红色和黄色氧化铁的分散技术| 2016-06-01 | PCI杂志

颜料浓缩物一直是生产彩色涂料的一种现代而灵活的方法。特别是在水性应用中，这些浓缩物必须适用于广泛的不同粘结技术。2022世界杯八强水位分析正因为如此，浓缩配方通常不含粘合剂，并提供广泛的相容性。此外，在储存稳定性、色彩强度和成本效益方面的要求非常高。这些需求直接针对添加剂技术。该添加剂有望提供出色的降粘度，以实现高颜料负荷和最经济的研磨。它必须在很长一段时间内稳定粘度，并必须开发出最大的颜色强度，以避免使用任何昂贵的颜料。氧化铁是装饰涂料中最重要的颜料。氧化铁的困难在于其形状，而不是颜料的湿润。氧化铁黄容易产生扩张性流变性，当在点胶机中自动加药时，这可能是一场灾难。 On the other hand, iron oxide red tends to increase in viscosity over time in pigment concentrates.

本文介绍了可用于水性铁氧化物无粘结剂颜料精矿的润湿和分散添加剂的不同结构。颜料浓缩物的稳定性和润湿性将通过降粘度、储存稳定性和着色性能来反映。zeta电位被用来表征润湿行为和分散效率。最后将提供氧化铁颜料的配制指南。

颜料浓缩工艺

颜料分散是彩色涂料生产过程中最重要的一步。对于水性装饰涂料，白色基础漆通常是通过直接研磨生产的，颜色是通过使用颜料浓缩物定制的。这些颜料浓缩物通常是无粘结剂，以提供更好的相容性在广泛的不同的基础涂料。氧化铁是装饰涂料中的第二大颜料，第一大颜料是二氧化钛。大量的颜料浓缩生产与氧化铁红和黄。这些用于内部着色，以及在大型着色机在销售点。

氧化铁颜料精矿的生产目标是达到最大的颜料负荷，以减少生产的工作量。最大的挑战是使颜料稳定在液相中，从而达到良好的长期稳定性而不沉淀。颜料的分散和稳定几乎不可能不加入适当的润湿和分散添加剂。氧化铁的密度非常高，因此在高颜料负荷下获得良好的稳定性是困难的。这是一项艰巨的工作，但它有利于拥有低粘度和自由流动的颜料浓缩物。

第一步:色素润湿

颜料的分散可分为三个连续的步骤:润湿、分散和稳定。分散过程的第一步是用液体浸湿颜料。颜料的适当润湿对于它们在液体中均匀分布是必不可少的。滞留在颜料中的空气必须被除去，颜料颗粒必须被液体介质完全封闭。¹由杨氏方程(方程1)描述，颜料表面要被液体润湿，液体的表面张力必须低于颜料的表面能。¹表面张力低的液体比表面张力高的液体更能润湿颜料。因此，促进润湿的添加剂必须主要降低液体的表面张力。

Y_年代= Y_sl+ Y_l•因为Θ

(1）

第二步:颜料分散

现在颜料已经被浸湿了，下一步就是颜料的分散。分散过程的目标是实现具有大表面积的非常小的颗粒尺寸。这导致高颜色强度和良好的隐藏力。添加剂减少了颜料颗粒之间的范德华相互作用，反过来，这降低了粉底的粘度。²这样可以达到更高的颜料负载。

在分散过程中，颜料团聚体被机械分解成初级颗粒和小团聚体。需要能量来分解聚集物和团聚物。为了打破团聚体并增加表面积(dA)，需要能量输入(dW)(公式2)。¹该能量与表面张力(Y)成正比，表面张力越小，在一定能量下表面积越大。²

dW = Y•dA

（2）

第三步:稳定

分散过程的下一步是稳定颜料。固体颗粒的稳定是使所有固体颗粒保持一定距离，并阻止团聚、团聚和絮凝的能力。液体中的固体颗粒根据布朗运动四处运动并相互碰撞。如果这些颗粒没有很好地稳定下来，它们就会重新团聚并絮凝在一起。为了实现颜料的良好稳定，润湿分散添加剂必须吸附在颜料表面。因此，添加剂必须具有与颜料表面高度亲和的锚基。对于氧化铁颜料，添加剂应具有能够与颜料表面建立氢键或偶极-偶极力的亲和基团。最适合吸附氧化铁的官能团是羟基、羰基或羧基。

颜料的稳定可以通过以下机制实现(图1):

静电稳定;
空间稳定;
Electrosteric稳定。

静电稳定和Zeta势

水性配方中最重要的稳定因素是静电斥力。最理想的情况是吸附在颜料表面的润湿分散添加剂解离成阴离子和阳离子部分。阳离子反离子在颜料颗粒周围形成移动的扩散云，从而形成静电双层。¹在较强的双层结构下，斥力占主导地位，色散稳定。

静电稳定可以用zeta势来量化，z是色散中剪切层势的测量。添加剂的润湿分散产生了带负电荷的第一吸附层，但颜料颗粒的电荷并没有全部被补偿。第二层具有弥散电荷分布，主要由反离子构成。这两层代表静电双层，称为离子云。^3.

