仿木纹塑料异型材的着色技术

专家姓名：王 耀　　类别：论文

广东东莞恒彩塑胶颜料厂 梁新龙
重庆新美鱼博洋塑钢型材有限公司 王 耀
【摘 要】：本文通过对(PVC-U)通体仿木纹异型材的色母制备、型材配方设计、生产工艺控制等几个方面的阐述来总结归纳仿木纹塑料异型材的着色技术。
【关键词】：仿木纹 塑料异型材 配方 着色 生产工艺
【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：
随着门窗行业的日益发展和创新,人们生活水平的提高，以及审美观念的升华，塑料门窗正以多姿多彩的面孔呈现在人们的面前。目前彩色塑料异型材有覆膜、共挤、喷涂和通体(含木纹)这几种生产方式。即将出版的彩色塑料异型材标准中也分别对这几种型材作了要求。作为通体着色是这四种塑料异型材中最简便的一种生产工艺，之前也是在耐候性方面最具争议的一种塑料异型材，但因其加工简便，物美价廉而倍受广大用户的青睐。标准中四种塑料异型材的老化时间都是6000小时，也是有道理的，而且有很多厂家生产的通体塑料异型材的老化时间已经达到了这一标准，这无疑是对通体彩色塑料异型材的一种肯定。虽然前面行业内同仁有不少这方面的文章和介绍，本文好象有重复描述之嫌。这里旨在让人们重新认识通体型材的性能特点，走出以前那种“…通体型材不能应用于建筑外窗…”的误区。下面以仿木纹塑料异型材为例，就色母的制备、型材配方设计以及整个生产工艺作具体描述。
一、色母粒的制备
一般的型材厂很少有自己来制备色母粒，都是通过专业的生产色母粒的厂家来提供,这就存在以下几个问题：
㈠、载体的选用：
载体的选择一般采用型材厂家提供的成熟配方料加颜料（或染料）以及其他助剂进行混合用锥双或单螺杆进行造粒。但多数色母粒厂家的设备是平行双螺杆，其剪切热很高，长径比很大，用PVC料作载体进行造粒是行不通的，那就势必要选用其他原料作载体，这种原料必须是耐高温高压的，而且要跟PVC的相溶性好，例如：PMMA、SAN等（见表一）。
表一 不同热塑性塑料的可混性
标准PS HIPS SAN共聚物 ABS PA PC PMMA POM PVC PP LDPE HDPE PBT
标准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
说明：可混性由1降到6，1为相溶，6为不相溶
㈡、颜料的选用：
在整个配方体系中，颜料的选择是关键性的。
1.着色剂的分类
着色剂从形态上分，有液态和固态，固态又分粉末状和颗粒状，其都可用于(PVC-U)等热塑性塑料和树脂。
从化学结构上分，有无机着色剂和有机着色剂。其中无机着色剂又分无机颜料和无机染料；有机着色剂又分有机颜料和有机染料。
2.颜料、染料的构成及其需要满足的要求.
从广义上讲,着色剂不溶于聚合物则定义为颜料；而着色剂溶于聚合物则定义为染料。无机染料不能用于聚合物着色。个别颜料或染料在溶于或不溶于聚合物这个问题上没有明确的区分（见表二、三）。

表二 应用于PVC着色的有机颜料

颜色种类 色 调 例（染料索引C.I.Pigment） 应用性能 附 注
色牢度 耐迁移性 着色强度 耐光性 热稳定性 价格 使用情况
单偶氮 黄、橙、红 黄1,黄3 低 差 优 差 差 低 不推荐
单偶氮色淀 橙、红、紫红 红48:2,红53:1 中 好 优 淡色差 好 中 广泛应用
双偶氮 黄、橙 黄12,黄17 中 差 优 淡色差 好 中 通用
缩合偶氮 黄、橙、红 黄93,红144 高 好 优 较差 好 高 通用
奎诺酞酮 黄、橙 黄138,黄139 中/高 中/高 中 通用
酞青 蓝、绿 蓝15,绿7 最高 好 高 优 好 中 通用
异吲哚啉酮 黄、橙、红 黄109,红180 高 好 一般 优 好 高 通用
喹吖啶酮 紫、红 紫19,红192 较高 好 高 优 好 高 通用
二恶嗪 紫、橙 紫23,橙59 高 好 高 优 好 昂贵 通用
蒽醌、瓮 黄、橙、红、蓝、紫 黄108,橙43,红197,蓝64 一般 高 优 较好 高 通用
硫靛、瓮 红、栗、紫 红87,红88 中 一般 高 优 较好 高 增塑PVC
苝、苝四酸、瓮 红、橙 红29,橙27 高 好 高 优 好 高 通用
表三 应用于PVC着色的无机颜料

