色粉极性不同对着色聚苯乙烯改性工程塑料颜色的影响分析

童秋菊

秦皇岛天秦装备制造股份有限公司 河北 秦皇岛 066004

引言

在进行A密封包装筒24小时60℃贮存试验后，发现筒体密封槽与橡胶圈。接触部位由绿变为浅蓝色。其他未与橡胶圈接触的部位没有颜色变化。

针对该问题从原材料、生产工艺、生产过程和操作人员方面进行了原因排查，结果未见异常。

1 故障分析

A密封包装筒主要由筒体和筒盖构成，使用绿色聚苯乙烯改性工程塑料（以下简称为B料）生产。筒体与筒盖以螺纹结构配合旋紧，结合部位由橡胶圈保证密封。经60℃高温贮存试验后，接触橡胶圈部位颜色变蓝问题进行了FTA分析，建立故障树，如图1所示（见下页）。

图1 故障树

B料与橡胶圈接触变蓝可能有三类原因，第一类是色粉接触橡胶圈后变色，第二类是树脂材料接触橡胶圈后变色，第三类是橡胶圈物质迁移到材料表面造成变色。

2 原因排查

下面对B料接触橡胶圈颜色变蓝故障树所有底事件进行逐一排查。

2.1 化学反应

橡胶圈的材质为丁腈橡胶，橡胶料添加色粉中的组分均为化学稳定结构，不存在与丁腈橡胶反应的官能团，到货记录显示色粉原材料无异常，因此可排除该底事件[1]。

2.2 烘烤挥发

B料所应用的色粉为耐高温色粉，常温及60℃烘烤不会造成色粉挥发变色，其他未与密封胶圈接触部位没有变色也否定了这一假设，因此可排除该底事件。

2.3 接触迁移

丁腈橡胶含有强极性基团—C≡N，属于强极性物质，能够对与其接触的物质进行极性吸引作用，B料用色粉体系中部分组成含有极性官能团，能够与丁腈橡胶间进行官能团间的极性作用发生迁移，因此该底事件不能排除。

2.4 HIPS树脂变色

HIPS为聚丁基橡胶增韧的聚苯乙烯，为高分子聚合物，与丁腈橡胶不会发生反应，不存在变色机制，到货记录显示HIPS原材料无异常，与橡胶圈接触只有轻微应力发白现象，因此可排除该底事件。

2.5 填充材料变色

填充材料为无机物质，化学惰性，与丁腈橡胶不会发生反应，不存在变色机制，到货记录显示填充材料无异常，与橡胶圈接触无变色现象，因此可排除该底事件。

2.6 橡胶圈物质迁移

橡胶圈含有残留单体、炭黑等小分子物质，在与其他材料表面接触时，有可能会发生迁移，经试验验证，橡胶圈与HIPS样品接触后没有造成HIPS变色，因此可排除该原因。

3 原因定位

综上所述，B料接触橡胶圈颜色变蓝的故障原因定位为料中添加的色粉发生了迁移，橡胶圈为极性物质，与该材料接触后引起色粉体系中的极性色粉迁移，造成色相改变，导致变色。

4 机理分析

4.1 颜色由绿变蓝的机理分析

根据图2所示的色相叠加原理，绿色为黄色与蓝色叠加后的色相，颜色由绿色变为蓝色可归因于黄相色减少。

图2 色相叠加原理

4.2 黄相色减少的机理分析

对橡胶圈的ATR分析，表明其属于丁腈橡胶材质，含有极性基团—C≡N，能够对与其接触的物质进行极性吸引作用。B料所用黄相色粉属于环保、耐高温的有机酮类物质，含有—C=O极性基团，在—C≡N极性作用下会从树脂体系中迁移到接触面，并被丁腈橡胶吸附。

溶解性能是影响色粉迁移性的重要因素，而影响色粉在树脂中溶解性的关键是色粉的极性或称为溶解度参数。小分子物质与高分子材料的溶解度参数越相近，则溶解分散效果越好；如果两者的差值超过了0.5，则一般难以达到很高程度的分散[2]。一般来讲，结构相似度高，小分子在高分子材料中的溶解度大，即通常所讲的“相似相溶”。此外，色粉的迁移受温度影响较大，有机色粉常为有机分子，在受热过程中活化能增加，遇到溶解度更高的材质会在二相材质间产生一种再分配现象。

综上所述，黄相色粉在B料与丁腈橡胶接触后，在二相材质间产生了再分配现象，黄相色粉迁移到丁腈橡胶基体中，造成了该材料与橡胶圈接触一段时间后变为蓝色。

5 问题复现

取两个批次的B料，注塑成色板，将裁成小段的橡胶圈用长尾夹固定在色板上，保证充分接触，送入60℃烘箱中放置24小时，试验结果表明，两个被试批次的材料与橡胶圈接触的部位都会由绿变蓝，与故障情况基本一致，复现了故障现象。

6 采取的措施及验证

为解决B料与橡胶圈接触变蓝的问题，对黄相色粉进行了调整，由原来的极性迁移型，变更为非迁移型，黄相色粉结构也由原来的弱极性变更为非极性结构。树脂基体本身的溶解度参数约9.0，色粉体系的调整增强了黄相色粉与树脂基体的相容性，避免了该材料与其他材质材料接触后发生色粉迁移现象。经过60℃烘烤与橡胶圈的接触24h试验，颜色没有发生变化，措施有效。

7 与其他接触物的变色试验验证

考虑到B料生产的产品在使用过程中可能经常接触到的物质，是否也存在高温环境中变色的现象，随后进行了与泡沫橡胶、三元乙丙橡胶、天然橡胶及硝基漆的接触试验。经过60℃烘烤接触24h后的对比试验结果表明：使用有机色粉配制的B料与泡沫橡胶、三元乙丙橡胶、天然橡胶接触后均有不同程度变蓝现象，与白色硝基漆接触后硝基漆颜色变黄[3]。

试验分析：泡沫橡胶、天然橡胶、三元乙丙橡胶，在硫化后具有一定极性，能够类似于丁腈橡胶吸引黄相色粉；硝基漆的主要成膜物是硝化棉，硝基漆稀释剂是由酯、醇、酮、苯类等有机溶剂配制而成的一类稀释剂，对酮类黄相色粉有良好的溶解性，接触后会造成黄相色粉迁移。

对用无机色粉配制的B料也进行了可能接触物质的对比试验，接触物种类、试验方法相同。试验结果为：与泡沫橡胶、天然橡胶、三元乙丙橡胶烘烤接触后没有发生颜色变蓝现象，与白色硝基漆烘烤接触后颜色没有发生变化。

8 结束语

通过以上复现试验、更换色粉前后对比试验、与可能接触物的对比试验结果证实：使用有机色粉配制的聚苯乙烯改性工程塑料接触极性物质在高温条件下发生相溶性反应，出现接触部位变色现象；使用无机色粉配制的聚苯乙烯改性工程塑料接触极性物质，在高温条件下不发生变色现象，再次证明了物质相似相溶的客观性。