水性工业漆碳黑用新型特种分散剂

作者 Susan Dong博士 ，研究员； Carolina Vargas博士 ，高级研发经理； Timothy Boebel博士 ，高级研究化学家，Stepan公司，伊利诺伊州，Northfield

颜料是在应用到基材之前，一种添加到涂料体系中的任何细分的，不溶性的材料。通常，颜料被用于增加装饰色彩、提高遮盖力或控制光泽来改变漆膜的光学特性。除了提高视觉效果外，这些材料还常用作流变改性剂、填料和缓蚀剂。然而，在所有情况下，有效促进所需性能的关键在于控制涂料配方中所添加颜料的分布和颗粒大小的能力。

在涂料体系中实现所需的颜料分布不是一个简单的过程。颜料通常以粉末或珠状的形式提供，它们本身由单个颗粒的团聚组成。最好是作为初级颗粒，在大多数情况下，这些团聚物需要研磨以获得一致的粒径。然后，新形成的不溶性颗粒必须均匀分布在介质中，避免团聚物的重聚。颜料研磨、颗粒分离和稳定的过程被称为分散。

在分散过程中，当相对较大的团聚物分散时，每个颗粒与周围的液体之间会形成一个新的界面。对于用作色浆的颜料，它们的使用需要大大减少颗粒的粒径，从而产生非常大的固体/液体界面。分散过程如图1所示。这些SEM图像显示了未加工的黄色PY-74团聚体，随后它们在块状介质中破碎和分散。

通过外加机械力和使用两亲性添加剂，可促进颜料的分散过程。分散剂就是这样一种添加剂，有助于解决颜料在分散过程中遇到的关键挑战。它们可以起到多种作用，包括基材润湿、保护新形成的颜料表面、控制分散体的粘度和流动性、充分均匀地减小粒径，以及维持分散体的稳定性等等。

Stepan公司最近开发了一种新型的高性能聚合物（HPP）分散剂，这种分散剂对颜料分散非常有效。4理论上，这些分散剂通过不可逆地吸附在颜料表面，同时将它们的长稳定延伸段伸长到连续相，提供了空间和/或电空间位阻稳定。HPP分散剂特别有用的是其促进分散过程的每个阶段的潜力，从而提供了极好的颜料润湿性、更容易和更好的颗粒分散性以及颜料分散体的长期稳定性。

这些特性在应用中提供了具体的好处。研磨时，浆料的较低粘度允许每批加工更多的颜料。在调漆阶段，由于低添加量的相互作用较小分散剂的使用，颜料分散体的相容性得到了改善。此外，由于颜料可以更有效地分散，因此添加量也较少。最后，当颜料分散体保持稳定时，其所制漆膜也能获得更好的展色性和光泽度。

实验

将颜料、分散剂、消泡剂、杀菌剂和水与研磨介质（0.8–1.0 mm玻璃微珠或锆珠）混合在一起，在玻璃罐中制备颜料分散体。在最初的筛分过程中，将罐子在振动筛上搅拌4小时；研磨效率研究的时间从1小时到10小时不等。研磨后，通过过滤去除微珠，并对分散体进行评估。

使用流变仪（Anton Paar）在5cm的几何板和25°C下测量分散体的粘度。用于产品比较的粘度的剪切速率为10 s -1 。使用Zetasizer粒度仪（Malvern公司）测量了水中0.1%固体的粒径。通过监测分散体的外观、粘度和粒径的变化来评估其稳定性，同时将样品保持在50°C下4周。

颜料分散体与基础漆按1:9的体积比进行着色（分散体调漆）。然后用3密耳的Bird棒在玻片上进行涂覆，评估前在环境条件下干燥24小时。用分光光度计（X-Rite）测量X、Y和Z值，计算漆膜的色度和色调。使用微型三角度光泽度仪（BYK）对光泽度进行测定。

