鈦白粉在ABS色母粒中的應用研究

賴金瓊，喬輝，丁筠

（北京化工大學材料科學與工程學院，北京 100029）

?

鈦白粉在ABS色母粒中的應用研究

賴金瓊，喬輝，丁筠

（北京化工大學材料科學與工程學院，北京 100029）

摘要：用4種金紅石型鈦白粉制備了用于丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料（ABS）著色的白母粒，觀察ABS制品的外觀，并對其白度、加工性能及力學性能進行分析。結果表明，B型鈦白粉填充ABS白度居第2位，所得制品的力學性能居中，加工性能最為優(yōu)良。與A型鈦白粉相比，B型鈦白粉填充的ABS在白度、加工性能等有了提高；與C型、D型相比，B型鈦白粉填充的ABS更易加工，擁有更高的實用價值，因而B型鈦白粉填充的ABS具有最優(yōu)的綜合性能。

關鍵詞：鈦白粉；丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料母粒；加工性能；力學性能；白度

聯(lián)系人:喬輝，副教授，研究方向為聚合物結構與性能，聚合物改性材料，色母粒與功能母粒

鈦白粉學名二氧化鈦（TiO2），主要有金紅石型和銳鈦型兩種晶型［1］。由于其具有優(yōu)越的白度、著色力、遮蓋力等優(yōu)點，在所有白色顏料中折光指數(shù)最高，被認為是最好的一種白色顏料［2–5］，因此廣泛應用于涂料、塑料、印刷和橡膠等行業(yè)［6–8］。其中金紅石型鈦白粉具有獨特的物理化學性質，具備優(yōu)良的著色性能和較高的遮蓋性能［9］。

丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料（ABS）作為重要的工程塑料，被廣泛應用于機械、電器、交通等諸多領域中［10］。色母粒著色不僅操作簡單，具有易于著色、分散性好等優(yōu)點，還可避免色料與空氣接觸，防止因氧化和受潮引起的色質變化，常用于生產(chǎn)色質純正的制品。目前鈦白粉主要用于聚烯烴色母粒，因此考慮將鈦白粉應用于ABS色母粒中。為了獲得較好的效果，加入極性蠟和硬脂酸鈣，增加被著色ABS的流動性并使鈦白粉在ABS中分散成為細微、均勻和穩(wěn)定的粒子。

目前國內98%的企業(yè)都是采用硫酸法生產(chǎn)鈦白粉［11］，筆者所選取的4種鈦白粉均為金紅石型，且采用硫酸法生產(chǎn)，只是工藝不同，由此來評價國內不同型號的鈦白粉在用于ABS著色時的應用性能差異。著色力、遮蓋力、分散性和加工性能是評價鈦白粉在塑料中應用性能的主要指標，在評價上述4種性能的基礎上，同時也考察被著色塑料的力學性能［12］。

