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1、涂料颜料的分散和稳定化原理及配方设计沈浩 清华大学(深圳)研究院深圳51805一、涂料的颜料研磨分散和稳定化原理1.颜料在树脂中的分散 涂料是由树脂、颜料、溶剂和助剂组成的，有颜料的涂料叫色漆。初看起来，只要将树脂、颜料、溶剂等混合成均匀体系，将其涂布于工件表面上，形成一层均匀薄膜就可以了。但实际上要达到这一目的并非易事。在涂料体系中，相界面非常多，各组成间的相互作用十分复杂，这种体系极不稳定，容易发生分离现象。而色漆的生产就是要得到一个相对稳定的、分离现象被消除或大大延缓的液态体系。这种液态体系仍是非均相的，但看上去是均匀的，施工后的漆膜是均匀的，各部分的性能也是一致的。为此，色漆的生产必须
2、通过有效的加工将颜料均匀地分散在树脂中，形成以颜料为分散相，以树脂为连续相的非均相分散体系。保证颜料始终处于良好的分散状态，是色漆制造的首要问题，也是难点和涂料制造的精彩部分。2.颜料的分散过程 颜料在树脂中的分散过程比较复杂，它至少要经过三个过程，即润湿过程、解聚过程和稳定过程。这三个过程不是截然分开的，而是同时发生、交替进行的。三者的关系是：润湿是基础，解聚是为了更充分地润湿，而达到稳定状态是最终目的。2.1 颜料的润湿过程 颜料颗粒表面一般都吸附着一层空气和水分，颗粒间的空隙也被空气所填充。颜料分散的首要前提是用树脂取代空气和水分，并在颜料的表面上形成一种新的色覆膜。这种用树脂取代空气和
3、水分并在颜料表面形成新的色覆膜的过程称作润湿过程。不同的树脂种类对颜料的润湿不同，如醇酸树脂的润湿能力一般比丙烯酸树脂好。颜料的种类不同，其被润湿的能力也不同。在涂料中加入润湿分散剂助剂，能大大改善颜料的润湿。将漆浆静置过夜(预浸泡)再进行研磨，也有利于润湿分散。2.2 颜料的解聚过程 涂料厂购入的颜料均以其原级粒子、附聚体和聚集体的混合体存在。原级粒子是颜料制造过程中形成的单个晶体或缔合晶体，粒径是微细的附聚体是原级粒子间以边和角相连接结合而成的结构松散的大的颜料粒子团。聚集体是原级粒子间以多面相结合或晶面成长在一起的结构紧密的大的颜料粒子团。附聚体大多是颜料生产在干燥和随后的干磨过程中形成
4、的。聚集体是颜料生产的成熟化阶段形成的。附聚体和聚集体合称为颜粒的二次粒子。 仅仅将颜料润湿是不够的，因为这种大粒径而小表面积的粒子团不能形成稳定的分散状态，必须施以外加机械力将这种大颗粒解聚，使其恢复或接近恢复到原级粒子的大小，以颗粒大表面积的形式暴露在漆料中，并使其所有暴露出来的表面都被树脂润湿。这种借助外加机械力，将二次粒子恢复成或接近恢复成原级粒子的过程，叫解聚过程。 颜料的解聚是色漆制造中主要的、消耗能量最大的工序，它需要借助外界机械力才能进行，这种机械力由研磨分散设备提供，即通常所说的砂磨机、球磨机、三辊机和高速分散机等。研磨分散的效率将直接影响色漆生产线的单位时间产量和能量消耗。
5、如何争取在尽量短的时间内消耗尽量少的能量和生产出尽量多而稳定性好的研磨色浆，是色漆生产时对颜料解聚效果所追求的目标。要提高研磨分散效率，通常需具备：(1) 有个经过精心设计的色漆标准配色，包括树脂、颜料、适宜溶剂和润湿分散剂的正确选用；(2) 以合理的研磨漆浆组成(即树脂、颜料和溶剂的适宜比例)进行研磨漆浆的分散作用；(3) 结合色漆品种选用高效的研磨分散设备，提供设备的最佳参数和科学的操作方法，如高色素炭黑用球磨机研磨的效率高于砂磨机；(4)确定合理的工艺操作规程，正确操作，科学管理。2.3 颜料的稳定过程 已被润湿和解聚的颜料颗粒分布到大量的树脂中，这样就有足够的树脂包覆在颜料粒子周围并将
6、其彼此隔离开来，从而减小了颜料粒子间的作用力，避免了颜料颗粒的相互接触，从而使体系稳定下来。这种被润湿和解聚的颜料颗粒被足够厚的、连续的、小挥发的成膜物质永久地分散开来，使分散体系在无外加机械力的作用下，也不会出现颜料粒子再次聚结形成大颗粒的过程，叫颜料的稳定化过程。有两种稳定作用使颜料粒子稳定，即电荷稳定作用和空间位阻稳定作用。2.3.1 电荷稳定作用 很多颜料粒子可选择性地吸附带正电荷或带负电荷的离子， 使颜料粒子表面带同种电荷， 同种电荷的相互排斥作用使颜料粒子稳定。在分散剂的作用下这种选择性的吸附更加明显，因此，合适的分散剂能显著提高分散研磨效率，也使体系更加稳定。2.3.2 空间位阻
