第九章 色漆生產(chǎn)工藝

第九章顏料分散與色漆生產(chǎn)色漆制備過程：配料→預分散→研磨分散→調(diào)合→調(diào)色(配色)→過濾包裝9.1顏料分散過程9.2分散體的穩(wěn)定9.3表面活性劑的作用9.4聚合物的保護作用與丹尼爾點9.5分散設備9.6制備工藝9.7色漆生產(chǎn)質(zhì)量控制顏料的分散過程有三個過程：潤濕、分散和穩(wěn)定。1.潤濕顏料表面的水分、空氣為溶劑（漆料）所置換稱為潤濕。溶劑型漆的潤濕一般容易進行，因為溶劑(漆料)的表面張一般總是低于顏料的表面張力的。但是潤濕也要有一個過程，特別是因為顏料是一個聚集體，溶劑需要流入顏料的空隙。當溶劑粘度低時，潤濕的速度可以很快。要注意加顏料和溶劑的順序，要先加溶劑后加顏料。在水性漆中，由于水的表面張力較高，對于有機顏料的潤濕便有困難，需要加潤濕劑以降低水的表面張力。9.1顏料的分散過程一個穩(wěn)定的顏料分散體，應該在存放時不致發(fā)生下列三種現(xiàn)象。（1）顏料發(fā)生沉降；（2）顏料發(fā)生過分的絮凝，以致?lián)p害流變性和漆膜的表觀；（3）由于顏料與介質(zhì)間的物理或化學作用導致體系粘度增加。9.2.1顏料的沉降9.2分散體的穩(wěn)定作用Stoke公式可以描述球形粒子在液體介質(zhì)中沉降的速度。r為粒子半徑，ρ1為粒子密度，ρ2為液體密度，η為液體粘度，g為重力加速度。盡管顏料的沉降并不完全符合該公式的要求，但可作為討論的基礎。（1）當顏料吸附有低分子量聚合物或表面活性劑時，粒子的直徑會↑

，沉降

↑

。但同時粒子的密度↓，沉降↓

，后一種明顯。高分子量聚合物時，粒子吸附層更厚，可使沉降速度加快，但因為厚的吸附層密度低且具有很好的空間保護效應，防止了絮凝，因此可防止沉降，即使有沉降，沉降層很疏松，不致有嚴重絮凝聚集，經(jīng)攪拌易于恢復分散狀態(tài)。防止比重大的顏料沉降的一個方法，便是用表面活性劑處理，如第八章中介紹的硬脂酸處理的碳酸鈣。（2）防止沉降的另一個方法是增加介質(zhì)粘度，這可利用涂料的“觸變性”取得，即當涂料放置時，粘度很高，可成凍膠狀。為了使涂料有觸變性可在涂料中加入觸變劑或增稠劑，在溶劑型涂料中主要有氧化蓖麻油，有機膨潤土(蒙脫土)和醇鋁等。9.2.2顏料的絮凝顏料的粒子在介質(zhì)中不斷的進行布朗運動，亦即熱運動，每個粒子具有一定的動能,粒子和粒子間不斷發(fā)生碰撞，如果粒子的動能可克服粒子間的斥力便可導致相互密切的接觸，從而產(chǎn)生絮凝。對未穩(wěn)定的分散體系絮凝的速度(以粒子數(shù)的半衰期表示)可用下式表示：式中，t1/2為粒子數(shù)的半衰期，即粒子數(shù)減半所需的時間，η為介質(zhì)粘度，k為波茲曼常數(shù)；T為溫度；kT為粒子的平均動能。n0為起始的粒子數(shù)。由式中可以看到，提高粘度可減少絮凝。但實際上，單靠提高粘度并不足以穩(wěn)定涂料中的分散體，重要的途徑是防止粒子碰撞過程中的互相接觸。顏料粒子相互接近時通常有三個主要作用力：色散力、靜電力和空間阻力。(1)色散力是吸引力；(2)靜電力可以是吸引力也可以是排斥力，在涂料分散體中主要是排斥力；(3)空間阻力總是排斥力。這些力的總效應決定吸引或排斥誰占優(yōu)勢，也即決定分散體系是否穩(wěn)定。分為兩種情況：(1)在水分散體系中通?？梢约尤氡砻婊钚詣┗螂娊赓|(zhì)(如多聚磷酸鈉或聚丙烯酸銨)使粒子表面形成厚的雙電層，這樣可使粒子間發(fā)生較大的排斥力，防止絮凝。(2)在有機介質(zhì)中不易形成雙電層。在有機介質(zhì)中，粒子表面吸附的長鏈聚合物或表面活性劑主要起空間阻礙作用，它們防止粒子接近到范德華引力起作用的范圍。

