王振英，劉 勇，張 岐，徐啟佺 （江蘇鎮(zhèn)鈦化工有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

鈦白粉在塑料制品中的應(yīng)用試驗(yàn)與分析

王振英，劉 勇，張 岐，徐啟佺 （江蘇鎮(zhèn)鈦化工有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

塑料制品對其使用的鈦白粉有特殊性能要求，為此列出了鈦白粉在塑料制品中的應(yīng)用性能要求與相應(yīng)的試驗(yàn)方法。通過對一系列不同型號的鈦白粉進(jìn)行對比試驗(yàn)，確定了適合塑料制品使用的鈦白粉型號，為鈦白粉及塑料制品的生產(chǎn)提供了依據(jù)。

鈦白粉；塑料制品；應(yīng)用試驗(yàn)；分析

0 引言

隨著人們環(huán)保和節(jié)能意識的增強(qiáng)，以塑代鋼的步伐越來越快，塑料制品的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。作為塑料的基本顏料［1］，鈦白粉的需求也逐年增多?？紤]到塑料制品在生產(chǎn)過程中的特殊技術(shù)要求，塑料用鈦白粉除了常規(guī)的白度指標(biāo)外，還對其加工性能、耐熱性、熱老化性、分散性、耐候性等應(yīng)用性能指標(biāo)提出了更高的要求。以下闡述鈦白粉在塑料制品中的應(yīng)用試驗(yàn)與分析。

1 塑料制品的加工工藝及性能測試流程

將100 g PVC（聚氯乙烯）樹脂、4 g鈦白粉、適量助劑體系按圖1所示流程進(jìn)行加工［2］及性能測試。

圖1 PVC塑料制品的加工工藝及性能測試流程圖Figure 1 The processing technology and performance test flow diagram of PVC plastic products

2 鈦白粉在塑料制品中的應(yīng)用性能及測試方法

2.1 加工性能

鈦白粉加入到塑料中后，會對塑料制品的加工性能產(chǎn)生影響。加工性能的優(yōu)劣是決定塑料制品生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本及應(yīng)用性能的關(guān)鍵因素。

塑料制品的加工性能可以采用動態(tài)扭矩流變法進(jìn)行評定。轉(zhuǎn)矩流變儀是研究材料的流動、塑化、熱剪切穩(wěn)定性的理想設(shè)備。典型轉(zhuǎn)矩流變儀的工作曲線如圖2所示。

圖2 典型轉(zhuǎn)矩流變儀的工作曲線Figure 2 The working curve of typical torque rheometer

圖2中：t1—物料受熱壓實(shí)時間；t2—塑化（熔融軟化）時間；t3—達(dá)到平衡轉(zhuǎn)矩（物料動態(tài)熱穩(wěn)定）的時間；t4—物料的分解時間；M1—最小轉(zhuǎn)矩；M2—最大轉(zhuǎn)矩；M3—平衡轉(zhuǎn)矩；OA—在給定溫度和轉(zhuǎn)速下，物料開始黏連，轉(zhuǎn)矩上升到A點(diǎn)；AB—受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)作用影響，物料很快被壓實(shí)（趕氣），轉(zhuǎn)矩下降到B點(diǎn)（有的樣品沒有AB段）；BC—物料在熱和剪切力的作用下，開始塑化（軟化或熔融），即由黏連轉(zhuǎn)向塑化，轉(zhuǎn)矩上升至C點(diǎn)；CD—物料在混合器中塑化，逐漸均勻，達(dá)到平衡時，轉(zhuǎn)矩下降到D點(diǎn)；DE—維持恒定轉(zhuǎn)矩，物料平衡階段（90 s以上）；E—繼續(xù)延長塑化時間，物料發(fā)生分解，交聯(lián)，固化，使轉(zhuǎn)矩上升或下降。

由轉(zhuǎn)矩流變曲線可獲得以下信息：

（1） 判斷可加工性：由于M的大小直接反映了物料的黏度和消耗的功率，由此可以看出此配方是否具有可加工性。若M太大，則在加工中需要消耗許多電力，或在更高的溫度下，才能降低M，成本提高。這時應(yīng)考慮改變配比，下調(diào)M。