7、稳定作用 颜料颗粒被解聚的同时，新暴露出来的表面被树脂润湿，从而使颜料颗粒表面被足够的树脂膜包覆起来，这会给运动中的颜料粒子相互接触碰撞带来阻碍，这就是位阻作用。一定量的高分子类分散剂能有效地将颜料粒子包覆起来。这种分散剂由两部分组成，一部分是可以润湿颜料并锚定在颜料粒子上的官能团，另一部分是被溶剂化的大分子链并从颜料粒子表面伸长出来，这种大分子链会产生有效的位阻效应。二、涂料配方设计原则及方法1.颜料体积浓度配方设计的基本原理 涂料由树脂、颜料、溶剂和助剂组成，没有颜料的涂料为清漆或光油，有颜料的涂料叫色漆。在色漆的配方组成中，最重要的因素之一是选择颜料与树脂之间的比例关系，而这种比例关系主
8、要是两者体积的比例关系。 颜料体积浓度(PVC)就是表示这种体积比例关系的概念，它的定义是： PVC=Vp(Vp + Vb) 式中， Vp代表颜料和填料的体积；Vb代表固体树脂的体积。 当PVC=O时，代表漆膜中只有成膜物的状态；当PVC=100时，代表只有颜填料的状态，而色漆的P VC值在0100之间。 色漆的PVC值大小对漆膜性能影响很大。当PVC值由0100时，漆膜的起泡性、光泽、渗透性和生锈性等性能均有变化，其趋势为：漆膜气泡性降低，光泽由高光泽向半光及无光变化；渗诱性由低到高，生锈性逐渐严重。2.临界颜料体积浓度 向颜料中加入树脂，树脂会逐步取代堆积状的颜料层空隙中的空气，当颜料层的
9、空隙完全被树脂充满，颜料中的空气完全被树脂取代时，此时的颜料体积浓度称临界颜料体积浓度，用CPVC表示。CPVC的物理意义是：若PVC与CPVC的比值等于1，则此时树脂恰好能润湿所有颜料粒子，树脂恰好填满颜料间的所有空隙；若小于1，则树脂过量，此时颜料粒子彼此分离，树脂越多，两个颜料粒子之间的距离越来越大；若大于1，则颜料过量，此时，树脂未填满颜料中的空隙，颜料空隙间留有空气。用CPVC值可以分析色漆的基本特征，对高性能或外用色漆配方，其PVC值一般不应超过CPVC值。反之，一般内用涂料或底漆，其PVC值可以超过CPVC值。 漆膜的性能在CPVC值这个点会产生突变，表明了漆膜的l5种性质在CP
10、VC点时的变化特征。 通常利用漆膜性能在CPVC值这个点产生突变的特点，进行CPVC值的计算。相反，也可以从己知色漆配方的CPVC值来预测在此值时漆膜性能的变化及存在的缺陷。除可通过漆膜性能的突变测定CPVC值外，还可通过颜料的吸油量计算CPVC值。3.颜基比的概念及应用 颜填料的质量与固体树脂的质量的比值叫颜基比，用PIB表示。P代表颜填料的质量， 代表固体树脂的质量。 国内在色漆配方设计中仍经常采用PIB 的方法，一是计算方便，另一是国内在色漆实际生产过程中，原料仍以质量为计量单位，而未能完全使用以体积为计量单位。运用PIB计算配方比较方便，可根据色漆配方特点，先以PIB比值设计出一个配方
11、，然后再通过试验调整配方(包括改变PIB值)，直至达到最佳的质量指标和施工要求。 在分析配方的PVC值时，可运用颜料和树脂的密度，将PIB换算成PVC值。在分析颜料和树脂对漆膜性质的影响时，仍须使用PVC和CPVC的概念，而用PIB不方便。4. 涂料配方设计原则4.1 色漆配方设计 设计色漆配方主要有以下几个内容。(1)树脂的选择：要根据色漆的用途选择树脂，一般交通栏杆和室内门窗用色漆可选用醇酸树脂作树脂；汽车用高级面漆应选用耐气候树脂，如高档丙烯酸树脂等。(2)颜料的选择：应根据色漆的颜色和耐候性、防锈能力等不同要求选择颜料和填料的种类。(3)确定产品的固体含量和PVC值或PIB值，这可确定
12、配方的基本骨架，即一个配方中树脂有多少、颜填料有多少等。(4)选择溶剂和助剂。(5)各种原料配比的选择：两种或以上树脂的配比，几种溶剂的配比，颜料与填料的比例等。(6)反复做实验以得到合理的产品性能和最优的成本。(7)制订色漆的标准配方。(8)确定色漆的生产配方：这时需考虑颜料的研磨分散效率、操作程序及品质控制点等。4.2 有光、半光、无光漆配方的设计 按漆膜光泽的不同，将面漆分为有光、半光和无光三种类型。对有光、半光、无光漆膜光泽值的具体范围，目前没有统一的标准，各光涂料说法也不尽相同，溶剂型漆与乳胶漆的光泽划分也不尽相同。在本文中，将光泽度计60。以下光泽小于5的漆膜称为无光，60。以下光
