颜料粒径与分散剂长度的对比

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记得在论坛里，多次有人提到过这样的话题：为什么同样的颜料，同样的分散剂，在不同的树脂体系里面浮色的情况就不同呢？为什么在一种体系里用得很好的分散剂，在另一种体系里不一定很好呢？

下面，我们从微观的角度来分析一下。但这些是个人的见解，不一定正确。我也在尝试推翻我自己之前的认知。

BYK资料里有这样一段话：

“在颜料研磨过程中，颜料附聚体的逐渐变小；理想的情况是得到原始粒子。附聚体是颜料颗粒的“集合”，在颜料个体颗粒之间的内部空间包含着空气和潮气。颗粒之间以边和角相接触，颗粒间相互作用比较小，所以这种力可被一般的分散设备所克服。（反之，聚集体比较紧密，颜料个体颗粒间存在着面与面的接触，因此将它们分散为原始颗粒就困难得多。）

在分散过程中，对体系施加能量，从而形成了较小的颗粒（与树脂溶液有较大的界面），这样的体系会力图摆脱高能态而回复到原来的低能状态。以细微颗粒分布的颜料恢复絮凝体就说明了这一点。并因此产生了如降低颜色强度，降低光泽和改变流变性的影响。

从结构上来看，絮凝体与附聚体非常相似，但絮凝体中颜料之间是树脂溶液而不是空气。”

下图显示的就是颜料分散过程：

无论是BYK还是Ciba，关于分散剂对颜料的包裹示意图都是颜料与分散剂粒径相差不大，如下面这些图所示：

这些示意图中颜料的粒径似乎和分散剂长度差不从，甚至还要小。事实是否是这样呢？

我们来看一看颜料的结构。

一般而言，颜料的分子量是不高的，下图列出了一些颜料的分子式：

低分子润湿剂如EFKA-5066，分子量大概在800-1000。通过计算，很明显，这些颜料的分子量比低分子润湿剂还要小。而无机颜料的分子量可能更小。

然而，颜料是颜料分子的结晶体组成的，比如碳黑和钛白，其原生粒子结构示意如下（仅是示意图！）：

就拿碳黑来说吧，其原生粒径分布如下图所示（出自Degussa资料）：

气黑的原生粒径约为10-30nm，炉黑为10-80nm，而灯黑为30-200nm。而其它颜料相对于碳黑其粒径大小如下图所示（资料来源：Degussa）：

从这个图上分析，有机颜料的原生粒径一般在100nm以上；无机颜料的原生粒径一般在200nm以上，有些接近或超过1μm。《涂料工艺》上册第23页也有这么一段：“颜料是一种微细的粒子，粒径最小的不足1μm，最大的不超过100μm”。也就是说，颜料，尤其是无机颜料，其粒径是μm级的。我曾经测试过各种色浆在分散较好状态下的粒径分布，一般的有机颜料可以分散到平均粒径为300-400nm。如下图所示：

BYK资料上还这样描述：“聚集体比较紧密，颜料个体颗粒间存在着面与面的接触，因此将它们分散为原始颗粒就困难得多”，表明分散后颜料粒子完全达到原生粒径或理想状态是很困难的。通常的设备是无法达到的。换言之，分散剂所吸附的颜料粒子尤其是无机颜料粒子，通常是可以用微米来表示的。

例如EFKA-5065，由于含有羧基基团，一般对无机颜料有很好的亲和力，对有机颜料则差一点。EFKA-5065的粒径是多少呢？实际上我无法测试。但可以计算。C-C键的键长是0.154nm，C=C键的键长是0.134nm，碳碳三键的键长是0.120nm，而苯环中的碳碳键长度为0.14nm。假设EFKA-5065的平均分子量为900，组成假设全部为-CH2-，那么含有的C-C键总数为64个，总长度为9.86nm。这是将C-C-C键长度相加的总和，将C-C-C-C拉直了计算的。我们知道，分子中碳碳键是不可能象一条直线一样排列，而是波浪状的。那么这个长度要大打折扣。EFKA-5065的结构中含有一个六元环，有羧基，并且是Y形结构（如本文中第四个图所示），那么它的长度又要打折扣。这么折算下来，其长度不会超过5nm。假设一个颜料可以分散到1微米，那么颜料粒径的长度是分散剂长度的200倍。如果按体积计算（假设分散剂是个直径5nm的圆），则颜料体积是分散剂的8000000倍。

这是什么概念呢？

上海松江有名的佘山，高度不超过100米，如果把它比做颜料粒子，分散剂粒径是0.5米。著名的庐山海拔1477.4（注意是海拔!），如果将它比做颜料，分散剂约7.4米。

可以用个比方：颜料粒子如果是一座山，分散剂可能就相当于山上的一颗树，甚至比这更小。分散剂包裹住颜料，就象山上种了些树用来防止山体滑坡一样。但分散剂相对颜料来说毕竟太小了，想要排除树脂的影响是很难的。

当然，某些高分子分散剂的分子量高达20000及以上，这样的分散剂如果按照相同的方法折算，C-C键完全拉直了计算，约有200nm。但是我们知道，高分子分散剂不可能是直链结构，会含有许多支链；C-C键的分子链也不可能呈直线状态。所以其长度应当也不会超过50nm。一般高分子分散剂以及所谓超分散剂其作用机理的示意图，都是将分散剂的作用放大，而忽略了影响分散的另外一个因素——树脂。