木塑復合材料用著(zhù)色顏料和光穩定劑
木塑復合材料（WPC）產(chǎn)品是目前復合材料市場(chǎng)不可或缺的一部分。這種材料最大的缺陷之一就是由紫外線(xiàn)和環(huán)境潮濕引起的風(fēng)化降解問(wèn)題。特殊的著(zhù)色顏料和光穩定劑為解決該問(wèn)題提供了一條可行之路。
當今現代生活中，木-塑復合材料（WPC）制品已隨處可見(jiàn)。在歐洲，德國是該類(lèi)產(chǎn)品最重要的一個(gè)市場(chǎng)。除了有超過(guò)35家的木-塑復合材料制造商外，德國的木-塑復合材料供應商的數量是位于第二位和第三位的奧地利和法國的總和的兩倍還多。德國去年一年木-塑復合材料制品的消耗量為70000噸，占到整個(gè)歐洲年消耗量170000噸的41%，是該市場(chǎng)的領(lǐng)跑者。過(guò)去的10年中，木-塑復合材料的需求量一直在逐年迅速增長(cháng)中。單單是德國需求量就從2004年的5000噸增長(cháng)到了2009年的70000噸。在歐洲照這個(gè)趨勢持續下去，足以說(shuō)明木-塑復合材料制品在整個(gè)復合成材料市場(chǎng)中的重要性。
木-塑復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%（題頭圖）。木-塑復合材料在這一塊會(huì )取得壓倒性的勝利主要是由于相較傳統的木質(zhì)地板其擁有非常顯著(zhù)的優(yōu)勢。木-塑復合材料制品除了具有像可針對個(gè)性化要求做設計之類(lèi)的審美方面的優(yōu)勢之外，還具有很多其它功能性的優(yōu)勢如防滑性能優(yōu)，抗裂性能佳以及重量輕等。
木-塑復合材料制備的甲板要比純木制的結實(shí)耐用
木-塑復合材料
木-塑復合材料是各種不同含量的木材，塑料和添加劑復合而成的合成材料的總稱(chēng)。它們和木材的性能非常類(lèi)似，但是可以采用加工塑料的方式來(lái)加工，例如擠出或注塑成型。
這些材料的生產(chǎn)，常用到的原料有好的木頭纖維（各種軟木或硬木，膠合板或者其它來(lái)源的纖維素纖維填料），各種不同的塑料（PP、PE、PVC）以及各色添加劑等。
根據用途的不同，幾乎所有塑料工業(yè)使用到的添加劑都被應用到了木-塑復合材料的制備中，比如光穩定劑、抗氧化劑、潤滑劑、阻燃劑、顏料、附著(zhù)力促進(jìn)劑和殺菌劑。由于木-塑復合材料制品經(jīng)常在戶(hù)外使用的關(guān)系，使得它們不僅要有對抗氣候風(fēng)化的特性而且對生化腐蝕也要有一定的對抗性。由于木-塑復合材料制品的主要成分還是木材，因此它們還容易遭到對木制品有害的微生物的侵蝕。而這些可以通過(guò)添加殺菌劑來(lái)解決。
同樣由于其主要成分為是木材，所以該材料制品同木材一樣屬于易燃物。但是我們可以通過(guò)添加阻燃劑來(lái)改善它的燃燒性能。同時(shí)，附著(zhù)力促進(jìn)劑也是非常重要的添加劑，它可以提高木材纖維與聚合物之間的骨架強度，對提高材料的機械性能有著(zhù)非常大的作用。為此，位于德國科隆的巴斯夫色彩解決德國有限責任公司可以為您提供量身定做的創(chuàng )新性的產(chǎn)品，例如Sicolen W、Sicoversal 和Sicoplast W 來(lái)優(yōu)化木-塑復合材料的性能。
環(huán)境效應
