塑料免喷涂用条状铝颜料的制备与应用研究

董前年 ，徐曈曈 ，聂树平 ，夏 茹 ，叶治宇 ，朱双单

（1.合肥旭阳铝颜料有限公司，安徽合肥231131；2.安徽大学化学化工学院，安徽合肥230601）

近年来，随着国家出台一系列的环保政策以及科技的进步，塑料免喷涂工艺越来越受到塑料行业的广泛关注[1]。塑料免喷涂工艺是通过向塑料中添加颜料或染料，同时改进生产工艺，达到塑料制品美学效果的外观，这种工艺在一定的条件下能够取代喷涂工艺，简化工艺流程，降低成本，是一种环保低碳技术，已经在家用电器和汽车内外配件获得成功应用。

由于片状铝颜料具有优异的遮盖力、高闪光以及随角异色、反射红外光和紫外光等功能，因此，被广泛应用于工业涂料、汽车涂料、印刷油墨以及塑料加工等行业[2]。然而，市场上常规的铝颜料为片状结构，外观为粉状或膏状，在与塑料共混成型时，由于粉状铝颜料呈粉末状，添加到塑料中不易分散，另外会产生大量粉尘污染；膏状铝颜料含有30%～40%的溶剂，添加到塑料中不易分散，另外在高温挤出时，有大量溶剂挥发污染环境。更为重要的是，由于片状金属颜料在成型过程中流体速度不一样，导致产品表面有流痕现象，影响产品外观，甚至使产品报废[3-4]。

本文通过球磨工艺控制、片状铝粒子表面改性处理、条状铝颜料配方设计以及载体选择等手段，制备一种适用于塑料免喷涂共混注塑工艺的无溶剂易分散型条状铝颜料，并研究了铝颜料的研磨时间对注塑样板表面光泽度的影响；不同偶联剂处理的铝粒子对样板表面光泽度和力学强度的影响；不同处理时间的铝粒子对样板表面光泽度和力学强度的影响；条状铝颜料的载体和用量对条状铝颜料在塑料中分散性和加工性能的影响；不同粒径大小的铝颜料对其在塑料中分散性的影响。

1 实验部分

1.1 主要原材料

铝粉：氮气雾化，球形，山东诚旭新材料有限公司；聚丙烯（PP）：型号HP500N，中海壳牌石油化工有限公司；硅烷偶联剂：型号 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）：型号 PEW-0320，熔点 100℃～105℃；氧化聚乙烯：型号PEWO-0500,熔点98℃～104℃,酸值15（mg KOH/g）,南京天诗新材料科技有限公司。

1.2 主要仪器和设备

注塑机：型号SSF380-K5，宁波双盛塑料机械有限公司；双螺杆挤出机：型号SHJ-20,南京亚杰挤出装备有限公司；冲击试验机：型号XJJ-50，济南抗源试验仪器有限公司；弯曲试验机：型号SMT-5000，扬州市赛思检测设备有限公司；光泽度测试：型号BGD513,广州标格达实验室仪器用品有限公司。

1.3 试样的制备

片状铝颜料的制备：根据实验设计配方将球形铝粉、溶剂和助剂准确称量后加到球磨机中，按照试验要求的条件进行球磨，得到不同球磨时间的片状铝颜料样品。

片状铝粒子表面处理：选择上述粒径为D50 10 μm的片状铝颜料，用乙醇清洗两遍，去除溶剂，干燥，称取烘干后铝颜料50 g加入500 mL三口烧瓶中，再加入200 mL无水乙醇，电动搅拌使其分散均匀，水浴45℃加热，边搅拌边滴加硅烷偶联剂，30 min滴加完毕，保温30 min,取出，去除溶剂，干燥，制得表面处理铝颜料。

熔融挤出法制备免喷涂塑料复合材料：根据实验设计配方将塑料、铝颜料和少量的加工助剂准确称量后，在高速混合机中搅拌5 min，然后通过双螺杆挤出机进行挤出，经过水冷、风干、切粒，制得免喷涂塑料复合材料；然后再通过注塑机制得符合相关标准的力学性能测试样条，样条在23℃条件下放置24 h。

1.4 性能测试

弯曲性能：按照GB/T 9341-2000标准测试，弯曲速度2mm/min；冲击强度：按照GB/T1843-2008标准测试。

2 结果与讨论

2.1 不同研磨时间的铝颜料对样板表面光泽度的影响

将不同研磨时间的铝颜料经洗涤、表面处理后按照一定配方制成条状铝颜料，然后将其按照1%的添加比例加入PP中混合均匀，注塑制成测试样板，研究不同球磨时间的铝颜料对PP样板表面光泽度的影响，结果如表1所示。

表1 不同研磨时间的铝颜料对样板表面光泽度的影响

由表1所示，随着研磨时间的增加，使用相应的片状铝颜料制备的PP样板的光泽度先增加后减少。分析认为在球磨7 h之前，铝粉粒子还没有完全片状化，铝粒子表面不光滑、不平整；在7 h左右，球形铝粉完全成片，并且片状铝粒子表面光滑平整，因此光泽度高；随着球磨时间的增加，铝片的厚度逐渐减薄，在制备样板过程中的搅拌、螺杆剪切等外力作用下，铝片越薄越容易被破坏断裂或卷曲，导致光泽度下降。所以，根据球磨时间的控制，选择球磨7h的铝颜料来制备塑料免喷涂用铝颜料，制备的塑料制品光泽度较好。

