木-塑复合材料用着色颜料和光稳定剂 - 文章

木-塑复合材料用着色颜料和光稳定剂

作者：JOCHEN FINK ET AL 来源：Ringer

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木-塑复合材料（WPC）产品是目前复合材料市场不可或缺的一部分。这种材料最大的缺陷之一就是由紫外线和环境潮湿引起的风化降解问题。特殊的着色颜料和光稳定剂为解决该问题提供了一条可行之路。

当今现代生活中，木-塑复合材料（WPC）制品已随处可见。在欧洲，德国是该类产品最重要的一个市场。除了有超过35家的木-塑复合材料制造商外，德国的木-塑复合材料供应商的数量是位于第二位和第三位的奥地利和法国的总和的两倍还多。德国去年一年木-塑复合材料制品的消耗量为70000吨，占到整个欧洲年消耗量170000吨的41%，是该市场的领跑者。过去的10年中，木-塑复合材料的需求量一直在逐年迅速增长中。单单是德国需求量就从2004年的5000吨增长到了2009年的70000吨。在欧洲照这个趋势持续下去，足以说明木-塑复合材料制品在整个复合成材料市场中的重要性。

木-塑复合材料在全球最主要的用途就是做地板和甲板，占到了使用量的58%（题头图）。木-塑复合材料在这一块会取得压倒性的胜利主要是由于相较传统的木质地板其拥有非常显著的优势。木-塑复合材料制品除了具有像可针对个性化要求做设计之类的审美方面的优势之外，还具有很多其它功能性的优势如防滑性能优，抗裂性能佳以及重量轻等。

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木-塑复合材料制备的甲板要比纯木制的结实耐用

木-塑复合材料

木-塑复合材料是各种不同含量的木材，塑料和添加剂复合而成的合成材料的总称。它们和木材的性能非常类似，但是可以采用加工塑料的方式来加工，例如挤出或注塑成型。

这些材料的生产，常用到的原料有好的木头纤维（各种软木或硬木，胶合板或者其它来源的纤维素纤维填料），各种不同的塑料（PP、PE、PVC）以及各色添加剂等。

根据用途的不同，几乎所有塑料工业使用到的添加剂都被应用到了木-塑复合材料的制备中，比如光稳定剂、抗氧化剂、润滑剂、阻燃剂、颜料、附着力促进剂和杀菌剂。由于木-塑复合材料制品经常在户外使用的关系，使得它们不仅要有对抗气候风化的特性而且对生化腐蚀也要有一定的对抗性。由于木-塑复合材料制品的主要成分还是木材，因此它们还容易遭到对木制品有害的微生物的侵蚀。而这些可以通过添加杀菌剂来解决。

同样由于其主要成分为是木材，所以该材料制品同木材一样属于易燃物。但是我们可以通过添加阻燃剂来改善它的燃烧性能。同时，附着力促进剂也是非常重要的添加剂，它可以提高木材纤维与聚合物之间的骨架强度，对提高材料的机械性能有着非常大的作用。为此，位于德国科隆的巴斯夫色彩解决德国有限责任公司可以为您提供量身定做的创新性的产品，例如Sicolen W、Sicoversal 和Sicoplast W 来优化木-塑复合材料的性能。

环境效应

木-塑复合材料制品的首要成分是木材。木材是主要由多种多糖如纤维素，多纤维素和木质素等组成的复杂的生物高分子有机体。这种各向异性的材料的技术性能不可避免的要受到环境的影响。应用在户外部分的木-塑复合材料制品要直接遭受诸如气温变化，紫外线以及潮湿环境等环境因素的风化作用。光化学作用是这样的一个过程，即表面的木质素在紫外光的照射下分解成为一种褐色的物质，而该物质是水溶性的。这些表面的褐色物质被雨水溶解冲刷掉后，露出来的白色纤维素接着被侵蚀变得花白（图1）。

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这一过程被认为是造成木制品褪色的主要原因，是得到特定质量要求的产品所面临的一大挑战（图2）。总之，如何优化木-塑复合材料性能，提高其对环境的抵抗力还是一个面临着许多未知问题等待去研究与解决的研究领域。

巴斯夫色彩解决公司已经开始着手这一方面的研究，将目光投向了木-塑复合材料的彩色颜料和光稳定剂这一块，试图通过这些手段解决该材料的耐候性问题。

保持性能，防止掉色

为了保护好木头与塑料防止掉色，颜料和添加剂比如光稳定剂是必不可少的。木-塑复合材料的着色，不可避免要涉及到色母粒和颜料粉的制备（图3）。也只有具有最高的耐光度和耐候度的颜料适用于木-塑复合材料的着色。当然，也只有复合材料中的塑料部分是被着色的，木材则不包括在内。

光稳定剂可以保护塑料免遭脆化和变色，同时将气候对材料机械性能的影响降到最低。常用的光稳定剂有紫外线吸收剂和作为自由基清除剂的位阻胺剂（HALS）。有机紫外线吸收剂可以吸收一定波长范围内的光并将其转换为热能。自由基清除剂可以中和短波紫外光照射产生的自由基。因此它们可以保护塑料免受紫外线的光蚀，确保材料的机械性能不变。