颜色 颜料名称 化学品种类 亮度 不透明性 耐光性 热稳定性 抵抗同可反应的聚合物反应的性能 耐迁移性 耐酸性 耐碱性 耐硫化物污染性 耐候性 着色力 经济性
深色 浅色

白

色 二氧化钛（R） OX H VH VH VH VH H-VH VH VH VH VH VH VH VH
二氧化钛（L） OX H H VH VH VH VH VH VH VH VH M H H
氧化锌 OX VH L VH VH VH VL VH VL M VH M L L
氧化锑 OX VH VL VH VH VH VH VH H H VH H VL VL
硫化锌 MS VH M VP VH VH VL VH L M VH L L L

绿色 氧化铬 OX VL L VH VH VH VH VH VH VH VH VH VL L
氢氧化铬 OX M T VH VH VH VH VH VH VH VH VH VL L
氧化铁黄
（天然） OX VL VH VH VH L/M VL VH L-M VH VH L VL H
氧化铁黄
（合成） OX VL VH VH VH H H VH VH VH VH VH L H

黄色 天然黄土
（赭石） OX VL VH VH VH L VL VH L-M VH VH VL VL H
铬黄 MS H H MH M H H VH L L VL M L H
镉的硫化物 MS H H H L H H VH L H VH VH L L
钛酸镍 MS H VH VH VH VH VH VH VH VH VH VH VL VL
橙色 钼（铬）橙 MS VH VH H H VH H VH L L VL M L H
硫代硒化镉 MS VH H VH M VH VH VH L H VH H L L
（硫化）汞镉 MS H H VH M VH VH VH L H VH L-M L M
红色 氧化铁红
（合成） OX VL VH VH VH VH VH VH VH VH VH VH L H
紫红色 硫代硒化镉和硒化镉 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
矿物紫 MS MH M H M VH VH VH H L VH L VL VL
蓝 群青蓝 MS VH M H R VH VL VH VL VH VH VL VL L
钴蓝 MS M L VH VH VH VH VH VH VH VH VH VL VL
棕黄 氧化铁棕 OX VL H VH VH H H VH H VH VH VH L VH
煅黄土 OX L T VH VH H H VH VH VH VH VH L VH
黑 炭黑，槽黑，炉黑，灯黑 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
氧化铁黑 OX VL VL VH VH H H VH H VH VH H VL H
注：H，高；L，低；M，中等的，适当的；V，很；T，透明的；R，在PVC中有活性；OX，氧化物；
MS，金属盐；E，元素。
大多数的无机颜料是由金属氧化物经高温煅烧固相反应的产物或者纯金属,温度可耐700～900℃。有机颜料则是由偶氮类或非偶氮类物质组成,非偶氮类又称杂环颜料。
2.1.对颜料的要求：
(1).高遮盖力；(2).良好的分散性；(3).优良的热稳定性；(4).高着色力；(5).良好的耐光牢度和耐候性；(6).无迁移性；(7).无毒。
有机颜料的着色力和色彩的明亮度比无机颜料高,无机颜料通常有些暗淡；有机颜料的分散性不是很好,而无机颜料的分散性却较好；有机颜料能部分相溶于聚合物树脂,而无机颜料则完全不溶；有机颜料的耐热性和耐光牢度有限,有时很低,而无机颜料则表现为很好。
2.2.对染料的要求：
