多功能分散剂对色母粒性能的影响*

冼彩虹，杨婉琼，刘婉培，杨雄，黎泽顺，刘鹏，阳范文

（1.广州医科大学，广州 511436； 2.广东波斯科技股份有限公司，广州 510530）

多功能分散剂对色母粒性能的影响*

冼彩虹1，杨婉琼1，刘婉培1，杨雄1，黎泽顺2，刘鹏2，阳范文1

（1.广州医科大学，广州 511436； 2.广东波斯科技股份有限公司，广州 510530）

研究了分散剂YY–5023及其与聚乙烯（PE）蜡复配对色母粒中酞青蓝分散性的影响。结果表明，随着分散剂用量的增加，色母粒的熔体流动速率（MFR）增大，平衡扭矩降低，达到最大扭矩所需时间延长；当YY–5023用量为2%和4%时，平衡扭矩分别为5.3 N·m和4.4 N·m，比未添加分散剂时的平衡扭矩分别下降28.4%和40.5%，达到最大扭矩的时间分别为53.5 s和57.3 s；复合分散剂（YY-5023与PE蜡配比为1∶1）用量为2%和4%时，平衡扭矩分别为5.7 N·m和5.1 N·m，比未添加分散剂时的平衡扭矩分别下降23.0%和31.1%，达到最大扭矩的时间分别为48.5 s和52.3 s。当复合分散剂用量为2%时，色母粒中酞青蓝的分散效果最好，L*值、a*值、b*值分别为34.19，-9.82，-31.82，低密度聚乙烯薄膜表面的色点和晶点数目小于3个。

多功能分散剂；酞青蓝；色母粒

酞青蓝又名铜酞青、海利勤蓝B、颜料兰、花青蓝宫、蒙纳斯蓝B等，属于酞青颜料系列，分子式为C32H16CuN8，其结晶性高、稳定性好、着色力强，透明性良好，不溶于大多数溶剂，加热到500℃时不升华和不发生化学变化，具有鲜艳的蓝色，现已成为有机颜料中产量最大、用途最广的蓝色品种之一［1–3］。酞青蓝不仅用作着色剂，而且还用于有机半导体、光电导、感光性树脂的增感剂等领域。

然而，酞青蓝用于塑料着色时，其着色力与分散状况关系密切［4–5］。分散良好时，显示出优异的着色力和稳定的着色性能；分散不良时，着色力较低，注塑制品表面会出现色点，薄膜产品会出现大量色点或晶点，表面粗糙，影响使用性能［6–7］。

因此，如何解决色母粒中酞青蓝的分散性能是获得良好着色效果的关键。现有的分散剂如硬脂酸锌、聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酸酰胺等对酞青蓝的分散效果都不太理想。YY–5023是广州源泰合成材料有限公司针对酞青蓝、酞青绿、炭黑等难分散颜料专门研发的一种多功能分散剂，分子结构中含有反应活性基团如—OH、—COOH等和极性基团如—CONH—、—COO—等，具有润滑、偶联、分散和增容等多种功能分散剂［8–9］。

笔者将YY–5023多功能分散剂应用于色母粒中酞青蓝色粉的分散，系统研究其与聚乙烯蜡复配对色母粒的着色力、分散性能和流变性能的影响，为酞青蓝的分散和着色提供理论参考。

1 实验部分

1.1 主要原材料

低密度聚乙烯（PE–LD）：2420H，茂名石化公司；

酞青蓝：BGS，15∶3，市售；

多功能分散剂：YY–5023，广州源泰合成材料有限公司；

抗氧剂：1010，168，北京天罡助剂有限责任公司；

聚乙烯（PE）蜡：BASF公司。

1.2 主要设备与仪器

双螺杆挤出机：SHT–40型，南京橡塑机械厂有限公司；

傅立叶变换红外光谱（FTIR）仪：TENSOR27型，德国Bruker公司；

转矩流变仪：ROTI–55/20型，广州普同实验分析设备有限公司；

光学显微镜：ZOOM–700型，上海天省仪器有限公司；

电脑测色仪：Coloreye 7000A型，日本X-rite 公司；

吹膜机：2030型，浙江华瑞机械有限公司。

1.3 试样制备

将PE–LD、酞青蓝、抗氧剂和YY–5023等原料按照表1配方进行称量，混合3～5 min，然后采用双螺杆挤出机进行熔融造粒制得色母粒。挤出机的温度设定为：下料口120℃，其它区160℃，模头150℃，螺杆转速400 r/min。

