塑料着色剂基本要求和测试方法——耐热性

塑料着色剂基本要求和测试方法——耐热性
塑料用着色剂的耐热稳定性是指在一定加工温度下和一定时间内，不发生明显的色光,着色力和性能的变化。

塑料着色与油墨印刷和涂料着色最大的区别在于绝大多数塑料着色成型过程中都有一个加热的过程，所以着色剂在塑料成型中常常受热会发生变色，着色剂耐热稳定性在塑料着色上是很重要的指标，着色剂耐热性不好会褪色，严重影响产品质量和其它性能，
着色剂耐热稳定性与着色剂化学结构，晶型，粒径大小，着色浓度，应用树脂，加工工艺，及助剂有很大关系。

1影响耐热性指标的因素
（1）耐热性与着色剂化学结构有关
应用在塑料上着色剂有无机颜料，有机颜料和溶剂颜料。

一般而无机颜料是金属氧化物和金属盐，是高温煅烧的反应产物，煅烧温度最高可达700℃和900℃，所以无机颜料的热稳定性远远高于每种塑料成型温度，无机颜料耐热性可满足要求
有机颜料和溶剂颜料的耐热性与化学结构有很大关系，正如颜料分子结构直接决定其色泽及应用性能一样，颜料分子骨架，取代基的结合能因其原子的不同而异，直接影响它们的分子骨架在一定温度下的稳定性及分解反应发生的难易。

以有机颜料为例其结构分为偶氮类，金属色淀类；酞菁类，稠环酮类，杂环类不同的化学结构的颜料亦具有不同的热稳定性能。

表1为不同结构颜料品种在塑料HDPE中的耐热性
颜料索引号化学结构
耐热性
本色冲淡
62
颜料红254
180
颜料蓝15：3
颜料蓝110
因此改进有机颜料耐热稳定性最主要的方法与途径是改变颜料的化学结构，通常可以有如下办法：
●增加颜料的分子量，
●分子中引入卤素原子，
●采用稠环结构分子中引入极性取代基
●引入金属原子
2耐热性与着色剂晶体结构有关
同一有机颜料结构可能不同的晶型，晶型不同颜色也会不一。

比如颜料紫19其β型是紫色，然后γ型是蓝光红
颜料的晶型不同其耐热性也不一，颜料蓝15是个各项性能很好结构，但晶型不一样，性能也大不一样，如C.I.PB15是不稳定结构，不耐溶剂和高温所以在塑料着色时耐热稳定性，其在塑料中耐热性只有200°C，如将其晶型转为稳
定的β型（C.I.PB15：3）其耐热性可达300°C
表2为不同晶型酞菁蓝品种在塑料中的耐热性
颜料索引号晶体类型耐热性
酞菁蓝15不稳定型200°/5min
酞菁蓝15：1稳定α型300°/5min
酞菁蓝15：3稳定β型300°/5min
2耐热性与着色剂粒径大小有关
有机颜料不同粒径大小也对耐热性有很大影响，一般来说颜料粒径小，表面积小，着色力高，而分散性，耐热性差。

反之如粒径小，表面积大，着色力低，而分散性，耐热性好。

如颜料紫19（γ型）科莱恩公司有两个品种PV FAST RED E3B(粒径小)及PV FAST RED E5B02(粒径大)
颜料黄139其粒径不同耐热性和着色力对比见表3
表3同一结构颜料不同粒径品种的耐热性
应用性能颜料黄139-3R颜料黄139-3R 比表面积,m2/g8525
平均粒径154nm339nm
着色强度3311耐温度稳定性,°C150200
4耐热性和着色剂在塑料材料中的有效浓度有关
颜料热稳定性还取决于其在塑料中的有效浓度。

众所周知，颜料的热稳定性随颜料浓度的减少而降低，但是达到何种程度并没有通用规律。

图1是不同结构黄色品种在不同浓度下的耐热性，一些具有好的结构品种（如金属色淀）其耐热性不随着着色浓度下降而下降。

图1
着色剂在不同浓度下的这些数据对于应用颜料配色者的日常工作是非常重要。

不仅在浅色调中要求着色剂的浓度非常低，而且在配制色光差别很小的颜色
时也要求着色剂的浓度非常低。

当颜料不随浓度的降低而下降或仅有微小的降低时，才可以投入使用。

颜料在本色和冲淡色中耐热性能中浓度梯度有两个系列，一个是1％，0.1％，0.01％和0.001％；另一个是1％，0.01％，0.05％，0.025％和0.01％，试验是参照EN12877-2标准测试方法进行的。

试验结果再以图形形式提供，5耐热性与塑料加工中的添加剂关系
要着色的塑料材料不同于试验中所使用的标准聚合物，并且实际着色材料的组分除了塑料和着色剂外还可能含有填料、增塑剂、分散剂、抗氧剂、稳定剂以及阻燃剂等，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。

钛白常常用来调整色相或增加产品的遮盖力，有些颜料加了钛白后除了色相变化完，耐热性会下降颜料在塑料加工中耐热性指标与钛白粉的加入浓度有关,一般而言加入钛白粉后耐热性指标将会有所下降.
6耐热性与塑料树脂类型和加工工艺有关
科技创新产生了不少新颖塑料树脂，树脂不同其成型过程的温度高低相差很大，从软硬质聚氯乙烯一般在160-200℃,低密度和高密度聚乙烯,聚苯乙烯在200-240℃,而聚丙烯,聚烯胺,ABS,聚碳酸脂则在250-330℃。

