颜料在涂料中的应用

中海油常州涂料化工研究院1颜（填）料在涂料中的应用钱伯容中海油常州涂料化工研究院有限公司2014.常州2中海油常州涂料化工研究院涂料的组成及特点涂料主要由四大组分组成—涂料的特点1.属于新材料领域，精细化工材料2.半成品3.体系复杂4.涉及学科多5.使用领域宽6.被涂底材五花八门7.制造设备通用，但须精细控制8.施工设备繁多，有适应性要求9.施工质量与底材及环境条件有关10.日趋严格的环保要求对涂料的结构和配方设计有影响基料（树脂）颜填料溶剂助剂3中海油常州涂料化工研究院颜填料在涂料中的主要作用颜料----着色颜料---提供所需要的色彩及装饰性使涂料具有遮盖力提高涂层的各种耐性防锈颜料---防止金属表面发生化学，电化学腐蚀功能性颜料---赋予涂层特殊的功能（如：珠光颜料—珠光效果，金属颜料—闪光效果，荧光颜料，高温颜料，示温颜料等,红外吸收颜料等）填料---提高涂层机械强度提高固含量，降低成本改善施工性能提供功能性，如纳米填料4中海油常州涂料化工研究院实例1红外反射颜料---冷屋面国家已出台有关标准反射隔热漆标准（JC/T1040-2007）5中海油常州涂料化工研究院实例2金属片状效应颜料金属铝颜料或云母粉，在汽车漆中平性取向，产生闪光效应6中海油常州涂料化工研究院与涂料性能有关的颜料特性颜色粒径及分布润湿性表面极性表面能着色力吸油量比表面积消色力耐光性耐酸，耐碱性晶型亲水亲油平衡（HLB）7中海油常州涂料化工研究院颜（填料）在涂料体系中的基本形态颜料和染料的区别颜料是以颗粒状态分散在介质中，染料是以分子状态溶解在介质中。1.染料在介质中总是透明的，而颜料除非原级粒径小于光的半波长，否则它在介质中是不透明的2.颜料既然是以颗粒状态分散在介质中，必然存在两者之间的界面3.颜料产品是原级粒子的聚集体或附聚体，使用时必需进行分散注意！8中海油常州涂料化工研究院颜料聚集体的分离过程（分散或研磨）研究结果表明，颜料粒径在0.05~0.5µm范围时，具有最佳的遮盖力、着色力和耐候性。大多数商品颜料的原级粒子粒径都在这个范围内。但由于在煅烧、烘干过程中，颜料的粒子常处于附聚态或聚集态：A原级粒子B聚集体C附聚体分散（研磨）的作用：〔注意〕原级粒子不会破碎！！B或CAx9中海油常州涂料化工研究院如何实现颜填料的稳定分散按目前绝大多数工业界和学术界认可的分散过程分三个步骤（1）润湿过程（2）分离（分散或“研磨”）过程（3）稳定过程颜料分散技术涉及的主要学科:（1）颜料化学-----包括无机颜料、有机颜料和体质颜料（2）表面化学-----固体表面、液体表面（3）界面化学-----液-固（液）界面，表面张力（4）聚合物化学---树脂结构，润湿剂/分散剂结构（5）聚合物物理化学—氢键，表面化学。物理吸附，范德华力10中海油常州涂料化工研究院如何实现颜填料的稳定分散按目前绝大多数工业界和学术界认可的颜料分散过程分三个步骤润湿过程分散（研磨）过程稳定过程11中海油常州涂料化工研究院颜填料的润湿过程在颜料分散工艺中，颜料是一个不连续相。要均匀、稳定地分散在连续分散介质（树脂+溶剂）中，首先碰到的问题是润湿。一般颜料在生产加工出产后，表面都吸附有空气、水和其它污染物等物质，这些吸附物对树脂（溶剂）-颜料之间的浸润有阻止作用。颜料空气水12中海油常州涂料化工研究院改善颜料润湿的主要措施漆料的表面张力要低于颜料的表面自由能（要同时考虑使用低表面张力的溶剂、树脂及润湿剂，溶剂的表面张力＜成膜物的表面张力---低固体份有利于润湿）树脂中应含有一定数量的极性基团（如羟基、胺基等）漆料的粘度应稍低（具有一定的渗透力）颜料的表面经过改性，极性高（如碳黑表面经氧化处理）分散预混料放置过夜，使树脂和溶剂有足够的时间取代颜料表面的空气和水13中海油常州涂料化工研究院稳定化是颜料分散过程中最重要的一个环节分散体（颜料浆）出现问题常常就是稳定化技术没有过关稳定化出问题-------絮凝（俗称“反粗”)，它会给涂料带来许多弊病：涂料（或色浆）返粗（细度不合格）涂料光泽下降遮盖力下降着色力下降色浆稠度上升14中海油常州涂料化工研究院空间位阻（熵排斥）稳定原理200Å颜料吸引力排斥力X熵减少熵增加15中海油常州涂料化工研究院吸附层的厚度D颜料表面的树脂及溶剂（或分散剂）的吸附层厚度D＞10nm体系才稳定（溶剂吸附层厚度一般只有0.6~0.8nm)D16中海油常州涂料化工研究院影响吸附层厚度的因数有哪些？