第7章涂料生产工艺13.11

第七章涂料的生产过程色漆制备过程（主要物理分散与混合的过程）

配料→预分散→研磨分散→调合→调色(配色)→过滤包装§

7.1颜料分散过程及分散体的稳定§

7.2丹尼尔点及聚合物的保护作用§

7.3涂料生产设备§

7.4涂料的制备工艺§

7.5色漆生产质量控制§

7.1颜料的分散过程及分散体的稳定一、颜料的分散过程

颜料的分散是色漆制备的关键步骤三个过程：润湿、分散和稳定。1润湿颜料表面的水分、空气为溶剂（漆料）所置换称为润湿。溶剂型漆润湿一般容易进行，因为溶剂(漆料)的表面张力一般总是低于颜料的表面张力的。但润湿也要有一个过程，颜料是一个聚集体，溶剂需要流入颜料的空隙。当溶剂粘度低时，润湿的速度可以很快

要注意加颜料和溶剂的顺序，要先加溶剂后加颜料。水性漆中，水的表面张力较高，对于有机颜料润湿有困难，需要加润湿剂以降低水的表面张力。

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7.1颜料的分散过程及分散体的稳定一、颜料的分散过程

1润湿

2颜料的研磨与分散颜料的聚集体破碎分散在漆料中

3颜料的稳定（1）电荷稳定作用水性体系（2）立体保护作用一个稳定颜料分散体，存放时应该不致发生下列三种现象。（1）颜料发生沉降；（2）颜料发生过分的絮凝，以致损害流变性和漆膜的表观；（3）颜料与介质间的物理或化学作用导致体系粘度增加。1、颜料的沉降二、分散体的稳定作用Stoke公式可以描述球形粒子在液体介质中沉降的速度。r为粒子半径，ρ1为粒子密度，ρ2为液体密度，η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该公式的要求，但可作为讨论的基础。（1）当颜料吸附有低分子量聚合物或表面活性剂时，粒子直径会↑

，沉降

↑

。但同时粒子密度↓，沉降↓

，后一种明显。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，如第八章中介绍的硬脂酸处理的碳酸钙。（2）防止沉降的另一个方法是增加介质粘度，利用涂料“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或增稠剂，在溶剂型涂料中主要有氧化蓖麻油，有机膨润土(蒙脱土)和醇铝等。2、颜料的絮凝颜料粒子在介质中不断进行布朗运动，亦即热运动，每个粒子具有一定动能,粒子和粒子间不断发生碰撞，如果粒子动能可克服粒子间斥力便可导致相互密切的接触，从而产生絮凝（1）对未稳定分散体系絮凝的速度(以粒子数半衰期表示)：t1/2为粒子数半衰期，即粒子数减半所需的时间，

η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。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，重要的途径是防止粒子碰撞过程中的互相接触。（2）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。(a)色散力是吸引力；(b)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；(c)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。分为两种情况：①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。②在有机介质中不易形成双电层。粒子表面吸附的长链聚合物或表面活性剂主要起空间阻碍作用，它们防止粒子接近到范德华引力起作用的范围。

(3)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。有关聚合物结构影响介绍如下(1)分子量：愈大，吸附层愈厚。(2)聚合物中的极性基团：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，因此分子是平伏在颜料上的，吸附层很薄。如聚合物分子中只含部分羟基则不同，它在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。一般生产中用来做悬浮剂的聚乙烯醇的规格为：平均聚合度为：1700~2000；平均醇解度为75%~89%。(3)溶剂：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。3、贮存时粘度上升主要原因：发生了物理和化学变化，特别是颜料间的絮凝。(1)粒子的聚合物吸附层中，低分子量的聚合物所占比例↑，如醇酸树脂涂料，低分子量醇酸树脂具有相对多极性基团，如羰基、羟基等，因此特别容易被吸附。低分子聚合物通常看作是增塑剂或溶剂。内相中低分子量部分↑，外相中高分子量部分↑，导致粘度↑

(2)酸性介质和碱性颜料(如ZnO)间化学反应，粘度可逐渐增至凝胶。(3)金属颜料(如铝粉)与酸性介质间反应，导致凝胶。(4)多聚磷酸盐M2n+2PnO3n+1(M为一价金属离子，n>3)不但作为水性涂料分散剂，也作为多价金属(如Ca等)螯合剂，但它易水解为正磷酸盐，失去螫合作用而变成絮凝剂。表面活性剂在颜料分散中的主要用途有如下三方面；(1)润湿作用：

