一种二氧化硅-石墨烯改性色母粒及其制备方法

摘要

本发明公开了一种二氧化硅‑石墨烯改性色母粒及其制备方法，由以下质量份的原料制成：二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体25‑35份、颜料色粉50‑60份、分散剂12‑18份。本发明色母粒针对聚氯乙烯载体进行改性处理，分别以石墨烯和二氧化硅进行二次改性，减小了颜料的迁移速率，提高色母粒整体稳定性，令颜料颜色保持时间更为长久，本发明产品制备过程无毒环保，且工艺简便，可节约人力、电力、设备和生产场地，所得产品耐老化、耐迁移性好，稳定性强，其颜色鲜艳、分散性好、保持期长，同时生产过程适合自动化、连续化生产，能产生较好的经济效益。

权利要求

1.一种二氧化硅‑石墨烯改性色母粒，其特征在于，由以下质量份的原料制成：二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体25‑35份、颜料色粉50‑60份、分散剂12‑18份,所述二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体的制备方法包括以下步骤：（1）取石墨烯分散于无水乙醇中，向其中加入石墨烯质量一半的硅烷偶联剂，于500W、

50℃下超声反应2‑4小时，所得分散液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

（2）取纳米二氧化硅溶于无水乙醇中，剪切分散后向其中加入纳米二氧化硅质量3‑5%的硅烷偶联剂，于75‑85℃下高速剪切30分钟，再于500W、50℃下超声分散30分钟，所得分散液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

（3）将步骤1、步骤2所得材料与聚氯乙烯按质量比（1‑2）：（2‑3）：（95‑97）计量称取后，将预热至110‑130℃的聚氯乙烯送入炼塑机中，熔融后薄通包辊，并加入石墨烯和二氧化硅材料材料，混炼均匀即可,

所述步骤(3)中炼塑机的辊距控制在0.8‑1.2mm，辊温控制在130‑150℃,所述颜料色粉选自镉红、氧化铁黄、 钛白粉中的任意一种，所述分散剂选自聚乙烯低分子蜡、聚氨酯聚合物、硬脂酸钙中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的二氧化硅‑石墨烯改性色母粒，其特征在于，还可以根据产品性能需求添加阻燃剂、增亮剂以及抗氧化剂。

3.一种如权利要求1‑2任一项所述的二氧化硅‑石墨烯改性色母粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体、颜料色粉、分散剂依次加入到搅拌机中，

100‑150转/分钟搅拌混合4‑6分钟，得到混合料；

（2）将上述混合料送入混炼机中，于60‑80℃下以400‑500转/分钟的速度高速剪切混炼，得到高分散聚合料；

（3）将上述聚合料送入双螺杆挤出机中，挤出并切粒，所得母粒经脱水、干燥、筛分后即得本发明色母粒。

4.根据权利要求3所述的二氧化硅‑石墨烯改性色母粒的制备方法，其特征在于，所述步骤3中双螺杆挤出机的温区设定依次为160‑165℃、165‑175℃、165‑175℃、175‑185℃、

180‑190℃，主机转速控制为500‑600转/分钟。

说明书

一种二氧化硅‑石墨烯改性色母粒及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于色母粒技术领域，尤其涉及一种二氧化硅‑石墨烯改性色母粒及其制备方法。

背景技术

[0002] 色母粒是一种常用的塑料着色剂，其具有以下优点：1、使颜料在制品中具有更好的分散性；2、有利于保持颜料的化学稳定性：直接使用颜料的话，由于在贮存和使用过程中
颜料直接接触空气，颜料会发生吸水、氧化等现象，而做成色母粒后，由于树脂载体将颜料
和空气、水分隔离，可以使颜料的品质长期不变；3、保证制品颜色的稳定：色母粒与树脂颗
粒相近，在计量上更方便准确，混合时不会粘附于容器上，与树脂的混合也较均匀，因此可
以保证添加量的稳定，从而保证制品颜色的稳定；4、保护操作人员的健康：颜料一般是粉
状，添加和混合时容易飞扬，被人体吸入后将影响操作人员的健康；5、保持环境的洁净，不
沾污器皿；6、工序简单，转色容易，节省时间和原材料。

[0003] 目前色母粒的制备方法普遍为把载体、着色剂、分散剂以及其他添加剂简单混和，由于方式较为简单，制品依然存在不足，如着色不均匀、颜料负载较低、色差大、成本高；当
前，我国色母粒制造方式多采用双螺杆混炼挤出，密炼捏合，双辊开炼机，这些加工工艺一
般适用处理低浓度色粉分散；当色母粒中钛白粉含量高于40％，常规方法单一加工成型的
色母粒在对基材着色时出现宏观分散不均，颜色不稳定等难题。鉴于此，本发明通过对色母
粒的载体基质进行改进，从而提高色母粒整体性能，具有较好的使用价值。

