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分散剂在涂料中具有怎样的功效呢?
中国纺织网
2020/2/13
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  一、分散剂作用原理:

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  以机械方式,在介质中分散颜料的最基本目的是把在颜料制造过程中的经过干燥而导致的亲油凝聚颗粒分散开来。当颗粒细度变小,其暴露的表面积增加而提升了颜料的光学性能,如:着色性能、光泽、亮度、遮盖力或透明度。

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  在一般的分散剂研磨体系中,例如油墨、涂料,树脂是配方中的组分之一,可是,树脂与分散剂在颜料会互相竞争。分散剂在颜料表面吸附能力,也会受到树脂的影响,树脂与分散剂会互相竞争吸附于颜料表面的机会。但分散剂与树脂之间的区别在于分散剂吸附颜料表面的牢度,分散剂不仅对颜料有极强的吸附力,并且对溶剂有很好的亲和力。

  树脂在颜料表面,实际只起到润湿作用,它并不长久沾在颜料表面,时间久了,树脂将慢慢离开颜料表面而导致絮凝,虽然如此,但树脂的存在还是阻碍了分散剂在颜料表面的锚固。

  因此,在选择树脂时,应考率树脂带来的成膜功能,而并不需要选择另外很好的润湿或研磨树脂,除此之外,还要考虑研磨基料中的树脂含量足够与否维持配方的稳定性。

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  分散剂在研磨基料中的使用,与传统的研磨基料相比,其配方的调整最为关键的是树脂溶液的浓度。传统研磨介质中树脂浓度较高,颜料可装填量较少。虽然降低树脂浓度可使分散介质本身的黏度降低,颜料填充量可以提高,但这样的分散体系并不稳定,不能用于实际生产。

  如果使用好的分散剂,分散体系在较低的树脂浓度下即可稳定,从而使研磨基料中的颜料填充量大大提高,分散剂的溶剂化链在介质中所产生的空间屏障,降低了粒子之间的吸力,大大降低了研磨黏度,这也是颜料填充量得以提高的原因之一。

  在分散剂作用下,颜料填充量的提高幅度随分散体系的不同而有别,但在调整过程中,应保持研磨基料具有适中的黏度。

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  颜料稳定性理论颜料分散体的稳定性,基本上有2种机理:静电稳定性及位足稳定性,这2种机理都必须分子吸附颜料表面。

  二、分散剂使用方法及用量:

  分散剂的用量太少,分散剂不能展现其优点,过多的用量也会影响研磨的稳定性。这主要由于因为过于拥挤的分散剂在颜料表面不能完全把分散剂的溶剂化链充分伸展开来,另外大量的游离分散剂会对涂膜产生负面影响。

  在实际操作过程中可先按理论规则计算分散剂的大致用量,然后以此为中点上下浮动,观察分散体系的黏度、涂膜光泽和着色力等性能指标随分散剂用量的变化关系,当分散剂用量适中时,分散体系的黏度具有明显的极小值同时涂膜的光泽和着色力有极大值。

  1颜料的形态及粒径

  在涂料中,颜料大多被制成悬浮液使用。

  颜料的粒径范围分布很宽,一般从0.05μm到1 mm之间。但研究表明,当颜料的粒径在0.05 ~ 0.50μm之间时,具有最佳的着色力、光泽、遮盖力和耐候性等。图1显示了不同颜料粒径的对比。

  颜料制造过程中形成的最小粒子称为原始粒子,它以单晶体或者一组晶体存在,粒径非常小。而原始粒子之间以面和面相结形成的团块,称为聚集体,聚集体比较紧密,一般的分散设备很难将其分散成原始粒子。而原始粒子和聚集体通过范德华力结合在一起,形成的较大颜料粒状团块,称为附聚体。附聚体粒子之间以点、边、角相接触,粒子间作用力小,可通过机械的力量将其分散成原始粒子或聚集体,见图2。

  我们希望颜料分散后成为原始粒子的悬浮液(理想状况),至少也是聚集体和原始粒子的悬浮液。但体系的趋势是从高能态恢复到低能状态,故以微细颗粒分布的颜料容易聚集成絮凝体。从结构上看,絮凝体与附聚体非常相似,但絮凝体中颜色之间是树脂溶液而不是空气。分散剂的存在会阻止或减缓絮凝的发生。

