谈粉体粒度对涂料性能的影响

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'谈粉体粒度对涂料性能的影响'
. . .粉体粒度对涂料性能的影响1 引言在工程技术中,人们往往用肉眼定性地将大量的散状固体物料(简称散料)分为块状体、粒状体和粉状体。在涂料产品中,作为颜料、填料和其他功能性添加剂而含有的主要是粉状体,简称粉体。在常态下,大多数粉体都是在干态下存在的,称为干粉体。但是,含有粉体颗粒的各种液态分散体如悬浮液等,也是粉体,称为湿粉体。现代涂料的发展,要求越来越多地采用便于泵送和无尘化作业的湿粉体作原料。从宏观和实用角度出发,颗粒是粉体的最小构成单元。颗料的大小、分布、形状、表面状态、本体(内部)结构和晶粒组织,以及颗粒的各种机械强度,对粉体自身特别是对其二次加工产品如涂料的性能,影响颇大。其中,最具影响力的是粉体的粒径和粒度分布。本文概要地谈谈粉体粒度对涂料和涂层性能的影响。2  对光学性能的影响涂料用的粉体特别是颜料和填料,其粒度对涂层的光学性能影响颇大。所谓光学性能,就是指含有粉体的涂层在入射光(特别是可见光)照射下所产生的各种光学效应,如光的散射(漫反射)、吸收、折射、反射和透射等,它们可分别用散射系数、吸收系数、折射率(折光指数)、反射率和透射率等参数表示。光学性能是颜料粉体和涂层(特别是装饰性涂层)的重要性能,主要包括彩色颜料的着色力、白色颜料的消色力、颜色色光及明度、透明度和光泽度等。2.1 着色力和消色力彩色颜料的着色力是指这种颜料给白色颜料以着色的能力,而白色颜料的消色力(以前也称着色力),则指这种白色颜料使彩色颜料的颜色变浅的能力。着色力和消色力的强弱与多种因素有关,例如与颜料的折射率、粒度、粒度分布、颗粒形状、在涂料基料中的分散均匀程度、颜料- 基料的配合形式、涂料的颜料体积浓度、颜料自身的杂质含量等因素有关。许多学者的研究结果表明,在这些众多的影响因素中,颜料粒度占据第二位,而占首位的是颜料的折射率。例如,在一定的粒度范围内,普通合成氧化铁红颜色的着色力,随其原级粒径变小而增大:当原级粒径处于0.09-0.22um 时,其着色力是相当高的,被称为高着色力氧化铁红。当原级粒径处于0.3-0.7um时,其着色力相对变弱,被称为低着色力氧化铁红。合成氧化铁黄、合成氧化铁黑、合成氧化铁棕等合成氧化铁系颜料,也因原级粒径的大小不同而在着色力上产生差异。再如,在一定的粒径范围内,金红石型二氧化钛的消色力随其原级粒径的变大而下降显著:当粒径处于0.15um 附近时,消色力达到最大值,而当粒径增大到约0.4um 时,消色力大约下降40%。不同折射率的各种颜料的着色力或消色力与颜料原级粒径的关系如图1 所示。2.2 遮盖力遮盖力又称不透明度,是颜料的最重要性能之一,对于白色颜料而言,它是与填料相区别的最主要的标志。涂层产生遮盖力的必要条件是遮盖型颜料的折射率大于涂料基料的折射率。决定遮盖力大小的第一要素是颜料折射率与基料折射率之差值的大小,其次为颜料粒度、粒度分布、颗粒形状、分散程度、颜料( 基料的配合形式、颜料体积浓度等。颜料粒度对遮盖力的影响很大。对白色颜料而言,一般地说,当颜料颗粒处于可见光波长(380-760nm)的0.4-0.5 倍时,颗粒对于入射光的散射能力最大,这时颜料便能使涂层具有较高的遮盖力。例如,当二氧化钛颜料的原级粒径处于0.15-0.5um 时,其遮盖力较高。在这一粒径范围内,粒径小者遮盖力相对较低,而粒径大者遮盖力相对较高。