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涂布颜料最佳分散剂用量的研究 陈金堂颜进华陈克复(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州,510640)颜料分散是涂布加工纸涂料配制的关键步骤,也是制备性能良好的涂料和生产令人满意的涂布加工纸的基本保证。颜料的分散也称白料的制备,是通过添加化学分散剂并施以足够能量,破坏干粉状颜料的粒子群,使其处于良好的胶体化分散状态。本文对5种不同的干粉颜料粒子分散状况进行了研究,确定了不同颜料分散的最佳分散剂用量。1化学分散剂的分散机理概述颜料的分散是用化学分散剂来增湿颜料粒子,排出颜料粒子间的空气,调节颜料粒子的表面电荷,从而防止粒子絮聚,降低涂料粘度。将化学分散剂加入颜料悬浮液中时,分散剂在水中迅速电离,电离的部分阴离子强烈地吸附在颜料粒子的表面。由于颜料的分散都是在碱性条件下进行的,使得颜料粒子表面集结了大量的阴离子。颜料粒子表面阴离子吸引阳离子,使得距离粒子表面一定范围内形成了由过量阳离子组成的包围层,将整个粒子包围起来。但就悬浮液的整体而言,正负电荷的净平衡并未改变,这种结构叫双电层结构,具有一定的电位。过量的阳离子称为平衡离子,分布在颜料粒子周围一定的厚度内并在那里定位。因此,可将包含双电层结构的颜料粒子看成是一个大的粒子体系。研究表明1,颜料粒子上吸附的阴离子集中在只有一层离子厚度的层内,而包含平衡离子在内的分散层的厚度可达几十埃,在一般的情况下,足以使颜料粒子相互排斥,达到均匀分散。一般地,分散良好的平衡离子层的厚度和静电荷的浓度,即使在强烈的动力作用下也不会使颜料粒子集结在一起2。由于这种体系周围布满正电荷,使颜料粒子间产生斥力,另外,由于这种双电层结构,使得颜料粒子覆盖有一层保护胶质,减少了粒子间的吸引力。这两种作用的结果,避免了颜料粒子的絮聚,使得颜料粒子处于稳定的分散状态。颜粒粒子分散后,周围充满流动介质,使颜料体系容易流动,表现为粘度降低。当颜料粒子周围全部被这种润滑作用的介质包围时,粘度达到最低,此时稳定这种分散体系所需的分散剂就是最佳分散剂用量。实际上,颜料分散过程也就是寻找其最佳分散剂用量的过程。不同种类,不同级甚至不同生产批号的颜料其分散剂用量都有区别,所以配制涂料前要进行分散剂用量的确定实验。2实验2.1原料:5种干粉状颜料粒子,其中1#、2#、3#为高岭土,4#、5#为碳酸钙;分散剂。2.2主要实验仪器:-5涂-4型粘度计,5100.202粒度分布仪。2.3实验方法:取该5种颜料粒子各100份,配成固含量为50%的浆状液。如前所述,颜料的分散一般是在碱性条件下进行的,因此用(0.1)将1#,2#,3#浆状液的值调至8.5。4#,5#两个试样为研磨粉状碳酸钙,由于其悬浮液的值均高于10,故不用溶液进行调节。本次实验选用的化学分散剂为分散剂,它是一种聚丙烯酸钠型分散剂,特点是应用范围广,并具有良好的耐热性、互溶性和粘度稳定性。将配制的5份颜料粒子悬浮液逐滴地加入分散剂,并用搅拌器不停地搅拌,在此过程中测量颜料悬浮液的粘度。本实验选用的是-5涂-4型粘度计,所测的值是流出时间(以秒计),它能表明颜料分散液的分散状况35,即流出时间越长,粘度就越高,分散性就越差。当流出时间达到最小值时,颜料悬浮液的分散达到最佳状态。图1所示为5种颜料粒子悬浮液在不同的分散剂加入量情况下对流出时间的关系。3实验数据处理根据所得实验数据,对5种颜料粒子悬浮液在不同的分散剂加入量的情况下对流出时间的作图,通过流出时间的变化趋势可以得出5种颜料粒子在不同分散剂添加量的情况下的分散状况,如图1所示。