颜料的分散机理
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1楼
一、举例：碳黑颜料的分散机理
众所周知，炭黑是最难分散的颜料之一，因此炭黑比任何其它颜料更需要彻底分散在载体中。虽然几乎所有炭黑用户都或多或少地掌握一些有效分散炭黑的技巧，但对炭黑分散过程和机理的了解就显得相对薄弱，所以有必要在此对炭黑的分散过程和机理做一简要描述。
（一）、炭黑颜料的分散过程和机理
炭黑的分散过程是物理过程，在这个总过程中还包括许多独立的子过程。炭黑在另一种介质中被分散，实际就意味着炭黑粉末中的附聚物被破坏为较小粒子，并同时被介质所润湿。炭黑的分散过程也伴随有炭黑粒子的随机均匀分布过程，如果介质粘度较低，则已分散的炭黑粒子就会由于粒子间的吸引力而容易聚集，即所谓的颜料粒子再附聚作用。这种作用会降低炭黑的着色强度，为防止再附聚作用的发生，必须使炭黑分散状态稳定化。
炭黑的分散过程可以分为以下四个阶段：
1、破碎：由于商品级炭黑颜料的通常细度(45μm)远远不符合下游领域的最终要求，所以在使用炭黑时必须对炭黑进行破碎分散操作，也只有将炭黑破碎分散到一定细度范围时，才能使炭黑的着色性能或其它所需要的性能充分发挥出来。例如，发生在挤出机、捏合机、三辊机、密炼机、高搅机、球磨机、砂磨机等中的操作过程均是颜料的破碎。做为颜料的特性，炭黑的破碎程度同样与自身粒子的“坚牢度”有关。
2、 润湿：自由炭黑粒子表面与周围介质的相互作用是炭黑被润湿的重要因素。炭黑润湿的能量关系可用热力学定律来解释，其中炭黑表面张力和表面能是润湿热的重要辅助参数，也可以从动力学角度描述炭黑粉末和附聚物的润湿过程。润湿时间不但与炭黑粉末的孔隙及几何结构有关，还随介质粘度提高而增加，并随润湿张力增大而减少。在实用条件下，升高温度可以加速润湿过程，但温度升高(粘度降低)又会导致剪切力(破碎作用)降低。润湿体积可作为炭黑孔体积或填充密度的量度，它与炭黑的相对着色强度密切相关，因此间接与炭黑在最终制品中分散质量有关。所以，在实际操作中为了提高炭黑的分散性，往往在介质中掺入了低分子量的添加剂(如增朔剂或粘度促进剂等)。
3、分布：通过提高加工温度和降低体系粘度，使体系处于湍流条件下；以及延长炭黑在加工设备内的停留时间；可以使被润湿的炭黑粒子达到最佳分布。但是，在实际操作中，延长停留时间将受到产量要求的限制。因此，对于塑料行业，通常在注朔机和挤出机中安装鱼雷头、多孔板、剪切部件以及加设捏合段和采取其它设计措施，以提高破碎作用和延长停留时间。
4、内聚力：由于炭黑粒子之间存在吸引力(偶极、氢键和静电力)，因此必须依靠外界能量来克服吸引力，才能达到分散目的。炭黑的分散性和它的粒度分布有密切关系，粒度小的炭黑具有较大的比表面积，并且存在热力学上的不稳定性，从而容易产生再附聚作用。在实际操作中，添加分散剂涂覆在炭黑粒子表面，从而降低炭黑粒子之间的内聚力，有助于避免炭黑分散操作困难。
（二）、炭黑分散不良导致的主要后果
分散炭黑的目的是使炭黑在载体中处于一种胶体的分布状态，这种分布程度会直接影响到制品的色相、黑度和遮盖力。炭黑的分散主要受制于三个因素：炭黑本身的特性;载体或分散介质的类型;所使用的分散设备类型。在使用炭黑着色时，如果炭黑分散不良会导致以下方面的后果：
l 颜色强度不稳定；
l 色泽不好；
l 出现条纹；
l 挤出机的过滤筛网被堵塞；
l 在挤出加工吹朔薄膜时，未破碎的炭黑附聚物引起膜泡撕裂；
l 引起单丝和扁丝断裂；
l 由于制品表面的不均匀性引起的印刷问题；
l 引起制品机械强度降低(缺口效应)；
l 由于颜色包覆不良而导致耐磨性下降。
由此可见，炭黑的分散在实际应用中至关重要。
