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色素碳黑在涂料中的應(yīng)用

來源:www.sdwfjmq.com日期:2018-09-13


1.碳黑在涂料中的作用
    涂料對其顏料的要求,除顏色以外,還對其著色力、吸油量、水分、水溶性、PH值、相對密度、粒子形狀大小、耐溶劑性、耐化學(xué)品性、耐侯性、無害、分散性等有不同的要求。
    碳黑在物理方面活性很高,但在化學(xué)方面則是不活性的,因此其耐候性和耐化學(xué)品性好。碳黑的黑度和著色力高,價格穩(wěn)定,因此在涂料工業(yè)不可缺少的黑色顏料,常用于建筑、汽車、鐵路車輛和船舶用涂料中。碳黑除用于黑色涂料外,還作為調(diào)色顏料應(yīng)用于灰色及其他顏色的涂料中。
2.
碳黑的基本性能和涂料應(yīng)用性能的關(guān)系
1)黑度
    黑度是涂料用碳黑的主要指標(biāo),當(dāng)用于黑色涂料的著色時,例如黑色汽車面漆,要求所用碳黑黑度愈高愈好。當(dāng)將碳黑用于調(diào)色時,黑素太高添加量太少,反而容易引起不同批次的涂料產(chǎn)品產(chǎn)生色差,故要求使用黑度較低的碳黑。
   碳黑的黑度即碳黑吸收光的程度,光吸收愈多,光反射愈弱,碳黑及其著色物質(zhì)的黑度就越高。由于光吸收作用在碳黑粒子內(nèi)部(準(zhǔn)晶體碳晶格中)產(chǎn)生,當(dāng)碳黑在涂料中濃度為一定時,碳黑粒徑越細,同樣容積中碳黑粒子數(shù)也越多,光吸收越強,黑度也越高,而用粒徑較粗的碳黑,光反射較多,即使增加碳黑濃度,使同樣容積中碳黑粒子數(shù)增多,但光反射仍較多,黑度仍較采用細粒子碳黑的低。
   碳黑的聚集體會產(chǎn)生光散射作用,當(dāng)碳黑結(jié)構(gòu)高時,聚集體的光散色增強,從而也會降低光吸收的程度即降低黑度。
2)著色力
    著色力(著色強度)是將白色或彩色顏料和碳黑混合時,碳黑的著色能力。也就是碳黑使混合物系光吸收作用提高的程度。這一特性取決于碳黑和顏料的配量比和碳黑本省的性質(zhì),當(dāng)配量比一定時,某一碳黑的著色能力即為其著色強度,在涂料行業(yè)中稱為著色力。
碳黑粒徑小時,結(jié)構(gòu)低,著色力就較高,然而當(dāng)粒子小于20nm時著色能力不再上升,甚至下降,其原因如下:
一粒徑過小難分散,形成較大附聚體。
一粒徑小的炭黑,被粒徑較大的顏料粒子遮蔽。
一粒徑小于20nm時,涂膜的透明度增加。
    如將碳黑按不同配量比和一個白色顏料混合時,可進行淺灰、灰色、深灰和黑色著色,如欲將一種顏色略微調(diào)暗些,則可用碳黑調(diào)色,一般采用著色強度較低的,也就是粒子較大的碳黑來調(diào)色,添加量很小,添加量的細小誤差對配出的顏色影響就很大。
(3)
色相
    “碳黑粒子”隨粒徑減小而減弱的光反射還會影響色相。用細粒徑碳黑進行表層黑色著色產(chǎn)生淡藍色相,它能進一步增強高色度視覺印象。用粗粒徑碳黑著色則會產(chǎn)生棕色色調(diào)。
可見光射入碳黑“飽和色”(不透明)著色層中時,碳黑粒徑越細,短波藍光的散色比長波紅光更強。由于紅光散射更弱,便能更深地射入著色層,而藍光散射更強,它能更強地產(chǎn)生回散色。從著色層中向外反射。
    觀察用碳黑著色的透明層時,色調(diào)關(guān)系恰好相反,隨著碳黑粒徑減小,可見光中散射強的藍光射入著色層較少,而從另一面透射而出。因此由于缺少藍光,透明層則更顯棕色色調(diào)。進行“白色混合著色”(調(diào)色)時,得到的結(jié)果與觀察透明層中飽和色 著色的情況相同。使用細粒徑碳黑時,可見光藍光部分側(cè)向散射性較強,從而使余下紅光引起黃灰色色調(diào)。相反,前述用來“調(diào)色”的粗粒徑碳黑特別是粒子較粗的燈煙碳黑卻會引起藍相色調(diào)。
除粒徑外,碳黑的結(jié)構(gòu)也會對色調(diào)產(chǎn)生影響,結(jié)構(gòu)較高的碳黑和粒子較粗的碳黑會產(chǎn)生相似的影響。
