第九章色漆生产工艺课件.ppt

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1、第九章 颜料分散与色漆生产,色漆制备过程：配料预分散研磨分散调合调色(配色) 过滤包装9.1 颜料分散过程9.2 分散体的稳定9.3 表面活性剂的作用9.4 聚合物的保护作用与丹尼尔点9.5 分散设备9.6 制备工艺9.7 色漆生产质量控制,颜料的分散过程有三个过程：润湿、分散和稳定。1.润湿 颜料表面的水分、空气为溶剂（漆料）所置换称为润湿。溶剂型漆的润湿一般容易进行，因为溶剂(漆料)的表面张一般总是低于颜料的表面张力的。但是润湿也要有一个过程，特别是因为颜料是一个聚集体，溶剂需要流入颜料的空隙。当溶剂粘度低时，润湿的速度可以很快。要注意加颜料和溶剂的顺序，要先加溶剂后加颜料。在水性漆中，由

2、于水的表面张力较高，对于有机颜料的润湿便有困难，需要加润湿剂以降低水的表面张力。,9.1 颜料的分散过程,一个稳定的颜料分散体，应该在存放时不致发生下列三种现象。（1）颜料发生沉降；（2）颜料发生过分的絮凝，以致损害流变性和漆膜的表观；（3）由于颜料与介质间的物理或化学作用导致体系粘度增加。9.2.1颜料的沉降,9.2分散体的稳定作用,Stoke公式可以描述球形粒子在液体介质中沉降的速度。r为粒子半径，1为粒子密度，2为液体密度，为液体粘度，g为重力加速度。尽管颜料的沉降并不完全符合该公式的要求，但可作为讨论的基础。,（1）当颜料吸附有低分子量聚合物或表面活性剂时，粒子的直径会 ，沉降 。但同

3、时粒子的密度，沉降 ，后一种明显。高分子量聚合物时，粒子吸附层更厚，可使沉降速度加快，但因为厚的吸附层密度低且具有很好的空间保护效应，防止了絮凝，因此可防止沉降，即使有沉降，沉降层很疏松，不致有严重絮凝聚集，经搅拌易于恢复分散状态。 防止比重大的颜料沉降的一个方法，便是用表面活性剂处理，如第八章中介绍的硬脂酸处理的碳酸钙。（2）防止沉降的另一个方法是增加介质粘度，这可利用涂料的“触变性”取得，即当涂料放置时，粘度很高，可成冻胶状。为了使涂料有触变性可在涂料中加入触变剂或增稠剂，在溶剂型涂料中主要有氧化蓖麻油，有机膨润土(蒙脱土)和醇铝等。,9.2.2颜料的絮凝,颜料的粒子在介质中不断的进行布朗

4、运动，亦即热运动，每个粒子具有一定的动能,粒子和粒子间不断发生碰撞，如果粒子的动能可克服粒子间的斥力便可导致相互密切的接触，从而产生絮凝。对未稳定的分散体系絮凝的速度(以粒子数的半衰期表示)可用下式表示：,式中，t1/2为粒子数的半衰期，即粒子数减半所需的时间，为介质粘度，k为波兹曼常数；T为温度；kT为粒子的平均动能。n0为起始的粒子数。由式中可以看到，提高粘度可减少絮凝。但实际上，单靠提高粘度并不足以稳定涂料中的分散体，重要的途径是防止粒子碰撞过程中的互相接触。,颜料粒子相互接近时通常有三个主要作用力：色散力、静电力和空间阻力。(1) 色散力是吸引力；(2) 静电力可以是吸引力也可以是排斥

5、力，在涂料分散体中主要是排斥力；(3) 空间阻力总是排斥力。这些力的总效应决定吸引或排斥谁占优势，也即决定分散体系是否稳定。分为两种情况：(1)在水分散体系中通常可以加入表面活性剂或电解质(如多聚磷酸钠或聚丙烯酸铵)使粒子表面形成厚的双电层，这样可使粒子间发生较大的排斥力，防止絮凝。(2)在有机介质中不易形成双电层。在有机介质中，粒子表面吸附的长链聚合物或表面活性剂主要起空间阻碍作用，它们防止粒子接近到范德华引力起作用的范围。,利用空间阻碍防止絮凝的效应和所用的聚合物或表面活性剂及溶剂等有关，吸附层愈厚，分散体系愈稳定。有关聚合物结构的影响介绍如下：(1)分子量：愈大，吸附层愈厚。(2)聚合物

6、中的极性基团：不要连续排列，而要有一定间隔，这样才能形成稳定的厚的保护层。例如高水解度的聚乙烯醇，它的羟基连续分布，因此的分子是平伏在颜料上的，吸附层很薄。如果聚合物分子中只含部分羟基则不同，它在颜料表面形成线团状分布，其空间为溶剂所充满，平均吸附层可很厚。,一般生产中用来做悬浮剂的聚乙烯醇的规格为：平均聚合度为：17002000；平均醇解度为75%89%。,(3)溶剂： 良溶剂中粒子吸附的聚合物量小，密度低，而不良溶剂中粒子上吸附的聚合物密度高，吸附量大。其原因是良溶剂中溶剂分子和吸附的聚合物相容性好，聚合物脱附容易，而且由于分子舒展，占有的吸附面积也大。 因此在不良溶剂中颜料分散体比较稳定