  2颜料的分散过程

  颜料的分散过程由润湿、分散、稳定3个步骤组成。润湿过程中,颜料表面的的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)。分散剂尤其是低分子型的润湿分散剂能加快润湿的过程。分散过程中,主要依靠机械能作用(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)。第三步是稳定的过程,分散剂用于保持颜料分散状态的稳定,阻止失控的絮凝,并依据颜料表面所吸附的黏结剂种类和分子结构,促使悬浮液获得稳定状态。分散剂尤其是高分子分散剂对颜料粒子的稳定起了很大的作用。

  3分散剂的作用

  分散剂在涂料生产中发挥了非常重要的作用。分散体系的稳定能避免诸多的涂料问题及漆膜弊病,如果配方合理,适量地添加分散剂能够有效降低成本,改善涂料性能。

  3.1提升光泽,增加流平效果

  有试验表明,完全相同的配方,采用不同的分散剂,得出的漆膜光泽会有明显的差别。例如,在某黑色卷材涂料体系中,不同的3种分散剂制得的涂料涂膜的20°光泽分别是69.7%、81.5%、77.1%。如果所采用的分散剂不恰当,颜色絮凝后变粗,其对光泽所起的作用类似于消光粉,自然会影响光泽。

  3.2防止浮色发花

  防止浮色发花,是大家所熟知的分散剂的作用之一。选用合适的分散剂,无论是罐内浮色发花还是漆膜的浮色发花,都可以得到改善或消除。图3显示的是采用不同的分散剂制得的蓝漆与白漆按相同比例混合均匀后所得出的罐内浮色发花的结果。还有些分散剂,例如SN-2004,是受控絮凝类的分散剂,分子链中含有一些羧基基团,与颜料亲和的同时,还会互相形成氢键,从而使颜料粒子稳定,达到预防浮色发花的效果。

  3.3提高着色力

  颜料分散和稳定得更好,其着色力会明显加强。图4显示的是采用不同的分散剂分散的黑浆,与白漆按相同的比例混合后的涂膜结果,可以明显看出其着色力的差别。

  3.4降低黏度,增加颜料载入量

  采用合适的分散剂,所得的色浆黏度会明显降低。这样可以增加颜料的载入量,提高生产效率。图5是采用不同分散剂分散的大红色浆的黏度对比。

  3.5减少絮凝,增加施工性和使用性

  许多人在评估分散剂时,都会做指研试验。如果分散剂搭配不恰当,指研的区域与未指研的区域会产生明显的色差,絮凝后的颜料着色力会下降,这给调色及涂料施工都带来困难。采用流板试验,也能观察到色浆的絮凝与否。

  3.6防止返粗,增加贮存稳定性

  如果选用不合适的分散剂,色浆发生返粗或因絮凝而产生颜色的变化,都不是大家所希望的。除树脂体系外,分散剂是影响涂料贮存稳定性的重要因素。分散不佳的色浆会发生返粗、沉降及着色力下降。

  3.7增加展色性和颜色饱和度

  分散剂的这个作用最易为大家所忽略。有实例表明,采用不同的分散剂分散相同的颜料,其色相及饱和度会有明显差别。通常来说,分散得越好,饱和度会越高(如果是碳黑,则是分散得越好,L值越低,黑度越高)。

  3.8增加透明度(有机颜料)或遮盖力(无机颜料)

  对于铝粉漆来说,会希望色浆的透明性越高越好。而针对素色漆,又希望色浆的遮盖力越高越好。其实这与颜料粒径有关。有资料显示,除折射率外,颜料粒径分布是透明度的另一重要因素。粒径增加,散射光线能力增强,直到最大值,然后开始下降。这种散射光线的能力增强了颜料的遮盖力,散射能力最强时达到最大,粒径继续增加遮盖力则会下降。而当颜料粒径低于某个值时,随着粒径的下降,透明度会增加。分散剂不能改变颜料本身的特性,但能控制颜料粒径分布,达到更理想的颜色效果。

  图6显示的红色颜料采用不同分散剂分散后透明度的比较。

  3.9提高研磨效率,降低生产成本

  润湿分散剂的润湿功能使颜料表面的空气和水能更快速地被研磨介质的液体所取代,同时使分散阶段所取得的颜料初级粒子的分离得以保持和控制。这些都提高了研磨效率,降低了能耗和人力成本。