1　實驗部分

1.1主要原材料

ABS：H121H，LG公司；

A型鈦白粉：R–248，用普通硫酸法制得的金紅石型藍光鈦白粉，攀鋼集團鈦業(yè)有限責任公司；

B型鈦白粉：R–249，為在R–248基礎上改進的新型鈦白粉，攀鋼集團鈦業(yè)有限責任公司；

C型、D型鈦白粉：普通硫酸法制得，市售；

極性蠟：AC–400A型，霍尼韋爾公司；

硬脂酸鈣：長沙市福華塑料制品有限公司。

1.2主要儀器設備

雙螺桿擠出機：MHS–20型，昆山美弧橡塑機械有限公司；

單螺桿擠出機：PLD–651型，布拉本德公司；

注塑機：Π1–90F2型，東華機械有限公司；

簡支梁沖擊試驗機：XJJ–5型，承德市金建檢測儀器有限公司；

電子萬能拉力機：CMT4204型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司；

光學顯微鏡：BA210–T型，麥克奧迪實業(yè)集團有限公司；

測色儀：Color i5型，愛色麗公司；

熔體流動速率（MFR）測定儀：Mpxrz-400型，吉林大學校辦廠。

1.3試樣制備

色母粒包含鈦白粉、ABS、硬脂酸鈣及極性蠟。具體配方如表1所示。

表1　ABS色母粒的配方 %

按上述配方配制物料，經(jīng)初混合后，通過雙螺桿擠出機擠出造粒。分別稱取200 g ABS，加入預先準備好的色母粒，使薄膜中TiO2質量分數(shù)為1%，混合均勻后分別注射成標準試樣和擠出流延、取樣。具體試驗工藝流程如圖1所示。

圖1　工藝流程圖

1.4性能測試

遮蓋力測試：用薄膜測厚儀測出樣品薄膜的3處厚度，取其平均值，然后用測色儀測量3點的透過率，取其平均值。將所測得的透過率換算成0.02 mm厚度薄膜的透過率，最后將其換算成光密度值。

白度測試：用測色儀對樣板進行白度、明度、黃度等測試，以表征不同型號鈦白粉的白度。根據(jù)色彩空間CIE Lab （Lab色空間），L表示顏色的明度；a正值表示偏紅，負值表示偏綠；b正值表示偏黃，負值表示偏藍。

加工性能測試：采用MFR儀測定制備的白色母粒的MFR，結合加工現(xiàn)象對比不同型號鈦白粉的加工性能。試驗溫度200℃，壓力5 kg。

拉伸強度按照GB／T 1040–2006測試，拉伸速度為20 mm／min。

彎曲性能按照GB／T 9341–2008測試，壓頭下降速度為10 mm／min。

缺口沖擊強度按照GB／T 1843–2008測試。

2　結果與討論

2.1不同型號鈦白粉制得ABS薄膜的遮蓋力比較

遮蓋力是指顏料遮蓋被著色物底色的能力。鈦白粉對于塑料的遮蓋力可用白色母粒著色薄膜的透過率來表征，透過率越小，說明薄膜對光的遮蓋性能越好，顏料的分散性能越佳。

圖2是各種鈦白粉著色薄膜的透過率曲線。從曲線可以看出，不同型號的鈦白粉制得的ABS薄膜的透過率相差較大，其中A型透過率最大，B型和D型的透過率相近且最小，C型居中。但由于透過率和薄膜的厚度也有關，所以必須考慮厚度的因素。

圖2　ABS薄膜透過率曲線

選定560 μm波長的透過率，計算0.02 mm標準厚度下的透過率，再計算光密度值，用以對遮蓋力作出定量評價。表2是不同鈦白粉制備母粒的透過率及光密度值。

表2　不同型號鈦白粉制備母粒的光密度值

從表2可以看出，B型、D型鈦白粉制備的白母粒著色制品的光密度值較高；A型的光密度值較低。這說明B型、D型鈦白粉對于ABS制品的遮蓋力效果較好，A型鈦白粉的遮蓋力則相對較差。

2.2不同型號鈦白粉制得的ABS薄膜的色度比較

不同型號鈦白粉在塑料中的著色力不同，而著色力可以用白度來表征。我們通過實驗得到4種鈦白粉制備的ABS著色制品的著色力數(shù)據(jù)，從而比較其著色力。圖3為ABS注射樣板的反射率曲線圖。表3為不同型號鈦白粉制備的ABS的著色力數(shù)據(jù)。

圖3　ABS注射樣板的反射率曲線圖

表3　不同型號鈦白粉制備的母粒的著色力數(shù)據(jù)

從圖3和表3可以看出，C型鈦白粉制備的ABS母粒著色制品的白度（CIEW）較高，其著色力較高；其它3種型號的CIEW相對較低，但總的來說所有白母粒著色制品的白度十分接近。B型鈦白粉制備的ABS的白度居第2。C型鈦白粉制備的ABS白母粒制品的黃度較低，b值也最小，而其余3種型號的b值都相近。4種型號鈦白粉制得的ABS色母粒都偏綠，a值為負值。

