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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。
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