颜料分散是涂料生产中的重要环节, 是一个复杂且耗费的过程。可重复生产、高色强度、贮存稳定是对颜料分散的基本要求, 同时低能耗、低耗时也是现代工艺设计的重要要求。根据这个思想, 通过对比现阶段大量使用的分散方法和设备, 以及对分散机理的探讨, 并结合相关学科的研究成果,探索了一些新的分散方法。
1 传统分散方法和设备
颜料的分散和稳定, 对涂料的最终性能和贮存稳定起着重要的作用。由于颜料和树脂体系的多样性, 选择合适的分散工艺是一项复杂的工作。传统分散过程的影响因素可以归结为三个变量: 颜料、分散剂和分散设备。正确选择这三个变量可以得到一个好的颜料分散体。
对应颜料润湿的难易程度, 把为分散而消耗的能量定义为分散能, 也就是说对于难润湿的颜料, 只有分散设备能提供必要的分散能时, 才能使它们完全展现其颜色和色强度。按照所提供分散能的高低, 分散设备排序如下: 搅拌机< 振荡磨< 砂磨< 球磨< 三辊磨。在满足颜料对分散能的要求的前提下, 分散设备设计的趋势是尽可能地提高产率, 同时减小占地空间和降低能耗。
目前大批量涂料生产中应用最多的是砂磨机, 分为立式和卧式。砂磨机的工作原理是利用高黏度泵, 将预搅拌好的物料输送入研磨缸, 研磨缸内充满研磨介质, 可以是玻璃珠、氧化锆珠、钢珠等。通过叶片的高速旋转, 赋予研磨介质足够的动能, 对物料施加剪切力和冲击力, 实现对颜料的分散。其特点是效率高产量大, 可连续生产, 操作简单。对于一些难润湿的颜料, 特别是小批量的生产, 三辊磨是不错的选择。
三辊磨通过水平的3根辊筒的表面相互挤压及不同速度的摩擦而达到研磨效果。特别适用于高黏度的物料及砂磨机难循环的物料。除了这些常规的分散设备, 在纳米材料的分散中, 常用到超声分散机。在颜料预分散体的制备中, 捏合机和双辊机被广泛适用。
分散助剂的大量使用和不断改进, 推动了分散效率的大幅度提高。同时也推动了分散过程的基础理论研究。分散剂从蓖麻油衍生物, 到低相对分子质量的表面活性剂, 现在被称为传统分散剂, 发展到高相对分子质量的超分散剂。而且超分散剂的分子设计和合成技术也在不断改进。
近年来,通过可控游离基聚合技术, 合成了具有更窄相对分子质量分布和更合理的分子链构造的新型分散剂, 取得了非常好的分散效果。选择一种合适的分散剂, 不仅可以大大缩短研磨时间, 提高研磨效率, 还可以降低色浆黏度, 提高色强度。
对颜料进行表面处理, 以改善颜料的润湿性能也是一个重要研究方向。如用偶联剂对无机颜料进行表面处理,对有机颜料用超分散剂进行处理, 用乳液聚合的方法, 将颜料粒子装进微胶囊中, 都能大大提高颜料的润湿分散性能。
近几年各大颜料供应商推出的颜料预分散体, 称为色片或者色砂, 应该说是一个重大改进。油墨生产中的挤水颜料, 也是对传统分散方法的革命性进步。颜料预分散体和挤水颜料都可以在颜料滤饼的基础上加工而成, 减少了颜料干燥粉碎的过程, 大大降低了能耗。在颜料使用过程中, 避免了粉尘污染, 提高了生产效率。还可以使得涂料、油墨产品的批次稳定性大大提高。
2 分散过程机理探讨
供应形式的颜料都处于团聚状态, 依靠分散设备施加的机械能破坏原生颗粒之间的内附着力, 原生颗粒被分散。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。从结构观点看, 絮凝非常类似于团聚, 只不过是用树脂溶液代替空气填充了颜料之间的空隙。为阻止絮凝, 必须依靠分散剂以某种形式结合在颜料粒子周围, 并提供空间位阻、电荷斥力等维持分散状态稳定。各国学者对分散稳定的理论提出了许多模型, 其中比较成熟的有双电层理论、空间位阻理论等。其核心是如何有效阻止分散状态的颜料粒子重新聚集。
双电层理论又称静电稳定理论, 将分散状态的颜料粒子表面描述为双电层结构。当赋予颜料粒子表面某种电荷以后, 相反电荷的带电离子云会围绕其周围。当两个微粒靠近时, 电荷斥力将阻止其靠近, 从而阻止絮凝。这类分散剂分子中通常含有大量羧基或磺酸基, 用于提供电荷。在以水为主的高电解质媒介中, 该模型发挥主要稳定作用。
溶剂型体系中起主要作用的是空间位阻理论。该理论中分散剂分子被设计为一端为亲颜料基团, 另一端为树脂相容链段。分散剂分子依靠亲颜料基团吸附在颜料粒子表面, 树脂相容链段溶解在树脂溶液中, 从而在颜料粒子周围形成空间位阻, 阻止微粒靠近。
