颜料是任何精细分割的，不溶性的材料，添加到涂层系统之前，应用在基材上。通常，颜料被用来通过引入装饰性色彩、提高不透明度或控制光泽度来改变固化膜的光学特性。除了促进视觉效果外，这些材料还通常用作流变改性剂、扩展剂和缓蚀剂。然而，在所有情况下，有效促进所需功能的关键在于控制涂料配方中添加的颜料的分布和粒度的能力。
在涂料系统中达到所需的颜料分布不是一个简单的过程。颜料通常以粉末或珠子的形式供应，它们本身是由大块的单个颗粒组成的。在大多数情况下，这些团聚体需要研磨以获得一致的颗粒大小，最好作为初级颗粒。新形成的不溶性颗粒必须均匀分布在介质中，防止形成团聚体。颜料研磨以及粒子分离和稳定发生的过程称为分散。1
在分散过程中，当相对较大的团聚体分离时，每个颗粒和周围液体之间形成一个新的界面。对于作为着色剂的颜料，它们的使用需要大大减小颗粒尺寸，从而产生非常大的固/液界面。图1突出显示了分散过程。这些扫描电镜图像显示了原始的黄色PY-74团聚体，随后它们在大块介质中破碎和分散。
通过外加机械力和使用两亲性添加剂来促进颜料的分散过程。分散剂就是这样一种添加剂，可以帮助克服分散生产过程中遇到的关键挑战。它们可以发挥多种作用，包括润湿基材，保护新创建的颜料表面，控制分散的粘度和流动特性，充分均匀地减小粒径，保持分散的稳定性。2 - 3
Stepan公司最近开发了一种新型的高性能聚合物(HPP)分散剂，对创建颜料分散非常有效。4理论上，这些分散剂的工作原理是不可逆地吸附在颜料表面，同时将它们的长稳定段延伸到连续相，提供空间和/或电空间稳定。使HPP分散剂特别有用的是他们的潜力，以促进分散过程的每个阶段，提供优秀的颜料润湿，更容易和更好的颗粒分离，和长期稳定的颜料分散。5 - 6
这些属性在应用中提供了具体的好处。在铣削过程中，较低的粘度的磨坊基地允许更多的颜料处理每批。在缓释过程中，由于使用了少量的相互作用较小的分散剂，从而提高了颜料分散的相容性。此外，使用更少量的颜料是可能的，因为它更有效地分散。最后，在颜料分散稳定的情况下，在合成膜上可以获得更好的显色性和光泽。
实验的细节
将颜料、分散剂、消泡剂、杀菌剂和水与玻璃罐中研磨介质(0.8 - 1.0 mm玻璃或锆珠)混合制备颜料分散剂。在最初的筛选过程中，这些罐子在摇床上搅拌4小时;研磨效率研究的时间从1小时到10小时不等。碾磨后，通过过滤去除微珠，并对分散性进行评估。
使用流变仪(Anton Paar)测量分散粘度，在25°C和5厘米板几何。剪切速率为10 s时的粘度－1用于产品比较。使用Zetasizer (Malvern)对水中0.1%的固体进行粒度分析。稳定性评估通过监测分散外观、粘度和粒径的变化，同时保持样品在50°C 4周。
着色(分散减弱)是在颜料分散与底涂层的体积比1:9时进行的。然后用3mil Bird bar在玻璃载玻片上拉下油漆，在环境条件下晾干24小时后进行评估。用分光光度计(X- rite)测量X、Y和Z的测量值，计算薄膜的喷射度和底色。光泽度用微三光泽度计(BYK)测定。
结果与讨论
技术开发Stepan的HPP分散剂的广义结构如图2所示。这些HPP分散剂由三种不同的成分组成:
- 连接器，可以在长度、功能、灵活性和附件数量上有所不同;
- 亲和域，设计用于与颜料表面相互作用，并可随锚定基团的类型、数量和排列而变化;
- 稳定节段，可因长度、疏水性和功能而不同。
Stepan正在申请专利的技术的模块化设计使各种分散剂概念的合成成为可能;通用结构的每个组件都可以独立地进行更改。此外，Stepan的HPP分散剂技术是无VOC的(ASTM方法D6886-14)。
在整个评估化学合成分散剂结构属性的过程中，我们的重点仍然是确定最有前途的候选分散剂。7除了分散粘度和涂料相容性外，还研究了一些其他标准，包括分散稳定性、分散剂需求、研磨效率、涂料颜色发展和产品形态。分散剂61(市售为STEPSPERSE®61)成为整体表现最好的公司之一。图3给出了使用分散剂61获得的结果的快照。在最佳分散剂固体高于颜料(SOP)的情况下，在剪切速率为10秒的情况下，每一种生成的着色剂的粘度都在110 cps或以下－1．考虑到所研究的九种颜料的结构多样性，这些数据强调了该技术的广泛用途。
由于分散剂61表现出良好的效率、颜料的多功能性和树脂的相容性，人们将注意力转向工业应用的工业级炭黑，这在市场上是至关重要的。
工业级炭黑
根据使用的原材料和制造方法的不同，炭黑的结构、物理形态和表面积值可能有惊人的不同。8 - 9在工业用的炭黑中，与建筑用的炭黑相比，它们往往有更高的表面积。较小的颗粒尺寸加上较高的结构程度，导致色素更难湿化和分散。此外，工业炭黑经常用于着色涂料含有多种聚合物树脂，这意味着广泛的兼容性是开发一个成功的产品必不可少的。