发明内容

[0004] 本发明目的是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种二氧化硅‑石墨烯改性色母粒及其制备方法。

[0005] 为了实现上述的目的，本发明提供以下技术方案：

[0006] 一种二氧化硅‑石墨烯改性色母粒，由以下质量份的原料制成：二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体25‑35份、颜料色粉50‑60份、分散剂12‑18份。

[0007] 进一步的，所述二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体的制备方法包括以下步骤：

[0008] (1)取石墨烯分散于无水乙醇中，向其中加入石墨烯质量一半的硅烷偶联剂，于500W、50℃下超声反应2‑4小时，所得分散液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

[0009] (2)取纳米二氧化硅溶于无水乙醇中，剪切分散后向其中加入纳米二氧化硅质量3‑5％的硅烷偶联剂，于75‑85℃下高速剪切30分钟，再于500W、50℃下超声分散30分钟，所
得分散液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

[0010] (3)将步骤1、步骤2所得材料与聚氯乙烯按质量比(1‑2)：(2‑3)：(95‑97)计量称取后，将预热至110‑130℃的聚氯乙烯送入炼塑机中，熔融后薄通包辊，并加入石墨烯和二氧
化硅材料材料，混炼均匀即可。

[0011] 进一步的，所述步骤3中炼塑机的辊距控制在0.8‑1.2mm，辊温控制在130‑150℃。

[0012] 优选的，所述颜料色粉选自镉红、镉黄、氧化铁黄、氧化铁红、氧化铁黑、炭黑、钛白粉、铬绿、酞菁红、酞菁蓝、酞菁绿、偶氮红中的任意一种。

[0013] 优选的，所述分散剂选自聚乙烯低分子蜡、聚氨酯聚合物、硬脂酸盐、咪唑及其衍生物中的任意一种。

[0014] 优选的，所述的二氧化硅‑石墨烯改性色母粒，还可以根据产品性能需求添加阻燃剂、增亮剂以及抗氧化剂。

[0015] 本发明还提供了一种如上所述的二氧化硅‑石墨烯改性色母粒的制备方法，包括以下步骤：

[0016] (1)将二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体、颜料色粉、分散剂依次加入到搅拌机中，100‑150转/分钟搅拌混合4‑6分钟，得到混合料；

[0017] (2)将上述混合料送入混炼机中，于60‑80℃下以400‑500转/分钟的速度高速剪切混炼，得到高分散聚合料；

[0018] (3)将上述聚合料送入双螺杆挤出机中，挤出并切粒，所得母粒经脱水、干燥、筛分后即得本发明色母粒。

[0019] 进一步的，所述步骤3中双螺杆挤出机的温区设定依次为160‑165℃、165‑175℃、165‑175℃、175‑185℃、180‑190℃，主机转速控制为500‑600转/分钟。

[0020] 本发明的优点是：

[0021] 本发明色母粒针对聚氯乙烯载体进行改性处理，分别以石墨烯和二氧化硅进行二次改性，其中石墨烯改性利用了石墨烯较好的导热、拉伸等性能，先通过硅烷偶联剂与石墨
烯表面的含氧基团反应增加层间距，促进石墨烯在后续混炼过程中被聚氯乙烯分散包辊，
提高其结合性，进而增强载体的力学性能，同时正是由于石墨烯的加入，提高了载体体系的
平均分子量，增加了体系黏度，减缓了高分子链段的运动，从而令分子距离减小，结构更为
紧密，增加了其与颜料色粉之间聚合物链的相互作用，减小了颜料的迁移速率；之后再加以
二氧化硅改性，经过硅烷偶联剂处理后的二氧化硅纳米粒子比表面积大，化学反应活性强，
由于表面带有双反应官能团，与聚氯乙烯具有较好的亲和力，可通过二氧化硅的桥梁作用，
增加颜料色粉和聚氯乙烯的结合，提高色母粒整体稳定性，另一方面，二氧化硅还可以作为
界面修饰剂，能够与颜料色粉之间形成比较稳定的硅氧金属化学键，从而在色粉表面形成
牢固的二氧化硅膜，减少了色粉与水和空气的接触，提高了其抗老化性，且着色时颜色稳定
性提高，色差小。

