ПРОИЗВОДСТВО
ОКРАШЕННЫХ ПЛАСТМАСС
Перевод с английского
2-е издание под редакцией Р. А. Чарвата
д-ра физ.-мат. наук, проф. С. В. Бронникова
(Институт высокомолекулярных соединений РАН)
Консультант П. П. Новосельцев (компания X-Rite)
Санкт-Петербург, 2009
Стр.3
УДК 678.01:53
ББК 35.62Англ
П80
П80
Производство окрашенных пластмасс. / Под ред. Чарвата Р. А.
Пер. с англ. — СПб.: Научные основы и технологии, 2009. — 400 с.
ISBN 978-5-91703-007-4
ISBN 978-0-471-13906-8 (англ.)
В предлагаемом вашему вниманию издании цвет пластмасс рассматривается как
научная дисциплина, а содержание составлено таким образом, чтобы охватить наиболее
важные научные и технические аспекты окрашивания полимерных материалов.
В книге приведены основы колориметрии, которые дают читателю знания, необходимые
для понимания технологических процессов окрашивания полимеров;
информацию об измерении цвета, его визуального и инструментального подбора.
Приводятся сведения о спецификации цвета; содержится информация о важнейших
классах колорантов и их свойствах; оборудовании, которое используется для введения
колорантов в расплав полимера. Обсуждаются вопросы вторичной переработки
бракованных полимерных изделий. Очень важной проблемой является возможное
взаимодействие колорантов с другими компонентами; их знание поможет предостеречь
технолога от множества проблем, возникающих при окрашивании полимеров.
Подробно рассмотрены и описаны свойства всех основных типов пигментов, красителей
и специальных добавок. Особый интерес представляет глава, посвященная проблемам
и методам оценки качества окрашенных полимерных изделий и соответствия
их эксплуатационных свойств ISO 9000 и другим стандартам.
Книга адресована широкому кругу специалистов индустрии пластмасс, и станет
рабочим инструментом для химиков и технологов, занятых в переработке полимерных
материалов.
УДК 678.01:53
ББК 35.62Англ
Издание осуществлено при поддержке
ООО «Пластинфо.ру»
All Right Reserved. This translation published under license.
Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена
в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.
ISBN 978-5-91703-007-4
ISBN 978-0-471-13906-8 (англ.)
© John Wiley & Sons, Inc., 2004
© Изд-во «Научные основы и технологии», 2009
© Бронников С.В., перевод, 2009
Стр.4
Содержание
Предисловие 15
Сведения об авторах
Глава 1. Введение
17
19
Глава 2. Цветоведение 21
2.1. Введение
2.2. Триада
2.3. Источник света
2.3.1. Абсолютно черное тело
2.4. Объект
2.4.1. Показатель преломления и пропускания света
2.4.2. Поглощение
2.4.3. Рассеяние света
2.5. Наблюдатель или детектор
2.5.1. Наблюдатель: психологический отклик
2.5.2. Наблюдатель: дефекты цветового восприятия и цветовая слепота
2.5.3. «Приборный» наблюдатель
2.6. Описание цвета
2.7. Восприятие цвета
2.7.1. Фон
2.7.2. Блеск
2.7.3. Цветопередача и метамеризм
2.7.4. Наблюдатель
2.8. Выводы
Глава 3. Колориметрия, спецификация цвета и цветовых допусков визуальными
и инструментальными методами
3.1. Введение
3.2. Колориметрия
3.3. Визуальная колориметрия
21
21
22
24
27
27
28
28
30
30
31
32
33
35
35
37
37
38
38
40
40
41
41
Стр.5
6
3.4. Колориметрические измерения с использованием «аналогового»
колориметра
3.5. Численные колориметрические измерения с использованием
спектрофотометра
3.6. Спектроколориметр
3.6.1. Устройство и принцип действия спектроколориметров
3.6.2. Калибровка и поверка спектроколориметров
3.6.3. Проверка работы спектроколориметров
3.6.4. Применение колориметрии для задания цветовых допусков
3.6.5. Методы оценки допустимых отклонений в цвете
на основе визуальных оценок и приборных измерений цвета
3.7. Использование колориметрии для определения цветовых различий
3.8. Заключение и рекомендации
Cодержание
42
45
45
46
49
50
52
53
53
63
Литература 63
Глава 4. Современные методы расчета цветовых рецептур
4.1. Введение
