摘要：本文阐述在汽车塑料着色中实现颜料高度分散和稳定处理技术，指出颜料预处理效果与颜料的破碎分散工艺密切相关，表面处理剂和分散剂影响着最终产品的分散性和稳定性，其选择因工艺过程和基体树脂的不同而异，同时，论讨了配色过程中影响汽车塑料产品质量的有关因素,以及着色剂对汽车塑料的机械力学性能的影响。
前言
汽车用塑料零部件分为三类：内饰件、外饰件和功能件。自20世纪90年代以来，随着汽车材料国产化的发展，我国汽车用塑料步入了快速发展的轨道。
在我国，塑料件约占汽车自重的7%～10%。汽车用塑料主要有改性PP，PVC，PU，不饱和树脂，ABS，PF，PE，PA，PC，复合材料等，其特点是物理机械性能优良，成型加工温度高、熔体粘度较大、制品应用条件苛刻、颜色要求高。汽车用塑料的颜料使用、着色、分散比通用塑料更难。如何在加工过程中获得均匀的分散性，保持颜色的持久性，是汽车用塑料着色的关键问题。
颜料（或“着色剂”，下同）的显色是通过颜料对可见光的选择性吸收和反射而实现的。因此除了颜料本身固有的性质外，颜料细粒的形状及大小对着色效果有着决定性的影响。就综合性能而言，颜料的最佳粒径为0.2-0.4um，小于此值，细粒子失去散射能力，遮盖下降，大于此值，使定量颜料的总表面积减少，着色力下降。颜料合成时，初期形成的颗粒很小，其粒径在0.01-1um范围，但微细颜料粒子在压滤、洗涤、干燥过程中，受表面能和表面水化层的影响而聚集在一起，形成颗粒粗大的聚集体。因此商品颜料的粒度大都在几十微米甚至上百微米，不仅着色力低，而且还会造成制品很多缺陷。若颜料粒子较粗大，产品注射成型时，强大的扯断力可使颜料粒子破碎，在5um 以下，最好是1um以下，才能获得较好的效果。在颜料粒子破碎过程中，颜料粒子的比表面积增加，粒子的表面能增加，处于不稳定状态，如不进行预处理，颜料粒子碰撞后仍会聚集在一起，形成较大颗粒的聚集体。因此，微细的颜料粒子必须经过润湿、渗透、浸渍，形成一种包覆层，使其获得稳定处理。另一方面，由于颜料与树脂结构与性能上的差异，有时会存在相容性的问题，形成明显的界面，因此，改善相容性，增加界面过渡层的厚度，实现物理或化学连接，增加分散性能，同时缓解物理机械力作用下形成的高能区，也是材料选择和预处理的关键。
颜料粒径的减小，定量颜料的表面积增大，吸收热能、加上水蒸汽、空气中的其它氧化和还原物质的破坏作用也越厉害，使颜料褪色加快，耐热性、耐光性、耐候性变差，粒径大小的变化还将导致色相方面的变化，因为颜料在化学成分一定后，由于粒度影响了光的反射、折射和吸收。粒度变细，颜料对可见光波长较短的部分反射较多，色相偏深；粒度较粗，颜料对可见光波长较长的部分反射相对较多，色相偏浅。这点在颜料着色过程中应予以重视。
颜料在应用过程中是以分散在连续相的树脂中，颜料粒子表面性质如润湿程度、与分散介质本身的相容性、与分散剂的亲和力的大小及其分散稳定性（有效阻止颜料微细粒子的凝聚能力）对着色制品的外观质量、物理机械性能有很大影响。以上诸多性能往往成为评价着色色粉及色母粒产品质量的重要指标。
1．汽车用塑料着色剂的结构及类型
汽车用塑料通常可以使用有机颜料、无机颜料、油溶性颜料及部分染料进行着色。这些着色剂可以制成粉状、粒状、膏状、糊状等形式。
汽车用塑料大多含有极性基因，油溶性颜料和染料在汽车用塑料中具有一定的溶解性，分散并不是很困难的问题。颜料是不溶于水和绝大多数有机溶剂染色基质的有色固体粉末，它是以高度分散的状态加入基质而使基质着色。因此，汽车用塑料着色使用的着色剂通常都要经过预处理制成一定的形状，并且保持良好的分散性。
汽车用塑料着色剂必须满足下列要求：
⑴耐晒性、耐候性优良
⑵热稳定性优良
⑶耐迁移性良好
⑷色泽鲜艳、着色力高
