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色素碳黑在涂料中的應(yīng)用、性能要求
1.碳黑在涂料中的作用
涂料對(duì)其顏料的要求，除顏色以外，還對(duì)其著色力、吸油量、水分、水溶性、PH值、相對(duì)密度、粒子形狀大小、耐溶劑性、耐化學(xué)品性、耐侯性、無(wú)害性、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(jià)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(chē)、鐵路車(chē)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(shí)，例如黑色汽車(chē)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(shí)，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(shí)，碳黑粒徑越細(xì)，同樣容積中碳黑粒子數(shù)也越多，光吸收越強(qiáng)，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(xì)粒子碳黑的低。
碳黑的聚集體會(huì)產(chǎn)生光散射作用，當(dāng)碳黑結(jié)構(gòu)高時(shí)，聚集體的光散色增強(qiáng)，從而也會(huì)降低光吸收的程度即降低黑度。
（2）著色力
著色力（著色強(qiáng)度）是將白色或彩色顏料和碳黑混合時(shí)，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(shí)，某一碳黑的著色能力即為其著色強(qiáng)度，在涂料行業(yè)中稱(chēng)為著色力。
碳黑粒徑小時(shí)，結(jié)構(gòu)低，著色力就較高，然而當(dāng)粒子小于20nm時(shí)著色能力不再上升，甚至下降，其原因如下：
一粒徑過(guò)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(shí)，涂膜的透明度增加。
如將碳黑按不同配量比和一個(gè)白色顏料混合時(shí)，可進(jìn)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(qiáng)度較低的，也就是粒子較大的碳黑來(lái)調(diào)色，添加量很小，添加量的細(xì)小誤差對(duì)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(huì)影響色相。用細(xì)粒徑碳黑進(jìn)行表層黑色著色產(chǎn)生淡藍(lán)色相，它能進(jìn)一步增強(qiáng)高色度視覺(jué)印象。用粗粒徑碳黑著色則會(huì)產(chǎn)生棕色色調(diào)。
可見(jiàn)光射入碳黑“飽和色”（不透明）著色層中時(shí)，碳黑粒徑越細(xì)，短波藍(lán)光的散色比長(zhǎng)波紅光更強(qiáng)。由于紅光散射更弱，便能更深地射入著色層，而藍(lán)光散射更強(qiáng)，它能更強(qiáng)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(shí)，色調(diào)關(guān)系恰好相反，隨著碳黑粒徑減小，可見(jiàn)光中散射強(qiáng)的藍(lán)光射入著色層較少，而從另一面透射而出。因此由于缺少藍(lán)光，透明層則更顯棕色色調(diào)。
進(jìn)行“白色混合著色”（調(diào)色）時(shí)，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(xì)粒徑碳黑時(shí)，可見(jiàn)光藍(lán)光部分側(cè)向散射性較強(qiáng)，從而使余下紅光引起黃灰色色調(diào)。相反，前述用來(lái)“調(diào)色”的粗粒徑碳黑特別是粒子較粗的燈煙碳黑卻會(huì)引起藍(lán)相色調(diào)。
除粒徑外，碳黑的結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)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(huì)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(shí)碳黑的吸油量增加，會(huì)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(tuán)或揮發(fā)分增多時(shí)，碳黑在連結(jié)料中的潤(rùn)濕性提高，粘度降低，涂層表面自由漆料增多，光澤將會(huì)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?tīng)顟B(tài)，對(duì)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(shí)，由于其相對(duì)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(shí)，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(dòng)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(jī)械性能（硬度、伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度和附著性）、耐侯性均提高。
碳黑性能對(duì)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(duì)分散性和分散穩(wěn)定性的影響較大，但隨所用連接料中樹(shù)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(rùn)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(jī)理
一般碳黑在涂料中的分散需經(jīng)歷以下三個(gè)過(guò)程。
1.碳黑被漆料潤(rùn)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(shù)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(rùn)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(duì)潤(rùn)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(duì)涂料來(lái)說(shuō)是一個(gè)十分重要的性質(zhì)，如果分散不穩(wěn)定，在涂料貯存過(guò)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(huì)使涂膜黑度發(fā)生變化，也會(huì)使涂膜的其他性能降低。
顏料和碳黑分散性保持機(jī)理主要有以下兩點(diǎn)。
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?，因此粒子間的排斥力增加，而使分散穩(wěn)定。
2.立體的保護(hù)（包封）作用使分散穩(wěn)定化。由于樹(shù)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(duì)碳黑在漆料中的分散穩(wěn)定性有顯 著影響。經(jīng)過(guò)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(duì)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(guò)表面氧化的高揮發(fā)分酸性碳黑品種。
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