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用于分散有機顏料和炭黑的潤濕分散劑的選擇
2019年12月04日    閱讀量:32274    新聞來源:涂料工業  |  投稿

用于分散有機顏料和炭黑的潤濕分散劑的選擇在涂料中使用顏料的歷史很悠久,最早使用的顏料多為無機礦物質,屬于無機顏料。有機顏料是在有機合成技術發展的基礎上而逐漸普及的,因此這類顏料的歷史較短,但其種類卻隨著合成技術的不斷發展而比無機顏料更為繁多。不止于此,由于其更為鮮艷的色彩、明亮的色調、較低的毒性等特性,有機顏料也在涂料行業得到了越來越廣泛的應用涂料在線coatingol.com。尤其是高性能有機顏料的出現,使各種高性能涂料成為可能。炭黑具有優秀的耐光、耐化學品、耐高溫等性能,因而其應用也非常廣泛,涵蓋了涂料、油墨、塑料、密封膠等多種行業。盡管炭黑的色相變化不如其他顏料豐富,但在美學應用上卻占據著其他顏色不可取代的地位。一般說來,相比于無機顏料,有機顏料具有粒徑小、比表面大、極性低的特點;而炭黑盡管從化學的角度來看屬于無機物,但從涂料工業的角度出發,它卻與有機顏料的使用性能極為相近,因而在選擇分散劑時這兩類顏料通常可以使用相同的分散助劑。同時,由于這兩類顏料的上述特點,它們相比于無機顏料來,難以得到良好的分散。因此,必須在選擇潤濕分散劑時仔細分析,全面考慮,此外也不可缺少實驗室的多方篩選,才能設計出最佳的分散和涂料配方,從而獲得涂料最理想的效果。


1. 有機顏料和炭黑顏料的特點


顏料的種類粗略可以分為有機與無機兩大類。無機顏料多數為金屬氧化物,有機顏料可以分為偶氮與多環兩大類。偶氮類包括單偶氮、雙偶氮、特殊偶氮和金屬絡合物等,多環類包括喹吖啶酮、苝系、吡咯并吡咯二酮、咔唑、酞菁、喹酞酮、異吲哚啉酮等種類。由上可見,無機與有機這兩類顏料最大的區別在于顏料的表面極性的差異。無機顏料極性較高,而有機顏料的成分中以碳氫元素為主,因而極性較低。此外,很多有機顏料具有比無機顏料小得多的粒徑以及相應的大得多的比表面,但也有一些有機顏料具有與無機顏料相似的較大的粒徑和較小的比表面。


有些種類的炭黑具有與透明有機顏料相近的粒徑(50~100nm),但也有一些炭黑的粒徑可以低至十幾納米,遠小于很多有機顏料。不同粒徑大小的炭黑顆粒具有不同大小的比表面,形成了高色素、中色素、普通色素,直至低色素的一系列產品。這一系列不同粒徑大小的炭黑,不但所需的分散劑的用量隨比表面的不同而不同,而且還可能需要使用不同的分散劑品種才能達到理想的分散狀態。炭黑的另一個特點是,許多品種具有相當低的pH值(2.5~4.5),它對分散劑的選擇也有著很大的影響。另外,由于多數水性樹脂體系都適合于偏堿性的工作環境,因此在水性體系中必須留意炭黑色漿的pH值,通常在將它們添加到樹脂體系中之前,需要先將它們的pH值調節到與配漆樹脂體系相近的范圍。


2. 使用高分子量潤濕分散劑分散有機顏料與炭黑


按照分散劑的分子量高低來分類,分散劑可以分為高分子量和低分子量兩大類。回顧分散劑的發展歷史,最初出現的分散劑產品都是低分子量聚合物,它們能很好地應用于分散當時廣泛使用的無機顏料。隨著涂料工業的發展及有機顏料的使用,化學家發明了高分子量分散劑,以用于比無機顏料更難分散的有機顏料。相比于早先的分散劑,高分子量分散劑具有更高的分散穩定性能、更廣的應用范圍以及對涂料性能更少的負面影響。


