董前年 ，徐曈曈 ，聶樹(shù)平 ，夏 茹 ，葉治宇 ，朱雙單

（1.合肥旭陽(yáng)鋁顏料有限公司，安徽合肥231131；2.安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，安徽合肥230601）

近年來(lái)，隨著國(guó)家出臺(tái)一系列的環(huán)保政策以及科技的進(jìn)步，塑料免噴涂工藝越來(lái)越受到塑料行業(yè)的廣泛關(guān)注[1]。塑料免噴涂工藝是通過(guò)向塑料中添加顏料或染料，同時(shí)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，達(dá)到塑料制品美學(xué)效果的外觀，這種工藝在一定的條件下能夠取代噴涂工藝，簡(jiǎn)化工藝流程，降低成本，是一種環(huán)保低碳技術(shù)，已經(jīng)在家用電器和汽車(chē)內(nèi)外配件獲得成功應(yīng)用。

由于片狀鋁顏料具有優(yōu)異的遮蓋力、高閃光以及隨角異色、反射紅外光和紫外光等功能，因此，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)涂料、汽車(chē)涂料、印刷油墨以及塑料加工等行業(yè)[2]。然而，市場(chǎng)上常規(guī)的鋁顏料為片狀結(jié)構(gòu)，外觀為粉狀或膏狀，在與塑料共混成型時(shí)，由于粉狀鋁顏料呈粉末狀，添加到塑料中不易分散，另外會(huì)產(chǎn)生大量粉塵污染；膏狀鋁顏料含有30%～40%的溶劑，添加到塑料中不易分散，另外在高溫?cái)D出時(shí)，有大量溶劑揮發(fā)污染環(huán)境。更為重要的是，由于片狀金屬顏料在成型過(guò)程中流體速度不一樣，導(dǎo)致產(chǎn)品表面有流痕現(xiàn)象，影響產(chǎn)品外觀，甚至使產(chǎn)品報(bào)廢[3-4]。

本文通過(guò)球磨工藝控制、片狀鋁粒子表面改性處理、條狀鋁顏料配方設(shè)計(jì)以及載體選擇等手段，制備一種適用于塑料免噴涂共混注塑工藝的無(wú)溶劑易分散型條狀鋁顏料，并研究了鋁顏料的研磨時(shí)間對(duì)注塑樣板表面光澤度的影響；不同偶聯(lián)劑處理的鋁粒子對(duì)樣板表面光澤度和力學(xué)強(qiáng)度的影響；不同處理時(shí)間的鋁粒子對(duì)樣板表面光澤度和力學(xué)強(qiáng)度的影響；條狀鋁顏料的載體和用量對(duì)條狀鋁顏料在塑料中分散性和加工性能的影響；不同粒徑大小的鋁顏料對(duì)其在塑料中分散性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

鋁粉：氮?dú)忪F化，球形，山東誠(chéng)旭新材料有限公司；聚丙烯（PP）：型號(hào)HP500N，中海殼牌石油化工有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：型號(hào) KH-540、KH-550、KH-570、A-171、Si-602,南京曙光硅烷化工有限公司；聚乙烯（PE）：型號(hào) PEW-0320，熔點(diǎn) 100℃～105℃；氧化聚乙烯：型號(hào)PEWO-0500,熔點(diǎn)98℃～104℃,酸值15（mg KOH/g）,南京天詩(shī)新材料科技有限公司。

1.2 主要儀器和設(shè)備

注塑機(jī)：型號(hào)SSF380-K5，寧波雙盛塑料機(jī)械有限公司；雙螺桿擠出機(jī)：型號(hào)SHJ-20,南京亞杰擠出裝備有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)：型號(hào)XJJ-50，濟(jì)南抗源試驗(yàn)儀器有限公司；彎曲試驗(yàn)機(jī)：型號(hào)SMT-5000，揚(yáng)州市賽思檢測(cè)設(shè)備有限公司；光澤度測(cè)試：型號(hào)BGD513,廣州標(biāo)格達(dá)實(shí)驗(yàn)室儀器用品有限公司。

1.3 試樣的制備

片狀鋁顏料的制備：根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)配方將球形鋁粉、溶劑和助劑準(zhǔn)確稱(chēng)量后加到球磨機(jī)中，按照試驗(yàn)要求的條件進(jìn)行球磨，得到不同球磨時(shí)間的片狀鋁顏料樣品。

片狀鋁粒子表面處理：選擇上述粒徑為D50 10 μm的片狀鋁顏料，用乙醇清洗兩遍，去除溶劑，干燥，稱(chēng)取烘干后鋁顏料50 g加入500 mL三口燒瓶中，再加入200 mL無(wú)水乙醇，電動(dòng)攪拌使其分散均勻，水浴45℃加熱，邊攪拌邊滴加硅烷偶聯(lián)劑，30 min滴加完畢，保溫30 min,取出，去除溶劑，干燥，制得表面處理鋁顏料。

