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1、颜料分散基础1颜料简介.22颜料分散理论.321颜料分散前的形态.322颜料的分散过程.4221颜料的润湿4222 颜料的分散5223分散状态的稳定化523吸附层的作用和理论.624颜料在水性介质中的分散.73研磨料配方设计.831研磨树脂的选择.832树脂浓度的估计（参考丹尼尔流动点法）.833分散剂需求量测定法.8331方法一，对易分散颜填料.8332方法二，对难分散颜料834色浆稳定性测试方法.94分散程度评估.95分散设备和工艺.96分散剂的选择1161分散剂简介.1162 TEGO 分散剂选择表.127色浆参考配方（简略）131颜料简介颜料是一种不溶于水、溶剂等介质，有色的细颗粒粉末
2、。一个颜色可以由三个参数来确定，即色调、饱和度、明度。而颜料的光学性能主要体现为颜色、遮盖力和着色力。颜料的分散对涂料着色有重要意义。对用于着色的颜料而言，最重要的性能就是着色力和遮盖力。着色力是颜料对光线吸收和散射的结果，主要取决于吸收，吸收越强，着色力越高。着色力一般随着颜料的粒径减少而加强，当超过一定极限后其着色力又会随粒径减少而减弱。由于常规的分散设备只能把聚集的颜料颗粒重新分散为原生颗粒，不能进一步磨细，所以一般而言，颜料的分散越好，其着色力和遮盖力就越高。 颜料粒径/nm图1颜料粒径和着色力关系图中示出，三种不同着色剂均在显示粒子尺寸的某一值时，着色力有一极大值，偶氮颜料粒子直径在
3、0.1m、酞青颜料粒径在0.05m时,具有最高的着色力。颜料粒径大小还和遮盖力有关，由于颜料经分散处理，粒径变小，表面积增大，遮盖力增加。但也不尽然，图2为三种不同类型的氧化铁颜料粒径和遮盖力之间的关系，示出粒径均在0.1-0.2m时，遮盖力为最大。尽管氧化铁颜料类型不同，但是它们小于0.07m时，遮盖力急速下降，这是因为颜料粒子小于可见光波的波长。 颜料粒径/nm图2 颜料粒径和遮盖力的关系2颜料分散理论21颜料分散前的形态 通常，生产过程得到的原始颜料称为湿滤饼，还需粉碎、干燥等过程。由于颜料的粒径细，表面自由能很高，使之处于不稳定状态。为减少表面自由能，基本粒子要聚集以减少整个系统的位能
4、。因此商品颜料都是由粗细不同的颜料聚集体组成，粒径较原始颗粒大许多倍，因而不能直接用于着色，必须进行分散处理，如图3所示。根据德国标准协会（German Standard Organization）命名法，认为颜料颗粒状态可分为：原生颗粒、凝聚体和团聚体。（1）原生颗粒（primary particle）是以单晶、块状、球形或微晶组成的大晶体形式存在，见图4。（2）凝聚体（aggregates）是由原生颗粒表面彼此吸附而成，见图5。（3）团聚体（agglomerates）是由原生颗粒或凝聚体疏松的组合，或者是这两者在边、角上相互吸附而成的混合物，见图6。 图3 颜料化过程示意图图4 颜料的原生
5、颗粒图5 颜料的凝聚体图6 颜料的团聚体22颜料的分散过程颜料的分散过程可分三步：润湿、分散和稳定化。221颜料的润湿 颜料的分散首先要进行润湿。润湿是用基料取代颜料颗粒或聚集体表面的空气和水份及其它杂质。润湿要求基料的表面张力低于颜料的表面自由能。如果颜料的表面自由能特别低，就需要用更低表面张力的介质。润湿的速度主要取决于基料的粘度，粘度越低润湿越快。颜料的润湿、包覆所需能量Ed如下式所示。 Ed=-ArLcos=-A（rs-rsL） 式中rs、 rL 分别为固体颜料、润湿剂的表面张力/（N/cm）； rsL固体颜料和润湿剂间的表面张力/（N/cm）； A固体颜料的表面积/cm2； 固体颜料
6、和润湿剂间的接触角（润湿角）。 在理解该公式之前，首先要了解润湿现象及其评价。在两个固体表面上，分别滴下一滴水和加有表面活性剂的水溶液，此时，出现了像图9所示（1）、（2）的不同水珠状。很明显，加有活性剂的水溶液对固体的润湿性好。图9 水在固体表面润湿情况 不浸润接触角大于90度时，没有润湿发生，液滴保持其球状。 部分润湿接触角小与90度时，润湿情况改善，接触面(液滴-固体界面)增加。完全展布接触角 =0 度时理想的展布完成。 这只可能在液体表面张力低于固体表面张力时发生。从公式中可以看出，颜料和润湿剂接触角小，则Ed为负值，其绝对值大，颜料和润湿剂容易润湿；颜料和润湿剂接触角大，则Ed为正值
