塑料著色劑若與抗氧劑、光穩(wěn)定劑配合不當(dāng),即可導(dǎo)致著色塑料制品過早褪色或變色,又可加快著色塑料制品的光、氧老化速度,使制品的外觀和物理機械性能變壞,提前失去原有功能和使用價值。

　　1　著色劑對抗氧劑、光穩(wěn)定劑效能的影響

　　1.1　著色劑對抗氧劑效能的影響

　　鉻黃是不透明的無機著色劑,可用于聚烯烴、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂等熱塑性塑料,其著色力強、遮蓋性好,耐水和耐溶劑性優(yōu)良。但因鉻黃是鉻酸鉛或堿式鉻酸鉛同硫酸鉛組成的含鉛化合物,與含硫抗氧劑DLTP、DSTP、1035、300等共用,在塑料加工的高溫條件下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成黑色硫化鉛,影響塑料制品的外觀,也大幅度削弱了抗氧劑的防熱氧老化效能。因此,含鉻著色劑不能與含硫抗氧劑共用。在著色聚丙烯中,某些著色劑會與低分子受阻酚抗氧劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而削弱抗氧劑的作用。表1為部分著色劑對聚丙烯中低分子酚類抗氧劑的效能影響,可分為三類。嚴(yán)重影響:槽法炭黑、單偶氮紅3B、喹吖啶酮品紅、酞菁藍、氧化鐵黃棕;中等影響:酞菁綠、爐法炭黑、群青、氧化鉻綠;稍有影響:鎘黃、(硫化)汞鎘紅、金紅石型二氧化鈦[1]。

　　炭黑是可用于多種塑料材料及制品,且用量最大的黑色著色劑,又可做為塑料材料的光穩(wěn)定劑。炭黑除在聚丙烯中對某些酚類抗氧劑的效能有削弱作用外,在低壓聚乙烯中也可與抗氧劑BHT發(fā)生作用,使BHT幾乎完全失去效能,同時炭黑自身的光穩(wěn)定作用也大幅度減弱。添加1%槽法炭黑、并加0 1%BHT的低壓聚乙烯薄片的戶外暴露壽命,僅為單一添加1%槽法炭黑的低壓聚乙烯薄片的戶外暴露壽命的40%左右。對聚乙烯、聚丙烯等塑料材料,選用炭黑為著色劑或光穩(wěn)定劑時,必須選用適當(dāng)?shù)目寡鮿７駝t,不但降低抗氧劑的效能,也會降低著色塑料制品的戶外光穩(wěn)定性能。鈦白粉和珠光粉在某些樹脂中與單酚抗氧劑BHT共用時,會使白色制品變黃而引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量問題。

　　1.2　著色劑對光穩(wěn)定劑效能的影響

　　著色劑對著色塑料制品中光穩(wěn)定劑效能的影響主要有二方面作用。一是著色劑含銅、錳、鎳等重金屬元素或雜質(zhì),具有光活性、光敏性,催化并加快塑料材料的光老化速度。含有游離銅和雜質(zhì)的酞菁藍會促使聚丙烯光老化;氧化鐵紅可使聚丙烯中苯并三唑、二苯甲酮、有機鎳鹽光穩(wěn)定劑的效能下降20%以上;對于聚乙烯,二氧化鈦、群青、氧化鉻綠、鈷綠、鐵紅等著色劑的使用,會加劇光老化。二是某些分子結(jié)構(gòu)的著色劑可與光穩(wěn)定劑發(fā)生作用,直接削弱光穩(wěn)定劑的效能。酸性著色劑可使受阻胺光穩(wěn)定劑失效;在聚丙烯中,偶氮紅、黃可與受阻胺光穩(wěn)定劑發(fā)生作用,偶氮縮合紅BR、偶氮縮合黃3G可使受阻胺光穩(wěn)定劑效能分別下降25%和50%左右。

　　表2為不同著色劑對含有苯并三唑類光穩(wěn)定劑(UV—328)的高壓聚乙烯光穩(wěn)定性的影響。由表2可以看出,桔鉻黃明顯提高高壓聚乙烯的光穩(wěn)定性,酞菁綠和群青略有提高或無多大影響,而鎘黃則降低了高壓聚乙烯的光穩(wěn)定性。SteinlinF和SearW用不同著色劑(1%)、抗氧劑1010(0.1%)、光穩(wěn)定劑770(0.5%)和聚丙烯于285℃下紡絲,并拉伸4倍,得到80分特/24根的纖維。纖維經(jīng)氙燈光照試驗,當(dāng)強度下降50%時,對樣品所受輻射量進行對比。結(jié)果說明,用有機顏料" target="_blank">顏料黃、紅、橙分別著色的聚丙烯纖維,雖然加入抗氧劑和光穩(wěn)定劑,但穩(wěn)定性低于未著色的聚丙烯纖維[2]。