2.3不同型號鈦白粉制得ABS母粒加工性能比較

鈦白粉的加入對塑料的加工性能產(chǎn)生影響。含量越高，這種影響就越顯著。在生產(chǎn)白色母粒（特別是高濃度的品種）時，鈦白粉加工性的優(yōu)劣成為決定生產(chǎn)效率和成本的關鍵因素。

表4為不同型號鈦白粉濃度為50%的ABS母粒在加工過程中的一些現(xiàn)象和MFR的數(shù)據(jù)。

由表4可以看出，C型和D型的加工性能比較差，B型最易加工。而從MFR看，所有ABS母粒的MFR相差較小，在11～20之間。

表4　不同型號鈦白粉制備的色母粒的加工現(xiàn)象和MFR

2.4不同型號鈦白粉制得的色母粒力學性能比較

由于ABS通常作為加工材料使用，對其力學性能的評價尤為重要。加入鈦白粉后是否對原料的力學性能產(chǎn)生影響也是評價鈦白粉的重要因素。原則上鈦白粉作為無機剛性粒子，可以提高塑料的拉伸強度和沖擊強度。表5是不同型號鈦白粉對于ABS缺口沖擊強度的影響。表6是不同型號鈦白粉對于ABS拉伸強度的影響。表6是不同型號鈦白粉對于ABS彎曲強度的影響。表中負號表示與純ABS比，性能下降。

表5　不同型號鈦白粉對ABS缺口沖擊強度的影響

表6　不同型號鈦白粉對ABS拉伸強度的影響

表7　不同型號鈦白粉對ABS彎曲強度的影響

鈦白粉的加入對ABS的拉伸強度影響較小，對彎曲強度和缺口沖擊強度則有一定的影響。彎曲強度均有小幅度提高，B型鈦白粉加入ABS后提高得最多；B型、A型和D型鈦白粉加入ABS后均使缺口沖擊強度發(fā)生小幅度降低，而C型鈦白粉加入ABS后使其缺口沖擊強度提高。

3　結論

通過以上數(shù)據(jù)分析，4種同類型鈦白粉中，B型鈦白粉填充的ABS白度居第2位，B型鈦白粉對ABS樹脂的遮蓋力和所得制品的力學性能均居中，加工性能最為優(yōu)良。與A型相比，B型鈦白粉填充ABS在白度、加工性能等因素有了提高；與C型、D型相比，其更易加工，實用價值更高，因而B型鈦白粉填充ABS具有最優(yōu)的綜合實用性能。

參 考 文 獻

［1］ 姜志剛，王建偉.鈦白粉的應用及其應用指標解析［J］.上海涂料，2014，52（5）:52–55.

Jiang Zhigang，Wang Jianwei. The analysis of applications and index of titanium dioxide［J］. Shanghai Coatings，2014，52（5）:52–55.

［2］ 胡明輝，嚴俊，方偉，等.機械化學法制備重質碳酸鈣基復合白色顏料［J］.浙江化工，2011，42（11）:13–16.

Hu Minghui，Yan Jun，F(xiàn)ang Wei，et al. Preparation of white pigment composite based on heavy calcium carbonate with mechanical chemical method［J］. The Chemical Industry of Zhejiang，2011，42（11）:13–16.

［3］ 陳新紅，黃北衛(wèi).不同表面處理的鈦白粉在色母粒中的應用［J］.攀枝花科技與信息，2013，38（3）:9–13.

Chen Xinhong，Huang Beiwei. Application of different surface treated titanium dioxide used in the masterbatch［J］. The Science Technology and Information of Panzhihua，2013，38（3）:9–13.

［4］ 王巖巖，張儉，盛嘉偉.高遮蓋力碳酸鈣／鈦白粉復合白色顏料研究［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2013，16（8）:10–12.