4.1.1. Компьютерный подбор цвета
4.2. Классический метод расчета рецептур
4.2.1. Визуальная оценка цвета
4.2.2. Требования, предъявляемые к визуальной оценке
4.2.3. Принцип аддитивности
4.2.4. Теория Кубелки–Мунка
4.2.5. Теория Ламберта–Бера
4.3. Современные методы расчета цветовых рецептур
4.3.1. Теория мутных сред
4.4. Современные системы подбора цвета
4.4.1. Многопотоковая теория
4.4.2. Сравнение результатов вычислений с использованием уравнений
Кубелки–Мунка и многопотокового метода
4.4.3. Методика использования многопотокового метода
4.4.4. Спектральный расчет цвета и расчет по координатам цвета
4.4.5. Редактируемая калибровочная база данных
4.4.6. Применение
4.5. Выводы. Современный подход к расчету рецептур цвета
67
67
67
68
68
68
68
69
71
71
71
73
73
73
75
76
76
78
79
Литература 79
Глава 5. Визуальный подбор цвета для полимерных материалов
5.1. Введение
5.2. Основы визуального подбора цвета
5.2.1. Цветовой эталон
5.2.2. Источник излучения
5.2.3. Полимерные системы
5.2.4. Области использования окрашенных полимеров
80
80
83
83
84
85
86
Стр.6
Cодержание
5.2.5. Процесс смешения колорантов с полимером
5.3. Научные основы визуального подбора цвета
5.4. Заключение
Глава 6. Стандарт
6.1. Введение
7
87
87
96
Литература 97
9000 и другие стандарты для испытаний
6.2. Тестирование с использованием стандартов ISO
6.3. Стандарты ISO 9000
6.4. Стандарт ISO 17025 для стандартизации лабораторий
6.5. Требования, содержащиеся в стандарте QS 9000 по оценке качества
6.6. Стандарт ISO 14000 для контроля окружающей среды
6.7. Контроль документации
6.8. Процедуры оценки качества
6.9. Превентивные действия
6.10. Процедура проверки
6.11. Будущее стандарта ISO 14000 и других стандартов
Глава 7. Общие сведения о колорантах
7.1. Характеристики цвета
7.2. Свойства колорантов
7.3. Насыщенность цвета и окрашивающая способность
7.4. Диспергируемость
7.5. Термостойкость
7.6. Хемостойкость
7.7. Устойчивость к растворимости
7.8. Светостойкость и атмосферостойкость
7.9. Токсичность и защита окружающей среды
7.10. Цвет колорантов при переработке полимеров
7.11. Цветостойкость окрашенного изделия при эксплуатации
7.12. Факторы, влияющие на функционирование колорантов
7.13. Колоранты
7.14. Важнейшие семейства органических пигментов
7.15. Важнейшие семейства неорганических пигментов
7.16. Важнейшие семейства специальных пигментов
7.17. Важнейшие растворимые красители
7.18. Тестирование и оценка свойств колорантов
7.19. Здоровье и безопасность
99
99
100
101
101
102
102
103
103
103
104
104
105
106
106
106
107
107
108
108
108
109
109
110
110
111
111
114
117
119
119
120
Литература 120
Глава 8. Органические колоранты
8.1. Определения
8.2. Международная номенклатура пигментов
8.3. Выбор пигментов
121
121
122
123
ISO
Стр.7
8
8.4. Классификация пигментов по цвету
8.4.1. Органические красные пигменты
8.4.2. Органические синие пигменты
8.4.3. Органические желтые пигменты
8.4.4. Оранжевые пигменты
8.4.5. Органические зеленые пигменты
8.5. Дисперсия органических пигментов
8.6. Характеристики термостойкости
Глава 9. Неорганические окрашенные пигменты
9.1. Введение
9.2. Оксиды железа
9.2.1. Природные оксиды железа
9.2.2. Синтетические оксиды железа
9.3. Комплексные неорганические окрашенные пигменты
9.4. Кадмийсодержащие пигменты
9.5. Пигменты на основе хроматов и молибдатов свинца
9.6. Ванадат висмута
9.7. Ультрамариновые пигменты
9.8. Пигменты на основе трехвалентного хрома
9.9. Цианиды железа синие
9.10. Хромовые пигменты зеленые
9.11. Пигменты, содержащие редкоземельные металлы
Cодержание
123
123
134
137
145
147
147
148
150
150
151
151
153
154
158
159
161
162
163
164
164
165
9.12. Легитимность использования окрашенных неорганических пигментов 165
9.13. Федеральные законы в отношении использования
тяжелых металлов
9.14. Выводы
Глава 10. Пигменты на основе диоксида титана
10.1. Введение
