颜填料的结构与物性对涂料性能的影响

２００６年第３期　中国非金属矿工业导刊　总第５５期　［开发利用］　

周　铭　（中国化工建设总公司常州涂料化工研究院，江苏常州　２１　３０１　６）　

摘要：作者通过多年来在颜料及涂料研究过程中所获得的经验，详细地论述了颜填料的颗粒形态、酸碱性、含水量、表　面处理及其光学性能等在应用过程中的作用特点及应注意的问题，以期对颜填料生产企业起到借鉴作用。　关键词：颜填料，表面改性，物理性能，涂料　中图分类号：ＴＱ６３０，４；ＴＱ６２０．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—９３８６（２００６）０３—００２４～０２　

现代涂料工业的发展正快速朝着功能化、高装　饰性、环保与低成本化方向发展，而要在这每一个　方面有所收获乃至突破，颜填料性能的改进与发展　都是必不可少的。颜料工业的发展既含有对传统颜　填料合成工艺与性能的改进，亦包含新型有机或：　机颜填料的诞生并获得应用。正是伴随着颜填料加　工、合成与应用技术的进步，推动了近十多年涂料　技术出现了一次又一次的飞跃。　无论有机或无机颜填料，它们在涂料中的作用　都围绕着新的功能的诞生与各种迷人的视觉效果的　出现。然而颜料、填料在涂膜中稳定作用的发挥受　制约的因素很多。笔者根据多年来在颜料与涂料研　究过程中所体会到的一些经验与教训，从影响颜填　料在涂料中应用性能的因素入手，阐述颜填料再生　差与应用过程中应注意的一些问题，希望能对颜填　料的生产企业有些借鉴之用。　１颜填料的颗粒形态　一般而言，针状颗粒较球形粒子更具有增强、　增韧作用。然而针状粒子的消光作用远较球形粒＝产　为甚，同时针状粒子的分散性亦相对困难，为了保　持针状纤维的增强功能，强剪切的加工过程将是不　允许的，因为剪切力越大，针状粒子越易折断，这　样会导致增强功能下降。而片状的颜填料应用于涂　料中，明显提高涂料的致密性。　多孔结构的颗粒一般较实心结构料一阵子的增　强功能强，但消光作用亦更明显，据认为与成膜物　树脂被吸附后在颗粒外表面残留层厚度有关，同样　的基料在多孔粒子表面因孔内吸附树脂而导致膜厚　度下降。软质的颜填料一般亦因为树脂容易扩散渗　透而出现涂膜光泽较硬质颜填料低。　长径大的针状颗粒、软质颜填料、多孔粉体其吸油　值大，较难分散，而球形、硬质的颜填料其吸油量　相对较低，分散效率高。　从涂膜补强的角度考虑，含硬质粉体、高比表　面粉体的涂层耐磨性较好。　２颜填料的酸碱性　涂料用树脂多呈酸性，碱性树脂较少（水性树脂　除外）。所以颜填料的酸碱性直接影响涂料的加工、　贮存稳定性，甚至涂料成膜后的物理化学性能，然　而碱性颜填料在与酸性树脂反应后大多对涂膜的光　泽有些影响。　由于酸碱反应，涂料的粘度一般都呈明显增加　的趋势，有的颜填料在酸性稍强的树脂体系中因粘　度增加过大而应用受限，如ＺｎＯ、锌黄等。但这些　酸碱反应后涂膜的性能亦有明显改变，大多体现在　韧性、耐溶剂性，甚至光、热稳定性等。但碱性颜　填料的存在对钢铁等金属的防腐将是有益的。　颜填料的酸碱性除与颜填料本身的结构有关　外，还与粉体中残留的水溶盐有关，亲水性的水溶　盐的存在不仅可以使涂料出现分散困难，浆体呈现　假稠外，还导致涂料成膜后的耐水、耐化学品性下　降，所以颜填料的后处理阶段，水溶盐的含量应尽　可能低。　３颜填料的含水量　通常情况下，具有极性化学键结构的颜填料在　空气中很容易吸附水，特别是空气湿度大的时候。　象碳黑，在高湿度时，含水量甚至可以高达２０％左　右。颜填料中水份存在对其分散稳定性影响很大，　