工业黑1号，其表面积为583米2/g (BET)，且为酸性(pH = 3.0，色素在水中占2%)。分散剂的配制方法见表1。一般来说，配方中15-20%的PBK-7在60-100%的分散剂固体上制备色素。
选择了四种不同的商业基准，每一种都是炭黑的优秀分散剂，与分散剂61进行比较。这五种分散剂与工业黑1在20%颜料用量下进行了分散剂需求研究(图4)。分散剂61的最佳SOP与四种标准中的三种非常相似;对照组3在这种色素上表现最差。使用分散剂61、对照1和对照2(20%颜料和60%分散剂SOP)生成的分散剂随后进行稳定性研究。结果发现，仅在常温下处理1周后，对照1和对照2就发生了沉积。相比之下，用分散剂61制备的分散剂在这些条件下保持稳定超过6个月。
使用相同的商业标准，使用工业黑1进行磨粒效率研究(图5)。该研究在15%的颜料负载和100%的分散剂SOP下进行。在测试的分散剂中，分散剂61表现出最佳的综合性能，无论是在降低颜料粒径的速度方面还是在最终粒径(小于70 nm)方面。与竞争产品相比，这些属性提供了潜在的成本优势，因为获得特定应用所需的颜料粒径所需的时间和精力更少。此外，粒径的迅速减小表明分散剂61在润湿方面比对照试验更有效。
通过高温稳定性研究进一步评估了碾磨分析中产生的分散剂(图6)。与对照相比，使用分散剂61的分散剂表现出更好的稳定性，在50°C条件下，4周内粘度基本没有变化。在此期间还测量了粒径，观察到分散剂61的变化极小，而控制的分散剂则显示出一些变化。
总之，这些结果表明，分散剂61在制备工业黑1分散剂方面比商业控制具有明显的优势。这些好处包括更快的粒径减小，更小的最终粒径和提高分散稳定性。此外，分散剂61的最佳SOP被确定为等于或低于测试的商业对照。
含有15%炭黑和100%分散剂SOP的分散剂进一步用于着色各种基础涂层(着色按实验部分所述进行)。在着色研究中使用了许多不同类型的树脂。它们包括丙烯酸、乙烯基丙烯酸、聚氨酯分散体(PUD)、苯乙烯丙烯酸、阳离子苯乙烯丙烯酸、醇酸、丙烯酸/PUD共混物和羟基功能化丙烯酸。在丙烯酸涂料系统中，与选定的对照相比，用分散剂61制备的工业黑1分散剂的向下稀释可以改善喷流度和未完成度(图7)，具有相似的60°光泽度。
乙烯基丙烯酸树脂的褪色染色也有类似的结果。分散剂61再次达到了优异的喷射效果。值得注意的是，一些商业标准与该涂料的相容性较差(图8)。特别是，控制项1和2中的分散剂的稀释会导致形成块状混合物，其粘度明显高于基础涂料。另一方面，用分散剂61或对照剂3制成的分散剂表现出良好的相容性，对油漆粘度的影响很小。
除了丙烯酸和乙烯丙烯酸涂料外，工业黑1的分散剂在其他几种树脂中也有所减弱。图9总结了这些数据。在7个测试体系中的6个，分散剂61制备的分散剂使固化膜具有最佳的喷射性。同样，用该技术制备的分散剂与每种评估的涂料都表现出了良好的相容性。
分散剂61的性能属性保持时，附加的工业炭黑进行评估。正如工业黑1所观察到的，用该技术制成的分散剂在用于着色不同类型的基础漆时表现出优异的相容性和喷射性发展。
结论
Stepan开发了一个专有的模块化化学平台，已成功地利用该平台生成了一类新的HPP颜料分散剂。分散剂61(或STEPSPERSE 61)在制备几种不同颜料类型的有效分散剂方面已显示出广泛的用途。当与建筑级炭黑一起使用时，与商业基准相比，这种新技术提供了显著提高的分散稳定性。STEPSPERSE 61在工业级炭黑中也表现出优异的性能，提供优越的磨铣效率、喷流度和树脂相容性。
参考文献
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范登哈克，H.J.W.;高固相颜料分散剂的设计;有机涂料的研究进展；Vol.43 (2001), p 56 - 63。
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35超分散剂技术综述;高分子材料科学与工程“，；55(卷1986), P 31-37。
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⁷盾,美国;巴尔加斯,c;水性炭黑高性能聚合物分散剂;2020年美国涂料展。
⁸Danenberg E.M.;Paqun l;Gwinnell, H.炭黑;柯克·其他化学技术百科全书，约翰·威利父子;第4卷(1992)，第1037-1074页。
#炭黑101,https://www.birlacarbon.com/whats-trending/carbon-black/。
