點擊上方 「安徽景成」 獲取行業最全技術文獻資訊
免責聲明：部分資料來源於網絡，轉載的目的在於傳遞更多信息及分享，並不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權負責。如涉及侵權，請聯繫我們及時修改或刪除。
文/查超，周霆，孟濤，劉偉興
上海錦湖日麗塑料有限公司
摘要:研究了不同聚合物、不同比例聚合物複合物的光澤度變化規律，得出了折射率與光澤度的關係方程，同時研究了兩種測色模式(SCI和SCE)下，光澤度對外觀黑度值L的影響。最後研究了熱處理對不同表面狀態材料光澤度的影響，並提出了熱處理對光澤度影響的機理模型。
光澤度描述的是試樣的鏡面反射通量與同一條件下標準板的鏡面反射通量之比。材料的光澤度與材料種類、表面粗糙程度等直接相關。對於塑料試樣來說，有相當多的報導關於光澤度的影響因素，包括塑料的配方組成、流動性、注塑工藝、模具表面狀態等。白哲等報導了注塑工藝、模具光澤度、模具清潔度和後加工工序等因素對聚丙烯材料光澤度的影響Alexander等和Ingrid等報導了試樣表面粗糙程度與光澤度的關係。陳健研究了合成工藝、填料種類和含量、消光劑對丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物(ABS)樹脂光澤度的影響。孟濤等研究了丁二烯橡膠粒徑、聚合物種類以及消光劑含量對ABS光澤度的影響，並研究了結晶聚合物和非晶聚合物對ABS光澤度的不同影響規律。
然而，關於純樹脂和樹脂組合物光澤度的基礎研究報導非常少，大部分報導都是用改變材料表面粗糙度的方式來實現光澤度的調整。不同材料間的光澤差異的根本原因，以及光澤度與折射率的本質關係、光澤度與顏色的關係等是很模糊的。筆者旨在提供一些關於樹脂光澤度的基礎理論，給相關色彩方面的研究者提供一些技術思路。這些研究目前還沒有被報導過。
1.1.1 主要原料
丙烯腈－苯乙烯共聚物(SAN)樹脂:NF2200，臺灣臺化公司;尼龍6(PA6)樹脂:M2500，廣東新會美達錦綸股份有限公司;聚碳酸酯(PC)樹脂:PC-1100，韓國湖南石化株式會社;聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)樹脂:CM211，臺灣奇美實業股份有限公司;對苯二甲醯己二胺－間苯二甲醯己二胺共聚物(PA6I6T)樹脂:GrivoryGTＲ45，瑞士EMS公司;黑色色粉:染料黑，市售。
1.1.2 設備儀器
雙螺杆擠出機:CET35，長徑比為44∶1，科倍隆(南京)機械有限公司;注塑機:JM138Ai-svp/2，震雄機器廠有限公司;模具:尺寸為100mm×200mm×3mm，有兩種粗糙度(鏡面粗糙度Ｒa為0.025μm;K31皮紋面粗糙度為0.025mm)，江蘇崑山登孜模具有限公司;光澤度儀:Micro-TＲI-gloss4446，德國BYK公司;色差儀:ColorEye7000A，美國愛色麗公司。
1.2.1 不同樹脂及複合物的製備
為了準確地表徵材料的光澤度，所有的材料都製備成黑色。6種純樹脂和不同PMMA/SAN複合物都加入了質量分數為0.8%的染料黑。經熔融擠出、冷卻、乾燥、切粒得到相應的樹脂粒子。不同樹脂的加工溫度不同，設定的溫度如表1所示。螺杆轉速均為300r/min，真空度設置為0.08MPa。
1.2.2 標準樣板的製備
將製備的樹脂粒子在90℃鼓風烘箱中烘烤6h，保證水分含量≤0.2%。乾燥後的粒子加入注塑機，在一定的工藝下進行注塑，如表2工藝，棄去前10模，模溫穩定在設定的模溫後，收集5塊飽滿無飛邊的標準樣板進行光澤度的測定。
1.2.3 測試與表徵
光澤度:測試按照ASTMD523—2008標準，使用光澤度測試儀對不同樣板進行光澤度測試，鏡面板的測試角度為20°和60°，K31皮紋板的測試角度為60°，每次測試5個標準板，結果取算術平均值。
