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用于分散有机颜料和炭黑的润湿分散剂的选择
2019年12月04日    阅读量:160890    新闻来源:涂料工业  |  投稿

用于分散有机颜料和炭黑的润湿分散剂的选择在涂料中使用颜料的历史很悠久,最早使用的颜料多为无机矿物质,属于无机颜料。有机颜料是在有机合成技术发展的基础上而逐渐普及的,因此这类颜料的历史较短,但其种类却随着合成技术的不断发展而比无机颜料更为繁多。不止于此,由于其更为鲜艳的色彩、明亮的色调、较低的毒性等特性,有机颜料也在涂料行业得到了越来越广泛的应用涂料在线coatingol.com。尤其是高性能有机颜料的出现,使各种高性能涂料成为可能。炭黑具有优秀的耐光、耐化学品、耐高温等性能,因而其应用也非常广泛,涵盖了涂料、油墨、塑料、密封胶等多种行业。尽管炭黑的色相变化不如其他颜料丰富,但在美学应用上却占据着其他颜色不可取代的地位。一般说来,相比于无机颜料,有机颜料具有粒径小、比表面大、极性低的特点;而炭黑尽管从化学的角度来看属于无机物,但从涂料工业的角度出发,它却与有机颜料的使用性能极为相近,因而在选择分散剂时这两类颜料通常可以使用相同的分散助剂。同时,由于这两类颜料的上述特点,它们相比于无机颜料来,难以得到良好的分散。因此,必须在选择润湿分散剂时仔细分析,全面考虑,此外也不可缺少实验室的多方筛选,才能设计出最佳的分散和涂料配方,从而获得涂料最理想的效果。


1. 有机颜料和炭黑颜料的特点


颜料的种类粗略可以分为有机与无机两大类。无机颜料多数为金属氧化物,有机颜料可以分为偶氮与多环两大类。偶氮类包括单偶氮、双偶氮、特殊偶氮和金属络合物等,多环类包括喹吖啶酮、苝系、吡咯并吡咯二酮、咔唑、酞菁、喹酞酮、异吲哚啉酮等种类。由上可见,无机与有机这两类颜料最大的区别在于颜料的表面极性的差异。无机颜料极性较高,而有机颜料的成分中以碳氢元素为主,因而极性较低。此外,很多有机颜料具有比无机颜料小得多的粒径以及相应的大得多的比表面,但也有一些有机颜料具有与无机颜料相似的较大的粒径和较小的比表面。


有些种类的炭黑具有与透明有机颜料相近的粒径(50~100nm),但也有一些炭黑的粒径可以低至十几纳米,远小于很多有机颜料。不同粒径大小的炭黑颗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产品。这一系列不同粒径大小的炭黑,不但所需的分散剂的用量随比表面的不同而不同,而且还可能需要使用不同的分散剂品种才能达到理想的分散状态。炭黑的另一个特点是,许多品种具有相当低的pH值(2.5~4.5),它对分散剂的选择也有着很大的影响。另外,由于多数水性树脂体系都适合于偏碱性的工作环境,因此在水性体系中必须留意炭黑色浆的pH值,通常在将它们添加到树脂体系中之前,需要先将它们的pH值调节到与配漆树脂体系相近的范围。


2. 使用高分子量润湿分散剂分散有机颜料与炭黑


按照分散剂的分子量高低来分类,分散剂可以分为高分子量和低分子量两大类。回顾分散剂的发展历史,最初出现的分散剂产品都是低分子量聚合物,它们能很好地应用于分散当时广泛使用的无机颜料。随着涂料工业的发展及有机颜料的使用,化学家发明了高分子量分散剂,以用于比无机颜料更难分散的有机颜料。相比于早先的分散剂,高分子量分散剂具有更高的分散稳定性能、更广的应用范围以及对涂料性能更少的负面影响。


要使分散剂有效,分散剂在颜料表面的吸附能力非常重要,这个过程与颜料的表面性质极为相关。无机颜料具有离子型的结构,较高的表面极性,因而分散剂的吸附比较容易。而有机颜料和炭黑是由非极性分子所组成的结晶,因而具有非极性的表面,低分子量分散剂吸附于这样的颜料表面上颇为困难,其结果就是这类分散剂对有机颜料及炭黑的解絮凝和稳定化作用不够,这一问题直至高分子量聚合物型润湿分散剂的出现才得以完美解决(图1)。


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图1  低分子量与高分子量聚合物型润湿分散剂的比较


与低分子量分散剂相比,高分子量分散剂的特点在于因其分子量大得多而具有了树脂的特性。而更为重要的是,这类分散剂分子结构中具有大量的颜料亲和基团,因此可以在有机颜料上形成牢固而持久的吸附层;另一方面,在聚合物相容链段与体系相容性良好的情况下,溶剂化的聚合物链段的空间屏蔽作用能稳定颜料的分散。因此与其他分散剂产品一样,只有当它与周围的树脂溶液相容性良好,聚合物链段能够充分舒展时,才有可能获得对颜料最佳的稳定化作用。如果相容性有问题,那么聚合物链段发生萎缩,就失去了空间屏蔽及由之产生的稳定作用。高分子聚合物分散剂分子结构中不但具有大量的颜料亲和基团,而且这些颜料亲和基团还可以设计成包括多种不同种类,从而使高分子类润湿分散剂能够应用于各种不同种类的有机颜料,具有很广的通用性,这样就为涂料的生产过程提供了极大的方便。往往在同一个涂料体系中,只需一种润湿分散剂就可以分散几乎所有种类的有机颜料和炭黑,甚至还可以涵盖无机颜填料,尽管高分子量润湿分散剂最初是为有机颜料的分散而开发的。


