炭黑的黑度测试及方法.doc

.黑漆的L值与黑度及碳黑的分散黑漆，特别是高装饰场合的黑漆，比如部分钢琴漆、汽车原厂黑漆及修补漆中的黑色漆，通常对黑度有着很高的要求，也就是越黑越好。要做到这一点，基本都是用一些高色素炭黑，比如FW200、M1300、M1400、Raven5000、Raven5003等等，但是因为高色素炭黑通常原生粒径非常小，在十几个纳米大小，这就造成其分散和稳定比较困难，因此，黑漆的分散也是涂料生产中的一个热点。有两个指标评价黑漆的黑度：一个是黑度值My，通俗地说就是谁更黑。根据DIN55979标准，My值指：将颜料碳黑与沸腾的亚麻子油混成色浆，然后按精确规定地条件把该色浆施工在玻璃板上，再测量影响明亮度的绿色光源的反射率，反射率通过某一公式计算即得到My值。My值越高，黑度越高。另一个是色相dM，通俗地说就是是蓝相黑还是红相黑。当dM0时，显示的是蓝相，而当dM0时，显示的是棕相，也就是红相。采用高色素碳黑，我们希望能得到黑度值高的蓝相碳黑，也就是说，My值及dM值均越高越好。My值和dM值与颜色的三刺激值X、Y、Z密切相关，而L、a、b或L、C、h又与X、Y、Z有关，也就是说，My值及dM与L、a、b或L、C、h值也是密切相关的。他们之间可以用公式来表示：My=100 Log(100/Y)Mc=100(logXn/X-logZn/Z+logYn/Y)dM=Mc-MyL*=116(Y/Yn)1/3-16a*=500(X/Xn)1/3-(Y/Yn)1/3b*=200(Y/Yn)1/3-(Z/Zn)1/3X、Y、Z-试样的三刺激值XYZ（对2标准观察者）Xn,Yn,Zn-表示全反射漫射体的三刺激值XYZ（对2标准观察者）或X10Y10Z10（对10标准观察者）如果X/Xn，Y/Yn或Z/Zn小于0.008856，上列公式应按下述作变更：(X/Xn)1/3应换作7.787(X/Xn)+16/116(Y/Yn)1/3应换作7.787(Y/Yn)+16/116(Z/Zn)1/3应换作7.787(Z/Zn)+16/116从这些公式可以看出：My值与Y值有关，L值也与Y值有关。再简单一点说：My值与L值有关。而dM值我们看到与XYZ均有关系，也就是说，dM值与Lab或LCh均有关系。这样，就可以很简单地得出结论：L值越低，My值越高，黑度值也就越高。但事实是否是这样呢？那为什么还要这么麻烦地用My值来表示黑漆黑度呢？其实很简单：光泽的影响。My值与L值相关，与底色无关。高光泽提供一定光反射，会使L值明显升高。也就是说，当采用色差仪测试高光泽的底板时，入射的一部分光线在漆膜的表面被反射回来，而根本没来得及被碳黑颗粒所吸收，所以L值会比实际值偏高。如果采用普通的色差仪，很难排除光泽的影响。而当采用积分球式分光光度仪测试颜色时，也会存在这种现象。一般的分光光度仪可以选择是否包含光泽。而黑度计最终的测量结果应该排除了光泽的影响。有些朋友在论坛求助，希望得到黑漆的L值低于23，却怎么也做不到。这就与光泽的影响有关。通常来讲，分散得好的黑浆，光泽都较高，虽然排除光泽后的L值很低，但如果没有选择不包含光泽，其L值就比较高了。而分散得不好的黑浆，其光泽较低，但同时黑度也比较低，所以L值也很难低于23。有人碰到下列的例子：“同样是BYK-163，同样的配方条件，但一个是8%的碳黑用1%的分散剂，一个是6%的碳黑用6%的分散剂，结果前者的L值做的比后面的还漂亮”为什么？因为前者分散剂严重不足，碳黑没有分散好，颜料絮凝，所得的漆膜光泽低，所以测试出来的L值更接近实际的L值，而后面的配方颜料分散得很好，光泽很光，测试时由于入射光在漆膜表面反射而非吸收，反而得到的L值比前者要高。也就是说，如果你要求L值低于23，这是很容易做到的。做一个哑光碳黑，就可以了（注：并非简单的添加消光粉来实现，因为消光粉会明显导致黑度下降进而影响L值）。但这种要求是不合理的，普通的色差仪或未经调节的分光光度仪测试的L值都是包含光泽的。如果在光泽不一致的情况下比较L值，是没有意义的。说到碳黑的分散，首先要了解碳黑的特性，特别是表面化学。炭黑根据生产工艺的不同，表面呈现一定的酸碱特性。当碳与氧在400处理或者室温碳与氧化物接触时，生成酸性氧化物，当炭黑在1000的惰性气体或者真空环境热处理，可以释放出所有表面复合物，之后冷却至室温，并与氧气接触，则生成碱性表面氧化物。（大部分涂料用碳黑的表面都是经过氧化处理的）对于酸性炭黑，如图1所示（来自Evonik），可以看出，炭黑经过表面氧化处理后，表面增加了羧基、羟基、酯基、醌基酸酐、醚基等极性基团（参见图2，来源：Evonik）。这些表面极性基团对于分散很重要。为什么这么说？我们知道，分散是通过在颜料表面形成树脂或者高分子包裹层，从而使原先的颜料附聚体形成更稳定的小的附聚体，也就是说分散剂要发挥作用，必须和颜料表面有足够强度的亲和力或者作用力才能在颜料表面更强更稳定的吸附层，也就是包裹层；同时，颜料分散体系中的溶剂和树脂也会对颜料产生竞争吸附，分散剂还必须与颜料形成比树脂和溶剂更强的吸附才能发挥分散作用。分散剂很难与缺少表面极性基团的碳黑形成较强的作用力，但是经过表面处理的炭黑，分散剂的锚定基团就可以以各种化学键或范德华力与之形成强而有效的吸附作用。另外，要形成稳定的分散体系，还要有足够长的溶剂化链段，也就是分散剂要有合适的分子量，这样在涂料储存过程中，颜料颗粒才不会因为布朗运动产生的碰撞而重新絮凝成大的颗粒或者延长絮凝返粗产生的时间。不同表面化学特性的碳黑，所采用的分散剂型号略有差别。大部分对炭黑有较好分散和稳定作用的分散剂，组成中通常会有胺类官能基、酰胺官能基、羧基或者稠环结构等。胺类结构和酰胺类结构主要针对酸性炭黑，可形成强的吸附，而羧基和具有活性氢的胺类则针对碱性炭黑，稠环结构则不管炭黑酸碱性，都有一定作用，因为炭黑中含有大量的芳香环结构，两者可以形成较强的键作用力。实际的分散剂中的锚固基团有时不是一种官能基。以上海泰格聚合物技术有限公司的助剂为例：用于分散炭黑的并有较好效果的分散剂有Tech-5325（通过酰胺结构形成多点锚固），T