10.2. Производство титановых пигментов
10.3. Обработка поверхности титановых пигментов
10.4. Распределение частиц по размеру и оптические свойства
титановых пигментов
10.5. Введение титановых пигментов в полимер
10.6. Долговечность титановых пигментов с точки зрения фотохимии
10.7. Заключительные замечания
166
167
175
175
176
176
179
179
182
187
Литература 187
Глава 11. Пигменты на основе технического углерода (сажи)
11.1. Введение
11.1.1. Основы производства технического углерода
11.2. Cтруктура технического углерода
11.3. Выбор марки технического углерода для окрашивания
189
189
189
191
192
Стр.8
Cодержание
9
11.3.1. Влияние диспергирования технического углерода на цвет изделия 194
11.4. Диспергирование технического углерода: определение и методы
195
11.4.1. Влияние диспергирования технического углерода
на свойства окрашенного полимера
11.5. Использование технического углерода для других целей
11.5.1. Использование технического углерода для защиты
от УФ-излучения
11.5.2. Использование технического углерода
для возникновения электропроводности
11.5.3. Использование угольной сажи
для улучшения физических свойств полимера
11.5.4. Проблемы, возникающие при использовании технического углерода
в качестве наполнителя
11.6. Заключение
Глава 12. Растворимые красители
12.1. Введение
12.2. Историческая справка
12.3. Окрашивание полимеров красителями
12.4. Классификация красителей
12.5. Флуоресцентные красители и оптические отбеливатели
12.6. Химические классы красителей
12.7. Светостойкость колорантов
12.8. Практические рекомендации
201
202
205
Литература 205
206
206
207
209
209
211
212
212
213
Литература 216
Глава 13. Фотохромные и термохромные колоранты
13.1. Фотохромные материалы
13.2. Термохромные материалы
Глава 14. Металлические пигменты
14.1. Введение
Литература 230
233
14.1.1. Отличие металлических пигментов от перламутровых
14.1.2. Оптический эффект металлических пигментов
14.1.3. Другие эффекты металлических пигментов
14.2. Производство металлических пигментов
14.2.1. Сырье
14.2.2. Технология производства металлических пигментов
14.3. Форма частиц металлических пигментов
14.3.1. Частицы неправильной формы
14.3.2. Частицы чечевицеобразной формы
14.3.3. Частицы сферической формы
233
234
234
234
235
235
236
239
239
240
241
217
217
227
196
197
197
200
Стр.9
10
14.3.4. Частицы с повышенным блеском
14.3.5. Обработка поверхности частиц пигмента
14.3.6. Формы, в которых выпускаются металлические пигменты
14.4. Технология производства металлических пигментов
14.4.1. Маточные смеси
14.4.2. Смешение
14.4.3. Окрашивание поливинилхлорида
14.4.4. Окрашивание полимеров в непрерывных процессах переработки
14.5. Проблемы использования металлических пигментов
14.5.1. Введение в полимер
14.5.2. Переработка литьем под давлением
14.6. Типичные примеры использования полимеров,
окрашенных металлическими пигментами
Глава 15. Перламутровые пигменты
15.1. Введение
15.1.1. Оптические законы
15.2. Классы перламутровых пигментов
15.2.1. Натуральная перламутровая эссенция
15.2.2. Пигменты на основе оксидов металлов и слюды
15.2.3. Пигменты на основе слюды, покрытой диоксидом титана
15.2.4. Пигменты на основе слюды, покрытой оксидом железа
15.2.5. Комбинированные пигменты на основе слюды
15.2.6. Пигменты на основе гидроксикарбоната свинца
15.2.7. Пигменты на основе оксихлорида висмута
15.3. Преимущества использования перламутровых пигментов для окрашивания
полимеров
15.3.1. Функциональные перламутровые пигменты
15.4. Новые разработки перламутровых пигментов, не содержащих
слюды
Cодержание
242
242
243
245
245
246
246
247
250
250
252
255
Литература 256
258
258
261
264
264
265
266
267
268
270
270
272
273
274
Литература 275
Глава 16. Флуоресценция 276
16.1. Теория и механизм флуоресценции
16.1.1. Теория флуоресценции
16.2. Флуоресцентные красители
16.2.1. Флуоресцин