3. 分子量与分散性能及相容性的关系


聚合物类型的润湿分散剂的分子量必须处在一个合理的范围之内,如果分子量太低,助剂就比较类似于表面活性剂,对颜料分散的稳定性较差。但分子量太高的话,也可能发生粘度过高,长链相互缠绕等问题,不利于颜料的分散。

众所周知,分散剂有两个基本组成部分,即颜料亲和基团和体系相容链段。因此一般来说,分子量的升高就对应于颜料亲和部分的链段和/或体系相容链段更长,前者通常意味着更多的颜料亲和基团,因而对颜料颗粒的吸附更为牢固和持久;后者在相容良好的体系中充分伸展开来后,就能在颜料颗粒表面形成一个聚合物保护层,而这个保护层的厚度就近似于分散剂中相容链段的长度。因此,不难理解,在合理的分子量范围内,有一个常见的现象是,分散剂对有机颜料和炭黑的分散稳定性随分子量的升高而提高,但其可能带来的问题则是分散剂与分散体系的相容性会随着分子量的升高而降低。Scott以Flory-Huggins晶格模型理论为基础而推导出的Scott方程可以定量说明这一现象。

在化学成分相同且分子结构相似的同一系列的分散剂产品中,可以明显观察到上述现象(图2),图中的DIS-160系列是BYK的聚氨酯润湿分散剂系列。但是对于不同化学成分和分子结构的分散剂,则难以仅仅根据其分子量来判断其相容性性能,因为分散剂的相容性也在很大程度上取决于分散剂与分散体系之间的相互作用。


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图2 分子量与分散性能及相容性的关系


4. 高分子量润湿分散剂的新品种- CPT聚合物


常见的用于分散有机颜料和炭黑的高分子量润湿分散剂从化学结构上分类,主要有聚氨酯、丙烯酸酯、高分支多胺等种类。其中丙烯酸酯类型的分散剂在不同时期有着不同的合成技术,粗略可以将它们分为两大类,即随机自由基聚合技术和可控聚合技术(CPT,即Controlled Polymerization Technologies)。

可控聚合技术也叫活性聚合技术,最早始于上世纪50年代所发现的阴离子聚合技术,但直到80年代发现了可控聚合技术之一的基团转移聚合方法,才开启了这种技术的工业应用之门。到了90年代,各种形式的活性自由基聚合技术的出现又使可控聚合技术的发展登上了一个新台阶。可控聚合变得越来越容易实现,制造成本大幅降低,其应用越来越普及。所以,可控聚合技术包括了不同时期所发现的不同类型的聚合技术,这种技术只能应用于丙烯酸单体的聚合。

采用随机自由基聚合方法进行高分子聚合时,各个高分子链的反应无法保证同时进行、保持同步,因此各个高分子链的反应有先有后,有些聚合物链在反应过程中已失去了活性的时候,另一些聚合物链则还具有活性。最终得到的高分子产物为随机共聚物,高分子中各种单体的位置均为随机分布。因此,该方法无法在聚合物链中对特殊官能团或极性进行定位,也无法得到结构化的聚合物,如嵌段共聚物或梯度共聚物。每个分子的分子量相差很大,分子量分布很宽,一般多分散性系数大于2。

与此相反,可控聚合技术让单体的聚合反应以均匀、同步的方式进行。由于不存在副反应,所有的共聚物都具有相同的反应进程,从而得到分子量分布较窄的聚合物,如图3所示。


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图3 随机共聚物(FRP)与可控聚合物(CPT)的分子量分布对比


可控聚合技术所合成的聚合物分子量分布较为狭窄,这对降低色浆粘度、提高分散剂的相容性范围极为有利。更重要的是,很多CPT润湿分散助剂具有高分散性能,例如特别适用于分散有机颜料和炭黑等难以分散的颜料。下图是不同类型的分散剂在溶剂型2KPU体系中分散FW200的黑度对比结果。


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4 聚氨酯分散剂与CPT分散剂分散高色素炭黑的黑漆外观对比


可控聚合技术仅局限于丙烯酸类聚合物,它是对传统聚合技术的补充,这种新型的合成技术能够使用完全相同的原材料而得到性能更高的润湿分散剂产品,从而满足了涂料生产商针对越来越多不同使用情况下的配方要求。另外还有一类特殊的颜料衍生物可以作为上述各种润湿分散剂的增效剂,以帮助提高有机颜料和炭黑的分散性能,这类助剂的作用通常表现为降低研磨料的粘度,以及提高涂料漆膜的外观性能,例如透明性、光泽、雾影等。


◆◆结论◆◆


有机颜料和炭黑颜料的分散相比于无机颜料更具有挑战性,必须使用高分子量类型的润湿分散剂,同时也要保证分散剂与基料体系之间良好的相容性。最新的高分子量润湿分散剂合成技术是应用于丙烯酸酯单体聚合的可控聚合技术,该技术能使用相同的单体原料而合成性能更为优秀的分散剂新产品,继而提高涂料的各项性能,满足市场的各种需求。


常用分散有机颜料和炭黑的润湿分散剂产品推荐:

溶剂型体系
BYK-9076,DISPERBYK-2013,2055,2001,2025,2150,2000等
水性体系
DISPERBYK-190,2012,2015,2055等


标签:原材料辅料与设备涂装应用技术中心涂装油墨胶粘剂涂料助剂
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