颜料表面吸附层的厚度决定了颜料分散体的稳定性表面活性剂----非极性段的长度具有多个锚定基团的树脂-----树脂的分子量如：环氧+钛白低分子量的环氧----吸附层厚度只有7nm高分子量环氧-----吸附层厚度达到25nm(稳定性好）颜料表面的极性溶剂和树脂的竞争吸附，溶剂赢-----吸附层厚度降低树脂赢-----吸附层厚度提高树脂中极性官能团的多少，以及它们的分布17中海油常州涂料化工研究院树脂链上的极性基团数量及分布也会影响厚度分布密，吸附层薄分布疏松，吸附层厚嵌段聚合，吸附层厚DDD18中海油常州涂料化工研究院颜料分散与颜料表面性能的关系颜料分散的关键是要保证在颜料表面有足够厚度的牢固吸附层防止已分散好的颜料浆出现絮凝（返粗）从颜料方面要注意的问题是：颜料表面的极性---即有无可锚定的基团颜料的粒径大小---即颜料本身的比表面积大小颜料的表面处理工艺颜料的pH值-----往往会出现与基料的pH相克颜料聚集体的内聚力大小-----影响分散时的外加剪切力大小颜料表面的多孔隙性----影响吸油量，润湿性颜料表面的水份----润湿时需要置换颜料表面的水溶性盐----影响分散时的吸附层，特别是水性体系19中海油常州涂料化工研究院高分子分散剂的使用方法高分子分散剂使用时要注意三个方面的问题：1。分散剂与基料（树脂）的相容性2。分散剂的使用量（与颜料量的比例）3。分散剂的使用方法相容性好不好（呈透明或不透明状态）是分散剂选用的首要条件。相容性好，分散剂的链段能充分在基料中伸展，提高吸附层的厚度，增加分散体的稳定性相容性试验可以用搅拌或加玻璃珠分散的方法，检查体系是否透明。但相容性试验并不能表明此分散剂分散效率的高低20中海油常州涂料化工研究院分散剂加入量的确定无机颜料用量为颜料吸油量的10%,(注意:此处分散剂的用量是指100%的分散剂活性成分)吸油量100%的分散剂用量（按颜料计）例如—钛白191。9%钼铬红202。0%氧化铁红3920353。5%碳黑用量为碳黑吸油量（DBP邻苯二甲酸二丁酯）的20~23%DBP100%的分散剂用量例如—FW20015030~35%21中海油常州涂料化工研究院有机颜料有机颜料的分散剂用量的确定比较困难，一般使用比表面值（BET)来进行计算。对黄，红，橙色的颜料，用量一般为颜料BET值的50%BET值100%分散剂的用量（按颜料计）例如—F3RK7022㎡/g11%L3910Red36㎡/g18%对于酞青蓝，酞青绿，及紫颜料，当BET值＜50时，用量为BET的50%；BET值＞50时，用量为BET值20~50%BET值100%分散剂的用量（按颜料计）例如---酞青绿GLN4020%注意—分散剂的用量和颜料的表面处理有很大关系，使用时要注意。上述方法只是推荐。22中海油常州涂料化工研究院颜料的静电排斥稳定原理在水性体系中经常采用23中海油常州涂料化工研究院树脂/颜填料的化学接枝表面带羟基颜填料接枝环氧树脂（E44）玻璃鳞片（GF）云母氧化铁（MIO）纳米二氧化硅(SiO2)40003000200010000GF-E44MIO-E44SiO2-E44SiO2TransmittanceWavenumbers(cm-1)GFMIO颜填料接枝后的红外光谱图OOOHOOR'NCOTDIOHOHHOROOROOROOROOROOROO纳米SiO2接枝前后的TEM照片24中海油常州涂料化工研究院涂料的色彩和颜（填）料的关系涂料的色彩是由颜填料所提供。