Естественная окраска полимеров, сероватая или желтоватая, имеет несколько непривлекательный вид. Ситуация становится совсем катастрофической при создании компаундов, включающих добавки, когда у многочисленных продуктов из каучуков возникают другие нежелательные цвета окраски, вплоть до черного.

Для того, чтобы преодолеть эти недостатки, необходимо тщательно подбирать марку полимера и добавку (чтобы получить более подробную информацию о наполнителях и красителях, читайте вторую часть статьи), можно использовать белые наполнители и другие оптически активные добавки. В целом, этого недостаточно, и необходимо осуществлять тщательную обработку материалов и сохранять полученную окраску за счет тщательной стабилизации компаунда на протяжении всего срока эксплуатации.
Пожалуй, наиболее сильно действующим фактором, вызывающим старение, является воздействие атмосферных явлений, но воздействие тепла, неонового света и погодных условий севера также может оказывать агрессивное воздействие. Так, например, компаунды из ПВХ могут становиться:
- Матовыми, или возможно желтыми под воздействием атмосферных явлений;
- Желтыми для компьютерного оборудования, включая мягкие компаунды;
- От желтых до красных из-за потери окраски при воздействии небольшого излучения, например, неонового света;
- От желтых до коричневых из-за потери окраски при воздействии атмосферных явлений в климате с ярким солнцем;
- Розовыми при воздействии атмосферных явлений, свойственных северным регионам с холодным и влажным климатом;
- Пурпурными из-за термической деградации;
- Черными при травлении серой...

Что значит «белое»?
Каждый может сказать 'это белое', но, если мы поместим рядом друг с другом два аналогичных белых объекта, например, холодильники разных моделей, очень часто их цвет будет различным, а, точнее говоря, всегда можно сказать, что этот белый цвет голубоватый, желтоватый или сероватый и т. д. Здесь возникает неоднозначность толкования и Международная Комиссия по освещению (Commission Internationale d'Eclairage) определила модель цветов, которые традиционно используются для описания всех цветов, которые доступны человеческому взгляду:

CIE 1976 L*, a*, b* цветовое пространство или CIELAB

Эту трехмерную модель можно адекватно представить в трехмерном пространстве L*a*b*, как можно видеть на приведенном ниже рисунке 'Диаграмма цветового пространства':
- L* показывает то, насколько цвет светлый: 0 соответствует глубокому черному цвету, а 100 соответствует чистому белому цвету;
- a* это расположение между красной и зеленой окраской: отрицательные значения соответствуют зеленому цвету, а положительные значения соответствуют красному цвету;
- b* это расположение между желтой и синей окраской: отрицательные значения соответствуют синему цвету, а положительные значения соответствуют желтому цвету.

Рисунок 1: Диаграмма цветового пространства.

Так, например, выражение для окраски TPE, содержащего белый наполнитель и розовый краситель в небольших концентрациях, может быть следующим:
L* = 86
a* = +16 для компонента слабо-розовой окраски
b* = -7 для голубоватого компонента
Выражение для бледной красной окраски следующее:
L*= 60
a* = 20
b* = 26
Различия между двумя цветами могут выражаться тем же самым способом:
- Различие светлых тонов: ?L* ou dL*. If ?L*>0 образец светлее
- Различие между красной и зеленой окрасками: ?a* ou da*. If ?a*>0 образец содержит больше красного и меньше зеленого
- Различие между желтой и синей окрасками: ?b* ou db*. If ?b*>0 образец содержит больше желтого или меньше синего.

В чем заключается основная проблема?
Недостаточно просто придать полимеру белую окраску (см. следующий рисунок 'Некоторые правила получения приятного белого цвета'), но необходимо добиться удовлетворения и других условий, таких как:
- Получение соответствующей непрозрачности;
- Получение нужного оттенка;
- Получение соответствующего баланса блеска и матовости;
- Повышение белизны за счет оптически активных добавок;
- Долговременная окраска за счет выбора долговременных добавок и использования подходящих систем, препятствующих старению.

Рисунок 2: Некоторые правила получения приятного белого цвета.

На приведенном ниже рисунке дан пример появления розового оттенка и потери окраски профиля после воздействия атмосферных явлений. Белая прямоугольная полоса на правой стороне профиля показывает, какой была первоначальная окраска.

Рисунок 3: Появление розового оттенка и потеря окраски профиля после воздействия атмосферных явлений.

Практическими рекомендациями по составлению рецептур и технологиям являются, среди прочих следующие:
- Выбирайте слабоокрашенные полимеры и добавки;
- Проверяйте окраску компаундов после обработки, поскольку слабоокрашенные полимеры и добавки могут вступать в реакции для создания окрашенных компаундов;
- Используйте оптически активные добавки, такие как белые наполнители, препараты для придания блеска, вещества, повышающие устойчивость к воздействию ультрафиолетового излучения;
- Выбирайте эффективные средства борьбы со старением;
- Удостоверьтесь в прочности белой окраски за счет соответствующих испытаний на старение.