二、颜料分散的办法
大体上讲，颜料的分散方法大致有下列三种：干混合法、融体剪切法和液体研磨法。
干混合法是指颜料与树脂由低到高速强度下混合，颜料分散主要通过冲击研磨而实现的，其主要设备有高低速混合机；
融体剪切法是指在捏合作用下，通过熔化树脂传递大剪切应力；
液体研磨法则是指通过液态载体的冲击式剪切力来分散颜料。
目前，市场上能比较好地解决颜料分散性的产品主要有以下几种商品形式：预分散颜料色片、浆状颜料和色母粒等三种。除此之外，还有一些如色饼、色膏等针对性很强的产品。
一是由专业生产厂家将颜料加工成颜料色片（Pigmented chips，Color chips）。所谓颜料色片，也称固体色浆、色粒、干片、切片、预分散颜料，指的是颜料和指定载体树脂的固态均匀混合物，也就是预分散在树脂中的高浓度颜料。预分散颜料色片中的颜料含量比较高，根据体系的不同，一般可以在50-70%之间，载体树脂的含量比例在30-50%左右，某些如硝化棉（N/C）体系的颜料色片品种还含有环保的增塑剂。预分散颜料色片，等同于给油墨制造商按比例配制好的颜料和树脂，它可以被直接装入油墨配方，也可以先按色浆的要求先分散成半成品——色浆，再以色浆加入调墨油的形式混合制成油墨。由于预分散颜料可以很容易地在高速分散机上进行分散，其分散细度完全可以满足一般油墨的要求。由此可见，易分散性是它的最大优势。如果对油墨产品的细度要求很高，或者说要求有纳米级效果，可以对半成品色浆进行一次快速砂磨处理，得到的色浆性能可以用“极好的巅峰状态”来形容，不管是色泽、光泽和亮度都是无与伦比的。预分散颜料的市场推广应用，有一个价格因素在制约。笔者一直希望其能进行大规模的商品化生产，从源头上降低成本。如能和颜料生产厂家一起研究开发，不仅能从原材料成本上控制，更能从技术、服务上得到长足进展。
二是由颜料生产厂直接制成浆状颜料（色浆，Color paste），由油墨、涂料生产厂在生产时直接加入配方使用，从而可以省却费时费力的研磨作业工序，得到效果比较满意的产品。典型意义上的浆状颜料(色浆)是指颜料生产厂将颜料湿滤饼，采取脱水步骤后，把颜料分散到各种基料中去，制成一种色浆。一般有机颜料比重小，色浆的颜料含量也较低；而无机颜料的比重大，则可达到较高的颜料含量。浆状颜料可保持颜料沉淀时的颗粒尺寸，特点是细度好、色泽也较鲜明、着色力也较高。
三是色母粒。色母粒(Color Master Batch)是指颜料按20%-80%的比例经研磨或双螺杆挤出均匀地分散到树脂中而制得的颜色颗粒，美国称之为颜料浓缩物(Pigment Concentration)或颜料制备物(Pigment Preparation)。它具有着色效果优越、便于自动计量和运输、节约能源、无粉尘、无污染等优点，在塑料等材料的着色中应用普遍。这其中，载体是色母粒的重要组成部分，其作用是增强颜料与要着色的树脂之间的亲和力和提高着色组分与树脂的分散与混合。用茂金属催化法合成的树脂作载体能大大提高颜料在色母粒中的协同效应和分散性。由于颜料在色母粒中分散性提高，更可获得一个更均一的相，因此，可以做到颜料用量更少，却能同时保持高着色质量效果。这是因为茂金属催化法合成的树脂与Z-N催化法合成的树脂不同，茂金属催化法合成的树脂作载体能制备高浓度的色粒，颜料含量更可达80%。除此之外，色母粒中用茂金属催化法合成的树脂作载体，不仅会使着色容易，还能使色母粒产生美观感，而且对着色产品的力学性能也有改善，这是因为颜料分散好以后，结晶性可以提高，得到的制品的耐应力、开裂性能相应提高。
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