16.2.2. Родамин В
16.2.3. Родамин А
16.2.4. Использование флуоресцентных красителей
16.3. Флуоресцентные пигменты
16.3.1. Пигменты на основе формальдегида
16.3.2. Другие пигменты
276
277
280
280
280
281
284
286
286
287
Стр.10
Cодержание
16.3.3. Добавки, предотвращающие миграцию, в концентратах
или сухих смесях
16.3.4. Добавки
16.3.5. Исследование миграции пигмента при выдувном формовании
16.3.6. Токсичность
16.3.7. Светостойкость
16.3.8. Использование
Глава 17. Основы выбора колорантов и технологии приготовления
окрашивающих композиций
17.1. Окрашиваемые полимеры
17.2. Выбор колорантов в зависимости от области использования
окрашенных полимеров
17.3. Влияние способа переработки полимеров на выбор колоранта
17.4. Влияние условий переработки на выбор колоранта
17.5. Эталон цвета
17.6. Критерии одобрения подобранного цвета
17.7. Введение окрашивающей композиции в полимер
17.8. Выпускные формы окрашивающих композиций
17.9. Выбор колоранта
17.10. Подбор цвета, идентичного эталонному
17.11. Методика смешивания компонентов окрашивающей композиции
17.12. Заключение
Глава 18. Компаундирование окрашивающих композиций
18.1. Введение
18.2. Основы компаундирования
18.3. Влияние добавок и других компонентов на компаундирование
18.4. Окраска полимеров
18.5. Компаундирование с использованием колорантов
18.6. Контроль качества
Глава 19. Производство сухих концентратов для окрашивания полимеров
19.1. Терминология
19.2. Типы и выпускные формы окрашивающих концентратов
19.3. Выбор полимерного носителя
19.4. Оборудование для компаундирования
19.5. Проблемы, возникающие при гранулировании концентратов
19.6. Размер частиц концентрата
19.6.1. Производство концентрата
19.6.2. Окрашивание полимеров
19.7. Распределение или дисперсия?
11
288
290
290
291
292
293
Литература 293
Дополнительная литература
293
294
295
296
297
297
298
299
300
300
301
301
301
303
304
304
305
306
308
308
311
313
313
314
315
318
320
320
320
321
322
Стр.11
12
19.8. Цветоотдача
19.9. Содержание колоранта в готовом изделии и концентрате
19.10. Оценка качества концентратов
19.11. Концентраты со специальными эффектами
Глава 20. Жидкие концентраты для окрашивания полимеров
20.1. История появления и развития жидких концентратов
20.2. Области использования жидких концентратов
20.3. Производство жидких концентратов
20.4. Диспергирование и распределение частиц жидкого концентрата
20.5. Введение жидких концентратов в перерабатывающее оборудование
20.6. Насосы
20.7. Упаковка
20.8. Преимущества и недостатки жидких концентратов
20.9. Реология
20.10. Сравнение способов окрашивания полимеров
20.11. Влияние жидких концентратов на физические свойства
окрашенного полимерного изделия
20.12. Выводы
Глава 21. Производство колорантов и добавок:
перспективы регулируемой совместимости
21.1. Введение
21.2. Описание процесса производства колорантов и добавок
21.2.1. Производство сухих окрашивающих композиций
21.2.2. Гранулированные концентраты
21.2.3. Жидкие концентраты
21.3. Способы доставки окрашивающих концентратов потребителю
21.3.1. Прямая покупка и распределительная сеть
21.3.2. Поставка окрашивающих концентратов
21.4. Организация и контроль безопасности рабочего места
при производстве окрашивающих концентратов
21.4.1. Общие положения
21.4.2. Источники загрязнения воздуха при работе с материалами
21.5. Воздействие на окружающую среду
21.5.1. Загрязнение атмосферного воздуха
21.5.2. Загрязнение воды
21.5.3. Ливневые воды
21.5.4. Твердые отходы в процессе производства
21.6. Регулирующие и контролирующие законы
21.6.1. Положение о безопасности потребительских товаров
(16 CFR, части 1000–1799)
Cодержание
322
323
323
325
326
326
327
328
329
331
331
332
334
335
337
339
342
343
343
344
344
345
347
347
347
348
348
348
349
352
352
353
353
353
354
354
21.6.2. Пищевые продукты и лекарства (31 CFR) 354