收稿日期：２００６－０３－０２　作者简介：周锗。男，４　３岁，研究员，主要从事颜填　颜填料的颗粒形态体现在吸油量值方面，即是　料、涂料技术开发工作。　

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维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第３期　中国非金属矿工业导刊　总第５５期　我们常常发现，每到空气潮湿时，原先很容易分散　的颜填料其细度却很难达到要求，即使细度研磨达　到要求，往往稍经放置即出现返粗，甚至在调漆阶　段放溶剂、树脂时即已出现返粗现象。　造成这种现象的根本原因在于颜填料表面吸附　的水过多，不仅向颜填料表面扩散吸附过程受阻，　而且树脂与颜填料之间的相互作用受到极大削弱。　此时，涂料厂家常采用添加分散剂或补充极性溶剂　的方式，但补极性溶剂对于象聚氨酯这些以水敏感　的涂料是一种禁忌，而分散剂的增加亦意味着涂料　制作成本的上升，这些措施在涂料生产过程中都具　有局限性，因而要减少颜填料表面的水含量，最后　从颜填料表面改性，粉体包装等方面考虑作憎水处　理的颜填料表面对水的吸附较弱，而粉体的包装致　密性亦可改变对水的吸附量。　４颜填料的表面处理　众所周知，一般颜填料的极性均较高，而成膜　聚合物的分子相性均有限，所以为了阻止颜填料对　水的吸附，促进颜填料对聚合物的吸附，改善涂膜　的强度，很多情况下需要对颜填料进行改性。然而　改性的方法不同，改性剂的结构有异，将直接影响　涂料成膜后的各项性能参数值。　解决颜填料的分散性很容易，只要对其作亲油　处理就可很好地在有机涂层中分散。无机颜填料作　无机氧化物包膜可以提高耐候、耐酸碱、耐温等性　能中的一种或几种，这些处理剂对颜填料的分散性　事实上影响很小。　对于有机涂层而言，涂料中颜填料的细度远比　无机涂层中的颜填料细度要求苛刻，这就要求颜填　料不仅原始粒径需要控制外，还需要进行亲油处理，　以防止因吸附水而导致的颗粒团聚。　颜填料的表面处理，一般文献介绍的多用小分　子表面活性剂与钛酸酯、有机硅、铝酸酯等偶联剂　及无机硅、铝、锆、钛等包覆，改性剂的用量从０．１％　至２０％左右不等，很多颜填料在进行无机包覆的同　时也进行了有机包膜。　无机材料的包膜，从一定程度上改善了材料本　身在耐候、耐温、耐化学品性上所表现的优势已被　证实，而有机处理的结果相对比较复杂了。笔者曾　多年与颜填料的表面处理有缘，发现在不考虑颜填　料应用时对涂料综合性能影响的同时，一般有机表　面活性剂的表面包覆吸附均能在一定程度上改善粉　体在有机涂层中的分散性。然而将粉体应用于涂料　中的一个重要目的就在于改善涂料成膜后涂层的某　些性能，仅仅只在涂料加工中改善其分散性是远远　不够的。　我们曾发现，ｎｍ－ＣａＣＯ　的表面处理剂使用脂　肪酸、常见的钛酸酯、铝酸酯、有机硅氧烷偶联剂　与各类离子型、非离子型表面活性剂后均能非常显　著地提高涂料加工过程中ｎｍ－ＣａＣＯ　的分散性，然　而这些表面处理剂的存在，在涂膜的机械性能、耐　水、耐化学品甚至耐光性等方面往往是有害的。笔　者认为可能是表面处理剂自身对光、热、化学品等　的耐性与表面处理剂、粉体材料、成膜物之间的弱　作用力一一导致了表面活性剂的引入使部分性能趋　于下降。　研究中我们还发现带有部分反应性基团的聚合　物处理颜填料与小分子处理剂相比明显具有贮存稳　定、改善性能（如耐水、机械性能等）方面的优势。这　可能源于大分子处理剂自身的空间位阻与力学强度。　５光学性能　颜填料的光学性能包括——着色力、消色力（白　色颜料）、干遮盖、色相等。遮盖力、着色力或消色　力与粉体的粒径相对应，其关系如下图所示：　