表1 色母粒配方设计

在PE–LD中添加质量分数3%的上述色母粒，混合均匀后采用吹膜机在160℃温度下吹膜厚度为30 μum左右的薄膜样品。

1.4 性能测试

熔体流动速率（MFR）按ISO 1133–2011测试，温度190℃，载荷2.16 kg。

流变性能测试：采用转矩流变仪在160℃、转速60 r/min条件下测试其扭矩–时间曲线，根据平衡扭矩、达到最大扭矩所需时间评价其流变性能。

色点和分散性能按照QB/T 1648–1992测试，采用光学显微镜放大45倍进行观察。

着色力按照GB/T 7921–2008测试，采用色差仪测试色板的L*（明度）、a*（色度）、b*（色度）进行表征。

2 结果与讨论

2.1 分散剂用量对色母粒MFR的影响

单独用YY–5023作为分散剂以及将YY–5023 与PE蜡按照1∶1比例进行复配作为复合分散剂，不同分散剂用量下色母粒的MFR如图1和图2所示。

图1 不同YY–5023用量下色母粒的MFR

图2 不同复合分散剂用量下色母粒的MFR

单独采用YY–5023作为分散剂时，随着YY–5023含量的增加，色母粒的MFR呈逐渐增大的趋势；未添加YY–5023时，色母粒的MFR为46 g/ （10 min），当YY–5023用量为2%时，MFR达到49.5 g/（10 min）；当YY–5023用 量 为4%时，MFR达到55 g/（10 min）。将YY–5023与PE蜡按照1∶1比例进行复合作为复合分散剂时，MFR也是随复合分散剂用量的增加而增大，当复合分散剂用量为2%时，MFR达到49 g/（10 min）；当复合分散剂用量为4%时，MFR达到53.7 g/ （10 min）。YY–5023对色母粒MFR提高的效果优于复合分散剂。

2.2 分散剂用量对色母粒流变性能的影响

不同分散剂用量下色母粒的流变性能见表2和表3。

表2 不同YY-5023用量下色母粒的流变性能

表3 不同复合分散剂用量下色母粒的流变性能

由表2和表3可以看出，随着分散剂用量的增加，平衡扭矩呈下降趋势，达到最大扭矩所需时间呈上升趋势。对于YY–5023分散剂而言，用量为2%时，其平衡扭矩为5.3 N·m，达到最大扭矩所需时间为53.5 s；用量为4%时，平衡扭矩为4.4 N·m，达到最大扭矩所需时间为57.3 s，比未添加分散剂时的平衡扭矩相比，分别下降28.4%和40.5%。对复合分散剂，用量为2%时，平衡扭矩为5.7 N·m，达到最大扭矩所需时间为48.5 s；用量为4%时，平衡扭矩为5.1 N·m，达到最大扭矩所需时间为52.3 s，比未添加分散剂时的平衡扭矩相比，分别下降23.0%和31.1%。产生上述现象的原因在于分散剂具有润滑功能，随着其含量的增加，对色母粒产生润滑效果，含量越高，润滑效果越好，故其平衡扭矩降低，达到最大扭矩所需的时间增加。

单独采用YY–5023作为分散剂与复合分散剂比较可知，在分散剂总用量相同的情况下，复合分散剂的平衡扭矩相对较高，达到最大扭矩所需的时间较短。其原因在于YY–5023是一种含有羟基、羧基等极性官能团的分散剂，具有内外润滑功能；而PE蜡与色母粒的载体PE结构比较相似，在熔融加工过程中主要产生内润滑功能，故其平衡扭矩相对较高，达到最大扭矩的时间较短。

2.3 分散剂用量对色母粒着色力的影响

不同分散剂用量下色母粒的着色力见表4和表5。

表4 不同YY-5023用量下色母粒的着色力

表5 不同复合分散剂用量下色母粒的着色力

对于YY–5023分散剂，未添加分散剂时L*值、a*值、b*值分别为34.82、–9.92、–29.42；当其用量为2%时，L*值、a*值、b*值分别为34.58、–9.75、–31.27；当其用量为4%时，L*值、a*值、b*值分别为34.55、–9.95、–31.65。随着YY–5023分散剂用量的增加，L*值降低说明色母粒的遮盖力提高，b*值降低说明其蓝相增加，a*值变化不大说明红绿相基本保持不变。增加YY–5023用量，对色母粒中酞青蓝的分散效果更好，故着色力增强。

对于复配分散剂，当其用量为2%时，L*值为34.19，a*值为–9.82，b*值为–31.82；当其用量为4%时，L*值为34.03，a*值为–9.83，b*值为–31.89，b*值比单独使用YY–5023时下降更多，说明在分散剂总量相同的情况下，通过复配技术可以提高酞青蓝的分散效果，提高其着色力。

2.4 分散剂用量对色母粒分散性能的影响

图3示出不同分散剂用量下色母粒分散情况的光学显微镜照片。

图3 不同分散剂用量下色母粒分散情况的光学显微镜照片

未添加分散剂时，LD–PE薄膜表面的色点和晶点数目大于50个（见图3a）；添加2%的YY–5023时，薄膜表面的色点和晶点数目大约15个（见图3d）；添加4%的YY–5023时，薄膜表面的色点数目大约10个（见图3e）。对于复合分散剂体系，当其用量为1%时，薄膜表面的色点和晶点数目小于10个（见图3g）；当其用量为2%时，薄膜表面的色点和晶点数目小于3个（见图3h）。

