四步实现有效的颜料分散

颜料是专门设计和生产以赋予各种材料色彩的不溶性颗粒。它们可以分类为有机颜料、无机颜料、特效颜料和功能性颜料。颜料化学品种类繁多，其最终用途的需求以及广泛的色彩选择使得化学家在为某特定应用选择最佳颜料或添加剂方面带来了挑战。适当的颜料和添加剂的选择对于最终涂层产品的性能以及生产效率至关重要。了解各种颜料类型、性质和化学品族系将有助于配方师确定最有效的颜料化学性质和制造工艺，从而避免最终涂层和应用中的潜在问题。本文着重介绍了颜料系列及其在水性、溶剂型和通用型分散体中的应用。讨论了加工原理、润湿分散剂的选择以及共研磨与单一颜料分散体的区别。

颜料与染料 – 可溶性很重要的吗？

颜料实际上是不溶于施用介质的无机或有机着色剂，而染料是可溶于施用介质的着色剂。了解这种差异是帮助正确选择着色剂的重要概念。染料是有机分子，具有更亮的底色，更高的透明度，并且它们暴露在紫外线下时通常比颜料表现出更差的牢度。有机颜料在化学结构和表面处理上有所不同；一些可以像染料一样表现，当暴露于增溶条件时会失去它们的晶体结构。这种结构变化将对颜料坚牢度性能产生负面影响。一个很好的例子是颜料黄74，广泛用于建筑涂料。当用于上述应用时，这种颜料具有比大多数工业涂料更好的牢度。性能的差异是源于系统中使用的溶剂差异。溶剂型的建筑涂料是基于丙烯酸和/或中/长油醇酸的树脂，并且该应用中优选的溶剂是矿油精。在水性应用中，使用的是丙烯酸乳液或水溶性丙烯酸的树脂。颜料黄74微溶于矿物精油，但不溶于水（图1），因此可以保持其原有的晶体结构。在工业涂料应用中，最常用的溶剂是芳香族化合物、酯类和酮类，黄74在这些溶剂中具有较高的溶解度，这将对其牢固性如热稳定性、耐候性、过喷迁移和不透明性方面产生负面影响。为了配制稳定的系统，在涂料配方过程中选择正确的颜料应该是第一步。建议配方师们多多咨询其颜料供应商，以获得合适的颜料溶解度的信息。

图1. 颜料黄74微溶于矿物精油，但不溶于水

除了溶解性，对酸和碱的耐受性，热稳定性和耐候性/耐光性之外，还应该考虑配制满足最终用途要求的体系稳定性。

图2显示了在初始制定阶段需要考虑的一些重要问题。配方设计师应始终记住，即使是相同的颜料化学在所有涂料体系中也可能不能均等地表现。

有机体系与无机体系- 它们是不同的吗？

有机颜料通常来自石化产品的碳的合成材料。它们通常在高温下不稳定，在强溶剂中部分溶解，但不溶于水。无机颜料是金属盐和氧化物，一些是天然的还有一些是人工合成的，通常在高温下稳定并且不溶于溶剂。由于化学结构稳定，大多数无机颜料比有机颜料具有更好的耐候性、分散性和不透明性，但是它们通常具有较低的色度和着色强度。

颜料杂质

不同制造商或不同制造工艺生产的具有相同颜色指数标识的颜料尽管颜色相似，仍可能具有不同的性能。这是由于未反应的原料、副产物、无机盐和水中的污染物造成的杂质可能不同引起的。这些杂质可能对耐候性、分散稳定性和耐溶剂性产生不利的影响。

图2. 在初始制定阶段需要考虑的一些重要问题

为保证颜料不含过量杂质，颜料制造商应在特定的测试系统中测试pH值、电导率、吸油量和粘度。他们甚至可以考虑根据需要针对某些颜料进行额外的粘度稳定性和分散性测试。除了批准某种颜料可以用于着色之外，涂料配方设计师应该在为给定系统或应用确定合适的颜料时同时验证最终涂层的稳定性。