[0022] 本发明产品制备过程无毒环保，且工艺简便，可节约人力、电力、设备和生产场地，所得产品耐老化、耐迁移性好，即着色时颜色稳定性提高，色差小，同时生产过程适合自动
化、连续化生产，能产生较好的经济效益。

具体实施方式

[0023] 以下结合具体的实例对本发明的技术方案做进一步说明：

[0024] 实施例1

[0025] 一种二氧化硅‑石墨烯改性色母粒，由以下质量的原料制成：二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体25kg、镉红色粉50kg、聚乙烯低分子蜡12kg、阻燃剂3kg。

[0026] 所述二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体的制备方法包括以下步骤：

[0027] (1)取石墨烯分散于无水乙醇中，向其中加入石墨烯质量一半的硅烷偶联剂，于500W、50℃下超声反应2小时，所得分散液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

[0028] (2)取纳米二氧化硅溶于无水乙醇中，剪切分散后向其中加入纳米二氧化硅质量3％的硅烷偶联剂，于75℃下高速剪切30分钟，再于500W、50℃下超声分散30分钟，所得分散
液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

[0029] (3)将步骤1、步骤2所得材料与聚氯乙烯按质量比1：2：97计量称取后，将预热至110℃的聚氯乙烯送入炼塑机中，辊距控制在0.8mm，辊温控制在150℃，熔融后薄通包辊，并
加入石墨烯和二氧化硅材料材料，混炼均匀即可。

[0030] 一种如上所述的二氧化硅‑石墨烯改性色母粒的制备方法，包括以下步骤：

[0031] (1)将二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体、镉红色粉、聚乙烯低分子蜡、阻燃剂依次加入到搅拌机中，100转/分钟搅拌混合6分钟，得到混合料；

[0032] (2)将上述混合料送入混炼机中，于60℃下以500转/分钟的速度高速剪切混炼，得到高分散聚合料；

[0033] (3)将上述聚合料送入双螺杆挤出机中，温区设定依次为160℃、165℃、165℃、175℃、180℃，主机转速控制为600转/分钟，挤出并切粒，所得母粒经脱水、干燥、筛分后即得本
实施例色母粒。

[0034] 实施例2

[0035] 一种二氧化硅‑石墨烯改性色母粒，由以下质量的原料制成：二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体35kg、氧化铁黄色粉60kg、聚氨酯聚合物18kg、抗氧化剂7kg。

[0036] 所述二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体的制备方法包括以下步骤：

[0037] (1)取石墨烯分散于无水乙醇中，向其中加入石墨烯质量一半的硅烷偶联剂，于500W、50℃下超声反应4小时，所得分散液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

[0038] (2)取纳米二氧化硅溶于无水乙醇中，剪切分散后向其中加入纳米二氧化硅质量5％的硅烷偶联剂，于85℃下高速剪切30分钟，再于500W、50℃下超声分散30分钟，所得分散
液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

[0039] (3)将步骤1、步骤2所得材料与聚氯乙烯按质量比2：3：95计量称取后，将预热至130℃的聚氯乙烯送入炼塑机中，辊距控制在1.2mm，辊温控制在130℃，熔融后薄通包辊，并
加入石墨烯和二氧化硅材料材料，混炼均匀即可。

[0040] 一种如上所述的二氧化硅‑石墨烯改性色母粒的制备方法，包括以下步骤：

[0041] (1)将二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体、氧化铁黄色粉、聚氨酯聚合物、抗氧化剂依次加入到搅拌机中，150转/分钟搅拌混合4分钟，得到混合料；

[0042] (2)将上述混合料送入混炼机中，于80℃下以400转/分钟的速度高速剪切混炼，得到高分散聚合料；

[0043] (3)将上述聚合料送入双螺杆挤出机中，温区设定依次为165℃、175℃、175℃、185℃、190℃，主机转速控制为500转/分钟，挤出并切粒，所得母粒经脱水、干燥、筛分后即得本
实施例色母粒。

[0044] 实施例3

[0045] 一种二氧化硅‑石墨烯改性色母粒，由以下质量的原料制成：二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体30kg、钛白粉55kg、硬脂酸钙15kg。

[0046] 所述二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体的制备方法包括以下步骤：

[0047] (1)取石墨烯分散于无水乙醇中，向其中加入石墨烯质量一半的硅烷偶联剂，于500W、50℃下超声反应3小时，所得分散液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

[0048] (2)取纳米二氧化硅溶于无水乙醇中，剪切分散后向其中加入纳米二氧化硅质量4％的硅烷偶联剂，于80℃下高速剪切30分钟，再于500W、50℃下超声分散30分钟，所得分散
液真空抽滤并洗至中性，干燥备用；

