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炭黑結(jié)構(gòu)在涂料中的應(yīng)用及影響

作者：小曉日期： 2024-11-27 點(diǎn)擊量：文字大小：大中小

炭黑結(jié)構(gòu)在涂料中的應(yīng)用及影響

要了解炭黑顏料，我們可以從四個(gè)方面來(lái)觀察，即內(nèi)部的顆粒結(jié)構(gòu)，外部的各向異性和不規(guī)則性排列，相對(duì)質(zhì)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(jié)構(gòu)。每個(gè)平面相互平行，每個(gè)平面最多可包含30個(gè)碳六邊形，層間距約為0.35nm，平面長(zhǎng)度為0.8～3.5nm，成千上萬(wàn)個(gè)這樣的平面層結(jié)晶形成一個(gè)粒子。表面的結(jié)晶更有方向性，中間更自由，少量的自由芳香碳片或碳?jí)K彌散在內(nèi)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(jié)構(gòu)更加規(guī)整，這可能是由于制造過(guò)程中炭黑的溫度較高、停留時(shí)間較長(zhǎng)，但兩者的晶格扭曲和規(guī)整性差別不大。

一、炭黑顆粒形態(tài)的研究

電子顯微鏡對(duì)炭黑顏料顆粒的觀察始于1940年，顆粒被視為一個(gè)合理的、獨(dú)立的、球形的單元，發(fā)現(xiàn)大部分顆粒融合在一起。但隨著20世紀(jì)60年代電鏡分析能力的增加，可以更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)，爐內(nèi)或槽內(nèi)制造的炭黑通常呈纖維狀，圍繞一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)中心同心取向，并發(fā)展成網(wǎng)狀，也就是常說(shuō)的“區(qū)域”。在大多數(shù)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(hào)的炭黑顆?；騿挝怀叽鐬?～75納米。除最粗的炭黑外，大多數(shù)炭黑的面積大于按直徑計(jì)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(jiàn)的表面形貌是連續(xù)凹陷和表面蝕刻，因此炭黑表面有氣體、金屬和一些有機(jī)絡(luò)合物吸附，有時(shí)還會(huì)有一些C、O和衍生物松散結(jié)合。各種炭黑的揮發(fā)分含量不同，如較粗的爐黑（平均粒徑70納米）揮發(fā)分含量為1%，較細(xì)的細(xì)槽黑（平均粒徑8納米）揮發(fā)分含量為14～15%。這些有機(jī)配合物，包括酚類、醌類或內(nèi)酯類、羰基類和羧基類，除了具有較細(xì)的爐黑和槽黑的特殊帶外，對(duì)顆粒性質(zhì)有不同的影響藍(lán)色噴氣調(diào)相關(guān)，還能使顏料顆粒具有更好的潤(rùn)濕性，易于分散。

測(cè)量炭黑比表面積的常用方法是BET法，即測(cè)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(jì)算方法，為實(shí)際粗糙多孔的顏料表面提供了更準(zhǔn)確的估算方法。用肉眼分辨炭黑的黑玉色或整體色調(diào)是很重要的。盡管光學(xué)方法已經(jīng)使用了幾十年，但它們不如經(jīng)驗(yàn)豐富的肉眼準(zhǔn)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(rùn)濕特性使其需要一段時(shí)間才能達(dá)到平衡。酸值是用堿中和后滴定過(guò)量的堿來(lái)確定的。吸油性也是炭黑的一個(gè)重要性質(zhì)，它同時(shí)表示顆粒的表面積和結(jié)構(gòu)。

二、炭黑在涂料中的應(yīng)用

美國(guó)用作油漆的炭黑量約為每年1500萬(wàn)-1700萬(wàn)磅，包括各種等級(jí)。炭黑被納入涂料體系主要是因?yàn)樗母卟煌该鞫群椭芰?。炭黑在涂料工業(yè)中的一般分類如表4-1所示，就顏色與色調(diào)的關(guān)系而言，細(xì)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(yè)的最終應(yīng)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(jià)漆。