为了表明涂布颜料的粒度分布对颜料悬浮液分散体系的影响,本实验还利用5100.202粒度分布仪测定了该5种涂布颜料的粒度分布,结果如图2所示。4分析与讨论4.1颜料分散液的粘度变化趋势分析从图1中可以看出,对加入的分散剂,不同的白料分散体现出的共同趋势是:粘度先随分散剂的加入量增加而降低,当降低到一定的数值后,又随分散剂加入而升高。这是因为,刚开始加入的分散剂,经电离后强烈地吸附在颜料粒子的表面,使颜料粒子体系产生双电层结构,具有一定的电位。另外,在一个较小的范围内,分散剂电离出的+离子也会造成水膜化压缩,这种水膜化压缩或双电层扩散部分的压缩会导致水的游离,起到了稀释而使粘度下降的作用。随着分散剂的过量加入,就会因+离子的浓度升高使双电层的电位下降,造成凝聚而导致粘度上升6,7。并且,由于在调节高岭土悬浮液的值时用了溶液,这样就会使整个体系的+离子浓度增加,更强化了这一趋势。另外,对碳酸钙悬浮液的研究也表明8,在分散剂加入量较少时,它被碳酸钙粒子所吸附,增加了表面的负电荷,有利于分散,但随分散剂用量的增加,加入的分散剂主要留在溶液中,作为电解质在介质中运动,导致粘度的升高。4.2高岭土和碳酸钙分散液的分散剂需用量比较分析对于高岭土和碳酸钙颜料粒子来说,由图1可知,碳酸钙在达到最佳分散状态时分散剂的需用量要比高岭土粒子少。这是由于高岭土粒子是片状粒子,在=8.5的情况下,其表面带有负电荷,而其边缘带有正电荷9,因此在分散剂加入的过程中,分散剂电离出的阴离子要首先吸附到高岭土粒子的边缘,以中和阳离子,这样之后才能形成较为稳定的双电层结构。同时由于碳酸钙粒子悬浮液的值在10以上,因此比高岭土具有更好的碱性环境,即使碳酸钙粒子对分散剂阴离子的吸附,吸附量也不会太多,并且形成的双电层电位较高,也比较稳定。而对于高岭土粒子来说,却需要吸附更多的分散剂的阴离子,才能形成具有一定电位的双电层结构。4.3不同颜料悬浮液的粘度分析由图1可以看出,在达到最佳分散剂用量的条件下,高岭土颜料悬浮液的流出时间普遍高于碳酸钙颜料悬浮液的流出时间。这也就表示,在均达到最佳分散的条件下,高岭土悬浮液与碳酸钙悬浮液的粘度不同。从流出时间看,在达到最佳分散的条件下,高岭土的粘度高于碳酸钙的粘度。这是因为颜料分散体系的粘度与很多因素有关,如粒子几何形状,分散性,溶剂化程度等,根据=1+(为体系浓度,为形状系数。),当粒子为球形时所受介质阻力最小,球度值越低,阻力越大。高岭土为片状粒子,球度系数低,形状系数大,阻力大而粘度大,碳酸钙为六方晶系的偏三角面晶体类,形状系数较小,因而粘度低。同时,根据我们对该5种颜料的粒度及粒度分布的检测表明,高岭土粒子大多集中在0.10.3之间,粒度小,粒子数目多,受范德华引力的机会和强度大大增加。同时,粒子表面溶剂化所需总溶液量增加,自由溶液量减少,且总的有效体积增大,因而粒子移动困难,导致高岭土分散体系粘度较大。而碳酸钙的粒子多分布在13之间,较前者大,因而粘度相应较低。高岭土和碳酸钙粒子的粒度分布如图2所示。4.4不同颜料悬浮液分散剂用量的比较分析从图1中可以看出,对于1#,2#,3#三种高岭土颜料悬浮液来说,在达到最佳分散状态下,其分散剂需要量有很大差别,而对于4#,5#两种碳酸钙试样来说,达到最佳分散状态时分散剂的用量是相同的。出现这种情况的原因大概是这些干粉状颜料在出厂前都经过不同程度的处理,这一点也可以从4#,5#两个试样的分散情况看出,因为它们是同一个厂家的产品,预处理的情况是相同的,而1#,2#,3#分别为不同厂家的产品,预处理的情况有所不同。5结论通过对5种不同涂布颜料分散的试验,可以得出最佳的分散剂用量如表1所示。从本次实验和分析中,也可以得出以下结论。1