[0049] (3)将步骤1、步骤2所得材料与聚氯乙烯按质量比1.5：2.5：96计量称取后，将预热至120℃的聚氯乙烯送入炼塑机中，辊距控制在1.0mm，辊温控制在140℃，熔融后薄通包辊，
并加入石墨烯和二氧化硅材料材料，混炼均匀即可。

[0050] 一种如上所述的二氧化硅‑石墨烯改性色母粒的制备方法，包括以下步骤：

[0051] (1)将二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯载体、钛白粉、硬脂酸钙依次加入到搅拌机中，120转/分钟搅拌混合5分钟，得到混合料；

[0052] (2)将上述混合料送入混炼机中，于70℃下以450转/分钟的速度高速剪切混炼，得到高分散聚合料；

[0053] (3)将上述聚合料送入双螺杆挤出机中，温区设定依次为160℃、170℃、175℃、180℃、185℃，主机转速控制为550转/分钟，挤出并切粒，所得母粒经脱水、干燥、筛分后即得本
实施例色母粒。

[0054] 对比例

[0055] 与实施例3相比，不使用二氧化硅‑石墨烯改性聚氯乙烯作为载体，仅使用普通市售聚氯乙烯作为载体，具体步骤如下：

[0056] 一种色母粒，由以下质量的原料制成：聚氯乙烯载体30kg、钛白粉55kg、硬脂酸钙15kg，制备方法，包括以下步骤：

[0057] (1)将聚氯乙烯载体、钛白粉、硬脂酸钙依次加入到搅拌机中，120转/分钟搅拌混合5分钟，得到混合料；

[0058] (2)将上述混合料送入混炼机中，于70℃下以450转/分钟的速度高速剪切混炼，得到高分散聚合料；

[0059] (3)将上述聚合料送入双螺杆挤出机中，温区设定依次为160℃、170℃、175℃、180℃、185℃，主机转速控制为550转/分钟，挤出并切粒，所得母粒经脱水、干燥、筛分后即得本
对比例色母粒。

[0060] 对实施例1、2、3以及对比例所得色母粒进行质量检测，具体如下：

[0061] 耐迁移性测试：

[0062] 将已着色的色母粒挤压成片状，将其与含5％不同色粉的PVC片以1kg/cm2的压力在80℃温度紧密贴合放置24小时后，观察PVC片上被沾污程度，并以标准灰卡评判之。5级表
示无迁移，1级迁移严重，结果如表1所示：

[0063] 表1

[0064]   实施例1 实施例1 实施例1 对比例迁移评级 5级 5级 5级 3级

[0065] 由上表1可以看出，在对聚氯乙烯载体进行石墨烯、二氧化硅复合改性后，所得色母粒材料的耐迁移性显著提高。

[0066] 耐热性测试：

[0067] 采用热失重分析仪进行失重分析测试：N2氛围，升温速度为10℃/分钟，升温区间为30‑600℃，结果如表2所示：

[0068] 表2

[0069]  T5％(℃) T50％(℃) T90％(℃) Tmax(℃)
实施例1 208.6 295.4 593.5 294.1
实施例2 206.5 294.8 592.4 294.0
实施例3 209.1 295.7 594.0 294.3
对比例 184.7 288.5 489.2 288.6

[0070] 由上表2可以看出，在对聚氯乙烯载体进行石墨烯、二氧化硅复合改性后，在失重率达到5％、50％、90％时其分解温度均高于未改性材料，且最大分解速率对应的温度也显
著增加，可见其耐热性能获得提升，表明着色时颜色稳定性增强。

[0071] 滤网压力值测试：

[0072] 含有3％颜料的聚合物基混合物流过配有熔体泵和多孔板支撑的过滤网组件的挤出机，在过滤网组件前端安装有熔体压力传感器，起始压力与熔体泵后过滤网组件前压力
传感器测得的压力差即为过滤网压力值(FPV)，利用其大小表征色母的分散效果，FPV值越
小，分散性越好。

[0073] 挤出机温度分布：输送段200℃，其余段240℃。

[0074] 挤出量：53g/分钟。

[0075] 压力传感器刻度尺：kg/cm2。

[0076] 表3

[0077]  实施例1 实施例2 实施例3 对比例
滤网压力值 0.36 0.38 0.35 1.17

[0078] 由上表3可以看出，在对聚氯乙烯载体进行石墨烯、二氧化硅复合改性后，色母粒的滤网压力值显著降低，表明其在基材中的分散性得到增强。

[0079] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。