熔融擠出法制備免噴涂塑料復(fù)合材料：根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)配方將塑料、鋁顏料和少量的加工助劑準(zhǔn)確稱(chēng)量后，在高速混合機(jī)中攪拌5 min，然后通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出，經(jīng)過(guò)水冷、風(fēng)干、切粒，制得免噴涂塑料復(fù)合材料；然后再通過(guò)注塑機(jī)制得符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能測(cè)試樣條，樣條在23℃條件下放置24 h。

1.4 性能測(cè)試

彎曲性能：按照GB/T 9341-2000標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，彎曲速度2mm/min；沖擊強(qiáng)度：按照GB/T1843-2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同研磨時(shí)間的鋁顏料對(duì)樣板表面光澤度的影響

將不同研磨時(shí)間的鋁顏料經(jīng)洗滌、表面處理后按照一定配方制成條狀鋁顏料，然后將其按照1%的添加比例加入PP中混合均勻，注塑制成測(cè)試樣板，研究不同球磨時(shí)間的鋁顏料對(duì)PP樣板表面光澤度的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 不同研磨時(shí)間的鋁顏料對(duì)樣板表面光澤度的影響

由表1所示，隨著研磨時(shí)間的增加，使用相應(yīng)的片狀鋁顏料制備的PP樣板的光澤度先增加后減少。分析認(rèn)為在球磨7 h之前，鋁粉粒子還沒(méi)有完全片狀化，鋁粒子表面不光滑、不平整；在7 h左右，球形鋁粉完全成片，并且片狀鋁粒子表面光滑平整，因此光澤度高；隨著球磨時(shí)間的增加，鋁片的厚度逐漸減薄，在制備樣板過(guò)程中的攪拌、螺桿剪切等外力作用下，鋁片越薄越容易被破壞斷裂或卷曲，導(dǎo)致光澤度下降。所以，根據(jù)球磨時(shí)間的控制，選擇球磨7h的鋁顏料來(lái)制備塑料免噴涂用鋁顏料，制備的塑料制品光澤度較好。

2.2 不同偶聯(lián)劑處理后鋁粒子對(duì)樣板表面光澤度和力學(xué)強(qiáng)度的影響

由于鋁的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，容易與空氣中的氧氣、水發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)工業(yè)生產(chǎn)的鋁顏料的粒徑一般為微米或納米級(jí)，比表面積大，表面能高，容易引起顆粒之間的團(tuán)聚；另外，由于金屬粒子與高分子樹(shù)脂相容性差，兩者不容易分散均勻。未經(jīng)表面處理的鋁顏料不僅會(huì)影響鋁顏料的著色、保護(hù)、裝飾等作用，甚至影響材料的力學(xué)強(qiáng)度。因此，對(duì)鋁粉粒子表面改性就顯得尤為重要。

球磨后片狀鋁粒子經(jīng)除雜清洗去除溶劑后，將其置于無(wú)水乙醇溶劑中，加入一定量的硅烷偶聯(lián)劑與相應(yīng)比例的去離子水，水浴恒溫40℃～50℃，攪拌反應(yīng)后壓濾，干燥，得到表面改性鋁粒子，制成條狀鋁顏料，之后將其按照1%的添加比例加入PP中混合均勻，注塑制成測(cè)試樣板，研究不同偶聯(lián)劑改性的鋁顏料對(duì)塑料表面光澤度和力學(xué)強(qiáng)度的影響，見(jiàn)表2。

表2 不同偶聯(lián)劑處理后鋁粒子對(duì)樣板表面光澤度和力學(xué)強(qiáng)度的影響

由表2可知，經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理后的鋁粒子加入PP中，制得樣板的光澤度和力學(xué)性能都明顯好于未處理的鋁粒子制成的樣板，從而驗(yàn)證了上面結(jié)論，通過(guò)偶聯(lián)劑處理后的鋁粒子在PP中能夠很好地分散，提高了金屬粒子與高分子材料的相容性；我們還看出，通過(guò)KH-540處理的鋁粒子制成的樣板，光澤度和力學(xué)性能最好。

2.3 不同處理時(shí)間的鋁粒子對(duì)樣板表面光澤度和力學(xué)強(qiáng)度的影響

選用偶聯(lián)劑KH-540按照2.2的試驗(yàn)處理方式制得不同反應(yīng)時(shí)間的鋁粒子，加入PP中制成樣板，研究不同的鋁粒子表面處理時(shí)間對(duì)樣板表面光澤度和力學(xué)強(qiáng)度的影響，見(jiàn)表3。

