第一節 炭黑在塑料中的著色作用

炭黑作為著色劑在塑料中有兩種用途。一是使用炭黑來制造黑色塑料:二是使用炭黑用以改進由其他也顏料賦予的顏色，或稱之為調色。這兩種用途有賴于炭黑和光相互作用能力的不同方面。

炭黑在著色性應用方面，首要的屬性是其分散相的黑度，黑度是粒徑(表面積)、聚集體尺寸(著色強度或斯托克直徑)和分散度的復雜函數。粒徑較細，表面積較大，吸收光的能力就較強，受光照射時，使光向前的正向散射就更有效。第二個重要屬性是其底色(或稱主色)， 它是作為光波長函數的散射和吸收效率的復雜函數。對塑料用炭黑來說底色應在藍色和藍/棕色之間。

炭黑在著色性用途中的第二個屬性是用它著色時改進其他顏料的顏色強度的能力。著色的效果可用著色強度來測量，它測量了炭黑改變白色顏料外觀的能力。著色強度主要取決于聚集體大小及其分布。著色的色調(或稱色相)和由炭黑賦予的底色有關，由于當炭黑粒徑減小時增加了對藍光的優先吸附，通常是較為不藍。

黑度、底色或主色可以用儀器分析定量地測定，再根據測得的初始數據，用CIEC國際照明協會規定的三維顏色系統，通過計算分為L、a*、b*三個組分，其中L軸為黑白維，其數據即表征配合料的黑度，a*軸則為紅色和綠色的比較維，其數值表征其色調是偏紅或偏綠，而心軸則為藍色或黃色的比較維，其數值則表征其色調是偏藍或偏黃。在現代化的測色儀器中，L、a*、b*值是通過計算機自動計算的。初始數據通常是在光波射向試樣的非反射角方向，測出作為光波的頻率函數的反射光的強度。在反射角測得的強度是試樣光澤的黑度。

一、影響塑料性質的炭黑特性

(一)黑度與粒徑

黑度直接與色素炭黑的粒徑相關，粒徑越小，色素炭黑的黑度越高。這是因為盡管原生粒子已熔合成原生凝聚體，但是其比表面積仍能起作用，原生粒子越細，則其凝聚體的比表面積越大。所顯現的顏色更黑，防紫外線作用更佳。由于細粒子炭黑的吸光率比粗粒子炭黑更高，所以著色力更強。但是光粒徑減小時，由于藍光被優先吸收，為此色調變成棕相。

由于細微原生粒子的炭黑賦予更大的比表面積，所以需要更多的潤濕能和分散能。

(二)結構

炭黑粒子不僅以原生粒子形成存在，而且在生產過程中常熔結成凝聚體。這種凝聚體是由原生粒子經化學鍵結合。在凝聚體中，由大量鏈枝的原生凝聚體構成的炭黑稱為高結構炭黑。而原生凝聚體由較少鏈枝原生粒子組成的炭黑，則稱為低結構炭黑。

炭黑的結構還影響分散的難易，例如密度大且凝聚體堆積緊度的低結構炭黑，其聚集體相互間的平均距離比高結構炭黑更小。這說明了凝聚體之間的吸收引力更大，因而在分散過程中需要更大的能量才能將其分開。

(二)表面活性

炭黑生產方法不同，其表面化學性能各異。

為此，揮發分含量是炭黑表面官能團總濃度的量度，因而也具炭黑極性和親水性的量度。并且只要pH值在酸性范圍內，炭黑的pH值同樣也是一種官能團總含量的量度。

二、炭黑母粒技術

(一)塑料著色方法概述

著色是塑料工業中不可缺少的組成部分。隨著生活水平的提高，人們對工業產品的美學要求逐漸提高，這使得著色成為影響塑料制品市場競爭力的重要因素。塑料著色不僅可以美化產品，還能起標識作用，這在電線電纜的生產和使用中尤為重要。此外，特殊的著色方法還能夠改善塑料制品的某些應用性能并賦之以新的特性。

塑料著色的傳統方法有浮染著色、糊狀著色劑著色、液狀著色劑著色、色粒著色等。這些方法都具有明顯的缺點，如顏料的分散性差、粉塵飛揚大、顏料計量不易控制等。其中色粒法雖然能夠相對提高著色質量，但生產成本較高。

色母粒著色較好地解決了上述問題，現在已經成為獲得高質量著色塑料制品的主要手段。

(二)色母粒的組成與特點

色母粒也稱顏料制備物，由顏料、載體樹脂和添加劑三部分組成。它是通過特殊的方法，把顏料高濃度地載附于特定的樹脂中而形成的一種高效著色劑，故又稱顏料濃縮物。

色母粒著色效果優越，可以較大限度地發揮顏料的著色力，色澤均勻，色差小，計量和配色易于精確控制。色母粒使用方便，只需在制品成型加工前將其定量混入被著色樹脂中即可完成著色。它在使用時完全可以避免粉塵、廢液的污染。另外，它還能夠提高制品的加工性能，對制品的力學性能影響小。色母粒可以廣說應用于注射、擠出、壓延、中空吹塑等各種塑料成型方法中，適用于各種熱塑性樹脂的著色，對于合成纖維和超薄制品，色母粒更顯其優夠之處。

(三)色母粒的生產方法和應用狀況

色母粒的生產方法有多種，但基本工藝均可用以下過程簡示：

色母粒自20世紀60年代末，70年代初起源于瑞士、德國、比利時、荷蘭等歐洲國家以來，在世界各國的塑料與合成纖維加工工業中得到了迅速的發展。在工業發達國家，色母粒很快成為塑料著色的主要手段。早在1978 年，美國塑料制品中應用色母粒著色的就已經達到95%。目前世界色母粒工業領域中，無論從產量還是質量來看，美國和歐洲仍居于前列。

我國的色母粒工業起步較晚。1975 年開始對色母粒進行研究，80年代初北京、廣東等地陸續引進了幾條生產線。近年來，隨著我國塑料工業的迅速發展，色母粒獲得了廣泛的應用，生產廠家的數量和產量也在逐年遞增。

我國色母粒工業在快速發展的同時，也暴露出一些問題，等待解決。如國產色母粒大多屬于普通級，高質量、高檔次的產品缺乏。特別是用于細且纖維的品種，還要依賴于進口。另外，國產色母粒品種和用途較為單一，相關原材料和加工設備也較為落后。