2.2 不同偶联剂处理后铝粒子对样板表面光泽度和力学强度的影响

由于铝的化学性质比较活泼，容易与空气中的氧气、水发生反应，同时工业生产的铝颜料的粒径一般为微米或纳米级，比表面积大，表面能高，容易引起颗粒之间的团聚；另外，由于金属粒子与高分子树脂相容性差，两者不容易分散均匀。未经表面处理的铝颜料不仅会影响铝颜料的着色、保护、装饰等作用，甚至影响材料的力学强度。因此，对铝粉粒子表面改性就显得尤为重要。

球磨后片状铝粒子经除杂清洗去除溶剂后，将其置于无水乙醇溶剂中，加入一定量的硅烷偶联剂与相应比例的去离子水，水浴恒温40℃～50℃，搅拌反应后压滤，干燥，得到表面改性铝粒子，制成条状铝颜料，之后将其按照1%的添加比例加入PP中混合均匀，注塑制成测试样板，研究不同偶联剂改性的铝颜料对塑料表面光泽度和力学强度的影响，见表2。

表2 不同偶联剂处理后铝粒子对样板表面光泽度和力学强度的影响

由表2可知，经过偶联剂处理后的铝粒子加入PP中，制得样板的光泽度和力学性能都明显好于未处理的铝粒子制成的样板，从而验证了上面结论，通过偶联剂处理后的铝粒子在PP中能够很好地分散，提高了金属粒子与高分子材料的相容性；我们还看出，通过KH-540处理的铝粒子制成的样板，光泽度和力学性能最好。

2.3 不同处理时间的铝粒子对样板表面光泽度和力学强度的影响

选用偶联剂KH-540按照2.2的试验处理方式制得不同反应时间的铝粒子，加入PP中制成样板，研究不同的铝粒子表面处理时间对样板表面光泽度和力学强度的影响，见表3。

表3 铝粒子表面处理时间对样板表面光泽度和力学强度的影响

由表3可知，随着偶联剂表面处理时间的增加，由其处理的铝粒子制备的PP样板的光泽度与力学性能逐渐提高，当处理时间达到60 min时达到稳定。

2.4 不同条状铝颜料的载体对铝颜料在PP中分散性的影响

条状铝颜料与铝银浆和片状铝粉的最明显优势在于在塑料中易分散、无粉尘，载体的选择对上述优势的发挥具有重要影响。由于塑料的品种多，需要选择的载体通用性要好，塑料与金属粉体极性差别大[5]；同时，塑料在热融时黏度较大，都是导致片状铝粒子在塑料中不易分散、相容性差的原因。本文选择聚乙烯、氧化聚乙烯、聚丙烯、石蜡、聚乙烯与氧化聚乙烯复配多种载体进行研究，不同载体制成的条状铝颜料在PP材料中分散性测试，结果如图1。

图1 不同载体的条状铝颜料在PP中分散性比较

由图1可以看出，使用聚乙烯和氧化聚乙烯复配（A图）作为铝颜料的载体，制得的条状铝颜料能够在PP塑料中很好地分散，样板表面光滑，无流痕现象；两者单独作为载体制得的条状铝颜料能够在PP中较好地分散。

用聚丙烯或石蜡作为铝颜料的载体，制得的条状铝颜料在ABS塑料中分散性明显较差。分析认为：低分子量聚乙烯蜡（分子量在1 000～2 000）相对于天然蜡具有较高的熔点、较低的粘度，同时具有良好的热稳定性，由于分子量较低，在塑料加工中经常作为润滑剂、颜料的分散剂，促进颜料在塑料中分散，但由于极性很低，在一些极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）的分子上带有极性基团（如羧基），使得它与极性材料的相容性有了很大提高，经常被用来作为极性塑料的润滑剂、无机颜料的分散剂。由于铝的化学性质活泼，易与羧基等物质发生反应，氧化聚乙烯作为载体不能大量使用，以防在挤出或注塑等高温加工过程中发生反应、铝粒子氧化等情况；石蜡分子量分布宽，成分复杂，可能存在一些对颜料分散不易的成分。

2.5 条状铝颜料的载体用量对成型加工性能的影响

条状铝颜料载体的用量选择也很关键，原因为载体量少，不易成条，生产效率低下，同时也不利于铝颜料在塑料加工中的分散；但载体量多，也存在后续使用时需要添加大量的条状铝颜料，条状铝颜料中低分子量的载体会影响塑料制品的强度等性能，同时载体多了，也可能影响载体与塑料的相容性。

本项目选择不同比例的载体复配物，与铝颜料混合制备不同含量的条状铝颜料，研究不同载体含量的条状铝颜料加工情况以及添加到PP塑料中的分散性情况。由表4可见,载体添加量在30%最为合适。

表4 载体使用量对加工性能的影响

2.6 铝颜料的粒径大小对其在塑料中分散性的影响

在相同条件下，铝颜料的粒径越大，越容易在塑料中分散；粒径越小，越难分散，如图2。分析认为：粒径小，粒子比表面积大，表面能高，易引起颗粒之间的团聚。

图2 铝颜料的粒径大小对其在塑料中分散性的影响

3 结论

针对塑料免喷涂工艺，采用球磨工艺控制，铝颜料表面改性处理，条状铝颜料配方设计，制备适用于PP塑料免喷涂工艺使用的条状铝颜料，并对其在PP中的性能影响进行分析，结果表明：采用球磨工艺为7 h，KH-540偶联剂表面处理，载体材料选择聚乙烯和氧化聚乙烯复配，载体与铝颜料比例为3∶7时，制备的条状铝颜料在PP塑料中应用，光泽度较好，接近喷涂效果，制品表面无流痕和熔接线现象，同时由于铝颜料的添加，对PP的冲击强度和弯曲强度都有较为明显的提升。