(1).高热稳定性；(2).高着色力；(3).良好的耐光牢度和耐候性；(4).可溶性好；(5).无升华(挥发)；(6).无迁移性；(7).无毒
染料的化学结构跟有机颜料非常相似,染料的耐热性取决于它在聚合物树脂中的浓度,其耐热性通常高于相似化学结构的颜料,但用染料着色的聚合物户外应用大多存在颜色迁移现象。
3.应用于(PVC-U)聚氯乙烯塑料异型材的着色剂需具备的特性
3.1.化学稳定性
与国际标准一样,着色剂的供应商首先要检测颜料的耐酸(HCl、H2SO4、HNO3)性,耐碱(NaOH、NaCO3)性以及染料的耐过氧化性。
PVC树脂包括具有CH2CHCl重复单元的均聚物和含有若干不饱和单体的聚氯乙烯共聚物.PVC的玻璃化温度为80℃,分解温度140℃,加工温度160℃～200℃。虽然配方中添加稳定剂等各种助剂来减缓或阻止PVC的分解化过程,但在混料和挤出时还是有一部分HCl气体和水分挥发,会与着色剂中的个别颜料或染料产生反应造成变色现象。
3.2．耐迁移性
（1）喷霜。塑料制品溶解的颜料或染料从制品内部迁移至表面，并重新结晶的现象称为喷霜。根据定义，颜料是完全不溶于塑料的，只有染料才能溶于塑料发生喷霜现象。而实际上有机颜料也能部分溶于塑料，因此也会出现喷霜。
（2）渗色。两种方式发生：一种方式是当塑料制品中含有增塑剂时，由于许多有机颜料可部分溶于增塑剂，因此可以观察到渗色现象。但是，门窗用（PVC-U）塑料异型材都是未经增塑的，所以不会出现渗色现象。另一种方式是塑料制品本身不含增塑剂，但会与溶剂或含增塑剂的塑料接触，溶剂或增塑剂会部分溶解表层的有机颜料或染料，产生渗色。
3.3．热稳定性
着色剂的热稳定性取决于：（1）着色剂的化学性质；（2）晶体结构；（3）着色剂在塑料材料中的有效浓度；（4）混料工艺，挤出工艺。如：温度参数和停留时间；（5）添加剂的影响。如：填料、稳定剂等
煅烧型无机颜料的热稳定性，远远高于塑料材料本身的热稳定性，一般在700～900℃之间。热稳定性还取决于着色剂在塑料中的有效浓度，有机颜料的热稳定性随颜料浓度的减少而降低。
着色剂中有可能含有填料、增塑剂、分散剂、稳定剂、抗氧化剂等，所有这些组分都是非化学惰性的，它们中的任何一种都会影响到着色剂和塑料的热稳定性。
任何聚合物树脂（有机物质）的退色过程，实际上是温度乘以停留时间的函数。热混时间和物料在挤出机料筒中的停留时间都会对颜色造成影响。
还有，热流道结构中的不良设计是引起退色的主要原因，压缩比的大小，会引起难以计算和控制的摩擦热，过高的温度会导致有机着色剂和塑料本身的热损伤。比如螺杆间隙，剪切能力和模具（口模）流道的设计等。
3.4．耐光牢度/耐候性
材料耐光牢度的定义是：给定颜料（或染料）与聚合物体系暴露于日光中保持其初始颜色值的能量。
耐候性的定义是：太阳辐射与大气条件同时或交替作用于材料上时产生的影响，这些条件有湿度（雨水）、大气中的氧及工业废气。简而言之，耐候性就是耐光牢度加湿度，因为湿度通常是最重要的大气参数，耐光牢度及耐候性对所处气候具有很强的依赖性，气候随地域不同差别很大。如我国的新疆和深圳的紫外线辐射指数很高，化工城市的酸雨几率很大等。
除了几种无机颜料之外，其他的着色剂都会由于辐射使色光发生一些变化。光和气候（湿度）的综合影响对有机颜料（或染料）和聚合物损伤更快。有的有机着色剂有很好的耐光牢度，但耐候性却不够好。
有两种方法可以测定耐光牢度/耐候性：
潮湿或干燥条件下，在户外试验场进行自然辐射。
潮湿或干燥条件下，在实验室进行人工辐射。（模拟户外气候条件）
耐光牢度及耐候性取决于：（1）着色剂的化学性质；（2）晶型改变（有机颜料）；（3）着色剂浓度（有机颜料或染料）；（4）添加剂，如：填料、稳定剂、阻燃剂等；（5）加工参数，如：混料、挤出；（6）辐射强度和持续时间；（7）温度影响；（8）所处环境的大气条件。
大多数无机颜料的耐光牢度/耐候性是非常优异的，能达到7～8级。