要使分散劑有效,分散劑在顏料表面的吸附能力非常重要,這個過程與顏料的表面性質極為相關。無機顏料具有離子型的結構,較高的表面極性,因而分散劑的吸附比較容易。而有機顏料和炭黑是由非極性分子所組成的結晶,因而具有非極性的表面,低分子量分散劑吸附于這樣的顏料表面上頗為困難,其結果就是這類分散劑對有機顏料及炭黑的解絮凝和穩定化作用不夠,這一問題直至高分子量聚合物型潤濕分散劑的出現才得以完美解決(圖1)。


用于分散有機顏料和炭黑的潤濕分散劑的選擇 中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站

圖1  低分子量與高分子量聚合物型潤濕分散劑的比較


與低分子量分散劑相比,高分子量分散劑的特點在于因其分子量大得多而具有了樹脂的特性。而更為重要的是,這類分散劑分子結構中具有大量的顏料親和基團,因此可以在有機顏料上形成牢固而持久的吸附層;另一方面,在聚合物相容鏈段與體系相容性良好的情況下,溶劑化的聚合物鏈段的空間屏蔽作用能穩定顏料的分散。因此與其他分散劑產品一樣,只有當它與周圍的樹脂溶液相容性良好,聚合物鏈段能夠充分舒展時,才有可能獲得對顏料最佳的穩定化作用。如果相容性有問題,那么聚合物鏈段發生萎縮,就失去了空間屏蔽及由之產生的穩定作用。高分子聚合物分散劑分子結構中不但具有大量的顏料親和基團,而且這些顏料親和基團還可以設計成包括多種不同種類,從而使高分子類潤濕分散劑能夠應用于各種不同種類的有機顏料,具有很廣的通用性,這樣就為涂料的生產過程提供了極大的方便。往往在同一個涂料體系中,只需一種潤濕分散劑就可以分散幾乎所有種類的有機顏料和炭黑,甚至還可以涵蓋無機顏填料,盡管高分子量潤濕分散劑最初是為有機顏料的分散而開發的。


3. 分子量與分散性能及相容性的關系


聚合物類型的潤濕分散劑的分子量必須處在一個合理的范圍之內,如果分子量太低,助劑就比較類似于表面活性劑,對顏料分散的穩定性較差。但分子量太高的話,也可能發生粘度過高,長鏈相互纏繞等問題,不利于顏料的分散。

眾所周知,分散劑有兩個基本組成部分,即顏料親和基團和體系相容鏈段。因此一般來說,分子量的升高就對應于顏料親和部分的鏈段和/或體系相容鏈段更長,前者通常意味著更多的顏料親和基團,因而對顏料顆粒的吸附更為牢固和持久;后者在相容良好的體系中充分伸展開來后,就能在顏料顆粒表面形成一個聚合物保護層,而這個保護層的厚度就近似于分散劑中相容鏈段的長度。因此,不難理解,在合理的分子量范圍內,有一個常見的現象是,分散劑對有機顏料和炭黑的分散穩定性隨分子量的升高而提高,但其可能帶來的問題則是分散劑與分散體系的相容性會隨著分子量的升高而降低。Scott以Flory-Huggins晶格模型理論為基礎而推導出的Scott方程可以定量說明這一現象。

在化學成分相同且分子結構相似的同一系列的分散劑產品中,可以明顯觀察到上述現象(圖2),圖中的DIS-160系列是BYK的聚氨酯潤濕分散劑系列。但是對于不同化學成分和分子結構的分散劑,則難以僅僅根據其分子量來判斷其相容性性能,因為分散劑的相容性也在很大程度上取決于分散劑與分散體系之間的相互作用。


