新界分散剂的作用原理及选择方法详解

分散剂的作用原理及选择方法详解
分散剂是什么——能使固液悬浮体中的固体粒子稳定分散于介质中的表面活性剂称为分散剂。
分散剂的作用原理——分散就是将固体颗粒均匀分布于分散液的过程，分散液具有一定的稳定性。
主要表现在：

1、吸附于固体颗粒的表面，使凝聚的固体颗粒表面易于湿润。
2、高分子型的分散剂，在固体颗粒的表面形成吸附层，使固体颗粒表面的电荷增加，提高形成立体阻碍的颗粒间的反作用力。
3、使固体粒子表面形成双分子层结构，外层分散剂极性端与水有较强亲合力，增加了固体粒子被水润湿的程度。固体颗粒之间因静电斥力而远离4.使体系均匀，悬浮性能增加，不沉淀，使整个体系物化性质一样
以上所述，使用分散剂能安定地分散液体中的固体颗粒。
分散剂分散机理
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双电层原理——水性涂料使用的分散剂必须水溶，它们被选择地吸附到粉体与水的界面上。目前常用的是阴离子型，它们在水中电离形成阴离子，并具有一定的表面活性，被粉体表面吸附。粉状粒子表面吸附分散剂后形成双电层，阴离子被粒子表面紧密吸附，被称为表面离子。在介质中带相反电荷的离子称为反离子。它们被表面离子通过静电吸附，反离子中的一部分与粒子及表面离子结合的比较紧密，它们称束缚反离子。它们在介质成为运动整体，带有负电荷，另一部分反离子则包围在周围，它们称为自由反离子，形成扩散层。这样在表面离子和反离子之间就形成双电层。

2
动电电位——微粒所带负电与扩散层所带正电形成双电层，称动电电位 . 热力电位：所有阴离子与阳离子之间形成的双电层，相应的电位。
起分散作用的是动电电位而不是热力电位，动电电位电荷不均衡，有电荷排斥现象，而热力电位属于电荷平衡现象。如果介质中增大反离子的浓度，而扩散层中的自由反离子会由于静电斥力被迫进入束缚反离子层，这样双电层被压缩，动电电位下降，当全部自由反离子变为束缚反离子后，动电电位为零，称之为等电点。没有电荷排斥，体系没有稳定性发生絮凝
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位阻效应——一个稳定分散体系的形成，除了利用静电排斥，即吸附于粒子表面的负电荷互相排斥，以阻止粒子与粒子之间的吸附/聚集而后形成大颗粒而分层/沉降之外，还要利用空间位阻效应的理论，即在已吸附负电荷的粒子互相接近时，使它们互相滑动错开，这类起空间位阻作用的表面活性剂一般是非离子表面活性剂。灵活运用静电排斥配合空间位阻的理论，既可以构成一个高度稳定的分散体系。
高分子吸附层有一定的厚度，可以有效地阻挡粒子的相互吸附，主要是依靠高分子的溶剂化层，当粉体表面吸附层达8-9nm时，它们之间的排斥力可以保护粒子不致絮凝。所以高分子分散剂比普通表面活性剂好。

