涂料顏料的分散和穩(wěn)定化原理及配方設計

1、涂料顏料的分散和穩(wěn)定化原理及配方設計沈浩清華大學(深圳)研究院深圳51805、涂料的顏料研磨分散和穩(wěn)定化原理.顏料在樹脂中的分散涂料是由樹脂、顏料、溶劑和助劑組成的，有顏料的涂料叫色漆。初看起來，只要將樹脂、顏料、溶劑等混合成均勻體系，將其涂布于工件表面上，形成一層均勻薄膜就可以了。但實際上要達到這一目的并非易事。在涂料體系中，相界面非常多，各組成間的相互作用十分復雜，這種體系極不穩(wěn)定，容易發(fā)生分離現(xiàn)象。而色漆的生產就是要得到一個相對穩(wěn)定的、分離現(xiàn)象被消除或大大延緩的液態(tài)體系。這種液態(tài)體系仍是非均相的，但看上去是均勻的，施工后的漆膜是均勻的，各部分的性能也是一致的。為此，色漆的生產必須通過有效

2、的加工將顏料均勻地分散在樹脂中，形成以顏料為分散相，以樹脂為連續(xù)相的非均相分散體系。保證顏料始終處于良好的分散狀態(tài)，是色漆制造的首要問題，也是難點和涂料制造的精彩部分。.顏料的分散過程顏料在樹脂中的分散過程比較復雜，它至少要經過三個過程，即潤濕過程、解聚過程和穩(wěn)定過程。這三個過程不是截然分開的，而是同時發(fā)生、交替進行的。三者的關系是：潤濕是基礎，解聚是為了更充分地潤濕，而達到穩(wěn)定狀態(tài)是最終目的。顏料的潤濕過程顏料顆粒表面一般都吸附著一層空氣和水分，顆粒間的空隙也被空氣所填充。顏料分散的首要前提是用樹脂取代空氣和水分，并在顏料的表面上形成一種新的色覆膜。這種用樹脂取代空氣和水分并在顏料表面形成新

3、的色覆膜的過程稱作潤濕過程。不同的樹脂種類對顏料的潤濕不同，如醇酸樹脂的潤濕能力一般比丙烯酸樹脂好。顏料的種類不同，其被潤濕的能力也不同。在涂料中加入潤濕分散劑助劑，能大大改善顏料的潤濕。將漆漿靜置過夜(預浸泡)再進行研磨，也有利于潤濕分散。顏料的解聚過程涂料廠購入的顏料均以其原級粒子、附聚體和聚集體的混合體存在。原級粒子是顏料制造過程中形成的單個晶體或締合晶體，粒徑是微細的附聚體是原級粒子間以邊和角相連接結合而成的結構松散的大的顏料粒子團。聚集體是原級粒子間以多面相結合或晶面成長在一起的結構緊密的大的顏料粒子團。附聚體大多是顏料生產在干燥和隨后的干磨過程中形成的。聚集體是顏料生產的成熟化階段

4、形成的。附聚體和聚集體合稱為顏粒的二次粒子。僅僅將顏料潤濕是不夠的，因為這種大粒徑而小表面積的粒子團不能形成穩(wěn)定的分散狀態(tài)，必須施以外加機械力將這種大顆粒解聚，使其恢復或接近恢復到原級粒子的大小，以顆粒大表面積的形式暴露在漆料中，并使其所有暴露出來的表面都被樹脂潤濕。這種借助外加機械力，將二次粒子恢復成或接近恢復成原級粒子的過程，叫解聚過程。顏料的解聚是色漆制造中主要的、消耗能量最大的工序，它需要借助外界機械力才能進行，這種機械力由研磨分散設備提供，即通常所說的砂磨機、球磨機、三輻機和高速分散機等。研磨分散的效率將直接影響色漆生產線的單位時間產量和能量消耗。如何爭取在盡量短的時間內消耗盡量少的

5、能量和生產出盡量多而穩(wěn)定性好的研磨色漿，是色漆生產時對顏料解聚效果所追求的目標。要提高研磨分散效率，通常需具備：(1)有個經過精心設計的色漆標準配色，包括樹脂、顏料、適宜溶劑和潤濕分散劑的正確選用；(2)以合理的研磨漆漿組成(即樹脂、顏料和溶劑的適宜比例)進行研磨漆漿的分散作用；(3)結合色漆品種選用高效的研磨分散設備，提供設備的最佳參數(shù)和科學的操作方法，如高色素炭黑用球磨機研磨的效率高于砂磨機；(4)確定合理的工藝操作規(guī)程，正確操作，科學管理。顏料的穩(wěn)定過程已被潤濕和解聚的顏料顆粒分布到大量的樹脂中，這樣就有足夠的樹脂包覆在顏料粒子周圍并將其彼此隔離開來，從而減小了顏料粒子間的作用力，避免了