13、泽20-30的漆膜称为半光，60。以下光泽大于30的漆膜称为有光。 面漆光泽随树脂种类、颜料性能、PVC值的变化而变化，一般漆膜光泽随PVC值增大而降低。有光漆应选用遮盖力强、分散性好的着色颜料，其PVC值相对低一些，应选用光泽高的树脂。过去的半光漆和无光漆是以增大配方中填料的方法以增大PVC值，达到消光效果，现在已多用加消光助剂的方法来实现，使漆膜的综合性能得到提高和改进。 在色漆的品种中，半光漆和无光漆的需求量越来越大，应用范围也越来越广，特别是室内装饰因其给人以舒适感觉，符合现代潮流。半光漆和无光漆的质量不但涉及树脂和颜填料，更涉及消光材料的使用。为了消光，除增大PVC值外，现多采用消光
14、剂消光。因使用消光剂能得到比加填料更好的漆膜性能，如硬度、手感、抗划伤性、耐磨性等。 消光剂的品种很多，著名的有Grace公司的SYLOID牌号，如ED30、ED50、ED3、ED5、C 970、C805等；Degussa公司的ACEMATT牌号，如OK500、OK520、OK607、HK400、TS100等。粒径大的消光粉，其消光效率较高，但手感一般差些。如要求手感好，则多选择粒径小一些的消光粉。含蜡的消光粉的手感优于不含蜡的消光粉，但消光效率会差一些。有的消光粉其自身防沉性能好，但另一些防沉性能不好，需JI-DN防沉剂防止沉淀。一般用高速搅拌的方法分散消光粉，而不能用砂磨机等研磨设备分散消
15、光粉。消光剂消光的原理是： 向涂料中加入消光剂，等漆膜干燥后，消光剂会使漆膜形成粗糙的表面，当光线照射漆膜时，会形成漫反射(即不规则的反射)，这样漆膜的光泽会降低。4.3 对底漆的要求 对底漆的要求是具有良好的附着力和防锈性能，对上层面漆要有很好的结合力，其机械强度要好，能抵抗外来的冲击、弯曲、磨损等的破坏。底漆配方设计特点如下。4.3.1 树脂的选择 要求选用的树脂对金属表面有很好的润湿性能，成膜后有理想的机械强度，环氧树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、聚氨酯等具备这些性能，可用作底漆树脂。其中环氧树脂对金属、水泥等表面附着力最强， 是理想的底漆用树脂。酚醛树脂耐水性好，在底漆中也广泛采用。丙烯酸聚
16、氨酯类成膜物具有良好的力学性能，耐盐雾性也好，也是用得很多的树脂。醇酸树脂价廉，可用于一般用涂。4.3.2 颜料与填料的选择 要求选用的颜料应具备一定的防锈性能和对金属的钝化作用，应具备良好的遮盖力和制漆稳定性，对耐光和鲜艳度要求不高。底漆用颜料一般有铁红、钛白粉、锌黄、氧化锌、炭黑、立德粉等，填料品种有滑石粉、硫酸钡和碳酸钙等，要注意颜料和填料的搭配。4.3.3 颜料体积浓度的选择 在底漆配方中，PVC值超过半光漆的PVC值(为4055)时，漆膜呈无光表面；若低于半光漆的PVC值，则光泽会高于半光。在同样PVC值时，各种颜料和填料的粒子形状、粒子聚集情况、粒子分散状况等也会影响漆膜的光泽和性
17、能。底漆的PVC值控制在4 055之问为好。4.3.4 底漆光泽与配套面漆光泽的关系 一般来说，底漆光泽高时，其配套面漆光泽也高一些。4.4 中涂底漆配方设计 中涂底漆是底漆的一种特殊形式，它的功能是增强底漆与面漆的结合力，增加涂层厚度，提高涂料的抗腐蚀能力，提高面漆的装饰性能。它是汽车涂料和重防腐涂料中的重要品种。中涂底漆多用聚氨酯、聚酯氨基、环氧树脂等为基料，现在也有水性中涂底漆。颜填料用钛白粉、炭黑、铁红、滑石粉、硫酸钡等。表1列出了一种驼灰色汽车中涂底漆的配方。表1 驼灰色汽车中涂底漆配方 kg 原料名称 组成比例聚酯树脂(621)：28.63；豆油醇酸树脂：18.21；异丁醇醚化三聚氰胺甲醛树脂(601)：16.00； 钛白粉(R型)：21.21；沉淀硫酸钡：8.66；炭黑：0.14；铁红：0.15；丁醇：2.1；乙二醇丁醚：3.5混合溶剂：2.3；