塑料加工常用超分散劑的研究進展

塑料加工常用超分散劑的研究進展

隨著我國塑料工業(yè)的發(fā)展，塑料加工添加劑的發(fā)展趨勢值得關注。以色母粒為例,我國的總需求量已由1995年的4萬t增至2000年的6萬t,相應的有機顏料需求量也大幅度增長。目前,我國有機顏料品種有100多個,年產(chǎn)量約占世界有機顏料總產(chǎn)量的25%,但高檔顏料只占總量的0.5%。由于高檔顏料的限制,國內(nèi)塑料加工業(yè)使用的紅、黃等色母料多靠進口。因此必須注重改變顏料產(chǎn)品結構,同時發(fā)展高效、多功能、復合型或具有特殊性能的專用型助劑,以便提高色母料加工技術和產(chǎn)品質量,增加塑料產(chǎn)品在國際和國內(nèi)市場的競爭力。在強烈的市場需求推動下,90年代初國內(nèi)文獻中出現(xiàn)了對顏料用超分散劑的介紹性報導,同時,國外產(chǎn)品開始進軍中國市場,而國內(nèi)專家也開始了該類產(chǎn)品的研制工作。近年來,上海三正高分子材料有限公司在充分吸取國內(nèi)外研究成果的基礎上成功地開發(fā)了CH系列超分散劑,并在有機顏料、油漆等領域中獲得了廣泛應用,為這些行業(yè)產(chǎn)品品質的提升作出了貢獻。隨著CH系列超分散劑研究與應用的發(fā)展,CH系列超分散劑正逐漸地影響到更廣泛的領域,對塑料的成型加工及塑料產(chǎn)品品質的提升也帶來了越來越直接的影響。1超分散劑的組成CH系列超分散劑是一類特殊的聚合物型潤濕分散劑,目前有40多個品種,用于塑料加工的超分散劑主要有CH-1A、CH-2C、CH-6、CH-11四種。CH系列超分散劑的分子結構可分為兩個部分,一部分為錨固基團,其主要作用是將超分散劑緊密吸附于顏料(填料)表面,防止超分散劑脫附;另一部分為溶劑化鏈,其主要作用是在顏料(填料)表面形成一定厚度的保護層。當吸附有超分散劑的顏料(填料)粒子相互靠近時,由于保護層的空間障礙,顏料(填料)粒子難以形成緊密的團聚體或絮凝體,從而使顏料粒子容易分散并且在介質中具有良好的分散穩(wěn)定性。CH系列超分散劑可以直接應用于顏料(填料)制備過程中,使制得的顏料(填料)在介質中容易分散,這是超分散劑的主要發(fā)展方向。超分散劑也可以在塑料加工中應用,具體方法有三種,即用于增塑劑糊中,用于色母粒中和用于塑料與顏料/填料的直接混合中。為了達到理想的使用效果,必須對CH系列超分散劑的分子結構進行精心設計。設計內(nèi)容包括超分散劑的錨固基團、超分散劑的溶劑化鏈、超分散劑的分子量以及超分散劑的分子構型等。1.1錨固基端反應前后的表面協(xié)同劑和作用機理用于無機顏料及強極性有機顏料(如偶氮色淀顏料)的超分散劑,基錨固基團采用強極性基團。該基團能與顏料表面反應生成離子鍵,并通過離子鍵將超分散劑吸附于顏料表面,與顏料表面官能團之間通過化學反應可以產(chǎn)生很強的結合力。CH-2C超分散劑就是這種結構。對于弱極性的有機顏料,超分散劑錨固基團相應選用弱極性基團。這種錨固基團一般通過氫鍵吸附于顏料表面。由于單個弱極性基團的吸附強度不夠,一般采用多點錨固的形式,以確保在吸附過程中即使其中一個錨固基團發(fā)生脫附,仍可保持吸附狀態(tài),并很快使脫附的錨固基團回復到吸附狀態(tài)上來。CH-6型超分散劑即具有這種結構。對于非極性或極性極低的有機顏料,一般需要超分散劑與帶有極性基團的顏料衍生物(表面協(xié)同劑)配合使用。CH-11即是一種表面協(xié)同劑,它由銅酞菁衍生物與高分子物質反應制得。