粉体分散性的好坏,直接影响着色力、消色力、遮盖力、表面光泽度等许多光学性能;影响涂料的各种流变性,如涂料的贮存稳定性、流动性、流平性等;还能影响诸如涂层耐久性,防腐蚀涂层的防腐蚀性、导电涂层的导电性等许多应用性能;而且还大大地影响涂料的生产成本,因为分散作业的能耗一般都很高,占涂料制造过程总能耗的大部分。
所以,现代工程技术对粉体物料的一项重要要求,就是必须具备良好的分散性。对粉体研磨分散性的影响因素很多。例如:粉体的质地及密度,颗粒的大小及其分布,颗粒的表面活性和表面亲液性,液相介质的极性,颗粒在介质中形成双电层的能力,颗粒吸附层界面与扩散层界面之间的电位(即动电位,简称δ电位),能控制δ 电位的分散剂的种类和效能,以及研磨分散设备所能产生的剪切力的大小等。
粉体粒度对研磨分散性的影响很大,一般地说,原级粒度合适、粒径分布狭窄、粉体的附聚体或絮凝体质地松软的粉体,是比较容易分散的,所形成的分散体也是比较稳定的。
以质地比较坚硬的天然氧化铁颜料为例,若采用传统的设备粉碎,即使粒径能够达到44μm,325 目99.9%,也存在有许多不易分散的极端大颗粒。例如,一个典型的分析结果为:小于10μm者占73.7%,10-34μm者占20%, 大于34μm- 者占5.7%,在5.7%的这一粗颗粒级别中,个别颗粒可达到40μm,甚至还有60μm者,分散极为困难,这样的天然氧化铁颜料只可能用于非装饰性的厚涂层中,而且只能用湿法球磨这样的高能耗研磨分散设备。
相比之下,气流粉碎天然氧化铁的粒度可达10μm,大多数颗粒为亚微米级,因此相对较容易分散见表1 。据介绍,在同样条件下,粒径微细化的天然氧化铁的研磨生产能力,比颗粒粗的要高6-7倍。

合成氧化铁颜料虽然原级粒径微细(亚微米级),质地也比较疏松,但在最终的干燥过程中,许多颗粒发生附聚,形成比较难分散的附聚体。为了能使合成氧化铁颜料用高效节能的分散设备如高速分散机、砂磨机等进行研磨分散,国外广泛采用解磨式粉碎机如气流粉碎机将干燥后的产品再进行一次解磨粉碎,打碎附聚体,使成品细度变细。
例如,一种用苯胺法生产的合成氧化铁黑,其水悬浮液经过过滤、水洗和干燥后,附聚体含水5%,颗粒尺寸达100-500μm,这样的铁黑直接进行研磨分散,分散的难度大,且颜料的着色力也不容易充分地发挥出来。如果经气流解磨粉碎,将附聚体的颗粒细化,达到40μm(筛余量0.001%)大都为30μm以下,不仅分散性提高,而且其制品的着色力比未经解磨的同样铁黑高出7%,颜色为带蓝相的黑色。
为了提高粉体的分散性,仅仅控制粒度是远远不够的,还要对粉体颗粒进行表面化学改性即表面处理,使粉体颗粒表面具有亲水性(疏油性)或亲油性(疏水性)。近年来,为了使粉体(特别是颜料)具有更大的通于水性系统,又适用于油性(树脂)系统。
为了进一步提高分散性,粉体的许多分散过程,都必须借助于分散剂的使用。现代涂料工业应用各种各样的分散剂。近年来一种叫做超细分散剂的强力分散剂问世,并开始在涂料工业应用。据介绍,这种超分散剂对于特别难以分散的纳米粉体,如炭黑、超细二氧化钛、透明氧化铁等,都有极佳的分散效果。
2 对流变性的影响
粉体含量相对较高的液相分散体的最重要的性能之一,便是它的流变学性能,简称流变性。所谓流变性,就是分散体在外力作用下发生流动和变形的性能。对于固相浓度较高的所谓非牛顿型(假塑性和膨胀性)液相分散体,如涂料、油墨、色浆等,在其制造、贮存、施涂和固化成膜过程中,流变性处处都在起作用。
上一节所述的粉体的分散性实际上也是一种流变性。下面简要介绍一下粉体粒度对分散体流变性的影响。流变性包括许多参数,其中分散体的黏度极为重要,它是分散体黏滞性大小的量度,对分散体的流动性影响颇大。
分散体的黏度与它所含有的粉体粒径有关。例如,一种氧化锌颜料在油中形成的非牛顿型分散体的塑性黏度和屈服值就与氧化锌的平均粒径有关。前者如图1 所示。
图1 黏度与粉体粒径的关系
此外,高固体分的分散体,其表观流动性能随粉体粒径变小而下降。液相分散体的贮存稳定性大受粉体粒径的影响。涂料的临界颜料体积浓度以及颜料和填料的吸油量(或吸水量)等指标,也受粉体粒径大小的影响,
3 对颗粒表面活性的影响
当晶体型粉体的粒径处于超微范围,特别是处于亚微米和纳米范围时,其颗粒表面甚至本体都会产生诸多缺陷,如表面点缺陷、位错和非化学比等。
点缺陷主要有肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷。前者是指离子从晶体的正常位置转移到表面上,而原来的位置变成空位;后者是指晶格的某些离子(通常为体积小的阳离子)进入晶体格子的间隙位置上,而正常的位置却空缺着。
位错是粉体晶体中一种有规律的浓集的点缺陷,也称晶格缺陷,可分为棱位错和螺旋位错2种。
由晶格缺陷引起的非化学比缺陷是指构成粉体的化学元素比例与相应的化合物的理论化学式不相符合,特别是在颗粒表面上。据计算,一种粒径为0.2-0.4μm的二氧化钛,单个颗粒大约缺少100个氧原子。二氧化钛晶粒表面上往往具有肖特基缺陷。
由于这些缺陷的存在,粉体颗粒表面乃至内部产生了一定的活性,特别是表面活性。粉体粒径越小,这种活性越大。
例如,在具有离子键或共价键的微细晶体粉体颗粒表面上,可存在因加工粉体过程中的粉碎力的猛烈作用而产生的断裂离子键或共价键;颗粒表面上的原子数占颗粒总原子数的比例随粒径的变小而增大;粉碎时强大的机械冲击能量从晶体表面上取走离子或原子,使表面外于激活状态;许多被视为刚性体的颗粒变成微塑性,并贮存一部分能量;颗粒表面在颗粒形成的过程中吸附或自生了各种化学基团,形成了能引发化学反应或物理作用的各种游离基,特别是表面羟基,如图4 和图5所示;由于颗粒的晶体结构发生机械损伤和塑性变形,导致颗粒表面甚至本体的无定型化(由晶体变为非晶体),伴随着表面自由能的增加等。
所有这些结构变化,都会导致颗粒表面活性的大增,而且颗粒越细,以表面自由能为代表的活性越大。例如,可用于导电涂料的铜粉,当粒径为10μm时,表面能为5.9 J/mol 表面结合能为7.1*10-5J/mol,而粒径为10nm时,上述值分别为5900J/mol和7.1*10-2J/mol。
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