表3 鋁粒子表面處理時(shí)間對(duì)樣板表面光澤度和力學(xué)強(qiáng)度的影響

由表3可知，隨著偶聯(lián)劑表面處理時(shí)間的增加，由其處理的鋁粒子制備的PP樣板的光澤度與力學(xué)性能逐漸提高，當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到60 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

2.4 不同條狀鋁顏料的載體對(duì)鋁顏料在PP中分散性的影響

條狀鋁顏料與鋁銀漿和片狀鋁粉的最明顯優(yōu)勢(shì)在于在塑料中易分散、無(wú)粉塵，載體的選擇對(duì)上述優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮具有重要影響。由于塑料的品種多，需要選擇的載體通用性要好，塑料與金屬粉體極性差別大[5]；同時(shí)，塑料在熱融時(shí)黏度較大，都是導(dǎo)致片狀鋁粒子在塑料中不易分散、相容性差的原因。本文選擇聚乙烯、氧化聚乙烯、聚丙烯、石蠟、聚乙烯與氧化聚乙烯復(fù)配多種載體進(jìn)行研究，不同載體制成的條狀鋁顏料在PP材料中分散性測(cè)試，結(jié)果如圖1。

圖1 不同載體的條狀鋁顏料在PP中分散性比較

由圖1可以看出，使用聚乙烯和氧化聚乙烯復(fù)配（A圖）作為鋁顏料的載體，制得的條狀鋁顏料能夠在PP塑料中很好地分散，樣板表面光滑，無(wú)流痕現(xiàn)象；兩者單獨(dú)作為載體制得的條狀鋁顏料能夠在PP中較好地分散。

用聚丙烯或石蠟作為鋁顏料的載體，制得的條狀鋁顏料在ABS塑料中分散性明顯較差。分析認(rèn)為：低分子量聚乙烯蠟（分子量在1 000～2 000）相對(duì)于天然蠟具有較高的熔點(diǎn)、較低的粘度，同時(shí)具有良好的熱穩(wěn)定性，由于分子量較低，在塑料加工中經(jīng)常作為潤(rùn)滑劑、顏料的分散劑，促進(jìn)顏料在塑料中分散，但由于極性很低，在一些極性分子塑料中分散性不理想；氧化聚乙烯（分子量在1 000～2 000）的分子上帶有極性基團(tuán)（如羧基），使得它與極性材料的相容性有了很大提高，經(jīng)常被用來(lái)作為極性塑料的潤(rùn)滑劑、無(wú)機(jī)顏料的分散劑。由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，易與羧基等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，氧化聚乙烯作為載體不能大量使用，以防在擠出或注塑等高溫加工過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)、鋁粒子氧化等情況；石蠟分子量分布寬，成分復(fù)雜，可能存在一些對(duì)顏料分散不易的成分。

2.5 條狀鋁顏料的載體用量對(duì)成型加工性能的影響

條狀鋁顏料載體的用量選擇也很關(guān)鍵，原因?yàn)檩d體量少，不易成條，生產(chǎn)效率低下，同時(shí)也不利于鋁顏料在塑料加工中的分散；但載體量多，也存在后續(xù)使用時(shí)需要添加大量的條狀鋁顏料，條狀鋁顏料中低分子量的載體會(huì)影響塑料制品的強(qiáng)度等性能，同時(shí)載體多了，也可能影響載體與塑料的相容性。

本項(xiàng)目選擇不同比例的載體復(fù)配物，與鋁顏料混合制備不同含量的條狀鋁顏料，研究不同載體含量的條狀鋁顏料加工情況以及添加到PP塑料中的分散性情況。由表4可見(jiàn),載體添加量在30%最為合適。

表4 載體使用量對(duì)加工性能的影響

2.6 鋁顏料的粒徑大小對(duì)其在塑料中分散性的影響

在相同條件下，鋁顏料的粒徑越大，越容易在塑料中分散；粒徑越小，越難分散，如圖2。分析認(rèn)為：粒徑小，粒子比表面積大，表面能高，易引起顆粒之間的團(tuán)聚。

圖2 鋁顏料的粒徑大小對(duì)其在塑料中分散性的影響

3 結(jié)論

針對(duì)塑料免噴涂工藝，采用球磨工藝控制，鋁顏料表面改性處理，條狀鋁顏料配方設(shè)計(jì)，制備適用于PP塑料免噴涂工藝使用的條狀鋁顏料，并對(duì)其在PP中的性能影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明：采用球磨工藝為7 h，KH-540偶聯(lián)劑表面處理，載體材料選擇聚乙烯和氧化聚乙烯復(fù)配，載體與鋁顏料比例為3∶7時(shí)，制備的條狀鋁顏料在PP塑料中應(yīng)用，光澤度較好，接近噴涂效果，制品表面無(wú)流痕和熔接線(xiàn)現(xiàn)象，同時(shí)由于鋁顏料的添加，對(duì)PP的沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都有較為明顯的提升。