通过分析可知，采用复配分散剂对酞青蓝的分散效果优于单独采用YY–5023；当复合分散剂的总用量达到2%时，对酞青蓝具有优异的分散效果。

产生上述现象的原因与YY–5023的反应活性基团、PE蜡的内润滑性能关系密切。

图4是颜料达到理想分散的示意图，颜料要稳定地分散在基体中，必须具备三个条件：（1）分散剂的羧基和羟基与颜料表面发生物理结合或化学键合，并形成偶联层；（2）分散剂的另一端基在熔融混炼过程中与基体或其它分散剂形成增混层，对细化颜料起到隔离作用；（3）分散剂的端基或官能团在表面处理或共混改性过程中形成一个增混层，与基体材料具有良好的相容性或发生化学结合，确保颜料在基体中形成稳定的分散相［10］。

图4 分散剂处理颜料达到稳定分散示意图

YY–5023的羟基和羧基等活性基团能与酞青蓝发生良好的结合力，有利于酞青蓝分散。然而，YY–5023单独使用时MFR较高、平衡扭矩较低，达到最大扭矩所需时间较长的试验结果说明其外润滑功能相对较强，导致色母粒制备过程中螺杆的剪切力降低，不利于酞青蓝的细化，故单独使用YY–5023时分散效果不是特别理想。当其与PE蜡进行复配时，YY–5023的羟基和羧基等活性基团能与酞青蓝发生良好的结合，对酞青蓝分散有利；当其完全包覆颜料时，在颜料表面形成了增混层；PE蜡在增混层的表面形成一个相对较厚的分散层，由于其与PE载体结构非常相似，与基体相容性优异，从而确保已经细化和分散的颜料均匀分布在基体中。通过将两种分散剂进行复配，可产生协同效应，获得良好的分散效果。

综合考虑流变性能、着色和分散性能可知，当复合分散剂用量为2%时，色母粒中酞青蓝的分散性能和着色力都比较理想。

3 结论

（1）随着分散剂用量的增加，色母粒的MFR逐渐增大；当分散剂用量为2%时，YY–5023和复合分散剂的MFR分别为49 g/（10 min）和53.7 g/ （10 min），YY–5023对色母粒MFR的提高效果优于复合分散剂。

（2）随着分散剂用量的增加，平衡扭矩逐步降低，达到最大扭矩所需时间增加；YY–5023用量分别为2%和4%时，平衡扭矩分别为5.3 N·m和4.4 N·m，比未添加分散剂时的平衡扭矩分别下降28.4%和40.5%；达到最大扭矩所需时间分别为53.5 s和57.3 s。复合分散剂用量分别为2% 和4%时，平衡扭矩分别为5.7 N·m和5.1 N·m，比未添加分散剂时的平衡扭矩分别下降23.0%和31.1%，达到最大扭矩所需时间分别为48.5 s和52.3 s。

（3）复合分散剂对酞青蓝的分散效果最好，用量为2%时薄膜的L*值、a*值、b*值分别为34.19，–9.82，–31.82，色点和晶点数目小于3个。

（4） YY–5023与PE蜡复配（配比为1∶1）时，YY–5023的羟基和羧基等活性基团能与酞青蓝产生良好的结合，PE蜡在已分散的酞青蓝颗粒表面形成分散层，二者复配可产生良好的协同效应，获得理想的分散效果。

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Effects of Multifunctional Dispersant on Masterbatch Properties

Xian Caihong1， Yang Wanqiong1， Liu Wanpei1， Yang Xiong1， Li Zeshun2， Liu Peng2， Yang Fanwen1
（1. Guangzhou Medical University， Guangzhou 511436， China；2. Guangdong Bosi Science and Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510530， China）

The dispersion properties of phthalocyanine blue in color masterbatch were studied using YY-5023 and its complex with polyethylene wax as dispersants. The results show that with the increase of dispersant content，the melt flow rate of color masterbatch increases，the balance torque decreases，the time reached maximum torque increases. The balance torque of the color masterbatch with the content of YY-5023 in an amount of 2% and 4% respectively are 5.3 N·m and 4.4 N·m，which respectively decrease 28.4% and 40.5% compared with the color masterbatch without dispersant，the maximum torque time are 53.5 s and 57.3 s. The balance torque of the color masterbatch with complex dispersant （YY-5023 and polyethylene wax ratio of 1∶1） in an amount of 2% and 4% are 5.7 N·m and 5.1 N·m，which respectively decrease 23.0% and 31.1% compared with the color masterbatch without dispersant，the maximum torque time are 48.5 s and 52.3 s. With 2% complex dispersant content，the dispersion of phthalocyanine blue in the masterbatch is the best， L*value，a*value and b*value of the film are 34.19， -9.82，-31.82 respectively，the number of color point and gel point of the film is less than three.

multifunctional dispersant；phthalocyanine blue；color masterbatch

TB322，TQ625

A

1001-3539（2016）07-0128-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.07.025

*广东省科技厅产学研项目（2013B090500034），广州医科大学2014-2016年度本科教学质量与教学改革——卓越人才培养资助项目（2014012）
联系人：阳范文，教授，博士，主要从事医用高分子材料改性及功能化研究

2016-05-03