所以,在以遮盖力为基本质量要求的情况下,例如建筑涂料和要求只涂覆一次便能达到合适不透明度的印铁涂料,都要求采用粒径在0.4-0.5um 的大粒径二氧化钛,而在高装饰性场合,为兼顾遮盖力、消色力和光泽度等因素,则一般要采用粒径相对较小(0.15-0.25um)的二氧化钛。二氧化钛颜料生产商一般都生产大粒径、中等粒径和小粒径) 种粒径的二氧化钛,供涂料生产商选用。2.3 透明度含有颜料的涂层的透明度与颜料的原级粒径关系极大。能使涂层透明的颜料,称为透明颜料。显然,这种颜料是没有遮盖力的。当颜料的原级粒径远远小于可见光波长的0.4-0.5 倍时,因入射光发生衍射和透射,遮盖力大大下降,涂层的透明度增大。从理论上讲,当具有遮盖力的颜料粒径小于100nm,即处于纳米范围(1-100nm)时,颜料便不存在遮盖力。但实际上,由于颜料颗粒不可能100% 地分散成单个存在的原级颗粒,总有一部分颗粒发生聚集,所以透明颜料的最佳粒径都远小于 100nm,一般只有10-50nm,属于纳米粉体。例如,20 世纪80 年代开发成功并实现商业化生产的超细二氧化钛,原级粒径一般多为10-50nm,大约为普通遮盖型二氧化钛粒径的1/10,不仅透明度非常高,而且还因这种纳米级尺寸具有更高的屏蔽紫外线的能力,已被广泛用于能产生明显的随角异色效应的汽车车身透明涂料、高级木器涂料(木材着色剂)和高级防晒化妆品等。同样具有很高透明度和屏蔽紫外线能力的合成透明氧化铁红、透明氧化铁黄、透明氧化铁黑、透明氧化铁棕等,其原级粒径为7-15nm,并具有更强的屏蔽紫外线能力,它们也被更早地广泛用于汽车透明面漆、木材着色剂等,以其较低的成本,取代部分昂贵的纳米级高级有机透明颜料。近年来开发并且投产的纳米级活性氧化锌颜料,粒径为50-60nm,透明且防紫外线,还具有吸收红外线能力,并且具有杀菌功能,已用于防晒化妆品和橡胶中,还可用于专用涂料和塑料中,如各种抗紫外线的涂料、杀菌防霉涂料和隐形飞机用的特种涂料等。2.4  颜色色光和明度涂料用粉体的粒度对粉体本身和涂层的颜色色光和明度等都有很大影响。彩色颜料如氧化铁颜料,在一定的粒径范围内,粒径越细,其颜色越浅;反之,则颜色越深。例如,某生产商生产的合成氧化铁红彩色颜料的原级粒径由0.70um逐渐变化到0.09um, 其颜色渐次由深向浅变化。还有一家公司生产的3 种所谓分散型氧化铁红颜料,一种粒径为0.11um,其颜色为带黄相的红色,颜色较浅;一种粒径为0.22um 者,为中性红色;一种粒径为0.40um 者,为带蓝相的红色,颜色较深。白色颜料二氧化钛的色相也随其粒度不同有某种程度的变化:粒径小者,色调带蓝相;粒径大者,色调带黄相。白色颜料和填料的明度即白度是一项很重要的技术质量指标,现代许多高档次的浅色涂料,要求非金属矿物填料必须具有很高(90%以上)的明度,这就要求它们必须具有微细化的粒径,一般要求粒径约为2um的颗粒数在90%以上,其平均粒径为亚微米。2.5 光泽度现代许多涂层都要求具有很高的光泽,特别是高级轿车面漆,要求涂层的鲜映性达到镜子般的水平。国外有的文献称卖汽车卖的就是光泽。涂层的光泽度与涂层表面的平整度即光洁度有关。而这种平整度又与涂层中分散的颜料和填料等粉体的粒度有关。对于高光泽度涂层,即使表面含有极个别的粗大颗粒,也会影响对入射光的定向反射,从而影响光泽度。高光泽面漆,要求颜填料等粉体粒径必须在0.3um 以下。影响涂层表面光泽的其他因素也很多,如涂料的颜料体积浓度、分散程度、流变性(流平性)以及涂装技术等。3 对填料空间位隔能力的影响20 世纪70 年代内
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