炭黑及其他颜料的分散工艺简析

绛县开发区路银特种炭黑

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       炭黑及其他颜料分散前的形态，通过生产过程得到的原始颜料称为湿滤饼，还需进一步商品化处理，包括粉碎和干燥等过程。在干燥过程中，较细的颜料颗粒会产生凝聚，使其粒径较原始颗粒大许多倍，因而不能直接用于着色，必须要进行分散处理。炭黑颜料的质量，除了色光、着色力、遮盖力、各种耐性等性能要求以外，分散性或易研磨性是一项很重要的指标。颜料的分散性直接关系到所生产的油墨和涂料的色强、细度、光泽度等重要的质量指标，分散效果好的还可以缩短生产涂料时的研磨工时。

（一）炭黑的分散

一般炭黑颗粒是指比团聚体还大的粒子，粒径在250μm至750μm（相当于通过60至200目筛）。根据德国标准协会（German Standard Organization）命名法，认为颜料颗粒状态可分为：原生颗粒、凝聚体和团聚体。原生颗粒（German Standard Organization）是单晶、块状、球形或微晶组成的大晶体形式存在；凝聚体（Aggregates）是由原生颗粒表面彼此吸附而成；团聚体（Agglomerates）是由原生颗粒或凝聚体疏松的组合，或者是这两者在边、角上相互吸附而成的混合物。

      作为使用者来讲，任何商品形式的颜料都要求容易均匀分散，能制成持久稳定、无凝聚、无沉降的悬浮物料。上世纪七十年代以来，颜料的加工处理技术已有很大发展，包括颜料颗粒的表面处理和颗粒的晶相调整等，但还不能满足使用者对其的要求。

     一般情况下，炭黑的分散过程可以分为三步：润湿→细化→稳定化混合分散。******步是使用润湿剂润湿颜料，使颜料之间的凝聚力减小，便于第二步颜料的粉碎和细化。粉碎细化后的颜料进一步再做包覆处理，由于颜料经分散细分后，粒径减小，表面积增大，颜料表面自由能也增加，造成细化的颜料不稳定性。所以，当机械研磨能去除以后，颜料粒会再凝集起来。为此，在颜料研磨后形成新的表面时，在其表面应吸附一层包覆层，使颜料的表面能降低。当带有包覆层颜料的结合体再度碰撞就不会凝聚起来。降低新形成的接口表面能，以便在进一步加工时，不至于使颜料产生再凝聚现象。第三步是将细化后的颜料在熔体中能均匀分散。由于细化了的颜料表面积增加，进而表面能提高，导致颜料的稳定性降低，颜料之间就容易相互凝聚起来，从而使表面能降低至稳定的状态。由于吸附了一层包覆层，也使能量下降，比之前的状态要稳定，所以达到了颜料细化的目的。

（二）炭黑及其他颜料分散的办法

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炭黑加工成色片（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*********（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******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******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[wiki]塑料[/wiki]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。

（三）炭黑色片的生产与前景

1、生产色片的主要方法

目前主要的通用方法有混炼法和挤水法。前者主要是将颜料和纤维素、增塑剂、稳定剂和树脂等混合后，在加热的混炼机上进行熔融混炼，直至均匀，然后拉成片状，冷却后，以粉碎机粉碎成预分散颜料色片。挤水法生产，则是通过对颜料滤饼和纤维素、增塑剂、稳定剂及树脂等混合后挤压，直至均匀，再将其进行脱水后处理，拉成片状，粉碎成颜料色片。

2、炭黑色片的生产设备

主要的设备是开放式炼塑机，也称二辊机。它通过两个具有一定速度差的转动辊筒对物料进行混合、塑化。两辊相向旋转使物料在辊筒隙间受到强烈的挤压和剪切，从而达到颜料分散和混合均匀，混炼均匀出片后，冷却切粒即可。一般影响开炼机塑化质量的因素主要有：辊筒的温度、辊筒间距、前后辊筒速度、物料堆放量及混炼次数。该设备用于小型生产的较多，也有厂商用于生产色母粒和碳酸钙填充母粒。

3、色片的发展方向

色片的发展，和高性能的颜料发展一直是同步的。性能的卓越性、应用时的持久性和对供应链中所有部分高附加值的经济性是当今******有机颜料的发展方向。其特点是具有非常高的着色力，无与伦比的鲜亮色泽，以及在几乎所有塑料中很好的耐光性和耐热性。 它们具有优异的耐光性和耐候性、高度热稳定性和令人满意的抗色移性。它们具有优异的整体耐受性能以及热稳定性和色迁移稳定性。

在涂料、油墨的生产中，分散是一个复杂且耗费成本的过程。谁都希望在简化步骤的同时，能得到可重复生产的高色强度和高质量。在使用特种炭黑的领域中，颜料色片很好地解决了性能不稳定、色浓度差、研磨费时等难题。炭黑的易分散化是需求者***希望获得的特性，如奶粉和速溶咖啡的出现，只要搅拌就会很容易地分散于媒体中的颜料，是使用者***为理想的状态。可以不夸张地说，由于色片的出现和表面处理的工业化发展，加上新型分散剂的开发和分散机的进步，颜料的分散变得比往年更加地容易了。本身，粉体炭黑飞散所致粉尘污染，从作业环境来看绝不是一件好事，所以，通过炭黑的珠粒化、颗粒化、片状化及添加飞散防止剂等手段，使得非飞散性且容易计量的炭黑得以普及，这也是色片生存和发展的土壤。

今后随着使用者需求的多样化，逐渐需要以多品种、少批量生产来迎合市场。由于多品种、少批量生产一定会提高制品的成本，所以，由特定颜料色片制造商集中生产颜料色片制品，各油墨制造商以自己的品牌和销售途径提供给需求者的方法会日趋增加，这是大势所趋。

随着颜料色片行业竞争加剧，中国颜料色片工业将被迫进入调整，其必将按照******发展规律运行，一场真正的较量也将会烽烟四起。

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