顏料分散是涂料生產(chǎn)中的重要環(huán)節, 是一個(gè)復雜且耗費的過(guò)程?？芍貜蜕a(chǎn)、高色強度、貯存穩定是對顏料分散的基本要求, 同時(shí)低能耗、低耗時(shí)也是現代工藝設計的重要要求。根據這個(gè)思想, 通過(guò)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(guān)學(xué)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(zhù)重要的作用。由于顏料和樹(shù)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(guò)程的影響因素可以歸結為三個(gè)變量: 顏料、分散劑和分散設備。正確選擇這三個(gè)變量可以得到一個(gè)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(shuō)對于難潤濕的顏料, 只有分散設備能提供必要的分散能時(shí), 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(mǎn)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(chǎn)率, 同時(shí)減小占地空間和降低能耗。
目前大批量涂料生產(chǎn)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(mǎn)研磨介質(zhì), 可以是玻璃珠、氧化鋯珠、鋼珠等。通過(guò)葉片的高速旋轉, 賦予研磨介質(zhì)足夠的動(dòng)能, 對物料施加剪切力和沖擊力, 實(shí)現對顏料的分散。其特點(diǎn)是效率高產(chǎn)量大, 可連續生產(chǎn), 操作簡(jiǎn)單。對于一些難潤濕的顏料, 特別是小批量的生產(chǎn), 三輥磨是不錯的選擇。
三輥磨通過(guò)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(huán)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(jìn), 推動(dòng)了分散效率的大幅度提高。同時(shí)也推動(dòng)了分散過(guò)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(zhì)量的表面活性劑, 現在被稱(chēng)為傳統分散劑, 發(fā)展到高相對分子質(zhì)量的超分散劑。而且超分散劑的分子設計和合成技術(shù)也在不斷改進(jìn)。
近年來(lái),通過(guò)可控游離基聚合技術(shù), 合成了具有更窄相對分子質(zhì)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(shí)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(jìn)行表面處理, 以改善顏料的潤濕性能也是一個(gè)重要研究方向。如用偶聯(lián)劑對無(wú)機顏料進(jìn)行表面處理,對有機顏料用超分散劑進(jìn)行處理, 用乳液聚合的方法, 將顏料粒子裝進(jìn)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(chēng)為色片或者色砂, 應該說(shuō)是一個(gè)重大改進(jìn)。油墨生產(chǎn)中的擠水顏料, 也是對傳統分散方法的革命性進(jìn)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(guò)程, 大大降低了能耗。在顏料使用過(guò)程中, 避免了粉塵污染, 提高了生產(chǎn)效率。還可以使得涂料、油墨產(chǎn)品的批次穩定性大大提高。
2 分散過(guò)程機理探討
供應形式的顏料都處于團聚狀態(tài), 依靠分散設備施加的機械能破壞原生顆粒之間的內附著(zhù)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(guò)程稱(chēng)作絮凝。從結構觀(guān)點(diǎn)看, 絮凝非常類(lèi)似于團聚, 只不過(guò)是用樹(shù)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?chē)? 并提供空間位阻、電荷斥力等維持分散狀態(tài)穩定。各國學(xué)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(tài)的顏料粒子重新聚集。
雙電層理論又稱(chēng)靜電穩定理論, 將分散狀態(tài)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(huì )圍繞其周?chē)?。當兩個(gè)微?？拷鼤r(shí), 電荷斥力將阻止其靠近, 從而阻止絮凝。這類(lèi)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(zhì)媒介中, 該模型發(fā)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(shù)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(shù)脂相容鏈段溶解在樹(shù)脂溶液中, 從而在顏料粒子周?chē)纬煽臻g位阻, 阻止微?？拷?。
無(wú)論哪個(gè)理論, 最重要的一點(diǎn)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(jīng)常在顏料后處理或者分散過(guò)程中添加一種顏料增效劑, 如畢克化學(xué)提供的BYK - SYNERG IST 2100, 能顯著(zhù)提高分散效果。顏料粒子與分散劑分子的結合被稱(chēng)為錨固作用, 主要依靠氫鍵、極化作用和范德華力實(shí)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(shí)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(shí)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(lèi)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(méi)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(shí)際上團聚狀態(tài)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(guò)程肯定會(huì )產(chǎn)生影響。在潤濕過(guò)程中, 顏料粒子周?chē)降目諝夥肿邮紫缺蝗軇┓肿铀娲?。然后是分散劑分子中的顏料親和基團跟顏料粒子結合, 發(fā)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(xué)的角度分析, 由于分散劑分子經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計, 對顏料表面的吸附力有競爭優(yōu)勢, 因此使得分散體系維持穩定。從動(dòng)力學(xué)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(kāi)以后其分子鏈周?chē)脖蝗軇┪? 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?chē)娜軇┓肿颖仨毻瑫r(shí)被排擠開(kāi), 然后分散劑分子和顏料粒子的結合才能完成。這個(gè)過(guò)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(gè)過(guò)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(gè)思路是在加熱的情況下, 使分散劑處于熔融狀態(tài),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(gè)思路的優(yōu)點(diǎn)是能耗低、效率高, 缺點(diǎn)是熔融狀態(tài)的分散劑黏度不能太大, 這就要求分散劑的相對分子質(zhì)量不能太高。另一個(gè)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(shí)加熱加負壓, 使得溶劑揮發(fā)出來(lái), 促進(jìn)顏料粒子和分散劑分子的緊密結合。這個(gè)思路的優(yōu)點(diǎn)是適用于大多數分散劑, 缺點(diǎn)是揮發(fā)溶劑能耗高。
4 基于納米技術(shù)的分散思路
近年來(lái)納米材料的研究取得長(cháng)足進(jìn)展, 納米材料的分散也是一個(gè)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(guò)程跟納米材料類(lèi)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(jìn), 把納米級的顏料粒子分散在漆基樹(shù)脂或者通用樹(shù)脂之中, 制成納米顏料預分散體。其優(yōu)點(diǎn)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(huì )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(xué)活性。這個(gè)強度已經(jīng)大于氫鍵和極化作用。按照這個(gè)思路, 就不用專(zhuān)門(mén)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(shù)脂或者用通用樹(shù)脂參與分散, 采用無(wú)溶劑分散的辦法制成色漿,這個(gè)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(yǔ)
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(wú)溶劑的分散方法。特別是納米顏料預分散體的設想一旦實(shí)現, 將對現有的分散方法和涂料、油墨的生產(chǎn)起到革命性的作用。
作者：付學(xué)勇 (青島華凌化工產(chǎn)品有限公司, 山東青島266071)
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
|
