碳黑顏料的分散機(jī)理

碳黑顏料的分散機(jī)理
眾所周知，炭黑是最難分散的顏料之一，因此炭黑比任何其它顏料更需要徹底分散在載體中。雖然幾乎所有炭黑用戶都或多或少地掌握一些有效分散炭黑的技巧，但對(duì)炭黑分散過(guò)程和機(jī)理的了解就顯得相對(duì)薄弱，所以有必要在此對(duì)炭黑的分散過(guò)程和機(jī)理做一簡(jiǎn)要描述。
  （一）、炭黑顏料的分散過(guò)程和機(jī)理
  炭黑的分散過(guò)程是物理過(guò)程，在這個(gè)總過(guò)程中還包括許多獨(dú)立的子過(guò)程。炭黑在另一種介質(zhì)中被分散，實(shí)際就意味著炭黑粉末中的附聚物被破壞為較小粒子，并同時(shí)被介質(zhì)所潤(rùn)濕。炭黑的分散過(guò)程也伴隨有炭黑粒子的隨機(jī)均勻分布過(guò)程，如果介質(zhì)粘度較低，則已分散的炭黑粒子就會(huì)由于粒子間的吸引力而容易聚集，即所謂的顏料粒子再附聚作用。這種作用會(huì)降低炭黑的著色強(qiáng)度，為防止再附聚作用的發(fā)生，必須使炭黑分散狀態(tài)穩(wěn)定化。
  炭黑的分散過(guò)程可以分為以下四個(gè)階段：
  1、破碎：由于商品級(jí)炭黑顏料的通常細(xì)度(45μm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不符合下游領(lǐng)域的最終要求，所以在使用炭黑時(shí)必須對(duì)炭黑進(jìn)行破碎分散操作，也只有將炭黑破碎分散到一定細(xì)度范圍時(shí)，才能使炭黑的著色性能或其它所需要的性能充分發(fā)揮出來(lái)。例如，發(fā)生在擠出機(jī)、捏合機(jī)、三輥機(jī)、密煉機(jī)、高攪機(jī)、球磨機(jī)、砂磨機(jī)等中的操作過(guò)程均是顏料的破碎。做為顏料的特性，炭黑的破碎程度同樣與自身粒子的“堅(jiān)牢度”有關(guān)。
  2、 潤(rùn)濕：自由炭黑粒子表面與周圍介質(zhì)的相互作用是炭黑被潤(rùn)濕的重要因素。炭黑潤(rùn)濕的能量關(guān)系可用熱力學(xué)定律來(lái)解釋，其中炭黑表面張力和表面能是潤(rùn)濕熱的重要輔助參數(shù)，也可以從動(dòng)力學(xué)角度描述炭黑粉末和附聚物的潤(rùn)濕過(guò)程。潤(rùn)濕時(shí)間不但與炭黑粉末的孔隙及幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，還隨介質(zhì)粘度提高而增加，并隨潤(rùn)濕張力增大而減少。在實(shí)用條件下，升高溫度可以加速潤(rùn)濕過(guò)程，但溫度升高(粘度降低)又會(huì)導(dǎo)致剪切力(破碎作用)降低。潤(rùn)濕體積可作為炭黑孔體積或填充密度的量度，它與炭黑的相對(duì)著色強(qiáng)度密切相關(guān)，因此間接與炭黑在最終制品中分散質(zhì)量有關(guān)。所以，在實(shí)際操作中為了提高炭黑的分散性，往往在介質(zhì)中摻入了低分子量的添加劑(如增朔劑或粘度促進(jìn)劑等)。
  3、分布：通過(guò)提高加工溫度和降低體系粘度，使體系處于湍流條件下；以及延長(zhǎng)炭黑在加工設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間；可以使被潤(rùn)濕的炭黑粒子達(dá)到最佳分布。但是，在實(shí)際操作中，延長(zhǎng)停留時(shí)間將受到產(chǎn)量要求的限制。因此，對(duì)于塑料行業(yè)，通常在注朔機(jī)和擠出機(jī)中安裝魚(yú)雷頭、多孔板、剪切部件以及加設(shè)捏合段和采取其它設(shè)計(jì)措施，以提高破碎作用和延長(zhǎng)停留時(shí)間。
  4、內(nèi)聚力：由于炭黑粒子之間存在吸引力(偶極、氫鍵和靜電力)，因此必須依靠外界能量來(lái)克服吸引力，才能達(dá)到分散目的。炭黑的分散性和它的粒度分布有密切關(guān)系，粒度小的炭黑具有較大的比表面積，并且存在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性，從而容易產(chǎn)生再附聚作用。在實(shí)際操作中，添加分散劑涂覆在炭黑粒子表面，從而降低炭黑粒子之間的內(nèi)聚力，有助于避免炭黑分散操作困難。
 （二）、炭黑分散不良導(dǎo)致的主要后果
  分散炭黑的目的是使炭黑在載體中處于一種膠體的分布狀態(tài)，這種分布程度會(huì)直接影響到制品的色相、黑度和遮蓋力。炭黑的分散主要受制于三個(gè)因素：炭黑本身的特性;載體或分散介質(zhì)的類型;所使用的分散設(shè)備類型。在使用炭黑著色時(shí)，如果炭黑分散不良會(huì)導(dǎo)致以下方面的后果：
  l 顏色強(qiáng)度不穩(wěn)定；
  l 色澤不好；
  l 出現(xiàn)條紋；
  l 擠出機(jī)的過(guò)濾篩網(wǎng)被堵塞；
  l 在擠出加工吹朔薄膜時(shí)，未破碎的炭黑附聚物引起膜泡撕裂；
  l 引起單絲和扁絲斷裂；
  l 由于制品表面的不均勻性引起的印刷問(wèn)題；
  l 引起制品機(jī)械強(qiáng)度降低(缺口效應(yīng))；
  l 由于顏色包覆不良而導(dǎo)致耐磨性下降。
  由此可見(jiàn)，炭黑的分散在實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要。