影响颜色发展的因素

颜料的颜色发展取决于五个变量：分散性、能量输入、过程停留时间、系统组分以及颜料间的相互作用。适当关注这些变量将会提高开发稳定配方的可能性。

分散性

为了获得最大的颜色强度，光泽度和遮盖力，颜料必须适当地润湿，解凝聚/分散并均匀分布且稳定性好（图3）。颜料分散体的稳定化需要时间和精力。分散的颜料具有强烈的返回其初始团聚状态的趋势。由于这种强烈的趋势，适当选择润湿剂和分散剂对于获得稳定的配方至关重要。表面活性剂或润湿添加剂通常定义为具有低分子量的两亲化学物质，而分散添加剂是能够稳定颜料并避免再聚集的低聚物。

图3. 为了获得最大的颜色强度，光泽度和遮盖力，颜料必须适当地润湿，解凝聚/分散并均匀分布且稳定性好

润湿

为了适当润湿颜料，空气/固体界面需要用液体/固体界面替换。因此，系统中滞留的空气越少，润湿效果就越好。这些与表面张力有关。对于液体润湿固体，其表面张力必须低于固体的表面自由能。因此，低表面张力的液体在润湿时更有效，这就是为什么润湿添加剂对配方设计师非常有价值的原因。它们降低表面张力，并粘附在表面涂覆颜料以形成添加剂/液体界面。一般而言，与水的较高表面张力相比，溶剂的表面张力较低，所以溶剂基体系更容易润湿颜料。

解聚

在分散这个阶段，颜料团聚体被分离成较小的聚集体和初级颗粒。其中掺入颜料的载体的表面张力越低，分散颜料所需的能量越低。通过利用高速分散机和各种研磨设备的机械能来实现解聚。安装在高速搅拌机轴上的Cowles刀片是分散颜料的有效手段。高剪切刀片是一种获得高推荐度的Cowles刀片（图4），非常适用于颜料的分散。其他类型的刀片包括高叶片刀片或组合叶片也可以根据分散体的粘度不同而选择使用，并且可以在加工过程中用来移动/混合原材料。

图4. 高剪切刀片是一种获得高推荐度的Cowles刀片

为了确保良好的层流并提高分散效率，建议叶片直径约为罐直径的1/3，并且叶片离罐底部约0.5至1.0个直径。对于粘度在70-100 Krebs单位的系统，建议的尖端速度4,000-6,000fpm。以下公式可用来确定叶尖速度：轴转速RPM x 0.262 x叶片直径（英寸）。具有较硬质地的颜料可以通过使用明显产生更多剪切的磨机如水平、垂直和篮式磨机实现更精细地分散。为了将颜料分散到纳米级，推荐使用0.3-0.5纳米的研磨介质。

稳定

由于在解聚/研磨阶段期间固体颗粒的表面积增加，因此需要稳定颜料以避免诸如絮凝、色移、沉降和稳定性损失等问题。稳定化过程通过掺入分散添加剂，通过以下机制实现稳定化。

静电稳定化

用于水性体系以及大多数的无机颜料、添加剂分子通过离子键、氢键和/或偶极相互作用粘附在颜料表面，并通过静电力使颗粒相互排斥。具有高电导率的颜料可能不能通过静电稳定化来稳定。ζ电位（浸入导电液体例如水中的固体颗粒表面与液体体积之间存在的电势差）用作配方分散系的稳定性重要指标。电位在+30 mV和-30 mV之间的颜料分散体很可能不稳定。一旦颜料加入到配方中，pH值可以作为稳定性的一个很好的指标，pH值在4和7.5之间的分散体更倾向于有分散性/稳定性方面的问题，用ζ电位值表示，就是在+30和-30mV之间。在某些情况下，可能需要添加pH调节剂来改善。

如果最终的应用分散体必须是酸性的配方推荐pH低于4，如果最终的应用分散体必须是碱性的配方推荐pH高于7.5。ζ电位越接近零，水性体系分散越容易发生再聚集。可以通过使用具有阳离子或阴离子分子基团的分散剂，例如季铵盐和烷基多胺（阳离子）或多元羧酸和磺化有机物质（阴离子）来实现静电稳定化。