7、或负值，且绝对值小，则颜料不容易被润湿剂润湿。为此，要选择适当的润湿剂使颜料和润湿剂接触角小。润湿过程可以简单地分为三个阶段：吸附、渗透、扩散。颜料和润湿剂接触时，接触角小，润湿剂吸附在颜料周围，然后渐渐渗透至颜料颗粒之间的孔隙中，因而降低了颜料颗粒之间的吸引力，降低了破碎颜料团聚体所需的能量，使颜料容易分散细化，见图10。图10 颜料的润湿过程 Kaluzer指出，润湿时间和润湿剂的粘度成正比，和润湿剂的润湿张力成反比。如下式所示： 式中 t润湿所需时间 润湿剂的粘度； cos 润湿剂的润湿张力。 222 颜料的分散颜料的分散是指将机械能施加于颜料聚集体上，使之破碎分离至颜料的初始粒子。为了
8、能以最快速度分离聚集体，研磨料的粘度应与设备能有效操作的粘度一样高。剪切应力等于剪切速率与研磨料粘度的乘积，分散设备的剪切速率是由机械设备所决定的。配方者必须选择能转移足够剪切应力到聚集体的分散机械，并将研磨料配成在相应设备最有效率分散的粘度。223分散状态的稳定化由于颜料经分散后，粒径减小，表面积增大，颜料表面自由能也增加，造成颜料分散体的不稳定性（状态II）。所以，当机械研磨能去除以后，颜料颗粒会再凝集起来。为此，在颜料研磨后形成新的表面时，在其表面应吸附一层包覆层，使颜料的表面能降低。当带有包覆层颜料的结合体再度碰撞，就不会凝聚起来。23吸附层的作用和理论颜料分散的稳定化在于颜料表面吸附
9、一层保护层。根据马克尔（Macker）理论指出，由于颜料颗粒表面吸附一层物质，如图11所示，颜料粒子间吸附层的立体阻碍，影响了两个颜料粒子间凝聚作用，并可用下述公式进行计算。 VRM=NSkTQ（1-H/2L） 式中 VRM颜料表面自由能的增加/（erg/cm2）； NS颗粒表面1cm2，能吸附的吸附层数量/cm-2； L长度为L的颜料吸附层分子活动半径，0.1mm； H颜料颗粒间的距离，0.1mm； k波尔兹曼常数； T绝对温度/； Q吸附层覆盖率。 影响颜料吸附量的几个因素。 (1)吸附层覆盖力吸附层覆盖力与其本身的分子量有关，一般随着吸附层分子量增大，吸附量增加，可以用下式表示。 ANS
10、=KMa 式中 ANS饱和吸附量； M分子量； a和分子吸附状态有关的指数。 其中，高分子吸附层的吸附状态指数a有三种值，表示了三种不同的吸附状态，如图12所示。图12从上式中可以看出，吸附层分子量大，则吸附量增加，按照马克尔公式，当VRM为一定值时，其它温度等条件不变情况下，则NS与Q成反比。所以，NS大，则Q值就变小。一般对高聚物来说，其Q值为0.2左右。（2）固体颜料的表面性质颜料表面性质主要指物理性质（形状、多孔性）和化学性质（极性、表面张力）。例如，炭黑虽具有多孔性，但是吸附高分子就较困难。这是由于高分子成卷曲状态，不容易被孔隙吸附，其分子量愈大，吸附量愈小，因此炭黑分散稳定性差。（
11、3）多种颜料共同吸附被覆率的影响 两种以上颜料共同使用时，由于各种颜料可能带有相反的电荷，容易使颜料凝聚。为此，需要适当的吸附物质来中和电荷，这样就需吸附层覆盖率增大。（4）颜料浓度的影响 颜料浓度的增加，则吸附量减少。这是由于颜料浓度增加的同时，颜料颗粒撞击的机会增加，来不及吸附一层物质已经凝聚起来，使VRM下降。 Rehacek的研究表明，树脂加溶剂的吸附层厚度大于10nm时，分散体是稳定的。Mc Kay证明，表面活性剂和缔合溶剂的吸附层厚度为4.5nm就足够使分散体稳定，因它与树脂吸附层不同，树脂的厚度不均一，表面活性剂的较均一。表面活性剂是以其极性端吸附于极性颜料表面，故非极性脂族链长
12、度是主要因素。对树脂，它有多个吸附点，故分子量大小可能是主要因素。溶剂/树脂相互作用也会影响吸附层的厚度。如果环和尾与溶剂相互作用越强，则吸附层内溶剂越多，树脂的平均构行越展开，则吸附越厚。如果溶剂与颜料表面相互作用强而树脂作用弱，那将有更多的溶剂吸附，造成吸附层厚度下降。通常树脂与颜料或表面活性剂与颜料的吸附机理是通过氢键、偶极作用和范德华力来实现的，其中氢键更重要。大多数的常规溶剂型涂料用树脂都能稳定颜料分散体。分散剂（分散剂亦可称为表面活性剂）的加入会降低最终漆膜的性能，因此只有在颜料、树脂、溶剂的组合不能给出稳定的分散体时才添加分散剂。在高固体份涂料中常难以制得稳定的颜料分散体。增高溶
13、剂型涂料的固含量意味着降低树脂的分子量，也就是每个分子的官能团数目减少了。低分子量使吸附层变薄，而官能团数目的减少使树脂分子的吸附几率降低，因而不易得到稳定的颜料分散体。这就导致了分散剂的使用，它可强劲地吸附在颜料上，即使大量溶剂存在也优先吸附。最有效的分散剂是极性端有几个官能基，极性小的尾要足够长使吸附层至少10nm厚。24颜料在水性介质中的分散颜料在水性介质中的分散同样分为润湿、分离和稳定。由于水的表面张力高，对颜料表面的润湿可能是个问题。对大部分的无机颜料和填料，由于其具有高度的极性表面，水的润湿没有问题。大多数的有机颜料由于表面极性较低，需要用表面活性剂来润湿表面。在水性介质中的分散稳定化主要通过电荷相斥。分散体的稳定性决定于PH值，因为PH值影响表面