Использование полимеров, которые сохраняют белую окраску после обработки и воздействия атмосферных явлений
Выбирайте нужную марку из марок выбранной Вами семьи полимеров: в рамках одного и того же семейства различные марки могут различаться по естественной окраске и непрозрачности, и даже, иногда, возможны колебания этих свойств от партии к партии, что очень затрудняет составление рецептур. Кроме того, рабочие параметры красителя и всего состава могут меняться в зависимости от основной окраски. Достижения в области технологий полимеризации могут позволить снижать нестабильность основного полимера, и целесообразно регулярно пересматривать свой выбор.
Специальные марки, такие как ударопрочные, например HIPS, созданы с добавлением эластомерных фаз, которые могут изменить выбор красителей. Такие марки, пригодные для марок обычного назначения, могут быть не пригодными для ударопрочных марок.
Иногда в особых случаях можно выйти за пределы одного и того же семейства полимеров для расширения рамок исследования. Так, например, корпуса потребительских товаров можно изготавливать из полипропилена, полистирола, ABS, поликарбонатов и сплавов. Окрашивание может рассматриваться в качестве одной из спецификаций, как механических, так и электрических.
В Таблице1 показано воздействие полимера в составе одной и той же рецептуры на основе одной и той же концентрации диоксида титана. Все полимеры представляют собой конструкционные термопласты, пригодные для того же применения. Данные анализируются в сопоставлении со средними значениями, общим диапазоном и относительным диапазоном по сравнению со средним значением. Здесь мы можем констатировать наличие небольших изменений степени светлости, средние колебания в области зеленого компонента a*<0 и широкое распространение желтого компонента b*>0.

Таблица 1: Примеры исходных оптических свойств белых компаундов на основе TiO2.

После воздействия атмосферных явлений на протяжении нескольких месяцев значения L* меняются, относительные изменения в области желтого компонента b*>0 существенно увеличиваются для всех полимеров, кроме A.

Таблица 2: Примеры оптических свойств белых компаундов после воздействия атмосферных явлений.

Более того, на приведенном ниже рисунке 'Изменение индекса пожелтения под влиянием атмосферного воздействия' показано отсутствие взаимозависимости между значениями для желтого компонента b*, до и после воздействия атмосферных явлений.

Рисунок 4: Изменение индекса пожелтения под влиянием атмосферного воздействия.

В предыдущем случае используются различные полимеры, но даже при использовании одного и того же полимера марки следует выбирать особенно тщательно.

Побочные воздействия обычно используемых добавок
Выбор добавок является непростой задачей из-за взаимодействий между полимерами, добавками, воздействиями обработки и старения.
Для первого примера мы выбрали компаунд белого каучука, который отверждается с двумя различными марками серы (S1, S2) или источником серы или с пероксидом. В Таблице 3 показаны низкие значения светлости L*, средние изменения зеленого компонента a*<0, а также распространение синего компонента b*<0.

Таблица 3: Примеры исходных оптических свойств белых каучуков на основе TiO₂.

После воздействия ультрафиолетового излучения на протяжении 400 часов (см. Таблицу 4), параметры L* изменяются, относительные изменения желтого компонента b*>0 существенно изменяются для двух компаундов, отверждающихся с серой, с небольшой степенью светлости и проявлениями пожелтения.

Таблица 4: Примеры оптических свойств белых каучуков после воздействия ультрафиолетового облучения.

На белые и окрашенные в светлые оттенки каучуки также могут оказывать воздействие другие добавки, такие как, например, амины, которые используются в антиоксидантах, загрязняющие пластифицирующие масла, такие как некоторые нафтеновые или ароматические, некоторые ускоряющие добавки, такие как тиазол, которые могут вступать в реакции с серой для образования тиазольных красителей... Некоторые наполнители, такие как осажденный карбонат кальция (PCC), могут оказывать непрямое положительное воздействие на окрашивание и старение некоторых полимеров, благодаря лучшей дисперсии других добавок, что позволяет сократить продолжительность обработки, и получить более стабильный полимер. Кроме того, сверхтонкая структура синтетического карбоната кальция функционирует как эффективная ловушка для всей выделяющейся соляной кислоты, угнетая, тем самым, дегидрохлорирование и давая уменьшение пожелтения ПВХ. Приведенный ниже рисунок 'Степень серости в зависимости от воздействия атмосферных явлений' дает пример изменения коэффициента серости для ПВХ с добавлением 15% PCC и без добавления РСС.

Рисунок 5: Степень серости в зависимости от воздействия атмосферных явлений.

Воздействие обработки
Для того, чтобы проиллюстрировать воздействие обработки, мы выбрали белый термопластический эластомер (TPE), который обрабатывается с помощью различных температур с различными стандартными параметрами. В Таблице 5 представлена небольшая вариативность относительного диапазона светлости L* и синего компонента (b*<0). Вариативность красного компонента a*>0 несколько выше. Следует отметить, что даже в пределах диапазона разумных температур обработки, воздействие может быть достаточным для превышения строгих спецификаций окрашивания. Превышение рамок обычных температур обработки может привести к немедленному или неявному пожелтению или утрате окрашивания для определенных рецептур, которые соответствуют требованиям при обработке при подходящих температурах.

Таблица 5: Примеры оптических свойств белых TPE в зависимости от температуры расплава.

Полимеры несовершенны, и для того, чтобы повысить их рыночную привлекательность необходимо создавать рецептуры и обрабатывать полимеры с осторожностью, соответствующей техническим требованиям. Некоторые правила для получения хорошей белой окраски это просто правила элементарного здравого смысла, такие как выбор подходящего полимера и добавок, добавление белых наполнителей или же использование разумных параметров технологической обработки. Другие правила более сложные, такие как касающиеся взаимодействия полимеров и добавок, стабилизации старения или использования оптических отбеливателей и подобных оптически активных добавок, которые будут рассмотрены в следующей статье.

Майкл БАЙРОН
http://www.specialchem4polymers.com