黑度(L值):採用愛麗色ColorEye7000A進行測試，採用兩種模式———包含鏡面光(SCI)模式和排除鏡面光(SCE)模式，每次測試5個標準板，結果取算術平均值。
熱存放實驗:將樣板存放在恆溫90℃的鼓風烘箱中，存放一定時間後取出冷卻後進行光澤度的測試。
ASTMD523—2008中明確指出了:在規定光源入射角度下，樣品在鏡面反射方向的鏡面反射量與標準板在該鏡面反射方向的鏡面反射量之比，即為光澤度。光澤儀中標準板是一塊折射率為1.567的拋光黑色玻璃，在入射角度為20°和60°時，設定其鏡面光澤度值為100。Fresnel提出，當樣品折射率差異不大時，光澤度和折射率有一定的線性關係。與拋光黑色玻璃標準板對比，折射率每提高0.001，在20°、60°、85°三個角度下的光澤度分別提高0.27、0.16、0.016。即，一個粗糙程度與標準板一致的樣板，20°和60°的光澤度滿足如式(1)和式(2):
Gloss(20°)=270n－323.09 (1)
Gloss(60°)=160n－150.72 (2)
式中，Gloss(20°)和Gloss(60°)－分別是20°和60°的理論光澤度;n－基材的折射率。不難發現，當材料折射率等於1.567時，20°和60°的光澤度相同;當折射率小於1.567時，20°的光澤度小於60°的光澤度;當折射率＞1.567時，20°的光澤度大於60°的光澤度。
2.1.1 純樹脂的光澤度
表3列出了不同純樹脂的折射率，按照式(1)和式(2)計算的理論光澤度以及鏡面實測的光澤度的數據。其中PA為半結晶樹脂，晶區和非晶區的折射率不同，這一折射率是平均折射率。可以看到，實測數據與理論值基本相同。
2.1.2 樹脂組合物的光澤度
選取的SAN樹脂與PMMA相容性很好，在不加色粉的時候，兩個樹脂共混為高度透明的組合物。組合物的折射率是通過線性加和的方式獲得，表4為對應的PMMA/SAN比例和計算得到的折射率數據。
圖1和圖2分別是不同折射率的PMMA/SAN樹脂鏡面板在20°和60°的光澤度關係曲線。可以看到，隨著折射率的增加，光澤度呈線性增加，實測的數據與理論數據有一定偏差，這可能是由於鏡面板的粗糙度與光澤儀使用的標準板不同導致的。
2.1.3 折射率與光澤度關係理論解釋
當一束光從空氣照射到一個物體上，在界面處，光會發生透射、鏡面反射、漫反射、散射、吸收等過程。其中鏡面反射和漫反射比例與表面粗糙程度直接相關。而總反射量佔入射光的量比例，即反射率r，是由Fresnel關係式得到，如式(3)。
式中，n1、n2－兩種介質的折射率。大部分的樹脂材料的折射率為1.5左右，按照式(3)，可以得到反射率為4%，即100%的入射光，在界面處4%的光線發生了反射，而96%的光線發生了透射，如圖3。
入射光在空氣中入射，則式(3)可以簡化為式（4）
可以得出，隨著n2增加，反射率增加，即證明了隨著材料折射率的增加，材料的光澤度增加。
在積分球式的色差儀測定顏色時，有兩種測色模式，一種是SCI模式，另外一種是SCE模式。有很多的報導是關於兩者的原理和差異。當人們在觀察高光鏡面樣品時，他們總是旋轉樣品以消除鏡面反射，從而看到樣品真實的顏色。本節研究了材料的光澤度與肉眼黑度、兩種模式測得L值的關係。
2.2.1 肉眼黑度與光澤度的關係
以PMMA/SAN組合物製備的鏡面板和皮紋板為研究對象，肉眼觀察如表4的5種材料的黑度。在相同的表面粗糙度下，5種材料的黑度基本一致，沒有明顯區別。而鏡面板的外觀明顯比皮紋板更黑，如圖4。那是因為粗糙表面發生了更多的散射現象，散射導致了樣品發白。
2.2.2 SCI模式L值與光澤度的關係