分散剂的作用过程
一、固体粒子分散过程 固体粒子在介质中的分散过程一般分为三个阶段。
1. 固体粒子的湿润 湿润是固体粒子分散的基本的条件，若要把固体粒子均匀地分散在介质中，首先必须使每个固体微粒或粒子团，能被截至充分地湿润。
2. 离子团的分散或碎裂 此过程中要使粒子团分散或碎裂，涉及粒子团及内部的固固界面分离问题。表面活性剂的类型不同在粒子团的分散或碎裂过程中所起的作用也有所不同。
a. 通常，以水为介质时，固体表面往往带负电荷。对于阴离子表面活性剂虽然也带负电荷，但在固体表面电势不是很强的条件下阴离子表面活性剂可通过范德华力克服静电排斥力或通过镶嵌方式而被吸附于缝隙表面，使表面因带同种电荷而排斥力增强，以及渗透水产生渗透压共同作用使微粒间的粘结度降低，减少了固体粒子或粒子团碎裂所需机械功，从而使粒子团被碎裂或使粒子碎裂成更小的晶体，并逐步分散在液体介质中。
b. 非离子表面活性剂也是通过范德华力被吸附于缝隙壁上，非离子表面活性剂存在不能使之产生点排斥力但能产生熵斥力及渗透水化力，使粒子团中微裂缝间的粘结强度下降而有利于粒子团碎裂c. 阳离子表面活性剂可以通过静电吸引力吸附于缝隙壁上，但吸附状态不同于阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂。
3. 阻止固体微粒的重新聚集 固体微粒一旦分散在液体中，得到的是一个均匀的分散系，但稳定与否哟啊取决于各自分散的固体微粒能否重新聚集形成凝聚物。
二、表面活性剂在水介质中的分散稳定作用
1. 对非极性固体粒子的分散作用 表面活性剂加入悬浮体后，由于表面活性剂可以降低水的表面张力，而且表面活性剂的疏水键可以通过范德华力吸附于非极性固体颗粒表面，亲水基伸入水中提高其表面的亲水性，使非极性固体粒子的润湿性得到改善。
2. 对带电质点的分散稳定作用
a. 离子型表面活性剂鱼质点表面带有同种电荷 当离子型表面活性剂所带电荷与质点表面相同时，由于静电斥力而使离子型表面活性剂不易被吸附于带点的质点表面；但若离子型表面活性剂与质点间的范德华力较强，能克服静电斥力时离子型表面活性剂可通过特性吸附而吸附于质点表面，此时会使质点表面的zeta电势的绝对值升高，使带点质点在水中更稳定。
b. 离子型表面活性剂与质点表面带有相反电荷 若使用的离子型表面活性剂与质点间所带电荷相反，在表面活性剂浓度较低是，质点表面电荷会被中和，使静电斥力消除，可能发生絮凝；但当表面活性剂浓度较高是，在生成了电性中和的粒子上再吸附了第二层表面活性剂离子后，固体颗粒又重新带有电荷，由于静电的斥力又使固体微粒重新被分散。
三、表面活性剂在有机介质中的分散稳定作用
质点在有机介质中的分散主要是靠空间位阻产生熵斥力来实现的。对于非极性的质点，以克服质点间的范德华力而稳定分散于有机介质中。对于有机颜料的表面处理可以通过一下几种方式实现。
1. 使用有机胺类对有机颜料进行表面处理
2. 使用颜料衍生物对有机颜料进行表面处理。
如何选择涂料用分散剂
在我们涂料生产过程中，颜料分散是一个很主要的生产环节，它直接关系到涂料的储存，施工，外观以及漆膜的性能等，所以合理地选择分散剂就是一个很重要的生产环节。但涂料浆体分散的好坏不光和分散剂有关系，和涂料配方的制定以及原料的选择都有关系。分散剂顾名思议，就是把各种粉体合理地分散在溶剂中，通过一定的电荷排斥原理或高分子位阻效应，使各种固体很稳定地悬浮在溶剂（或分散液）中。
1、针对树脂的选择
