钛白粉在塑料制品中的应用试验与分析

王振英，刘 勇，张 岐，徐启佺 （江苏镇钛化工有限公司，江苏镇江 212003）

钛白粉在塑料制品中的应用试验与分析

王振英，刘 勇，张 岐，徐启佺 （江苏镇钛化工有限公司，江苏镇江 212003）

塑料制品对其使用的钛白粉有特殊性能要求，为此列出了钛白粉在塑料制品中的应用性能要求与相应的试验方法。通过对一系列不同型号的钛白粉进行对比试验，确定了适合塑料制品使用的钛白粉型号，为钛白粉及塑料制品的生产提供了依据。

钛白粉；塑料制品；应用试验；分析

0 引言

随着人们环保和节能意识的增强，以塑代钢的步伐越来越快，塑料制品的应用领域越来越广。作为塑料的基本颜料［1］，钛白粉的需求也逐年增多。考虑到塑料制品在生产过程中的特殊技术要求，塑料用钛白粉除了常规的白度指标外，还对其加工性能、耐热性、热老化性、分散性、耐候性等应用性能指标提出了更高的要求。以下阐述钛白粉在塑料制品中的应用试验与分析。

1 塑料制品的加工工艺及性能测试流程

将100 g PVC（聚氯乙烯）树脂、4 g钛白粉、适量助剂体系按图1所示流程进行加工［2］及性能测试。

图1 PVC塑料制品的加工工艺及性能测试流程图Figure 1 The processing technology and performance test flow diagram of PVC plastic products

2 钛白粉在塑料制品中的应用性能及测试方法

2.1 加工性能

钛白粉加入到塑料中后，会对塑料制品的加工性能产生影响。加工性能的优劣是决定塑料制品生产效率、生产成本及应用性能的关键因素。

塑料制品的加工性能可以采用动态扭矩流变法进行评定。转矩流变仪是研究材料的流动、塑化、热剪切稳定性的理想设备。典型转矩流变仪的工作曲线如图2所示。

图2 典型转矩流变仪的工作曲线Figure 2 The working curve of typical torque rheometer

图2中：t1—物料受热压实时间；t2—塑化（熔融软化）时间；t3—达到平衡转矩（物料动态热稳定）的时间；t4—物料的分解时间；M1—最小转矩；M2—最大转矩；M3—平衡转矩；OA—在给定温度和转速下，物料开始黏连，转矩上升到A点；AB—受转子旋转作用影响，物料很快被压实（赶气），转矩下降到B点（有的样品没有AB段）；BC—物料在热和剪切力的作用下，开始塑化（软化或熔融），即由黏连转向塑化，转矩上升至C点；CD—物料在混合器中塑化，逐渐均匀，达到平衡时，转矩下降到D点；DE—维持恒定转矩，物料平衡阶段（90 s以上）；E—继续延长塑化时间，物料发生分解，交联，固化，使转矩上升或下降。

由转矩流变曲线可获得以下信息：

（1） 判断可加工性：由于M的大小直接反映了物料的黏度和消耗的功率，由此可以看出此配方是否具有可加工性。若M太大，则在加工中需要消耗许多电力，或在更高的温度下，才能降低M，成本提高。这时应考虑改变配比，下调M。

（2） 加工时间（物料成型前的时间）：

热塑性材料：要求t4不能太短，否则物料还未成型就已分解，交联。

热固性材料：若t4太长，需等很长时间才能固化、脱模，周期长，效率低；若t4太短，来不及出料已固化在螺杆或模具中。

（3） 加工温度：通过测定物料在不同温度下的转矩流变曲线，得到M-t关系。

（4） 材料的热稳定性：研究物料分解时间的长短。

2.2 分散性

通过测定塑料制品中钛白粉的粒度分布进行钛白粉分散性的评定。粒度分布的测定方法较多，本研究采用相差显微镜测定钛白粉的粒度分布。相差显微镜是一种将光线通过透明试样时所产生的光程差（即相位差）转化为光强差的特种显微镜。

2.3 白度

当一束强度为I0的光照射在薄膜上时，除反射外，部分光线被其中的颜料粒子散射和吸收，剩余部分透射。设透射光强度为I1，则透射率T为［3］：

透射率反映薄膜的透光能力，其倒数则代表了薄膜阻挡光线的能力，称为阻光率O。

在薄膜的材质、厚度等条件确定的情况下，T值越小，O值越大，表明所用钛白粉的遮盖力越高，白度越大。

白度测定方法：在塑料薄膜上任意剪取3块约30 mm×50 mm的小片，用薄膜测厚仪测出确定3个点的厚度，取平均值，然后用分光光度计测量3点的透射率，取平均值，最后将其换算成阻光率。

