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分散劑的作用與顏料結(jié)構(gòu)關(guān)系
發(fā)布時間：2020-03-22 12:27:40 點擊率：
顏料結(jié)構(gòu)及分散劑的作用
顏料的形態(tài)和粒徑、顏料的分散過程。并詳細介紹了分散劑的作用，如防止反粗、提升光澤、改善流平、提高研磨效率、提高著色力、降低粘度、防止浮色發(fā)花、防沉降、防止絮凝、增加展色性、透明度（或遮蓋力）等。涂料廣泛應用于我們?nèi)粘Ｉ钪校鸬搅藢Ρ煌刻丶谋Ｗo、裝飾及特殊功能作用。涂料主要由成膜物質(zhì)（樹脂）、顏填料、助劑和溶劑（或水）組成。隨著工業(yè)的發(fā)展與生活水平的提高，顏料被越來越多地應用到涂料油墨工業(yè)當中以賦予更好的表觀效果。與染料不同，顏料通常不溶于所使用的介質(zhì)，大多數(shù)情況下都是以聚集體的方式存在。要得到好的著色力、遮蓋力及色度等，必須將顏料的聚集體打開并保持穩(wěn)定。如果顏料沒有分散好，許多缺陷就有可能發(fā)生，如：絮凝、失光、顏色偏移、浮色/發(fā)花、貝納爾漩渦、沉淀等。本文介紹了分散劑在顏料分散時所起的作用。
1 顏料的形態(tài)及粒徑
在涂料中，顏料大多被制成懸浮液使用。
顏料的粒徑范圍分布很寬，一般從0.05μm到1mm之間。但研究表明，當顏料的粒徑在0.05μm-0.5μm之間時，具有的著色力、光澤、遮蓋力和耐候性等。圖1顯示了不同顏料粒徑的對比（圖片來源：EVONIK資料）。
顏料制造過程中形成的小粒子稱為原始粒子，它以單晶體或者一組晶體存在，粒徑非常小。而原始粒子之間以面和面相結(jié)形成的團塊，稱為聚集體，聚集體比較緊密，一般的分散設(shè)備很難將其分散成原始粒子。而原始粒子和附聚體通過范德華力結(jié)合在一起，形成的較大的顏料粒狀團塊，稱為附聚體。附聚體粒子之間以點、邊、角相接觸，粒子間作用力小，可通過機械的力量將其分散成原始粒子或聚集體。我們希望顏料分散后成為原始粒子的懸浮液（理想狀況），至少也是聚集體和原始粒子的懸浮液。但體系的趨勢是從高能態(tài)回復到低能狀態(tài)，故以微細顆粒分布的顏料容易聚集成絮凝體。從結(jié)構(gòu)上看，絮凝體與附聚體非常相似，但絮凝體中顏色之間是樹脂溶液而不是空氣。分散劑的存在會阻止或減緩絮凝的發(fā)生。
2 顏料的分散過程
顏料的分散過程由潤濕、分散、穩(wěn)定三個步驟組成：潤濕過程中，顏料表面的的空氣和水氣被樹脂溶液所替換。固/氣兩相(顏料/空氣)被轉(zhuǎn)換成固/液兩相(顏料/樹脂溶液)。分散劑尤其是低分子型的潤濕分散劑能加快潤濕的過程。分散過程中，主要依靠機械能作用下(沖擊和剪切力)，顏料的團聚態(tài)被打碎成較小的微粒，成為分散狀態(tài)(均勻分布)。終的第三步是穩(wěn)定的過程，分散劑用于保持顏料分散狀態(tài)的穩(wěn)定，阻止失控的絮凝。并依據(jù)顏料表面所吸附的粘接劑種類和分子結(jié)構(gòu)，促使懸浮液獲得穩(wěn)定狀態(tài)。分散劑尤其是高分子分散劑對顏料粒子的穩(wěn)定起了很大的作用。
3 為何要使用分散劑
分散劑在涂料生產(chǎn)中發(fā)揮了非常重要的作用。分散體系的穩(wěn)定，能避免諸多的涂料問題及漆膜弊病，如果配方合理，適量地添加分散劑能夠有效地降低成本，改善涂料的性能?？偠灾?，分散劑有如下的作用：
3.1 提升光澤，增加流平效果
有試驗表明，完全相同的配方，采用不同的分散劑，得出的漆膜光澤會有明顯的差別。例如，在某黑色卷材涂料體系中，不同的三種分散劑制得的涂料涂膜后的20°光澤分別是69.7、81.5、77.1。如果所采用的分散劑不恰當，顏色絮凝后變粗，其對光澤所起的作用類似于消光粉，自然會影響光澤。
3.2 防止浮色發(fā)花