Wang Yanyan，Zhang Jian，Sheng Jiawei. The research of high opacity white pigment composite made from calcium carbonate and titanium dioxide［J］. Modern Coating and Painting，2013，16（8）:10–12.

［5］ 李文兵，楊成硯，黃文來，等.鈦白粉材料歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.現(xiàn)代化工，2002，22 （12）:5–9.

Li Wenbing，Yang Chengyan，Huang Wenlai，et al. The past，present and development of titanium dioxide materials［J］. Modern Chemical Industry，2002，22（12）:5–9.

［6］ 翁慶強.國內鈦白粉行業(yè)的進展探析［J］.四川冶金，2010， 32（4）:61–63.

Weng Qingqiang.The progress of domestic titanium dioxide industry［J］. The Metallurgy of Sichuan，2010，32（4）:61–63.

［7］ 劉杰，鄭水林，張曉波，等.煅燒高嶺土與鈦白粉的濕法研磨復合工藝研究［J］.化工礦物與加工，2009，38（8）:14–16.

Liu Jie，Zheng Shuilin，Zhang Xiaobo，et al. The research for wet milling process of calcined kaolin and titanium dioxide［J］. Industrial Minerals and Processing，2009，38（8）:14–16.

［8］ 馬曉坤，王紹江，張彥林，等.高抗沖鈦白粉／ABS復合材料的制備［J］.彈性體，2015，25（6）:62–65.

Ma Xiaokun，Wang Shaojiang，Zhang Yanlin，et al. The preparation of high-impact titanium dioxide／ABS composites［J］. Elastomers，2015，25（6）:62–65.

［9］ 吳立峰，喬輝，程曉靜.色母粒使用手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2011:18–21.

Wu Lifeng，Qiao Hui，Cheng Xiaojing. The handbook of masterbatch［M］. Beijing:Chemical Industry Press，2011:18–21.

［10］ 陳輝林，付海，何穎，等.ABS復合材料結構與力學性能研究［J］.塑料科技，2014，42（10）:51–54.

Chen Huilin，F(xiàn)u Hai，He Ying，et al. The structure and mechanical properties of ABS composites［J］. Plastics Science and Technology，2014，42（10）:51–54.

［11］ 左新雅，徐德朋.近十年來鈦白粉研究進展［J］.山東化工，2013，42（4）:45–49.

Zuo Xinya，Xu Depeng. Research of titanium dioxide over the past decade［J］. The Chemical Industry of Shandong，2013，42（4）:45–49.

［12］ 林光強，馮炎聰，王三昭，等.高熔體指數(shù)LDPE對色母粒流變性能影響［J］.塑料，2011，40（5）:38–40，101.

Lin Guangqiang，F(xiàn)eng Yancong，Wang Sanzhao，et al. Effect of LDPE with high MI on the rheological properties of color masterbatch［J］. Plastics，2011，40 （5）:38–40，101.

Application of Titanium Dioxide in Masterbatch of ABS

Lai Jinqiong， Qiao Hui， Ding Yun
（School of Material Science and Engineering， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China）

Abstract：The white masterbatch for coloring acrylonitrile butadiene styrene （ABS） was prepared by four rutile titanium dioxide，the appearance of ABS products was observed，the whiteness，processing and mechanical properties were also studied. The results show that for B-type titanium dioxide，its whiteness is in second place，the mechanical properties of its ABS products are at the mid-level while its processing property is the best. Compared with A-type，B-type ABS has improved the factors like whiteness and processing property. Compared with C-type and D-type，B-type ABS has easier processing property and higher practical value，thus the ABS filled B-type titanium dioxide has the best overall performance.

Keywords：titanium dioxide； masterbatch of acrylonitrile butadiene styrene； processing property； mechanical property；whiteness

中圖分類號：TQ322.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）05-0112-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.027

收稿日期：2016-03-05