顏料分散是涂料生產中的重要環節, 是一個復雜且耗費的過程?？芍貜蜕a、高色強度、貯存穩定是對顏料分散的基本要求, 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討, 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
顏料的分散和穩定, 對涂料的最終性能和貯存穩定起著重要的作用。由于顏料和樹脂體系的多樣性, 選擇合適的分散工藝是一項復雜的工作。傳統分散過程的影響因素可以歸結為三個變量: 顏料、分散劑和分散設備。正確選擇這三個變量可以得到一個好的顏料分散體。
對應顏料潤濕的難易程度, 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顏料, 只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顏色和色強度。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。在滿足顏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產率, 同時減小占地空間和降低能耗。
目前大批量涂料生產中應用最多的是砂磨機, 分為立式和臥式。砂磨機的工作原理是利用高黏度泵, 將預攪拌好的物料輸送入研磨缸, 研磨缸內充滿研磨介質, 可以是玻璃珠、氧化鋯珠、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, 實現對顏料的分散。其特點是效率高產量大, 可連續生產, 操作簡單。對于一些難潤濕的顏料, 特別是小批量的生產, 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。特別適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。在顏料預分散體的制備中, 捏合機和雙輥機被廣泛適用。
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,通過可控游離基聚合技術, 合成了具有更窄相對分子質量分布和更合理的分子鏈構造的新型分散劑, 取得了非常好的分散效果。選擇一種合適的分散劑, 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。
對顏料進行表面處理, 以改善顏料的潤濕性能也是一個重要研究方向。如用偶聯劑對無機顏料進行表面處理,對有機顏料用超分散劑進行處理, 用乳液聚合的方法, 將顏料粒子裝進微膠囊中, 都能大大提高顏料的潤濕分散性能。
近幾年各大顏料供應商推出的顏料預分散體, 稱為色片或者色砂, 應該說是一個重大改進。油墨生產中的擠水顏料, 也是對傳統分散方法的革命性進步。顏料預分散體和擠水顏料都可以在顏料濾餅的基礎上加工而成, 減少了顏料干燥粉碎的過程, 大大降低了能耗。在顏料使用過程中, 避免了粉塵污染, 提高了生產效率。還可以使得涂料、油墨產品的批次穩定性大大提高。
2 分散過程機理探討
供應形式的顏料都處于團聚狀態, 依靠分散設備施加的機械能破壞原生顆粒之間的內附著力, 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, 只不過是用樹脂溶液代替空氣填充了顏料之間的空隙。為阻止絮凝, 必須依靠分散劑以某種形式結合在顏料粒子周圍, 并提供空間位阻、電荷斥力等維持分散狀態穩定。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態的顏料粒子重新聚集。
雙電層理論又稱靜電穩定理論, 將分散狀態的顏料粒子表面描述為雙電層結構。當賦予顏料粒子表面某種電荷以后, 相反電荷的帶電離子云會圍繞其周圍。當兩個微?？拷鼤r, 電荷斥力將阻止其靠近, 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顏料基團, 另一端為樹脂相容鏈段。分散劑分子依靠親顏料基團吸附在顏料粒子表面, 樹脂相容鏈段溶解在樹脂溶液中, 從而在顏料粒子周圍形成空間位阻, 阻止微?？拷?。
