塑料著色劑若與抗氧劑、光穩定劑配合不當,即可導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。

    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生化學反應,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生化學反應,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。

　　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發生作用,使ＢＨＴ幾乎完全失去效能,同時炭黑自身的光穩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定劑時,必須選用適當的抗氧劑。否則,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產品質量問題。

     1：著色劑對光穩定劑效能的影響

　 著色劑對著色塑料制品中光穩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,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。二是某些分子結構的著色劑可與光穩定劑發生作用,直接削弱光穩定劑的效能。酸性著色劑可使受阻胺光穩定劑失效;在聚丙烯中,偶氮紅、黃可與受阻胺光穩定劑發生作用,偶氮縮合紅ＢＲ、偶氮縮合黃3Ｇ可使受阻胺光穩定劑效能分別下降25%和50%左右。

　 不同著色劑對含有苯并三唑類光穩定劑(ＵＶ—328)的高壓聚乙烯光穩定性的影響。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定性。ＳｔｅｉｎｌｉｎＦ和ＳｅａｒＷ用不同著色劑(1%)、抗氧劑1010(0.1%)、光穩定劑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。纖維經氙燈光照試驗,當強度下降50%時,對樣品所受輻射量進行對比。結果說明,用有機顏料黃、紅、橙分別著色的聚丙烯纖維,雖然加入抗氧劑和光穩定劑,但穩定性低于未著色的聚丙烯纖維。



2　著色劑對著色塑料制品光、氧穩定性能影響的評價

2.1　試驗數據對比評價

　　評價著色劑對著色塑料材料或制品中抗氧劑、光穩定劑效能影響,一般要按不同的配方設計進行試驗,將試驗數據進行對比評價。配方設計如下: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+光穩定劑;ｆ 樹脂+著色劑+光穩定劑;ｇ 樹脂+抗氧劑+光穩定劑;ｈ 樹脂+著色劑+抗氧劑+光穩定劑。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據和結果,才對著色塑料制品的實際應用具有指導意義,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果,基本可以確定著色劑在著色塑料制品的加工與應用過程對光、氧穩定性能的增強與削弱作用。

2.2　Ａｌｌｅｎ關系式

　　英國學者Ａｌｌｅｎ等人提出了著色劑與抗氧劑之間互相作用的定量關系式[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):未穩定化、未著色的聚合物在照射ｔ小時后的羰基指數;ＣＩ(ｕｓｐ):未穩定化、著色的聚合物在照射ｔ小時后的羰基指數;ＣＩ(ｓｕｐ):穩定化、未著色的聚合物在照射ｔ小時后的羰基指數;ＣＩ(ｓｐ):穩定化、著色的聚合物在照射ｔ小時后的羰基指數。表3所示羰基指數和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,對著色塑料的穩定性有削弱作用,值越小,削弱作用越大。Ａｌｌｅｎ關系式也可用于著色劑與光穩定劑的組合,或著色劑與抗氧劑、光穩定劑的三元組合。Ａｌｌｅｎ關系式的理論意義在于將著色劑對抗氧劑、光穩定劑效能的影響作用進行直接數據化、定量化評價。

3　抗氧劑、光穩定劑在著色塑料中的作用

　　對著色塑料制品,抗氧劑、光穩定劑的作用之一是消除著色劑的反穩定作用,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。使用色母料生產著色塑料制品是塑料制品生產業廣泛采用的方法。一般來講,生產色母料所用的載體樹脂較用于生產制品的基礎樹脂摩爾質量低,熔體質量流動速率高。載體樹脂在色母料生產時要經過第一次受熱,在塑料制品生產過程中經過再次受熱擠出時,載體樹脂首先發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,但其經二次或二次以上受熱已經發生熱氧化。因此,生產色母料及使用色母料生產著色塑料制品,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功能,防光老化功能則是建立在基礎功能之上的提高功能。增強著色塑料制品的光穩定性能,首先要增強著色塑料制品的熱氧穩定性能。在某些紫外線吸收顏料著色的塑料制品中添加適當而又適量的抗氧劑,可成倍提高制品的光穩定性能。表4的數據說明,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定性能。當鉻黃或氧化鐵紅與抗氧劑2246共用后,高壓聚乙烯光穩定性能提高三倍以上。抗氧劑2246在這個試驗中的本質作用,是增強了高壓聚乙烯的熱氧穩定性能,客觀表現或結果是增強了高壓聚乙烯的光穩定性能。

3.2　光穩定劑的作用

　　紫外線吸收型光穩定劑通稱為紫外線吸收劑,紫外線吸收劑根據分子結構不同分為二苯甲酮類和苯并三唑類。這類光穩定劑是利用自身分子結構,將照射到著色塑料制品的光能轉換為熱能,避免著色劑的分子結構(如有機著色劑的共軛雙鍵發色團)被光能破壞,并避免塑料材料發生光氧化反應。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定劑。



　　大多數著色劑,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定性能。只有使用光穩定劑,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定性能。受阻胺光穩定劑(ＨＡＬＳ)是一類具有空間位阻效應的有機胺類化合物,因具有分解氫過氧化物、猝滅基發態氧、捕獲自由基、且有效基團可循環再生功能,是防光老化效能高、國內外用量最大的塑料光穩定劑。表5數據說明,適當的光穩定劑或適當的抗氧劑、光穩定劑組合體系,可以數倍地提高戶外用著色塑料制品的光、氧穩定性能。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,光穩定劑的添加量要相應增加。

4　結論

　　生產著色塑料制品選用著色劑、抗氧劑、光穩定劑及確定添加量時,需考慮著色劑對抗氧劑、光穩定劑效能的影響作用。需經過試驗確定三者共用對制品色澤及防老化穩定性的影響作用和配合效果。對于經試驗或實際應用確定的著色劑、抗氧劑、光穩定劑配合或組合體系,當著色塑料制品的基礎樹
脂、加工工藝和條件、制品的形狀和使用環境不變,抗氧劑、光穩定劑品種變動,或著色劑的色澤、品種、分散、質量、添加量等任何一項有微小變動時,均可能引發著色塑料制品的重大質量問題。