防止浮色發(fā)花，是大家所熟知的分散劑的作用之一。選用好合適的分散劑，無論是罐內(nèi)浮色發(fā)花還是漆膜的浮色發(fā)花，都可以得到改善或消除。圖3顯示的是采用不同的分散劑制得的藍漆與白漆按相同比例混合均勻后所得出的罐內(nèi)浮色發(fā)花的結(jié)果。還有些分散劑例如SN-2004，是受控絮凝類的分散劑。分子鏈中含有一些羧基基團，與顏料親和的同時，還會互相形成氫鍵，從而使顏料粒子穩(wěn)定，達到預防浮色發(fā)花的效果。
3.3 提高著色力
顏料分散和穩(wěn)定得更好，其著色力會明顯加強。圖4顯示的是是采用不同的分散劑分散的黑漿，與白漆按相同的比例混合后的涂膜結(jié)果，可以明顯看出其著色力的差別。
3.4 降低粘度，增加顏料載入量
采用合適的分散劑，所得的色漿粘度會明顯降低。這樣可以增加顏料的載入量，提高生產(chǎn)效率。
3.5 減少絮凝，增加施工性和使用性。
許多人在評估分散劑時，都會做指研試驗。如果分散劑搭配不恰當，指研的區(qū)域與未指研的區(qū)域會產(chǎn)生明顯的色差。絮凝后的顏料著色力會下降，這給調(diào)色及涂料施工都帶來困難。采用流板試驗，也能觀察到色漿的絮凝與否。
3.6 防止返粗、增加貯藏穩(wěn)定性
如果選用不合適的分散劑，色漿發(fā)生返粗或因絮凝而產(chǎn)生顏色的變化，都不是大家所希望的。除樹脂體系外，分散劑是影響涂料貯藏穩(wěn)定性的重要因素。分散不佳的色漿會發(fā)生返粗，沉降及著色力下降。
3.7 增加展色性，增加顏色飽和度
分散劑的這個作用易為大家所忽略。有實例表明，采用不同的分散劑分散相同的顏料，其色相及飽和度會有明顯差別。通常來說，分散得越好，飽和度會越高（如果是碳黑，則是分散得越好，L值越低，黑度越高）。
3.8 增加透明度（大部分有機顏料）或遮蓋力（大部分無機顏料）
對于鋁粉漆來說，會希望色漿的透明性越高越好。而針對素色漆，又希望色漿的遮蓋力越高越好。其實這與顏料粒徑有關(guān)。有資料顯示，除折射率外，顏料粒徑分布是透明度的另一重要因素。粒徑增加，散射光線能力增強，直到大值，然后開始下降。這種散射光線的能力增強了顏料的遮蓋力，散射能力強時達到大，粒徑繼續(xù)增加遮蓋力則會下降。而當顏料粒徑低于某個值時，隨著粒徑的下降，透明度會增加。分散劑不能改變顏料本身的特性，但對顏料粒徑分布的控制和穩(wěn)定效果，會達到更理想的顏色效果。圖6顯示的紅色顏料采用不同分散劑分散后透明度的比較。
3.9 提高研磨效率，降低生產(chǎn)成本
潤濕分散劑的潤濕功能使顏料表面的空氣和水能更快速地被研磨介質(zhì)的液體所取代，同時使分散階段所取得的顏料初級粒子的分離得以保持和控制。這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
許多人可能想當然地認為防沉必須依靠防沉劑，其實這是片面的。研磨好的色漿如果產(chǎn)生絮凝，顏料粒子變大，比重增加，就會很快沉降。選用了合適分散劑的色漿可以少加甚至不需要添加防沉劑。筆者曾經(jīng)做過70% 的鈦白粉無樹脂色漿，其粘度很低（91.1 mPaS/ 剪切速率為10 1/s），未加入任何防沉劑，經(jīng)過15天的熱貯藏（40℃）及室溫放置3個月，均無任何沉淀產(chǎn)生。分散劑的防沉作用顯然對涂料的貯藏穩(wěn)定性也有幫助。
要使顏填料在涂料體系中完全發(fā)揮作用，分散劑的應用與合理選擇是必需的。分散劑有許多作用，以上所列的分散劑的作用可能并不全面或準確。很多涂料技術(shù)人員或管理人員會認為，添加分散劑會增加成本，但其實不然。穩(wěn)定的顏填料漿體系，能避免很多后續(xù)的問題。從綜合的結(jié)果來看，合理地篩選分散劑并添加合適的量，是可以節(jié)省成本，并大幅度提升涂料的性能的。
參考文獻
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