023是廣州源泰合成材料有限公司針對酞青藍、酞青綠、炭黑等難分散顏料專門研發(fā)的一種多功能分散劑，分子結構中含有反應活性基團如—OH、—COOH等和極性基團如—CONH—、—COO—等，具有潤滑、偶聯(lián)、分散和增容等多種功能分散劑［8–9］。

筆者將YY–5023多功能分散劑應用于色母粒中酞青藍色粉的分散，系統(tǒng)研究其與聚乙烯蠟復配對色母粒的著色力、分散性能和流變性能的影響，為酞青藍的分散和著色提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

低密度聚乙烯（PE–LD）：2420H，茂名石化公司；

酞青藍：BGS，15∶3，市售；

多功能分散劑：YY–5023，廣州源泰合成材料有限公司；

抗氧劑：1010，168，北京天罡助劑有限責任公司；

聚乙烯（PE）蠟：BASF公司。

1.2 主要設備與儀器

雙螺桿擠出機：SHT–40型，南京橡塑機械廠有限公司；

傅立葉變換紅外光譜（FTIR）儀：TENSOR27型，德國Bruker公司；

轉矩流變儀：ROTI–55/20型，廣州普同實驗分析設備有限公司；

光學顯微鏡：ZOOM–700型，上海天省儀器有限公司；

電腦測色儀：Coloreye 7000A型，日本X-rite 公司；

吹膜機：2030型，浙江華瑞機械有限公司。

1.3 試樣制備

將PE–LD、酞青藍、抗氧劑和YY–5023等原料按照表1配方進行稱量，混合3～5 min，然后采用雙螺桿擠出機進行熔融造粒制得色母粒。擠出機的溫度設定為：下料口120℃，其它區(qū)160℃，模頭150℃，螺桿轉速400 r/min。

表1 色母粒配方設計

在PE–LD中添加質量分數(shù)3%的上述色母粒，混合均勻后采用吹膜機在160℃溫度下吹膜厚度為30 μum左右的薄膜樣品。

1.4 性能測試

熔體流動速率（MFR）按ISO 1133–2011測試，溫度190℃，載荷2.16 kg。

流變性能測試：采用轉矩流變儀在160℃、轉速60 r/min條件下測試其扭矩–時間曲線，根據(jù)平衡扭矩、達到最大扭矩所需時間評價其流變性能。

色點和分散性能按照QB/T 1648–1992測試，采用光學顯微鏡放大45倍進行觀察。

著色力按照GB/T 7921–2008測試，采用色差儀測試色板的L*（明度）、a*（色度）、b*（色度）進行表征。

2 結果與討論

2.1 分散劑用量對色母粒MFR的影響

單獨用YY–5023作為分散劑以及將YY–5023 與PE蠟按照1∶1比例進行復配作為復合分散劑，不同分散劑用量下色母粒的MFR如圖1和圖2所示。

圖1 不同YY–5023用量下色母粒的MFR

圖2 不同復合分散劑用量下色母粒的MFR

單獨采用YY–5023作為分散劑時，隨著YY–5023含量的增加，色母粒的MFR呈逐漸增大的趨勢；未添加YY–5023時，色母粒的MFR為46 g/ （10 min），當YY–5023用量為2%時，MFR達到49.5 g/（10 min）；當YY–5023用 量 為4%時，MFR達到55 g/（10 min）。將YY–5023與PE蠟按照1∶1比例進行復合作為復合分散劑時，MFR也是隨復合分散劑用量的增加而增大，當復合分散劑用量為2%時，MFR達到49 g/（10 min）；當復合分散劑用量為4%時，MFR達到53.7 g/ （10 min）。YY–5023對色母粒MFR提高的效果優(yōu)于復合分散劑。

