炭黑研磨分散方案的优化

李志祯，叶剑均

（1.金华职业技术学院，浙江 金华 321007；2.浙江环球制漆集团，浙江 金华 321000）

炭黑具有极高的遮盖力、着色力、耐光性和耐候性，作为主要的黑色颜料广泛应用于涂料工业生产中。然而，由于炭黑颗粒间的极强聚集性、高吸油量[1]，色素炭黑的分散在色漆所用颜料中最为困难。在制浆过程中容易产生粘度剧增、颗粒返粗等不良现象，致使色浆的品质降低[2-3]。因此，炭黑在研磨过程中需要添加适合的分散助剂来保证其分散效果。

传统的分散剂易从粒子表面上解吸，从而导致被分散的粒子重新聚集或沉淀，其体系的长期稳定性欠佳，对漆膜外观、硬度及耐老化等性质存在不利影响。高分子分散剂是指分子质量在数千以上的具有表面活性的高分子化合物，本质上属于表面活性剂；高分子分散剂对颜料的分散有显著效果，尤其在润湿性、稳定性等方面有较大的作用，能较大改善颜料的应用性能，高分子分散剂是新一代的高效分散剂[4]。代表产品有美国Danine Products Co.公司推出的Disperse-AYD系列的W-22、W-28；德国毕克化学公司推出的高分子嵌段共聚物Disperse BYK-163；荷兰EFKA化学公司推出的EFKA-5044/5244、EFKA-5064/5066、EFKA-4046/4047 系列产品等，以及国内相关研究的聚丙烯酰胺-丙烯酸-二甲基二烯丙基氯化铵两性型高分子分散剂、丙烯酰氨共聚物分散剂 、聚乙烯吡咯烷酮分散剂等。

本文以黑醇酸氨基漆为最终制备成品。结合炭黑的结构、表面化学性质以及絮凝机理[5]，采用不同结构类型的高分子润湿分散剂进行炭黑研磨分散对比试验，对其成品性能进行检测，从中筛选出适宜的分散剂类型。

1 实验部分

1.1 实验原材料

实验用材料见表1。

表1 实验原材料

1.2 实验仪器

KSM-2小砂磨机、单相感应电动机、单相串激电动机、JSF-400搅拌砂磨分散多用机、52101-1型鼓风电热恒温干烘箱、电子天平、刮板细度计、涂-4杯、硬度仪、光泽仪。

2 黑醇酸氨基漆的制备方案

2.1 浆料的制备

黑浆制备配方方案见表2。

按照配方称取相应重量的二甲苯、膨润土、醇酸树脂投入到容器罐中，然后加入各分散剂并注明分散剂类型，在低速搅拌的条件下，称取炭黑投入其中，然后在2000 r/min的条件下进行高速分散，30 min后，用细度板检测漆浆细度，直到漆浆达到符合规定的细度(小于15 μm)，停止分散。

2.2 色漆的制备

黑漆制备配方方案见表3。

先将醇酸树脂、氨基树脂、助剂（异丁醇、对甲苯磺酸）按配方量混匀，然后分别加入相对应的黑浆，再在2000 r/min的条件下进行高速分散，30 min后，转换砂磨机研磨，研磨过程中用细度板检测漆浆细度，直到漆浆达到符合规定的细度 (小于20 μm)，停止研磨。

2.3 技术指标

色漆涂膜各项性能的检测方法及性能指标见表4。

表2 黑浆制备方案 %

表3 色漆制备方案 %

表4 涂膜的各项性能测试结果

3 结果与讨论

3.1 不同分散剂对黑漆浆分散性及储存性能的影响

不同分散剂对黑浆研磨时间和储存情况的测试，测试结果见表5。

表5 黑浆研磨结果和储存情况

可以看出：添加分散剂A组黑浆在储存稳定性和细度返粗方面效果很差，研磨效率方面也没有优势；B组具有良好的稳定性，但是色浆返粗情况比较严重；C组的储存稳定性和研磨效率也不太理想；D组的研磨效果和储存稳定性均欠佳。E组、F组储存稳定性较好和细度返粗现象也不明显，且研磨效率高；可见分散剂E、F对于增进颜料润湿分散、缩短研磨时间、稳定颜料分散剂均有良好的效果。

3.2 不同分散剂对色漆性能的影响

3.2.1 不同分散剂对色漆储存性能的影响

将2.2项中制备的色漆稀释到一定黏度，放入50℃烘箱进行加速稳定试验，试验时间为20天，每隔10天对样品体系进行一次黏度测定，数据如表6所示。

表6 色漆加速稳定试验结果对比

从几个黏度比值可以看出：色漆D、E、F的防增稠情况最好，三者差别不大，B、C略差，A最差；细度比较方面，色漆E、F的细度没什么变化，效果最好，C、D细度有所增加，A、B增加幅度较大，这个结果与3.1中黑浆储存半年后的细度变化情况基本一致。