耐光牢度对着色剂浓度（饱和度）的依赖性极为简单，在高浓度的情况下，当许多单个分子的显色作用被破坏或因光的影响未被着色时，在视觉上并不产生明显的色差。但在浓度低时，每个单分子的破坏都会造成总的显色分子的减少，因而就会在视觉上引起较为明显的色差。塑料异型材用着色剂的添加份数一般在2.0%—3.0%之间，低于2.0%是不合理的。从分散性角度考虑，并不是只要达到样板颜色，添加份数越少越好（有些人从降低成本方面考虑）。
3.5.木纹色种类
木纹型材常见的有樱桃木和胡桃木等两三种，生产每种型材一般都有两种色母粒按比例组合与原料混合挤出而成，色母粒一种是基色，一种是纹色。樱桃木由黄橙色为基色，紫红色或棕色为纹色；胡桃木由棕色为基色，黑色为纹色。基色和纹色的配比一般为4：1。
㈢、样板的确定：
首先有型材厂家根据用户的要求向色母粒供应商提供样板或色卡，色母粒供应商根据样板的颜色配色打板返回到型材厂家进行确认，这是一个漫长的过程，有的甚至要试验4、5次才能对上板,直到用户满意。
㈣、造粒：
首先要将配好的颜色以及载体和其他助剂按比例配好后混合经平双或单螺杆挤出机进行造粒。基色和纹色要单独进行，只是在型材配方中再按比例填加。
这里需要说明的是,基色和纹色在色母粒的制造过程中首先要遵循基色能提前塑化且分散性好。纹色延迟塑化且分散性差的原则来进行配方组合。这就要在载体选择和润滑剂应用上作适当调整。
二、塑料异型材配方的组成及对着色后耐候性的影响
塑料异型材配方由PVC树脂、稳定剂、加工助剂、抗冲改性剂、填料、润滑剂、紫外线吸收剂、抗氧剂，还有防静电剂、防菌剂等多种组分按科学的配比混合而成。
在仿木纹塑料异型材配方体系里，在不含钛白粉、荧光增白剂、群青的基础上增加了着色剂。其中有多种添加剂在着色剂制备过程中也要添加。
各种组分对颜色的影响：
（1）PVC树脂。加工塑料异型材一般用聚合度1000（SG5型），K值在66～68之间的硬型树脂。虽然树脂供应商的牌号和生产工艺各有不同，但一般型材厂家的树脂选用是固定的，不会随意更改。但用乙炔法生产的树脂存在批次不稳定因素，如若选用最好采用同一批次。
而且，着色剂是由载体、色剂和添加剂三部分组成的，着色剂与PVC树脂有某种程度的不相溶性，因此选择着色剂的载体时，应与要被着色的树脂为同一类型，反之亦然。
（2）稳定剂。稳定剂对塑料制品的耐光牢度和耐候性有积极的影响，稳定剂分：热稳定剂和光稳定剂。同理不只型材配方中要添加此类助剂，着色剂本身也要添加，而且最好与型材配方中的型号、批次、生产厂商一致。
分析调查表明，是多种影响的共同作用造成树脂老化，耐候性取决于包括着色剂和聚合物在内的整个体系。因此，聚合物必须使用可以抵抗光、热和大气中氧的高效稳定剂，因为这些稳定剂可以抵御聚合物长期暴露在大气中环境对它造成的损害。
热稳定剂可以保护聚合物在加工过程中以及后期免受热损伤；光稳定剂可以减少光和大气中的氧对聚合物的损害。
光稳定剂是一种用于提高聚合物和着色聚合物耐光牢度及耐候性的稳定剂，更为常见的情况是将光稳定剂加入到着色剂当中。
热稳定剂有：铅盐稳定剂、复合铅稳定剂、稀土稳定剂、有机锡稳定剂、钙锌稳定剂等，根据其化学结构和组成，通体彩色塑料异型材最好选用稀土和钙锌稳定剂，深色也可采用复合铅或铅盐稳定剂，尽量不要采用有机锡稳定剂。
（3）抗氧化剂。抗氧化剂对聚合物的色泽有良好的保护作用，一般主辅抗氧化剂搭配使用有优异的热稳定性和抗氧性。目前在塑料行业应用最好的是瑞士汽巴公司生产的1010，一般与ETHAPHOS368，BTHANOX310或DLTP等配合使用能发挥协同效应，用量一般在0.3—1.0%之间。
（4）紫外线吸收剂。在聚合物中添加紫外线吸收剂可降低阳光对聚合物树脂的损害，但不能完全避免这种损害。实验表明，添加紫外线吸收剂不能保护聚合物的表面，因为它首先在聚合物内部起作用，因此添加紫外线吸收剂的目的是在聚合物链反应开始之前使自由基失去活性。常用的型号有UV-9、UV-531、UV-35、UV-327等，而在塑料异型材中更为常用的是UV-531。且紫外线吸收剂与受阻胺（HALS）结合使用有化学协同效应。
