无机色素|理化性质 - 2022年世界杯分组表

无机颜料作为填料发挥双重作用，比配方的简单着色提供更大的好处;它们还会在应用过程中和整个产品生命周期中影响薄膜的物理性能。涂料中的颜料保护树脂和粘合剂免受电磁或热降解，因为它们对短波红外辐射的反射，这也有助于保持含有所述颜料的材料的冷却。¹

我们为什么要使用颜料

在我们能够理解分散含有颜料的材料的最佳实践之前，重要的是要了解颜料是什么，以及我们使用颜料的化学和物理原因。无机颜料是过渡金属配合物，²主要是陶瓷晶格结构的晶体或半晶体重复单元的氧化物。

金属离子的d轨道决定了无机颜料的多种特性，包括颜色、反应性、强度(如莫氏硬度)和耐候性。颜料是独特的填料，因为它们是由配体(官能团)包围的过渡金属组成。金属离子的d轨道与它所结合的各种配体相互作用的方式也会影响颜料的性质;配体取代导致色素特性的改变。

有趣的是，涂层中使用的颜料的金属离子配体配合物的功能(也就是说，提供可见的输出颜色)很像光合色素中的光收集配合物。从斯塔克-爱因斯坦定律出发，我们将进行一个完整的循环。该定律指出，一个被吸收的光子将在系统内启动一个主要的化学或物理反应。^3.对于涂层颜料，这意味着过渡金属的d轨道受到激发;这种激发增加能隙的程度决定了材料的相应感知颜色。例如，过渡金属钒可以形成四种不同电离态的络合物(即V^{2 +}, V^{3 +}, V^{4 +}, V^{5 +})，提供从紫色(V^{2 +})变成黄色(V^{5 +}）.⁴

Jochen Winkler在《分散颜料和填充物》中说:“颜料团块是由伦敦-范德华相互作用结合在一起的。至少需要十倍的能量来破坏化学键，而不是物理键。”⁵

也就是说，将团聚体还原为团聚体所需的能量是将团聚体还原为初级粒子的十分之一;聚集体是化学结合的。表面活性剂与聚集体/初级颗粒物理结合，并通过破坏伦敦-范德华力来防止颜料团聚体的重组。必须指出的是，粒子的几何形状在一定距离内这些力的感觉程度上起着一定的作用。表面缺陷和纵横比导致表面积与体积比的增加，这需要比简单球体更大的范德华引力;几何结构导致机械联锁的概率也增加了。

了解分散

色散是一个趋向于增加系统熵的物理过程。一个不稳定的分散体将趋向于絮凝;一种减少系统潜在构象数的状态(即减少熵或随机性)。这主要是由于分散粒子的随机布朗运动，它们通过短程伦敦-范德华力被吸引(即倾向于凝聚)。

为了充分分散，液体的表面张力必须小于颜料(和其他固体，如填料)的表面自由能。如果一种特定的溶剂、树脂或其他液体要与一种不具有亲和力的固体一起使用——也就是说，它难以合并和润湿——则使用表面活性剂来减轻脱湿和防止絮凝体的形成。

分散颜料(或任何固体，就此而言)的一个关键要求是固体比它被引入的液体具有更高的表面张力。对于表面张力极低的固体，可以添加添加剂来降低液体成分的表面张力，从而改善润湿特性。这一现象由杨氏方程说明:⁶

γ_年代=γ_sl+γ_l* cosθ

地点:

γ_年代固体的自由表面能

γ_sl=固体和固体之间的界面能
液相

γ_l=液相表面张力

θ =固液相接触角

θ越小，颜料越容易湿润。这假设了一个固体粘结剂组织系统;通常情况下，系统中还存在额外的液体或可溶解固体，以协助分散和防止絮凝。在这种情况下，由于这些材料在颜料-基质界面(换句话说，即边界表面)产生了额外的相互作用，控制方程就不是那么简单了(图1)。为了确定分散的实际性质，现在必须考虑两个界面:固体吸附(颜料-边界表面)和边界表面-基质(溶胶-凝胶-液体)相互作用。

这些分子间作用力可以通过添加表面活性添加剂来克服，表面活性添加剂可以通过电荷稳定来静电防止絮凝，或者通过空间(熵)稳定来物理上阻碍色素的运动并防止重新团聚。

必须对体系做足够的功(能量)，以确保(1)颜料粉末被溶剂/树脂完全浸湿，(2)团聚体被还原为团聚体和初级颗粒，(3)表面活性剂被加入并均质，使体系达到能量稳定的平衡，不利于絮凝或沉降。⁵

干颜料粉末可以通过表面涂料进行改性，为最终产品提供特定的特性，或提高制造含有它们的涂料的便便性。例如，二氧化钛可以涂上聚硅氧烷(通常是硅油)来改变颜料的抗压强度和可压缩性。⁵

为了使颜料分散，所选表面处理的哈梅克常数应优化到完整的配方。低哈梅克常数表面处理将产生低团聚强度的分散。然而，当不进行搅拌并让其静置一段时间时，它将倾向于急剧絮凝(简单的搅拌将使颗粒重新悬浮)。较高的Hamaker常数表面处理将提供“良好的胶体化学性质”，但必须在较高的负载下使用，以确保“良好的分散性”。⁵

今天的涂料制造商的现代颜料有特定的颗粒尺寸和紧密度范围;减小粒径(即切断化学键)并不是颜料分散的主要目标，而是降解由原始粒径减小后的残余水分松散结合的颜料颗粒。

当配制颜料涂料时，购买的颜料是预先磨成干燥的蛋糕状。颜料制造商通过在三辊磨或类似机械上磨数小时或数天来减小颜料颗粒的大小。然后将颜料干燥以除去大部分水分;由于毛细管力和润湿现象，一些溶剂仍然被困在结块之间，导致颜料“结块”在一起。当颜料被添加到涂料配方中，或溶剂预分散时，由于分散剂产生的高剪切，干燥的“蛋糕”很快被分解成粗颗粒。剩下的是团聚体(可以在合理的能量输入下进一步分解)和团聚体(需要至少10倍的能量输入才能进一步减小到初级颗粒大小)。

为了减少与颜料磨损相关的能量、时间和人工成本，颗粒应完全湿润(图2)。

选择合适的设备

选择正确的设备将对混合产品的质量产生积极的影响;叶片的选择是适当分散的关键。对于高色度、低粘性到中粘性的产品，具有较大、较高叶片齿的分散叶片将提供高剪切和高流量的良好平衡(图3)。这就产生了一种流动状态，在这种状态下，由于转轴的高速和扭矩，团聚体被叶片高速冲击。颗粒也以足够的速度相互撞击，以打破团聚体，并将颜料减少到其磨碎的颗粒大小或更小。

剪切颜料颗粒对于减少聚集体是必不可少的，而高流量可以确保批料快速翻转，允许粒度分布狭窄。如果通过流量不足，叶片附近的颜料被研磨，而罐底侧壁和角落周围的颜料仍未研磨。具有独立驱动轴的双轴分散器提供了良好的批次周转和高剪切。当双轴在同一方向旋转时，它们可以被认为是在高剪切叶片重叠的相反方向上运行(图4)。换句话说，分散叶片以相反的平行运动剪切材料，有效地使剪切速率翻倍，并提供更高的每分钟英尺(FPM)尖端速度。图5显示了带有四个重叠的高剪切分散叶片的双轴双电机分散器。