6、顏料顆粒的相互接觸，從而使體系穩(wěn)定下來。這種被潤濕和解聚的顏料顆粒被足夠厚的、連續(xù)的、小揮發(fā)的成膜物質永久地分散開來，使分散體系在無外加機械力的作用下，也不會出現(xiàn)顏料粒子再次聚結形成大顆粒的過程，叫顏料的穩(wěn)定化過程。有兩種穩(wěn)定作用使顏料粒子穩(wěn)定，即電荷穩(wěn)定作用和空間位阻穩(wěn)定作用。電荷穩(wěn)定作用很多顏料粒子可選擇性地吸附帶正電荷或帶負電荷的離子，使顏料粒子表面帶同種電荷，同種電荷的相互排斥作用使顏料粒子穩(wěn)定。在分散劑的作用下這種選擇性的吸附更加明顯，因此，合適的分散劑能顯著提高分散研磨效率，也使體系更加穩(wěn)定。空間位阻穩(wěn)定作用顏料顆粒被解聚的同時，新暴露出來的表面被樹脂潤濕，從而使顏料顆粒表面被足夠

7、的樹脂膜包覆起來，這會給運動中的顏料粒子相互接觸碰撞帶來阻礙，這就是位阻作用。一定量的高分子類分散劑能有效地將顏料粒子包覆起來。這種分散劑由兩部分組成，一部分是可以潤濕顏料并錨定在顏料粒子上的官能團，另一部分是被溶劑化的大分子鏈并從顏料粒子表面伸長出來，這種大分子鏈會產生有效的位阻效應。二、涂料配方設計原則及方法.顏料體積濃度一配方設計的基本原理涂料由樹脂、顏料、溶劑和助劑組成，沒有顏料的涂料為清漆或光油，有顏料的涂料叫色漆。在色漆的配方組成中，最重要的因素之一是選擇顏料與樹脂之間的比例關系，而這種比例關系主要是兩者體積的比例關系。顏料體積濃度(PVC)就是表示這種體積比例關系的概念，它的定義

8、是：PVC=Vp+(Vp+Vb)式中，Vp代表顏料和填料的體積；Vb代表固體樹脂的體積。當PVC=O時，代表漆膜中只有成膜物的狀態(tài)；當PVC=100%時，代表只有顏填料的狀態(tài)，而色漆的PVC值在0100%之間。色漆的PVC值大小對漆膜性能影響很大。當PVC值由0100%時，漆膜的起泡性、光澤、滲透性和生銹性等性能均有變化，其趨勢為：漆膜氣泡性降低，光澤由高光澤向半光及無光變化；滲誘性由低到高，生銹性逐漸嚴重。.臨界顏料體積濃度向顏料中加入樹脂，樹脂會逐步取代堆積狀的顏料層空隙中的空氣，當顏料層的空隙完全被樹脂充滿，顏料中的空氣完全被樹脂取代時，此時的顏料體積濃度稱臨界顏料體積濃度，用CPVC表

9、示。CPVC的物理意義是：若PVC與CPVC的比值等于1,則此時樹脂恰好能潤濕所有顏料粒子，樹脂恰好填滿顏料間的所有空隙；若小于1,則樹脂過量，此時顏料粒子彼此分離，樹脂越多，兩個顏料粒子之間的距離越來越大；若大于1,則顏料過量，此時,樹脂未填滿顏料中的空隙，顏料空隙間留有空氣。用CPVC值可以分析色漆的基本特征，對高性能或外用色漆配方，其PVC值一般不應超過CPVC值。反之，一般內用涂料或底漆，其PVC值可以超過CPVC值。漆膜的性能在CPVC值這個點會產生突變，表明了漆膜的15種性質在CPVC點時的變化特征。通常利用漆膜性能在CPVC值這個點產生突變的特點，進行CPVC值的計算。相反，也可

10、以從己知色漆配方的CPVC值來預測在此值時漆膜性能的變化及存在的缺陷。除可通過漆膜性能的突變測定CPVC值外，還可通過顏料的吸油量計算CPVC值。.顏基比的概念及應用顏填料的質量與固體樹脂的質量的比值叫顏基比，用PIB表示。P代表顏填料的質量，代表固體樹脂的質量。國內在色漆配方設計中仍經常采用PIB的方法，一是計算方便，另一是國內在色漆實際生產過程中，原料仍以質量為計量單位，而未能完全使用以體積為計量單位。運用PIB計算配方比較方便，可根據色漆配方特點，先以PIB比值設計出一個配方，然后再通過試驗調整配方(包括改變PIB值)，直至達到最佳的質量指標和施工要求。在分析配方的PVC值時，可運用顏料

11、和樹脂的密度，將PIB換算成PVC值。在分析顏料和樹脂對漆膜性質的影響時，仍須使用PVC和CPVC的概念，而用PIB不方便。.涂料配方設計原則色漆配方設計設計色漆配方主要有以下幾個內容。(1)樹脂的選擇：要根據色漆的用途選擇樹脂，一般交通欄桿和室內門窗用色漆可選用醇酸樹脂作樹脂；汽車用高級面漆應選用耐氣候樹脂，如高檔丙烯酸樹脂等。(2)顏料的選擇：應根據色漆的顏色和耐候性、防銹能力等不同要求選擇顏料和填料的種類。(3)確定產品的固體含量和PVC值或PIB值，這可確定配方的基本骨架，即一個配方中樹脂有多少、顏填料有多少等。(4)選擇溶劑和助劑。(5)各種原料配比的選擇：兩種或以上樹脂的配比，幾種

