水性和溶剂型涂料用超高黑度特种炭黑

来源:油墨与涂料-中国版

发布时间:2019年11月8日上午 11:11:04

黑、更黑、超级黑!长久以来,如何制造更黑的黑色涂料是涂料生产商努力追求的方向,特别是在汽车领域。为了在外观的竞争中脱颖而出,涂料生产商一直致力于实现汽车厂商要求的终极黑色涂层。不仅如此,高端工业涂料应用和电子消费品等涂料细分市场也对高黑度炭黑兴致勃勃,以实现超高黑度涂层。为了满足这一需求,欧励隆付诸了巨大的努力进行创新,从而呈现出了目前非常优秀的超高黑度特种炭黑:COLOUR BLACK FW 310。
黑、更黑、超级黑!长久以来,如何制造更黑的黑色涂料是涂料生产商努力追求的方向,特别是在汽车领域。为了在外观的竞争中脱颖而出,涂料生产商一直致力于实现汽车厂商要求的终极黑色涂层。不仅如此,高端工业涂料应用和电子消费品等涂料细分市场也对高黑度炭黑兴致勃勃,以实现超高黑度涂层。为了满足这一需求,欧励隆付诸了巨大的努力进行创新,从而呈现出了目前非常优秀的超高黑度特种炭黑:COLOUR BLACK FW 310。
 
 
欧励隆工程炭集团是全球领先的炭黑制造商。欧励隆多年来一直提供粉状和珠状特种炭黑,这些炭黑产品由原德固赛(Degussa)的气黑和炉黑工艺制造,包括未处理产品和后处理产品,可为涂料行业提供高质量、高色度的炭黑。新研发的COLOUR BLACK FW 310扩展了欧励隆的高端特种炭黑系列产品,并凸显了欧励隆向客户提供一流产品的承诺。
 
如何制造适用于超高黑度的特种炭黑?
 
原生粒径大小不同的炭黑混合物通常具有较低的黑度。粒径分布宽或粒径分布窄但有较大颗粒形成长尾结构的炭黑也是如此。欧励隆创新部门经验丰富的技术人员勇于迎接挑战,利用独特的中试反应器,将聚集体尺寸和原生粒径尺寸变为几乎单峰分布曲线。
 
小粒径的炉法炭黑适用于水性体系。欧励隆的目标是研发出一款既适用于溶剂型体系也适用于水性体系的炉法炭黑。为达目标,欧励隆采用了基于炉法的炭黑,并对其进行特殊后处理。此后处理增加了含氧基团(如羧酸基团)的数量,从而让表面具有更多的极性。因此,该炭黑最终既适用于溶剂型体系,也适用于水性体系。这样,用户仅需购买一种产品,即可满足两种不同的应用需求。不仅降低了应用的复杂性,更重要的是,同一款产品可应用在不同领域,如汽车原厂漆(OEM)和汽车修补漆。
 
图1高黑度炭黑在水性涂料体系中的反射率对比(使用Pausch Q35光谱仪测量)表1用于制备图2中涂料黑色浆参考配方表2用于制备图2中涂料稀释配方
 
优异的颜色性能
 
涂料客户寻找像COLOUR BLACK FW 310这样的颜料首要需求是颜色性能表现。在这个高黑度色域L_a_b_值通常不会提供良好手段来区分不同的颜料。根据欧励隆的经验,黑度My和色相dM用来描述黑色涂料的颜色细节要好得多,如何测量这些值,在文献[1]和[2]中给出。
 
在图1中,展示了不同高黑度碳黑的反射曲线。对于所有高黑度碳黑,光的反射率非常低。优化COLOURBLACKFW310之后,欧励隆基于新的颜料颜色黑色COLOURBLACKFW310的涂层能够显著降低反射率。
 