在戶外應(yīng)用中，炭黑暴露在陽(yáng)光下和空氣的耐久性，這是任何其他顏料無(wú)法比擬的。炭黑不會(huì)褪色，表面看起來(lái)褪色的東西是由劣質(zhì)膠粘劑分解造成的，在任何一種應(yīng)用中，炭黑的本征性質(zhì)、粒徑、比表面積、結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)涂料粘結(jié)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(xué)性能與最終的薄膜性能密切相關(guān)，如黑度、流動(dòng)性、亮度、耐久性等。表4-2顯示了炭黑顏料性能對(duì)涂料性能的影響。假定炭黑只有一種性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，其他性質(zhì)保持不變，這是為了簡(jiǎn)化各種內(nèi)部要素的相互作用而作出的假設(shè)。

三、著色強(qiáng)度與粒徑的關(guān)系

黑度是炭黑的重要性能指標(biāo)，需要更多的研究和重視。雖然結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)提高涂料的黑度起著重要作用，但與黑度和著色強(qiáng)度相關(guān)的最重要因素是平均粒徑。對(duì)于含有炭黑的分散體，光源發(fā)出的光大部分被吸收，只有少數(shù)點(diǎn)反射到要記錄的感光元件上，無(wú)法用比色計(jì)對(duì)黑度進(jìn)行有效分類。在實(shí)驗(yàn)室中，大部分黑度測(cè)量都是通過(guò)目測(cè)進(jìn)行的。在完全黑暗的地方用強(qiáng)光照射濕膜，確定兩個(gè)黑色樣品之間觀察到的最小差值作為黑度指標(biāo)。炭黑顆粒越細(xì)，吸收的光越多，感覺(jué)顏色越深；顆粒更粗的炭黑反射更多的光，使觀察者感覺(jué)不那么黑。在涂料工業(yè)中，色強(qiáng)表示顏料的顏色強(qiáng)度和遮蓋力，炭黑的色強(qiáng)與粒徑的關(guān)系和黑度隨粒徑的變化趨勢(shì)相同。炭黑顏料最大的問(wèn)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(guò)大，較小的炭黑顆粒被較大的白色顏料顆粒覆蓋，產(chǎn)生“夾雜”效應(yīng)。從流變學(xué)的角度來(lái)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(xué)研究的炭黑的性質(zhì)。

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(zhì)，表面積，結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)會(huì)影響所需的性能，因此在整個(gè)操作方法中獲得必要的分散度至關(guān)重要。與大多數(shù)其他市售顏料相比，炭黑顆粒非常細(xì)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(dá)到適當(dāng)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(rùn)濕和分散）和分散穩(wěn)定（靜電穩(wěn)定和空間位阻）。為了實(shí)現(xiàn)顏料顆粒的良好分散，需要置換炭黑表面吸附的雜質(zhì)（包括空氣、氣體或水），提供足夠的機(jī)械能打散顏料團(tuán)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(shù)顏料相比，炭黑的分散需要高得多的機(jī)械能。粗點(diǎn)碳黑色（平均粒徑>33nm)易分散。當(dāng)顆粒變細(xì)時(shí)，分散的難度隨著細(xì)度的增加而增加。

另外，值得注意的是，以炭黑為配料時(shí)，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(jié)劑的附著力和分散率有著重要的關(guān)系。與同類非粒狀炭黑相比，基材潤(rùn)濕粒狀炭黑的速度要快得多，并且避免了使用疏松顏料時(shí)出現(xiàn)的涂料立即“增粘”現(xiàn)象。疏松的炭黑會(huì)迅速吸收許多粘結(jié)劑，增加粘度，降低分散率，從而降低剪切力。因此，研磨設(shè)備應(yīng)盡可能根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)選擇，通常使用球磨機(jī)或磨料機(jī)研磨粒狀炭黑，對(duì)于非磨料磨料機(jī)，一般用于研磨非粒狀炭黑。

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