理解颜色的“科学”

在列举塑料比其他材料(如金属、陶瓷和木材)的优点时，其中一个不可避免的因素就是模压着色。即使在汽车等仍然依赖喷漆塑料的行业，长期目标是通过模压颜色达到预期的表面效果和耐久性。长期以来，塑料工业一直在鼓吹这一优势，以至于我们常常没有考虑到在将颜色加入聚合物时可能出现的复杂和潜在问题。但这个过程是有科学依据的;和所有的科学一样，要想正常工作，必须遵守一些基本原则。在本文中，我们将简要回顾这些基本原则，并讨论当我们未能遵守这些原则时所观察到的事情。

在为任何聚合物开发着色剂包装时，有几个关键项目是必不可少的。第一个是避免聚合物化学和着色剂系统化学之间的任何化学不相容性。化学反应在更高的温度下进行得更快，熔体加工涉及显著升高的温度和大量的机械能输入。因此，在注射成型过程中，聚合物和着色剂系统之间可能发生的任何化学相互作用都将非常迅速地发生。

对负化学相互作用的综合处理太多，无法在这么长的一篇文章中列出。然而，有几个例子值得考虑。文献中充满了关于PC和TiO2（白色着色剂的主要成分）之间负相互作用的论文。然而，随着研究的进展，发现TiO2不是问题所在。二氧化钛不是人工合成的；它是一种与许多其他成分一起从地下开采出来的矿物。其中包括铝和钾的氢氧化物等化合物。这些都是碱，聚碳酸酯在有碱的环境中表现不佳。想象一下，在600华氏度（315摄氏度）的温度下，将聚碳酸酯暴露在这种化学物质中的后果。降解将迅速发生。如今，使用TiO2的白色颜料供应商知道，必须对颜料进行处理，以中和这些基本成分。188金宝搏网页登录

有时，这种相互作用并不发生在着色剂和基质聚合物之间，而是与材料中的少量成分发生作用。当从颜料中去除镉和铅等重金属的最初努力在20世纪90年代初开始时，一些材料的转化是无缝的，而另一些材料的转化是一个困难的过程。尼龙就是一个需要多次迭代才能得到正确结果的例子。但有趣的是，最初对无镉红色着色剂与尼龙的测试效果非常好。直到用这种新颜料尝试冲击改性等级的尼龙时，延展性的问题才变得明显起来。同样的着色剂对一般用途的玻璃填充尼龙效果很好，却不适用于具有冲击改性的相同材料配方。

在选择着色剂系统时要考虑的第二个问题是着色剂系统的热稳定性。着色剂的化学性质必须能够经受住材料加工时的温度。因此，一种可用于聚乙烯或聚丙烯的着色剂，在加工温度相对较低的地方，可能完全不适合用于聚碳酸酯或聚砜等材料，即使它严格根据化学相容性是可接受的。回溯到红色尼龙从基于镉的着色剂到无镉着色剂的转换，最初生产无镉着色剂系统的尝试往往导致部分颜色比预期的深得多。颜色的变化是由高温产生的，在某些情况下，是由与长而复杂的流动路径的大型零件成型相关的高剪切速率产生的。

良好的性能保持性也是聚合物中着色剂含量的函数。着色剂是污染物，但它们是我们可以容忍的污染物，因为它们帮助我们达到理想的效果。但是，对于聚合物和颜色的每一种组合，在材料的性能受到负面影响之前，可以添加多少颜色是有限制的。通常，表现出下降的第一个短期属性是延展性。只要考虑到上述化学兼容性问题，添加1-2%的着色剂通常是无害的。

然而，随着着色剂含量的增加，影响性能下降的可能性更大。通常，那些开发新颜色的人的注意力都集中在美学上。但在某些情况下，实现所需的颜色匹配可能涉及向基础树脂添加相对大量的颜色，从而显著改变性能。

例如，我曾经与一位客户合作开发了一种白色聚醚酰亚胺（PEI）。天然PEI是透明的，但颜色也很深。使其变白需要大量TiO2。在这种情况下，当达到所需外观时，TiO2含量为9%。但客户希望其性能与天然树脂相同。如果我告诉最终用户，一种未填充的材料等级和一种含有10%填料的等级具有相同的性质，那么他们中的大多数人都会有理由怀疑。但没有人认为添加等量的无机着色剂是有问题的。