可以降低介质的表面张力和介质与颜料间的界面张力。(2)稳定作用：增加乳胶粒子和颜料在涂料中的分散稳定性。7.3表面活性剂的作用(3)挤水颜料：一般颜料都由水---颜料体系经过干燥粉碎后得到的。在转变为粉末过程中，粒子会严重的聚集。在溶剂型涂料制备中，固体颜料要在油中再次研磨分散。为了免除干燥和粉碎，可直接将水一颜料体系中的颜料转移到油中，这不仅可节约能量，而且由于水一颜料体系中颜料凝聚力很弱，直接将颜料由水相转至油相，研磨比较容易。为了完成这种转移，需要用溶于油的表面活性剂处理水中颜料，这样可使颜料具有疏水性从而进入油相。一、聚合物的保护作用

聚合物在颜料分散中吸附于表面起到熵保护作用。但要控制好用量。

(1)过量,分散效率降低而且颜料分散稳定性也并不一定好。因为颜料表面优先吸附分子量较低聚合物但分子量较低的聚合物稳定作用不好。

(2)另外，聚合物浓度过高，不利于润湿。在颜料分散时，希望外加颜料，但聚合物浓度过低也起不到保护作用。如何决定聚合物的含量这个关键参数呢？

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7.2丹尼尔点及聚合物的保护作用二、可以采用丹尼尔点的方法。配制一系列不同浓度的树脂溶液，取一定的颜料，然后滴加配好的溶液，同时进行研磨，使达到一定的粘度。测出规定粘度下溶液与颜料之比值，作图，所得曲线之最低点为丹尼尔点，该点的溶液浓度为最佳树脂浓度。可用门尼公式解释。7.3涂料生产设备色漆制备过程：配料→预分散→研磨分散→调合→调色(配色)→过滤包装,相应生产设备:

预分散设备、研磨分散设备、调漆设备和过滤包装设备一、预分散设备

目的是使各种颜料混合均匀，颜料部分润湿以及初步打碎大的颜料聚集体，为研磨分散得以正常进行预分散常采用高速分散机在低速搅拌下，逐渐将颜料加于基料中混合均匀。

其他预分散设备

双轴高速分散机、同心轴高低速分散机、双轴高低速分散机、三轴高低速分散机、在线分散机7.3涂料生产设备一、预分散设备

1高速分散机

主要是由叶轮、分散轴和筒体组成锯齿圆盘式叶轮,高速旋转，在叶轮边缘2.5-5cm范围内形成湍流区颜料粒子在较强剪切和冲击作用而很快的分散到漆浆中。

操作初始阶段，低速旋转防止堆在漆料表面颜料飞扬；

再通过提高转速来增加分散能力。

叶轮端部的圆周速率必须达到20m/s以上；但又不宜过高，否则易导致漆浆飞溅，使分散效率降低主要适用于易分散的颜料在较低黏度漆浆中的预分散，

不适用于难分散的颜料或黏度太大的浆料则。在实际应用中，高速分散机除了用于预分散外，还可用于研磨和最后的调稀操作。4000-5000rpm，圆周线速度达到2000cm/s以上。图5-6GFJ-22A高速分散机结构7.3涂料生产设备一、预分散设备

1高速分散机

主要是由叶轮、分散轴和筒体组成锯齿圆盘式叶轮,高速旋转，在叶轮边缘2.5-5cm范围内形成湍流区颜料粒子在较强剪切和冲击作用而很快的分散到漆浆中。

操作初始阶段，低速旋转防止堆在漆料表面颜料飞扬；

再通过提高转速来增加分散能力。

叶轮端部的圆周速率必须达到20m/s以上；但又不宜过高，否则易导致漆浆飞溅，使分散效率降低主要适用于易分散的颜料在较低黏度漆浆中的预分散，

不适用于难分散的颜料或黏度太大的浆料则。在实际应用中，高速分散机除了用于预分散外，还可用于研磨和最后的调稀操作。7.3涂料生产设备2其他预分散设备包括双轴高速分散机、同心轴高低速分散机、双轴高低速分散机、三轴高低速分散机、在线分散机等。Ⅰ型—双轴单叶轮形式；Ⅱ—双轴双叶轮形式7.3涂料生产设备2其他预分散设备双轴高速分散机适用