树脂,尤其是研磨用树脂,在制备色浆时起着关键的作用。
1)参加对颜料的分散和锚定
2)参加保持已经分散隔离的颜料粒子的稳定
树脂的上述作用,大家都可以通过一些实验看到,例如长油醇酸树脂、聚酰胺树脂、氨基树脂、醛酮树脂、低相对质量羟基丙烯酸树脂、都表现出对颜料很好的润湿能力，而低羟值丙烯酸树脂、热塑性丙烯酸树脂、高相对质量聚酯树脂，高相对质量饱和聚酯树脂，乙烯基共聚树脂、聚烯烃树脂等对颜料均表现出较差的润湿性。同样的颜料，在不同的树脂体系得到的色相也不同。几乎所有的炭黑和有机颜料及透明氧化铁都随着不同树脂体系改变着自身色相，尤其是散射色相。因此，选择合适的分散剂，不仅用来分散和稳定颜料，而且用来调整颜料终达成我们需要的正确颜色，例如黑度、透明度、45°下的色光等。因此，分散剂与树脂的配合,包括:
　　－相容性(取样检测,去除溶剂后检查相容性)
　　－分散剂在该树脂体系对确定颜料的降黏行为(旋转黏度计检测)
　　－分散剂在该树脂体系对确定颜料的展色行为(刮涂比色)
　　－贮存稳定性(流板法)
当树脂体系发生变动时，分散剂的上述性能表现都会发生相应的变动。这种变动就需要应用测试来确定。
一般地，不容易总结一个简单的应用原则。对于树脂体系加上颜料因素，分散剂的选择就变得参数太多。因此必须同时考虑颜填料的性质。
2、炭黑和有机颜料
如前文所述,工业用颜料门类和品种繁多。颜料行业把它们分为有机颜料和无机颜料。而涂料行业常把透明氧化铁和炭黑当作难分散颜料与有机颜料一同考虑。
　　我们把难分散颜料进行了进一步的区分。
　　区分原则是看其氢键的强度。
　　在实验中，我们明确地看见这样的分散结果:
在固定的树脂体系中，如果一个分散剂能对炭黑有很好的表现，那么它常常同时能稳定酞菁系颜料，而且，必然表现出对DPP红等其他有机颜料表现出弱的分散性能。
反过来,如果一个分散剂能很好地分散稳定DPP红、有机紫等颜料,通常用它来分散炭黑得到不喜欢的棕红色相，对酞菁系颜料的降黏能力也不足。
此类现象几乎在所有分散树脂中，对所有分散剂适用。极少有分散剂能同时对上述两大类难分散颜料都表现出极其好的性能。总是这这一类很好,而另一类略差。
我认为这来源于颜料自身的氢键结构的多少及强弱。
炭黑、酞菁蓝等颜料，其主要的颜料之间的相互作用力并非氢键占主导，而是其它作用力，例如炭黑层状之间的偶合作用，酞菁结构的偶合作用，卤素的作用。而它们的表面处理中带有的极性基团相对于颜料自身的结构有性。
以DPP为代表的有机红、永固紫类颜料，其颜料自身设计中带有很强的氢键,这个氢键作用提高了颜料的性能,也直接影响了分散剂对颜料的作用。其界面的极性基团参与了颜料自身的氢键作用。这一点经过颜料化后期处理之后确凿无疑。
据此,可以解释单用一个结构的分散剂不容易同时在两大类不同内在作用的颜料中同时拿到佳效果。根据这个理论,我们也能够通过颜料结构判断它应该隶属于哪一边。例如异吲哚啉酮类颜料应该属于炭黑-酞菁系类别。而甲苯胺红应该倾向于后者。
在实际的分散剂选择中，对于类难以分散的颜料，在容易相容的树脂体系中有好的结果。然而如果树脂相容性不好,例如热塑性丙烯酸，则需要改用新型的聚丙烯酸酯型分散剂。对于第二类强氢键的颜料类别、高极性的PU，聚酯，聚丙烯酸酯，都能有很好的效果。只是在相容性不好的体系，高极性的PU和聚酯就受到。这时要改用改性的聚丙烯酸酯分散剂。
3、炭黑的黑度
炭黑的黑度是研讨分散剂时一个极其重要的课题，也是经常被讨论的。
