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钛白粉母粒的制备及流变性能研究 在薄膜、塑料制品、化工、电缆、建筑材料等原料产品领域广泛使用色母粒。然而，国内色母粒产品结构独特，大产品占很大比例。高、低、多功能色轴和细丹纤维用色母粒的市场份额很少。反观色母粒技术水平较高的国家,颜料、分散剂等原材料品种齐全,已形成了系列化和专业化产品结构。近来由于受到石油价格暴涨等因素的冲击,树脂原材料价格猛涨,迫切要求国内色母粒沿着高浓化、多功能化、低成本化的方向发展,其中尤以生产高浓白母粒最热,但是由于高浓白母粒加入大量的钛白粉,导致聚合物大分子运动困难,熔体粘度增加,给加工带来较大困难,因此,探索研究高浓白母粒的加工工艺意义重大。 流变性是联系色母粒生产、加工行为与产品最终性能的重要纽带。高浓白母粒也是通过熔融态加工,但由于钛白粉颜料浓度含量高,其加工流动性能较低浓色母粒特殊。本文在低浓色母粒的生产工艺基础上,改进高浓白母粒的加工工艺,成功地加工出性能优良的高浓白母粒;并测试高浓白母粒的流变性能,分析了颜料、分散剂对高浓白母粒流变行为的影响,为高浓白母粒的工艺设计和应用提供理论依据。 1 实验部分 1.1 试验仪器和仪器 低密度聚乙烯(LDPE):1F7B,北京燕山石化公司;钛白粉:CR515(金红石型),简称T1,攀钢锦州钛业公司;钛白粉:PTA120(锐钛型) ,简称T2,攀枝花钢铁有限责任公司钛业分公司;聚乙烯蜡:LPE-4[F],简称W1,北京化工大学精细化工厂;聚乙烯蜡:简称W2,吉林四平智星有限公司;聚乙烯蜡:简称W3,上海金山星星有限公司。 双螺杆挤出机:Φ20,L/D=40,昆山科信橡塑机械有限公司;注塑机:JPH10,广州泓利机器有限公司;扫描电镜:S-250,英国剑桥公司;毛细管流变仪:instron3211,英国Instron公司;测色仪:dataflash100,Datacolor公司。 1.2 样品的制备和成型 先将载体树脂和分散剂(聚乙烯蜡)在高搅中混合到80 ℃,恒温,待分散剂完全熔化后,加入钛白粉,搅拌,到树脂表面包覆大量钛白粉为止;双螺杆升温至试验温度后,加入混合好的样品,挤出、造粒、备用。工艺路线如下。样品的配方组成见表1。 1.3 空气剪切速率 剪切模式:英国Instron公司Instron3211毛细管流变仪测试,毛细管L/D=40/1,温度为170 ℃,空气氛围下进行,剪切速率1～3 000 s-1;扭矩流变:西德产Brabender PLV-151型扭矩流变仪测试,温度130 ℃,转速30 r/min,时间10 min。 2 结果与讨论 2.1 钛白粉的形貌 共混理论指出,当填料体积分数大于74%会成为连续相。对高浓白母粒,如果载体树脂不能成为连续相,母粒不能挤出。质量分数为70%的高浓白母粒,通过计算可知,锐钛型钛白粉体积分数为75.88%,金红石型钛白粉所占体积分数为73.68%,两者都处于成为连续相的临界值74%附近;因此在制备母粒时有可能出现载体树脂不能成为连续相的情况。 图1是不同种类钛白粉制备高浓白母粒的SEM照片。从图1b可看出,尽管载体树脂所占质量分数较少,但形成了网状结构的连续相,包覆着钛白粉粒子,母粒外观上也呈现光滑细腻的表面。相反,图1a中载体树脂未形成明显的连续相,有些钛白粉粒子未能被载体树脂包覆,因此,母粒外观粗糙。 2.2 配方对样品酸度的影响 着色力是色母粒一项重要的性能指标,白度可以表征白母粒的着色力。本文将制备的母粒注塑成样板,用色差计测量白度值列于表2。 从表2可以看出,配方1制备样品的白度较配方2低,可能是因为T1为锐钛型钛白粉,其颗粒形状不如T2光滑,对入射光的散射率低,因此白度较低。此外,由图1可以看出,配方1载体树脂未能形成连续相,钛白粉分散较差,也最终影响制品的白度。而配方2、3、4三种母粒制备的样品的白度最高。究其原因,可能是W2对钛白粉有良好的润湿作用,制备的母粒分散最好,对光的散射率高,白度值高。 2.3 高浓白母粒熔体流变曲线 很多研究发现,在树脂中添加无机填料,如碳酸钙、二氧化硅等,共混物粘度随填料用量的增多而增大;而钛白粉是典型的无机粉体,使用钛白粉制备高浓白母粒,研究其流变性能与在树脂中添加无机填料有很多类似之处。本实验采用毛细管流变仪,研究了高浓白母粒的流变行为。图2是不同种类钛白粉的高浓白母粒熔体流变曲线。从图2可以看出,在实验范围内,LDPE是切力变稀流体,加入大量的钛白粉后,熔体仍然是切力变稀的;且流变曲线稳定连续,随剪切速率的增加,几条曲线趋于重合。说明钛白粉未影响载体树脂的流动类型。 从图2中还可以得知,在低剪切速率下,两种母粒的熔体的表观粘度均高于纯料;随着剪切速率的增加,T1制备的母粒熔体表观粘度降低很快,接近LDPE,熔体流动性能较好,有利于色母粒着色应用;而在实