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涂料用炭黑的分散

来源:碳黑工业 | 作者:德隆导电炭黑 | 发布时间: 2023-03-05 | 1217 次浏览 | 分享到:

一、分散过程

一般涂料用颜料的分散和涂料制造过程见图6-5。

在涂料制造过程中通常采用以下工序。

(1)预混合工序  为主分散过程配制出最佳组成和最佳流动状态的配合物,在此过程中当颜料为炭黑时,炭黑粒子的附聚体表面被漆料完全润湿,较大的附聚体已被破碎。

(2)主分散工序(研磨分散) 对已被漆料润湿的炭黑附聚体,施加冲击和剪切能使达到涂料要求细度进行分散的工序。最终使炭黑被粉碎到近于聚集体的状态,炭黑从漆料中吸附了树脂成分。

(3)稀释调整(冲淡)工序  在高浓度膏状物中,添加必要数量的树脂、溶剂和助剂,使达到涂料产品预定黏度和组成的稀释调整工序,控制添加树脂溶液和溶剂的添加量,调节添加量,调节添加顺序、速度、温度及搅拌条件,使稀释后的涂料产品中的颜料不会再凝聚。

二、分散设备

根据不同涂料分散体系的黏度、溶剂的挥发性、生产方式以及最终分散的粒径,可使用如下的分散设备。

(1)捏合型  如捏合机、行星式混合器等,常用于原料黏度大,产生剪切力也大的硬质糊膏的分散。

(2)压缩剪切型  如三辊研磨机、双辊研磨机,是在辊筒间隙

中施加较大的压力而产生大剪切应力的分散设备,适用于高黏度(可以达到1000Pa·s)、高附着力的物料。

(3)搅拌混合型  如胶体磨、Kady磨等,依靠高圆周速度(300~1200m/min)的搅拌器,产生高的剪切速度。

(4)磨碎剪切型  如砂磨机和球磨机等,以球或砂(或称珠)的冲击和剪切应力来分散的设备,球磨机可施加102~105Pa的剪切应力。砂磨机适用于在有挥发性的低黏度(可以达到1~105Pa·s)的液体中的分散。

涂料用炭黑有粉状和粒状两种形态,粉状炭黑视比容大,易飞扬污染,但容易在漆料中分散;粒状炭黑视比容小,不易飞扬但难分散。一般选用粉状炭黑,如选用粒状炭黑,则需要采用剪切应力较大的分散设备。

三、分散及分散稳定性机理

一般炭黑在涂料中的分散需经历以下三个过程:①炭黑被漆料润湿,由炭黑-空气界面转为炭黑-漆料界面;②炭黑被分散,炭黑的附聚体被破碎为聚集体;③炭黑粒子的稳定化。炭黑聚集体表面吸附漆料中的树脂和表面活性剂,以保持胶态粒子的准稳定状态。

炭黑的润湿是指漆料浸透了炭黑附聚体间的空隙,炭黑附聚体的大小、空隙率,特别是表面化学性对润湿有很大影响。支配炭黑附聚体分散的因素是剪切速度和剪切应力,体系黏度和附聚体自身特性,在高剪切速度、高剪切应力、高黏度的体系中,炭黑附聚体较易分散,炭黑粒径较大、结构较高时,聚集体和聚集体之间形成附聚体的凝聚力较弱,而较易分散。

炭黑的分散稳定性对涂料来说是一个十分重要的性质,如果分散不稳定,在涂料贮存过程中,炭黑聚集体重新凝聚为附聚集,即所谓“返粗”现象,不仅会使涂膜黑度发生变化,也会使涂膜的其他性能降低。

颜料和炭黑分散性保持机理主要有以下两点:①静电的排斥力使分散稳定化。炭黑表面吸附分散剂后,粒子表面的电位提高,且带有相同的电荷,因此粒子间的排斥力增加,而使分散稳定;②立体的保护(包封)作用使分散稳定化。由于树脂和分散剂的吸附后重叠于炭黑粒子表面,使表面的渗透压上升和熵值降低,粒子间排斥力也增大,而使分散稳定。

使涂料分散稳定化最有效的手段是添加分散稳定剂,在水性涂料中常用聚羧酸系钠盐或萘酸钠等阴离子型表面活性剂。非水性涂料则常用硬脂酸铝等金属盐或烷基苯磺酸钙、卵磷脂、脂肪酸的山梨糖酸酯或烷基聚胺等表面活性剂。

炭黑的表面化学性对炭黑在漆料中的分散稳定性有显著影响。经过表面氧化处理的表面,其表面羧基、羟基、酯基和内酯基增多,起到了"内在表面活性剂"的作用,和同样粒径结构未经氧化处理炭黑对比,可以提高分散稳定性,并降低分散剂用量。因此,在涂料用炭黑中,特别是水性涂料用炭黑,多选用经过表面氧化的高挥发分酸性炭黑品种。