分散剂系列知识1—— 颜料结构及分散剂的作用

 分散剂系列知识(1)——

 

颜料结构及分散剂的作用

金逐中

(上海深竹化工科技有限公司 上海 201100

 

摘要:本文是分散剂系列知识的文章之一,介绍了颜料的形态和粒径、颜料的分散过程。并详细介绍了分散剂的作用,如防止反粗、提升光泽、改善流平、提高研磨效率、提高着色力、降低粘度、防止浮色发花、防沉降、防止絮凝、增加展色性、透明度(或遮盖力)等。

关键词:颜料结构,颜料分散,润湿分散,分散剂的作用,浮色,发花,防止絮凝,防沉,展色性

 

0          前言

涂料广泛应用于我们日常生活中,起到了对被涂特件的保护、装饰及特殊功能作用。涂料主要由成膜物质(树脂)、颜填料、助剂和溶剂(或水)组成。随着工业的发展与生活水平的提高,颜料被越来越多地应用到涂料油墨工业当中以赋予更好的表观效果。与染料不同,颜料通常不溶于所使用的介质,大多数情况下都是以聚集体的方式存在。要得到好的着色力、遮盖力及色度等,必须将颜料的聚集体打开并保持稳定。如果颜料没有分散好,许多缺陷就有可能发生,如:絮凝、失光、颜色偏移、浮色/发花、贝纳尔漩涡、沉淀等。本文介绍了分散剂在颜料分散时所起的作用。

 

1          颜料的形态及粒径

在涂料中,颜料大多被制成悬浮液使用。

颜料的粒径范围分布很宽,一般从0.05μm1mm之间。但研究表明,当颜料的粒径在0.05μm-0.5μm之间时,具有最佳的着色力、光泽、遮盖力和耐候性等。图1显示了不同颜料粒径的对比(图片来源:EVONIK资料)。

1 不同颜料粒径对比图

 

颜料制造过程中形成的最小粒子称为原始粒子,它以单晶体或者一组晶体存在,粒径非常小。而原始粒子之间以面和面相结形成的团块,称为聚集体,聚集体比较紧密,一般的分散设备很难将其分散成原始粒子。而原始粒子和附聚体通过范德华力结合在一起,形成的较大的颜料粒状团块,称为附聚体。附聚体粒子之间以点、边、角相接触,粒子间作用力小,可通过机械的力量将其分散成原始粒子或聚集体。

               

2 颜料的原始粒子、聚集体和附聚体

 

我们希望颜料分散后成为原始粒子的悬浮液(理想状况),至少也是聚集体和原始粒子的悬浮液。但体系的趋势是从高能态回复到低能状态,故以微细颗粒分布的颜料容易聚集成絮凝体。从结构上看,絮凝体与附聚体非常相似,但絮凝体中颜色之间是树脂溶液而不是空气。分散剂的存在会阻止或减缓絮凝的发生。

 

2          颜料的分散过程

颜料的分散过程由润湿、分散、稳定三个步骤组成:润湿过程中,颜料表面的的空气和水气被树脂溶液所替换。固/气两相(颜料/空气)被转换成固/液两相(颜料/树脂溶液)。分散剂尤其是低分子型的润湿分散剂能加快润湿的过程。分散过程中,主要依靠机械能作用下(冲击和剪切力),颜料的团聚态被打碎成较小的微粒,成为分散状态(均匀分布)。最终的第三步是稳定的过程,分散剂用于保持颜料分散状态的稳定,阻止失控的絮凝。并依据颜料表面所吸附的粘接剂种类和分子结构,促使悬浮液获得稳定状态。分散剂尤其是高分子分散剂对颜料粒子的稳定起了很大的作用。

 

3          为何要使用分散剂

分散剂在涂料生产中发挥了非常重要的作用。分散体系的稳定,能避免诸多的涂料问题及漆膜弊病,如果配方合理,适量地添加分散剂能够有效地降低成本,改善涂料的性能。总而言之,分散剂有如下的作用:

3.1           提升光泽,增加流平效果

有试验表明,完全相同的配方,采用不同的分散剂,得出的漆膜光泽会有明显的差别。例如,在某黑色卷材涂料体系中,不同的三种分散剂制得的涂料涂膜后的20°光泽分别是69.781.577.1。如果所采用的分散剂不恰当,颜色絮凝后变粗,其对光泽所起的作用类似于消光粉,自然会影响光泽。

3.2           防止浮色发花

防止浮色发花,是大家所熟知的分散剂的作用之一。选用好合适的分散剂,无论是罐内浮色发花还是漆膜的浮色发花,都可以得到改善或消除。图3显示的是采用不同的分散剂制得的蓝漆与白漆按相同比例混合均匀后所得出的罐内浮色发花的结果。还有些分散剂例如SN-2004,是受控絮凝类的分散剂。分子链中含有一些羧基基团,与颜料亲和的同时,还会互相形成氢键,从而使颜料粒子稳定,达到预防浮色发花的效果。