ｏ．２　粒径（ｕｍ）　着色力、遮盖力与粉体粉径的关系示意图　

对于遮盖力而言，当粒子的直径在光波长的一　半以上时，随着粒径的下降，颜填料的着色力包括　遮盖力均得到提高，当粒子的直径小于光波长的一　半时，粒子越细，遮盖力越低。而就着色颜料的着　色力或消色力来说，色彩本身来源于颜料对光的吸　收。虽然对光的吸收强度与粒子直径存在一定的关　系，但主要取决于物质自身的组成、结构。此外着　色力或消色力还与粉体颗粒的形状、粒度分布等相　关联。　着色颜料的色相同样与颗粒的粒径相关联，随　着粒径的减少，粉体将从红、黄色调向篮、紫色调　转移。　（下转第３４页）　

维普资讯 http://www.cqvip.com 李舂生：硅灰石制备白炭黑的反应原理及动力学分析　中，固相产物ＳｉＯ　包裹在硅灰石表面，形成多孔包　膜层。当膜层很薄时，因其多孔性对Ｈ　向界面扩散　影响较小，反应速度只受界面总面积变化影响，当　膜层厚度达到一定值时，Ｈ　向界面扩散很慢，其速　度完全控制反应进行，因包膜ＳｉＯ：具有多孔性，并　不中断反应，反应速度符合杨德尔动力学方程。体　系ｐＨ值对　影响最大，因Ｈ　参加反应，反应体系　ｐＨ值降低ｌ，Ｈ　浓度增加ｌ０倍，反应界面与体相Ｈ　浓度差也增加相应倍数，Ｈ　扩散速度和Ｋｊ都相应增　加，温度只影响扩散系数，其对　影响相对较低。　３结语　由于硅灰石具有独特的矿物结构，成为制备沉　淀白炭黑良好的硅源，众多研究者投入到硅灰石制　备沉淀白炭黑生产工艺的研究中，得到了诸多影响　沉淀白炭黑性能的因素，但要想将其进行工业化生　产，必须了解硅灰石生产白炭黑过程的内在规律。　通过对硅灰石制备沉淀白炭黑过程的原理及动力学　分析，可以了解生产过程中影响白炭黑性能的内在　本质，为硅灰石制备沉淀白炭黑生产工艺的工业化　提供理论依据。　［参考文献］　［１】周良玉，尹荔松，周克省，等．白炭黑的制备、表面改性及应　用研究进展［Ｊ】．材料导报，２００３，１７（１）：５６—５９．　［２】郑舒文，林剑．白炭黑生产工艺的研究进展［Ｊ】．辽宁化工，　１９９９，２８（６）：３４０—３４２．　［３】于少明。杨保俊，单承湘．蛇纹石综合利用的方法及其发展　［Ｊ】．环境与开发，１９９８，１　３（１）：１　８—１９，３４．　［４】张其春．由高岭土转化来的片状白炭黑的特征［Ｊ】．成都地质　学院学报．１　９９３，２０（４）：１０４－１０７．　