  3.10防止沉降

  许多人想当然地认为防沉必须依靠防沉剂,其实这是片面的。研磨好的色浆如果产生絮凝,颜料粒子变大,密度增加,就会很快沉降。选用了合适分散剂的色浆可以少加甚至不需要添加防沉剂。笔者曾经做过70%的钛白粉无树脂色浆,其黏度很低(91.1 mPa·s,剪切速率为10 s-1),未加入任何防沉剂,经过15 d的热贮存(40℃)及室温放置3个月,均无任何沉淀产生。分散剂的防沉作用显然对涂料的贮存稳定性也有帮助。

  4分散剂的基本结构及类型

  分散剂又称湿润分散剂,它除具有湿润作用外,其活性基团一端能吸附在粉碎成细小微粒的颜料表面,另一端溶剂化进入漆基形成吸附层(吸附基越多,链节越长,吸附层越厚),产生电荷斥力(水性涂料)或熵斥力(溶剂型涂料),使颜料粒子长期分散悬浮于漆基中,避免再次絮凝,因而保证制成的色漆体系的贮存稳定。

  分散剂有很多种,初步估算,现存世界上有1 000多种物质具有分散作用。现按其结构来区分,可分为以下7种类型。

  4.1阴离子型润湿分散剂

  大部分是由非极性带负电荷的亲油的碳氢链部分和极性的亲水的基团构成。2种基团分别处在分子的两端,形成不对称的亲水亲油分子结构。它的品种有:油酸钠C17H33COONa、羧酸盐、硫酸酯盐(R—O—SO3Na)、磺酸盐(R—SO3Na)等。阴离子分散剂相容性好,被广泛应用于水性涂料及油墨中。多元羧酸聚合物等也可应用于溶剂型涂料,并作为受控絮凝型分散剂广泛使用。

  4.2阳离子型润湿分散剂

  是非极性基带正电荷的化合物,主要有胺盐、季胺盐、吡啶鎓盐等。阳离子表面活性剂吸附力强,对炭黑、各种氧化铁、有机颜料类分散效果较好,但要注意其与基料中羧基起化学反应,还要注意不要与阴离子分散剂同时使用。

  4.3非离子型润湿分散剂

  在水中不电离、不带电荷,在颜料表面吸附比较弱,主要在水系涂料中使用。主要分为乙二醇性和多元醇型,降低表面张力和提高润湿性。与阴离子型分散剂配合使用作为润湿剂或乳化剂,广泛应用于水性色浆、水性涂料及油墨中。

  4.4两性型润湿分散剂

  是由阴离子和阳离子所组成的化合物。典型应用的是磷酸酯盐型的高分子聚合物。这类聚合物酸值较高,可能会影响层间附着力。

  4.5电中性型润湿分散剂

  分子中阴离子和阳离子有机基团的大小基本相等,整个分子呈现中性,但却具有极性。如油氨基油酸酯C18H35NH3OOCC17H33等均属于这种类型,在涂料中应用相当广泛。

  4.6高分子型超分散剂

  高分子型分散剂最为常用,稳定性也最佳。高分子型分散剂也分为多己内多酯多元醇-多乙烯亚胺嵌段共聚物型分散剂、丙烯酸酯高分子型分散剂、聚氨酯或聚酯型高分子分散剂等,由于它们的锚定基团一头与树脂缠绕吸附,另一头又与颜料粒子包附,因此贮存稳定性是比较好的。

  4.7受控自由基型超分散剂

  采用最新的受控自由基聚合技术(CFPP),可以使分散剂的结构更为规整。常用的方法有:GTP、ATRP(原子转移自由基聚合)、RAFT(可逆加成断裂链转移可控自由基聚合,包括C-RAFT及S-RAFT等)、NMP、SFRP(稳定自由基聚合)、TEMPO等。通过采用受控自由基聚合技术,可以使分散剂的相对分子质量分布更为集中,锚定基团也更为集中,效率更高。

  5结语

  要使颜填料在涂料体系中完全发挥作用,分散剂的应用与合理选择是必须的。而在分散颜料之前,又必须对颜料及分散剂的结构进行了解。很多涂料技术人员或管理人员会认为,添加分散剂会增加成本,但其实不然。稳定的颜填料浆体系,能避免很多后续的问题。从综合的结果来看,合理地筛选分散剂并添加合适的量,是可以节省成本,并大幅度提升涂料的性能的。

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