自由基清除剂可分为两大类：单体自由基清除剂（低分子量<1000克/摩尔）和低聚物自由基清除剂（高分子量>1000克/摩尔）。

由于分子量相对较低，所以单体自由基清除剂比低聚物自由基清除剂的迁移速率更快，在表面的反应速率也更快。通过将紫外线吸收剂和自由基清除剂结合起来，就可以建立起多种不同模式的反应体系来更好的保护聚合物的性能。

添加剂作用的研究

众所周知，颜料可以有效地减缓木-塑复合材料表面的褪色。但是颜料对产品的耐候性是否会有影响以及选择颜料的关键在哪？

光稳定剂的加入可以保护户外使用的木-塑复合材料制品免收紫外辐射的损害。光稳定剂又是如何有效地对抗气候对制品的影响的？

为找到这些问题的答案，大量的实验测试是必不可少的。考虑到几乎所有木-塑复合材料的颜色都是在黄色、棕色以及红色的基础上混合而来的，所以采用的是以下几种基础测试方法。即将不同浓度（0.5、1.0和2.0%）的这几种颜料作风化50、100、200和400小时的测试来观察结果。加速风化在QUV紫外线加速风化测试仪中测试。

紫外线加速风化测试是一种人为的模拟来评估暴露在紫外线和冷凝环境下的表面的耐候性测试方法。用紫外荧光灯来模拟太阳光。一个测试周期由60℃暴露在紫外线下4小时和50℃黑暗潮湿环境中4小时两部分测试组成。风化温度是自动调节的，就如同紫外辐射和冷凝间的交替。相对短时间的风化时间证实了我们事先的预料，即400小时的风化并没有产生显著的色彩的变化。此外，制备测试样品时适量的光稳定剂已经添加了进去并且也研究了这些光稳定剂对材料耐风化性的影响。所有测试样品中PP与木材的比例均为三七开。

木材表面的颜色信息通过分光光度仪测得。D65发光体用来代替弥漫日光。采用CIELab色彩空间模型（图4，p25）来客观地描述木材的颜色。在这个模型里，每个颜色用其光谱能量分布曲线来代替。在一个被a*坐标轴（红-绿）和b*坐标轴（黄-蓝）明确的三维球面体系里对颜色进行评估。第三坐标轴L*代表亮度。在CIE色彩空间里，两个颜色之间的差异可以通过坐标计算并且定义为ΔE。通过这种方式，人眼感知到两种颜色的色差就可以被量化了。

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图5以及图6，7，8（p25）中的图标就是风化结果以及由CIELab体系计算出来色差(ΔE)。测试以及计算结果说明颜料的浓度以及颜料的选择对产品的耐候性有着重要的影响。随着颜料浓度的提高，褪色的程度越来越低。图9是以颜料G为例的颜料浓度与褪色程度的关系图。随着颜料浓度的提高，100%的改善可以实现。

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图6：颜料A/B的耐候性影响结果

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图7：颜料C/E的耐候性影响结果

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图8：颜料F/G的耐候性影响结果

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图9：不同颜料浓度对材料耐候性影响结果图

从实验结果同样也可以发现选对颜料在提高产品耐候性方面的作用也是至关重要的。图10以颜料C/E为例的实验结果，不同颜料结果可以差100%。将这两个实验结果结合起来，可以使得防褪色效果数倍地提高。此外，也对配方里的光稳定剂的影响做了实验。系列Ⅱ实验样品里含有0.4%的自由基清除剂（单体/低聚物），系列Ⅲ实验样品里含有1%的自由基清除剂，1%的紫外线吸收剂以及0.2%的抗氧化剂，系列Ⅰ实验样品里不含有任何的光稳定剂。实验结果如图11所示。在这里所有的颜色偏差都是纯粹靠视觉来评估，因为由于光稳定剂向表面的迁移会产生一个预料之外的“混沌”，误导实验的结果。结果显示光稳定剂的变化只会引起材料原始颜色的变化，在对抗褪色方面没有什么正面的效果。因此，选对颜料是非常必要的。为了得到光稳定剂对木-塑复合材料的耐久性和使用寿命的影响，机械性能的测试也是必要的。但是这些试验还尚未进行。

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结论

光稳定剂的使用对色彩强度基本没什么影响。但是可能会对木-塑复合材料的使用寿命和塑料成分的机械强度有比较大的影响。但是有关这方面的试验结果目前还没有得到，并且这也并不是我们做这项研究的直接目标。在对色彩强度以及耐候性的影响方面，选对颜料种类以及足够浓的颜料浓度是关键因素。

在这一系列的颜料测试中，没有发现颜料的价格和质量会对结果有什么直接的影响。实验结果为选择性价比高的颜料提供了依据。这就意味着每个体系都必须测试。鉴于它们已经有着长期实验的丰富结果，巴斯夫色彩解决公司可以为客户提供非常大范围内的有关色彩，添加剂以及复合色母粒方面的信息。这样就可以使得每个应用都在最佳的性价比上。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/22/2010)


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