结果与讨论

技术发展A

Stepan的HPP分散剂的一般结构如图2所示。这些HPP分散剂由三个不同的组分组成：

· 一个连接部分，可以在长度、官能、灵活性和附加物数量上进行变化；
· 亲和域，设计用于与颜料表面相互作用，并且可以根据锚定基团的类型、数量和排列而变化；
· 稳定段，其长度、疏水性和官能度可能不同。

Stepan的这项正在申请专利技术的模块化设计，融合了多种分散剂的概念；基本结构的每个模块都可以独立变化。此外，Stepan的HPP分散剂技术不含VOC（ASTM方法D6886-14）。

在评估化学制备分散剂结构属性的过程中，重点仍然是确定最有前途的候选材料。 7 除了分散体的粘度和涂料相容性外，还考察了一些附加标准，包括分散稳定性、分散剂的需求量、研磨效率，涂料的展色性及产品形式。分散剂61（商品名为STEPSPERSE®61）是整体表现最好的分散剂产品之一。图3给出了用分散剂61获得的结果。在最佳SOP下，剪切速率为10 s -1 时，每种生成色浆的粘度在110 cps或以下。鉴于所检查的九种颜料的结构多样性，这些数据说明了该技术具
有广泛的应用性。

由于分散剂61表现出较好的分散效率、颜料通用性和树脂相容性，我们开始考虑将其应用于工业级碳黑，这在市场上至关重要。

工业级碳黑

根据所使用的原材料和制造方法，碳黑具有惊人的不同结构、物理形态和表面积值范围。 8-9 用于工业应用的碳黑，它们的表面积往往比建筑用碳黑高得多。更小的粒径加上更高程度的结构，使该颜料更难润湿和分散。此外，工业碳黑经常被用来为含有多种聚合物树脂的涂料着色，这意味着广泛的相容性对于产品的成功开发至关重要。

我 们 选 择 了 表 面 积 为 5 8 3 m2 / g （ B E T ） 的 酸 性（pH=3.0，水中颜料含量为2%）工业碳黑1进行评估。根据表1中概述的方法制备分散体。一般情况下，配方以15-20%PBK-7和60-100% SOP的分散剂用量来制备。

选择四种不同的市售分散剂为基准，每一种都被认为是优秀的碳黑分散剂，与分散剂61进行比较。这五种分散剂与工业碳黑1在20%颜料负载量下进行分散剂的需求研究（图4）。分散剂61的最佳SOP与四个参考样中的三个非常相似；参考样3对该碳黑的分散性能表现最差。然后我们对使用了分散剂61、参考样1和参考样2生成的分散体进行了稳定性研究。结果发现，参考样1和参考样2在室温下仅放置1周，就产生了沉淀，相比之下，用分散剂61制备的分散体在该条件下保持了超过了6个月的稳定。

使用相同的市售参考样品，对工业碳黑1进行研磨效率的研究（图5）。这是在15%的颜料添加量和100% SOP的分散剂用量下进行的。在测试的分散剂中，分散剂61无论在颜料粒径减小的速度方面，还是在最终粒径（小于70nm）方面，均表现出了最佳的整体性能。与其他竞争产品相比，这些性能提供了潜在的成本优势，因为它将耗费更少的时间和精力，便可获得给定应用所需的颜料粒径。此外，粒径的快速减小，表明分散剂61的润湿性能比参考样品更有效。

通过高温稳定性研究进一步评估了研磨后的碳黑分散体（图6）。与参考样品相比，用分散剂61制备的分散体表现出更好的稳定性，在50°C条件下4周内基本上没有粘度变化。在此期间还测量了粒径，我们观察到分散剂61的粒径变化最小，而参考样的分散体则显示出一些变化。

综上所述，这些结果表明，相比较市售参考样品，分散剂61在制备工业碳黑1的分散体方面具有明显的优势。这些优势包括研磨速度更快、更小的最终粒径和更好的分散稳定性。此外，分散剂61的最佳SOP被确定为等同于或低于参考的市售分散剂样品。