3 不同分散剂分散的蓝漆与白漆混合后的罐内浮色发花图

3.3           提高着色力

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颜料分散和稳定得更好,其着色力会明显加强。图4显示的是是采用不同的分散剂分散的黑浆,与白漆按相同的比例混合后的涂膜结果,可以明显看出其着色力的差别。

4 不同分散剂分散的黑漆与白漆混合涂膜观察着色力

3.4           降低粘度,增加颜料载入量

采用合适的分散剂,所得的色浆粘度会明显降低。这样可以增加颜料的载入量,提高生产效率。图5是采用不同分散剂分散的大红色浆的粘度对比图。

 

5 不同分散剂分散的大红色浆粘度对比

3.5           减少絮凝,增加施工性和使用性。

许多人在评估分散剂时,都会做指研试验。如果分散剂搭配不恰当,指研的区域与未指研的区域会产生明显的色差。絮凝后的颜料着色力会下降,这给调色及涂料施工都带来困难。采用流板试验,也能观察到色浆的絮凝与否。

3.6           防止返粗、增加贮藏稳定性

如果选用不合适的分散剂,色浆发生返粗或因絮凝而产生颜色的变化,都不是大家所希望的。除树脂体系外,分散剂是影响涂料贮藏稳定性的重要因素。分散不佳的色浆会发生返粗,沉降及着色力下降。

3.7           增加展色性,增加颜色饱和度

分散剂的这个作用最易为大家所忽略。有实例表明,采用不同的分散剂分散相同的颜料,其色相及饱和度会有明显差别。通常来说,分散得越好,饱和度会越高(如果是碳黑,则是分散得越好,L值越低,黑度越高)。

3.8           增加透明度(大部分有机颜料)或遮盖力(大部分无机颜料)

对于铝粉漆来说,会希望色浆的透明性越高越好。而针对素色漆,又希望色浆的遮盖力越高越好。其实这与颜料粒径有关。有资料显示,除折射率外,颜料粒径分布是透明度的另一重要因素。粒径增加,散射光线能力增强,直到最大值,然后开始下降。这种散射光线的能力增强了颜料的遮盖力,散射能力最强时达到最大,粒径继续增加遮盖力则会下降。而当颜料粒径低于某个值时,随着粒径的下降,透明度会增加。分散剂不能改变颜料本身的特性,但对颜料粒径分布的控制和稳定效果,会达到更理想的颜色效果。图6显示的红色颜料采用不同分散剂分散后透明度的比较。

 

6 红色颜料采用不同分散剂的透明度比较

3.9           提高研磨效率,降低生产成本

润湿分散剂的润湿功能使颜料表面的空气和水能更快速地被研磨介质的液体所取代,同时使分散阶段所取得的颜料初级粒子的分离得以保持和控制。这些都提高了研磨效率,降低了能耗和人力成本。

3.10        防止沉降

许多人可能想当然地认为防沉必须依靠防沉剂,其实这是片面的。研磨好的色浆如果产生絮凝,颜料粒子变大,比重增加,就会很快沉降。选用了合适分散剂的色浆可以少加甚至不需要添加防沉剂。笔者曾经做过70% 的钛白粉无树脂色浆,其粘度很低(91.1 mPaS/ 剪切速率为10 1/s),未加入任何防沉剂,经过15天的热贮藏(40℃)及室温放置3个月,均无任何沉淀产生。分散剂的防沉作用显然对涂料的贮藏稳定性也有帮助。

 

4          结语

要使颜填料在涂料体系中完全发挥作用,分散剂的应用与合理选择是必需的。分散剂有许多作用,以上所列的分散剂的作用可能并不全面或准确。很多涂料技术人员或管理人员会认为,添加分散剂会增加成本,但其实不然。稳定的颜填料浆体系,能避免很多后续的问题。从综合的结果来看,合理地筛选分散剂并添加合适的量,是可以节省成本,并大幅度提升涂料的性能的。

 

 

参考文献

 

[1] 林宣益. 润湿分散剂J. 涂料助剂(第二版), 2006, 72:43-104.

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[4] Evonik产品资料, 不同颜料的平均粒径大小比较(J. 色素碳黑的介绍:11

[5] Vladimir V. Verkholantsev. 有机涂料用助剂(第二部分:表面活性助剂)(J). 涂料助剂手册:22-24

[6] 金逐中, 无树脂色浆的研究. 涂料工业: 2008, 9: 55-60

[7] SNYTO, 分散剂所起的作用仅仅是防止返粗吗. 深竹化工内部交流文集. 2010, 01: 20-22.

[8] SNYTO, 颜料粒径与分散剂长度的对比. 深竹化工内部交流文集. 2010, 01: 30-31.

| 更新时间:2014.09.11    查看次数:3133
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