2.4 耐候性

本研究采用紫外线老化和人工氙灯老化来评定耐候性。前者主要是考虑自然界中的紫外线对高分子材料的影响；后者也称作人工气候老化，利用人工设备模拟出自然界的状况，包括阳光、雨水、温度等因素，它是与自然老化最接近的人工老化试验方法。

将表面处理后的二氧化钛配制成醇酸树脂漆，喷板后自然干燥，采用美国Q-Panel公司的紫外老化仪进行老化试验，其试验参数为UVB 313 nm照射8 h，喷淋2 min，冷凝4 h，循环处理250 h；采用日本美能达CM-2500D分光测色仪测试样板的黄变指数；采用光泽仪测试失光率；采用粉化率仪测试粉化等级，综合评定其耐候性。

L、a、b值（也称CIELAB颜色空间）是目前最常用的测量物体颜色的方法之一。在这一方法中，L是亮度坐标；a和b是色度坐标，+a为红色方向，-a为绿色方向；+b是黄色方向，-b为蓝色方向。L值越高，则表明亮度越高；a值则越接近于0点越好；b值则是处于0点稍微偏负值为好。

采用分光测色仪对混炼后的加有钛白粉的PVC（聚氯乙烯）塑料样片进行测试，得到L、a、b值，以表征各牌号钛白粉的白度、亮度和颜色。

耐候性试验是在人工老化环境下，测试各个试样的初期白度（L0）、亮度（L值）、颜色值（a、b、ΔΕ值）、黄度值等指标随着时间的变化情况，其中：

根据所测数值的变化，从而判断钛白粉在塑料制品中的耐候性。

3 不同型号钛白粉在塑料制品中的应用性能试验

将不同型号的钛白粉用于塑料制品中，对比试验结果，评定其应用性能。

3.1 试验原材料与仪器设备［4］

TL-1000 PVC，工业级，市售品；TL-800 PVC，工业级，市售品；R 969钛白粉，工业级，江苏镇钛化工；RCL 696钛白粉，工业级，美礼联；R 888钛白粉，工业级，国内同类产品；C钛白粉，工业级，国内同类产品；D钛白粉，工业级，国内同类产品；E钛白粉，工业级，国内同类产品。

双辊混炼机，上海橡胶机械厂；INSTRON万能试验拉力机，英国INSTRON公司；挤塑机，德国Brabender；注射机，宁波通力塑料机械有限公司；相差显微镜，日本；粒度分析仪，德国；分光光度计，上海分析仪器厂；转矩流变仪，德国Brabender；全自动测色色差计，北京光学仪器厂；电热鼓风干燥箱，上海医疗器械二厂；老化试验箱，天津市华北实验仪器有限公司；紫外光老化试验箱，美国Q-Panel公司；台式标准分光测色仪，美国Datacolor公司。

3.2 应用性能测试

3.2.1 分散性

采用相差显微镜（放大倍数为20 000）进行分散性测定。各钛白粉试样的电镜照片见图3，粒径分布见图4。

图3 各钛白粉试样在塑料制品中的相差显微镜照片Figure 3 The phase-contrast microscope photos of different titanium dioxide samples in plastic products

图4 各钛白粉试样在塑料制品中的粒径分布Figure 4 The particle size distribution of different titanium dioxide samples in plastic products

由图3可见：RCL 696钛白粉和R 969钛白粉的粒度分布图像明显好于其他几种钛白粉产品，其分散均匀，没有明显的颗粒团聚现象。

由图4可见：RCL 696钛白粉和R 969钛白粉的粒径较小，且粒径分布均匀，过粗和过细的颗粒较少，分散效果明显好于其他钛白粉试样。

3.2.2 加工性能

采用转矩流变仪测定几种钛白粉试样在PVC塑料中的转矩流变性［5-6］，结果见图5。

图5 几种钛白粉样品在PVC塑料中的转矩流变图Figure 5 The torque rheological figure of some kinds of titanium dioxide samples in PVC plastic

由图5可见：上述几种钛白粉试样的转矩流变性都相对较好，但相比之下，RCL 696钛白粉和R 969钛白粉的转矩流变性更好。

3.2.3 白度

选用不同牌号的钛白粉，分别制成塑料制品，用其着色吹膜。在每个试样上多点测定阻光率与厚度，获得每点单位厚度的阻光率，求取平均值，换算成膜厚0.03 mm时的对应值进行对比，结果列于表1。