物料黏度范围较广，可减轻槽内液体打旋的现象，避免吸入气体，

提高装料系数和分散能力。同心轴高低速分散机同心双轴，中心轴---高速轴，叶轮，-----分散作用；空心轴---低速轴，框式搅拌器------混合作用。适应各种中等黏度物料的预分散，可防止物料的黏壁现象。双轴高低速分散机高速轴和低速轴两个轴，由两台电机分别传动。适用于较高黏度的物料，如铅笔漆、腻子等。三轴高低速分散机再增加了一根偏置的高速轴及相应的叶轮，适用于黏度更高的物料。在线分散机---德国耐驰（NETZSCH）公司一种新颖的预分散设备。分散效率高，预分散后漆料均匀性好；在真空状态下加料比较环保，适合于中、低黏度漆料和难润湿颜料的分散，常用于大批量、单颜料漆浆生产7.3涂料生产设备一、预分散设备二、研磨分散设备----色漆生产的主要设备,分为两大类：一类带自由运动研磨介质---砂磨机和球磨机，研磨介质（如玻璃珠、钢球、卵石等）在冲击和相互滚动或滑动产生剪切力和撞击力进行研磨分散，通常用于流动性较好的中、低黏度漆浆的生产另类不带自由研磨介质----三辊机，依靠剪切作用力进行研磨分散，主要适用于黏度很高甚至膏状物料的生产；高速分散机也可用作研磨分散设备，不带研磨介质目前常用研磨分散设备高速搅拌机、砂磨机、三辊磨和二辊磨，其中二辊磨主要用于无溶剂涂料的分散。常用分散设备的比较机器类型高速搅拌球磨砂磨三辊二辊预混合不需要不需要需要需要需要黏度（pa.s）范围3-40.2-0.50.13-1.55-10很高处理粗聚集体的能力*21521分散效率42221溶剂挥发低无低高完全挥发清洗**15422要求技术**15332操作费用低低中高很高投资费用低高中高很高*表中1表示最好，5表示最差；**表中1表示容易，5表示难。7.3涂料生产设备二、研磨分散设备三辊机能加工黏度很高的漆浆，适用于含有难分散颜料的漆浆进行分散，研磨分散质量高，可达较高的细度；而且换色、清洗方便，特别适合小批量、多品种漆浆的生产和研制。三辊机为一敞开设备，溶剂应为低挥发性，否则会污染环境，并损害操作工人的健康。操作安全性差、生产能力低、操作技术要求高、后期维护技术要求高等缺点，难以实现机械化。目前已逐步被砂磨机所取代1．三辊磨--三辊机，由前辊（出料侧）、中辊和后辊（加料侧）三个辊筒组成，转速不同。中辊固定在机体上，前辊可前后移动进行调节，三个滚筒的旋转方向不同（转速从后向前顺次增大），产生强大的剪切作用力以及不同速度的摩擦作用达到研磨分散。三辊机--溶剂采用低挥发性分散由溶剂含量在30%以下高固体分基料和较高比例颜料分组成的高粘度(20～100P)研磨料；研磨料必须经强劲有力的拌合机或捏和机预混合(也适用于制备厚浆形腻子产品)。预混合以后，在三辊机上研磨3～4遍，细度也仅40μm左右。7.3涂料生产设备二、研磨分散设备2．球磨机卧式球磨机和立式球磨机两种，间歇式操作方式,曾是色漆生产中主要的研磨设备，目前也逐步被砂磨机所替代，但在生产毒性较大的船舶漆领域具有重要的应用。二、研磨分散设备2．球磨机球磨机在运转时，钢桶旋转使球上升至一定高度，然后开始下落，球体之间以及气体与筒壁间频繁地发生相互撞击和摩擦，使颜料粒子受到撞击、挤压和强剪切作用而被撞碎或被磨碎；同时颜料在球空隙内处于高度湍流状态，也有利于颜料粒子在漆浆中的分散。球磨机中球的工作情况在不同转速下，球磨机中球的运动主要包括泻落、抛落和离心三种状态二、研磨分散设备3．砂磨机