7、。如果在分散颜料时使用不良溶剂，在调稀时用良溶剂可导致絮凝，但相反则可防絮凝。,9.2.3贮存时粘度上升 如前所述，涂料贮存时，粘度上升的原因主要是存放时发生了物理和化学的变化，特别是颜料间的絮凝。主要原因如下：(1)粒子的聚合物吸附层中，低分子量的聚合物所占比例，例如醇酸树脂涂料，由于低分子量的醇酸树脂具有相对多的极性基团，如羰基、羟基等，因此特别容易被吸附。低分子的聚合物通常被看作是一种增塑剂或溶剂。内相中低分子量部分，外相中高分子量部分越来越多，导致粘度 。(2)酸性介质和碱性颜料(如氧化锌)间的化学反应，粘度可逐渐增至凝胶。(3)金属颜料(如铝粉)与酸性介质间的反应，这种反应也导致凝胶

8、。(4)多聚磷酸盐M2n+2PnO3n+1(M为一价金属离子，n3)不但可作为水性涂料的分散剂，也可作为多价金属(如Ca等)的螯合剂，但它易水解为正磷酸盐，失去螫合作用而变成絮凝剂。,9.3表面活性剂的作用表面活性剂在颜料分散中的主要用途有如下几个方面；(1)润湿作用：主要是因为表面活性剂可以降低介质的表面张力和介质与颜料间的界面张力。(2)稳定作用：增加乳胶粒子和颜料在涂料中的分散稳定性。,(3)挤水颜料：一般颜料都是由水一颜料体系经过干燥粉碎后得到的。在转变为粉末过程中，粒子会严重的聚集。 在溶剂型涂料制备中，固体颜料要在油中再次研磨分散。为了免除干燥和粉碎，可直接将水一颜料体系中的颜料转

9、移到油中，这不仅可节约能量，而且由于水一颜料体系中颜料凝聚力很弱，直接将颜料由水相转至油相，研磨比较容易。为了完成这种转移，需要用溶于油的表面活性剂处理水中颜料，这样可使颜料具有疏水性从而进入油相。,9.4聚合物的保护作用与丹尼尔点 聚合物在颜料分散中吸附于表面起到熵保护作用。但要控制好用量。 (1)过量会使分散效率降低而且颜料分散稳定件也并不一定好。因为颜料表面优先吸附分子量较低的聚合物，但分子量较低的聚合物稳定作用不好。 (2) 另外，聚合物浓度过高，不利于润湿。在颜料分散时，希望多加颜料，但聚合物浓度过低也起不到保护作用。如何决定聚合物的含量这个关键参数呢？,可以采用丹尼尔点的方法。 配

10、制一系列不同浓度的树脂溶液，取一定的颜料，然后滴加配好的溶液，同时进行研磨，使达到一定的粘度。测出规定粘度下溶液与颜料之比值，作图，所得曲线之最低点为丹尼尔点，该点的溶液浓度为最佳树脂浓度。可用门尼公式解释。,整个体系的粘度最低，颜料含量最高。,9.5 色漆的制备,色漆制备过程：配料预分散研磨分散调合调色(配色) 过滤包装,1.配料 material preparation配料要分二次完成。首先按一定的颜料/基料/溶剂比例配研磨颜料浆(pigment paste简称色浆)，使之有最佳的研磨效率；在分散以后，再根据色漆配方补足其余非颜料组分。色浆料的称取要力求准确，特别是称取着色力强、用量少的颜

11、料分时，称量误差易造成随后调色上的麻烦。另外，偏离了最佳配比的色浆料，即使偏离幅度并不大，都可能造成研磨分散效率的极大下降。,2.预分散 pre-dispersion process混合预分散常采用高速分散机，在低速搅拌下，逐渐将颜料加于基料中混合均匀。当圆盘周边速率达到21m/s以上时，易分散颜料只需10分钟左右，便可微细地分散于基料中。对于难分散颜料(大颜料粒子、硬附聚体)，在高速下分散几分钟，只能将大的附聚粒子初步破碎，使附聚粒子的内部表面更多地展现于基料中而被润湿,要微细分散还需研磨。所以用高速分散机进行的混合过程，我们也称之预分散。预分散使得砂磨能正常生产，分散细度可满足要求。,40

12、00-5000rpm，圆周线速度达到2000cm/s以上。,3.研磨分散 dispersion process研磨设备: 砂磨机、球磨机，三辊机，二辊机和胶体磨。 通常采用砂磨（pebble mills）。 砂磨分散是种精细研磨，对中、小附聚粒子的破碎很有效，但对大的附聚粒子不起作用。故送入砂磨的色浆必须经高速分散机预分散。砂磨珠粒直径一般在1mm左右。粒径越小，研磨接触点越多，只要对一定粘度的研磨料它有足够的分散能的话，越细分散效果越好，只要不妨碍色浆过滤。由于砂磨粒子较小，对于膨胀性研磨料(高浓颜料浆)，粒子的分散能被增加的粘滞阻力抵消，研磨分散效果很差，这对球磨机也是一样的，此时应换用三