4)光澤
    當(dāng)碳黑粒徑減小或結(jié)構(gòu)提高時碳黑的吸油量增加,會使涂料的粘度提高,在同樣的碳黑濃度下,涂層表面自由漆料(成膜物質(zhì))減少,因此光澤降低。當(dāng)表面含氧基團或揮發(fā)分增多時,碳黑在連結(jié)料中的潤濕性提高,粘度降低,涂層表面自由漆料增多,光澤將會提高。
5)分散性和分散穩(wěn)定性
   涂料用碳黑聚集體大小一般在20到數(shù)百納米之間,在漆料中不容易分散,碳黑在漆料中的分散下狀態(tài),對涂料的性能影響很大。還有,碳黑在涂料特別是和其他顏料如鈦白粉等混合使用時,由于其相對密度、聚集體直徑、形狀和表面化學(xué)性的不同,碳黑容易產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象,即影響涂料的分散穩(wěn)定性。
當(dāng)碳黑分散性好時,則涂料具有以下的特性。
1.
光學(xué)性質(zhì)如黑度、著色力、光澤、遮蓋力等好。
2.
流動性好
3.
分散穩(wěn)定性好
4.
涂膜物性如平滑性、光澤保持性、機械性能(硬度、伸長率、沖擊強度和附著性)、耐侯性均提高。
    碳黑性能對涂料分散性及分散穩(wěn)定性的影響,一般粉狀、粒徑粗的、結(jié)構(gòu)高的碳黑分散較好。碳黑的表面化學(xué)性對分散性和分散穩(wěn)定性的影響較大,但隨所用連接料中樹脂和溶劑的性能不同而不同。揮發(fā)分高的酸性碳黑在極性溶劑中的潤濕性提高,在和鈦白粉共用的灰色涂料中貯存穩(wěn)定性好。 
3.
分散及分散穩(wěn)定性的機理
   一般碳黑在涂料中的分散需經(jīng)歷以下三個過程。
1.
碳黑被漆料潤濕,由碳黑—空氣界面轉(zhuǎn)為碳黑—漆料界面。
2.
碳黑被分散,碳黑的附聚體被破碎為聚集體。
3.
碳黑粒子的穩(wěn)定化。碳黑聚集體表面吸附漆料中的樹脂和表面活性劑,以保持膠態(tài)粒子的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。
    碳黑的潤濕是指漆料浸透了碳黑附聚體間的空隙,碳黑附具體的大小、空隙率,特別是表面化學(xué)性對潤濕有很大影響。支配碳黑附聚體分散的因素是剪切速度和剪切切應(yīng)力,體系粘度和附聚體自身特性。在高剪切速度、高剪切應(yīng)力、高粘度的體系中,碳黑附聚體較弱,而較易分散。
    碳黑的分散穩(wěn)定性對涂料來說是一個十分重要的性質(zhì),如果分散不穩(wěn)定,在涂料貯存過程中,碳黑聚集體重新凝聚為附聚集體,即所謂“返粗”現(xiàn)象,不僅會使涂膜黑度發(fā)生變化,也會使涂膜的其他性能降低。
顏料和碳黑分散性保持機理主要有以下兩點。
1.
靜電的排斥力使分散穩(wěn)定化。碳黑表面吸附分散劑后,粒子表面的電位提高,且?guī)в邢嗤碾姾桑虼肆W娱g的排斥力增加,而使分散穩(wěn)定。
2.
立體的保護(包封)作用使分散穩(wěn)定化。由于樹脂和分散劑的吸附后重疊于碳黑粒子表面,使表面的滲透壓上升和值降低,粒子間排斥力也增大,而使分散穩(wěn)定。
使涂料分散穩(wěn)定化有效的手段是添加分散穩(wěn)定劑,在水性涂料中常用聚羧酸系鈉鹽或萘酸納等陰離子型表面活性劑。非水性涂料則常用硬脂酸鋁等金屬鹽或烷基苯磺酸鈣、卵磷脂、脂肪酸的山梨糖酸脂或烷基聚胺等表面活性劑。
    碳黑的表面化學(xué)性對碳黑在漆料中的分散穩(wěn)定性有明顯影響。經(jīng)過表面氧化處理的表面,其表面羧基、羥基和內(nèi)酯基增多,起到了“內(nèi)在表面活性劑”的作用,和同樣粒徑結(jié)構(gòu)未經(jīng)氧化處理碳黑對比,可以提高分散穩(wěn)定性,并降低分散劑用量。因此,在涂料用碳黑中,特別是水性涂料用碳黑,多選用經(jīng)過表面氧化的高揮發(fā)分酸性碳黑品種。


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