塑料加工温度代表了一种着色剂用于该塑料品种时不得不经受的温度.。

图2是各种不同塑料树脂的加工成型温度。

图2各种不同塑料树脂的加工成型温度
同一颜料的热稳定性与聚合物的类型有关，颜料红149(苝系颜料)是个性能非常优秀颜料，但在不同树脂中耐热性不同如表4所示。

表4同一结构颜料红149在不同树脂中的耐热性
聚合物
热稳定性/ºC（ºF）
聚碳酸脂（PC）
聚烯烃（PO）
300/（572）聚苯乙烯（PS）/聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）/聚对
苯二甲酸乙二醇脂（PET）
280/（536）丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）250/（482）塑料树脂不同所需加工温度不同，塑料成型有很多工艺即是同一树脂其加工工艺部同，其温度也不一样如高压聚乙烯用于软管成型工艺时120-140°C
吹膜工艺时温度在170-205°C 用于淋膜时工艺时温度高达285-300°C
图4是聚烯烃树脂不同成型工艺的温度温度160180200220240260280300°C 片材和挤塑流延膜和粉末涂料PE 吹膜和中孔成型注塑流延膜和BOPP 膜PP 模塑和纺丝
2颜料耐热性指标测试EN12877-2
在塑料中耐热性测试方法根据欧盟EN12877实验方法，实验开始时，标准加工温度定在200°C 注射成型之后色板，之后逐渐上升，每次升高20°C，停留时间5min 。

每一次试验经过注射成型之后色板，分别用视觉和色差仪来检测颜色的变化，测量数据记录于一张图上。

我们可以把色差ΔE=3的温度定义为被测着色剂在标准塑料应用中的热稳定性。

测试具体参数如下：
(一)测试用的颜料样品制备：
按照测试浓度先将颜料和树脂混合后，（如粉料可用高速混和机如粒料用低速混
和机混和）采用合适挤出机制成均匀色粒
将颜料制备物冷却，粉碎。

(二)测试浓度:(通常是1/3标准深度)
或在指定浓度下测定
按0.1%,0.05%,0.025%,0.005%将颜料制备物和树脂混合造粒
(三)测试材料:
在指定的塑料材料中测定,(标准材料HDPE PP ABS….或客户提供的材料)
四)试片准备:在指定的温度，和时间用注塑机将上述浓度的粒子注塑成片子（使色料在注塑机中分别停留5分钟后）
(五)评定方法:将注塑片放置至少16小时后，采用测色仪测定色差ΔE，着色力，色调以及色纯度的差异
根据DIN53772使ΔEAB≥3(DIN6174)时该温度作为该颜料在该浓度下的耐热稳定性。

3耐热性指标在塑料着色上应用
（1）塑料着色剂在着色过程中其颜色都会产生一些变化，即使温度有一些波动，但只要色差变化不要太大，它还是能够满足生产要求的。

（2）任何着色剂的受温度变化而变色过程实际上是温度乘以停留时间的函数。

在标准实验方法中，将停留时间固定在5min，比在正常情况下塑料的加工时间为长，因此经验表明，只要停留时间很短，着色剂可在稍高于样本提供的热稳定性的温度下进行加工。

一般而言加工的塑料制品的尺寸和质量应选用注塑机的大小相匹配，但在加工一些非常细小的制品，就不可避免地会使用与制品尺寸相比大得多的成型设备。

技术上的原因使塑料加工设备不能任意地减小，有色塑料熔体在注塑机中的停留时间可能会超过5min，着色剂的褪色低于样本给出的温度下就开始发生了。

另一个褪色的原因是热流道的使用。

在热流道中的停留时间应该加到在注塑机中的停留时间中去。

通常总的停留时间要短到足以避免任何褪色的发生。

因此，应该对这个参数进行详细考虑。

热流道结构中的不良设计是引起褪色的主要原因，例如热流道的喷嘴或其他部分的尺寸很小，由此引起的摩擦热难以计算和控制，过高的温度会导致有机着色剂和塑料的热损伤等。

（2）着色剂着色剂的受热变化不仅在塑料制品的制造中可能发生，而且在生产色母粒生产中也有可能发生。

采用双螺杆挤出机生产色母粒时，为了提高分散，往往会增加长径比和增加混炼段，所以增加颜料在螺杆停留时间，增加料颜料受热分解的风险，特别如荧光颜料，在质量保证的范围内，可能发生任何热损伤。

因此，应该采取预防措施避免热损伤的发生。

（3）另一个需要考虑的是被着色树脂本身的热稳定性，树脂受热时由于热降介作用而发生变色如泛黄等。

树脂颜色变黄也会影响色泽变化，特别当确定了热稳定性的最高限度后，必须考虑到这种褪色。

需要在树脂中加入抗氧剂等助剂保护树脂不变色以求得颜料着色稳定性
（4）对着色剂的耐热性进行全面的系统化认识，并进行定量化的分析与研究，找出该着色剂合适的工艺条件范围，根据这些数据来对这色剂进行选择，并通过配色和试验后来确认用于塑料着色，同时也对生产工艺的调节提供一定的依据。

使企业能够选择到价格低廉且又能够满足生产要求的着色体系。