由于不同的顏料具有不同的表面極性,即使是同種顏料也由于不同的生產(chǎn)工藝而具有不盡相同的表面狀態(tài),因此在設計CH系列超分散劑的分子結構時,為了使超分散劑具有較為廣泛的適用范圍,大多數(shù)情況下錨固基團的選用都采取組合的方式。1.2溶劑化鏈類型不同極性的溶劑化鏈與相應極性的分散介質具有良好的溶解性,這種良好的溶解性能促使溶劑化鏈在顏料表面充分伸展,最大限度地形成空間屏障,使顏料在介質中容易分散并具有良好的分散穩(wěn)定性。CH系列超分散劑的溶劑化鏈主要有三類。第一類溶劑化鏈選用強極性的高分子鏈,其中主要包括改性的聚酰胺與聚醚鏈。第二類是采用具有中等極性的高分子鏈,其中主要包括具有中等極性的聚酯鏈和中等極性的聚丙烯酸酯鏈。第三類是采用低極性的高分子鏈,其中主要包括端活性聚烯烴改性的聚酯鏈以及低極性的聚丙烯酸酯鏈。CH-1A、CH-2C、CH-6等超分散劑的溶劑化鏈都屬于這種類型。該類超分散劑在非極性溶劑或低極性溶劑中具有相當好的溶解性。經(jīng)該類助劑處理的顏料,可廣泛應用于色母粒和增塑劑糊,因為這些體系都具有較低的極性。1.3分子量對子量的影響CH系列超分散劑的分子量是經(jīng)過設計并經(jīng)反復實驗后確定的。由于溶劑化鏈是超分散劑的主體部分,因此在溶劑化鏈的合成過程中,其分子量受到了嚴格的控制。分子量太小,即溶劑化鏈太短,超分散劑起不到應有的空間穩(wěn)定作用;分子量太大,即溶劑化鏈太長,則可能導致溶劑化鏈折疊,壓縮空間位阻,還可能導致不同顏料粒子吸附超分散劑后溶劑化鏈相互纏繞,不僅起不到分散穩(wěn)定作用,反而導致顏料絮凝。不同牌號的超分散劑,其分子量相距甚遠,從幾千到幾百萬,但在顏料表面所形成的吸附層厚度一般都在5～15nm之間。1.4超分散劑的內(nèi)部結構為便于CH系列超分散劑在顏料表面采取最有效的吸附形態(tài),充分發(fā)揮超分散劑的空間位阻作用,CH系列超分散劑的分子結構被設計為AB兩段型(A為錨固基團,B為溶劑化鏈),或者設計為以錨固基團為背、以溶劑化鏈為齒的梳狀結構。上述兩種結構都使錨固基團全部位于溶劑化鏈的一端,而另一端沒有吸附功能。這種結構能保證超分散劑在顏料表面全部采取尾形吸附形態(tài),而這種吸附形態(tài)最有利于顏料粒子的分散穩(wěn)定化。1.5表面活性劑的作用由于超分散劑的錨固基團牢固吸附于顏料表面,而溶劑化鏈又能迅速溶解于分散介質中,并與分散介質具有良好的相容性,因此超分散劑象具有兩親結構的表面活性劑作用于油/水界面一樣,能大大降低顏料粒子與分散介質之間的界面張力,使顏料在分散過程中能很快被介質潤濕。與表面活性劑不同的是,超分散劑的吸附非常牢固,不象表面活性劑一樣容易脫附,同時其溶劑化鏈還會在顏料表面形成比表面活性劑厚得多的保護層(其厚度約為5～15nm,而表面活性劑親油基團一般不超過18個碳原子,所形成的厚度不會超過2.5nm),使顏料粒子能長期穩(wěn)定地分散于介質之中。2超分散劑用于塑料的使用方法2.1硬脂酸金屬鹽等聚合物添加劑CH-1A可用于熱塑性塑料的色母料以及塑料與顏(填)料的直接混合物,如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、ABS等。由于各種色母料及直接混合物的配方與加工工藝變化多樣,因此很難給出CH-1A的具體用量,常見用量為顏料及填料總量的5%。如果原配方中含有硬脂酸金屬鹽、低分子量聚乙烯蠟或礦油等,則在初步實驗時這些物質應予保留,實驗證明,這些物質有時對CH-1A具有增效作用。