颜色在光学中是由三原色构成----红，蓝，绿，是加色体系，其他颜色均由其加合而成颜填料的颜色是一种反射色，即颜料吸收某种波长的光线后，反射出的颜色，因此是减色体系。它的三原色是---品红，青，黄。其他颜色均由其加合而成吸收所有波长光线的颜料-----黑色反射所有波长光线的颜料-----白色光的三原色颜料的三原色25中海油常州涂料化工研究院L*a*b*色空间26中海油常州涂料化工研究院a*b*色平面27中海油常州涂料化工研究院颜料在涂料中的遮盖力涂料的遮盖力是完全盖住黑白格的涂覆量------g/m2,取决于颜料的遮盖力。颜料遮盖力的强弱主要决定于下列性能：(1)折射率，折射率愈大，遮盖力愈强；(2)吸收光线能力，吸收光线能力愈大，遮盖力愈强；(3)结晶度，结晶的遮盖力较强，无定形的遮盖力较弱；(4)分散度，分散度愈大，遮盖力愈强。28中海油常州涂料化工研究院颜填料折射率对涂料遮盖率的影响当基料和颜料的折射率接近时，颜料几乎无遮盖力当基料和颜料的折射率差别大时，颜料遮盖力强----对光的反射能力越强，遮盖力越强因此----聚合物空心球可做填料。具有一定的遮盖力钛白（R）2.73丙烯酸树酯1.49钛白（A）2.55亚麻油1.48碳酸钙1.63醋酸乙烯1.47氧化锌2.02聚苯乙烯1.60锌钡白1.82醇酸/氨基1.55空气1.00PC1.5929中海油常州涂料化工研究院颜填料遮盖力的能力，可用下式(fresnel公式）来初步判断：2N1–N2R=----------N1+N2N1---颜料的折射指数N2---基料的折射指数R—相对反射率30中海油常州涂料化工研究院颜料的颗粒直径对涂料遮盖力的影响当颗粒的直径近似等于入射光在颗粒质点内部时的波长时，能使入射光在界面上发生最大程度的散射。大致说来，颜料颗粒的最佳直径近似于光线在空气中的波长的一半，亦即为0.2~0.4μm。如果质点直径小于此值，则颗粒质点就会失去散射光的能力；而大于此值，则使一定重量的颜料的总表面积减少，使颜料对光线的总的散射能力减少散射现象绕射现象（透明颜料）颜料粒径颜料粒径200-400nm31中海油常州涂料化工研究院颜料的颗粒形状在涂料中的作用颜料的形状一般分三种：1.球状或近似球状-----钛白粉，立德粉2.针状-----硅灰石CaSiO3，晶体属三斜晶系晶须---碳酸钙晶须（人工合成的单晶纤维）碳酸钙晶须硅灰石CaSiO3在涂料中，特别是可提高底漆的强度（像钢筋水泥）32中海油常州涂料化工研究院颜料的颗粒形状在涂料中的作用3.片状颜填料---铝粉，铜金粉，云母粉，云母氧化铁，珠光粉，玻璃鳞片，不锈钢粉屏蔽作用。主要有浮型铝粉，云母氧化铁，不锈钢粉等。起到迷宫效应例如---云母氧化铁，主要成分为α—Fe2O3,是由镜铁矿经、旋流分级、烘干而成的片状矿物濒料，也可人工合成防锈反射UV中涂功能33中海油常州涂料化工研究院颜料的颗粒形状在涂料中的作用产生特殊效果，如闪光效果主要有铝粉，珠光粉。目前汽车面漆中大量使用。原理----片状铝粉，或珠光粉在干膜中的平性取向，产生随角异色效果-------即随观察角度变化，涂层的明度，或颜色发生变化。入射光清漆反射光颜料散射光铝粉反射光清漆颜料铝粉34中海油常州涂料化工研究院颜料的表面状态对其作用的影响以铝粉为例-------1.浮型铝粉-------表面采用硬脂酸（十八烷酸）+磺酸盐等处理，表面富集羧基-COOH、羟基-OH、磺酸基SO3--等亲水性基团，有助于提高浮型铝粉的漂浮力2.非浮型铝粉----表面采用油酸（十八碳烯酸）处理，油酸是不饱和脂肪酸，比饱和脂肪酸（硬脂酸）更易溶于有机溶剂3.水性铝粉---表面采用二氧化硅包覆（正硅酸乙酯+偶联剂），或聚合物包覆。避免使用时与水反应。35中海油常州涂料化工研究院颜料的结构对在涂料中性能的影响以炭黑为例-----36中海油常州涂料化工研究院颜填料在涂料中的体积浓度的影响颜料体积浓度PVCPVC=CPVCPVC＞CPVC树脂空穴颜料37中海油常州涂料化工研究院CP