在涂料中使用顏料的歷史很悠久,最早使用的顏料多為無機(jī)礦物質(zhì),屬于無機(jī)顏料。有機(jī)顏料是在有機(jī)合成技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上而逐漸普及的,因此這類顏料的歷史較短,但其種類卻隨著合成技術(shù)的不斷發(fā)展而比無機(jī)顏料更為繁多。不止于此,由于其更為鮮艷的色彩、明亮的色調(diào)、較低的毒性等特性,有機(jī)顏料也在涂料行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
一般說來,相比于無機(jī)顏料,有機(jī)顏料具有粒徑小、比表面大、極性低的特點(diǎn);而炭黑盡管從化學(xué)的角度來看屬于無機(jī)物,但從涂料工業(yè)的角度出發(fā),它卻與有機(jī)顏料的使用性能極為相近,因而在選擇分散劑時(shí)這兩類顏料通常可以使用相同的分散助劑。同時(shí),由于這兩類顏料的上述特點(diǎn),它們相比于無機(jī)顏料來,難以得到良好的分散。因此,必須在選擇潤濕分散劑時(shí)仔細(xì)分析,全面考慮,此外也不可缺少實(shí)驗(yàn)室的多方篩選,才能設(shè)計(jì)出最佳的分散和涂料配方,從而獲得涂料最理想的效果。
有機(jī)顏料和炭黑顏料的特點(diǎn)
顏料的種類粗略可以分為有機(jī)與無機(jī)兩大類。無機(jī)顏料多數(shù)為金屬氧化物,有機(jī)顏料可以分為偶氮與多環(huán)兩大類。偶氮類包括單偶氮、雙偶氮、特殊偶氮和金屬絡(luò)合物等,多環(huán)類包括喹吖啶酮、苝系、吡咯并吡咯二酮、咔唑、酞菁、喹酞酮、異吲哚啉酮等種類。由上可見,無機(jī)與有機(jī)這兩類顏料最大的區(qū)別在于顏料的表面極性的差異。無機(jī)顏料極性較高,而有機(jī)顏料的成分中以碳?xì)湓貫橹?,因而極性較低。此外,很多有機(jī)顏料具有比無機(jī)顏料小得多的粒徑以及相應(yīng)的大得多的比表面,但也有一些有機(jī)顏料具有與無機(jī)顏料相似的較大的粒徑和較小的比表面。
有些種類的炭黑具有與透明有機(jī)顏料相近的粒徑(50~100nm),但也有一些炭黑的粒徑可以低至十幾納米,遠(yuǎn)小于很多有機(jī)顏料。不同粒徑大小的炭黑顆粒具有不同大小的比表面,形成了高色素、中色素、普通色素,直至低色素的一系列產(chǎn)品。這一系列不同粒徑大小的炭黑,不但所需的分散劑的用量隨比表面的不同而不同,而且還可能需要使用不同的分散劑品種才能達(dá)到理想的分散狀態(tài)。炭黑的另一個特點(diǎn)是,許多品種具有相當(dāng)?shù)偷膒H值(2.5~4.5),它對分散劑的選擇也有著很大的影響。另外,由于多數(shù)水性樹脂體系都適合于偏堿性的工作環(huán)境,因此在水性體系中必須留意炭黑色漿的pH值,通常在將它們添加到樹脂體系中之前,需要先將它們的pH值調(diào)節(jié)到與配漆樹脂體系相近的范圍。
使用高分子量潤濕分散劑分散有機(jī)顏料與炭黑
