1、第五章 涂料生產(chǎn)和色漆的制備,涂料生產(chǎn)是把樹脂加入溶劑制成漆料，然后再用漆料配成清漆或色漆。 色漆是把顏料穩(wěn)定地分散于漆料中的涂料，是涂料中生產(chǎn)量最大、品種最多的產(chǎn)品。,標(biāo)準(zhǔn)配方,涂料的標(biāo)準(zhǔn)配方如上表所示， 列出實(shí)際生產(chǎn)的涂料中所含有的各個(gè)成分的配方就是涂料的標(biāo)準(zhǔn)配方。 在投入生產(chǎn)時(shí)，還需根據(jù)所選色漆生產(chǎn)工藝的不同，再擬訂一個(gè)生產(chǎn)配方。,5.2 顏料的分散及穩(wěn)定,為什么顏料要分散？ 大多數(shù)顏料是從水中沉淀制備出來(lái)的。在干燥期間，顏料粒子凝集膠結(jié)在一起，形成聚集體粉末。,顏料顆粒的粒徑通常為5nm1m。 聚集體是由幾萬(wàn)或幾十萬(wàn)這樣的顆粒組成，粒徑可達(dá)100m以上。 生產(chǎn)涂料時(shí)，需要把這些聚集體分

2、散成其原有粒度，制成穩(wěn)定的分散體。,顏料分散的過(guò)程,顏料的分散經(jīng)過(guò)：潤(rùn)濕、分散和穩(wěn)定。 （1）潤(rùn)濕 顏料表面的水分、空氣被漆料置換，并在顏料表面形成新包覆膜的過(guò)程，稱為潤(rùn)濕。,潤(rùn)濕時(shí)首先要求溶劑滲入顏料聚集體中去，這需要時(shí)間。 粘度大的漆料潤(rùn)濕聚集體內(nèi)部需要時(shí)間越長(zhǎng)。 潤(rùn)濕需要的時(shí)間要長(zhǎng)，漆料的粘度要低。,潤(rùn)濕方法： 預(yù)混合好的漆漿通常在攪拌下升溫到50后，靜置過(guò)夜。 次日，再進(jìn)行研磨分散，就能使顏料顆粒表面充分潤(rùn)濕。,（2）研磨與分散 顏料的顆粒大小是按規(guī)定要求生產(chǎn)的，但因形成聚集體，需重新分散開。 涂料中主要使用剪切力來(lái)分散。 剪切速度是由研磨設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)決定的。 剪切速度一定時(shí)，剪切力

3、和粘度成正比。,粘度高，剪切力大，對(duì)研磨有利的。 為了以最快速度分離聚集體，研磨料要調(diào)整到較高的黏度，盡量達(dá)到最大剪切應(yīng)力。,潤(rùn)濕時(shí)希望漆料的粘度低，而研磨時(shí)需要高粘度。 為滿足這兩個(gè)要求，可以多加顏料、少加聚合物。 研磨時(shí)對(duì)新生表面潤(rùn)濕速度須大于分離速度，否則，已分離的又重新聚集。,研磨是色漆生產(chǎn)中能量消耗最大的工序。每噸磁漆需要電能100500kWh。 高效研磨設(shè)備的要求： 研磨時(shí)間短； 漆漿能達(dá)到穩(wěn)定的分散狀態(tài)，顏料能發(fā)揮最佳性能。,2分散體系的穩(wěn)定,絮凝是顏料分散后的再聚集。絮凝的涂料當(dāng)受弱的外力作用時(shí)，顏料聚集體破裂；外力停止作用，聚集體立即或稍遲恢復(fù)原狀。 從兼顧涂料各個(gè)方面性能的

