豐富而靚麗的色彩是塑料產(chǎn)品個(gè)性化的重要特徵之一。塑料著色劑若與抗氧劑、光穩(wěn)定劑配合不當(dāng)，既可導(dǎo)致著色塑料制品過早褪色或變色，又會(huì)加快著色塑料制品的光、氧老化速度，促使制品的外觀和物理機(jī)械性能損壞，提前失去原有功能和使用價(jià)值。
改變塑料材料色澤、同時(shí)賦予塑料制品靚麗外觀的顏料或染料均可稱為塑料著色劑。由於著色劑分子中所含化學(xué)元素種類不同、化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，塑料著色劑產(chǎn)品不僅用途、著色力、遮蓋力、著色持久性或牢固性、耐候性、耐化學(xué)品性、毒性等主要性能存在顯著差異，而且對著色塑料制品的加工成型性、加工過程的熱氧穩(wěn)定性、使用過程的光、氧穩(wěn)定性能產(chǎn)生一定影響。
著色劑對抗氧劑、光穩(wěn)定劑效能的影響
對抗氧劑效能的影響
鉻黃是不透明的無機(jī)著色劑，可用於聚烯烴、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂等熱塑性塑料，其著色力強(qiáng)、遮蓋性好，耐水和耐溶劑性優(yōu)良。但因鉻黃是鉻酸鉛或鹼式鉻酸鉛同硫酸鉛組成的含鉛化合物，與含硫抗氧劑DLTP、DSTP、1035、300等共享，在塑料加工的高溫條件下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成黑色硫化鉛，影響塑料制品的外觀，也會(huì)大幅度削弱抗氧劑的防熱氧老化效能。因此，含鉻著色劑不能與含硫抗氧劑共享。
聚丙烯分子鏈中含有叔碳原子，極易受氧引發(fā)而分解，在加工、儲存和應(yīng)用過程中必須使用抗氧劑進(jìn)行防老化保護(hù)。在著色聚丙烯中，某些著色劑會(huì)與低分子受阻酚抗氧劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而削弱抗氧劑的作用。部分著色劑對聚丙烯中低分子酚類抗氧劑的效能影響（表1）可分為三類：
嚴(yán)重影響：槽法炭黑、單偶氮紅3B、喹吖啶酮品紅、酞菁藍(lán)、氧化鐵黃棕；
中等影響：酞菁綠、爐法炭黑、群青、氧化鉻綠；
稍有影響：鎘黃、（硫化）汞鎘紅、金紅石型二氧化鈦。
碳黑是可用於多種塑料材料及制品，且用量最大的黑色著色劑，又可作為塑料材料的光穩(wěn)定劑。碳黑除在聚丙烯中對某些酚類抗氧劑的效能有削弱作用外，在低壓聚乙烯中也可與抗氧劑BHT發(fā)生作用，使BHT幾乎完全失去效能，同時(shí)碳黑自身的光穩(wěn)定作用也大幅度減弱。添加1%槽法碳黑和0.1%BHT的低壓聚乙烯薄片的戶外暴露壽命，僅為單一添加1%槽法碳黑的低壓聚乙烯薄片的戶外暴露壽命的40%左右。對聚乙烯、聚丙烯等塑料材料，選用碳黑為著色劑或光穩(wěn)定劑時(shí)，必須選用適當(dāng)?shù)目寡鮿?。否則，不但降低抗氧劑的效能，也會(huì)降低著色塑料制品的戶外光穩(wěn)定性能。
鈦白粉和珠光粉在某些樹脂中與單酚抗氧劑BHT共享時(shí)，會(huì)使白色制品變黃而引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量問題。
對光穩(wěn)定劑效能的影響
