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顔料分散機理的探讨(一)

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顔料分散機理的探讨(一)

發布日期:2018-08-06 作者:www.forsny.com 點擊:

顔料分散機

顔料分散是塗料生産中的重要環節, 是一個複雜且耗費的過程。可重複生産、高色強度、貯存穩定是對顔料分散的基本要求, 同時低能耗、低耗時也是現代工藝設計的重要要求。根據這個思想, 通過對比現階段大量使用的分散方法和設備, 以及對分散機理的探讨, 并結合相關學科的研究成果,探索了一些新的分散方法。

1 傳統分散方法和設備

顔料的分散和穩定, 對塗料的最終性能和貯存穩定起着重要的作用。由于顔料和樹脂體系的多樣性, 選擇合适的分散工藝是一項複雜的工作。傳統分散過程的影響因素可以歸結為三個變量: 顔料、分散劑和分散設備。正确選擇這三個變量可以得到一個好的顔料分散體。

對應顔料潤濕的難易程度, 把為分散而消耗的能量定義為分散能, 也就是說對于難潤濕的顔料, 隻有分散設備能提供必要的分散能時, 才能使它們完全展現其顔色和色強度。按照所提供分散能的高低, 分散設備排序如下: 攪拌機< 振蕩磨< 砂磨< 球磨< 三輥磨。在滿足顔料對分散能的要求的前提下, 分散設備設計的趨勢是盡可能地提高産率, 同時減小占地空間和降低能耗。

目前大批量塗料生産中應用最多的是砂磨機, 分為立式和卧式。砂磨機的工作原理是利用高黏度泵, 将預攪拌好的物料輸送入研磨缸, 研磨缸内充滿研磨介質, 可以是玻璃珠、氧化锆珠、鋼珠等。通過葉片的高速旋轉, 賦予研磨介質足夠的動能, 對物料施加剪切力和沖擊力, 實現對顔料的分散。其特點是效率高産量大, 可連續生産, 操作簡單。對于一些難潤濕的顔料, 特别是小批量的生産, 三輥磨是不錯的選擇。

三輥磨通過水平的3根輥筒的表面相互擠壓及不同速度的摩擦而達到研磨效果。特别适用于高黏度的物料及砂磨機難循環的物料。除了這些常規的分散設備, 在納米材料的分散中, 常用到超聲分散機。在顔料預分散體的制備中, 捏合機和雙輥機被廣泛适用。

分散助劑的大量使用和不斷改進, 推動了分散效率的大幅度提高。同時也推動了分散過程的基礎理論研究。分散劑從蓖麻油衍生物, 到低相對分子質量的表面活性劑, 現在被稱為傳統分散劑, 發展到高相對分子質量的超分散劑。而且超分散劑的分子設計和合成技術也在不斷改進。

近年來,通過可控遊離基聚合技術, 合成了具有更窄相對分子質量分布和更合理的分子鍊構造的新型分散劑, 取得了非常好的分散效果。選擇一種合适的分散劑, 不僅可以大大縮短研磨時間, 提高研磨效率, 還可以降低色漿黏度, 提高色強度。

對顔料進行表面處理, 以改善顔料的潤濕性能也是一個重要研究方向。如用偶聯劑對無機顔料進行表面處理,對有機顔料用超分散劑進行處理, 用乳液聚合的方法, 将顔料粒子裝進微膠囊中, 都能大大提高顔料的潤濕分散性能。

近幾年各大顔料供應商推出的顔料預分散體, 稱為色片或者色砂, 應該說是一個重大改進。油墨生産中的擠水顔料, 也是對傳統分散方法的革命性進步。顔料預分散體和擠水顔料都可以在顔料濾餅的基礎上加工而成, 減少了顔料幹燥粉碎的過程, 大大降低了能耗。在顔料使用過程中, 避免了粉塵污染, 提高了生産效率。還可以使得塗料、油墨産品的批次穩定性大大提高。

2 分散過程機理探讨

供應形式的顔料都處于團聚狀态, 依靠分散設備施加的機械能破壞原生顆粒之間的内附着力, 原生顆粒被分散。一旦被分散, 原生顆粒就有重新團聚的趨勢, 這一過程稱作絮凝。從結構觀點看, 絮凝非常類似于團聚, 隻不過是用樹脂溶液代替空氣填充了顔料之間的空隙。為阻止絮凝, 必須依靠分散劑以某種形式結合在顔料粒子周圍, 并提供空間位阻、電荷斥力等維持分散狀态穩定。各國學者對分散穩定的理論提出了許多模型, 其中比較成熟的有雙電層理論、空間位阻理論等。其核心是如何有效阻止分散狀态的顔料粒子重新聚集。

雙電層理論又稱靜電穩定理論, 将分散狀态的顔料粒子表面描述為雙電層結構。當賦予顔料粒子表面某種電荷以後, 相反電荷的帶電離子雲會圍繞其周圍。當兩個微粒靠近時, 電荷斥力将阻止其靠近, 從而阻止絮凝。這類分散劑分子中通常含有大量羧基或磺酸基, 用于提供電荷。在以水為主的高電解質媒介中, 該模型發揮主要穩定作用。

溶劑型體系中起主要作用的是空間位阻理論。該理論中分散劑分子被設計為一端為親顔料基團, 另一端為樹脂相容鍊段。分散劑分子依靠親顔料基團吸附在顔料粒子表面, 樹脂相容鍊段溶解在樹脂溶液中, 從而在顔料粒子周圍形成空間位阻, 阻止微粒靠近。

無論哪個理論, 最重要的一點是相同的, 即分散劑分子對顔料粒子的吸附。為了增強分散劑分子與顔料粒子的結合力, 在新型高分子分散劑的設計中, 分散劑分子常被設計成嵌段聚合物、梳形聚合物、超枝化聚合物等。

某些有機顔料例(如酞青藍)其表面很難與分散劑分子形成牢固的吸附。為了增強分散劑和顔料粒子的結合力, 經常在顔料後處理或者分散過程中添加一種顔料增效劑, 如畢克化學提供的BYK - SYNERG IST 2100, 能顯著提高分散效果。顔料粒子與分散劑分子的結合被稱為錨固作用, 主要依靠氫鍵、極化作用和範德華力實現。而某些顔料的分子結構中既不存在形成氫鍵的供體和受體, 又缺乏極性或可極化的基團,因此很難與分散劑分子形成強的錨固作用。

所謂顔料增效劑實際上是一種顔料衍生物, 将顔料分子引入極性基團或可以形成氫鍵的基團, 從而增強錨固作用。實際上在顔料化處理中, 添加很少量的顔料衍生物, 可以明顯改善顔料的分散性能和其他性能。此類顔料衍生物具有與顔料相似的骨架結構,并含有特定基團或聚合物鍊。


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關鍵詞:山東顔料分散機,煙台顔料分散機,萊州顔料分散機

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