摘要：
本论文研究了聚乙烯蜡和硅烷偶联剂对酞青蓝颜料分散性能的影响，并对色母粒的耐候性能进行了考察。结果表明聚乙烯蜡用量为颜料用量的0.5倍时，分散效果较好，耐候老化前后颜色色差变化小，耐候性能较好；采用硅烷偶联剂对酞青蓝颜料颗粒表面处理，改善了颜料的分散性，其中长链硅烷效果较好，而且色母粒的耐候性和草丝断裂拉力有显著改善。
关键词：人造运动草丝，色母粒，分散性，耐候性<中国体育运动材料与装备>
随着体育产业的快速发展和人们健康意识的提高，人造运动草坪越来越被广泛采用[1,2]。人造运动草丝是人造运动草坪的关键材料，目前国内外有许多生产人造运动草坪的厂家，但是对人造草丝用色母粒的系统研究还很少。人造运动草丝纤维材料需要承载高强度的运动磨损并面临恶劣的气候变化，所以人造运动草丝纤维材料应具备高性能化即耐久性和耐候性能。草丝颜色是人造草丝的一项重要性能指标，它与真草颜色的相似与否在很大程度上影响着人们的视觉享受。色母粒[3,4]作为塑料着色的主要方法，能够保持颜料的化学稳定性和制品颜色的稳定，并且使用方便。高品质的人造草丝色母粒，可以赋予人造草颜色、光泽上的仿真性，进而满足激烈比赛的观赏要求以及对运动员的人文关怀。色母粒中颜料的分散性是影响其性能的主要因素，本文对人造草丝色母粒中酞青蓝颜料的分散性及耐候性进行了研究，以期为高品质人造草丝色母粒的制备提供借鉴。
1实验部分
1.1原材料：
低密度聚乙烯，1F7B，燕山石化；
低密度聚乙烯，1I2A，燕山石化；
酞青蓝，15：3，402SD，捷虹颜料；
聚乙烯蜡，WE-3，上海金山星星塑料有限公司；
偶联剂，A-171，南京立派化工有限公司；
偶联剂，A-172，南京立派化工有限公司；
1.2实验仪器与设备
高速混合机，BST-SHR 25A，张家港贝斯特机械有限公司；
双螺杆挤出造粒机组，KS-20，昆山科信橡塑机械有限公司；
聚乙烯吹膜机，45型，济南新东方塑料机械厂；
光学显微镜，Nikon Ellipse E200，日本Nikon公司；
加速耐候试验机，QUV，美国Q-lab公司；
便携式分光光度仪，SP64型，美国X-rite 公司；
电子织物强力机，YG026T型，常州第一纺织设备有限公司；
1.3配方与工艺：
表1 色母粒配方表
Table 1 Recipe of color master batch
|
配方编号 |
低密度聚乙烯 |
酞青蓝 |
聚乙烯蜡 |
硬脂酸锌 |
偶联剂 |
|
L1 |
75 |
20 |
5 |
|
|
|
L2 |
72 |
20 |
8 |
|
|
|
L3 |
70 |
20 |
10 |
|
|
|
L4 |
60 |
20 |
20 |
|
|
|
L9 |
71.6 |
20 |
8 |
|
A-171:0.4 |
|
L10 |
71.6 |
20 |
8 |
|
A-172:0.4 |
色母粒制备：
将按配方称量好的载体、颜料、分散剂分别倒人高速混合机中高速混合，然后用双螺杆挤出机挤出，挤出条料经水槽冷却、引人切粒机切粒。
偶联剂处理工艺：
分别称取适量的硅烷偶联剂用无水乙醇稀释，按比例与颜料倒入高速混合机混合均匀。取出后在80℃下烘干2h。将处理好的颜料按上述工艺混合。
薄膜样品制备：
取100g低密度聚乙烯，称取5g色母粒，混合均匀，吹膜，厚度控制在100μm左右，用于测试色泽变化。
2性能测试
A 分散性：将所制备的着色薄膜（30μm），放在光学显微镜下观察颜料粒子的分散均匀程度及其粒径大小，同时进行拍照(400 X)。
B 耐候性能：将所制备的样品，置于加速耐候实验箱中老化（55℃下照射4h，45℃下喷水2h），一定时间后测试老化后的颜色变化和力学性能的变化。
色度：按测试标准ASTM D -307于SP64型分光光度计上采用△E(L, a, b)来评价(CTE.1976)。评价指数有：
L——光度指数，变化范围0-100，值越大光泽度越好；
a——色度指数，a>0，为红色值；a<0，为绿色值；
b——色度指数，b>0，为黄色值；b<0，为蓝色值；
DE——色差，DE=
DE越小，耐候性越好。
力学性能：取一定长度的草丝样品在YG026T型电子织物强力机上测定样品的断裂拉力与断裂伸长率。
3结果与讨论：
3.1分散性
3.1.1 聚乙烯蜡用量对酞青蓝颜料分散性的影响
5份 8份
10份 20份
图1 不同聚乙烯蜡用量的颜料分散照片
Fig.1 Dispersion image of pigment with different polyethylene wax content