著色劑對著色塑料制品中光穩(wěn)定劑效能的影響主要有兩方面作用。一是著色劑含銅、錳、鎳等重金屬元素或雜質(zhì)，具有光活性、光敏性，催化并加快塑料材料的光老化速度。含有游離銅和雜質(zhì)的酞菁藍(lán)會(huì)促使聚丙烯光老化；氧化鐵紅可使聚丙烯中苯并三唑、二苯甲酮、有機(jī)鎳鹽光穩(wěn)定劑的效能下降20%以上；對於聚乙烯，二氧化鈦、群青、氧化鉻綠、鈷綠、鐵紅等著色劑的使用，會(huì)加劇光老化。二是某些分子結(jié)構(gòu)的著色劑可與光穩(wěn)定劑發(fā)生作用，直接削弱光穩(wěn)定劑的效能。酸性著色劑可使受阻胺光穩(wěn)定劑失效；在聚丙烯中，偶氮紅、黃可與受阻胺光穩(wěn)定劑發(fā)生作用，偶氮縮合紅BR、偶氮縮合黃3G可使受阻胺光穩(wěn)定劑效能分別下降25%和50%左右。
表2為不同著色劑對含有苯并三唑類光穩(wěn)定劑（UV-328）的高壓聚乙烯光穩(wěn)定性的影響。可以看出，桔鉻黃明顯提高高壓聚乙烯的光穩(wěn)定性，酞菁綠和群青略有提高或無多大影響，而鎘黃則降低了高壓聚乙烯的光穩(wěn)定性。
著色劑對制品光、氧穩(wěn)定性能影響的評價(jià)
試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比評價(jià)
評價(jià)著色劑對著色塑料材料或制品中抗氧劑、光穩(wěn)定劑效能影響，一般要按不同的配方設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比評價(jià)。配方設(shè)計(jì)如下：
a. 空白樹脂；
b. 樹脂 + 著色劑；
c. 樹脂 + 抗氧劑；
d. 樹脂 + 著色劑+ 抗氧劑；
e. 樹脂 + 光穩(wěn)定劑；
f. 樹脂 + 著色劑 + 光穩(wěn)定劑；
g. 樹脂 + 抗氧劑 + 光穩(wěn)定劑；
h. 樹脂 + 著色劑 + 抗氧劑 + 光穩(wěn)定劑。
評價(jià)著色劑對抗氧劑效能影響，選用a、b、c、d項(xiàng)組合進(jìn)行試驗(yàn)；
評價(jià)著色劑對光穩(wěn)定劑效能的影響，選用a、b、e、f 項(xiàng)組合進(jìn)行試驗(yàn)；
評價(jià)著色劑對抗氧劑、光穩(wěn)定劑綜合效能的影響，選用a、b、g、h項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)。
常用試驗(yàn)方法主要有五種：
(1) 氧化誘導(dǎo)期實(shí)驗(yàn)：對著色塑料材料，用布拉班德塑化儀在氮保護(hù)下，混料10min，然後將其模壓成0.01mm薄膜試樣，直接在0.1Mpa、150℃測其氧吸收速度。
(2) 多次擠出試驗(yàn)：在擠出機(jī)中對樣品進(jìn)行反復(fù)多次擠出，可連續(xù)擠出後對樣品進(jìn)行檢測，也可每隔一次擠出後對樣品進(jìn)行檢測。檢測樣品的熔融流動(dòng)指數(shù)MFI，或?qū)悠分瞥蓸?biāo)準(zhǔn)試片檢測物理機(jī)械性能。此項(xiàng)試驗(yàn)主要評價(jià)著色劑在加工過程對熱氧老化的影響作用。
(3) 烘箱熱老化試驗(yàn)：將樣片置於保持一定溫度的烘箱中，進(jìn)行熱空氣（有時(shí)也可使用氧氣）循環(huán)。檢測樣片的羰基指數(shù)或物理機(jī)械性能。此項(xiàng)試驗(yàn)主要評價(jià)著色劑在儲存和使用過程對氧老化的影響作用。
(4) 人工加速老化試驗(yàn)。將樣品置於全天侯老化箱或紫外老化機(jī)中，進(jìn)行模擬自然環(huán)境或條件的老化試驗(yàn)。檢測樣品的羰基指數(shù)和物理機(jī)械性能。此項(xiàng)試驗(yàn)主要評價(jià)著色劑在使用過程中對光、氧老化或光老化的影響作用。
(5) 自然氣候試驗(yàn)：將樣品置於具備一定條件的自然環(huán)境中，進(jìn)行自然環(huán)境的光、氧老化試驗(yàn)。檢測樣品的羰基指數(shù)和物理機(jī)械性能。此項(xiàng)試驗(yàn)評價(jià)著色劑在自然環(huán)境使用過程中對光、氧穩(wěn)定的影響作用。