（上接第２５页）　现代涂料对外观要求越来越苛刻，除一些知名　色以外，普遍在追求新奇、艳丽。因而我们在颜料　的制备过程中，对＝Ｆ光谱项上不同吸收带的颜料组　成不要轻易合去，有些十分复杂的涂膜外观色调说　不定就是你们曾经淘汰过的样品。涂料的颜色随意　性很大，大多数情况都是根据某些人的感觉作出的　判断，文化背景的不同造就了人对色彩感觉的迥异，　因而在保持传统颜料色相稳定的同时，应力求完善　颜料家族中的光谱系，颜料厂商在推销自己产品的　时候，应尽可能让技术人员走在前台，了解市场到　底需要什么，如何向客户介绍自己的产品。事实上　［５】邬洪源，黄海涛。赵桦萍．硫酸沉淀法从膨润土中提取白炭黑　的研究［Ｊ】．高师理科学刊，１　９９９，１９（３）：４１－４３．　【６】四平师范学院．用硅灰石合成白炭黑新工艺．中国专利；　ＣＮ１０９３３４０Ａ．１９９４－ｌ０—１２．　［７】陈天虎．硅灰石酸溶、法制取白炭黑工艺研究【Ｊ】．非金属矿，　ｌ９９５，（３）：４５－４６。５９．　［８】李珍，陈克勤．大箕铺硅灰石酸法制备白炭黑工艺研究［Ｊ】．矿　产保护与利用．１　９９９，（１）：１　８　２０．　［９】陈庆春，等．硅灰石合成高比表面积二氧化硅的工艺研究［Ｊ】．　化工矿物与加工，２０００，（８）：ｌ一３．　［１　０】陈庆春，等．聚乙二醇对硅灰石酸化反应速率的影响［Ｊ】．化　工矿物与加工，２００ｌ，（３）：１　８—１９．　【ｌ１】郭茂生。冯兴仁．利用硅灰石生产白炭黑的实用技术研究　［Ｊ】．贵Ｊ川１Ｉ化工，２００１，２６（３）：１０－１１．　【ｌ　２】周光，等．硅灰石与赫酸反应制备高比表面积多孔ＳｉＯ：时　产物性质及其与同类产品的对比研究［Ｊ】．非金属矿，２００３，　２６（２）：１０－１２．　［１　３】彭人勇．硅灰右制备多孔大比表面积二氧化硅和机理探讨　［Ｊ】．中国粉体技术，２００３，（６）：１２—１　５．　【１　４］李春生，徐传云，何雪寒，等．硅灰石制备沉淀白炭黑工艺条　件的研究［Ｊ】．中国非金属矿工业导刊，２００５，（增刊）．　［１　５】戴安邦．硅酸聚合作用的理论［Ｊ】．中国科学，１　９６３，１　２（９）：　ｌ３ｌｌ—ｌ３ｌ　３．　［１　６】李安．影响沉淀白炭黑产品物化性能的内在因素［Ｊ】．炭黑工　业，１９９４，（５）：２４－３０．　［１　７】陆佩文．无机材料科学基础［Ｍ】．武汉：武汉工业大学出版　社。１９９６．２４５．　［１　８】王廷吉，肖旭贤，彭人勇．硅灰石与盐酸反应动力学规律探　讨［Ｊ】．无机盐工业，１９９８，３０（５）：１２－１　３。２４．　【１　９】王廷吉。等．硅灰石与盐酸反应模式及产物性质研究【Ｊ】．华　东地质学院院报。１　９９９，２２（１）：１　５．　［２０】王廷吉，周光，陈庆舂。等．硅灰石与枯酸快速反应规律及　应用研翘Ｊ】．岩石矿物学杂志，２００２。２１（３）：２９ｌ－２９７．　［编辑邹蔚蔚］　我们合成的每一种色调在涂料市场上都有自己合适　的位置。　部分颜料在合成过程中往往同时伴生其他色调　的副产品或颜料分子本身的同分异构体，如：大红　粉、酞菁绿等，如果无法将杂色除去，可否考虑对　体系进行有机处理，实现不同颜色的均匀混合，减　少诸如象金光这些不良现象的产生。　随着涂料工业的发展，涂料对颜填料的要求也　变得越来越苛刻了，这就需要从事颜料研究的技术　人员具有更开阔的视野与思维走向，否则我们的颜　料工业可能永远只能在国外品牌的阴影下生存，民　族颜料工业的发展则将危矣。　［编辑邸素梅］