（2） 加工時間（物料成型前的時間）：

熱塑性材料：要求t4不能太短，否則物料還未成型就已分解，交聯(lián)。

熱固性材料：若t4太長，需等很長時間才能固化、脫模，周期長，效率低；若t4太短，來不及出料已固化在螺桿或模具中。

（3） 加工溫度：通過測定物料在不同溫度下的轉(zhuǎn)矩流變曲線，得到M-t關(guān)系。

（4） 材料的熱穩(wěn)定性：研究物料分解時間的長短。

2.2 分散性

通過測定塑料制品中鈦白粉的粒度分布進(jìn)行鈦白粉分散性的評定。粒度分布的測定方法較多，本研究采用相差顯微鏡測定鈦白粉的粒度分布。相差顯微鏡是一種將光線通過透明試樣時所產(chǎn)生的光程差（即相位差）轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)差的特種顯微鏡。

2.3 白度

當(dāng)一束強(qiáng)度為I0的光照射在薄膜上時，除反射外，部分光線被其中的顏料粒子散射和吸收，剩余部分透射。設(shè)透射光強(qiáng)度為I1，則透射率T為［3］：

透射率反映薄膜的透光能力，其倒數(shù)則代表了薄膜阻擋光線的能力，稱為阻光率O。

在薄膜的材質(zhì)、厚度等條件確定的情況下，T值越小，O值越大，表明所用鈦白粉的遮蓋力越高，白度越大。

白度測定方法：在塑料薄膜上任意剪取3塊約30 mm×50 mm的小片，用薄膜測厚儀測出確定3個點(diǎn)的厚度，取平均值，然后用分光光度計(jì)測量3點(diǎn)的透射率，取平均值，最后將其換算成阻光率。

2.4 耐候性

本研究采用紫外線老化和人工氙燈老化來評定耐候性。前者主要是考慮自然界中的紫外線對高分子材料的影響；后者也稱作人工氣候老化，利用人工設(shè)備模擬出自然界的狀況，包括陽光、雨水、溫度等因素，它是與自然老化最接近的人工老化試驗(yàn)方法。

將表面處理后的二氧化鈦配制成醇酸樹脂漆，噴板后自然干燥，采用美國Q-Panel公司的紫外老化儀進(jìn)行老化試驗(yàn)，其試驗(yàn)參數(shù)為UVB 313 nm照射8 h，噴淋2 min，冷凝4 h，循環(huán)處理250 h；采用日本美能達(dá)CM-2500D分光測色儀測試樣板的黃變指數(shù)；采用光澤儀測試失光率；采用粉化率儀測試粉化等級，綜合評定其耐候性。

L、a、b值（也稱CIELAB顏色空間）是目前最常用的測量物體顏色的方法之一。在這一方法中，L是亮度坐標(biāo)；a和b是色度坐標(biāo)，+a為紅色方向，-a為綠色方向；+b是黃色方向，-b為藍(lán)色方向。L值越高，則表明亮度越高；a值則越接近于0點(diǎn)越好；b值則是處于0點(diǎn)稍微偏負(fù)值為好。

采用分光測色儀對混煉后的加有鈦白粉的PVC（聚氯乙烯）塑料樣片進(jìn)行測試，得到L、a、b值，以表征各牌號鈦白粉的白度、亮度和顏色。

耐候性試驗(yàn)是在人工老化環(huán)境下，測試各個試樣的初期白度（L0）、亮度（L值）、顏色值（a、b、ΔΕ值）、黃度值等指標(biāo)隨著時間的變化情況，其中：

根據(jù)所測數(shù)值的變化，從而判斷鈦白粉在塑料制品中的耐候性。

3 不同型號鈦白粉在塑料制品中的應(yīng)用性能試驗(yàn)

將不同型號的鈦白粉用于塑料制品中，對比試驗(yàn)結(jié)果，評定其應(yīng)用性能。

3.1 試驗(yàn)原材料與儀器設(shè)備［4］

TL-1000 PVC，工業(yè)級，市售品；TL-800 PVC，工業(yè)級，市售品；R 969鈦白粉，工業(yè)級，江蘇鎮(zhèn)鈦化工；RCL 696鈦白粉，工業(yè)級，美禮聯(lián)；R 888鈦白粉，工業(yè)級，國內(nèi)同類產(chǎn)品；C鈦白粉，工業(yè)級，國內(nèi)同類產(chǎn)品；D鈦白粉，工業(yè)級，國內(nèi)同類產(chǎn)品；E鈦白粉，工業(yè)級，國內(nèi)同類產(chǎn)品。

