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案例分析一 水性分散剂在水性纳米无树脂色浆中应用


日期: 2017-10-13 13:23:45 作者: 颜钛云商

一、概述

水性纳米色浆是通过先进的技术、精密的设备及合理的控制将普通颜料离子纳米化或通过纳米材料与普通颜料适当复合达到水性化和浆料化,使其具有量子尺寸效应、表面效应、宏观粒子隧道相应、介电限域效应等纳米离子的特殊效应。纳米超微粉碎技术用于水性色浆的制备,可使颜料分散体的粒径变小,粒径分布变窄,可改善色浆的着色强度、色光、抗紫外线、透明性、抗菌防霉及状态稳定性等,有些色浆还具有普通颜料无法比拟的分散性。例如氧化铁红的超微细化消除了由磁性吸引力而引起的絮凝现象,因而易分散,由优良的抗絮凝性。

目前色浆的生产大体可分为有树脂和无树脂二种体系。早期考虑色浆的贮存性能等因素, 工厂大多采用有树脂体系生产。近年来随着各种添加剂特别是超分散剂技术的发展,色浆的生产越来越多采用无树脂体系。相对于有树脂体系, 无树脂体系色浆具有较多优势。首先通用性更强, 由于树脂性能的局限, 有树脂体系色浆在使用上受到一定局限, 有时甚至会因为兼容性而无法使用, 而无树脂体系应用更加广泛, 适用于绝大多数涂料体系。其次, 无树脂体系色浆通常浓度更高, 具有更好的性价比。另外在生产工艺上也更适合研磨工艺, 能制备浓度更高、细度更细的产品。

分散剂的选择

    颜料的分散是色浆生产的关键, 每种颜料都有相应的HLB值, 选择分散剂的关键是选择与颜料HLB值相匹配的分散剂。由于颜料特别是有机颜料特殊的表面性能, 传统的润湿分散剂对某些有机颜料的分散效果不是很理想甚至很差, 主要是由于分散剂分子中亲水基团对极性较低的颜料颗粒表面结合力不强, 容易脱离, 导致颜料粒子重新絮凝; 同时亲油基团不具备足够的碳链长度, 不能产生足够的空间位阻效应, 因此不能使颜料分散体系稳定存在。这种情况下, 选择超分散剂是比较有效的方法。超分散剂的分子结构主要分为2个部分, 其中一部分为锚定基团, 常见的有: - NR2、- NR3、- COOH、- COO- 和- SO3H等基团。这些极性基团通过离子键、氢键以及范德华力等作用能紧密吸附于颜料颗粒表面。同时另一部分为溶剂化链, 具有足够的碳链长度, 以产生有效的空间位阻。

第一,溶剂化链段部分的重要性。DISUPER S19和DISUPER S29(核心化学超分散剂系列)引入了多嵌段结构,使其在不同树脂体系如:单组份PUD,双组份PUD,苯丙、纯丙、水性环氧以及水性聚酯中都有良好的相容性。当溶剂化链段在体系中顺利舒展时才能使纳米粒子足够稳定的存在。这样颜料的色彩也可以被展现到极限。第二、多种锚定基团也很重要,对颜料吸附能力强,包裹性好,可有效防止浮色。与微米态时相比当颜料处于纳米态时,需要更强的锚定作用和很强的选择性吸附,DISUPER 19和DISUPER 29采用了不同的锚定基团,所以在纳米状态是,DISUPER S19对碳黑和酞氰类颜料稳定性较好;然而DISUPER S29 对有机红和有机黄稳定性较好。光泽也可以被提到很高,一般双组份90度以上,单组份80度以上。

二、实验部分

参考配方(颜料固体粉:分散剂有效份):

产品

分散剂

 水

BLACK 特黑1号/20克

20克

60克

R122(科莱恩)/20克

10克

70克

酞氰蓝B15:3 /20克

10克

70克

有机黄Y155 /20克

10克

70克

对比分散剂列表:

色浆制备

根据以上配方,把配置好的半成品和研磨珠加入纳米研磨机,研磨4h,然后过滤的色浆。测试细度黏度等性能。      

备注:分别用S19、S29、S19N(新版S19)、S29N(新版S29)、美国XXX171和XXXX4585对比分散国产特黑1号,R122红、B15:3蓝和Y155红,分散剂:炭黑=1:1,其余分散剂:色粉=1:2

色浆性能测试

三、结果与讨论

分散剂的选择

从上表可以看出分散剂降黏都差不多,但是开稀储存后S19N和S29N最稳定,黏度基本没有上升。S19N和S29N的粒径最低。

各色浆分别用水性树脂开稀后刮板观察色相,对比后得出如下结论。S19和S19N在分散黑色和酞青蓝表现最佳,而S29和S29N则在分散有机红、有机黄颜料中表现最优异。美国XXX 171在各方面表现都比较适中,但含有APEO被淘汰,德国XXXX4585分散颜料着色力都比S19和S29差,比S19N和S29N更差些。