按照分散劑的分子量高低來分類,分散劑可以分為高分子量和低分子量兩大類。回顧分散劑的發(fā)展歷史,最初出現(xiàn)的分散劑產(chǎn)品都是低分子量聚合物,它們能很好地應(yīng)用于分散當(dāng)時(shí)廣泛使用的無機(jī)顏料。隨著涂料工業(yè)的發(fā)展及有機(jī)顏料的使用,化學(xué)家發(fā)明了高分子量分散劑,以用于比無機(jī)顏料更難分散的有機(jī)顏料。相比于早先的分散劑,高分子量分散劑具有更高的分散穩(wěn)定性能、更廣的應(yīng)用范圍以及對涂料性能更少的負(fù)面影響。 與低分子量分散劑相比,高分子量分散劑的特點(diǎn)在于因其分子量大得多而具有了樹脂的特性。而更為重要的是,這類分散劑分子結(jié)構(gòu)中具有大量的顏料親和基團(tuán),因此可以在有機(jī)顏料上形成牢固而持久的吸附層;另一方面,在聚合物相容鏈段與體系相容性良好的情況下,溶劑化的聚合物鏈段的空間屏蔽作用能穩(wěn)定顏料的分散。因此與其他分散劑產(chǎn)品一樣,只有當(dāng)它與周圍的樹脂溶液相容性良好,聚合物鏈段能夠充分舒展時(shí),才有可能獲得對顏料最佳的穩(wěn)定化作用。如果相容性有問題,那么聚合物鏈段發(fā)生萎縮,就失去了空間屏蔽及由之產(chǎn)生的穩(wěn)定作用。
高分子聚合物分散劑分子結(jié)構(gòu)中不但具有大量的顏料親和基團(tuán),而且這些顏料親和基團(tuán)還可以設(shè)計(jì)成包括多種不同種類,從而使高分子類潤濕分散劑能夠應(yīng)用于各種不同種類的有機(jī)顏料,具有很廣的通用性,這樣就為涂料的生產(chǎn)過程提供了極大的方便。往往在同一個涂料體系中,只需一種潤濕分散劑就可以分散幾乎所有種類的有機(jī)顏料和炭黑,甚至還可以涵蓋無機(jī)顏填料,盡管高分子量潤濕分散劑最初是為有機(jī)顏料的分散而開發(fā)的
分子量與分散性能及相容性的關(guān)系
聚合物類型的潤濕分散劑的分子量必須處在一個合理的范圍之內(nèi),如果分子量太低,助劑就比較類似于表面活性劑,對顏料分散的穩(wěn)定性較差。但分子量太高的話,也可能發(fā)生粘度過高,長鏈相互纏繞等問題,不利于顏料的分散。
眾所周知,分散劑有兩個基本組成部分,即顏料親和基團(tuán)和體系相容鏈段。因此一般來說,分子量的升高就對應(yīng)于顏料親和部分的鏈段和/或體系相容鏈段更長,前者通常意味著更多的顏料親和基團(tuán),因而對顏料顆粒的吸附更為牢固和持久;后者在相容良好的體系中充分伸展開來后,就能在顏料顆粒表面形成一個聚合物保護(hù)層,而這個保護(hù)層的厚度就近似于分散劑中相容鏈段的長度。因此,不難理解,在合理的分子量范圍內(nèi),有一個常見的現(xiàn)象是,分散劑對有機(jī)顏料和炭黑的分散穩(wěn)定性隨分子量的升高而提高,但其可能帶來的問題則是分散劑與分散體系的相容性會隨著分子量的升高而降低。
高分子量潤濕分散劑的新品種 - CPT聚合物
常見的用于分散有機(jī)顏料和炭黑的高分子量潤濕分散劑從化學(xué)結(jié)構(gòu)上分類,主要有聚氨酯、丙烯酸酯、高分支多胺等種類。其中丙烯酸酯類型的分散劑在不同時(shí)期有著不同的合成技術(shù),粗略可以將它們分為兩大類,即隨機(jī)自由基聚合技術(shù)和可控聚合技術(shù)(CPT,即Controlled Polymerization Technologies)。
