分散手册及分散剂

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1、精品范文模板 可修改删除撰写人：_日 期：_分散手册介绍 获得涂膜高亮度和高着色力的关键因素有颜料能否极好的分散、颜料粒子尺寸是否最优化以及微粒分散后在配方中能否持久稳定性这几个方面。在涂料、油漆和油墨形成稳定悬浮液的过程中，颜料的分散可以分为以下三个步骤：图 1 : 分散加工过程 颜料的润湿： 在颜料凝聚和团聚(群聚态)的粒子表面间，空气和水气被树脂溶液所替换。固/气两相(颜料/空气)被转换成固/液两相(颜料/树脂溶液)。 研磨级别：在机械能作用下(冲击和剪切力)，颜料的团聚态被打碎成较小的微粒，成为分散状态(均匀分布) 颜料悬浮液的稳定性：分散剂用于保持颜料分散状态的稳定，阻止失控的絮凝。

2、并依据颜料表面所吸附的粘接剂种类和分子结构，促使悬浮液获得稳定状态。 在选择更高效的分散剂时，颜料的化学性质和树脂溶液的特性是其依赖的关键因素(对于油漆制造者，区分有机和无机种类是本质要求。)。该主题在调配最优的分散剂里有更多的讨论。颜料润湿润湿阶段包括在颜料表面和团聚体内部(水、氧、空气和/或处理介质)用树脂溶液替代被吸附的物质。初始尺寸的颜料微粒在完全润湿后，能增强液体涂料的性能，这些性能强烈依赖于颜料微粒和粘接剂体系间的相互作用。分散剂吸附于颜料表面，促进液体/固体界面的相互作用，并使空气/固体界面被液体/固体界面代替。 图 1 : 空气和水被树脂置换润湿效率主要依赖于颜料和介质的相对表

3、面张力，也就是混合物的粘度。吸附机理取决于颜料的化学特性和所用的分散剂类型。(请浏览分散剂家族) 热力学的考虑：自发的润湿作用(润湿固体表面)由最小化的表面自由能引起。强制的润湿作用(非润湿环境中)需要外部作用，当外部作用消除后则自发的反润湿过程将产生。润湿的热力学条件是液/固间的粘附力(Wa)尽可能高，对于无约束的润湿，至少需要高于内聚力(Wk)的一半：Wa Wk。液体向粉末的渗透速率可以用Washburn方程式(1921)来解释： 图 2 :Washburn方程式h是经过时间t的渗透深度(或高度)，- 是润湿液体的表面张力，-粘度， - 润湿角， r-毛细管半径，C- 结构系数，与多孔结构

4、参数有关， W-润湿能量(热量)。使用润湿剂和/或低粘度及表面张力的粘接剂，可加强分散过程的润湿作用。另一方面，在溶解或研磨前，颜料/粘接剂的预混将有助于完成润湿作用，并始终促使分散容易进行，加速分散进程。颜料悬浮液的稳定总结 稳定作用的目的是在最后一步保持颜料粒子的分离性，并且通过添加和填充作用、储存及涂膜形成过程控制颜料粒子尺寸程度。产生絮凝的颜料悬浮液可从粒子无规律的空间排布方面进行识别，这种现象致使相邻粒子的结合。并使涂料流变性变差(体系粘度，涂料流动性)，储存性能下降(油漆中)，光学和颜色性能降低(涂料中)。 众所周知，即使是研磨很好的颜料也不能避免丧失稳定性，当添加在不合适的油漆基

5、础中时，即使是具有精细微粒尺寸的颜料悬浮液的稳定也很容易遭到破坏：当施加剪切作用时絮凝被打破，而一旦卸除剪切力则絮凝将从头开始。 因而，经过研磨的颜料悬浮液形成后必需立即加入添加剂以维持稳定，不论是打算添加使用还是做为颜料备用(染料)。 图 1 :避免絮凝的分散剂 颜料表面处于稳定状态的分子，其吸附作用增进了体系的稳定，使得排斥力足够，以阻止微粒通过范德华吸引力接近并引起团聚，欲了解更多影响稳定性的因素，请浏览胶体的稳定。在颜料分散作用的稳定方面有两种重要机理： 静电稳定：当颜料表面具有相同电荷的微粒相互接触时会产生静电稳定作用。具有相同电荷的两微粒有相互排斥效果。带电微粒在库仑排斥力作用下维