　　2　著色劑對著色塑料制品光、氧穩(wěn)定性能影響的評價

　　2.1　試驗數(shù)據(jù)對比評價

　　評價著色劑對著色塑料材料或制品中抗氧劑、光穩(wěn)定劑效能影響,一般要按不同的配方設(shè)計進行試驗,將試驗數(shù)據(jù)進行對比評價。配方設(shè)計如下:a 空白樹脂;b 樹脂+著色劑;c 樹脂+抗氧劑;d 樹脂+著色劑+抗氧劑;e 樹脂+光穩(wěn)定劑;f 樹脂+著色劑+光穩(wěn)定劑;g 樹脂+抗氧劑+光穩(wěn)定劑;h 樹脂+著色劑+抗氧劑+光穩(wěn)定劑。評價著色劑對抗氧劑效能影響,選用a、b、c、d項組合進行試驗;評價著色劑對光穩(wěn)定劑效能的影響,選用a、b、e、f項組合進行試驗;評價著色劑對抗氧劑、光穩(wěn)定劑綜合效能的影響,選用a、b、g、h項進行試驗。常用試驗方法主要有五種:1)氧化誘導(dǎo)期實驗;2)多次擠出試驗;3)烘箱熱老化試驗;4)人工加速老化試驗;5)自然氣候試驗。只有自然氣候試驗的數(shù)據(jù)和結(jié)果,才對著色塑料制品的實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義,但自然氣候試驗的時間周期較長,有時甚至二、三年。因此,前四項試驗的綜合評價結(jié)果,基本可以確定著色劑在著色塑料制品的加工與應(yīng)用過程對光、氧穩(wěn)定性能的增強與削弱作用。

　　2.2　Allen關(guān)系式

　　英國學(xué)者Allen等人提出了著色劑與抗氧劑之間互相作用的定量關(guān)系式[3]:AOPI=[2CI(usup)-CI(usp)-CI(sup)]/CI(sp)式中,AOPI:著色劑/抗氧劑相互作用值;CI(usup):未穩(wěn)定化、未著色的聚合物在照射t小時后的羰基指數(shù);CI(usp):未穩(wěn)定化、著色的聚合物在照射t小時后的羰基指數(shù);CI(sup):穩(wěn)定化、未著色的聚合物在照射t小時后的羰基指數(shù);CI(sp):穩(wěn)定化、著色的聚合物在照射t小時后的羰基指數(shù)。表3所示羰基指數(shù)和AOPI值說明,AOPI值的絕對值大于1時,表示著色劑與抗氧劑的組合,對著色

　　塑料的穩(wěn)定性有增強作用,值越大,增強作用越大;絕對值小于1時,表示著色劑與抗氧劑的組合,對著色塑料的穩(wěn)定性有削弱作用,值越小,削弱作用越大。Allen關(guān)系式也可用于著色劑與光穩(wěn)定劑的組合,或著色劑與抗氧劑、光穩(wěn)定劑的三元組合。Allen關(guān)系式的理論意義在于將著色劑對抗氧劑、光穩(wěn)定劑效能的影響作用進行直接數(shù)據(jù)化、定量化評價。

　　3　抗氧劑、光穩(wěn)定劑在著色塑料中的作用

　　對著色塑料制品,抗氧劑、光穩(wěn)定劑的作用之一是消除著色劑的反穩(wěn)定作用,保護塑料樹脂;作用之二是通過保護樹脂進而保護著色劑;作用之三是直接保護著色劑。如熒光顏料等著色劑對紫外線較敏感、耐光性差,使用時需加二苯甲酮或苯并三唑類紫外線吸收劑對其保護。