只有自然氣候試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和結(jié)果，才真正對著色塑料制品的實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，但自然氣候試驗(yàn)的時(shí)間周期較長，有時(shí)甚至二、三年。因此，前四項(xiàng)試驗(yàn)的綜合評價(jià)結(jié)果，基本可以確定著色劑在著色塑料制品的加工與應(yīng)用過程對光、氧穩(wěn)定性能的增強(qiáng)與削弱作用。
Allen關(guān)系式
英國學(xué)者Allen等人提出了著色劑與抗氧劑之間互相作用的定量關(guān)系式：
式中 AOPI－著色劑 / 抗氧劑相互作用值；
CI（usup）－未穩(wěn)定化、未著色的聚合物在照射t小時(shí)後的羰基指數(shù)；
CI（usp）－未穩(wěn)定化、著色的聚合物在照射t小時(shí)後的羰基指數(shù)；
CI（sup）－穩(wěn)定化、未著色的聚合物在照射t小時(shí)後的羰基指數(shù)；
CI（sp）－穩(wěn)定化、著色的聚合物在照射t小時(shí)後的羰基指數(shù)。
表3所示羰基指數(shù)和AOPI值數(shù)據(jù)說明，AOPI值的絕對值大於1時(shí)，表示著色劑與抗氧劑的組合，對著色塑料材料的穩(wěn)定性有增強(qiáng)作用，值越大，增強(qiáng)作用越大；絕對值小於1時(shí)，表示著色劑與抗氧劑的組合，對著色塑料材料的穩(wěn)定性有削弱作用，值越小，削弱作用越大。Allen關(guān)系式也可用於著色劑與光穩(wěn)定劑的組合，或著色劑與抗氧劑、光穩(wěn)定劑的三元組合。Allen關(guān)系式的理論意義在於將著色劑對抗氧劑、光穩(wěn)定劑效能的影響作用進(jìn)行直接數(shù)據(jù)化、定量化評價(jià)。
抗氧劑、光穩(wěn)定劑在著色塑料制品中的作用
塑料制品的樹脂分子受光、氧誘導(dǎo)後，分子中產(chǎn)生高能量、高活性的含氧自由基。這類自由基在催化并加速樹脂老化的同時(shí)，也與著色劑發(fā)生一定作用，引發(fā)著色劑分子結(jié)構(gòu)的變化，加速著色劑色澤的變化。
對著色塑料制品，抗氧劑、光穩(wěn)定劑的作用之一是消除著色劑的反穩(wěn)定作用，保護(hù)塑料樹脂；作用之二是通過保護(hù)樹脂進(jìn)而保護(hù)著色劑；作用之三是直接保護(hù)著色劑。如熒光顏料等著色劑對紫外線較敏感、耐旋光性差，在使用時(shí)需二苯甲酮或苯并三唑類紫外線吸收劑對其加以保護(hù)。
抗氧劑的作用
色母料是以著色劑、載體樹脂、分散劑、偶聯(lián)劑、表面活性劑、增效劑制得的高濃度有色粒料。使用色母料生產(chǎn)著色塑料制品，是塑料制品生產(chǎn)業(yè)廣泛采用的方法。一般來講，生產(chǎn)色母料所用的載體樹脂較用於生產(chǎn)制品的基礎(chǔ)樹脂分子量低，熔融指數(shù)高。載體樹脂在色母料生產(chǎn)時(shí)要經(jīng)過第一次受熱，在塑料制品生產(chǎn)過程中經(jīng)過再次受熱擠出時(shí)，載體樹脂首先發(fā)生熱降解和機(jī)械降解，進(jìn)而加速著色塑料制品的老化進(jìn)程。雖然色母料中的載體樹脂在著色塑料制品中所占比例不大，但其經(jīng)二次或二次以上受熱已經(jīng)發(fā)生熱氧化。因此，生產(chǎn)色母料及使用色母料生產(chǎn)著色塑料制品，必須加入抗氧劑。
