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颜料和填料的分散与稳定基础知识

作者： 精颜化工    日期： 2024-05-06    文字大小：  大  中  小

在油漆、涂料和墨水的生产过程中，固体颗粒（颜料和填料）在液体中的分散和稳定是一个具有挑战性的过程。整个过程由三个步骤组成（湿润、分离和稳定），从由固体颗粒团聚体组成的干燥粉末状材料开始。


颜料和填料的分散过程

当粉状固体与液体接触时，颗粒会发生润湿，通过施加机械力将固体颗粒彼此分离，分离出的颗粒必须稳定以防止絮凝。


接下来，将分别讨论分散过程的三个步骤，它们大多同时发生。


1. 湿润

在湿润过程中，存在于颗粒表面和聚集体内部的空气被用于分散过程中使用的液体取代。


描述润湿过程的图表
湿润：固体-气体界面转变为固体-液体界面

润湿的先决条件是，与固体颗粒的表面能相比，液体的表面张力足够低。润湿剂是在颗粒表面能过低的情况下用于促进润湿的添加剂，润湿剂的功能是降低液体的表面张力。使用润湿剂会引起泡沫、涂层间附着力不足、水敏感性增加和薄膜硬度降低等问题。


在许多情况下，分散过程中不需要湿润剂。此外，使用湿润剂通常会延缓湿润过程而不是改善它。当液体的粘度较低时，湿润和系统中的空气释放速度会更快。湿润的重要性经常被低估，因此会在分散和稳定过程的后续步骤中出现问题。


2. 分离

团聚体 - 粘合在一起的固体颗粒 - 在分离步骤中被分裂。由于固体颗粒之间具有很强的吸引力，因此分离它们需要由合适的设备提供的大量机械能。将团聚体分成较小的片段有两种原则：剪切和冲击。


描述润湿过程的图表

通过剪切力工作的圆盘分散器，通常称为分散器。边缘有齿的圆盘在高粘度的液体研磨基料中高速旋转，从而将颗粒剪切开。


在珠磨机（通常称为珍珠磨机）中，冲击原理（结合碾碎）用于分裂团聚体。珠子（珍珠）相互碰撞，珠子之间的团聚体被锤击并碾碎成小块。


研磨机图片
珠磨机和珠子的磨室

带有转子叶片的轴在部分充满珠子的研磨室中旋转。珠磨机的输入是使用例如圆盘分散器进行的预分散。珠磨机的输出是具有所需粒度分布的固体颗粒在液体中的分散体。


3. 稳定

已分离的颗粒必须稳定以防止絮凝，即在液体中固体颗粒的自发黏合。


固体颗粒通过一种称为分散剂的聚合物添加剂来稳定，以防止絮凝。分散剂分子必须强烈吸附在颗粒表面。这种吸附现象通常被称为锚定，具有对颗粒表面具有强亲和力的基团称为锚定基团。


分散剂作用图解

分散剂的功能是提供胶体稳定性。从胶体的角度来看，当分离的颗粒因颗粒相互排斥而无法絮凝时，据说分散体是稳定的。


防止絮凝的两种稳定原则如下：

首先，所有粒子都可以具有相同的静电荷，从而使它们相互排斥。这种所谓的静电稳定性至关重要，它取决于关键的系统特性，如pH值和存在的电解质量。在水性涂料和油墨中，主要使用阴离子稳定剂，这意味着所有颗粒都带负电荷。


其次，颗粒可以覆盖一层聚合物尾部，这些尾部溶解在颗粒周围的液体中，从而提供空间稳定性。事实证明，空间稳定是溶剂型和水性体系中最安全的原理。

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