　　3.1　抗氧劑的作用

　　色母料是以著色劑、載體樹脂、分散劑、偶聯(lián)劑、表面活性劑、增效劑制得的高濃度有色粒料。使用色母料生產(chǎn)著色塑料制品是塑料制品生產(chǎn)業(yè)廣泛采用的方法。一般來講,生產(chǎn)色母料所用的載體樹脂較用于生產(chǎn)制品的基礎(chǔ)樹脂摩爾質(zhì)量低,熔體質(zhì)量流動速率高。載體樹脂在色母料生產(chǎn)時要經(jīng)過第一次受熱,在塑料制品生產(chǎn)過程中經(jīng)過再次受熱擠出時,載體樹脂首先發(fā)生熱降解和機械降解,進而加速著色塑料制品的老化進程。雖然色母料中的載體樹脂在著色塑料制品中所占比例不大,但其經(jīng)二次或二次以上受熱已經(jīng)發(fā)生熱氧化。因此,生產(chǎn)色母料及使用色母料生產(chǎn)著色塑料制品,必須加入抗氧劑。

　　防熱氧老化功能是一般塑料材料防老化的基礎(chǔ)功能,防光老化功能則是建立在基礎(chǔ)功能之上的提高功能。增強著色塑料制品的光穩(wěn)定性能,首先要增強著色塑料制品的熱氧穩(wěn)定性能。在某些紫外線吸收顏料" target="_blank">顏料著色的塑料制品中添加適當(dāng)而又適量的抗氧劑,可成倍提高制品的光穩(wěn)定性能。表4的數(shù)據(jù)說明,在高壓聚乙烯中,單獨使用鉻黃、氧化鐵紅或抗氧劑2246時,不能提高壓聚乙烯的光穩(wěn)定性能。當(dāng)鉻黃或氧化鐵紅與抗氧劑2246共用后,高壓聚乙烯光穩(wěn)定性能提高三倍以上。抗氧劑2246在這個試驗中的本質(zhì)作用,是增強了高壓聚乙烯的熱氧穩(wěn)定性能,客觀表現(xiàn)或結(jié)果是增強了高壓聚乙烯的光穩(wěn)定性能。

　　3.2　光穩(wěn)定劑的作用

　　紫外線吸收型光穩(wěn)定劑通稱為紫外線吸收劑,紫外線吸收劑根據(jù)分子結(jié)構(gòu)不同分為二苯甲酮類和苯并三唑類。這類光穩(wěn)定劑是利用自身分子結(jié)構(gòu),將照射到著色塑料制品的光能轉(zhuǎn)換為熱能,避免著色劑的分子結(jié)構(gòu)(如有機著色劑的共軛雙鍵發(fā)色團)被光能破壞,并避免塑料材料發(fā)生光氧化反應(yīng)。紫外線吸收劑是可直接保護著色劑和著色塑料制品外觀色澤的光穩(wěn)定劑。

　　大多數(shù)著色劑,尤其是無機顏料類著色劑,單獨用于塑料制品時,可以起到一定程度的光穩(wěn)定作用。對于長期戶外使用的著色塑料制品,不能僅靠著色劑提高制品的光穩(wěn)定性能。只有使用光穩(wěn)定劑,才能長久、有效地抑制或減緩著色塑料制品的光老化速度,顯著提高著色塑料制品的光穩(wěn)定性能。受阻胺光穩(wěn)定劑(HALS)是一類具有空間位阻效應(yīng)的有機胺類化合物,因具有分解氫過氧化物、猝滅基發(fā)態(tài)氧、捕獲自由基、且有效基團可循環(huán)再生功能,是防光老化效能高、國內(nèi)外用量最大的塑料光穩(wěn)定劑。表5數(shù)據(jù)說明,適當(dāng)?shù)墓夥€(wěn)定劑或適當(dāng)?shù)目寡鮿?、光穩(wěn)定劑組合體系,可以數(shù)倍地提高戶外用著色塑料制品的光、氧穩(wěn)定性能。對于用光活性、光敏性著色劑(如鎘黃、未包核金紅石等)著色的塑料制品,考慮到著色劑的催化光老化作用,光穩(wěn)定劑的添加量要相應(yīng)增加。

　　4　結(jié)論

　　生產(chǎn)著色塑料制品選用著色劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑及確定添加量時,需考慮著色劑對抗氧劑、光穩(wěn)定劑效能的影響作用。需經(jīng)過試驗確定三者共用對制品色澤及防老化穩(wěn)定性的影響作用和配合效果。對于經(jīng)試驗或?qū)嶋H應(yīng)用確定的著色劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑配合或組合體系,當(dāng)著色塑料制品的基礎(chǔ)樹脂、加工工藝和條件、制品的形狀和使用環(huán)境不變,抗氧劑、光穩(wěn)定劑品種變動,或著色劑的色澤、品種、分散、質(zhì)量、添加量等任何一項有微小變動時,均可能引發(fā)著色塑料制品的重大質(zhì)量問題。