颜料分散体的稳定作用_第1页
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文档简介

1、颜料分散体的稳定作用一个稳定的颜料分散体,应该在存放时不致发生下列三种现象:颜料发生沉降;颜料发生过分的絮凝,以致损害流变性和漆膜的表观;由于颜料与介质间的物理或化学作用导致体系粘度增加。颜料的沉降Stokes公式u =2t 2 (p 1 p 2) g/9q表述了球形粒子在液体介质中沉降的速度, 式中u为下落速度,t为粒子半径,p 1为粒子密度,p 2为液体密度,n为液体粘度,g 为重力加速度。尽管颜料的沉降并不完全符合这公式的要求,但可作为讨论的基础。从式中 可以看出,u随粒子半径的减少而降低,随粒子和介质的密度差减少而降低,也随粘度的 升高而降低,因此要尽可能用粒子半径小、密度低的颜料及高

2、粘度的介质来防止沉降。、当颜料吸附有低分子量聚合物或表面活性剂时,粒子的直径会增大,不利于防沉降,但 同时粒子的密度下降,可防止沉降,两者相比,前面一种效应可忽略。当用高分子量聚合物 时,粒子吸附层更厚,可使沉降速度加快,但因为厚的吸附层密度低且具有很好的空间保护 效应,防止了絮凝,因此可防止沉降,即使有沉降,沉降层很疏松,不致有严重絮凝与聚集, 经搅拌易于恢复分散状态。防止比重大的颜料沉降的一个方法,便是用表面活性剂处理,如 用硬脂酸处理的碳酸钙。防止沉降的另一个方法是增加介质粘度,这可利用涂料的“触变性” 取得,即当涂料放置时,粘度很高,可成冻胶状。为了使涂料有触变性可在涂料中加入触变 剂

3、或增稠剂,在溶剂型涂料中主要有氢化蓖麻油,有机膨润土(蒙脱土)和醇铝等。颜料的絮凝颜料的粒子在介质中不断的进行布朗运动,亦即热运动,每个粒子具有一定的动能。粒 子和粒子间不断发生碰撞,如果粒子的动能可克服粒子间的斥力便可导致相互密切的接触, 从而产生絮凝。对未稳定的分散体系絮凝的速度(以粒子数的半衰期表示)可用下面的式子 表示:t1/2 = 3n /4kTn0式中tl/2为粒子数的半衰期,即粒子数减半所需的时间,n为介 质粘度,k为波兹曼常数,T为温度,kT为粒子的平均动能,n0为起始的粒子数。由式中可 以看到,提高粘度可减少絮凝。但实际上,单靠提高粘度并不足以稳定涂料中的分散体,重 要的途径

4、是防止粒子碰撞过程中的互相接触。颜料粒子相互接近时通常有三个主要作用力:色散力、静电力和空间阻力。色散力是吸 引力;静电力可以是吸引力也可以是排斥力,在涂料分散体中主要是排斥力;空间阻力总是 排斥力。这些力的总效应决定吸引或排斥谁占优势,也即决定分散体系是否稳定。由以上讨论可知,防止絮凝主要是克服色散力(即伦敦-范德华引力),两粒子间的色 散力随粒子直径的增加而增大,也随距离的减少而增大。为了克服色散力的影响,就要增加 排斥力,首先是静电排斥力。静电力起源于粒子及周围介质的离子分布,若粒子上选择吸附 了负离子,那么此带电粒子的周围的一层溶液会密集带正电荷的平衡离子,这便是双电层, 一层位于粒子

5、表面,一层为中和层,存在于扩散区。两种不相同离子分布的情况产生的静电 位以粒子表面最高,随着距离的增加而迅速减少。尽管双电层无明确终点,但由于电位下降 极快,所以可把电位降到原值0.7的距离作为它的厚度。增加离子价或离子浓度可降低厚度, 双电层厚度降低可导致分散稳定值下降。在给定的双电层厚度下,可计算两个带相同电荷粒 子的排斥电位,排斥电位和介质的介电常数有关。如水的介电常数大于醇酸树脂的有机溶液 (80: 4),因此在假定别的条件不变的情况下,水体系中两种粒子的排斥力比醇酸体系大 20倍以上。就色散力和静电力的综合效应来看,粒子的距离对于粒子间的吸引还是排斥是 一个决定因素。当粒子互相靠近时

6、,排斥力逐渐增加,但当达到最高点时,排斥力迅速下降, 再进一步接近时便进入吸引区,吸引力引起絮凝。分散稳定性主要取决于是否能够防止具有 高能量粒子因碰撞而进入吸引区。在水分散体系中通常可以加入表面活性剂或电解质(如多聚磷酸钠或聚丙烯酸铵)使粒 子表面形成厚的双电层,这样可使粒子间发生较大的排斥力,防止絮凝。但这种方法在有机 介质中不起什么作用。在有机介质中,粒子表面吸附的长链聚合物或表面活性主要起空间阻 碍作用,它们防止粒子接近蚕桑范德华引力起作用的范围。利用空间阻碍防止絮凝的效应,和所用的聚合物或表面活性剂及溶剂等有关,吸附层愈 厚,分散体系愈稳定。有关聚合物结构的影响介绍如下:分子量愈大,

7、吸附层愈厚。聚合物中的极性基团不要连续排列,而要有一定间隔,这样才能形成稳定的厚的保护 层。例如高水解度的聚乙烯醇,它的羟基连续分布,因此它的分子是平伏在颜料上的,吸附 层不会厚。如果聚合物分子中只含部分羟基则不同,它在晨光颜料表面形成线团状分布,其 空间为溶剂所充满,平均吸附层可很厚,所以保护作用很强。不良溶剂中的聚合物成卷曲状,而在良溶剂中成舒展状,这使得它们在颜料上的吸附 情况不同。良溶剂中粒子吸附的聚合物量小,密度低,而不良溶剂中粒子上吸附的聚合物密 度高,吸附量大。其原因是良溶剂中溶剂分子和吸附的聚合物相容性好,聚合物脱附容易, 而且由于分子舒展,占有的吸附面积也大。因此在不良溶剂中颜料分散体比较稳定。如果在 分散颜料时使用良溶剂,在调稀时用不良溶剂可导致絮凝,但相反则可防絮凝。贮存时粘度上升如前所述,涂料贮存时,粘度上升的原因主要是存放时发生了物理和化学的变化,特别 是颜料间的絮凝。主要原因如下:粒子的聚合物吸附层中,低分子量的聚合物会愈来愈多,例如醇酸树脂涂料,由于低 分子量的醇酸树脂具有相对多的极性基团,如羰基、羟基等,因此特别容易被吸附。由于低 分子量的聚合物被提取,高分子量的聚合物脱附,因此介质粘度会明显提高。低分子量的聚 合物通常被看作是一种增塑剂或溶剂。酸

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