6、持了体系的稳定。 位阻稳定 当颜料固体微粒表面完全覆盖着聚合物时，一个颜料可以说具有位阻稳定性质，使微粒间的接触不可能发生。聚合物与溶剂(有机溶剂和水)之间的强烈作用可以阻止颜料粒子相互过分接近(絮凝作用)。 胶体的稳定性 分散系统的稳定性是微粒热能运动的结果，在相邻的粒子间持续存在着吸引力和排斥力。 因拥有动能(热能)使得粒子做布朗运动，胶体微粒间不断相互接近并发生碰撞。若该因素不加限制，微粒间将非常接近，导致近程范德华力足够强并使微粒不可逆转地粘结，破坏分散体系。另一方面，微粒间存在着排斥力能阻止微粒接近，分散性将长期保持稳定，且粒径和性能没有明显地变化。 图 1 : 两微粒间的吸引/排斥

7、作用具有胶体尺寸的微粒，相邻间存在的足够排斥力导致了分散体系的存在和消亡。当冷冻干燥相邻微粒层时，排斥力会上升并阻碍：相邻含水层与层外无水区之间持续的分子内水份的交换，类似于渗透压的变化，产生排斥力(见图 1)。排斥力有不同的来源： 压缩围绕在微粒周围的两带电荷层：详细内容见D.L.V.O.理论， 非离子稳定体系中的渗透压(Derjagin, Fischer)， 在聚合物表面活性剂作用下稳定的分散体系，其分子内链段的弹性，即熵排斥力(Mackor)， 在聚合物分散剂下阻碍稳定的形态。 实际上，仅三种稳定的涂料体系能在水介质中应用： 1. 使用离子表面活性剂或化学冷冻干燥器，生成羧基、铵离子等等

8、，详见静电稳定作用 2. 非离子稳定作用，非离子聚合物相(或仅表面)的亲液碎片与非离子表面活性剂或类似的化学改性剂一起，所拥有的吸附作用，详见空间稳定性 3. 离子与非离子联合的稳定作用，能广泛应用于乳胶、乳液和油漆科技，并针对不同的非稳定因素，能明显增进高分散体系的稳定性。 因为我们能够计算微粒间力，所以能通过电势曲线(图2)描述其分散稳定性，微粒间吸引和排斥力所具有的势能及综合作用，表现在对微粒间距离的控制上，仅靠热能是不可能克服微粒间的势垒作用而破坏其距离的平衡，并因此可保持分散系统的稳定。 图 2 : 两微粒间的势能曲线静电稳定作用 在液体涂料中颜料微粒表面带有电荷。在做为添加剂使用时

9、，可能会使电荷量增加，并且导致所有的颜料微粒带上相同的电荷。 经典的胶体科学在解释静电稳定作用时，将其描述为一种双层静电结构。当颜料表面形成一种电荷后，相反电荷的带电离子云将围绕在其周围。当两个微粒靠近时，电荷作用阻止其相互吸引。在这样厚厚的电荷层的作用下，颜料微粒获得了稳定的状态。 图 1 : 静电稳定作用从化学角度看来，这类体系中用于分散作用的添加剂可以称作高分子电解质-高分子量导致了大量带电荷的支链。 涂料工业中，除了多磷酸盐外，大量多元羧酸常做为高分子电解质使用。高分子电解质吸附在颜料表面，改变了颜料微粒所带的电荷。带有相同电荷的颜料微粒间作用着静电斥力，使絮凝趋势戏剧性地降低，促使分

10、散状态得以稳定。在以水为主的高电介质媒介中，静电稳定作用是有效的；甚至在水基涂料系统中，在空间稳定作用下，或两种作用相结合，能够提供更佳的总体性能。位阻稳定作用电荷稳定作用在电荷量低的介质中没有效果(对于大多数有机溶剂和增塑剂)，需要位阻稳定作用来维持分散微粒在非絮凝状态的稳定。 位阻稳定作用依赖于颜料表面的一层树脂或聚合物链段所拥有的吸附作用。当颜料微粒接近时，具有吸附作用的聚合物链段相互混合，失去一定的自由度。从热力学的角度来描述就是一种熵减，具有不利影响，导致进一步的吸引。从另一方面考虑，随着链段的混合，溶剂被排出粒子间。这会导致溶剂浓度不均衡，溶剂浓度均衡由渗透压维持，渗透压目的是迫使

