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氧化铁颜料的分散

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发表于 2016-11-30 10:41:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
颜料浓缩浆一直是生产彩色涂料的一种新的且灵活的方式。特别是在水性用途上,这些浓缩浆必须适用于各种不同的漆基技术。正因为如此,浓缩浆配方通常是不含漆基、具有广泛的相容性。此外,对于储存稳定性方面的要求,颜色强度和性价比非常高。这些要求直接称为添加剂技术。预期添加剂具有优异的黏度降低性能,这是为了实现高颜料添加量和最经济的研磨效果。必须能长时间稳定黏度和开发出最大的颜色强度,以避免任何昂贵的颜料未得到充分利用。对于装饰性涂料,氧化铁是最重要的颜料类别。氧化铁的困难在于其形状而不是颜料的润湿。氧化铁黄倾向于得到膨胀的流变体,当在分配机上进行自动定量给料时它会是一种灾难。另一方面,氧化铁红随时间延长会增加颜料浓缩浆的黏度。


本文介绍能用于水性、不含漆基的氧化铁颜料浓缩浆中的不同结构的润湿分散添加剂。颜料浓缩浆的稳定性和润湿将会通过黏度降低、存储稳定性和颜色性能反映出来。ζ电位用于表征润湿性和分散效率。配制氧化铁颜料的导则将在最后提供。
颜料浓缩浆技术
颜料分散是在制备有色涂料过程中最重要一步。对于水性装饰涂料,白色基础涂料通常通过直接研磨得到,而颜色通过使用颜料浓缩浆定制。这些颜料浓缩浆通常不含漆基,与各种不同的基础涂料具有较好的兼容性。氧化铁是装饰性涂料用第二大颜料组合,第一大是二氧化钛颜料。大量的颜料浓缩浆都是用氧化铁红和铁黄生产的。这些都是用于室内着色以及在销售点大的调色机上着色。
生产氧化铁颜料浓缩浆的目的是实现最大的颜料添加量以减少生产工作。最大的挑战是在液相中颜料的稳定,从而取得好的长期稳定性而不会沉降。不添加合适的润湿和分散添加剂,颜料的分散和稳定是几乎不可能的。氧化铁具有非常高的密度,因此,在高的颜料添加量时能获得好的稳定性是很困难的。这是一项艰巨的任务,但它有利于获得具有低黏度和自由流动的颜料浓缩浆。
步骤一:颜料润湿
颜料分散可以细分成三个连续步骤:润湿、分散和稳定。分散过程的第一步是用液体润湿颜料。颜料的正确润湿是其能均匀地分布在液体中必不可少的步骤。截留在颜料中的空气必须除去,颜料粒子必须被液体介质完全包裹1。例如杨氏公式(公式1)所描述的,颜料表面被液体润湿,液体表面张力必须低于颜料的表面能1。具有较低表面张力的液体比具有较高表面张力的液体能更好的润湿颜料。因此,促进润湿的添加剂必须能大大降低液体的表面张力。
第二步:颜料分散
现在,颜料已被润湿,工艺的下一步是进行颜料分散。分散过程的目的是获得非常小的颗粒尺寸并具有较大的表面积,导致高的着色强度和好的遮盖力。添加剂降低颜料颗粒之间的范德华相互作用力,反过来这也降低了研磨料的黏度2。这样就能获得高的颜料添加量。
在分散过程中,颜料附聚物被机械分解成原始粒子和小的聚集体。打破聚集体和附聚物需要能量。为了打破聚集体和增加表面积(dA),需要能量输入(dW)(公式2)1。该能量与表面张力(Y)成正比。表面张力越小、表面积越大,就需要一定量的能量2。
第三步:稳定
在分散过程中下一个步骤是颜料的稳定。固体颗粒的稳定是使所有固体颗粒分隔成一定距离,停止附聚、团聚和絮凝。在液体中的固体颗粒将四处移动并根据布朗运动相互碰撞。如果这些颗粒不能很好的稳定,他们会重新凝聚和絮凝在一起。为了实现颜料良好的稳定,颜料表面必须吸附润湿和分散添加剂。因此,添加剂必须具有锚固基团以提高与颜料表面的亲和力。对于氧化铁颜料,添加剂必须具有亲和基团,与颜料表面能够建立氢键或偶极 - 偶极力。能够很好地吸附在氧化铁表面的最合适的官能基团是羟基、羰基或羧基。