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圖2 分子量與分散性能及相容性的關系


4. 高分子量潤濕分散劑的新品種- CPT聚合物


常見的用于分散有機顏料和炭黑的高分子量潤濕分散劑從化學結構上分類,主要有聚氨酯、丙烯酸酯、高分支多胺等種類。其中丙烯酸酯類型的分散劑在不同時期有著不同的合成技術,粗略可以將它們分為兩大類,即隨機自由基聚合技術和可控聚合技術(CPT,即Controlled Polymerization Technologies)。

可控聚合技術也叫活性聚合技術,最早始于上世紀50年代所發現的陰離子聚合技術,但直到80年代發現了可控聚合技術之一的基團轉移聚合方法,才開啟了這種技術的工業應用之門。到了90年代,各種形式的活性自由基聚合技術的出現又使可控聚合技術的發展登上了一個新臺階。可控聚合變得越來越容易實現,制造成本大幅降低,其應用越來越普及。所以,可控聚合技術包括了不同時期所發現的不同類型的聚合技術,這種技術只能應用于丙烯酸單體的聚合。

采用隨機自由基聚合方法進行高分子聚合時,各個高分子鏈的反應無法保證同時進行、保持同步,因此各個高分子鏈的反應有先有后,有些聚合物鏈在反應過程中已失去了活性的時候,另一些聚合物鏈則還具有活性。最終得到的高分子產物為隨機共聚物,高分子中各種單體的位置均為隨機分布。因此,該方法無法在聚合物鏈中對特殊官能團或極性進行定位,也無法得到結構化的聚合物,如嵌段共聚物或梯度共聚物。每個分子的分子量相差很大,分子量分布很寬,一般多分散性系數大于2。

與此相反,可控聚合技術讓單體的聚合反應以均勻、同步的方式進行。由于不存在副反應,所有的共聚物都具有相同的反應進程,從而得到分子量分布較窄的聚合物,如圖3所示。


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圖3 隨機共聚物(FRP)與可控聚合物(CPT)的分子量分布對比


可控聚合技術所合成的聚合物分子量分布較為狹窄,這對降低色漿粘度、提高分散劑的相容性范圍極為有利。更重要的是,很多CPT潤濕分散助劑具有高分散性能,例如特別適用于分散有機顏料和炭黑等難以分散的顏料。下圖是不同類型的分散劑在溶劑型2KPU體系中分散FW200的黑度對比結果。


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4 聚氨酯分散劑與CPT分散劑分散高色素炭黑的黑漆外觀對比


可控聚合技術僅局限于丙烯酸類聚合物,它是對傳統聚合技術的補充,這種新型的合成技術能夠使用完全相同的原材料而得到性能更高的潤濕分散劑產品,從而滿足了涂料生產商針對越來越多不同使用情況下的配方要求。另外還有一類特殊的顏料衍生物可以作為上述各種潤濕分散劑的增效劑,以幫助提高有機顏料和炭黑的分散性能,這類助劑的作用通常表現為降低研磨料的粘度,以及提高涂料漆膜的外觀性能,例如透明性、光澤、霧影等。


◆◆結論◆◆


有機顏料和炭黑顏料的分散相比于無機顏料更具有挑戰性,必須使用高分子量類型的潤濕分散劑,同時也要保證分散劑與基料體系之間良好的相容性。最新的高分子量潤濕分散劑合成技術是應用于丙烯酸酯單體聚合的可控聚合技術,該技術能使用相同的單體原料而合成性能更為優秀的分散劑新產品,繼而提高涂料的各項性能,滿足市場的各種需求。


常用分散有機顏料和炭黑的潤濕分散劑產品推薦:

溶劑型體系
BYK-9076,DISPERBYK-2013,2055,2001,2025,2150,2000等
水性體系
DISPERBYK-190,2012,2015,2055等


標簽:原材料輔料與設備涂裝應用技術中心涂裝油墨膠粘劑涂料助劑
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