COLOURBLACKFW310在水性体系纯色中的应用
 
特种炭黑分散如下:为了改善特种炭黑的分散性并稳定水性研磨浆,欧励隆采用了相当于特种炭黑用量的70%的活性润湿剂。适用于此目的的助剂是TEGO®Dispers 760W(Evonik Resource Effificiency GmbH,35%活性)。在使用实验室分散机(Pendraulik LR34,圆周速度为10m/s,持续5分钟)对炭黑进行初始润湿后,使用标准实验室震荡机(Skandex-Disperser DAS 200或BA S-20)和钢珠(3mm)进行研磨,并分散一小时。炭黑研磨浆的粘度与水的粘度相近。研磨细度小于5μm。无树脂炭黑研磨浆中特种炭黑的浓度为13%。关于分散参数以及选择合适的分散设备和研磨颗粒的详细建议,请参见参考文献[3]。
 
最终涂料使用基于市场在售的35%PU分散体(Alberdingk®U9800,Alberdingk & Boley GmbH)涂料体系制备,其炭黑浓度为1.5%(典型汽车涂料配方炭黑用量)。
 
所制备的涂料在玻璃板上涂布(200微米湿膜),闪干15分钟,60。C强制干燥。
 
图2 COLOUR BLACK FW 310与COLOUR BLACK FW 255、COLOUR BLACK FW 200和COLOUR BLACK FW 171的黑度MY与色相dM在水性单组分聚氨酯系统中的对比图3 分散剂对COLOUR BLACK FW 310在水性单组分聚氨酯系统中性能的影响
 
从图2可以看出,在测试的水性涂料体系中,COLOUR BLACK FW 310的黑度比之前同类高黑度特种炭黑COLOUR BLACK FW 255高出超过10多个点。色相值超过10表明这是一款非常高蓝相的高黑度炭黑。
 
众所周知,高表面积炭黑的最终性能在很大程度上取决于整体涂料配方,尤其是所使用的助剂。欧励隆对从不同的助剂供应商处获得的三种不同的助剂进行了测试。对助剂的选择并非面面俱到,但是具有一定的指导性,因为助剂的选择很大程度上取决于涂料体系和特种炭黑。已使用对于炭黑量100%的助剂,炭黑的研磨浆浓度为15%。以与上述描述相同的方式稀释配漆操作。涂料中最终炭黑浓度为1.5%。
 
表3用于为图4中给出的涂料制备研磨黑浆的指导配表4用于制备图4中涂料的稀释配方图4在溶剂型双组分聚氨酯涂料系统中,将COLOUR BLACK FW 310的黑度 MY和色相 dM 与COLOUR BLACK FW 255 和 COLOUR BLACK FW 200 进行比较
 
从图3可以看出,选择不同的分散剂可导致在黑度上产生高达10个点的差异,在色相上产生多达3个的偏差。从整体的颜色值(色相+黑度)来看,可能会导致接近15个点的差异,这在强光下和未经训练的肉眼下都可以清楚地看出。因此,欧励隆建议每位客户关注整个涂料体系,包括分散剂、分散剂浓度、pH值、研磨浆粘度、研磨时间和能量,以选择合适的条件,最大限度地利用高性能炭黑。举个类似的例子,如果您想驾驶赛车并赢得冠军,除了赛车本身外,还需要拥有优秀的配件组合、性能良好的轮胎以及汽油等。
 
表5用于溶剂型涂料体系中分散剂实验的配方
 
COLOR BLACK FW 310在溶剂型纯色中的应用表现在基于丙烯酸树脂的溶剂型双组份聚氨酯涂料体系中,在总特种炭黑浓度为2.2%的条件下测试了COLOUR BLACK FW 310的颜色性能。在第一步中,使用高速分散机(Pendraulik LR34,以10m/s的速度分散5分钟)将炭黑用树脂和溶剂润湿,随后使用标准实验室振荡机(Skandex-Disperser DAS 200或BA S-20)和研磨钢珠(2mm)进行研磨,分散一小时。用丙烯酸树脂、溶剂、异氰酸酯作为交联剂,来稀释炭黑研磨浆。所述配方如表3和表4所示。
 
