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无机颜料系列——黑色颜料

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发表于 2016-10-9 13:58:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
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水性新材料:


本期主要介绍的是黑色颜料,黑色颜料主要有碳黑、氧化铁黑、石墨和铜铬黑及其他金属混相黑色颜料等。下面将分别介绍。
碳黑
碳黑(carbonblack,又名炭黑),是一种无定形碳。轻、松而极细的黑色粉末,[url=]比表面积[/url]非常大,范围从10-3000m2/g,是有机物(天然气、重油、燃料油等)在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。比重1.8-2.1 由天然气制成的称“气黑”,由油类制成的称“灯黑”,由乙炔制成的称“乙炔黑”。此外还有“槽黑”、“炉黑”。按炭黑性能区分有“补强炭黑”、“导电炭黑”、“耐磨炭黑”等。可作黑色染料,用于制造中国墨、油墨、油漆等,也用于做橡胶的补强剂。
炭黑的结构性是以炭黑粒子间聚成链状或葡萄状的程度来表示的。由凝聚体的尺寸、形态和每一凝聚体中的粒子数量构成的凝聚体组成的炭黑称为高结构炭黑。目前常用吸油值表示结构性,吸油值越大,炭黑结构性越高,容易形成空间网络通道,而且不易破坏。高结构炭黑颗粒细,网状链堆积紧密,比表面积大,单位质量颗粒多,有利于在聚合物中形成链式导电结构,其中在众多炭黑品种中以乙炔炭黑为最佳。
粒径分布宽的炭黑粒子比分布窄的炭黑粒子更能赋予聚合物导电性,并用[url=]统计方法[/url]解释这个现象。粒径分布宽的炭黑,少数大直径粒子需要数目巨大,直径更小的粒子给予补偿,相同平均粒径分布宽的炭黑比分布窄的炭黑有更多的粒子总数。
炭黑由炭组成,但通常被定为无机颜料类。炭黑是烃类经气相不完全燃烧或热烈解而成的黑色粉末状物质。由于生产工艺的不同,通过不同的工艺条件可得到各种性质不同的产品。
1)炭黑的微观构造
炭黑粒子具有微晶结构,在炭黑中,碳原子的排列方式类似于石墨,组成六角形平面,通常 3~5个这样的层面组成一个微晶,由于炭黑微晶的每个石墨层面中,碳原子的排列是有序的,而相邻层面间碳原子的排列又是无序的,所以又叫准石墨晶体。
2)炭黑的粒径
颜料炭黑的粒子细度可低至5nm,一般说来,炭黑粒子不是孤立存在的,而是多个粒子通过碳晶层互相穿插,形成链枝状。不同生产工艺可得到粒径范围极广的炭黑粒子,灯黑生产工艺得到的产品相对粗糙,而气黑生产工艺可得到精细的产品。
用炉黑生产工艺可得到几乎所有粒径范围的炭黑,同一品种的炭黑,其粒子大小并不完全相同,呈现一个粒径分布范围。一般来说,粒子较细的品种,粒径分布较窄。
炭黑的生产工艺不同,则表面的化学性能也有差别。大多数炭黑的真实表面积大于由粒径计算出的几何表面积。这是由于炭黑特别是粒径小于25nm的炭黑表面存在许多微孔。
据分析,可在炭黑表面检测如酚基、醌基、羧基等基团,这些酸性基团浓度在气黑和氧化炉黑的表面特别高。在炉黑中可检测到吡喃酮结构,这种结构决定了炉黑的碱性性质。挥发份含量可判断表面官能团的浓度,也可测得炭黑的极性。另外由于炭黑的表面积较大,容易吸附挥发份环境中的水分,所以炭黑在运输,贮存及使用过程中要特别注意吸湿问题。