（5）配方中外润滑剂的选用也非常关键，好的润滑剂会赋予塑料异型材高品质的光洁度。一般选用PE、OPE、EBS等。尽量不用石蜡，石蜡挤出时的严重析出会缩短清模时间，影响制品光洁度，且严重时会直接影响型材的物理性能。
（6）仿木纹塑料异型材在户外经长时间气候影响后会产生粉化和析出现象也会造成颜色产生变化，这就要求选择好填料的种类和控制好添加份数,一般的CaCO3的填加量在5-8份。之前的木纹型材变色除个别厂家采用耐候性差的有机染料外，最主要的原因是CaCO3填加量太大，型材产生粉化和析出现象造成的。
（7）在塑料异型材加工过程中，树脂在粉末状态下流动都会产生静电，加入抗静电剂能避免粉料在输送和喂料时由静电引起的架桥现象。建议在用铁、钴、镍等的金属氧化物来着色的母粒时,去掉从色母加入到挤出各环节的磁力架,以免色母被吸附不能流动,比如说氧化铁红。
在配方中添加着色剂生产同一种仿木纹彩色塑料异型材时，型材配方是不变的，试验表明任何一种助剂的切换都会对颜色造成影响，特别是稳定剂或碳酸钙切换后造成的型材制品色差很大。
三、木纹型材的生产工艺
除了助剂的影响之外，颜色还受混料工艺（混料温度和时间）、挤出工艺（挤出温度，速度和压力）及冷却速率的影响。在仿木纹塑料异型材的生产过程中，挤出工艺是一个关键的因素，因为它直接受人为因素影响的程度较大。所以要遵循“定人”、“定机”、“定模具”、“定工艺”四定原则。当然包括对水温的要求。
根据型材颜色和浓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匀和不同步塑化的特点在型材挤出时在型材表面行成木纹。色母粒法一般要用到二种色母，一种是型材的基色，另一种则形成底色略深的木纹。生产时按比例同时加入，最好是从冷混桶中加入。
用色母粒生产木纹型材时注意以下三点：
（1）工艺温度设置偏高时木纹细小、致密。设置偏低时木纹粗大、松疏。调节幅度在±3～5℃
（2）可以采用增大或减小多孔板的孔径来使木纹达到理想的效果。不加多孔板时木纹要比加多孔板时木纹线条粗，大孔径多孔板比小孔经径多板木纹效果明显。
（3）如果不加多孔板，型材的木纹受螺杆旋转方向的影响会出现底面花纹比上面和左右两面花纹明显的现象，此属正常，可以适当调整温度以缩小它的差距。
结论：
事实验证，选用优质的颜料作着色剂，采用合理的型材配方作基础，加上严格的生产工艺，一定会生产出合格的仿木纹异型材。其中东莞恒彩塑胶颜料厂开发的通体彩色型材已与深圳顺嘉高新建材有限公司合作，户外应用三年多时间得到很好的验证，其中蓝灰色型材通过了国家化学建筑材料测试中心6000小时老化试验。仿木纹型材已在山东寿光新龙电化集团新型塑料建材有限公司得到推广和应用……，这里对以上几家公司的大力支持一并感谢，并希望与更多的型材厂家进行合作，为推动塑料门窗的彩色化发展尽绵薄之力。
参考文献：
1.塑料着色【德】米勒（Müller，A）著；乔辉等译.北京.化学工业出版社.2004.8。
2.塑料着色配方设计.吴立峰等著.北京.化学工业出版。
3.王耀“通体彩色异型材加工技术”《建筑门窗幕墙与设备》，2006年4月，总第87期。
4.王耀“着色剂在（PVC-U）聚氯乙烯门窗用塑料异型材中的应用”《建筑门窗幕墙与设备》，2006年11月，总第94期。
5.塑料挤出技术【德】F.HANSEN.主编;中国轻工业出版社.2001年1月.
6.塑料助剂与配方设计技术.李杰,郑德主编;化学工业出版社2005年1月.

发表时间：2009-06-03

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