以上水性涂料和溶剂型涂料的实验证明了助剂的选择和用量至关重要。如图5所示,可以发现黑度偏差超过20点。当然,使用不同的树脂体系会获得完全不同的结果。这只是表明在该特定条件下的最优配方,在不同体系下配方可能需要对所有组分进行优化。
 
在这些实验中,采用了一种基于Laropal®A81的调整后的研磨浆配方,并加入了炭黑用量约100%分散剂。配方如表5所示。稀释配漆配方按照表4中所述的方式进行。
 
COLOURBLACKFW310在水性金属漆中的应用
 
除了主色调涂料外,设计师们还努力让金属涂料获得非凡的效果。通常情况下,炭黑与银粉等材料的结合使用对实现特定使用效果起着至关重要的作用。因此,我们在该配方条件下用新产品COLOUR BLACK FW 310和另外两款高黑度炭黑产品COLOUR BLACK FW 171,COLOURBLACKFW255进行了对比测试。
 
图5使用基于Laropal® A81的研磨浆,分散剂对COLOUR BLACK FW 310在溶剂型双组分聚氨酯体系中研磨浆性能的影响分析表6用于制备图6-8中涂料的指导配方图6 COLOUR BLACK FW 310(标准样) 、COLOUR BLACK FW 255和COLOUR BLACK FW 171制备的金属涂层在不同观察角度下明度ΔL*的对比图7 COLOUR BLACK FW 310(标准样) 、COLOUR BLACK FW 255和COLOUR BLACK FW 171制备的金属涂层在不同观察角度下Δa*的对比
 
银粉冲淡色通过使用水性炭黑浆制备而成(如表1所示的配方),铝粉来源于常规市售的铝粉浆。表6给出了炭黑与铝颜料的比例,从而给出了干膜中产生的颜料质量浓度。
 
所有金属涂料配方实验均使用等量的特种炭黑完成的。
 
图8 COLOUR BLACK FW 310 (标准样)、COLOUR BLACK FW 255和COLOUR BLACK FW 171制备的金属涂层在不同观察角度下Δb*的对比
 
与COLOU RBLACK FW 255和COLOUR BLACK FW 310相比,COLOUR BLACK FW 171的色强度更高。在15°观察角下,与COLOUR BLACK FW 310相比,COLOUR BLACK FW 171更暗、更蓝且更绿。
 
在15°观察角下,与COLOUR BLACK FW 310相比,COLOUR BLACK FW 255更亮、更蓝且更绿。且在该条件下,COLOUR BLACK FW 255比另外两种炭黑具有更强的金属感和随角异色。
 
COLOUR BLACK FW 310在所有角度中显得更具金属感。与其他两种炭黑相比,随角异色不是很强,显得更具中性。
 
当然,这仅指示使用该特定金属涂料体系的实验结果。然而,它清楚地表明,配方设计者可以通过选择不同的高黑度炭黑来获得不同的颜色效果。COLOUR BLACK FW310也因此增加了金属涂料的色彩空间。
 
总结
 
满足客户的需求就是创新研发的动力,这款炭黑新产品COLOUR BLACK FW 310旨在提供超高黑度值和蓝色相,在水性和溶剂型涂料体系中均可使用。同时必须根据涂料体系选择合适的助剂。在使用COLOUR BLACK FW 310的过程中遵循本技术信息中给出的建议,可以满足汽车制造商的要求,即拥有高蓝相的超高黑度汽车,并为金属涂料寻找到新的颜色选择。
 
 
 
本文由欧励隆工程炭集团提供 
 
 
 
参考文献:
[1] Lippok-Lohmer, Farbe und Lack 92 (11), 1024 (1986)
[2] Coloristic Properties of Specialty Carbon Blacks in Full Tone and Tinting Applications for Coatings - Technical Information 1464, Orion Engineered Carbons GmbH (2015)
[3] Short Dispersion Guideline for Specialty Carbon Blacks in Coatings - Technical Information 1375, Orion Engineered Carbons GmbH (2017)
[4] Specialty Carbon Blacks in modern Coating Systems – Industry Information 0402, Orion Engineered Carbons GmbH (2017)

 

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