炭黑結構在涂料中的應用及影響

作者：小曉日期： 2024-11-27 文字大小：大中小

炭黑結構在涂料中的應用及影響

要了解炭黑顏料，我們可以從四個方面來觀察，即內部的顆粒結構，外部的各向異性和不規則性排列，相對質量或體積，以及表面特性。炭黑的原形是疏松的聚合晶體基體，由一系列石墨平面層組成，傾向于形成中心粗糙的圓形結構。每個平面相互平行，每個平面最多可包含30個碳六邊形，層間距約為0.35nm，平面長度為0.8～3.5nm，成千上萬個這樣的平面層結晶形成一個粒子。表面的結晶更有方向性，中間更自由，少量的自由芳香碳片或碳塊彌散在內部，剩余的氫被限制在晶體周圍。與油爐制炭黑顏料相比，罐制炭黑的石墨層結構更加規整，這可能是由于制造過程中炭黑的溫度較高、停留時間較長，但兩者的晶格扭曲和規整性差別不大。

一、炭黑顆粒形態的研究

電子顯微鏡對炭黑顏料顆粒的觀察始于1940年，顆粒被視為一個合理的、獨立的、球形的單元，發現大部分顆粒融合在一起。但隨著20世紀60年代電鏡分析能力的增加，可以更準確地發現，爐內或槽內制造的炭黑通常呈纖維狀，圍繞一個或多個旋轉中心同心取向，并發展成網狀，也就是常說的“區域”。在大多數情況下，面積的平均尺寸可以代替顆粒的平均直徑，商用漆牌號的炭黑顆粒或單位尺寸為8～75納米。除最粗的炭黑外，大多數炭黑的面積大于按直徑計算的面積，這是由于炭黑表面存在許多微孔，尤其是粒徑小于25nm的炭黑。顆粒最常見的表面形貌是連續凹陷和表面蝕刻，因此炭黑表面有氣體、金屬和一些有機絡合物吸附，有時還會有一些C、O和衍生物松散結合。各種炭黑的揮發分含量不同，如較粗的爐黑（平均粒徑70納米）揮發分含量為1%，較細的細槽黑（平均粒徑8納米）揮發分含量為14～15%。這些有機配合物，包括酚類、醌類或內酯類、羰基類和羧基類，除了具有較細的爐黑和槽黑的特殊帶外，對顆粒性質有不同的影響藍色噴氣調相關，還能使顏料顆粒具有更好的潤濕性，易于分散。

測量炭黑比表面積的常用方法是BET法，即測量氮在高真空條件下在炭黑表面的沉積情況，將吸收氮的體積換算成炭黑的比表面積。該方法不同于電子顯微鏡的計算方法，為實際粗糙多孔的顏料表面提供了更準確的估算方法。用肉眼分辨炭黑的黑玉色或整體色調是很重要的。盡管光學方法已經使用了幾十年，但它們不如經驗豐富的肉眼準確和緩慢。PH值和酸值也是炭黑的重要性能。炭黑顏料的高比表面積和緩慢潤濕特性使其需要一段時間才能達到平衡。酸值是用堿中和后滴定過量的堿來確定的。吸油性也是炭黑的一個重要性質，它同時表示顆粒的表面積和結構。

二、炭黑在涂料中的應用

美國用作油漆的炭黑量約為每年1500萬-1700萬磅，包括各種等級。炭黑被納入涂料體系主要是因為它的高不透明度和著色能力。炭黑在涂料工業中的一般分類如表4-1所示，就顏色與色調的關系而言，細粒顏料（10-16納米）用于汽車和家具面漆，中等尺寸的黑色炭黑（16-33納米）用于通用公用事業的最終應用，較粗的（33-70納米）淺色炭黑用于汽車底盤漆、罐頭搪瓷和其他廉價漆。

在戶外應用中，炭黑暴露在陽光下和空氣的耐久性，這是任何其他顏料無法比擬的。炭黑不會褪色，表面看起來褪色的東西是由劣質膠粘劑分解造成的，在任何一種應用中，炭黑的本征性質、粒徑、比表面積、結構和表面化學性質對涂料粘結劑體系的初始配方和分散性能都有重要影響。這些物理化學性能與最終的薄膜性能密切相關，如黑度、流動性、亮度、耐久性等。表4-2顯示了炭黑顏料性能對涂料性能的影響。假定炭黑只有一種性質會發生變化，其他性質保持不變，這是為了簡化各種內部要素的相互作用而作出的假設。

三、著色強度與粒徑的關系

黑度是炭黑的重要性能指標，需要更多的研究和重視。雖然結構和表面化學性質對提高涂料的黑度起著重要作用，但與黑度和著色強度相關的最重要因素是平均粒徑。對于含有炭黑的分散體，光源發出的光大部分被吸收，只有少數點反射到要記錄的感光元件上，無法用比色計對黑度進行有效分類。在實驗室中，大部分黑度測量都是通過目測進行的。在完全黑暗的地方用強光照射濕膜，確定兩個黑色樣品之間觀察到的最小差值作為黑度指標。炭黑顆粒越細，吸收的光越多，感覺顏色越深；顆粒更粗的炭黑反射更多的光，使觀察者感覺不那么黑。在涂料工業中，色強表示顏料的顏色強度和遮蓋力，炭黑的色強與粒徑的關系和黑度隨粒徑的變化趨勢相同。炭黑顏料最大的問題是與白色顏料一起使用，白色顏料與黑色顏料的粒徑差異過大，較小的炭黑顆粒被較大的白色顏料顆粒覆蓋，產生“夾雜”效應。從流變學的角度來看，不同的炭黑所需涂料基料的用量也不同。表4-3給出了用于流變學研究的炭黑的性質。

四、色散與公式概念

在任何體系中，如果炭黑的分散度合適，其原始性質，表面積，結構和表面化學會影響所需的性能，因此在整個操作方法中獲得必要的分散度至關重要。與大多數其他市售顏料相比，炭黑顆粒非常細小，很難獲得良好的分散性。由于粒徑很小，炭黑顏料的顆粒之間有很大的吸引力，容易形成或緊或松的聚集體。因此，為了達到適當程度的顏料分散，需要一定的處理方法，包括粘合劑聚集體的解聚（潤濕和分散）和分散穩定（靜電穩定和空間位阻）。為了實現顏料顆粒的良好分散，需要置換炭黑表面吸附的雜質（包括空氣、氣體或水），提供足夠的機械能打散顏料團聚，并使顏料顆粒表面暴露于聚合物，以保持顏料顆粒必要的永久分離。與其他大多數顏料相比，炭黑的分散需要高得多的機械能。粗點碳黑色（平均粒徑>33nm)易分散。當顆粒變細時，分散的難度隨著細度的增加而增加。

另外，值得注意的是，以炭黑為配料時，炭黑的存在形式存在孔隙率和顆粒形狀的差異。由于去除空氣和減小有效表面積，炭黑的造粒除了便于處理和清洗的考慮外，還與涂料粘結劑的附著力和分散率有著重要的關系。與同類非粒狀炭黑相比，基材潤濕粒狀炭黑的速度要快得多，并且避免了使用疏松顏料時出現的涂料立即“增粘”現象。疏松的炭黑會迅速吸收許多粘結劑，增加粘度，降低分散率，從而降低剪切力。因此，研磨設備應盡可能根據應用系統選擇，通常使用球磨機或磨料機研磨粒狀炭黑，對于非磨料磨料機，一般用于研磨非粒狀炭黑。

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