分散剂的选择是很重要的,其首要条件是使颜料被分散介质润湿,是分散剂吸附在粒子表面,降低表面自由能。加入分散剂,能使颜料粒子充分润湿,进而就易分散。所以在使用颜料作色浆时,最关键的是要加入一定量的分散剂逐步研磨,打破颜料缔合的二次结构,如果没有分散剂的作用,将不会形成相对稳定的色浆体系。

其他助剂的选择

除了颜料和分散剂, 色浆中还包含其他成分, 如消泡剂、防沉剂、保湿剂和防腐剂等。消泡剂的选择应兼顾消泡性与相容性的平衡。色浆中消泡剂加量不能太大, 以能消除色浆中的气泡为上限。因为色浆还会添加到涂料中, 在调配深色涂料中有可能因为色浆加量大而造成漆膜出现油缩等现象。颜料分散后, 由于颜料粒子较细, 比表面积大, 为降低表面自由能有重新聚结的趋势。特别是一些氧化铁系颜料相对密度较大, 长时间贮存会缓慢地沉降, 甚至结成硬饼, 难以再分散。除了分散剂的影响, 防止颜料在色漆中沉降常用的办法是添加流变助剂, 在低剪切速率状态下建立触变结构。这种结构是疏松的网络结构, 稍受剪切力就会破坏, 黏度变小。剪切力撤去, 又恢复原有结构, 黏度增加, 能使颜料颗粒悬浮而不沉降。常用的流变剂有有机膨润土类、气相二氧化硅、蓖麻油衍生物和聚乙烯蜡等。色浆在调色过程中, 需要经常露置于空气中, 这样容易造成表面结皮。为改善这一现象, 可在色浆中添加保湿剂。考虑到保湿效果和环保因素, 可选择丙二醇等溶剂, 添加量一般在1%-5%。

总之, 好的色浆应做到不沉淀、不絮凝, 有尽可能高的颜料含量, 与涂料相容性好, 对耐久性无不良影响, 不会产生浮色、发花现象; 生产过程应简便、经济, 重现性好, 批次稳定。

分散剂的影响

水性色浆是一个热力学不稳定体系,随着时间的推移,已分散的颜料初级粒子在范德华力、静电力和空间位阻力的综合作用下,会相互吸引逐渐形成聚集体或聚结体。根据stoke公式可知,颜料粒子的沉降速度与颜料粒径的平方成正比,粒径增大,沉降会加剧,稳定性降低。使颜料粒子充分润湿并稳定地分散在体系定; 有较好的流动性, 便于使用, 环保性优异, 不会对健康造成危害。

分散剂用量对色浆的分散稳定性有重要的影响,用量过少,颜料的润湿和分散不够充分,必然导致色浆的稳定性降低;用量过多,过量的分散剂会在颜料粒子间“架桥”而重新导致絮凝,引起体系稳定性的下降。超分散剂分子量都比较大,含有多种锚定基团和溶剂化链段,相容性好,光泽高,但由于分子量太大,对颜料的润湿性会差,建议跟中小分子量的分散剂配合使用,提高润湿性。例如:DISUPER S21(核心化学通用品系列)与高分子量的DISUPER S19和S29配合使用,可以显著提高颜料润湿性。添加了DISUPER S21后表征黏度也会同时降低;着色力和展色性都有显著提高,特别是高温热储的稳定性被大幅提高!

耐水性的改善。当漆膜固化后由于分散剂的双亲性,会造成耐水性变差。这样我们不得不引入憎水基团,平衡好亲水与憎水官能团的数量变得尤为重要。当亲水性好时,展色性好;而憎水性好时,耐水性好。这只能取其最佳配比!DISUPER S19和DISUPER S29 特殊的结构设计使其具有良好的稳定性和展色性,还具有良好的耐水性。

总结

分散剂的选择是通过大量的实验来确定的,并不是一蹴而就,运用丹尼尔流动点这一经典理论来选择分散剂具有一定的参考性。在水性纳米无树脂色浆生产中选择高分子量的DISUPER S19和DISUPER S29,配合LP211(润湿剂)使用,可以最大限度地提高生产效率、产品性能和纳米色浆的储存稳定性。涂料配方是一个变量很多的的复杂体系,分散剂的传统筛选方法存在偏差和不固定性在所难免。现代科学的制漆手段和分散剂的应用机理,还有大量的理论是实践问题有待进行深入细微的试验研究工作。以上是核心化学水性分散剂代表产品DISUPER S19 S29产品案例分析,如需了解核心化学更多产品应用,欢迎关注<核心化学>微信号,获取更多技术信息!