具體的使用方法是:首先在高速混合機(或其它混合設備)中加入聚合物與CH-1A并使之充分混合(在高速混合機中,以1800轉/min的速率混合2min以上;若用其它混合設備,則混合5min以上);然后加入顏料、填料、加工助劑以及其它必要的添加劑,繼續(xù)混合(在高速混合機中,以1800轉/min的速率混合1min以上;若用其它混合設備,則混合15min以上);最后用常用方法(如擠出或雙輥研磨)進行加工混合。上述操作步驟中關鍵是在加入其它組分之前要將CH-1A與聚合物充分混合,以保證CH-1A在聚合物表面均勻地包裹一層,以便在后續(xù)步驟中顏(填)料能充分分散,同時提高聚合物與顏(填)料之間的界面親和性。如果將CH-1A與顏料、填料等同時加入則會嚴重影響分散效率。2.2增塑劑糊的制備CH-2C超分散劑在塑料中的作用是通過顏料(填料)粒子在增塑劑中的高效分散來實現(xiàn)的。為了充分發(fā)揮超分散劑的潤濕分散作用,超分散劑必須在顏料加入前溶解在增塑劑中,即先將計量的CH-2C加入到增塑劑中充分攪拌使之溶解,再加入顏料(填料)研磨得到增塑劑糊。CH-2C的用量為無機顏料或填料重量的0.8%～1.2%(個別為2.0%～4.0%)。以上得到的增塑劑糊主要用于PVC塑料,如PVC電纜料、PVC塑溶膠等。超分散劑的使用大大降低了研磨體系的粘度,因此可以大幅度提高研磨基料中顏料(填料)的含量以保持研磨體系的粘度,使同一剪切速率下顏料(填料)粒子受到的剪切力與原體系保持一致,從而更有效地利用機械能破碎顏料(填料)粒子,提高生產(chǎn)效率。2.3利用ch-11研磨法CH-6的分子結構為梳型,每個分子含有多個錨固基團和多條溶劑化鏈,可用于有機顏料及炭黑在PVC用增塑劑糊中的分散。使用時先將CH-6溶于增塑劑中,然后加入顏料研磨。CH-6的用量為有機顏料或炭黑干重的5%～15%。非極性或極性極低的有機顏料表面不具備可供超分散劑錨固的活性位,一般需要超分散劑與表面協(xié)同劑配合使用。CH-11即是一種表面協(xié)同劑,它由銅酞菁衍生物與高分子物質反應制得。CH-11用于酞菁顏料與炭黑顏料在增塑劑糊中的分散時,具體操作步驟為:先在增塑劑中加入超分散劑,攪拌均勻并溶解,再加入CH-11攪拌均勻,而后加入顏料(填料)并研磨。CH-11的用量為酞菁顏料或炭黑顏料干重的1%～5%。3超分散劑在塑料中的應用3.1ch-aa型超導劑的優(yōu)點(1)降低顏料成本可使有機顏料著色強度提高25%以上,同時提高無機顏料的遮蓋力。即使降低顏料用量10%～20%,也不會減弱著色效果,從而達到節(jié)省原料成本的目的。(2)提高生產(chǎn)效率傳統(tǒng)配方在增加螺桿速率時,雖然生產(chǎn)效率提高,但顏料的分散效果往往降低,而使用CH-1A后,在提高生產(chǎn)效率的同時,分散效果有時甚至大幅度提高。(3)提高產(chǎn)品質量消除斑點、污點和縮孔,改善表面狀況,提高制品的光潔度;消除表面缺陷,提高抗沖擊強度;提高亮度和鮮艷度。(4)降低加工成本產(chǎn)品質量穩(wěn)定性好,“回爐”率低,浪費少,節(jié)約了生產(chǎn)成本。(5)改善加工條件在預混合過程中降低顏料粉塵,節(jié)約了原材料成本。(6)具有惰性,不與其它助劑發(fā)生作用,正確使用不會對樹脂原有的性能產(chǎn)生負面作用。3.2超分散劑分散體系的優(yōu)點(1)增加分散體系中顏料/填料含量,縮短研磨時間,提高勞動生產(chǎn)率50%～150%。(2)提高顏料的分散穩(wěn)定性,防止出現(xiàn)顏料絮凝、沉降、浮色、發(fā)花等現(xiàn)象,對多種顏料共存的分散體系,可使各種顏料之間的混合更加均勻。(3)分散漿料中