颜料的稳定化可以通过以下机理实现(图1):
•静电稳定;
•空间位阻稳定;
•静电空间位阻稳定;
结果表明,
使用各种氧化铁颜料,新型添加剂都有非常高水平的性能。
它在降低粘度的同时,还具备优异的遮盖力。
静电稳定和ζ电位
水性配方中最重要的稳定因素是静电斥力。最理想的情况是吸附在颜料表面的润湿和分散添加剂离解成阴离子和阳离子部分。阳离子抗衡离子在颜料颗粒形成移动的分散云团,这样就会导致静电双电层的形成1。由于具有强大双电层,排斥力占主导地位,分散稳定。
静电稳定可以通过ζ电位定量,ζ是分散体中剪切层的电位的量度。通过润湿和分散添加剂,形成带有负电荷的第一吸附层,但不是整个颜料粒子带电来进行补偿。具有漫射电荷分布的第二层形成,主要是抗衡离子。两层就代表了静电双电层,称为离子云3。
由于表面电位不能直接测定,要测定ζ电位。在这种情况下,对电场中粒子的迁移速度进行评价。当带有静电的粒子在电场移动时,它们会带走一部分离子云。离子到颜料表面的距离越大,与颜料表面的相互作用越小。

松散结合的扩散层被剪断,在该剪切面上的电位被称为ζ电位。ζ电位越高,颜料的稳定效果越好(图2)。当ζ电位接近零时,粒子的凝聚倾向增加。
ζ电位不描述空间稳定作用,这是水性配方的另一个重要机理。空间稳定不是由离子来实现的,因此电位无法测量。
空间稳定
与静电稳定相反,聚合物侧链是对于空间位阻稳定必要的。侧链自身会粘附到颜料表面,从而保证了添加剂的吸附。当颜料颗粒彼此更接近时,聚合物侧链会降低流动性,因而具有较低的熵。

稳定的一个重要因素是降低颜料颗粒之间的相互作用,否则会导致絮凝(图3)。这些相互作用也限制了粒子的移动,导致黏度增加。稳定性越好,相互作用越低,因此黏度也越低。
静电空间位阻稳定
润湿和分散添加剂有复杂的需求,因此,有时同时具有静电和空间位阻稳定是有用的。这种机理被称为静电空间位阻稳定。静电空间位阻添加剂必须符合稳定和耐用的高要求。

静电空间位阻添加剂通过“控制絮凝”来防止颜料颗粒彼此的接近(图4)。添加剂分子彼此相互作用,和颜料表面也发生相互的作用,从而形成三维网络1。颜料的漂浮是不同颜料流动性的结果。使用静电空间位阻稳定剂,相同颜色的颜料结合到絮凝,防止在分散体中浮动。
结果与讨论
氧化铁黄和氧化铁红不含漆基典型颜料浓缩浆配方被用于制备不同的颜料浓缩浆(表1和表2)。对三种不同的聚丙烯酸盐,一种高聚合物添加剂和一种新型的添加剂进行了测试。


粒径和遮盖力
光散射测定的颜料颗粒的遮盖力与粒径有关。无机颜料显示在散射光波长的一半处(λ/2)具有最大的光散射(图5)。

所制备的着色剂用苯乙烯丙烯酸乳液调漆。在黑白卡片纸上刮涂。通过测量白色和黑色区域刮涂涂层之间的ΔE值来测定遮盖力(表3)。ΔE值越低,则遮盖力越高。使用动态光散射(用MICROTRACK微波)测定粒径分布。采用新的添加剂,氧化铁黄的粒径接近最佳值(λ/2)。在该粒径时可获得最高的遮盖力。

黏度和稳定性
制备24小时之后测量颜料浓缩浆的黏度(图6)。用锥板流变仪来测量。未来的工作包括在50℃的烘箱中放置两周后读取黏度读数。




对氧化铁黄颜料,聚丙烯酸酯添加剂一开始就表现出有用的结果。对氧化铁黄颜料,聚合物添加剂和新型添加剂显示出很强的黏度降低。而对氧化铁红颜料,发现了更多样化的结果。只有一种聚丙烯酸酯添加剂可以获得可处理的黏度。聚合物和新型添加剂能获得低得多的黏度。
ζ电位
在5%的颜料浆液中测定ζ电位。用各种添加剂进行滴定直到达到恒定ζ电位为止。当相对于颜料加入高达0.5%的固体添加剂,可以看到对ζ电位的最高影响。使用聚丙烯能获得最低ζ电位,这反映了最强的稳定作用,使用静电空间位阻化学结构能够实现这一点。正如所料,高聚合物添加剂对ζ电位几乎没有影响。这种添加剂不提供任何静电稳定。新型添加剂具有的ζ电位位于聚丙烯酸酯和聚合物添加剂之间(图7和8)。




单独ζ电位不能够完全充分解释黏度和稳定性测量得到的结果。ζ电位没有给出有关颜料粒子空间稳定的信息。如果空间位阻稳定有助于性能,结果可以按如下进行解释(图9和图10)。为了稳定氧化铁颗粒,需要施加一定量的稳定能。在某些情况下,静电能单靠自身不能稳定颜料。有时,有必要附加空间位阻稳定。
结论
结果表明,该新型添加剂对于宽范围的氧化铁颜料,有非常高的性能水平。它能给出出色的黏度降低性能和优异的遮盖力。新型添加剂能提供静电稳定和空间位阻稳定之间最优化的平衡,使其成为一种非常有效的添加剂。这种添加剂降低了复杂性,有助于用更经济有效的方式来配制装饰性涂料。






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