由于人造草丝的颜色是绿色为主，绿色是由蓝色与黄色调配而得。酞菁蓝颜料具有特殊的封闭对称结构[5]，非常“硬”，难以在树脂中获得良好分散。为了改善颜料的分散性，通常是在体系中加入分散剂。本体系中基体树脂为低密度聚乙烯，因此选用相容性较好的聚乙烯蜡进行试验。从图1可以看出，随着聚乙烯蜡用量的增加，开始颜料颗粒变小（8份，10份）。但随着聚乙烯蜡用量的进一步增加，颜料颗粒直径又有所增大 。这是因为，分散剂粘度低且与颜料相容性好，所以较易润湿颜料，有利于分散; 随着用量的增加，这种作用逐渐显现。但是聚乙烯蜡的用量也不是越多越好，因为加入聚乙烯蜡降低了体系的粘度，使传递至颜料聚附体的剪切力大为下降不利于分散。这两种异向作用的相互竞争导致最佳用量范围的存在。因此分散剂用量有一个最佳值。在本实验中，聚乙烯蜡的用量约为颜料酞青蓝的0.5倍时，分散效果较好。
3.1.2 偶联剂对颜料分散性的影响
无偶联剂 A-171
A-172
图2 不同偶联剂的颜料分散照片
Fig.2 Dispersion image of pigment with different silane coupling agent
偶联剂是在分子中同时具有2种不同的反应性基团的有机化合物，可以形成无机相一偶联剂一有机相的结合层，从而使聚合物与无机材料界面间获得较好的粘接强度[6, 7]，实验中选用了两种硅烷偶联剂A-171和 A-172。在分散照片上显示A-171处理后颜料颗粒较小，相比A-172颗粒分散更均匀。
3.2耐候老化性能
3.2.1色差
（a） 聚乙烯蜡用量
（b）不同偶联剂
图3 不同色母粒的耐候老化性能
Fig.3 Weather ability of different color master batch
（a）polyethylene wax content, (b) different silane coupling agent
色母粒的色泽耐候性结果如图4所示，可以看出，聚乙烯蜡10份，20份的色差变化比5份和8份的小，这与前面的分散性好坏的结果对应，可以这样认为，颜料的分散性好，其着色力提高，因此耐候性好。从图4（b）可以看出， A-171色差变化最小，200h加速老化后仅为0.12，这是由于颜料经过偶联剂处理后，微粒表面的偶联剂阻止了颜料微粒间的团聚，因此分散更均匀。
3.2.2 力学性能
表2 不同样丝的力学性能
Table 2 Mechanical properties of different fibers
|
项目 |
聚乙烯蜡用量 |
偶联剂 |
|
5份 |
8份 |
10份 |
20份 |
A-171 |
A-172 |
|
耐候老化前 |
断裂拉力/N |
12.6 |
12.8 |
14.3 |
12.7 |
15.3 |
15 |
|
断裂伸长率/% |
68.2 |
73.3 |
83.9 |
88.6 |
94.2 |
119 |
|
耐候老化后（500h） |
断裂拉力/N |
9.4 |
10.8 |
11.3 |
10.7 |
14.5 |
14.6 |
|
断裂伸长率/% |
60.5 |
70.3 |
76 |
79.3 |
90.5 |
100 |
对不同分散条件的样品测试了老化前后力学性能，结果如表2所示。随着聚乙烯蜡用量增加，作用力呈现出逐渐增加，然后到一定值又降低的趋势，这说明颜料的分散性对草丝的力学性能产生很大影响。当颜料分散均匀时，颗粒起到成核剂作用，成核剂颗粒的大小及其尺寸分布成为影响力学性能的主要因素，由前面分散照片得出，聚乙烯蜡用量为8份，10份时，颜料颗粒较小，分散均匀，使树脂结晶度增大，因此断裂拉力和伸长率较高，而分散不好的样品（20份），颜料作为添加物，颗粒与树脂界面明显，容易成为应力集中点，导致拉力降低。偶联剂加入，改善了颜料与树脂的相容性，导致分散均匀，使拉力有明显增加。如表2中性能所示，且老化后偶联剂样品的性能变化率也较小，表明偶联剂的加入，改善了颜料的分散。
4 结论
（1）增加聚乙烯蜡的用量，能够改善酞青蓝颜料的分散，但并不是用量越多越好，当其用量为颜料用量的0.5倍时，分散效果较好；采用硅烷偶联剂对酞青蓝颜料颗粒进行表面处理，可以改善其分散性，且具有长链的硅烷效果更明显。
（2）颜料的分散性好，样丝的断裂拉力增大，加有硅烷处理的样品，断裂拉力有明显提高。
参考文献
[1]林珩，傅乐峰，郑柏存,中国体育运动材料与装备，2007, 1：17-19
[2]李静，国外塑料，2005， 23(1) :23
[3]陈逢刚，乔辉，吴立峰，塑料工业，2006，34（4）：11-13
[4]吴立峰，乔辉 等编著，颜料在塑料着色中的应用和测试,北京：化学工业出版社，2005,91-95
[5]夏勃士尼科夫，有机染料，北京：化学工业出版社，1957，245
[6]张树玮 刘少杰 黄华彬 王社古,上海染料，2006，34（4）：31-35
[7]陈荣析，印染,2000，(2-4) :38 - 40 |