11、溶剂返回微粒间以维持微粒的分离状态。 图 1 : 位阻稳定作用位阻稳定作用的基本要求是链段完全溶解在介质中。这一点十分重要，因为这意味着链段在介质中能自由地伸展，而拥有上述提及的自由度。这一要求常被描述为介质性能超越的溶剂(例如一个性能相对较好的溶剂) ，以适应聚合物链段需求。若链段未被很好地溶解，则会在颜料表面相互连接，对粒子间的吸引力所形成的阻碍非常弱。 在电位能量曲线中，聚合物分散剂产生的位阻斥力越大曲线下降越多，并降低总体粘度。 图 2 : 在含有可溶性树脂的溶剂型和水剂系统中，稳定机理产生作用。由颜料亲和基团(极性)和树脂相容链段(非极性)组成的特殊分散剂表现出特定的表面活性。换句话

12、说，它不仅稳定颜料的分散性，还能作为润湿剂使用。研磨进程经过润湿阶段，必须将颜料微粒的凝聚态及团聚态分散开来。通常是利用高效研磨设备的机械作用来完成。在研磨过程中，团聚颜料内附着力需要克服。随着施加能量的提高，形成了更小的微粒(在树脂溶液中接触面积更大)。这种微粒间长久接触状态的破坏，使颜料的团聚结构被打破，这一过程可通过溶解器、研磨机等来完成。 图 1 : 颜料的分散 颜料粉末在机械剪切作用下被破碎成了单独的微粒，因此在介质中其表面积变得更大，同时新形成的表面使更多的添加剂需要润湿。 一旦被分散，原生颗粒就有重新团聚的趋势。这一过程称作絮凝。从结构的观点看，絮凝非常类似于团聚；只不过是用树脂

13、溶液代替空气填充了颜料之间的空隙。研磨的过程也可以看作抗絮凝过程。若缺乏稳定剂，则会出现着色力下降、光泽减弱和流变性变化等问题。影响稳定的因素分散作用的丧失和中断 胶体动态和凝聚态的稳定性在运动状态和自然形态下有所不同，为了能长期保持性能，同时具有动态和凝聚态的稳定性十分必要。动态稳定性失去动态稳定性意味着分散的微粒丧失其流动性，但仍然能保持能量以阻碍微粒相互接近，避免粒子间在短时间内形成不可逆转的接触。丧失动态稳定性主要表现为微粒的沉积、凝结和絮凝现象。这些变化通常是可逆的，但是随着时间增长，这些沉积、凝结和絮凝作用将逐步导致凝固现象。凝结作用如下(分散作用的分离性遵循斯托克斯定律(很大程度

14、上会削减分散作用)： 图 1: V-微粒下降速率，d-微粒直径， Dp-外相与内相的不同密度，g-重力常数，-外相的粘度。其结果表明动态稳定性会在以下过程中得到提高： 降低粒子尺寸(通过添加更好或更多的分散剂，更强的剪切，等等)。 增加外相粘度(通过使用恰当的流变改性剂)， 最小化两相的密度差异(当密度相同时，凝结现象则不会出现)。图 2 : 在分散过程中由不稳定因素可能引起的变化温度升高温度能加速研磨效率，但对于当前使用的环境友好水剂型涂料树脂，更高的稳定将导致起稳定树脂作用的中性胺失效。另外，温度升高会使聚合物微粒熔化并破坏乳液中的粘接剂成分。分散剂家族介绍 涂料和油墨工业中分散剂的选择是

15、一个关键因素。配方设计师必须选择最合适的分散剂品种以适应产品用途，满足涂料、涂料体系(水基、溶剂基等)及其它添加剂的需求。分散剂的作用是增进分散过程，确保获得精细的粒径，并提高颜料在树脂溶液中的稳定性。根据较早的研究，一个高效的分散剂具有三种主要功能：颜料的润湿、分散及稳定。用于水基和溶剂基涂料的分散剂通常是不同的。 根据其化学结构，分散剂分为两种类型： 聚合物分散剂 表面活性剂 这两种分散剂主要的区别在于分子量、稳定机理及降低稳定性方面。一、聚合物分散剂1、描述 先前已介绍了聚合物分散剂通过位阻稳定作用对油漆、涂料和油墨体系产生影响。结合以下两种要求提出了两类结构： 1. 必须能强力吸附在微粒表面，拥有特殊的锚固基团2. 分子中必须含有高分子链段，在溶剂或树脂溶液体系中具有位阻稳定作用。 有多种共聚物/功能高分子的结构可能对聚合物分散剂产生影响。图1给出了六种可能的排列：图 1 : 与微粒表面的锚