位阻效应稳定化

用于水性和溶剂型体系中，添加剂锚定基团将粘附在颜料表面。该体系的相容性取决于组成疏水部分的聚合物的官能团部分。考虑到位阻效应稳定化，添加剂将物理降低颜料颗粒的流动性，从而避免/减少絮凝或再凝聚。这种稳定化主要是用非离子型分散剂完成的。

表面活性剂选择的量

太多或太少的表面活性剂可能都对颜料分散体的稳定性不利。最佳添加水平的确定是基于每平方米颜料表面所需2-2.5mg聚合物分散剂这个规则来制定的（图5）。这个规则必须在最开始就采纳，然后经由配方师通过梯度研究确定基于粘度变化的最佳水平，在必要时还需要进行淹水和漂浮、烘箱稳定性和冻融稳定性的评估。

图5. 最佳添加水平的确定

分散剂选择

推荐的分散剂粘附类型取决于颜料表面。以下建议可能有助于配方师为待评估颜料选择最有效的分散剂的化学成分。

有机颜料（芳香族表面处理） - 推荐使用含有苯基或萘基的分散剂。

无机颜料（氧化物、硫化物、硅酸盐等） - 建议使用含酸性基团的分散剂，如磷酸盐、羧基或硫酸盐。

炭黑（重氮化表面处理） - 含氮分散剂。

颜料分散性 - 共研磨与单一颜料分散

图6. PB 15：2、PG 7、PY 74和PY 65颜料的分散性研究

颜料的化学结构各不相同，实现全彩色显影所需的能量也就各不相同。确定颜料的最佳分散时间一个很好方法是进行分散性研究，其中配方师将通过评估其颜色特性来确定将颜料发展到其全部强度所需的时间和能量。图6显示了所选PB 15：2、PG 7、PY 74和PY 65颜料的分散性。以30分钟间隔对这些颜料进行强度和颜色的评估，其中以15分钟的研磨时间制成的分散体被用作标准。将颜料研磨至超过其最佳水平，当观察到颜色强度损失时就可以确认颜色。这种类型的评估对于确定所选配方中颜料的最佳处理时间非常重要。从图6中可以看出，一些颜料比其他颜料更快地发展出强度和颜色。当共研磨颜料时，这是一个需要考虑的关键因素，因为通过这种方法可能无法实现最佳的颜色发展和一致性。正因为如此，推荐单一颜料分散体作为获得给定颜料的全色显影值的最佳方法。

另外，如表3所示，由于其物理（即表面积、吸油量、粒度）和化学性质（即化学结构、表面处理）的变化，并非所有颜料在特定涂料配方中都具有相同的行为。应该指出的是，各种颜色指数的物理性质之间没有直接的相关性，这就为不推荐颜料的共分散提供了更多的推论上的支持。

结论

颜料是涂料配方中的关键组分，适当的选择和分散对于确定涂料的性能至关重要。在最近一次关于过去两年收到的技术援助请求的研究中，有人指出，近80％的配方问题是通过修改或改变配方中使用的颜料来解决的。所有颜料从一个配方到另一个配方都是相同的这种假设很明显是错误的。这种假设也侧面说明了涂层开发和制造过程的昂贵。以最佳的性能和价值获得稳定的涂层的关键是：适当的颜料选择，合适的添加剂选择以及实现完全分散的适当方法。正因为如此，我们强烈建议配方师与其原材料和设备供应商协商，以便在配制涂料时更好地了解他们的选择和潜在的问题。

参考文献

1. BASF, little helpers love great achievement - Practical Guide to Dispersing Agents, 2016

2. Hunger, Klaus, Thomas Heber, Martin U. Schmidt, Friedrich Reisinger, and Stefan Wannemacher. Industrial Organic Pigments Production, Properties, Applications.Weinheim, Bergstr; Wiley-VHC, 2013. Print.

3. Surface Coatings. London: Chapman & Hall, 1993. Print.

4. “Surface Tension Values of some Common Test Liquids for Surface Energy Analysis”. N.p.,n.d. Web 29 June 2017