防熱氧老化功能是一般塑料材料防老化的基礎(chǔ)功能，防光老化功能則是建立在基礎(chǔ)功能之上的提高功能。增強(qiáng)著色塑料制品的光穩(wěn)定性能，首先要增強(qiáng)著色塑料制品的熱氧穩(wěn)定性能。在某些紫外線吸收顏料著色的塑料制品中添加適當(dāng)而又適量的抗氧劑，可成倍提高制品的光穩(wěn)定性能。表4的數(shù)據(jù)說明，在高壓聚乙烯中，單獨(dú)使用鉻黃、氧化鐵紅或抗氧劑2246時(shí)，不能提高高壓聚乙烯的光穩(wěn)定性能。當(dāng)鉻黃或氧化鐵紅與抗氧劑2246共享後，高壓聚乙烯光穩(wěn)定性能提高三倍以上?？寡鮿?246在這個(gè)試驗(yàn)中的本質(zhì)作用，是增強(qiáng)了高壓聚乙烯的熱氧穩(wěn)定性能，客觀表現(xiàn)或結(jié)果是增強(qiáng)了高壓聚乙烯的光穩(wěn)定性能。
光穩(wěn)定劑的作用
紫外線吸收型光穩(wěn)定劑通稱為紫外線吸收劑，紫外線吸收劑根據(jù)分子結(jié)構(gòu)不同分為二苯甲酮類和苯并三唑類。這類光穩(wěn)定劑是利用自身分子結(jié)構(gòu)，將照射到著色塑料制品的光能轉(zhuǎn)換為熱能，避免著色劑的分子結(jié)構(gòu)（如有機(jī)著色劑的共軛雙鍵發(fā)色團(tuán)）被光能破壞，并且避免塑料材料發(fā)生光氧化反應(yīng)。紫外線吸收劑是可直接保護(hù)著色劑和著色塑料制品外觀色澤的光穩(wěn)定劑。
大多數(shù)著色劑，尤其是無機(jī)顏料類著色劑，單獨(dú)用於塑料制品時(shí)，可以起到一定程度的光穩(wěn)定作用。對於長期戶外使用的著色塑料制品，不能僅靠著色劑提高制品的光穩(wěn)定性能。只有使用光穩(wěn)定劑，才能長久、有效地抑制或減緩著色塑料制品的光老化速度，顯著提高著色塑料制品的光穩(wěn)定性能。受阻胺光穩(wěn)定劑（HALS）是一類具有空間位阻效應(yīng)的有機(jī)胺類化合物，因其具有分解氫過氧化物、猝滅基發(fā)態(tài)氧、捕獲自由基、且有效基團(tuán)可循環(huán)再生功能，是防光老化效能高、國內(nèi)外用量最大的塑料光穩(wěn)定劑。表5數(shù)據(jù)說明，適當(dāng)?shù)墓夥€(wěn)定劑或適當(dāng)?shù)目寡鮿⒐夥€(wěn)定劑組合體系，可以數(shù)倍地提高戶外用著色塑料制品的光、氧穩(wěn)定性能。
對於用光活性、光敏性著色劑（如鎘黃、未包核金紅石等）著色的塑料制品，考慮到著色劑的催化光老化作用，光穩(wěn)定劑的添加量要相應(yīng)增加。
結(jié)論
生產(chǎn)著色塑料制品選用著色劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑及確定添加量時(shí)，需考慮著色劑對抗氧劑、光穩(wěn)定劑效能的影響作用。需經(jīng)過試驗(yàn)確定三者共享對制品色澤及防老化穩(wěn)定性的影響作用和配合效果。
對於經(jīng)試驗(yàn)或?qū)嶋H應(yīng)用確定的著色劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑配合或組合體系，當(dāng)著色塑料制品的基礎(chǔ)樹脂、加工工藝和條件、制品的形狀和使用環(huán)境不變，抗氧劑、光穩(wěn)定劑品種變動(dòng)，或著色劑的色澤、品種、分散、質(zhì)量、添加量等任何一項(xiàng)有微小變動(dòng)時(shí)，均可能引發(fā)著色塑料制品的重大質(zhì)量問題。
