第一節(jié) 炭黑在塑料中的著色作用

炭黑作為著色劑在塑料中有兩種用途。一是使用炭黑來制造黑色塑料:二是使用炭黑用以改進(jìn)由其他也顏料賦予的顏色，或稱之為調(diào)色。這兩種用途有賴于炭黑和光相互作用能力的不同方面。

炭黑在著色性應(yīng)用方面，首要的屬性是其分散相的黑度，黑度是粒徑(表面積)、聚集體尺寸(著色強(qiáng)度或斯托克直徑)和分散度的復(fù)雜函數(shù)。粒徑較細(xì)，表面積較大，吸收光的能力就較強(qiáng)，受光照射時，使光向前的正向散射就更有效。第二個重要屬性是其底色(或稱主色)， 它是作為光波長函數(shù)的散射和吸收效率的復(fù)雜函數(shù)。對塑料用炭黑來說底色應(yīng)在藍(lán)色和藍(lán)/棕色之間。

炭黑在著色性用途中的第二個屬性是用它著色時改進(jìn)其他顏料的顏色強(qiáng)度的能力。著色的效果可用著色強(qiáng)度來測量，它測量了炭黑改變白色顏料外觀的能力。著色強(qiáng)度主要取決于聚集體大小及其分布。著色的色調(diào)(或稱色相)和由炭黑賦予的底色有關(guān)，由于當(dāng)炭黑粒徑減小時增加了對藍(lán)光的優(yōu)先吸附，通常是較為不藍(lán)。

黑度、底色或主色可以用儀器分析定量地測定，再根據(jù)測得的初始數(shù)據(jù)，用CIEC國際照明協(xié)會規(guī)定的三維顏色系統(tǒng)，通過計算分為L、a*、b*三個組分，其中L軸為黑白維，其數(shù)據(jù)即表征配合料的黑度，a*軸則為紅色和綠色的比較維，其數(shù)值表征其色調(diào)是偏紅或偏綠，而心軸則為藍(lán)色或黃色的比較維，其數(shù)值則表征其色調(diào)是偏藍(lán)或偏黃。在現(xiàn)代化的測色儀器中，L、a*、b*值是通過計算機(jī)自動計算的。初始數(shù)據(jù)通常是在光波射向試樣的非反射角方向，測出作為光波的頻率函數(shù)的反射光的強(qiáng)度。在反射角測得的強(qiáng)度是試樣光澤的黑度。

一、影響塑料性質(zhì)的炭黑特性

(一)黑度與粒徑

黑度直接與色素炭黑的粒徑相關(guān)，粒徑越小，色素炭黑的黑度越高。這是因為盡管原生粒子已熔合成原生凝聚體，但是其比表面積仍能起作用，原生粒子越細(xì)，則其凝聚體的比表面積越大。所顯現(xiàn)的顏色更黑，防紫外線作用更佳。由于細(xì)粒子炭黑的吸光率比粗粒子炭黑更高，所以著色力更強(qiáng)。但是光粒徑減小時，由于藍(lán)光被優(yōu)先吸收，為此色調(diào)變成棕相。

由于細(xì)微原生粒子的炭黑賦予更大的比表面積，所以需要更多的潤濕能和分散能。

(二)結(jié)構(gòu)

炭黑粒子不僅以原生粒子形成存在，而且在生產(chǎn)過程中常熔結(jié)成凝聚體。這種凝聚體是由原生粒子經(jīng)化學(xué)鍵結(jié)合。在凝聚體中，由大量鏈枝的原生凝聚體構(gòu)成的炭黑稱為高結(jié)構(gòu)炭黑。而原生凝聚體由較少鏈枝原生粒子組成的炭黑，則稱為低結(jié)構(gòu)炭黑。

炭黑的結(jié)構(gòu)還影響分散的難易，例如密度大且凝聚體堆積緊度的低結(jié)構(gòu)炭黑，其聚集體相互間的平均距離比高結(jié)構(gòu)炭黑更小。這說明了凝聚體之間的吸收引力更大，因而在分散過程中需要更大的能量才能將其分開。