利用空間阻礙防止絮凝的效應和所用的聚合物或表面活性劑及溶劑等有關，吸附層愈厚，分散體系愈穩(wěn)定。有關聚合物結構的影響介紹如下：(1)分子量：愈大，吸附層愈厚。(2)聚合物中的極性基團：不要連續(xù)排列，而要有一定間隔，這樣才能形成穩(wěn)定的厚的保護層。例如高水解度的聚乙烯醇，它的羥基連續(xù)分布，因此的分子是平伏在顏料上的，吸附層很薄。如果聚合物分子中只含部分羥基則不同，它在顏料表面形成線團狀分布，其空間為溶劑所充滿，平均吸附層可很厚。一般生產(chǎn)中用來做懸浮劑的聚乙烯醇的規(guī)格為：平均聚合度為：1700~2000；平均醇解度為75%~89%。(3)溶劑：良溶劑中粒子吸附的聚合物量小，密度低，而不良溶劑中粒子上吸附的聚合物密度高，吸附量大。其原因是良溶劑中溶劑分子和吸附的聚合物相容性好，聚合物脫附容易，而且由于分子舒展，占有的吸附面積也大。

因此在不良溶劑中顏料分散體比較穩(wěn)定。如果在分散顏料時使用不良溶劑，在調(diào)稀時用良溶劑可導致絮凝，但相反則可防絮凝。9.2.3貯存時粘度上升如前所述，涂料貯存時，粘度上升的原因主要是存放時發(fā)生了物理和化學的變化，特別是顏料間的絮凝。主要原因如下：(1)粒子的聚合物吸附層中，低分子量的聚合物所占比例↑，例如醇酸樹脂涂料，由于低分子量的醇酸樹脂具有相對多的極性基團，如羰基、羥基等，因此特別容易被吸附。低分子的聚合物通常被看作是一種增塑劑或溶劑。內(nèi)相中低分子量部分↑，外相中高分子量部分越來越多↑，導致粘度↑

。(2)酸性介質(zhì)和堿性顏料(如氧化鋅)間的化學反應，粘度可逐漸增至凝膠。(3)金屬顏料(如鋁粉)與酸性介質(zhì)間的反應，這種反應也導致凝膠。(4)多聚磷酸鹽M2n+2PnO3n+1(M為一價金屬離子，n>3)不但可作為水性涂料的分散劑，也可作為多價金屬(如Ca等)的螯合劑，但它易水解為正磷酸鹽，失去螫合作用而變成絮凝劑。9.3表面活性劑的作用表面活性劑在顏料分散中的主要用途有如下幾個方面；(1)潤濕作用：主要是因為表面活性劑可以降低介質(zhì)的表面張力和介質(zhì)與顏料間的界面張力。(2)穩(wěn)定作用：增加乳膠粒子和顏料在涂料中的分散穩(wěn)定性。(3)擠水顏料：一般顏料都是由水一顏料體系經(jīng)過干燥粉碎后得到的。在轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰┻^程中，粒子會嚴重的聚集。在溶劑型涂料制備中，固體顏料要在油中再次研磨分散。為了免除干燥和粉碎，可直接將水一顏料體系中的顏料轉(zhuǎn)移到油中，這不僅可節(jié)約能量，而且由于水一顏料體系中顏料凝聚力很弱，直接將顏料由水相轉(zhuǎn)至油相，研磨比較容易。為了完成這種轉(zhuǎn)移，需要用溶于油的表面活性劑處理水中顏料，這樣可使顏料具有疏水性從而進入油相。

9.4聚合物的保護作用與丹尼爾點聚合物在顏料分散中吸附于表面起到熵保護作用。但要控制好用量。

(1)過量會使分散效率降低而且顏料分散穩(wěn)定件也并不一定好。因為顏料表面優(yōu)先吸附分子量較低的聚合物，但分子量較低的聚合物穩(wěn)定作用不好。