木-塑復合材料制品的首要成分是木材。木材是主要由多種多糖如纖維素，多纖維素和木質(zhì)素等組成的復雜的生物高分子有機體。這種各向異性的材料的技術(shù)性能不可避免的要受到環(huán)境的影響。應用在戶(hù)外部分的木-塑復合材料制品要直接遭受諸如氣溫變化，紫外線(xiàn)以及潮濕環(huán)境等環(huán)境因素的風(fēng)化作用。光化學(xué)作用是這樣的一個(gè)過(guò)程，即表面的木質(zhì)素在紫外光的照射下分解成為一種褐色的物質(zhì)，而該物質(zhì)是水溶性的。這些表面的褐色物質(zhì)被雨水溶解沖刷掉后，露出來(lái)的白色纖維素接著(zhù)被侵蝕變得花白（圖1）。
這一過(guò)程被認為是造成木制品褪色的主要原因，是得到特定質(zhì)量要求的產(chǎn)品所面臨的一大挑戰（圖2）?？傊?，如何優(yōu)化木-塑復合材料性能，提高其對環(huán)境的抵抗力還是一個(gè)面臨著(zhù)許多未知問(wèn)題等待去研究與解決的研究領(lǐng)域。
巴斯夫色彩解決公司已經(jīng)開(kāi)始著(zhù)手這一方面的研究，將目光投向了木-塑復合材料的彩色顏料和光穩定劑這一塊，試圖通過(guò)這些手段解決該材料的耐候性問(wèn)題。
保持性能，防止掉色
為了保護好木頭與塑料防止掉色，顏料和添加劑比如光穩定劑是必不可少的。木-塑復合材料的著(zhù)色，不可避免要涉及到色母粒和顏料粉的制備（圖3）。也只有具有最高的耐光度和耐候度的顏料適用于木-塑復合材料的著(zhù)色。當然，也只有復合材料中的塑料部分是被著(zhù)色的，木材則不包括在內。
光穩定劑可以保護塑料免遭脆化和變色，同時(shí)將氣候對材料機械性能的影響降到最低。常用的光穩定劑有紫外線(xiàn)吸收劑和作為自由基清除劑的位阻胺劑（HALS）。有機紫外線(xiàn)吸收劑可以吸收一定波長(cháng)范圍內的光并將其轉換為熱能。自由基清除劑可以中和短波紫外光照射產(chǎn)生的自由基。因此它們可以保護塑料免受紫外線(xiàn)的光蝕，確保材料的機械性能不變。
自由基清除劑可分為兩大類(lèi)：?jiǎn)误w自由基清除劑（低分子量<1000克/摩爾）和低聚物自由基清除劑（高分子量>1000克/摩爾）。
由于分子量相對較低，所以單體自由基清除劑比低聚物自由基清除劑的遷移速率更快，在表面的反應速率也更快。通過(guò)將紫外線(xiàn)吸收劑和自由基清除劑結合起來(lái)，就可以建立起多種不同模式的反應體系來(lái)更好的保護聚合物的性能。
添加劑作用的研究
眾所周知，顏料可以有效地減緩木-塑復合材料表面的褪色。但是顏料對產(chǎn)品的耐候性是否會(huì )有影響以及選擇顏料的關(guān)鍵在哪？
光穩定劑的加入可以保護戶(hù)外使用的木-塑復合材料制品免收紫外輻射的損害。光穩定劑又是如何有效地對抗氣候對制品的影響的？
為找到這些問(wèn)題的答案，大量的實(shí)驗測試是必不可少的?？紤]到幾乎所有木-塑復合材料的顏色都是在黃色、棕色以及紅色的基礎上混合而來(lái)的，所以采用的是以下幾種基礎測試方法。即將不同濃度（0.5、1.0和2.0%）的這幾種顏料作風(fēng)化50、100、200和400小時(shí)的測試來(lái)觀(guān)察結果。加速風(fēng)化在QUV紫外線(xiàn)加速風(fēng)化測試儀中測試。
紫外線(xiàn)加速風(fēng)化測試是一種人為的模擬來(lái)評估暴露在紫外線(xiàn)和冷凝環(huán)境下的表面的耐候性測試方法。用紫外熒光燈來(lái)模擬太陽(yáng)光。一個(gè)測試周期由60℃暴露在紫外線(xiàn)下4小時(shí)和50℃黑暗潮濕環(huán)境中4小時(shí)兩部分測試組成。風(fēng)化溫度是自動(dòng)調節的，就如同紫外輻射和冷凝間的交替。相對短時(shí)間的風(fēng)化時(shí)間證實(shí)了我們事先的預料，即400小時(shí)的風(fēng)化并沒(méi)有產(chǎn)生顯著(zhù)的色彩的變化。此外，制備測試樣品時(shí)適量的光穩定劑已經(jīng)添加了進(jìn)去并且也研究了這些光穩定劑對材料耐風(fēng)化性的影響。所有測試樣品中PP與木材的比例均為三七開(kāi)。