4、角度出發(fā)，希望涂料處于輕微的絮凝狀態(tài)。,分散穩(wěn)定的機(jī)理,顏料分散以后，仍有絮凝傾向，為此需要將已分散了的粒子保護(hù)起來(lái)，使分散體穩(wěn)定。 采用的機(jī)理為電荷相斥和熵相斥。,電荷相斥機(jī)理,水作介質(zhì)時(shí)，聚合物顆粒表面吸附陰離子表面活性劑。 親油的碳?xì)滏湺嗽诰酆衔锷先∠?，親水的鹽基團(tuán)在顆粒外圍，與水締合。 這樣，顆粒的表面就覆蓋陰離子。,陰離子外又締合著陽(yáng)離子。 這些陽(yáng)離子的行為猶如顆粒的一部分，又吸引陰離子，形成擴(kuò)散層。 當(dāng)兩個(gè)顆粒相互接近，陰離子的擴(kuò)散層相互排斥，就穩(wěn)定了分散體。,一些表面活性劑或無(wú)機(jī)分散劑（多磷酸鹽及羥基胺等），能使顏料表面帶上電荷，來(lái)穩(wěn)定顏料顆粒。 鹽影響擴(kuò)散層的穩(wěn)定性，在乳液聚合

5、中用去離子水。 水性分散體系主要靠電荷的穩(wěn)定作用。,熵相斥,熵相斥又稱位阻相斥和滲透相斥。 溶劑型涂料因?yàn)橛袡C(jī)溶劑的極性較弱，分散的顏料顆粒主要靠熵相斥來(lái)穩(wěn)定。,顏料表面吸附樹脂和溶劑，形成一個(gè)樹脂和溶劑的吸附層。 當(dāng)吸附層達(dá)到一定厚度 (大于89nm)時(shí)，它們相互之間的排斥力可保護(hù)顏料粒子不聚集。,當(dāng)兩個(gè)顆粒相互接近時(shí)，吸附層壓縮使體系的無(wú)規(guī)性減少。 溶劑在吸附層中本來(lái)是平衡的，將溶劑逐出也導(dǎo)致熵的降低。 抗拒熵的降低就導(dǎo)致兩個(gè)顆粒相斥，故稱之為熵相斥。,壓縮吸附層時(shí)，吸附層中的溶劑減少，而溶劑又有回復(fù)到平衡濃度的傾向，因此，稱為滲透相斥。 吸附層足夠厚，吸附層阻擋顆粒不能相互接近，以防絮凝

6、，故稱位阻相斥。,溶劑型涂料的穩(wěn)定作用,樹脂中的極性基團(tuán)（如COOH、OH等）吸附在顏料表面，形成大于一定厚度的吸附層時(shí)，才起穩(wěn)定作用。 樹脂帶大量極性基團(tuán)，吸附點(diǎn)太多，吸附層就薄。,極性基團(tuán)少，極性基團(tuán)間較長(zhǎng)的鏈段可以被溶劑溶脹，伸出顏料表面，吸附層就厚。 極性基團(tuán)間的鏈段與溶劑相互作用越強(qiáng)，吸附溶劑越多，吸附層就越厚。,樹脂分子量增大，吸附層就厚。樹脂中最高分子量組分是會(huì)被選擇吸附。 雙酚A環(huán)氧樹脂的MEK溶液中分散TiO2的吸附層厚度隨著環(huán)氧樹脂分子量的增大，可從7nm增大到25nm。,樹脂和溶劑在顏料表面吸附存在競(jìng)爭(zhēng)。 當(dāng)樹脂濃度足夠高時(shí)，吸附的是被溶劑溶脹的樹脂。 在較低濃度，樹脂和