13、辊机分散。,立式砂磨机,砂磨研磨料的粘度一般在315P之间。砂磨机应采取夹套水冷却来控制研磨温度。因为研磨时产生的热量使温度不断上升，过高的温度会影响漆料的性质并造成大量溶剂挥发损失，易引起质量与安全事故。但保持一定的研磨温度对提高研磨效率又非常重要，因此，在允许范围内研磨温度应采取高限。这有利于降低漆料中颜料与基料的界面张力，有助于对颜料的充分润湿；另外，较高的温度使研磨浆粘度降低，从而提高物料的流动性，加速砂粒与研磨浆中颜料粒子的剪切作用，有助于研磨浆的充分分散。,砂磨时，珠粒子与研磨料的体积比为11时，分散效果最好。珠粒过多，则它们处于拥挤状态，珠粒之间的剪切力大大降低，影响分散；拥挤的

14、珠粒还造成磨盘的过度磨损。珠粒太少，珠粒间距离加大，造成施加于颜料附聚粒子上的剪切作用过分丧失(例如，附聚粒子为2080m，若珠粒间平均距离由60m增至120m，分散效果很差)。砂磨机有立式和卧式、分批生产和连续生产之分，也有小型和大型之分。生产量大时宜采用大型砂磨机，因砂磨机的功耗与砂磨机容积的平方根成正比。例如，60升的砂磨机功耗仅是15升的2倍。,当珠粒尺寸大于5mm时，常把它用作球磨 ball mills的研磨介质。球磨没有搅拌盘，仅采用同一大小的瓷球，或采用粒径较小的钢球(1.5mm30mm)。由于瓷球较大，有时人们会将较小的瓷球加到大球中去来提高分散度，但实际上大球会加剧小球的磨损

15、。因此，从分散度考虑，完全可以全部采用小球，或采用密度更大的较小钢球来产生更大的分散力。球磨机装球量一般为其容积的1/3 1/2。1/2装球量有最佳分散效率，在其上下，研磨产量都减少。低至1/3装球量可加入更大体积的研磨料，但产量约减少10%。研磨料的加入量以正好把球全部盖住为宜。,在装球量50%时，球实际占有体积为30%，研磨料体积为20%，最多再过量5%。在研磨料加量25%时，球磨时间大约需要8h；若研磨料增加一倍(45%50%)，球磨时间需要一昼夜(增加2倍)。大型球磨机的球磨时间则比小型的要短。,球磨机相对于砂磨机的优势在于：对于硬而粗的大附聚粒子，它最终都能达到很高的分散度，故球磨前

16、可以不需要预分散。但预分散明显地可节省75%80%球磨时间。另外，球磨色浆一般仅是成品色漆的1/5 1/8(砂磨为1/2 1/3)，密封操作又避免了溶剂的挥发损失。但球磨时间往往很长，有时出料还会造成困难。生产的机动灵活性差，且实际生产效率并非很高，因而，采用球磨生产的比例在不断地下降。,三辊机溶剂应用低挥发性三辊机主要用以分散由溶剂含量在30%以下的高固体分基料和较高比例颜料分组成的高粘度(20100P)研磨料；送入三辊机的研磨料必须经强劲有力的拌合机或捏和机预混合(这类拌和机也适用于制备厚浆形腻子产品)。预混合以后，在三辊机上研磨34遍，细度也仅5-10m左右。,胶体磨它是种精细分散设备，

17、也可以制备高质量的微细颜料分散体。,胶体磨的生产率与间隙尺寸有很大关系，可调间隙范围在25m3mm之间，一般调至50m75m，平均粒径可低至2m3m。但进胶体磨的研磨料必须预分散。胶体磨的生产能力，从小型到大型，最低为100L/h，最高可达5600L/h,研磨终点的判断,工业 上常用细度板来判断研磨终点。,细度板上细度并不代表涂料中颜料的真实分散情况。分散的好坏可用遮盖力和着色强度来表示。白浆看遮盖力，色浆看着色强度。,4.调制色漆 mixing and color-matching process 在搅拌下，将色漆（pigmented paint）剩余组分加入色浆 中，并调色和调整到合适粘度。 用纯溶剂或高浓度的漆料调稀色浆时，容易发生絮凝。 其原因在于纯溶剂可提取色浆中的聚合物，而高浓度漆料可 提取溶剂。 同样也不宜用纯溶剂清洗研磨或其它容器，可能导致絮凝而使清洗更加困难。,5过滤、包装 filtration and canning process 底漆采用120目过滤；面漆用180目过滤，或先120目过滤、再用180目过滤，提高过滤效率。对于金属闪光漆，由于铝粉有一定颗粒度，采用40m滤芯过滤，并使过滤机处于循环状态，用循环阀调节过滤机压力，使过滤机压力稳定在1.01.5Pa。,