可控聚合技術(shù)也叫活性聚合技術(shù),最早始于上世紀(jì)50年代所發(fā)現(xiàn)的陰離子聚合技術(shù),但直到80年代發(fā)現(xiàn)了可控聚合技術(shù)之一的基團(tuán)轉(zhuǎn)移聚合方法,才開啟了這種技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用之門。到了90年代,各種形式的活性自由基聚合技術(shù)的出現(xiàn)又使可控聚合技術(shù)的發(fā)展登上了一個新臺階??煽鼐酆献兊迷絹碓饺菀讓?shí)現(xiàn),制造成本大幅降低,其應(yīng)用越來越普及。所以,可控聚合技術(shù)包括了不同時(shí)期所發(fā)現(xiàn)的不同類型的聚合技術(shù),這種技術(shù)只能應(yīng)用于丙烯酸單體的聚合。
采用隨機(jī)自由基聚合方法進(jìn)行高分子聚合時(shí),各個高分子鏈的反應(yīng)無法保證同時(shí)進(jìn)行、保持同步,因此各個高分子鏈的反應(yīng)有先有后,有些聚合物鏈在反應(yīng)過程中已失去了活性的時(shí)候,另一些聚合物鏈則還具有活性。最終得到的高分子產(chǎn)物為隨機(jī)共聚物,高分子中各種單體的位置均為隨機(jī)分布。因此,該方法無法在聚合物鏈中對特殊官能團(tuán)或極性進(jìn)行定位,也無法得到結(jié)構(gòu)化的聚合物,如嵌段共聚物或梯度共聚物。每個分子的分子量相差很大,分子量分布很寬,一般多分散性系數(shù)大于2。
與此相反,可控聚合技術(shù)讓單體的聚合反應(yīng)以均勻、同步的方式進(jìn)行。由于不存在副反應(yīng),所有的共聚物都具有相同的反應(yīng)進(jìn)程,從而得到分子量分布較窄的聚合物
可控聚合技術(shù)所合成的聚合物分子量分布較為狹窄,這對降低色漿粘度、提高分散劑的相容性范圍極為有利。更重要的是,很多CPT潤濕分散助劑具有高分散性能,例如特別適用于分散有機(jī)顏料和炭黑等難以分散的顏料。下圖是不同類型的分散劑在溶劑型2KPU體系中分散FW200的黑度對比結(jié)果。
控聚合技術(shù)僅局限于丙烯酸類聚合物,它是對傳統(tǒng)聚合技術(shù)的補(bǔ)充,這種新型的合成技術(shù)能夠使用完全相同的原材料而得到性能更高的潤濕分散劑產(chǎn)品,從而滿足了涂料生產(chǎn)商針對越來越多不同使用情況下的配方要求。
有機(jī)顏料和炭黑顏料的分散相比于無機(jī)顏料更具有挑戰(zhàn)性,必須使用高分子量類型的潤濕分散劑,同時(shí)也要保證分散劑與基料體系之間良好的相容性。最新的高分子量潤濕分散劑合成技術(shù)是應(yīng)用于丙烯酸酯單體聚合的可控聚合技術(shù),該技術(shù)能使用相同的單體原料而合成性能更為優(yōu)秀的分散劑新產(chǎn)品,繼而提高涂料的各項(xiàng)性能,滿足市場的各種需求
ZiCH分散有機(jī)顏料和炭黑的潤濕分散劑產(chǎn)品推薦
ZiCH-7720分散劑 : CPT結(jié)構(gòu)分散劑,對無機(jī)顏料、有機(jī)顏料和炭黑都有優(yōu)異的穩(wěn)定性,有的有效立體位阻效應(yīng),使得有極佳的穩(wěn)定效果,與CAB樹脂很好的混溶性
ZiCH-7028分散劑:溶劑型汽車涂料、工業(yè)涂料和顏料濃縮漿用分散劑。尤其適合用于極細(xì)炭黑和有機(jī)顏料,特別是雙組份聚氨酯和烘烤體系。顯著研磨料的粘度以及防浮色
ZiCH-7001分散劑:推薦用于水性體系,對有機(jī)顏料與炭黑有極強(qiáng)的吸附分散能力,起到優(yōu)秀的潤濕分散效果,通用性,降粘效果明顯
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