7、溶劑都吸附，所以吸附層平均厚度不足以防止絮凝。,硝基纖維素、聚氨酯和酚氧樹脂（高分子量環(huán)氧樹脂）在磁性氧化鐵顏料上的吸附時(shí)，用甲苯作溶劑比四氫呋喃更有利。 四氫呋喃與顏料表面相互作用強(qiáng)而甲苯與樹脂的作用弱，影響樹脂吸附層的厚度。,大多常規(guī)溶劑型涂料用樹脂（常規(guī)醇酸、聚酯和熱固性丙烯酸樹脂）都能穩(wěn)定顏料分散體。 如果有穩(wěn)定問(wèn)題，就要使用高分子量的樹脂。 或在研磨料中使用羥基、酰氨基、羧酸基或其他極性基團(tuán)數(shù)更多的樹脂。,高固體分涂料因?yàn)榉肿恿枯^小，每個(gè)樹脂分子上的官能團(tuán)數(shù)目也較少，不能穩(wěn)定顏料，就需要使用有效的顏料分散劑。 最有效的分散劑是極性端有幾個(gè)官能團(tuán)，極性小的尾要足夠長(zhǎng)，使吸附層至少10n

8、m厚。,水性介質(zhì)中顏料的分散,無(wú)機(jī)顏料有高度的極性表面，水易潤(rùn)濕，但吸附的水層不抗絮凝。 大多數(shù)有機(jī)顏料需要用表面活性劑來(lái)潤(rùn)濕表面。 有些有機(jī)顏料用無(wú)機(jī)氧化物包覆。,水性介質(zhì)中分散穩(wěn)定的機(jī)理是電荷相斥。 分散體的穩(wěn)定性決定于pH值，因?yàn)閜H值影響顏料表面的電荷。,任何顏料、分散劑和水的組合都有一個(gè)表面電荷為零的pH，這pH值稱為等電點(diǎn)(iep)。 在等電點(diǎn)上無(wú)電荷相斥。 pH高于等電點(diǎn)，表面帶負(fù)電荷。 pH低于等電點(diǎn)，帶正電荷。,分散體的穩(wěn)定性在iep1個(gè)pH單位內(nèi)因表面帶電荷量太少而最差。 各種顏料的iep值不同。高嶺土為4.8，CaCO3為9，金紅石TiO2為5.75.8。,大多數(shù)乳膠漆配

9、方中含有幾種顏料和表面活性劑，而且各種顏料的iep不同。 采取的措施是： 幾種非離子表面活性劑常與陰離子表面活性劑配合使用，目的是形成吸附層，并且?guī)想姾伞?聚合型陰離子表面活性劑可強(qiáng)勁地吸附在顏料的極性表面。 非極性表面活性劑的中間部分可提高吸附層的厚度。 常加三聚磷酸鉀，可保證pH值處于所有顏料的iep以上。,工藝配方,顏料分散機(jī)械是涂料廠中最昂貴的機(jī)械，運(yùn)轉(zhuǎn)成本也最高。 單位時(shí)間內(nèi)要分散盡可能多的顏料。,溶劑的粘度低、潤(rùn)濕快，但不能穩(wěn)定分散體，不能防止顏料絮凝。 研磨料中必須含有樹脂(或超分散劑)。 為了能有最大的顏料含量，在穩(wěn)定的前提下，希望采用最稀的樹脂溶液濃度，即研磨漆漿的樹脂濃度

10、。, 制研磨漆漿 首先要確定研磨漆漿的組成 把顏料、部分漆料、需要在研磨漆漿中加入的助劑(如分散劑、濕潤(rùn)劑、防沉劑等)進(jìn)行預(yù)混合。 研磨分散制成研磨漆漿。,色漆制備過(guò)程, 調(diào)漆 向研磨漆漿中加入余下的漆料、溶劑和助劑，混合均勻后即色漆產(chǎn)品。 標(biāo)準(zhǔn)配方?jīng)Q定色漆產(chǎn)品的最終組成，但卻不能直接用它配制研磨漆漿。 只有工藝配方才是直接用于色漆生產(chǎn)的指令性技術(shù)文件。,5.3分散設(shè)備和工藝,現(xiàn)在研磨分散設(shè)備以砂磨機(jī)為主，與其配套的預(yù)混合設(shè)備為高速分散機(jī)。 預(yù)混合以混合為主，并起到粗分散的作用。,高速分散機(jī)的主軸下端裝有分散葉輪。 葉輪是鋸齒圓盤式。 葉輪高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行混合和分散。 葉輪的高速旋轉(zhuǎn)使攪拌槽內(nèi)的