砂磨机是50年代后期发展起来新型分散设备，我国60年代引进使用。

球磨机的延伸机，只是所用介质是较细的砂或珠。

砂磨机体积小，可连续高速分散、效率高、结构简单、操作方便，迅速推广使用

取代了三辊机和球磨机在涂料生产中的地位

包括立式开启式砂磨机、立式封闭式砂磨机、卧式砂磨机各式棒销式砂磨机和蓝式砂磨机（1）立式开启式砂磨机立式砂磨机二、研磨分散设备3．砂磨机（2）卧式砂磨机20世纪70年代的产品，分散轴和筒体是水平安装的，电机置于筒体下方，结构紧凑，所占空间较小，出料系统用动态分离器代替顶筛，使拆洗方便，同时该机也是密闭操作。有立式密闭式砂磨机优点，装砂量大，研磨分散效率高；拆洗装卸方便，适应多品种生产；分散介质在筒体内分布均匀，降温温效果好。三、漆调设备调漆是制色漆的最后一步操作，在研磨得到的颜料色浆中加入余下的漆料及其他助剂、溶剂组分，必要时进行调色，调漆不是简单搅拌混合过程，操作不当就会导致颜料的再聚集、絮凝，以及树脂的沉淀等所谓的“反粗”弊病。调漆设备主要是调漆罐，有搅拌器和搅拌槽两部分组成。1．

搅拌器搅拌器主要类型包括两类，一类是适用于高速旋转的锯齿圆盘式叶轮搅拌器，另一类是适合中、低速旋转的浆式、锚式或框式等的搅拌器。高速盘式分散机叶轮三、漆调设备1．搅拌器第一类搅拌器直接利用高速分散机，具有简单方便、调漆速度快的优点，缺点：消耗功率大，易造成操作台震动，漆浆产生气泡，以及不适用于高黏度物料的调漆。第二类搅拌器则具有传动平稳、操作平和、耗功少、卷吸空气量少，以及适用于高黏度漆浆调漆的特点。三、漆调设备1．搅拌器第一类搅拌器直接利用高速分散机，具有简单方便、调漆速度快的优点，但也存在如下缺点：消耗功率大，易造成操作台震动，使漆浆产生气泡，以及不适用于高黏度物料的调漆等。第二类搅拌器则具有传动平稳、操作平和、耗功少、卷吸空气量少，以及适用于高黏度漆浆调漆的特点。图5-18所示为北京化工大学研制的CBY型轴流式搅拌桨，其叶片的截面形状与飞机机翼相似，叶片沿半径方向按近似等螺距规则变化。该类型的搅拌器适用于低黏度漆料，调漆时混合效果较好，设备运转平稳，搅拌过程中吸入气泡少等优点。试验研究表明该搅拌器的直径与调漆罐直径的比值在0.44左右的时候，调漆效果最佳。三、漆调设备对于高黏度漆浆的调漆，除了用锚式、框式搅拌器外，还可采用MIG式搅拌桨型搅拌器。该类型搅拌器具有成本低、功耗少、搅拌效果好的特点。三、漆调设备2．

搅拌槽搅拌槽以圆形截面为主，制造比较方便，但在搅拌过程中液体会随轴一起做圆周运动而影响搅拌效果。如何解决这个问题呢？首先可在罐体上加挡板；其次还可采用搅拌器偏心安装（最后还可通过采用方形截面的搅拌槽来避免这种现象的产生。搅拌槽的罐底以椭圆形或锥形为主，这样有利于出料。

底部搅拌的调漆罐四、过滤设备涂料配制好之后，涂料过滤的设备主要有罗筛、振动筛、挂虑袋过滤、袋式过滤器、新型过滤原件等，其中挂虑袋过滤和袋式过滤器最为常用。1简单的过滤设备该类型的过滤设备主要包括罗筛、振动筛和挂虑袋过滤。罗筛是最简单、最原始的过滤器。罗筛的规格通常以罗面上丝网的目数来表示

2复杂的过滤设备袋式过滤器、滤芯多虑器以及兼有两者功能的新型过滤原件属于这一类过滤设备。二、研磨分散设备3．砂磨机砂磨机是50年代后期发展起来新型分散设备，我国60年代引进使用。球磨机的延伸，只是所用介质是较细的砂或珠。砂磨机体积小，可连续高速分散、效率高、结构简单、操作方便，迅速推广使用，取代了三辊机和球磨机在涂料生产中的地位包括立式开启式砂磨机、立式封闭式砂磨机、卧式砂磨机、各式棒销式砂磨机和蓝式砂磨机（1）立式开启式砂磨机