二、顏料分散的辦法 
       大體上講，顏料的分散方法大致有下列三種：干混合法、融體剪切法和液體研磨法。
干混合法是指顏料與樹(shù)脂由低到高速?gòu)?qiáng)度下混合，顏料分散主要通過(guò)沖擊研磨而實(shí)現(xiàn)的，其主要設(shè)備有高低速混合機(jī)；
融體剪切法是指在捏合作用下，通過(guò)熔化樹(shù)脂傳遞大剪切應(yīng)力；
液體研磨法則是指通過(guò)液態(tài)載體的沖擊式剪切力來(lái)分散顏料。
 
       目前，市場(chǎng)上能比較好地解決顏料分散性的產(chǎn)品主要有以下幾種商品形式：預(yù)分散顏料色片、漿狀顏料和色母粒等三種。除此之外，還有一些如色餅、色膏等針對(duì)性很強(qiáng)的產(chǎn)品。
 
       一是由專業(yè)生產(chǎn)廠家將顏料加工成顏料色片（Pigmented chips，Color chips）。所謂顏料色片，也稱固體色漿、色粒、干片、切片、預(yù)分散顏料，指的是顏料和指定載體樹(shù)脂的固態(tài)均勻混合物，也就是預(yù)分散在樹(shù)脂中的高濃度顏料。預(yù)分散顏料色片中的顏料含量比較高，根據(jù)體系的不同，一般可以在50-70%之間，載體樹(shù)脂的含量比例在30-50%左右，某些如硝化棉（N/C）體系的顏料色片品種還含有環(huán)保的增塑劑。預(yù)分散顏料色片，等同于給油墨制造商按比例配制好的顏料和樹(shù)脂，它可以被直接裝入油墨配方，也可以先按色漿的要求先分散成半成品——色漿，再以色漿加入調(diào)墨油的形式混合制成油墨。由于預(yù)分散顏料可以很容易地在高速分散機(jī)上進(jìn)行分散，其分散細(xì)度完全可以滿足一般油墨的要求。由此可見(jiàn)，易分散性是它的最大優(yōu)勢(shì)。如果對(duì)油墨產(chǎn)品的細(xì)度要求很高，或者說(shuō)要求有納米級(jí)效果，可以對(duì)半成品色漿進(jìn)行一次快速砂磨處理，得到的色漿性能可以用“極好的巔峰狀態(tài)”來(lái)形容，不管是色澤、光澤和亮度都是無(wú)與倫比的。預(yù)分散顏料的市場(chǎng)推廣應(yīng)用，有一個(gè)價(jià)格因素在制約。筆者一直希望其能進(jìn)行大規(guī)模的商品化生產(chǎn)，從源頭上降低成本。如能和顏料生產(chǎn)廠家一起研究開(kāi)發(fā)，不僅能從原材料成本上控制，更能從技術(shù)、服務(wù)上得到長(zhǎng)足進(jìn)展。
 
       二是由顏料生產(chǎn)廠直接制成漿狀顏料（色漿，Color paste），由油墨、涂料生產(chǎn)廠在生產(chǎn)時(shí)直接加入配方使用，從而可以省卻費(fèi)時(shí)費(fèi)力的研磨作業(yè)工序，得到效果比較滿意的產(chǎn)品。典型意義上的漿狀顏料(色漿)是指顏料生產(chǎn)廠將顏料濕濾餅，采取脫水步驟后，把顏料分散到各種基料中去，制成一種色漿。一般有機(jī)顏料比重小，色漿的顏料含量也較低；而無(wú)機(jī)顏料的比重大，則可達(dá)到較高的顏料含量。漿狀顏料可保持顏料沉淀時(shí)的顆粒尺寸，特點(diǎn)是細(xì)度好、色澤也較鮮明、著色力也較高。

       三是色母粒。色母粒(Color Master Batch)是指顏料按20%-80%的比例經(jīng)研磨或雙螺桿擠出均勻地分散到樹(shù)脂中而制得的顏色顆粒，美國(guó)稱之為顏料濃縮物(Pigment Concentration)或顏料制備物(Pigment Preparation)。它具有著色效果優(yōu)越、便于自動(dòng)計(jì)量和運(yùn)輸、節(jié)約能源、無(wú)粉塵、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在塑料等材料的著色中應(yīng)用普遍。這其中，載體是色母粒的重要組成部分，其作用是增強(qiáng)顏料與要著色的樹(shù)脂之間的親和力和提高著色組分與樹(shù)脂的分散與混合。用茂金屬催化法合成的樹(shù)脂作載體能大大提高顏料在色母粒中的協(xié)同效應(yīng)和分散性。由于顏料在色母粒中分散性提高，更可獲得一個(gè)更均一的相，因此，可以做到顏料用量更少，卻能同時(shí)保持高著色質(zhì)量效果。這是因?yàn)槊饘俅呋ê铣傻臉?shù)脂與Z-N催化法合成的樹(shù)脂不同，茂金屬催化法合成的樹(shù)脂作載體能制備高濃度的色粒，顏料含量更可達(dá)80%。除此之外，色母粒中用茂金屬催化法合成的樹(shù)脂作載體，不僅會(huì)使著色容易，還能使色母粒產(chǎn)生美觀感，而且對(duì)著色產(chǎn)品的力學(xué)性能也有改善，這是因?yàn)轭伭戏稚⒑靡院?，結(jié)晶性可以提高，得到的制品的耐應(yīng)力、開(kāi)裂性能相應(yīng)提高。

IKN研磨分散機(jī)