通常，阈值水平要低得多，直到出现问题时才被发现。大约10年前，我的一个客户突然在一台白色PC上遇到了凹槽敏感性的问题。韧性只在尖锐角存在的部分显著降低，这似乎与特定的大量材料有关。

这种材料是完全复合的，通常假设当复合物加入颜色时，配方非常一致，而不是将其作为浓缩物添加到成型机时。但在比较大量生产优质零件的原材料和生产易碎零件的原材料的颜料含量时，我们发现着色剂含量从2%增加到了近4%。这促使我们进行了一些实验，在这些实验中，我们制作了颜料含量从1%到4%不等的小样本。我们发现，当着色剂含量达到2.5%时，缺口灵敏度开始出现，并且随着着色剂含量的增加，缺口灵敏度逐渐变差。

这个问题有一个有趣的问题。在审查compounder的记录时，我们发现他们对色素含量的控制从来都不是很好，但在产品的漫长历史过程中，从未观察到脆性性能的问题。原因是基本PC在12个月前已从V-2易燃性等级材料更改为V-0等级材料。这意味着新材料含有略高浓度的阻燃剂。当我们重复对原始材料的缺口敏感度-颜色负载关系的实验时，我们发现对颜色量没有敏感度。在4%和1%时，以及在这两者之间的任何地方，性能都是相同的。这表明它不像着色剂和聚碳酸酯之间的相互作用那么简单。阻燃剂是画面的一部分。这指出了考虑添加剂引起的潜在变化的重要性。

当加入某些颜色时，分子量也是影响聚合物行为的一个因素。对于我们这些在这个行业已经有一段时间的人来说，我们还记得那些日子，当时主要的材料供应商把在他们的树脂中定制颜色的生产作为一个重要的核心竞争力。188金宝搏网页登录我记得参观过博格-华纳(Borg-Warner)运营的ABS工厂(后来被GE Plastics收购，后来成为SABIC Innovative Plastics等)。带我们参观工厂的人自豪地告诉我们，他们有近4万种不同颜色的文件，其中大约6000种是活跃的。他们不仅能做出你想要的任何颜色，而且还能做出最低限度的颜色，以今天的标准来看，这简直小得可笑。

即使是那些没有深入到着色行业的公司，仍然有10-12种“标准颜色”，它们可以在大多数或所有的基础树脂中使用。我一直觉得有趣的是，在Lexan PC中，GE可以在分子量更高的等级（如Lexan 101和141）中制造透明和不透明的颜色。但他们只销售所谓高流动等级的透明颜色。原因很简单：与颜料相比，染料对聚合物结构的干扰可能更小，因此可以制成透明的颜色。颜料由颗粒组成，这些颗粒的大小对材料的性能很重要。如果它们太小或太大，可能会出现问题。不透明着色剂对高分子量聚碳酸酯的性能影响不大，但对低分子量聚碳酸酯的性能影响不大。

后来，随着通用电气扩大其色彩产品，该公司放宽了这些限制。但他们也开始发布数据表，对天然材料和不透明有色材料的冲击强度进行区分。这些数据表中的一些信息令人担忧。例如，熔体流动速率为7、15和25 g/10 min的三个等级的基础树脂的缺口Izod冲击值均为14-16 ft-lb/in。以自然和透明的颜色。但在不透明的颜色中，7-MFR和15-MFR材料的Izod冲击值保持在相同的水平，而高流动等级的特性作为一个范围给出。范围是2到14英尺磅/英寸。实际结果取决于添加的着色剂。

现在，主要的材料供应商已经很大程度上远离了着色业务，专业知识188金宝搏网页登录已经被定制复合社区采取。现在他们的工作是了解颜料装载、化学相容性和分子量的这些考虑因素。正如可以预期的那样，这种专业知识在整个行业中不是均匀分布的。

一个可能难以预测的影响是着色剂对半结晶聚合物结晶度形成方式的影响。许多着色剂是PP等材料中的天然成核剂。成核改变了材料的晶体结构，同时也改变了机械性能、收缩率和循环时间。有核材料比无核材料循环更快，收缩更小。但它们的抗冲击性也往往较低。如果您曾经有过以给定的半结晶聚合物（如PP或缩醛（POM））的多种颜色成型精密公差零件的任务，您可能已经注意到，您以不同的颜色获得了不同的尺寸，并且可能需要进行工艺更改以使零件恢复打印。这不是你的想象，也不是塑造小精灵的案例，而是着色剂成分改变基础聚合物晶体结构的方式的表现。

