颜料粒径与分散剂长度的对比

 曾在毕克的资料里看到如下一段话:在颜料研磨过程中,颜料附聚体的逐渐变小;理想的情况是得到原始粒子。附聚体是颜料颗粒的集合,在颜料个体颗粒之间的内部空间包含着空气和潮气。颗粒之间以边和角相接触,颗粒间相互作用比较小,所以这种力可被一般的分散设备所克服。(反之,聚集体比较紧密,颜料个体颗粒间存在着面与面的接触,因此将它们分散为原始颗粒就困难得多。)

在分散过程中,对体系施加能量,从而形成了较小的颗粒(与树脂溶液有较大的界面),这样的体系会力图摆脱高能态而回复到原来的低能状态。以细微颗粒分布的颜料恢复絮凝体就说明了这一点。并因此产生了如降低颜色强度,降低光泽和改变流变性的影响。

从结构上来看,絮凝体与附聚体非常相似,但絮凝体中颜料之间是树脂溶液而不是空气。

下图显示的就是颜料分散过程:

无论是BYKBASFTego还是深竹助剂,关于分散剂对颜料的包裹示意图都是颜料与分散剂粒径相差不大,如下面这些图所示:

    

      

这些示意图中颜料的粒径似乎和分散剂长度差不从,甚至还要小。事实是否是这样呢?

我们来看一看颜料的结构。一般而言,颜料的分子量是不高的,下图列出了一些颜料的分子式:

 

低分子润湿剂如SN-2002,分子量大概在800-1000。通过计算可看出颜料的分子量比低分子润湿剂还要小。而无机颜料的分子量可能更小。然而,颜料是颜料分子的结晶体组成的。下图显示的分别是碳黑和、钛白、有机颜料晶体的结构示意图,以及红BO和红3099H在显微镜下的晶体图片:

     

      

例如气相法碳黑的原生粒径约为10-30nm,炉黑为10-80nm,而灯黑为30-200nm。而其它颜料相对于碳黑其粒径大小如左下图所示(资料来源:Evonik):

    

从这个图上分析,有机颜料的原生粒径一般在100nm以上;无机颜料的原生粒径一般在200nm以上,有些接近或超过1μm。《涂料工艺》上册第23页也有这么一段:颜料是一种微细的粒子,粒径最小的不足1μm,最大的不超过100μm”。也就是说,颜料,尤其是无机颜料,其粒径是μm级的。我曾经测试过各种不同的有机颜料和碳黑在分散较好状态下的粒径分布,一般的有机颜料可以分散到平均粒径为300-400nm。如右上图所示:

一般聚集体比较紧密,颜料个体颗粒间存在着面与面的接触,因此将它们分散为原始颗粒非常困难,通常的设备也无法达到。所以最终色浆内的颜料粒子尤其是无机颜料粒子,通常是可以用微米来表示。

例如SN-2004,由于含有羧基基团,一般对无机颜料有很好的亲和力,对有机颜料则差一点。SN-2004的长度可以估算:C-C键的键长是0.154nmC=C键的键长是0.134nm,碳碳三键的键长是0.120nm,而苯环中的碳碳键长度为0.14nm。假设SN-2004的平均分子量为900,组成假设全部为-CH2-,那么含有的C-C键总数为64个,总长度为9.86nm。这是将C-C-C键长度相加的总和,将C-C-C-C拉直了计算的。我们知道,分子中碳碳键是不可能象一条直线一样排列,而是波浪状的。那么这个长度要大打折扣。SN-2004的结构中含有一个六元环,有羧基,并且是Y形结构(如本文中第四个图所示),那么它的长度又要打折扣。这么折算下来,其长度不会超过5nm。假设一个颜料可以分散到1微米,那么颜料粒径的长度是分散剂长度的200倍。如果按体积计算(假设分散剂是个直径5nm的圆),则颜料体积是分散剂的8000000倍。

这是什么概念呢?

上海松江有名的佘山,高度不超过100米,如果把它比做颜料粒子,分散剂粒径是0.5米。著名的庐山海拔1477.4(注意是海拔!),如果将它比做颜料,分散剂约7.4米。

所以,关于颜料粒径与分散剂的长度对比,可以用个形象的比喻来形容:颜料粒子如果是一座山,高分子分散剂可能就相当于山上的一颗树,甚至比这更小。分散剂包裹住颜料,就象山上种了些树用来防止山体滑坡一样。

当然,某些高分子分散剂的分子量高达20000及以上,这样的分散剂如果按照相同的方法折算,C-C键完全拉直了计算,约有200nm。但是我们知道,高分子分散剂不可能是直链结构,会含有许多支链;C-C键的分子链也不可能呈直线状态。所以其长度应当也不会超过50nm。一般高分子分散剂以及所谓超分散剂其作用机理的示意图,都是将分散剂的作用放大,而忽略了影响分散的另外一个因素——树脂。

| 更新时间:2014.09.11    查看次数:2212
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