用于工业水性系统炭黑的新型特种分散剂| 2021-05-05 | PCI杂志

颜料是在应用于基材之前添加到涂层系统中的任何精细分割的不溶性材料。通常，颜料被用来通过引入装饰色、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，这些材料还常被用作流变改性剂、扩展剂和缓蚀剂。188金宝搏bet官网然而，在所有情况下，有效地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。

在涂料系统中实现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，这些粉末或珠子本身是由单个颗粒的大团聚体组成的。对于大多数目的，这些团聚体需要磨碎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。颜料研磨以及颗粒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，每个颗粒与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体/液体界面。图1突出显示了色散过程。这些扫描电镜图像显示了原始的黄色PY-74团聚体，随后在散装介质中破碎和分散。

颜料分散的过程是通过添加外部机械力和使用两亲性添加剂来促进的。分散剂就是这样一种添加剂，有助于克服分散剂生成过程中遇到的关键挑战。它们可以起到多种作用，包括润湿基材，保护新生成的颜料表面，控制分散的粘度和流动特性，充分均匀地减小粒径，维持分散的稳定性。^{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，对创建颜料分散体非常有效。⁴理论上，这些分散剂的工作原理是不可逆地吸附到颜料表面，同时将其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它们可以促进分散过程的每个阶段，提供出色的颜料润湿，更容易和更好的颗粒分离，以及长期稳定的颜料分散。^{5 - 6}

这些特性在应用中有具体的好处。在铣削过程中，磨基的低粘度允许每批加工更多的颜料。在稀释过程中，由于使用了少量较少相互作用的分散剂，颜料分散的相容性得到了改善。此外，使用少量的颜料是可能的，因为它更有效地分散。最后，当颜料分散保持稳定时，可以在合成的薄膜上获得更好的颜色发展和光泽。

实验的细节

将颜料、分散剂、消泡剂、杀菌剂和水与研磨介质(0.8 - 1.0 mm玻璃或锆珠)在玻璃罐中混合制备颜料分散体。在最初的筛选过程中，罐子在搅拌器上搅拌4小时;用于铣削效率研究的时间从1到10 HRS不等。研磨后，通过过滤去除珠子，并对分散物进行评估。

使用流变仪(Anton Paar)测量分散粘度，在25°C下，5厘米板几何形状。剪切速率为10s时的粘度^－1用于产品比较。使用Zetasizer (Malvern)在水中0.1%的固体中分析颗粒大小。稳定性是通过监测分散外观、粘度和粒径的变化来评估的，同时将样品保持在50°C下4周。

着色(色散减弱)以1:9的颜料色散与底漆的体积比进行。然后用玻璃载玻片上的3密尔Bird棒将涂料吸下，并在评估前在环境条件下干燥24小时。用分光光度计(X- rite)测定X、Y、Z的测量值，计算薄膜喷色度和底色。光泽度用微型三光泽度仪(BYK)测定。

结果与讨论

技术开发Stepan的HPP分散剂的一般结构如图2所示。这些HPP分散剂由三个不同的成分组成:

连接器，其长度、功能、灵活性和附件数量各不相同;
亲和结构域，设计用于与颜料表面相互作用，并可因锚定基团的类型、数量和排列而变化;
稳定段，因长度、疏水性和功能不同而不同。

Stepan正在申请专利的技术采用模块化设计，可以合成各种分散剂概念;通用结构的每个组件都可以独立地更改。此外，Stepan的HPP分散剂技术不含VOC (ASTM方法D6886-14)。

在整个评估化学分散剂结构属性的过程中，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、磨粉效率、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给出了分散剂61得到的结果的快照。在最佳分散剂固体超过颜料(SOP)，每个产生的着色剂粘度在110 cps或以下，剪切速率为10秒^－1．鉴于所检测的9种颜料的结构多样性，这些数据强调了该技术的广泛用途。

分散剂61表现出良好的效率，颜料的通用性和树脂的兼容性，注意力被导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
根据所使用的原材料和制造方法的不同，炭黑的188金宝搏bet官网结构、物理形式和表面积值会有惊人的差异。^{8 - 9}在用于工业应用的炭黑的情况下，与建筑应用相比，它们往往具有更高的表面积。较小的颗粒尺寸加上较高的结构程度导致颜料更难湿化和分散。此外，工业炭黑经常用于着色含有各种聚合物树脂的涂料，这意味着广泛的兼容性对于开发成功的产品至关重要。

工业黑1号，表面积为583米²/g (BET)和酸性(pH = 3.0，在2%的色素在水中)被选择用于评估。分散剂的配制方法列于表1。一般来说，配方是用15-20%的PBK-7在60-100%的分散剂固体上制备的。