表1 各试样阻光率的测定结果Table 1 The test results of opacity of different samples

由表1可见：RCL 696钛白粉和R 969钛白粉的阻光率较高，即白度明显优于其他试样。

3.2.4 静态热老化性能

采用老化试验箱对各试样进行热老化试验，观察试样在不同时间的颜色变化。取样间隔时间：15 min，总时间120 min。

根据所得的试验数据绘图，见图6～10。

由图6可见：R 969钛白粉的黄度值一直较低，且变化相对较小。

由图7可见：R 969钛白粉的L值（亮度）较其它试样高，且随时间的变化，L值损失较小。

由图8可见：R 969钛白粉的a值较其它试样偏好。

由图9可见：R 969钛白粉的b值较其它试样明显偏好，更靠近0点。

图6 黄度值与热老化时间的关系Figure 6 The relationship between yellowness value and thermal aging time

图7 L值与热老化时间的关系Figure 7 The relationship between L value and thermal aging time

图8 a值与热老化时间的关系Figure 8 The relationship between a value and thermal aging time

图9 b值与热老化时间的关系Figure 9 The relationship between b value and thermal aging time

图10 ΔE与热老化时间的关系Figure 10 The relationship between ΔE and thermal aging time

由图10可见：R 969钛白粉的ΔE值较低，耐热老化性能更优。

农药作为必不可少的农业生产资料，在我国防治病虫害、去除杂草、控制人畜传染病，以及提高农作物产量、质量起着积极的作用，为中国农业作出了不可磨灭的贡献。然而，由于农药是具有杀虫、杀菌和除草功能的化学品，人们普遍认为农药是有毒危险品，而农药残留引起的农产品质量安全和环境污染问题，扩大了农药的危害，使人们对农药谈药色变，农药几乎成为过街老鼠。

3.2.5 紫外光老化性能

采用紫外光老化试验箱对各试样进行紫外光老化试验，观察试样在不同时间的颜色变化。根据所得的试验数据绘图，见图11～13。

图11 L值与紫外光老化时间的关系Figure 11 The relationship between L value and UV aging time

由图11可见：R 969钛白粉的L值（亮度）较其它试样高。除RCL 696外，其他试样的L值随老化时间的变化趋势类似。

图12 a值与紫外光老化时间的关系Figure 12 The relationship between a value and UV aging time

由图12可见：在老化时间200 h以内，R 969钛白粉的a值较好，其他试样的a值随老化时间的变化趋势类似。

图13 b值与紫外光老化时间的关系Figure 13 The relationship between b value and UV aging time

由图13可见：R 969钛白粉的b值较其它试样明显偏好，更靠近0点。

4 结语

（2） 加工性能对比研究表明：几种样品在PVC中的转矩流变性能都能满足生产要求，但RCL 696钛白粉和R 969钛白粉样品的转矩更低，更有利于成型加工；

（3） R 969钛白粉样品的遮盖力（阻光率=0.260）明显优于国内同类产品（阻光率=0.210～0.240），与国外同类产品RCL 696钛白粉（阻光率=0.265）相当；

（4） 热老化试验及紫外光老化试验结果表明：R 969钛白粉制成的PVC硬质塑片，其各项耐老化指标普遍优于国内同类产品，而与国外同类产品RCL 696钛白粉相当。

综上所述，R 969钛白粉的各项性能指标明显优于国内同类产品，与国外同类产品RCL 696钛白粉相当，完全可以替代进口产品用于塑料制品的生产。

1 裴润.硫酸法钛白生产［M］.北京：化学工业出版社，1982.

2 邓捷，吴立峰.钛白粉应用手册［M］.北京：化学工业出版社，2003.

3 荆其诚，焦书兰，喻柏林，等.色度学［M］.北京：科学出版社，1979.

4 吴立峰.塑料着色和色母粒［M］.北京：化学工业出版社，1994.

5 卞锦华.聚乙烯塑料色母粒的制造及其流变性和分散性研究［D］.上海：华东化工学院，1988.

6 袁锦瑶，左萍曼，周正亚，等.聚烯烃色母粒的制造［J］.现代塑料加工应用，1989（1）：6-12.

The Application Experiment and Analysis of Titanium Dioxide in Plastic Products

Wang Zhenying，Liu Yong，Zhang Qi，Xu Qiquan
（Jiangsu Titanium Chemical Industry Co.，Ltd.，Zhenjiang，Jiangsu，212003，China）

The application performance requirements and corresponding test methods of titanium dioxide in plastic products were listed. Through the contrast test on a series of different types of titanium dioxide，the titanium dioxide types suitable for plastic products were determined，which provided the basis for the production of titanium dioxide and plastic products.

titanium dioxide；plastic product；application experiment；analysis

TQ 621.1；TQ 320

A

1009-1696（2016）06-0019-06

2016-03-01

王振英（1970—），青岛化工学院精细化工专业本科毕业，山东大学工程硕士，工程师，现任公司的主任工程师。