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涂料中的色素碳黑 


1.碳黑在涂料中的作用
涂料对其颜料的要求,除颜色以外,还对其着色力、吸油量、水分、水溶性、PH值、相对密度、粒子形状大小、耐溶剂性、耐化学品性、耐侯性、无毒无公害性、分散性等有不同的要求。
碳黑在物理方面活性很高,但在化学方面则是不活性的,因此其耐候性和耐化学品性好。碳黑的黑度和着色力高,价格稳定,因此在涂料工业不可缺少的黑色颜料,常用于建筑、汽车、铁路车辆和船舶用涂料中。碳黑除用于黑色涂料外,还作为调色颜料应用于灰色及其他颜色的涂料中。

 
2.碳黑的基本性能和涂料应用性能的关系
(1)黑度
黑度是涂料用碳黑的主要指标,当用于黑色涂料的着色时,例如黑色汽车面漆,要求所用碳黑黑度愈高愈好。当将碳黑用于调色时,黑素太高添加量太少,反而容易引起不同批次的涂料产品产生色差,故要求使用黑度较低的碳黑。
碳黑的黑度即碳黑吸收光的程度,光吸收愈多,光反射愈弱,碳黑及其着色物质的黑度就越高。由于光吸收作用在碳黑粒子内部(准晶体碳晶格中)产生,当碳黑在涂料中浓度为一定时,碳黑粒径越细,同样容积中碳黑粒子数也越多,光吸收越强,黑度也越高,而用粒径较粗的碳黑,光反射较多,即使增加碳黑浓度,使同样容积中碳黑粒子数增多,但光反射仍较多,黑度仍较采用细粒子碳黑的低。
碳黑的聚集体会产生光散射作用,当碳黑结构高时,聚集体的光散色增强,从而也会降低光吸收的程度即降低黑度。
(2)着色力
着色力(着色强度)是将白色或彩色颜料和碳黑混合时,碳黑的着色能力。也就是碳黑使混合物系光吸收作用提高的程度。这一特性取决于碳黑和颜料的配量比和碳黑本省的性质,当配量比一定时,某一碳黑的着色能力即为其着色强度,在涂料行业中称为着色力。
碳黑粒径小时,结构低,着色力就较高,然而当粒子小于20nm时着色能力不再上升,甚至下降,其原因如下:
一粒径过小难分散,形成较大附聚体。
一粒径小的炭黑,被粒径较大的颜料粒子遮蔽。
一粒径小于20nm时,涂膜的透明度增加。
如将碳黑按不同配量比和一个白色颜料混合时,可进行浅灰、灰色、深灰和黑色着色,如欲将一种颜色略微调暗些,则可用碳黑调色,一般采用着色强度较低的,也就是粒子较大的碳黑来调色,添加量很小,添加量的细小误差对配出的颜色影响就很大。
(3)色相
“碳黑粒子”随粒径减小而减弱的光反射还会影响色相。用细粒径碳黑进行表层黑色着色产生淡蓝色相,它能进一步增强高色度视觉印象。用粗粒径碳黑着色则会产生棕色色调。
可见光射入碳黑“饱和色”(不透明)着色层中时,碳黑粒径越细,短波蓝光的散色比长波红光更强。由于红光散射更弱,便能更深地射入着色层,而蓝光散射更强,它能更强地产生回散色。从着色层中向外反射。
观察用碳黑着色的透明层时,色调关系恰好相反,随着碳黑粒径减小,可见光中散射强的蓝光射入着色层较少,而从另一面透射而出。因此由于缺少蓝光,透明层则更显棕色色调。进行“白色混合着色”(调色)时,得到的结果与观察透明层中饱和色 着色的情况相同。使用细粒径碳黑时,可见光蓝光部分侧向散射性较强,从而使余下红光引起黄灰色色调。相反,前述用来“调色”的粗粒径碳黑特别是粒子较粗的灯烟碳黑却会引起蓝相色调。
除粒径外,碳黑的结构也会对色调产生影响,结构较高的碳黑和粒子较粗的碳黑会产生相似的影响。
(4)光泽
当碳黑粒径减小或结构提高时碳黑的吸油量增加,会使涂料的粘度提高,在同样的碳黑浓度下,涂层表面自由漆料(成膜物质)减少,因此光泽降低。当表面含氧基团或挥发分增多时,碳黑在连结料中的润湿性提高,粘度降低,涂层表面自由漆料增多,光泽将会提高。
(5)分散性和分散稳定性
涂料用碳黑聚集体大小一般在20到数百纳米之间,在漆料中不容易分散,碳黑在漆料中的分散下状态,对涂料的性能影响很大。还有,碳黑在涂料特别是和其他颜料如钛白粉等混合使用时,由于其相对密度、聚集体直径、形状和表面化学性的不同,碳黑容易产生絮凝现象,即影响涂料的分散稳定性。
当碳黑分散性好时,则涂料具有以下的特性。