大部分都是探讨导电粒子接触的几何学研究。该理论认为,炭黑填充量越大,处于分散状态的炭黑粒子或炭黑粒子集合体的[url=]密度[/url]也越大,粒子间的平均距离越小,相互接触的几率越高,炭黑粒子或炭黑粒子集合体形成的导电通路也越多。不同极性的高聚物与炭黑组成共混体系的极性越大,炭黑临界体积分数就越大,意味着体系的导电性下降,因为炭黑表面含有很强的极性基团,基体极性大,作用增强,这时强度增加,却妨碍导电粒子自身的凝集,以致导电性差。但是在多组分基体[url=]树脂[/url]与炭黑组成的共混体系中,由于不同基体的极性不同,填充炭黑会产生偏析现象,这时导电性能取决于炭黑粒子在偏析相中的浓度和分布状态,还取决于偏析相高聚物所占比例。
碳黑的性质
黑度是指炭黑所具有的黑色呈现强度。炭黑作着色时,黑度主要基于对光的吸收,对于特定浓度的炭黑,炭黑越细小,则光吸收程度越高。黑度除了受炭黑内部的光吸收外,也受由于粒子表面几何机构的影响而产生了具有增亮效应的光散射,这会降低黑度。随着粒径的减小,光散射程度降低。只有对于很细的炭黑,提高炭黑的浓度才能提高黑度,对于粗大的炭黑,具支配因素的光散射程度因炭黑数增加而提高,黑度反而相应降低。
着色强度可以理解为抵消白色颜料增白能力的效果。着色强度也是随着原生粒子的粒径减小和结构的减小而提高。
“炭黑粒子”的光散射程度,随着粒径的减小而降低,除了影响增光效应,也影响色调,原因如下: 当可将光穿过一主色为黑色的着色层时,短波的蓝光比长波的红光的散射效应更强烈。炭黑越细,这种效应越显著。红光成分由于散射损失较小,因此进入着色层的深度大一些。蓝光总体散射强烈,在相反方向,即后方的散射也强烈,于是又从着色层中反射出来。当观察反射过程时,经细炭黑着色的出现蓝色色调,会给人黑度更高的感觉。如果炭黑粗大,则相应地呈现棕色色调。 当观察透射过程时,相同的着色层(不完全透明的薄膜)的色调关系正好相反,随着粒径的减小,散射较强的蓝光穿过着色层的深度较小,即蓝光穿过着色层至另一面成分较少,从另一面穿出来。因此,由于在观察的那一面缺少蓝光成分,着色层在透射过程中观察时,便呈现棕色色调。 当以钛白粉调灰(灰色色调)时的情形,与在透射过程中观察主色的着色状况相似,光线在含有黑色颜料塑料片中的白颜料中来回散射,越小粒径的炭黑,会使可见光内蓝光的散射越强,因此较多其余的红光部分便透射过来,呈现出带黄色色调的灰色,相反地,如着色时用粗粒径的炭黑,尤其是较为粗大的灯黑,则会得到带蓝色色调的灰色。
颜料黑越细,炭黑聚集体之间接触点便越多,结果它们之间内聚力越强,当把颜料黑掺入料,即开始进行始炭黑[url=]均匀分布[/url]时,则对分散要作的功便大,以把炭黑粒子分隔开来,最终达到最高的黑度和着色。与高结构炭黑相比,低结构炭黑较有可能达到高的浓度,但在分散过程中却因此需要较大分散力。炭黑的分散性能受结构程度的影响,由于高结构炭黑具有良好的分散性能,所以其着色强度也就自然较强。
光会使塑料老化,尤其是阳光中的紫外线会加速塑料的老化。在配合运用有机紫外光吸收剂和抗氧化剂可使寿命延长。然而颜料黑仍然被认为是最好的紫外线稳定剂。
颜料黑作为紫外光吸收剂,主要用作延长[url=]塑料制品[/url]在户外使用寿命。
浓度为0.5%的小粒径炭黑(20nm)与2%的相对粗粒径的炭黑(95nm)。差不多具有同样的光保护作用。
主要分为灯黑、气黑、炉黑和槽黑。
炭黑按用途不同,通常分为色素用炭黑、橡胶用炭黑、导电碳黑和专用碳黑。
碳黑的应用