21.6.3. Безопасность труда и здоровья (29 CFR) 355
Стр.12
Cодержание
21.6.4. Защита окружающей среды
21.7. Обучение персонала
21.8. Заключение
Глава 22. Испытания окрашенных полимерных изделий
22.1. Введение
22.1.1. Терминология
22.1.2. Классификация испытаний
22.2. Тестирование диспергирования пигмента
22.2.1. Методы исследования диспергирования пигментов
22.3. Тестирование долговечности окраски
22.3.1. Термостойкость
22.3.2. Устойчивость к выцветанию и атмосферостойкость
22.3.3. Миграция компонентов окрашивающих композиций
22.3.4. Хемостойкость
22.4. Определение физических характеристик
22.4.2. Специальные свойства
22.5. Реологические свойства
22.5.1. Течение расплава
22.5.2. Спиральное течение
22.6. Определение формоустойчивости
22.6.1. Усадка
22.6.2. Коробление
22.7. Заключение
13
356
358
359
360
360
361
361
362
365
367
367
368
370
372
372
374
375
375
376
376
376
378
378
Литература 379
Глава 23. Влияние добавок на окрашивание полимеров
23.1. Введение
23.2. Типы полимеров
23.2.1. Прозрачные полимеры
23.2.2. Полупрозрачные и непрозрачные полимеры
23.3. Полимерные смеси
23.4. Антиоксиданты
23.5. Антистатики
23.6. Связующие добавки
23.7. Антипирены
23.8. Вспенивающие добавки
23.9. Термостабилизаторы
23.10. Добавки, повышающие ударную вязкость
23.11. Лубриканты и добавки, препятствующие адгезии полимера
к литьевой форме
23.12. Армирующие добавки
23.13. УФ-стабилизаторы
23.14. Заключение
380
380
384
384
384
387
387
387
388
388
389
389
389
390
390
392
392
Стр.13
14
Глава 24. Окрашивание вторично перерабатываемых полимеров
24.1. Историческая справка
24.2. Сбор использованных полимеров
24.3. Процесс вторичной переработки полимеров
24.4. Использование вторично переработанных полимеров
24.5. Вторичная переработка полиэтилентерефталата
Cодержание
393
393
393
394
394
397
Стр.14
Предисловие
В книге представлен результат работы многих известных специалистов в области
цветоведения и окрашивания полимеров, каждый из которых является ведущим
специалистом в той области технологии, которой посвящены написанные ими главы.
Их вклад в развитие научных основ окрашивания полимерных материалов имеет
непреходящее значение.
Процесс окрашивания любых материалов должен начинаться с понимания основ
природы света, его взаимодействия с объектами и, наконец, понимания того, как человек
реагирует на световое излучение. Совершенно не удивительно, что в мире нет
даже двух человек, которые видят и воспринимают окрашенный предмет абсолютно
одинаково. Этот факт, а также другие явления вызывают большой интерес к теме
окрашивания полимеров. Содержание данной книги составлено таким образом,
чтобы охватить наиболее важные научные и технические аспекты окрашивания полимерных
материалов. Она будет полезна всем, кто хочет расширить свой кругозор
в различных аспектах окрашивания полимеров.
В книге приводятся основы цветоведения — науки, лежащей в основе многих
технологических процессов. Большой интерес представляют сведения об измерении
цвета, способах визуального и инструментального подбора цвета. Рассматриваются
способы спецификации цвета и возможности статистического анализа для
увеличения ее надежности как в процессе производства окрашенных полимеров,
так и при анализе свойств используемых колорантов. Описываются основные классы
колорантов и их свойства, способы введения колорантов в полимеры. Обращается
внимание на природоохранные аспекты производства окрашенных полимеров
и возможности вторичной переработки окрашенных полимерных изделий. Крайне
важной представляется глава о взаимодействии колорантов с другими добавками;
содержащиеся в ней сведения помогут избежать многих возможных проблем производства
окрашенных полимеров. Внимательный читатель получит полезную информацию
о новейших технологических методах, возникающих проблемах и других
аспектах успешной реализации процесса окрашивания.
Стр.15