(二)表面活性

炭黑生產(chǎn)方法不同，其表面化學(xué)性能各異。

為此，揮發(fā)分含量是炭黑表面官能團(tuán)總濃度的量度，因而也具炭黑極性和親水性的量度。并且只要pH值在酸性范圍內(nèi)，炭黑的pH值同樣也是一種官能團(tuán)總含量的量度。

二、炭黑母粒技術(shù)

(一)塑料著色方法概述

著色是塑料工業(yè)中不可缺少的組成部分。隨著生活水平的提高，人們對工業(yè)產(chǎn)品的美學(xué)要求逐漸提高，這使得著色成為影響塑料制品市場競爭力的重要因素。塑料著色不僅可以美化產(chǎn)品，還能起標(biāo)識作用，這在電線電纜的生產(chǎn)和使用中尤為重要。此外，特殊的著色方法還能夠改善塑料制品的某些應(yīng)用性能并賦之以新的特性。

塑料著色的傳統(tǒng)方法有浮染著色、糊狀著色劑著色、液狀著色劑著色、色粒著色等。這些方法都具有明顯的缺點，如顏料的分散性差、粉塵飛揚大、顏料計量不易控制等。其中色粒法雖然能夠相對提高著色質(zhì)量，但生產(chǎn)成本較高。

色母粒著色較好地解決了上述問題，現(xiàn)在已經(jīng)成為獲得高質(zhì)量著色塑料制品的主要手段。

(二)色母粒的組成與特點

色母粒也稱顏料制備物，由顏料、載體樹脂和添加劑三部分組成。它是通過特殊的方法，把顏料高濃度地載附于特定的樹脂中而形成的一種高效著色劑，故又稱顏料濃縮物。

色母粒著色效果優(yōu)越，可以較大限度地發(fā)揮顏料的著色力，色澤均勻，色差小，計量和配色易于精確控制。色母粒使用方便，只需在制品成型加工前將其定量混入被著色樹脂中即可完成著色。它在使用時完全可以避免粉塵、廢液的污染。另外，它還能夠提高制品的加工性能，對制品的力學(xué)性能影響小。色母粒可以廣說應(yīng)用于注射、擠出、壓延、中空吹塑等各種塑料成型方法中，適用于各種熱塑性樹脂的著色，對于合成纖維和超薄制品，色母粒更顯其優(yōu)夠之處。

(三)色母粒的生產(chǎn)方法和應(yīng)用狀況

色母粒的生產(chǎn)方法有多種，但基本工藝均可用以下過程簡示：

色母粒自20世紀(jì)60年代末，70年代初起源于瑞士、德國、比利時、荷蘭等歐洲國家以來，在世界各國的塑料與合成纖維加工工業(yè)中得到了迅速的發(fā)展。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，色母粒很快成為塑料著色的主要手段。早在1978 年，美國塑料制品中應(yīng)用色母粒著色的就已經(jīng)達(dá)到95%。目前世界色母粒工業(yè)領(lǐng)域中，無論從產(chǎn)量還是質(zhì)量來看，美國和歐洲仍居于前列。

我國的色母粒工業(yè)起步較晚。1975 年開始對色母粒進(jìn)行研究，80年代初北京、廣東等地陸續(xù)引進(jìn)了幾條生產(chǎn)線。近年來，隨著我國塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，色母粒獲得了廣泛的應(yīng)用，生產(chǎn)廠家的數(shù)量和產(chǎn)量也在逐年遞增。

我國色母粒工業(yè)在快速發(fā)展的同時，也暴露出一些問題，等待解決。如國產(chǎn)色母粒大多屬于普通級，高質(zhì)量、高檔次的產(chǎn)品缺乏。特別是用于細(xì)且纖維的品種，還要依賴于進(jìn)口。另外，國產(chǎn)色母粒品種和用途較為單一，相關(guān)原材料和加工設(shè)備也較為落后。