2.2 分散劑用量對色母粒流變性能的影響

不同分散劑用量下色母粒的流變性能見表2和表3。

表2 不同YY-5023用量下色母粒的流變性能

表3 不同復合分散劑用量下色母粒的流變性能

由表2和表3可以看出，隨著分散劑用量的增加，平衡扭矩呈下降趨勢，達到最大扭矩所需時間呈上升趨勢。對于YY–5023分散劑而言，用量為2%時，其平衡扭矩為5.3 N·m，達到最大扭矩所需時間為53.5 s；用量為4%時，平衡扭矩為4.4 N·m，達到最大扭矩所需時間為57.3 s，比未添加分散劑時的平衡扭矩相比，分別下降28.4%和40.5%。對復合分散劑，用量為2%時，平衡扭矩為5.7 N·m，達到最大扭矩所需時間為48.5 s；用量為4%時，平衡扭矩為5.1 N·m，達到最大扭矩所需時間為52.3 s，比未添加分散劑時的平衡扭矩相比，分別下降23.0%和31.1%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于分散劑具有潤滑功能，隨著其含量的增加，對色母粒產(chǎn)生潤滑效果，含量越高，潤滑效果越好，故其平衡扭矩降低，達到最大扭矩所需的時間增加。

單獨采用YY–5023作為分散劑與復合分散劑比較可知，在分散劑總用量相同的情況下，復合分散劑的平衡扭矩相對較高，達到最大扭矩所需的時間較短。其原因在于YY–5023是一種含有羥基、羧基等極性官能團的分散劑，具有內外潤滑功能；而PE蠟與色母粒的載體PE結構比較相似，在熔融加工過程中主要產(chǎn)生內潤滑功能，故其平衡扭矩相對較高，達到最大扭矩的時間較短。

2.3 分散劑用量對色母粒著色力的影響

不同分散劑用量下色母粒的著色力見表4和表5。

表4 不同YY-5023用量下色母粒的著色力

表5 不同復合分散劑用量下色母粒的著色力

對于YY–5023分散劑，未添加分散劑時L*值、a*值、b*值分別為34.82、–9.92、–29.42；當其用量為2%時，L*值、a*值、b*值分別為34.58、–9.75、–31.27；當其用量為4%時，L*值、a*值、b*值分別為34.55、–9.95、–31.65。隨著YY–5023分散劑用量的增加，L*值降低說明色母粒的遮蓋力提高，b*值降低說明其藍相增加，a*值變化不大說明紅綠相基本保持不變。增加YY–5023用量，對色母粒中酞青藍的分散效果更好，故著色力增強。

對于復配分散劑，當其用量為2%時，L*值為34.19，a*值為–9.82，b*值為–31.82；當其用量為4%時，L*值為34.03，a*值為–9.83，b*值為–31.89，b*值比單獨使用YY–5023時下降更多，說明在分散劑總量相同的情況下，通過復配技術可以提高酞青藍的分散效果，提高其著色力。

2.4 分散劑用量對色母粒分散性能的影響

圖3示出不同分散劑用量下色母粒分散情況的光學顯微鏡照片。

圖3 不同分散劑用量下色母粒分散情況的光學顯微鏡照片

未添加分散劑時，LD–PE薄膜表面的色點和晶點數(shù)目大于50個（見圖3a）；添加2%的YY–5023時，薄膜表面的色點和晶點數(shù)目大約15個（見圖3d）；添加4%的YY–5023時，薄膜表面的色點數(shù)目大約10個（見圖3e）。對于復合分散劑體系，當其用量為1%時，薄膜表面的色點和晶點數(shù)目小于10個（見圖3g）；當其用量為2%時，薄膜表面的色點和晶點數(shù)目小于3個（見圖3h）。

通過分析可知，采用復配分散劑對酞青藍的分散效果優(yōu)于單獨采用YY–5023；當復合分散劑的總用量達到2%時，對酞青藍具有優(yōu)異的分散效果。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因與YY–5023的反應活性基團、PE蠟的內潤滑性能關系密切。

圖4是顏料達到理想分散的示意圖，顏料要穩(wěn)定地分散在基體中，必須具備三個條件：（1）分散劑的羧基和羥基與顏料表面發(fā)生物理結合或化學鍵合，并形成偶聯(lián)層；（2）分散劑的另一端基在熔融混煉過程中與基體或其它分散劑形成增混層，對細化顏料起到隔離作用；（3）分散劑的端基或官能團在表面處理或共混改性過程中形成一個增混層，與基體材料具有良好的相容性或發(fā)生化學結合，確保顏料在基體中形成穩(wěn)定的分散相［10］。