⑸其他要求：耐化学药品性、无毒性、电绝缘性、制件尺寸精度、力学性能保持性等。
使用较多的着色剂是色粉、色母粒。色粉通常由颜料、助剂、分散剂组成，色母粒通常由颜料、助剂、分散剂、载体树脂组成，具有三层或四层的核壳结构，与着色树脂基体具有良好的相容性。分散剂与载体树脂是相互溶合在一起的，没有明显的界面。
2．色粉、色母的生产工艺
2.1色粉的生产工艺
颜料拼混→预处理→分散细化→色粉
2.2色母粒的生产工艺
（颜料、分散剂、助剂）→湿润→破碎→均化稳定→混合→挤出机→切粒→色母粒
2.3颜料在塑料中的分散
颜料是不溶于水和其它溶剂的微细固体粉末，具有较高的表面能，在分散过程中与基体树脂缺乏相溶性，会形成明显的界面。一方面，界面上聚集能量，另一方面，在生产过程中含有颜料粒子的混合熔体在强烈的混合搅拌下会使颜料微细粒子彼此碰撞和接触而产生凝聚，既影响分散效果，也会因应力集中产生结构弱点，影响制品物理机械性能，因此，必须改善颜料粒子的表面润湿状态，设法增加界面层的厚度，形成核壳结构，使整个体系的熵增加（Δs>0），自由能下降（Δs<0）而获得稳定。对于恒温下的混合吉布斯自由能ΔGm为ΔGm=ΔHm-TΔSm式中ΔHm 和ΔSm分别为摩尔混合焓、摩尔混合熵，它们决定着多组分体系稳定的可能性。
对于混合体系来说，其混合过程自发进行的条件是ΔGm<0。通常，由于混合使体系的无序性增加，混合熵为正值。如果混合时放热，则ΔHm为负，混合过程能自发进行，体系中组分相容，而一般情况下，ΔHm为正值，因此，要根据ΔSm的大小，方能决定体系混合过程进行的程度。对于低分子物质，相容性大多决定于熵效应。对高分子物质来说，由于大分子链段之间相互制约、混合熵值的变化很小，其相容性和混合焓的影响较为重要。对于颜料分散体而言，存在的是低分子物质与高分子物质的混合体系，混合熵和混合焓共同影响体系组分子的相容性。表面活性剂改善颜料颗粒的表面状态，使自由能的变化ΔG<0，利用分散剂包覆颜料微细粒子，使其获得与基体树脂良好的相容性。因此，实施颜料的分散是化学方法与物理法相结合共同完成的过程。
表面活性剂可根据其对颜料的润湿性能、亲和能力以及油亲水平衡值的匹配并与分散剂的结合性充分考虑进行选择。如果表面活性剂与颜料产生相互作用，则ΔHm为正，ΔSm>0；若表面活性剂与分散剂相容，则颜料与分散剂可很好地结合，分散剂的选择是以能润湿颜料，并与助剂、载体树脂相容为原则，参考的依据是：
⑴溶解度参数
⑵极性相似的原则
⑶溶剂化原则（可将熔体看成溶剂）
在分散剂对颜料润湿过程中，必须克服分子间的内聚力，使分散剂分子与颜料粒子之间的亲和力大于颜料分子间的内聚力。低分子量的分散剂，其相互间的分子间内聚不强，对颜料润湿性能较好。有时候，分散作用常常由多种分散剂组成的复合分散剂而实现的。为满足很好的润湿性能，分散剂的分子量不能太高，但为满足加工性能及制品使用的要求，低分子挥发物会产生不良的影响。机械力作用下又需要高分子物质提高的剪切力。若分散剂与树脂基体相容性不好，则会使制品产生缺陷，机械性能也会受影响。
由于表面能的作用，颜料微细粒子之间产生吸引力，使得颗粒聚集成较大块。吸引力包括：范德华力、静电力、氢键力、磁力等。颜料预制物和色母粒的生产就是把这些聚集的颜料小块润湿、破碎并均匀而稳定地分散于载体树脂中的过程。
要想获得良好的分散效果，颜料粒子必须经过润湿、破碎、均化、稳定处理四个独立的物理（或物理化学）过程。
润湿：暴露于空气中的固体表面总是吸附气体的，当它与分散介质接触时，气体如被排斥而离开表面，则固体与分散介质直接触而被润湿，如某种介质对颜料的润湿程度不佳时，则应设法改善其表面状态，表面活性剂是改善表面润湿状况的重要助剂。对塑料着色来说，颜料的润湿介质一般是树脂熔体，润湿阻力取决于颜料表面是亲水性的还是疏水性的、极性的还是非极性的，同时，取决于树脂的性能、颜料粒子气孔的几何形状、附聚体的结构，树脂熔体的粘度也起重要作用。