选择了四种不同的商业基准，每一种都是一种优秀的炭黑分散剂，与分散剂61进行比较。这五种分散剂均以工业黑1作分散剂需求研究，颜料用量为20%(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产生的分散(20%颜料和60%分散剂SOP)然后进行稳定性研究。结果发现，在常温下仅1周，对照1和对照2就发生了沉淀。相反，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进行了磨矿效率研究(图5)。该研究在15%的颜料用量和100%的分散剂SOP下进行。在测试的分散剂中，分散剂61表现出最佳的整体性能，无论是在颜料粒径减小的速度还是最终粒径(小于70 nm)方面。这些特性提供了与竞争产品相比的潜在成本优势，因为获得给定应用所需的颜料粒度所需的时间和精力更少。此外，颗粒尺寸的快速减小表明分散剂61在润湿方面比对照组更有效。

**图5:**工业黑1的铣削效率。黑色:15% PBK-7, 100%分散剂SOP。

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体(图6)。与对照组相比，分散剂61制备的分散体表现出更好的稳定性，在50℃下，粘度在4周内基本没有变化。在此期间还测量了粒径，分散剂61的变化很小，而对照的分散剂则有一些变化。

**图6:**工业黑的高温分散稳定性。黑色:15% PBK-7, 100%分散剂SOP。

综上所述，这些结果表明分散剂61在制备工业黑1分散剂方面具有明显的优势。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被确定为等同于或低于测试的商业对照。

我们进一步评估了含有15%炭黑和100%分散剂SOP的分散体，以着色各种基础涂料(着色工作如实验部分所述)。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。在丙烯酸涂料体系中，使用分散剂61制备的工业黑1分散剂进行稀释，与选择的对照相比，可以改善喷流性和欠干性(图7)，具有相似的60°光泽度。

乙烯基丙烯酸树脂的减色也有类似的结果。分散剂61再次获得了更好的喷射性。值得注意的是，一些商业标准与该涂料的兼容性较差(图8)。特别是，由对照1和2制成的分散体的稀释导致形成块状混合物，其粘度明显高于基础涂料。另一方面，使用分散剂61或对照3制成的分散剂表现出良好的相容性，对涂料粘度的变化很小。

**图8:**喷流度(上)和相容性(下)的乙烯丙烯酸树脂着色工业黑1分散与各种分散剂。

除了丙烯酸和乙烯基丙烯酸涂料外，工业黑1的分散体在几种其他树脂中被稀释。图9总结了这些数据。在测试的7个体系中，用分散剂61制备的分散剂稀释后的固化膜具有最佳的喷流性。同样，用该技术制备的分散体与所评估的每种涂料都表现出良好的兼容性。

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所观察到的那样，当用于着色不同类型的基础涂料时，用该技术制成的分散体表现出优异的兼容性和喷射性发展。

结论

Stepan开发了一个专有的模块化化学平台，已成功地用于生产一类新的HPP颜料分散剂。分散剂61(或STEPSPERSE 61)在制备几种不同类型的颜料的有效分散方面表现出广泛的用途。当与建筑级炭黑一起使用时，与商业基准相比，这种新技术可显著提高分散稳定性。STEPSPERSE 61也表现出优异的性能与工业级炭黑，提供优越的铣削效率，jetness，和树脂兼容性。

参考文献
¹芒，t。Dresel, W.润滑油和润滑，Wiley-VCH;第一卷(2017)，第862页。

²van den Haak, H.J.W.分散剂;柯克-奥斯特尔化学技术百科全书，约翰·威利父子;第八卷(2003)，第672-697页。

³van den Haak, H.J.W.;克鲁泽，L.L.M.设计的颜料分散剂高固体涂料系统;有机涂料的研究进展；Vol.43 (2001)，页56-63。

⁴Vargas, c;盾,美国;新型高性能高分子分散剂用于无voc着色剂;Pitture Vernici欧洲涂料配方；第98卷(2020), p14-17。

超分散剂技术综述。高分子材料科学与工程188金宝搏bet官网“，；第55卷(1986)， p 31-37。

鲍尔;Kleinsteinberg f;路透社,大肠;Glöckner, P.明星表演者;欧洲涂料杂志；5 (2010), p26-31。

⁷Dong, S.;巴尔加斯,c;水性系统中炭黑的高性能高分子分散剂2020年美国涂料展。

⁸丹enberg, E.M.;Paqun l;Gwinnell，炭黑;Kirk Othmer化学技术百科全书，John Wiley & Sons;第四卷(1992)，p1037-1074。

39炭黑101,https://www.birlacarbon.com/whats-trending/carbon-black/。