颜色融入基础树脂的方式也很重要。完全复合的颜色通常是首选的，因为它绕过了颜色均匀性的问题，当颜色以颗粒浓缩物、干色或液体的形式作为次要第二成分添加时，通常会出现这种问题。但是，由于许多原因，在零件制造点进行着色的经济性更为有利。这些包括每磅成本、交付周期，以及控制库存和避免昂贵过时的能力。如果你购买5000磅的鳄梨绿ABS，你是在打赌这种颜色在你所生产的产品中会继续流行。有时是这样，有时不是这样。如果着色仅在模具放入压力机时进行，则在制作零件之前，天然材料不会呈现任何特定颜色。

但是现在颜色代表了一种单独的成分，规范中有一些需要管理的考虑因素。在浓缩色素中，颗粒的一部分是着色剂，另一部分是聚合物，即所谓的载体树脂。为了获得最佳效果，载体树脂必须与所放置的基础树脂相容。这意味着，如果你给PC上色，那么浓缩颜料颗粒也应该由PC制成，而不是PE或EVA共聚物。有一定的自由度。尼龙66可以用基于尼龙6的浓缩物着色。聚丙烯和聚乙烯具有合理的相容性。SAN可以用于专为ABS设计的浓缩液中，但PS不能。

但这里有一个重要的信息。没有所谓的通用载体。任何做过聚合物混合的人都知道，很少有聚合物能与其他聚合物很好地混合。通常的计算是，由于颜色浓缩物只以百分之二到四的比例添加，污染是可以容忍的。但是，如果对适当的混合比例的控制不是最优的，那么这种污染物的数量也会波动，问题就会随之而来。有时，主要原料供应商会提供所谓的盐和胡椒混合料——由原料供应商制造的天然颗粒和颜色浓缩料，并在包装前按照正确的比例机械混合。我们可以假设，至少这些产品在制作时对材料兼容性有适当的注意。不幸的是，情况并非总是如此。

在我从事制造业的日子里，我们曾经用冲击改性、矿物填充尼龙66制作过一种产品，有天然的和黑色的两种。原料是由一个主要供应商制造的，他们用盐和胡椒的混合物来制作黑色。我们注意到，虽然天然材料运行得很好，但黑色部分显示了许多外观问题，而且过程非常不一致，因为螺钉在恢复过程中有滑动的趋势。最后对黑精进行分析，发现载体树脂为EVA共聚物。在填充尼龙66加工的温度下，EVA开始分解并变成蜡，从而产生了我们所看到的问题。当我们要求供应商将着色剂替换为尼龙6的时候，他们以成本为由拒绝了。我们最终厌倦了高废品率和不断的看护过程，开始购买自然的。我们添加了我们自己的尼龙精矿从我们的精矿供应商采购。

另一个在颜色浓缩物上犯的大错误与载体树脂的分子量有关。即使当载体与基材相容时，往往发现载体树脂的熔融流动速率比基材高8 - 10倍。人们相信这是促进良好混合所必需的。这种做法不仅将低分子量的成分引入到最后的部分，降低了性能和加工窗口，而且载体树脂粘度低得多可以改善混合的原理是完全错误的。引入成型机筒体的粘度差别很大，往往会离析而不是混合。

您可以执行一个简单的实验来说明这一点。将粘度相似的冷冻蛋黄酱和番茄酱放入碗中搅拌。现在执行同样的任务，只是把番茄酱换成番茄汁。你会发现，与高粘度的番茄酱相比，低粘度的番茄汁需要更多的搅拌才能均匀地混合。粘度上的微小差异当然是有帮助的，但大的差异就没有帮助了，而且实际上对最终产品是有害的。

这是一个非常快速的回顾活动，我们往往认为理所当然，将颜色纳入我们的原材料。需要考虑的事情很多，色彩的规律，就像我们行业中最重要的活动一样，比我们想象的要复杂得多。因此，下次你参加开发会议时，如果有人说他们希望产品是蓝色或红色的，就把它放在需要处理的项目列表上，就像材料选择过程的其他部分一样仔细。

关于作者

迈克Sepe是一家独立的全球材料和加工顾问，其公司Michael P.Sepe，LLC位于亚利桑那州的塞多纳。他在塑料行业拥有超过35年的经验，协助客户进行材料选择、可制造性设计、工艺优化、故障排除和故障分析。联系人：
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