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無機顏料表面處理機理與作用

發布者：無機涂料|水無極發布時間：5/28/2018 2:16:29 PM

對無機顏料進行表面處理，可以進一步提高顏料的應用性能和使用效果，充分體現其光學性質和顏料性能，是提升顏料質量檔次的主要措施之一。
1 表面處理的作用
對無機顏料進行表面處理的作用可概括為三個方面：①提高顏料本身的特性，如著色力、遮蓋力等；②提高使用性能，增強顏料在溶劑和樹脂中的分散性和分散穩定性；③提高顏料制成品的耐久性、化學穩定性和加工性能。
顏料的表面處理可以通過無機包膜和添加有機表面活性劑來實現其目的，例如：
鉻黃在制造涂料過程中容易發脹、變稠，在調色時容易出現“絲光”，通過添加鋅皂、磷酸鋁、氫氧化鋁來減少其粗針狀晶體，降低發脹現象；鉛鉻黃顏料可以用二氧化硅或銻化合物或稀土元素進行表面處理，以提高其耐光、耐熱和化學穩定性；鎘黃可以通過Al2O3 、 SiO2 表面處理來提高其表面積、增強耐候性，也可以通過添加硬脂酸鈉、烷基磺酸鹽等使其表面從親水性變為親油性而更容易在樹脂中分散；鎘紅通過 Al2O3 、 SiO2 包膜表面處理也可以提高其分散性和耐候性；氧化鐵顏料可以用硬脂酸作表面處理劑，提高其在有機介質中的分散性，也可以通過Al2O3 表面處理，增強其表面親油性能；透明氧化鐵黃，可以通過添加十二烷基萘磺酸鈉表面處理來提高它的分散性和透明度；氧化鐵藍顏料耐堿性差，可以通過脂肪胺表面處理來增強其耐堿性能；群青的耐酸性差，可以通過 SiO2表面處理來提高它的耐酸性能；立德粉可以通過稀土元素表面處理來降低立德粉中硫化鋅的光化學活性；碳酸鈣可以通過硬脂酸、硬脂酸鈣、聚丁二烯、松香酸或鈦酸酯、磷酸酯、硅烷偶聯劑表面處理，生產出各種不同牌號、不同用途的活性碳酸鈣；高嶺土可以通過某些季胺鹽或甲基丙烯酸酯、硅烷、脂肪酸、鈦酯酸進行表面處理，制成應用性能極佳的活性高嶺土；鈦白粉可以通過Al2O3 、 SiO2、 ZrO2 表面處理來提高其耐候性，以及用各種有機表面活性劑來提高它的濕潤性和分散性。
2 表面處理的作用機理
無機顏料的基本光學性能和顏料性能，主要由以下三方面來確定：①顏料與分散介質之間的折光率之差；②被固體吸收的光（包括固體中的雜質）；③粒徑及粒徑分布。其中粒徑及粒徑分布可以通過表面處理來改善。
在顏料生產過程中，無論被研磨多細的顏料粉末，總會含有一些聚集和絮凝粒子。顏料在運輸、儲存過程中，由于擠壓、受潮會進一步絮凝成大顆粒，而且顏料越細、表面積越大、表面能更高，更容易絮凝在一起。如果通過適當的表面活性劑處理后，這些絮凝的大顆粒，在使用時就很容易被分散開來，其分散機理主要如下：
2.1 潤濕
無機顏料粉末在液體中的分散主要經過以下三個階段：①粉末的濕潤，液體不僅要濕潤粉末的表面，還要把粉末粒子間的空氣和水分置換出來；②通過濕潤的粉末并置換出粒子間的空氣和水分后，顏料粉末中的絮凝體和聚集體被破壞；③被濕潤和被破壞的絮凝體和聚集體粉末在液體中保持穩定的分散狀態。也就是說分散是潤濕—分散—保持分散體穩定的過程。一般情況下，無機顏料在使用前是很少進行烘干處理的，顏料的表面除了夾雜著空氣，還吸附一層水膜。顏料表面通常所吸附的水量，相當于固體表面上所形成單分子膜所需要的水量。例如每克 TiO2 表面積為 10m 2 ，水分子吸附層厚度為 10 × 10 -10 m ，單分子膜所需要的水量約為顏料重量的 0.3% ，所以顏料中的水分含量也是影響其分散性能的主要因素之一。固體被濕潤的好壞，可根據其接觸角來判斷，接觸角為 0 °表示完全濕潤，液體完全展布在固體的表面；接觸角為 180 °表示完全不濕潤，液體呈水珠狀附著在固體的表面。
固體能否在液體中良好濕潤，除了用接觸角大小來判斷外，還可測定其濕潤熱的大小來判斷，一般親水性粉末（如 TiO 2 ）在極性液體中濕潤熱大，在非極性液體中濕潤熱小，而疏水性粉末在極性和非極性液體中的濕潤熱大致上是一定的。
固體粉末在液體中的沉降速度和沉降容積的大小也可判斷其濕潤程度的好壞（見表 1 ），像 TiO 2 這種極性大的固體在極性大的溶液中沉降容積小，在極性小的溶液中則大；而非極性固體粉末一般沉降容積都大。通過加入表面活性劑處理后，由于表面活性劑分子有力地定向吸附在固體的表面，有助于降低液體的表面張力，提高其濕潤和分散性能。
2.2 電斥力（ξ電位）
無機顏料在水溶液中的分散和分散穩定性，主要依賴其在水中的電斥力即ξ電位的大小來決定。
電斥力就是利用電荷的排斥來保持分散穩定性。
表面活性劑能在水溶液中電離出大量帶負電（或正電）的離子，牢固地吸附在顏料粒子的表面，使這些粒子帶有相同電荷，其它帶相反電荷的離子則自由擴散到液體介質的周圍，形成一個帶電離子的擴散層（雙電層）。自固體表面至擴散層遠處（即帶相反電荷為 0 的地方）的兩層離子間的電位差稱為ξ電位。粒子間的靜電斥力就是由此而來，這些帶相同電荷的粒子一經接觸就相互排斥，從而保持分散體系的穩定，即著名的 D.L.V.O. 理論。

在電斥力的情況下，表面活性劑必須具有高的電離性能，通常使用的是陰離子表面活性劑及一些無機電介質，如：多磷酸三鉀、焦磷酸鉀、多磷酸鈉、烷基芳基磺酸鈉、次亞甲基萘磺酸鈉、聚羧酸鈉等。

無機涂料

2.3 空間位阻效應（或熵效應）
當顏料分散在非水介質中時，便大大排除了上述離子反應的可能性，非離子表面活性劑在水中不電離，在這種情況下，表面活性劑的作用稱之為空間位阻效應或熵效應。因為表面活性劑能夠定向地吸附在顏料粒子的表面，形成一種單分子吸附層，這種定向緩沖層能防止粒子間的相聚，從而保持分散體系的穩定（又稱保護膠體或膠束）。
顏料表面的表面活性劑分子群，隨著表面活性劑濃度的提高，其熵會降低，運動將受到限制，顏料粒子越靠近、越壓縮，其熵會進一步降低，從而有利分散體系的穩定。
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