无论哪个理论, 最重要的一点是相同的, 即分散剂分子对颜料粒子的吸附。为了增强分散剂分子与颜料粒子的结合力, 在新型高分子分散剂的设计中, 分散剂分子常被设计成嵌段聚合物、梳形聚合物、超枝化聚合物等。
某些有机颜料例(如酞青蓝)其表面很难与分散剂分子形成牢固的吸附。为了增强分散剂和颜料粒子的结合力, 经常在颜料后处理或者分散过程中添加一种颜料增效剂, 如毕克化学提供的BYK - SYNERG IST 2100, 能显著提高分散效果。颜料粒子与分散剂分子的结合被称为锚固作用, 主要依靠氢键、极化作用和范德华力实现。而某些颜料的分子结构中既不存在形成氢键的供体和受体, 又缺乏极性或可极化的基团,因此很难与分散剂分子形成强的锚固作用。
所谓颜料增效剂实际上是一种颜料衍生物, 将颜料分子引入极性基团或可以形成氢键的基团, 从而增强锚固作用。实际上在颜料化处理中, 添加很少量的颜料衍生物, 可以明显改善颜料的分散性能和其他性能。此类颜料衍生物具有与颜料相似的骨架结构,并含有特定基团或聚合物链。
3 基于吸附竞争理论的分散思路
以上颜料分散机理没有考虑颜料粒子吸附的空气分子、水分子和溶剂分子的影响。实际上团聚状态的颜料粒子表面被空气和水分子包围, 分散以后的颜料粒子被溶剂包围。空气、水和溶剂对分散过程肯定会产生影响。在润湿过程中, 颜料粒子周围吸附的空气分子首先被溶剂分子所替代。然后是分散剂分子中的颜料亲和基团跟颜料粒子结合, 发生锚固作用。但颜料粒子的大部分表面仍然被溶剂分子所吸附。因此, 有理由认为分散剂和溶剂在颜料表面形成吸附竞争。
从热力学的角度分析, 由于分散剂分子经过专门设计, 对颜料表面的吸附力有竞争优势, 因此使得分散体系维持稳定。从动力学的角度分析, 在颜料表面吸附的溶剂分子被分散剂的亲颜料基团取代之前, 颜料粒子表面被溶剂分子包围。分散剂大分子在溶剂中展开以后其分子链周围也被溶剂吸附, 即被溶剂化。因此, 颜料粒子表面的溶剂分子和分散剂分子周围的溶剂分子必须同时被排挤开, 然后分散剂分子和颜料粒子的结合才能完成。这个过程中, 溶剂分子分别与颜料粒子和分散剂分子之间的范德华力不可以忽略, 且表现为对分散的阻力。于是, 可以设想, 将这个过程中的溶剂去掉, 或者在分散的后期将溶剂抽出, 必然有利于分散。排除溶剂的竞争以后, 由于接触面积增大, 颜料粒子和分散剂分子之间即便不能形成氢键和极化作用, 单纯依靠范德华力, 也可以获得牢固的锚固作用。
第一个思路是在加热的情况下, 使分散剂处于熔融状态,直接参与研磨。这样直接由分散剂分子取代颜料粒子表面吸附的空气分子而结合。这个思路的优点是能耗低、效率高, 缺点是熔融状态的分散剂黏度不能太大, 这就要求分散剂的相对分子质量不能太高。另一个思路是前期有溶剂参与, 因为溶剂能够使得颜料粒子比较容易被润湿, 即先由溶剂分子取代颜料粒子表面的空气分子, 然后加热或者负压或者同时加热加负压, 使得溶剂挥发出来, 促进颜料粒子和分散剂分子的紧密结合。这个思路的优点是适用于大多数分散剂, 缺点是挥发溶剂能耗高。
4 基于纳米技术的分散思路
近年来纳米材料的研究取得长足进展, 纳米材料的分散也是一个重要课题, 并且与颜料的分散有很多相通之处。颜料的加工过程跟纳米材料类似, 并且多数颜料的原始粒子为纳米级, 因此, 需要对颜料的加工工艺加以改进, 把纳米级的颜料粒子分散在漆基树脂或者通用树脂之中, 制成纳米颜料预分散体。其优点是色强度高, 透明度好, 色值和其他各项性能稳定。对涂料、油墨以及喷绘墨水、液晶材料等应用都不会有粒径的限制。
如果纳米级的颜料粒子粒径足够小, 其表面能和吸附能力非常高, 可以使被吸附的官能团丧失化学活性。这个强度已经大于氢键和极化作用。按照这个思路, 就不用专门设计多种多样的适用于不同颜料的分散剂。而是直接用载体树脂或者用通用树脂参与分散, 采用无溶剂分散的办法制成色浆,这个色浆将是非常稳定的。这对目前的分散方法将是一次彻底的革命。
5 结 语
在目前的颜料分散机理基础上, 考虑了颜料粒子所吸附的空气、水和溶剂分子的影响, 提出了无溶剂的分散方法。特别是纳米颜料预分散体的设想一旦实现, 将对现有的分散方法和涂料、油墨的生产起到革命性的作用。
作者：付学勇 (青岛华凌化工产品有限公司, 山东青岛266071)
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