由于表面电位不能直接测定，所以要测量ζ电位。在这种情况下，粒子在电场中的迁移速度被评估。当静电粒子在电场中移动时，它们会带走一部分离子云。离子与颜料表面的距离越远，与颜料表面的相互作用越小。^3.

松散束缚的扩散层被剪切掉，在这个剪切平面上的势称为ζ势。zeta电位越高，颜料的稳定性越好(图2)。当zeta电位趋近于零时，颗粒团聚的趋势增加。

zeta势不能描述空间位稳，这是水性配方中的另一个重要机制。离子不能实现空间位稳，因此电位不能测量。

空间稳定

与静电稳定相反，聚合物侧链是空间稳定所必需的。侧链附加到颜料表面并保证添加剂的吸附。当色素颗粒彼此靠近时，聚合侧链降低了流动性，降低了熵。

稳定的一个重要因素是减少颜料颗粒之间的相互作用，否则会导致絮凝(图3)。这些相互作用也限制了颗粒的运动，增加了粘度。稳定性越好，相互作用越小，粘度也就越低。

Electrosteric稳定

润湿和分散添加剂有复杂的要求，因此有时将静电稳定和空间稳定相结合是有用的。这种机制被称为电静电稳定。静电添加剂能够满足对稳定性和耐久性的高要求。

电致静电添加剂通过“可控絮凝作用”阻止颜料颗粒相互靠近(图4)。添加剂分子之间相互作用，与颜料表面相互作用，形成三维网络。¹色素的漂浮是色素流动性不同的结果。通过电静电稳定，颜料与相同颜色的絮凝物结合，防止分散中漂浮。

结果与讨论

采用水性氧化铁黄和氧化铁红无粘结剂颜料精矿的典型配方制备了不同的颜料精矿(表1和表2)。测试了三种不同的聚丙烯酸盐、一种高分子添加剂和一种新型添加剂。

颗粒大小和隐藏能力

由光散射测定的颜料颗粒的遮盖力与颗粒大小有关。无机颜料在粒径为散射光波长的一半(l/2)时表现出最大的光散射(图5)。

用苯乙烯-丙烯酸乳液稀释所制备的着色剂。已准备好黑白图表上的降幅。隐藏功率是通过测量对白色的拉深和对黑色的拉深之间的δ E值来确定的(表3)。δ E值越低，隐藏功率越高。采用动态光散射法(MicroTrack微波法)测量颗粒大小分布。加入新添加剂后，氧化铁黄的粒径接近最佳粒径(l/2)。在这种粒径下，可以达到最高的遮盖力。

粘度和稳定性

在制备24小时后测量颜料浓缩液的粘度(图6)。使用锥形板流变仪进行测量。未来的工作包括在50°C的烤箱中进行两周的粘度读数。

聚丙烯酸酯类添加剂对黄铁氧化物的处理效果较好。聚合物添加剂和新添加剂对黄色氧化物有很强的降粘作用。对于红色氧化铁，研究人员发现了更多不同的结果。只有一种聚丙烯酸酯添加剂可以达到可加工的粘度。聚合物和新添加剂实现了低得多的粘度。

电动电势

zeta电位是在5%的颜料浆中测量的。对各自的添加剂进行滴定，直到达到恒定的zeta电位。对zeta电位影响最大的添加剂添加量为颜料固体含量的0.5%。zeta电位最低的是聚丙烯酸酯，这反映了最强的稳定是通过静电化学完成的。正如预期的那样，高分子添加剂对zeta电位几乎没有影响。这种添加剂类不提供任何静电稳定。新添加剂的zeta电位介于聚丙烯酸酯和聚合物添加剂之间(图7和8)。

仅用ζ势不足以完全解释粘度和稳定性测量所得的结果。zeta势不能提供关于色素粒子空间位稳的信息。假设空间位稳有助于提高性能，结果可以解释如下(图9和10)。为了稳定氧化铁颗粒，需要一定的稳定能量。在某些情况下，静电能本身不能稳定色素。有时还需要额外的空间稳定性。