雙輥混煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠；INSTRON萬能試驗(yàn)拉力機(jī)，英國INSTRON公司；擠塑機(jī)，德國Brabender；注射機(jī)，寧波通力塑料機(jī)械有限公司；相差顯微鏡，日本；粒度分析儀，德國；分光光度計(jì)，上海分析儀器廠；轉(zhuǎn)矩流變儀，德國Brabender；全自動測色色差計(jì)，北京光學(xué)儀器廠；電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海醫(yī)療器械二廠；老化試驗(yàn)箱，天津市華北實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；紫外光老化試驗(yàn)箱，美國Q-Panel公司；臺式標(biāo)準(zhǔn)分光測色儀，美國Datacolor公司。

3.2 應(yīng)用性能測試

3.2.1 分散性

采用相差顯微鏡（放大倍數(shù)為20 000）進(jìn)行分散性測定。各鈦白粉試樣的電鏡照片見圖3，粒徑分布見圖4。

圖3 各鈦白粉試樣在塑料制品中的相差顯微鏡照片F(xiàn)igure 3 The phase-contrast microscope photos of different titanium dioxide samples in plastic products

圖4 各鈦白粉試樣在塑料制品中的粒徑分布Figure 4 The particle size distribution of different titanium dioxide samples in plastic products

由圖3可見：RCL 696鈦白粉和R 969鈦白粉的粒度分布圖像明顯好于其他幾種鈦白粉產(chǎn)品，其分散均勻，沒有明顯的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。

由圖4可見：RCL 696鈦白粉和R 969鈦白粉的粒徑較小，且粒徑分布均勻，過粗和過細(xì)的顆粒較少，分散效果明顯好于其他鈦白粉試樣。

3.2.2 加工性能

采用轉(zhuǎn)矩流變儀測定幾種鈦白粉試樣在PVC塑料中的轉(zhuǎn)矩流變性［5-6］，結(jié)果見圖5。

圖5 幾種鈦白粉樣品在PVC塑料中的轉(zhuǎn)矩流變圖Figure 5 The torque rheological figure of some kinds of titanium dioxide samples in PVC plastic

由圖5可見：上述幾種鈦白粉試樣的轉(zhuǎn)矩流變性都相對較好，但相比之下，RCL 696鈦白粉和R 969鈦白粉的轉(zhuǎn)矩流變性更好。

3.2.3 白度

選用不同牌號的鈦白粉，分別制成塑料制品，用其著色吹膜。在每個試樣上多點(diǎn)測定阻光率與厚度，獲得每點(diǎn)單位厚度的阻光率，求取平均值，換算成膜厚0.03 mm時的對應(yīng)值進(jìn)行對比，結(jié)果列于表1。

表1 各試樣阻光率的測定結(jié)果Table 1 The test results of opacity of different samples

由表1可見：RCL 696鈦白粉和R 969鈦白粉的阻光率較高，即白度明顯優(yōu)于其他試樣。

3.2.4 靜態(tài)熱老化性能

采用老化試驗(yàn)箱對各試樣進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，觀察試樣在不同時間的顏色變化。取樣間隔時間：15 min，總時間120 min。

根據(jù)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖，見圖6～10。

由圖6可見：R 969鈦白粉的黃度值一直較低，且變化相對較小。

由圖7可見：R 969鈦白粉的L值（亮度）較其它試樣高，且隨時間的變化，L值損失較小。

由圖8可見：R 969鈦白粉的a值較其它試樣偏好。

由圖9可見：R 969鈦白粉的b值較其它試樣明顯偏好，更靠近0點(diǎn)。

圖6 黃度值與熱老化時間的關(guān)系Figure 6 The relationship between yellowness value and thermal aging time

圖7 L值與熱老化時間的關(guān)系Figure 7 The relationship between L value and thermal aging time

圖8 a值與熱老化時間的關(guān)系Figure 8 The relationship between a value and thermal aging time

圖9 b值與熱老化時間的關(guān)系Figure 9 The relationship between b value and thermal aging time

圖10 ΔE與熱老化時間的關(guān)系Figure 10 The relationship between ΔE and thermal aging time