積分球式的測色儀，是通過收集樣品反射的光線從而分析得出L值。而其中的兩種模式:SCI模式，指的是儀器收集包括鏡面反射和漫反射所有的反射光;而SCE模式，指的是儀器僅收集了漫反射光。圖5是PMMA/SAN樹脂的折射率與SCI模式L值的關係。可以發現，皮紋面和鏡面的L值與折射率也呈現出了線性關係。這是因為SCI模式測得的L值，是測色儀收集了所有的反射光線。按照2.1.3理論，不管粗糙度如何，總的反射比例是不變的。兩種粗糙度下，儀器收集到的反射光是一樣的，所以測試的L值相差不大。Fresnel提出，當樣品折射率差異不大時，光澤度和折射率有一定的線性關係，因此L值與折射率也有一定的線性關係。
2.2.3 SCE模式L值與光澤度的關係
圖6是PMMA/SAN樹脂的折射率和SCE模式L值的關係曲線。可以發現，5個樣品的鏡面L值都在0.5～0.8之間，SCE模式下的鏡面L值與折射率無明顯關係，這是因為鏡面板反射的光線中，大部分是鏡面反射，只有很少一部分是漫反射，且由於表面粗糙度一致，所以5個樣品的漫反射的量基本一致，因此在SCE模式下儀器收集的漫反射光量一致，測得的L值也基本一致。而皮紋的L值隨著折射率的增大而增大，這是因為皮紋的反射光線中，大部分是漫反射，只有很少一部分是鏡面反射，所以SCE模式只是排除了佔很少量的鏡面光，因此測得的L值隨著折射率的增大而增大，且只是略低於SCI模式的L值。
從這一結果看，得出了與文獻報導一致的結論:高光澤的樣品，採用SCE模式測試的結果與肉眼結果更切合;而對於低光澤樣品，兩種模式的結果相當，均與肉眼結果一致。我們在用L值比較材料黑度時，如果不同樣品的折射率一致，那麼兩種測試模式的結果都可以用來表徵黑度，且與肉眼結果一致;如果比較的材料折射率不一致，那麼需要採用SCE模式去測試L值會比較準確。如果兩種材料的折射率差異特別大時，採用SCE模式測試的L值也不一定準確，因為折射率差異特別大時，漫反射的量也會有明顯差異，高折射率的材料L值往往會偏大一點。
2.3.1 光澤度在熱處理過程中的變化
以SAN和PMMA兩種樹脂製備的鏡面板和皮紋板為研究對象，圖7和圖8分別為鏡面板和皮紋板在90℃下熱存放不同時間的光澤度變化曲線。可以看到，熱存放使鏡面光澤度下降，使皮紋光澤度升高。存放100h後，PMMA鏡面光澤度降低5.2%，皮紋光澤度升高4.5%;而SAN鏡面光澤度降低8.9%，皮紋光澤度升高13.8%。SAN的光澤度變化明顯高於PMMA，這是因為PMMA的耐熱性能優於SAN (PMMA維卡軟化溫度為108℃，SAN維卡軟化溫度為97℃)，更高耐熱性能使得材料在熱處理時不易變形。所以導致光澤變化的根本原因是材料發生了一定程度的變形。
圖9是皮紋SAN樣板在熱存放前後的皮紋變化形貌。可以發現，SAN的皮紋變平，漫反射減少，鏡面反射增多，因此光澤度提高。
2.3.2 熱處理對光澤度的影響機理模型
根據鏡面和皮紋的光澤度在熱存放過程中呈現不同的變化趨勢，本文提出了熱處理對鏡面和皮紋面的光澤度的影響機理模型。如圖10，熱存放過程中，分子鏈活動性增加，加工過程中取向的分子鏈會發生鬆弛。對鏡面而言，分子鏈的鬆弛導致表面「褶皺」，因此光澤度降低;對皮紋面而言，分子鏈的鬆弛導致皮紋面變「平滑」，因此光澤度升高。
1)研究了鏡面的光澤度與折射率的關係，並結合了Fresnel關係式，說明了折射率增大，光澤度增大的原因，並得出了光澤度和折射率的線性關係方程。
2)材料的光澤度對測試的L值，尤其是SCI模式的L值，影響很大。在一定的折射率範圍內，SCI模式下L值和折射率呈線性關係。對於鏡面樣品，SCE模式下的顏色數據更接近肉眼數據。
3)熱處理導致分子鏈活動性增加，分子鏈發生鬆弛，因此鏡面的光澤下降，皮紋面的光澤升高。
封面圖：Pexels 上的 Pixabay 拍攝的圖片
圖片授權：Pexels的CCO協議
音樂：The Sun off Your Face-Chad Lawson