(2)另外，聚合物濃度過高，不利于潤濕。在顏料分散時，希望多加顏料，但聚合物濃度過低也起不到保護作用。如何決定聚合物的含量這個關鍵參數(shù)呢？

可以采用丹尼爾點的方法。配制一系列不同濃度的樹脂溶液，取一定的顏料，然后滴加配好的溶液，同時進行研磨，使達到一定的粘度。測出規(guī)定粘度下溶液與顏料之比值，作圖，所得曲線之最低點為丹尼爾點，該點的溶液濃度為最佳樹脂濃度?？捎瞄T尼公式解釋。整個體系的粘度最低，顏料含量最高。9.5色漆的制備色漆制備過程：配料→預分散→研磨分散→調(diào)合→調(diào)色(配色)→過濾包裝1.配料materialpreparation配料要分二次完成。首先按一定的顏料/基料/溶劑比例配研磨顏料漿(pigmentpaste簡稱色漿)，使之有最佳的研磨效率；在分散以后，再根據(jù)色漆配方補足其余非顏料組分。色漿料的稱取要力求準確，特別是稱取著色力強、用量少的顏料分時，稱量誤差易造成隨后調(diào)色上的麻煩。另外，偏離了最佳配比的色漿料，即使偏離幅度并不大，都可能造成研磨分散效率的極大下降。2.預分散pre-dispersionprocess混合預分散常采用高速分散機，在低速攪拌下，逐漸將顏料加于基料中混合均勻。當圓盤周邊速率達到21m/s以上時，易分散顏料只需～10分鐘左右，便可微細地分散于基料中。對于難分散顏料(大顏料粒子、硬附聚體)，在高速下分散幾分鐘，只能將大的附聚粒子初步破碎，使附聚粒子的內(nèi)部表面更多地展現(xiàn)于基料中而被潤濕,要微細分散還需研磨。所以用高速分散機進行的混合過程，我們也稱之預分散。預分散使得砂磨能正常生產(chǎn)，分散細度可滿足要求。4000-5000rpm，圓周線速度達到2000cm/s以上。3.研磨分散dispersionprocess研磨設備:砂磨機、球磨機，三輥機，二輥機和膠體磨。通常采用砂磨（pebblemills）。砂磨分散是種精細研磨，對中、小附聚粒子的破碎很有效，但對大的附聚粒子不起作用。故送入砂磨的色漿必須經(jīng)高速分散機預分散。砂磨珠粒直徑一般在1mm左右。粒徑越小，研磨接觸點越多，只要對一定粘度的研磨料它有足夠的分散能的話，越細分散效果越好，只要不妨礙色漿過濾。由于砂磨粒子較小，對于膨脹性研磨料(高濃顏料漿)，粒子的分散能被增加的粘滯阻力抵消，研磨分散效果很差，這對球磨機也是一樣的，此時應換用三輥機分散。立式砂磨機砂磨研磨料的粘度一般在3～15P之間。砂磨機應采取夾套水冷卻來控制研磨溫度。因為研磨時產(chǎn)生的熱量使溫度不斷上升，過高的溫度會影響漆料的性質(zhì)并造成大量溶劑揮發(fā)損失，易引起質(zhì)量與安全事故。但保持一定的研磨溫度對提高研磨效率又非常重要，因此，在允許范圍內(nèi)研磨溫度應采取高限。這有利于降低漆料中顏料與基料的界面張力，有助于對顏料的充分潤濕；另外，較高的溫度使研磨漿粘度降低，從而提高物料的流動性，加速砂粒與研磨漿中顏料粒子的剪切作用，有助于研磨漿的充分分散。砂磨時，珠粒子與研磨料的體積比為1︰1時，分散效果最好。珠粒過多，則它們處于擁擠狀態(tài)，珠粒之間的剪切力大大降低，影響分散；擁擠的珠粒還造成磨盤的過度磨損。珠粒太少，珠粒間距離加大，造成施加于顏料附聚粒子上的剪切作用過分喪失(例如，附聚粒子為20～80μm，若珠粒間平均距離由60μm增至120μm，分散效果很差)。砂磨機有立式和臥式、分批生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)之分，也有小型和大型之分。生產(chǎn)量大時宜采用大型砂磨機，因砂磨機的功耗與砂磨機容積的平方根成正比。例如，60升的砂磨機功耗僅是15升的2倍。當珠粒尺寸大于5mm時，常把它用作球磨ballmills的研磨介質(zhì)。球磨沒有攪拌盤，僅采用同一大小的瓷球，或采用粒徑較小的鋼球(1.5mm～30mm)。由于瓷球較大，有時人們會將較小的瓷球加到大球中去來提高分散度，但實際上大球會加劇小球的磨損。因此，從分散度考慮，完全可以全部采用小球，或采用密度更大的較小鋼球來產(chǎn)生更大的分散力。球磨機裝球量一般為其容積的1/3～1/2。1/2裝球量有最佳分散效率，在其上下，研磨產(chǎn)量都減少。低至1/3裝球量可加入更大體積的研磨料，但產(chǎn)量約減少10%。研磨料的加入量以正好把球全部蓋住為宜。在裝球量50%時，球?qū)嶋H占有體積為30%，研磨料體積為20%，最多再過量5%。在研磨料加量25%時，球磨時間大約需要8h；若研磨料增加一倍(45%～50%)，球磨時間需要一晝夜(增加2倍)。大型球磨機的球磨時間則比小型的要短。球磨機相對于砂磨機的優(yōu)勢在于：對于硬而粗的大附聚粒子，它最終都能達到很高的分散度，故球磨前可以不需要預分散。但預分散明顯地可節(jié)省75%～80%球磨時間。另外，球磨色漿一般僅是成品色漆的1/5～1/8(砂磨為1/2～1/3)，密封操作又避免了溶劑的揮發(fā)損失。但球磨時間往往很長，有時出料還會造成困難。生產(chǎn)的機動靈活性差，且實際生產(chǎn)效率并非很高，因而，采用球磨生產(chǎn)的比例在不斷地下降。三輥機溶劑應用低揮發(fā)性三輥機主要用以分散由溶劑含量在30%以下的高固體分基料和較高比例顏料分組成的高粘度(20～100P)研磨料；送入三輥機的研磨料必須經(jīng)強勁有力的拌合機或捏和機預混合(這類拌和機也適用于制備厚漿形膩子產(chǎn)品)。預混合以后，在三輥機上研磨3～4遍，細度也僅5-10μm左右。膠體磨它是種精細分散設備，也可以制備高質(zhì)量的微細顏料分散體。膠體磨的生產(chǎn)率與間隙尺寸有很大