圖4 分散劑處理顏料達到穩(wěn)定分散示意圖

YY–5023的羥基和羧基等活性基團能與酞青藍發(fā)生良好的結合力，有利于酞青藍分散。然而，YY–5023單獨使用時MFR較高、平衡扭矩較低，達到最大扭矩所需時間較長的試驗結果說明其外潤滑功能相對較強，導致色母粒制備過程中螺桿的剪切力降低，不利于酞青藍的細化，故單獨使用YY–5023時分散效果不是特別理想。當其與PE蠟進行復配時，YY–5023的羥基和羧基等活性基團能與酞青藍發(fā)生良好的結合，對酞青藍分散有利；當其完全包覆顏料時，在顏料表面形成了增混層；PE蠟在增混層的表面形成一個相對較厚的分散層，由于其與PE載體結構非常相似，與基體相容性優(yōu)異，從而確保已經(jīng)細化和分散的顏料均勻分布在基體中。通過將兩種分散劑進行復配，可產(chǎn)生協(xié)同效應，獲得良好的分散效果。

綜合考慮流變性能、著色和分散性能可知，當復合分散劑用量為2%時，色母粒中酞青藍的分散性能和著色力都比較理想。

3 結論

（1）隨著分散劑用量的增加，色母粒的MFR逐漸增大；當分散劑用量為2%時，YY–5023和復合分散劑的MFR分別為49 g/（10 min）和53.7 g/ （10 min），YY–5023對色母粒MFR的提高效果優(yōu)于復合分散劑。

（2）隨著分散劑用量的增加，平衡扭矩逐步降低，達到最大扭矩所需時間增加；YY–5023用量分別為2%和4%時，平衡扭矩分別為5.3 N·m和4.4 N·m，比未添加分散劑時的平衡扭矩分別下降28.4%和40.5%；達到最大扭矩所需時間分別為53.5 s和57.3 s。復合分散劑用量分別為2% 和4%時，平衡扭矩分別為5.7 N·m和5.1 N·m，比未添加分散劑時的平衡扭矩分別下降23.0%和31.1%，達到最大扭矩所需時間分別為48.5 s和52.3 s。

（3）復合分散劑對酞青藍的分散效果最好，用量為2%時薄膜的L*值、a*值、b*值分別為34.19，–9.82，–31.82，色點和晶點數(shù)目小于3個。

（4） YY–5023與PE蠟復配（配比為1∶1）時，YY–5023的羥基和羧基等活性基團能與酞青藍產(chǎn)生良好的結合，PE蠟在已分散的酞青藍顆粒表面形成分散層，二者復配可產(chǎn)生良好的協(xié)同效應，獲得理想的分散效果。

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Effects of Multifunctional Dispersant on Masterbatch Properties

Xian Caihong1， Yang Wanqiong1， Liu Wanpei1， Yang Xiong1， Li Zeshun2， Liu Peng2， Yang Fanwen1
（1. Guangzhou Medical University， Guangzhou 511436， China；2. Guangdong Bosi Science and Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510530， China）

The dispersion properties of phthalocyanine blue in color masterbatch were studied using YY-5023 and its complex with polyethylene wax as dispersants. The results show that with the increase of dispersant content，the melt flow rate of color masterbatch increases，the balance torque decreases，the time reached maximum torque increases. The balance torque of the color masterbatch with the content of YY-5023 in an amount of 2% and 4% respectively are 5.3 N·m and 4.4 N·m，which respectively decrease 28.4% and 40.5% compared with the color masterbatch without dispersant，the maximum torque time are 53.5 s and 57.3 s. The balance torque of the color masterbatch with complex dispersant （YY-5023 and polyethylene wax ratio of 1∶1） in an amount of 2% and 4% are 5.7 N·m and 5.1 N·m，which respectively decrease 23.0% and 31.1% compared with the color masterbatch without dispersant，the maximum torque time are 48.5 s and 52.3 s. With 2% complex dispersant content，the dispersion of phthalocyanine blue in the masterbatch is the best， L*value，a*value and b*value of the film are 34.19， -9.82，-31.82 respectively，the number of color point and gel point of the film is less than three.

multifunctional dispersant；phthalocyanine blue；color masterbatch

TB322，TQ625

A

1001-3539（2016）07-0128-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.07.025

*廣東省科技廳產(chǎn)學研項目（2013B090500034），廣州醫(yī)科大學2014-2016年度本科教學質量與教學改革——卓越人才培養(yǎng)資助項目（2014012）
聯(lián)系人：陽范文，教授，博士，主要從事醫(yī)用高分子材料改性及功能化研究

2016-05-03