3.2.2 不同分散剂对色漆外观的影响

将2.2项制备的色漆在常温下静置15天，观察浮色发花情况，结果见表7。

表7 色漆浮色发花情况

可以看出：A、B、C、E、F 对防止颜料的浮色发花都很有效，D无效。综合上述试验结果，分散剂E、F与炭黑配伍性最佳，分散效果好。

根据絮凝机理，炭黑粒子利用粒子间的电磁力、静电力和空间阻力达到独立分散，综合分析其原因[6-8]：

分散剂A和分散剂C主要是依靠增加炭黑粒子间空间阻力来达到稳定分散。分散剂A中的阴离子能够使与炭黑中的C-H作用，使颜料形成一种很强的絮凝分散状态，形成一定空间阻力；分散剂C则由于其吸附基较多，可在炭黑粒子表面形成较厚的吸附层，形成空间稳定效应。两者都起到较好的防止浮色发花的作用，但是长期存放时易增稠，返粗现象明显，稳定性差。

聚电解质类分散剂B主要是依靠增加炭黑粒子间静电斥力。分散剂中带电粒子吸附在炭黑粒子表面时，吸引溶液中的反离子，形成双电层，产生较强的粒子间静电斥力从而使分散粒子稳定，起到较好的防止浮色发花的作用，但其受溶液中离子强度影响较大，返粗现象明显。

炭黑粒子带有一定水分，除去或减少其中的水分有利于保持炭黑粒子的双电层厚度。因此分散剂E作为两亲活性基团的高分子粒子，除对炭黑具有较强的吸附作用，形成良好的空间位阻效应，还可吸附炭黑粒子所带水分，增大了炭黑粒子的双电层，进一步使炭黑获得较好的分散效果。分散剂F含羧基较多，极性很强，可形成较强的空间阻力和静电斥力，因而分散效果、防浮色效果也很好。

然而，嵌段共聚物作为一种特殊的线性共聚物，其结构稳定，因此分散剂D即不会与炭黑发生良好吸附，也无法促进炭黑粒子间的静电吸引力的增加，因而效果不佳，尤其防浮色效果差。

3.3 分散剂用量对黑漆浆分散性及储存性能的影响

炭黑表面多呈酸性，其与高分子化合物的吸附符合路易士酸/碱吸附理论，即酸性颜料表面能吸附碱性高分子化合物，碱性颜料表面能吸附酸性高分子化合物[1]。因此以pH=7～8为试验环境，选用分散剂E，其他组分添加量不变，对应调整二甲苯的量，考察分散剂用量对炭黑研磨分散效果的影响，结果见表8。

从结果可以看出，添加量为0.4%和1.6%，色浆返粗现象严重，储存稳定性较差，出现沉淀；添加量在0.6%和1.4%时，色浆略有返粗，但已达到较好的研磨分散效果；添加量在0.8%～1.2%时分散效果，储存稳定性最好。这是由于分散剂浓度低时，颜料对其为选择吸附，在颜料表面形成的吸附层厚度不足，无法与邻近粒子形成空间阻碍，无法稳定分散；浓度高时，吸附选择发生转移，从而使颜料表面吸附降低，另外，若表面活性剂添加量过多，还有可能产生双重吸附层，产生副作用。因此该试验中最适宜的添加量为0.8%～1.2%，加之从产品成本考虑，选择添加量为0.8%最佳。

表8 黑浆研磨结果和储存情况

4 结论

本文经对比试验得出如下结论：

（1）用带有两亲活性基团的高分子量嵌段封闭共聚物和不饱和多元羧酸的多元胺聚酰胺结构的炭黑润湿分散剂能够使炭黑在研磨过程中产生较强的粒子间作用力，克服炭黑絮凝，产生良好的分散效果。

（2）选用带有两亲活性基团的高分子量嵌段封闭共聚物为分散剂，添加量为0.8%～1.2%时可以达到较好的分散效果及储存稳定性。

[1]朱万强.炭黑研磨分散工艺的研究[J].涂料工业，1999（2）：16-17.

[2]冯征宇，陈爱平，钱军，等.中性墨水用碳黑色浆的分散稳定性[J].过程工程学报，2007，7（4）：796-801.

[3]王奇坤，孟凡瑞.炭黑的性能及在塑料中的应用[J].黑龙江石油化工，1997（3）：17-20.

[4]张方志，李元杰，王峰，等.水性涂料用高分子分散剂的研究进展[J].科学之友，2010（2）：1-3.

[5]唐聪明，徐卡秋，胡浩.炭黑在水性体系中的分散[J].天然气化工，2003，28（1）：36-41.

[6]张翠荣.高分子分散剂结构对分散性的影响[J].化学工程师，2005（6）：6-9.

[7]张卫红，龙复.水性涂料用聚合物分散剂新进展[J].涂料工业，1997（2）：37-39.

[8]沈球旺.色素炭黑润湿分散剂的选择[J].中国涂料，2008，23(1)：49-52.