我们还进一步评价了含有15%碳黑和100% SOP分散剂用量的分散体对各种基础漆的着色效果(着色按实验部分所述进行)。选择了许多不同类型的树脂用于该研究，包括一种丙烯酸，一种乙烯丙烯酸，一种聚氨酯分散体(PUD)，一种苯乙烯丙烯酸，一种阳离子苯乙烯丙烯酸，一种醇酸，一种丙烯酸/PUD混合物，以及一种羟基功能化丙烯酸。在丙烯酸涂料体系中，用分散剂61制备的工业碳黑1分散体进行调漆，与参考样相比，60°光泽下，其黑度和色调均得到了改善(图7)。

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乙烯基丙烯酸树脂的色漆也得到了类似的结果。分散剂61再次获得了优异的黑色度。值得注意的是，一些市售分散剂显示出与该涂料的相容性较差（图8）。特别是，使用参考样1和2制成的分散体进行调漆，会形成块状混合物，粘度明显高于基础漆。另一方面，使用分散剂61或参考样3制成的分散体表现出较好的相容性，且引起的涂料粘度变化很小。

除了丙烯酸和乙烯基丙烯酸涂料外，工业碳黑1分散体也在一些其他的树脂中进行了调色操作，所得数据如图9所示。在所测试七个体系的六个中，使用分散剂61制备的分散体，使固化漆膜具有最佳的黑色度。同样，用该工艺制备的分散体与每种评价的涂料体系都具有较好的相容性。

在评估其他的工业碳黑时，分散剂61的性能属性保持不变。正如工业碳黑1所观察到的那样，用这种技术制备的分散体在对不同类型的基础漆进行调色时，表现出较好的相容性和黑色度。

结论

Stepan公司开发了一个专有模块化平台，该平台已成功开发了一种新型HPP颜料分散剂。分散剂61（或STEP-SPERSE 61）在制备几种不同颜料类型的分散体方面已显示出广泛的用途。当与建筑级碳黑一起使用时，与市售参考分散剂相比，这种新技术提供了显著改善的分散稳定性。STEPSPERSE 61还展示了分散工业级碳黑时的优异性能，具有卓越的研磨效率、黑色度和与树脂的相容性。

参考资料

¹ Mang, T.; Dresel, W. Lubricants and Lubrication,Wiley-VCH; Volume 1 (2017), p 862.
² van den Haak, H.J.W. Dispersant; Kirk-Othmer Encyclope-dia of Chemical Technology, John Wiley & Sons; Vol 8 (2003), p672-697.
³ van den Haak, H.J.W.; Krutzer, L.L.M. Design of Pigment Dispersants for High-Solids Paint Systems; Progress in Organic Coatings; Vol.43 (2001), p 56-63.
4 Vargas,C.; Dong, S.; Boebel, T. Novel High-Performance Polymeric Dispersants for VOC-Free Colorant; Pitture Vernici European Coatings Formulation; Vol 98 (2020), p14-17.
5 Hampton, J.S. A Review of Hyperdispersant Technology;Polymeric Materials Science and Engineering; Vol. 55 (1986), P31-37.
6 Bauer, S.; Kleinsteinberg, F.; Reuter, E.; Glöckner, P. The Star Performer; European Coatings Journal; 5 (2010), p26-31.
7 Dong, S.; Vargas, C.; Boebel, T. High-Performance Polymeric Dispersant for Carbon Black in Waterborne Systems;American Coatings Show, 2020.
8 Danenberg, E.M.; Paqun, L.; Gwinnell, H. Carbon Black;Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley &Sons; Vol. 4 (1992), p1037-1074.
9 Carbon Black 101, https://www.birlacarbon.com/whats-trend-ing/carbon-black/.

本文收录在《PCI中文版》杂志2021年7月刊中