無論哪個理論, 最重要的一點是相同的, 即分散劑分子對顏料粒子的吸附。為了增強分散劑分子與顏料粒子的結合力, 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。
某些有機顏料例(如酞青藍)其表面很難與分散劑分子形成牢固的吸附。為了增強分散劑和顏料粒子的結合力, 經常在顏料后處理或者分散過程中添加一種顏料增效劑, 如畢克化學提供的BYK - SYNERG IST 2100, 能顯著提高分散效果。顏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、極化作用和范德華力實現。而某些顏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。
所謂顏料增效劑實際上是一種顏料衍生物, 將顏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。實際上在顏料化處理中, 添加很少量的顏料衍生物, 可以明顯改善顏料的分散性能和其他性能。此類顏料衍生物具有與顏料相似的骨架結構,并含有特定基團或聚合物鏈。
3 基于吸附競爭理論的分散思路
以上顏料分散機理沒有考慮顏料粒子吸附的空氣分子、水分子和溶劑分子的影響。實際上團聚狀態的顏料粒子表面被空氣和水分子包圍, 分散以后的顏料粒子被溶劑包圍?？諝?、水和溶劑對分散過程肯定會產生影響。在潤濕過程中, 顏料粒子周圍吸附的空氣分子首先被溶劑分子所替代。然后是分散劑分子中的顏料親和基團跟顏料粒子結合, 發生錨固作用。但顏料粒子的大部分表面仍然被溶劑分子所吸附。因此, 有理由認為分散劑和溶劑在顏料表面形成吸附競爭。
從熱力學的角度分析, 由于分散劑分子經過專門設計, 對顏料表面的吸附力有競爭優勢, 因此使得分散體系維持穩定。從動力學的角度分析, 在顏料表面吸附的溶劑分子被分散劑的親顏料基團取代之前, 顏料粒子表面被溶劑分子包圍。分散劑大分子在溶劑中展開以后其分子鏈周圍也被溶劑吸附, 即被溶劑化。因此, 顏料粒子表面的溶劑分子和分散劑分子周圍的溶劑分子必須同時被排擠開, 然后分散劑分子和顏料粒子的結合才能完成。這個過程中, 溶劑分子分別與顏料粒子和分散劑分子之間的范德華力不可以忽略, 且表現為對分散的阻力。于是, 可以設想, 將這個過程中的溶劑去掉, 或者在分散的后期將溶劑抽出, 必然有利于分散。排除溶劑的競爭以后, 由于接觸面積增大, 顏料粒子和分散劑分子之間即便不能形成氫鍵和極化作用, 單純依靠范德華力, 也可以獲得牢固的錨固作用。
第一個思路是在加熱的情況下, 使分散劑處于熔融狀態,直接參與研磨。這樣直接由分散劑分子取代顏料粒子表面吸附的空氣分子而結合。這個思路的優點是能耗低、效率高, 缺點是熔融狀態的分散劑黏度不能太大, 這就要求分散劑的相對分子質量不能太高。另一個思路是前期有溶劑參與, 因為溶劑能夠使得顏料粒子比較容易被潤濕, 即先由溶劑分子取代顏料粒子表面的空氣分子, 然后加熱或者負壓或者同時加熱加負壓, 使得溶劑揮發出來, 促進顏料粒子和分散劑分子的緊密結合。這個思路的優點是適用于大多數分散劑, 缺點是揮發溶劑能耗高。
4 基于納米技術的分散思路
近年來納米材料的研究取得長足進展, 納米材料的分散也是一個重要課題, 并且與顏料的分散有很多相通之處。顏料的加工過程跟納米材料類似, 并且多數顏料的原始粒子為納米級, 因此, 需要對顏料的加工工藝加以改進, 把納米級的顏料粒子分散在漆基樹脂或者通用樹脂之中, 制成納米顏料預分散體。其優點是色強度高, 透明度好, 色值和其他各項性能穩定。對涂料、油墨以及噴繪墨水、液晶材料等應用都不會有粒徑的限制。
如果納米級的顏料粒子粒徑足夠小, 其表面能和吸附能力非常高, 可以使被吸附的官能團喪失化學活性。這個強度已經大于氫鍵和極化作用。按照這個思路, 就不用專門設計多種多樣的適用于不同顏料的分散劑。而是直接用載體樹脂或者用通用樹脂參與分散, 采用無溶劑分散的辦法制成色漿,這個色漿將是非常穩定的。這對目前的分散方法將是一次徹底的革命。
5 結 語
在目前的顏料分散機理基礎上, 考慮了顏料粒子所吸附的空氣、水和溶劑分子的影響, 提出了無溶劑的分散方法。特別是納米顏料預分散體的設想一旦實現, 將對現有的分散方法和涂料、油墨的生產起到革命性的作用。
作者：付學勇 (青島華凌化工產品有限公司, 山東青島266071)
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