当用某一确定的树脂润湿某种确定的颜料时，唯一可能的因素就是粘度。加快分散过程的唯一方法就是减少粘度，一般采用升温的方法。
破碎：颜料破碎过程一般是打碎附聚体，使其被机械分离成原始或接近原始颗粒大小的粒子。表面分子被吸引的现象是产生力的不平衡的根源。颜料附聚体一般通过范德华力（吸引力）和静电力（相反电荷间形成的力）相互作用的，除此之外，还可能有磁力或氢键力等使颜料粒子聚集在一起，颗粒愈小，距离愈近，相互作用力愈大。分散颜料即打碎附聚体就必须克服这些力，分散所需要的力随细度而增加。
所需要的力由剪切提供，剪切力是通过研磨或捏合聚合物熔体产生的。这些力足以打碎附聚体。就颜料分散而言，熔体粘度越大，剪切力越大。但是，高的粘度需要最低的可能温度，这就与颜料最佳润湿需求相矛盾，中间温度意味着不够充分的剪切和中等的润湿。最佳的分散条件因颜料、树脂和机械设备而异，必须根据具体情况确定最佳的工艺条件从而获得最充分的分散效果。
均化：润湿颜料和打碎附聚体并不能保证颜料分散均匀，而颜料必须均匀地分布在塑料混合体中。打碎附聚体需要时间和能量保证颜料均匀分散，而这一点常常被忽视。当使用预分散颜料（色母粒或颜料制物）时，较差的分散情况通常是由混合时间太短引起颜料不能均匀分散造成的。
稳定：使颜料微细粒子表面包覆分散剂层，阻止颜料粒子在接触和碰撞过程中结合再聚集。对低粘度液体系统，这一过程是很重要的，而对高粘度的树脂基体而言，很少存在因稳定性而产生的问题。就树脂基体中的单个粒子而言，尽管热力学上是不稳定的体系，但在动力学上是稳定的体系。
把已湿润的颜料颗粒，分散到大量树脂基体中去，形成永久性的颗粒分离叫分散。保持分散稳定，就是保持颗粒分离，颜料颗粒表面吸附助剂及分散剂形成一个缓冲层而阻止颗粒接近。在无机械分离作用力下，分散剂从颗粒空隙的一端进入，被置换的气体从另一端排出。颜料如聚集紧密（其间隙直径小），分散剂粘度大时，则颜料阻碍分散剂渗入颗粒，所以，如无机械分离，润湿进度很慢，而且仅能达到一定的限度。为完成润湿过程，必须使新暴露的颜料表面与分散剂接触。研磨就是利用机械力所能提供的使较大聚集体颗粒破裂的手段，使每个颗粒表面受到润湿。颜料颗粒进入大量分散剂中实行永久分离。破碎是润湿过程的继续。
分散剂粘度愈小，润湿完成的愈充分，最好是以液体状润湿。如液状聚乙烯蜡加入白油，因白油粘度小，高温下可溶解聚乙烯蜡、与蜡一同渗入。另一方面，加入硬脂酸盐与颜料有亲和力，也可溶于油中，与颜料结合后改善（增强）颜料的亲油性。使用粘度极低，表面张力又小的溶剂，可较快渗入颜料聚集体颗粒，且很快展布于暴露的颗粒表面。但因粘度低和具有挥发性，只能使颜料颗粒暂时分离。介质粘度小，颗粒运动时受到的阻力较小，因而容易重新聚集。所以为保持分散，需要一定量的不挥发物质来形成连续的永久颜料包覆层，使颜料颗粒即分离又持久。若分散剂粘度小，剪切力低，对颜料的破碎能力减小。另一方面，与基体树脂粘度差别大时，不容易分散，因为二者之间的作用力小，分散力小，导致微相混合程度差。如果分散介质中挥发成分高，对汽车塑料制品的性能及外观会有很大的影响。
在压力或强烈碰撞条件下，颜料失去其本身的结构，附聚体变得紧凑，形成了难以打碎的坚硬固体，这些称为紧凑粒。它们通常是由于不正确分散方法造成的，如在颜料表面被完全润湿之前，被加以强烈的压力、碰撞、剪切等。这些现象可能发生在高速或密闭混炼器或连续捏合混合器中，甚至在常规的塑料加工机械中都可能发生。因此，实际操作过程中必须引起高度注意。
——未完，待续