木材表面的顏色信息通過(guò)分光光度儀測得。D65發(fā)光體用來(lái)代替彌漫日光。采用CIELab色彩空間模型（圖4，p25）來(lái)客觀(guān)地描述木材的顏色。在這個(gè)模型里，每個(gè)顏色用其光譜能量分布曲線(xiàn)來(lái)代替。在一個(gè)被a*坐標軸（紅-綠）和b*坐標軸（黃-藍）明確的三維球面體系里對顏色進(jìn)行評估。第三坐標軸L*代表亮度。在CIE色彩空間里，兩個(gè)顏色之間的差異可以通過(guò)坐標計算并且定義為ΔE。通過(guò)這種方式，人眼感知到兩種顏色的色差就可以被量化了。
圖5以及圖6，7，8（p25）中的圖標就是風(fēng)化結果以及由CIELab體系計算出來(lái)色差(ΔE)。測試以及計算結果說(shuō)明顏料的濃度以及顏料的選擇對產(chǎn)品的耐候性有著(zhù)重要的影響。隨著(zhù)顏料濃度的提高，褪色的程度越來(lái)越低。圖9是以顏料G為例的顏料濃度與褪色程度的關(guān)系圖。隨著(zhù)顏料濃度的提高，100%的改善可以實(shí)現。
圖6：顏料A/B的耐候性影響結果
圖7：顏料C/E的耐候性影響結果
圖8：顏料F/G的耐候性影響結果
圖9：不同顏料濃度對材料耐候性影響結果圖
從實(shí)驗結果同樣也可以發(fā)現選對顏料在提高產(chǎn)品耐候性方面的作用也是至關(guān)重要的。圖10以顏料C/E為例的實(shí)驗結果，不同顏料結果可以差100%。將這兩個(gè)實(shí)驗結果結合起來(lái)，可以使得防褪色效果數倍地提高。此外，也對配方里的光穩定劑的影響做了實(shí)驗。系列Ⅱ實(shí)驗樣品里含有0.4%的自由基清除劑（單體/低聚物），系列Ⅲ實(shí)驗樣品里含有1%的自由基清除劑，1%的紫外線(xiàn)吸收劑以及0.2%的抗氧化劑，系列Ⅰ實(shí)驗樣品里不含有任何的光穩定劑。實(shí)驗結果如圖11所示。在這里所有的顏色偏差都是純粹靠視覺(jué)來(lái)評估，因為由于光穩定劑向表面的遷移會(huì )產(chǎn)生一個(gè)預料之外的“混沌”，誤導實(shí)驗的結果。結果顯示光穩定劑的變化只會(huì )引起材料原始顏色的變化，在對抗褪色方面沒(méi)有什么正面的效果。因此，選對顏料是非常必要的。為了得到光穩定劑對木-塑復合材料的耐久性和使用壽命的影響，機械性能的測試也是必要的。但是這些試驗還尚未進(jìn)行。
結論
光穩定劑的使用對色彩強度基本沒(méi)什么影響。但是可能會(huì )對木-塑復合材料的使用壽命和塑料成分的機械強度有比較大的影響。但是有關(guān)這方面的試驗結果目前還沒(méi)有得到，并且這也并不是我們做這項研究的直接目標。在對色彩強度以及耐候性的影響方面，選對顏料種類(lèi)以及足夠濃的顏料濃度是關(guān)鍵因素。
在這一系列的顏料測試中，沒(méi)有發(fā)現顏料的價(jià)格和質(zhì)量會(huì )對結果有什么直接的影響。實(shí)驗結果為選擇性?xún)r(jià)比高的顏料提供了依據。這就意味著(zhù)每個(gè)體系都必須測試。鑒于它們已經(jīng)有著(zhù)長(cháng)期實(shí)驗的豐富結果，巴斯夫色彩解決公司可以為客戶(hù)提供非常大范圍內的有關(guān)色彩，添加劑以及復合色母粒方面的信息。這樣就可以使得每個(gè)應用都在最佳的性?xún)r(jià)比上。
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