11、漆漿呈現(xiàn)滾動(dòng)的環(huán)流，并產(chǎn)生很大的旋渦。,在葉輪邊緣2.55cm處，形成一個(gè)湍流區(qū)。 在這個(gè)區(qū)域中，顏料粒子受到較強(qiáng)的剪切和沖擊作用，使其很快分散到漆漿中。 在此區(qū)域之外，形成上、下兩個(gè)流束，使漆漿得到充分的循環(huán)和翻動(dòng)。,葉輪下部區(qū)域要達(dá)到層流狀態(tài)： 葉輪不能轉(zhuǎn)得太快，葉輪離底部應(yīng)有一定的距離。 要適當(dāng)提高漆漿的粘度（ 3Pas ）。 粘度越高，施加在聚集體上的剪切應(yīng)力越大，分散就越快。,初始階段，顏料還堆在漆料上面，采用低速進(jìn)行混合，然后再提高轉(zhuǎn)速。 分散階段大約需15分鐘。 降低速度后投入剩下的配方組分而調(diào)稀成漆。,高速分散機(jī)： 不需另行預(yù)混合，調(diào)稀成漆可在同一槽內(nèi)完成。 換色清洗也比較方便

12、。 缺點(diǎn)是施加在顏料聚集體上的剪切應(yīng)力較低，只能用于容易分離的顏料。,砂磨機(jī),最初研磨介質(zhì)用的是直徑約0.7mm的砂，故稱為砂磨機(jī)。 現(xiàn)在仍有用砂的，但常用的是粒徑13mm的玻璃珠。,經(jīng)預(yù)分散的漆漿從底部輸入。 啟動(dòng)砂磨機(jī)，分散盤高速旋轉(zhuǎn)。 靠近分散盤面的漆漿和玻璃珠隨著分散盤運(yùn)轉(zhuǎn)，拋向筒壁，又返回到中心區(qū)。,這時(shí)形成的湍流大體為雙環(huán)形滾動(dòng)方式，能產(chǎn)生良好的分散效果。 漆漿在上升過(guò)程中，多次回轉(zhuǎn)于兩個(gè)分散盤之間作高度湍流。 顏料粒子還受到高速玻璃珠的剪切和沖擊作用，分散在漆料中。,分散后的漆漿通過(guò)篩網(wǎng)從出口溢出，玻璃珠則被篩網(wǎng)截留。 漆漿在砂磨機(jī)中受到分散盤和砂子的激烈攪拌會(huì)引起溫度升高，需用

13、冷卻水夾套冷卻。,砂磨機(jī)的效率高的原因： 研磨介質(zhì)速度很高，相互之間的碰撞、摩擦，能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊和剪切作用。 研磨介質(zhì)直徑很小(常用13mm)，數(shù)量多，它們互相碰撞的接觸點(diǎn)很多。,分散程度評(píng)估,評(píng)價(jià)分散程度是用于建立標(biāo)準(zhǔn)配方、最佳操作方法和品質(zhì)控制的關(guān)鍵。 評(píng)估分散程度要看聚集體分離是否完全，分離后是否絮凝。 比較著色力白色和有色顏料比較分散程度的方法。,方法：對(duì)白色分散體。 稱出少量待測(cè)樣品分散體與少量標(biāo)準(zhǔn)有色分散體，如藍(lán)色，進(jìn)行混合， 同時(shí)，以相同比例把標(biāo)準(zhǔn)白色分散體和該標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)混合。 把這兩個(gè)著色樣品相鄰放置在白紙上。,用刮刀一起下刮，比較二者的顏色。 待測(cè)樣品混合后比標(biāo)準(zhǔn)白色混合后的