色浆类:色素碳黑合成革色浆用,色素碳黑色浆用,色素碳黑水性色浆用,色素碳黑造纸着色用,色素碳黑造纸色浆用,色素碳黑苹果袋纸用,色素碳黑PU色浆用。
涂料类:色素炭黑金属涂料用,色素炭黑塑料涂料用,色素炭黑汽车涂料用,色素炭黑船舶涂料用。
油漆类:色素炭黑摩托车漆[url=]汽车漆[/url]用,色素炭黑耐高温漆用,色素炭黑[url=]环氧地坪漆[/url]用,色素炭黑防腐漆用,色素炭黑绝缘漆用,色素炭黑耐热漆用,色素炭黑醇酸漆用,色素炭黑耐候涂料用等。
在用于涂料中时,在研磨分散前一半建议先用分散剂和对应的溶剂进行预混放置一段时间后在进行研磨分散,切忌先用树脂和炭黑进行混合在分散。
氧化铁黑
氧化铁黑,简称铁黑,四氧化三铁,化学式Fe3O4。为具有磁性的黑色晶体,故又称为磁性氧化铁。溶于[url=]酸[/url],不溶于水、[url=]碱[/url][url=]乙醇[/url][url=]乙醚[/url]等有机溶剂。天然的四氧化三铁不溶于酸,潮湿状态下在空气中容易氧化成三氧化二铁。通常用作颜料和抛光剂,也可用于制造录音磁带和电讯器材。
氧化铁黑具有遮盖力、着色力强的特点。广泛应用于涂料制漆中,有很好的耐碱性,可以用于水泥混合着色。也广泛应用于油墨,印刷、塑料着色、抛光以及金属探伤等方面。
石墨
石墨(graphite)是一种结晶形碳。[url=]六方晶系[/url],为铁墨色至深灰色。密度2.25克/厘米3,硬度1.5,溶点3652℃,沸点4827℃。质软,有滑腻感,可导电。化学性质不活泼,耐腐蚀,与酸、碱等不易反应。在空气或氧气中加强热,可燃烧并生成二氧化碳。强氧化剂会将它氧化成有机酸。
常温下单质碳的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和[url=]有机溶剂[/url];高温下与氧反应燃烧,生成二氧化碳或一氧化碳;在卤素中只有氟能与单质碳直接反应;在加热下,单质碳较易被酸氧化;在高温下,碳还能与许多金属反应,生成金属[url=]碳化物[/url]。碳具有还原性,在高温下可以冶炼金属。此外,近年的研究发现,石墨可以被氯磺酸溶解,形成单层石墨烯的氯磺酸"溶液"。
石墨是碳质元素结晶矿物,它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为340pm,同一网层中碳原子的间距为142pm;。属六方晶系,具完整的层状[url=]解理[/url]。解理面以分子键为主,对分子吸引力较弱,故其天然可浮性很好。
石墨与金刚石、碳60、[url=]碳纳米管[/url]等都是碳元素的单质,它们互为[url=]同素异形体[/url]
石墨的应用
石墨可以作为一种颜料用于制造涂料,其化学稳定性非常突出,可以耐温度较高的强酸和强碱的服饰,是一种难得的防腐蚀材料。同时可以制成具有优良的防潮及涂刷性能的防腐蚀、耐热、防水、到点等特殊性能的涂料。
铜铬黑及其他金属混相黑色颜料
金属混相颜料是以有色金属离子坚固组合于氧化物晶格中,形成一种固溶态,常具备尖晶石、金红石或赤铁矿的晶型。在理论上可以形成这类金属混相颜料的金属数量不少,目前有价值的金属混相黑色颜料有铜铬黑、铜铁铬黑、铁钛黑、锰铁黑等。
这类颜料一般具有一定的遮盖力和着色力,并且具有很好的耐热、耐光和耐化学品的性能。其性能稳定,不属于危险品,贮存保持干燥即可,长期存放不贬值。虽然属于无毒颜料,但是其对于卫生安全环保标准要求较高的产品中,需要慎重考虑使用。
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