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7.4涂料的制备工艺色漆制备过程：配料→预分散→研磨分散→调合→调色(配色)→过滤包装配料要分二次完成。首先按一定的颜料/基料/溶剂比例配研磨颜料浆(pigmentpaste简称色浆)，使之有最佳的研磨效率；(2)在分散以后，再根据色漆配方补足其余非颜料组分。色浆料的称取要力求准确，特别是称取着色力强、用量少的颜料分时，称量误差易造成随后调色上的麻烦。另外，偏离了最佳配比的色浆料，那怕偏离幅度并不大，都可能造成研磨分散效率的极大下降，应引起密切重视。1.配料materialpreparation混合预分散常采用高速分散机，在低速搅拌下，逐渐将颜料加于基料中混合均匀。当圆盘周边速率达到21m/s以上时，易分散颜料只需～10分钟左右，便可微细地分散于基料中。对于难分散颜料(大颜料粒子、硬附聚体)，在高速下分散几分钟，只能将大的附聚粒子初步破碎，使附聚粒子的内部表面更多地展现于基料中而被润湿,要微细分散还需研磨。所以用高速分散机进行的混合过程，我们也称之预分散。预分散使得砂磨能正常生产，分散细度可满足要求。2.预分散pre-dispersion

process4000-5000rpm，圆周线速度达到2000cm/s以上。

研磨设备:砂磨机、球磨机，三辊机，二辊机和胶体磨通常采用砂磨（pebblemills）。(1)砂磨分散是种精细研磨，对中、小附聚粒子的破碎很有效，但对大的附聚粒子不起作用。故送入砂磨的色浆必须经高速分散机预分散。砂磨珠粒直径一般在1mm左右。粒径越小，研磨接触点越多

越细分散效果越好，只要不妨碍色浆过滤。由于砂磨粒子较小，对于膨胀性研磨料(高浓颜料浆)，粒子的分散能被增加的粘滞阻力抵消，研磨分散效果很差这对球磨机也是一样的，此时应换用三辊机分散。3.研磨分散dispersionprocess立式砂磨机

砂磨研磨料的粘度一般在3～15P之间。砂磨机应采取夹套水冷却来控制研磨温度。因为研磨时产生热量使温度不断上升，过高温度会影响漆料性质并造成大量溶剂挥发损失，易引起质量与安全事故但保持一定的研磨温度对提高研磨效率又非常重要，因此

在允许范围内研磨温度应采取高限。①有利于降低漆料中颜料与基料的界面张力，有助于对颜料的充分润湿；②较高温度使研磨浆粘度降低，可提高物料流动性，加速砂粒与研磨浆中颜料粒子的剪切作用，有助于研磨浆的充分分散。目前国外采用电力冷热水装置能更好地控制研磨温度。砂磨时，珠粒子与研磨料的体积比为1︰1时，分散效果最好珠粒过多，则它们处于拥挤状态，珠粒之间的剪切力大大降低，影响分散；拥挤珠粒还造成磨盘的过度磨损。珠粒太少，珠粒间距离加大，造成施加于颜料附聚粒子上的剪切作用过分丧失(例如，附聚粒子为20～80μm，若珠粒间平均距离由60μm增至120μm，分散效果很差)。砂磨机:立式和卧式、分批生产和连续生产之分，也有小型和大型之分。生产量大时宜采用大型砂磨机，因砂磨机的功耗与砂磨机容积的平方根成正比。例如，60升的砂磨机功耗仅是15升的2倍。珠粒尺寸大于5mm，作球磨ballmills研磨介质。球磨没有搅拌盘，仅采用同一大小的瓷球或采用粒径较小的钢球(1.5mm～30mm)。由于瓷球较大，人们会将较小的瓷球加到大球中去来提高分散度，但实际上大球会加剧小球的磨损。因此，从分散度考虑，完全可以全部采用小球，或采用密度更大的较小钢球来产生更大的分散力。球磨机装球量一般为其容积的1/3～1/2。1/2装球量有最佳分散效率，在其上下，研磨产量都减少。低至1/3装球量可加入更大体积研磨料，但产量约减少10%研磨料的加入量以正好把球全部盖住为宜。(2)球磨在装球量50%时，球实际占有体积为30%，研磨料体积为20%，最多再过量5%。在研磨料加量25%时，球磨时间大约需要8h；若研磨料增加一倍(45%～50%)，球磨时间需一昼夜(增加2倍)大型球磨机的球磨时间则比小型的要短。研磨料粘度由球体密度和大小按下式确定：η(KU)=10ρ+28.35d式中η——为Krebs单位，KU；ρ——为球体密度，g·cm-3；d——为球的直径，cm。球磨机相对于砂磨机的优势在于：①硬而粗大附聚粒子，它最终都能达到很高的分散度，故球磨前可不需要预分散。但预分散明显节省75%～80%球磨时间。②球磨色浆一般仅是成品色漆的1/5