由圖10可見：R 969鈦白粉的ΔE值較低，耐熱老化性能更優(yōu)。

農(nóng)藥作為必不可少的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，在我國防治病蟲害、去除雜草、控制人畜傳染病，以及提高農(nóng)作物產(chǎn)量、質(zhì)量起著積極的作用，為中國農(nóng)業(yè)作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。然而，由于農(nóng)藥是具有殺蟲、殺菌和除草功能的化學(xué)品，人們普遍認(rèn)為農(nóng)藥是有毒危險(xiǎn)品，而農(nóng)藥殘留引起的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和環(huán)境污染問題，擴(kuò)大了農(nóng)藥的危害，使人們對農(nóng)藥談藥色變，農(nóng)藥幾乎成為過街老鼠。

3.2.5 紫外光老化性能

采用紫外光老化試驗(yàn)箱對各試樣進(jìn)行紫外光老化試驗(yàn)，觀察試樣在不同時間的顏色變化。根據(jù)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖，見圖11～13。

圖11 L值與紫外光老化時間的關(guān)系Figure 11 The relationship between L value and UV aging time

由圖11可見：R 969鈦白粉的L值（亮度）較其它試樣高。除RCL 696外，其他試樣的L值隨老化時間的變化趨勢類似。

圖12 a值與紫外光老化時間的關(guān)系Figure 12 The relationship between a value and UV aging time

由圖12可見：在老化時間200 h以內(nèi)，R 969鈦白粉的a值較好，其他試樣的a值隨老化時間的變化趨勢類似。

圖13 b值與紫外光老化時間的關(guān)系Figure 13 The relationship between b value and UV aging time

由圖13可見：R 969鈦白粉的b值較其它試樣明顯偏好，更靠近0點(diǎn)。

4 結(jié)語

（2） 加工性能對比研究表明：幾種樣品在PVC中的轉(zhuǎn)矩流變性能都能滿足生產(chǎn)要求，但RCL 696鈦白粉和R 969鈦白粉樣品的轉(zhuǎn)矩更低，更有利于成型加工；

（3） R 969鈦白粉樣品的遮蓋力（阻光率=0.260）明顯優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品（阻光率=0.210～0.240），與國外同類產(chǎn)品RCL 696鈦白粉（阻光率=0.265）相當(dāng)；

（4） 熱老化試驗(yàn)及紫外光老化試驗(yàn)結(jié)果表明：R 969鈦白粉制成的PVC硬質(zhì)塑片，其各項(xiàng)耐老化指標(biāo)普遍優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品，而與國外同類產(chǎn)品RCL 696鈦白粉相當(dāng)。

綜上所述，R 969鈦白粉的各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品，與國外同類產(chǎn)品RCL 696鈦白粉相當(dāng)，完全可以替代進(jìn)口產(chǎn)品用于塑料制品的生產(chǎn)。

1 裴潤.硫酸法鈦白生產(chǎn)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982.

2 鄧捷，吳立峰.鈦白粉應(yīng)用手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

3 荊其誠，焦書蘭，喻柏林，等.色度學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1979.

4 吳立峰.塑料著色和色母粒［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994.

5 卞錦華.聚乙烯塑料色母粒的制造及其流變性和分散性研究［D］.上海：華東化工學(xué)院，1988.

6 袁錦瑤，左萍曼，周正亞，等.聚烯烴色母粒的制造［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，1989（1）：6-12.

The Application Experiment and Analysis of Titanium Dioxide in Plastic Products

Wang Zhenying，Liu Yong，Zhang Qi，Xu Qiquan
（Jiangsu Titanium Chemical Industry Co.，Ltd.，Zhenjiang，Jiangsu，212003，China）

The application performance requirements and corresponding test methods of titanium dioxide in plastic products were listed. Through the contrast test on a series of different types of titanium dioxide，the titanium dioxide types suitable for plastic products were determined，which provided the basis for the production of titanium dioxide and plastic products.

titanium dioxide；plastic product；application experiment；analysis

TQ 621.1；TQ 320

A

1009-1696（2016）06-0019-06

2016-03-01

王振英（1970—），青島化工學(xué)院精細(xì)化工專業(yè)本科畢業(yè)，山東大學(xué)工程碩士，工程師，現(xiàn)任公司的主任工程師。