14、顏色深，則待測(cè)樣品的著色力低，意味著分散程度不好。 待測(cè)的為有色分散體，只是與標(biāo)準(zhǔn)白混合比較。,金屬色涂料是在玻璃板上并排刮。 目測(cè)或儀器測(cè)評(píng)估霧影，或與要求標(biāo)準(zhǔn)的差別。 檢驗(yàn)絮凝 將待測(cè)的著色漿流涂在鐵板上，用食指輕刮。,顏色有變化，表明分散體己絮凝。 一個(gè)白藍(lán)顏料的混合物，被刮處變得更藍(lán)，則藍(lán)顏料已絮凝； 變得更淺，則白顏料已絮凝。,絮凝也可從分散體的流動(dòng)來(lái)檢測(cè)。 良好穩(wěn)定的分散體，流動(dòng)是牛頓型的。 涂料中不含觸變性成分，如果剪切變稀，則發(fā)生絮凝。,離心沉降法評(píng)估顏料分散 沉降速度決定于顏料顆粒大小、分散相與分散介質(zhì)的密度差。 分散好、穩(wěn)定好的體系沉降慢；完全沉降后，沉降物量少。,分散好而

15、穩(wěn)定差的分散體沉降快；沉降物龐大。 絮凝物沉降較快，包著連續(xù)相，形成龐大的沉降物。 絮凝沉降物攪拌后，與未絮凝的相比，更易恢復(fù)到均勻的懸浮狀態(tài)。,顏料沉降速度較快，或離心成結(jié)實(shí)的一層沉淀，是分離未完全。 聚集體大，沉降更快。 產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品品質(zhì)控制，離心沉降能夠給出定性或半定量的信息。,研究時(shí)，需測(cè)定量數(shù)據(jù)，從離心速度計(jì)算絮凝程度。 用顯微鏡也可檢驗(yàn)分散體，但需注意樣品的制備過(guò)程。 使用溶劑稀釋樣品時(shí)，有可能發(fā)生絮凝，不一定是顏料造成的絮凝。,絮凝梯度技術(shù) 液態(tài)和干漆膜中顏料分散程度定量研究的方法。 顆粒對(duì)長(zhǎng)波光的散射比可見光更強(qiáng)。 用2500nm紅外光測(cè)定干漆膜的散射程度與膜厚的關(guān)系。,散射

16、對(duì)漆膜厚度作圖，給出一直線。直線斜率隨絮凝的增大而增大。 紅外反射測(cè)定法也可用于測(cè)定液態(tài)分散體樣品的絮凝程度。 刮板細(xì)度計(jì) 涂料工業(yè)中最廣泛應(yīng)用。,將分散體樣品放在板的零讀數(shù)之前，用刮刀往下刮。 舉起板，然后觀察溝槽中出現(xiàn)顯著斑點(diǎn)的位置，最先出現(xiàn)斑點(diǎn)的溝槽深度表示涂料細(xì)度。 據(jù)稱讀數(shù)越大，分散“越好”。無(wú)法測(cè)定分散程度。,首先，完全不能測(cè)出絮凝，在刮下時(shí)已破碎了任何絮凝。 其次，分散好的顏料顆粒比細(xì)度計(jì)槽深要小得多。 一個(gè)涂料的總顏料含量中，僅有約0.1TiO2分散體不能通過(guò)細(xì)度計(jì)。,刮板細(xì)度計(jì)能表明大顏料聚集體是否破碎，是否有雜物顆粒存在。 測(cè)試快速，約需半分鐘。 得到的數(shù)值并無(wú)意義，不能用來(lái)評(píng)估分散。,練習(xí) P130,1、2、5、7 一個(gè)氨基漆配方（質(zhì)量%）為： 鈦白 25 44%油度豆油醇酸樹脂（50%） 56.5 高醚化度三聚氰胺甲醛樹脂（60%） 12.4 1%甲基硅油溶液 0.3 丁醇 3 二甲苯 2.8 （注：括號(hào)內(nèi)為溶液濃度，醇酸樹脂的溶劑為二甲苯，蜜胺樹脂的為丁醇。）根據(jù)提供的條件，分析回答： （1）根據(jù)涂料的四個(gè)組成部分，把該配方中的物質(zhì)