12、溶劑的配比，顏料與填料的比例等。(6)反復做實驗以得到合理的產品性能和最優(yōu)的成本。(7)制訂色漆的標準配方。(8)確定色漆的生產配方：這時需考慮顏料的研磨分散效率、操作程序及品質控制點等。有光、半光、無光漆配方的設計按漆膜光澤的不同，將面漆分為有光、半光和無光三種類型。對有光、半光、無光漆膜光澤值的具體范圍，目前沒有統(tǒng)一的標準，各光涂料說法也不盡相同，溶劑型漆與乳膠漆的光澤劃分也不盡相同。在本文中，將光澤度計60。以下光澤小于5%的漆膜稱為無光，60。以下光澤20%-30%的漆膜稱為半光，60。以下光澤大于30%的漆膜稱為有光。面漆光澤隨樹脂種類、顏料性能、PVC值的變化而變化，一般漆膜光澤隨

13、PVC值增大而降低。有光漆應選用遮蓋力強、分散性好的著色顏料，其PVC值相對低一些，應選用光澤高的樹脂。過去的半光漆和無光漆是以增大配方中填料的方法以增大PVC值，達到消光效果，現(xiàn)在已多用加消光助劑的方法來實現(xiàn)，使漆膜的綜合性能得到提高和改進。在色漆的品種中，半光漆和無光漆的需求量越來越大，應用范圍也越來越廣，特別是室內裝飾因其給人以舒適感覺，符合現(xiàn)代潮流。半光漆和無光漆的質量不但涉及樹脂和顏填料，更涉及消光材料的使用。為了消光，除增大PVC值外，現(xiàn)多采用消光劑消光。因使用消光劑能得到比加填料更好的漆膜性能，如硬度、手感、抗劃傷性、耐磨性等。消光劑的品種很多，著名的有Grace公司的SYLOI

14、D牌號，如ED30、ED50、ED3、ED5、C970、C.805等；Degussa公司的ACEMATT牌號，如OK500、OK520、OK607、HK400、TS100等。粒徑大的消光粉，其消光效率較高，但手感一般差些。如要求手感好，則多選擇粒徑小一些的消光粉。含蠟的消光粉的手感優(yōu)于不含蠟的消光粉，但消光效率會差一些。有的消光粉其自身防沉性能好，但另一些防沉性能不好，需J'I-DN防沉劑防止沉淀。一般用高速攪拌的方法分散消光粉，而不能用砂磨機等研磨設備分散消光粉。消光劑消光的原理是：向涂料中加入消光劑，等漆膜干燥后，消光劑會使漆膜形成粗糙的表面，當光線照射漆膜時，會形成漫反射(即不規(guī)

15、則的反射)，這樣漆膜的光澤會降低。對底漆的要求對底漆的要求是具有良好的附著力和防銹性能，對上層面漆要有很好的結合力，其機械強度要好，能抵抗外來的沖擊、彎曲、磨損等的破壞。底漆配方設計特點如下。樹脂的選擇要求選用的樹脂對金屬表面有很好的潤濕性能，成膜后有理想的機械強度，環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、醇酸樹脂、聚氨酯等具備這些性能，可用作底漆樹脂。其中環(huán)氧樹脂對金屬、水泥等表面附著力最強，是理想的底漆用樹脂。酚醛樹脂耐水性好，在底漆中也廣泛采用。丙烯酸聚氨酯類成膜物具有良好的力學性能，耐鹽霧性也好，也是用得很多的樹脂。醇酸樹脂價廉，可用于一般用涂。顏料與填料的選擇要求選用的顏料應具備一定的防銹性能和對金屬的

16、鈍化作用，應具備良好的遮蓋力和制漆穩(wěn)定性，對耐光和鮮艷度要求不高。底漆用顏料一般有鐵紅、鈦白粉、鋅黃、氧化鋅、炭黑、立德粉等，填料品種有滑石粉、硫酸鋼和碳酸鈣等，要注意顏料和填料的搭配。顏料體積濃度的選擇在底漆配方中，PVC值超過半光漆的PVC值（為40%55%）時，漆膜呈無光表面；若低于半光漆的PVC值，則光澤會高于半光。在同樣PVC值時，各種顏料和填料的粒子形狀、粒子聚集情況、粒子分散狀況等也會影響漆膜的光澤和性能。底漆的PVC值控制在40%55%之問為好。底漆光澤與配套面漆光澤的關系一般來說，底漆光澤高時，其配套面漆光澤也高一些。中涂底漆配方設計中涂底漆是底漆的一種特殊形式，它的功能是增強底漆與面漆的結合力，增加涂層厚度，提高涂料的抗腐蝕能力，提高面漆的裝飾性能。