 
1.光学性质如黑度、着色力、光泽、遮盖力等好。
2.流动性好
3.分散稳定性好
4.涂膜物性如平滑性、光泽保持性、机械性能(硬度、伸长率、冲击强度和附着性)、耐侯性均提高。
碳黑性能对涂料分散性及分散稳定性的影响,一般粉状、粒径粗的、结构高的碳黑分散较好。碳黑的表面化学性对分散性和分散稳定性的影响较大,但随所用连接料中树脂和溶剂的性能不同而不同。挥发分高的酸性碳黑在极性溶剂中的润湿性提高,在和钛白粉共用的灰色涂料中贮存稳定性好。
3.分散及分散稳定性的机理

 
一般碳黑在涂料中的分散需经历以下三个过程。
1.碳黑被漆料润湿,由碳黑—空气界面转为碳黑—漆料界面。
2.碳黑被分散,碳黑的附聚体被破碎为聚集体。
3.碳黑粒子的稳定化。碳黑聚集体表面吸附漆料中的树脂和表面活性剂,以保持胶态粒子的准稳定状态。
碳黑的润湿是指漆料浸透了碳黑附聚体间的空隙,碳黑附具体的大小、空隙率,特别是表面化学性对润湿有很大影响。支配碳黑附聚体分散的因素是剪切速度和剪切切应力,体系粘度和附聚体自身特性。在高剪切速度、高剪切应力、高粘度的体系中,碳黑附聚体较弱,而较易分散。
碳黑的分散稳定性对涂料来说是一个十分重要的性质,如果分散不稳定,在涂料贮存过程中,碳黑聚集体重新凝聚为附聚集体,即所谓“返粗”现象,不仅会使涂膜黑度发生变化,也会使涂膜的其他性能降低。
颜料和碳黑分散性保持机理主要有以下两点。
1.静电的排斥力使分散稳定化。碳黑表面吸附分散剂后,粒子表面的电位提高,且带有相同的电荷,因此粒子间的排斥力增加,而使分散稳定。
2.立体的保护(包封)作用使分散稳定化。由于树脂和分散剂的吸附后重叠于碳黑粒子表面,使表面的渗透压上升和值降低,粒子间排斥力也增大,而使分散稳定。
使涂料分散稳定化最有效的手段是添加分散稳定剂,在水性涂料中常用聚羧酸系钠盐或萘酸纳等阴离子型表面活性剂。非水性涂料则常用硬脂酸铝等金属盐或烷基苯磺酸钙、卵磷脂、脂肪酸的山梨糖酸脂或烷基聚胺等表面活性剂。
碳黑的表面化学性对碳黑在漆料中的分散稳定性有显著影响。经过表面氧化处理的表面,其表面羧基、羟基和内酯基增多,起到了“内在表面活性剂”的作用,和同样粒径结构未经氧化处理碳黑对比,可以提高分散稳定性,并降低分散剂用量。因此,在涂料用碳黑中,特别是水性涂料用碳黑,多选用经过表面氧化的高挥发分酸性碳黑品种。

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