至今的实践表明，仪器的检测不及目测准确；不同的光线下，黑度有变化；不同的角度下，黑度也有变化；不同的分散剂会选择不同的炭黑给出不一样的黑度；黑度高的炭黑色母不一定着色力也提高。
这一切都是容易解释的。因为炭黑的透明片状结构+炭黑的吸收光的能力。其透明片状结构在＜1μm的粒径下的片径，以及排布取向，必然会导致光线的透射，反射，折射，散射。而这些衍生的色光会被碳黑有条件地吸收一部分，另一部分会继续它的行程。这是个复杂而充满变数的叠加效应。所以，百分之百的黑是没有的，就是没有黑，只有相比对后的更黑。虽然能够理解，但是控制却是极其困难的。
4、钛白
起初,所有人都认为钛白非常容易分散,以至于用不用分散剂都可以。
然而在与其他难分散颜料复配时,钛白会参与浮色;
在制备高级别纯白时,钛白会出现雾影;
在特殊要求的制品上,钛白需要极好的遮盖和白度,而且不允许在高温下泛黄;很多普通工业场合不愿意采用昂贵的高级别钛白,甚至采用钛白代用颜料;上述问题引起了助剂行业对钛白分散的重视。
根据其表面结构和处理,已经实验,分散钛白可以采用：
　　－传统的润湿分散剂，包括带有酸值AV，氨值AMV，的有机羧酸，磷酸的胺盐以及控制絮凝型的润湿分散剂用于其浮色
　　－有机磷酸酯
　　－专用的PU高分散剂
　　－专用的乙烯基聚合物型钛白分散剂
　　－在水性中广泛有效的聚合物表面活性剂
其中，润湿分散剂是通用的选择。对系统有着广泛的适应性，但是不能适应特殊要求。
有机磷酸酯常被推荐制备高级别的纯白以去除雾影，而高相对质量分散剂则考虑了控制浮色，以及控制其白度的能力。在水性系统中的分散剂新技术帮助工厂自制的基准白能够接纳市售的色母。因此，分散剂用于钛白现在已经是常识。
5、透明氧化铁
透明氧化铁的粒径在纳米水平，它的表面具有两性，它在低颜料浓度时，似乎很容易分散，色浆黏度很低，但是透明度确不容易拿到好；而一旦略为超过临界的颜料浓度，色浆立即变稠至无法搅动，导致砂磨机效率。
氧化铁的透明度，有些像炭黑的黑度，似乎总是可以继续提高其透明度。我们的实验结果表明，一个我们已经认为透明度不错的样片，在45°观察，可能仍然有较重的雾影；
那么，究竟用什么好？这个问题又是一个捉摸不定的疑惑。
加上树脂系统的不同导致的选择性，推荐的方案就不止一种了。
例如有采用磷酸酯的方法；有采用高分散剂配合酸性端基润湿剂的方法，有单独设计的高分散剂等。它们在不同的系统对同一个透明氧化铁颜料显示出适应性。
6、消光粉
消光粉其实本身不难分散。它是在生产的时候就预先微粉化了的。有的有表面的蜡处理，有的没有，带有极性的羟基。然而，消光粉的分散问题来源于应用要求。
有的要求亚光的涂料能用一个配方适应多种施工方法，例如喷刷要光泽一致；

有的要求在高温高湿的下，消光均匀性不受影响；

有的要求低黏度条件下，消光粉有小的沉降；

有的要求有高的透明度；

有的要求有极好的耐摩擦性质，而引入硬质石英粉，因此需要一同作分散处理等等。

这导致了分散剂的随之变化。从传统润湿分散剂，到专用的高PU分散剂，到磷酸酯，到磷酸酯的胺盐，到其它特殊聚合物，都有被用来分散消光粉的。那么究竟哪个好？如前所述，那要看你怎么要求了。不能指望一个分散剂同时解决全部的要求。

原理上，润湿剂能提高终体系的流动能力；高相对质量分散剂则能防止沉降并控制消光粉在湿膜的运动而更容易定向，得到均匀的消光。

7、铝粉和珠光粉等金属闪光颜料

常用的解决方案是润湿剂。

也可以用与树脂相容的高分散剂来分散它们。同时控制它们的运动。这些都有成功配方的实例。

8、确定一个主分散剂

一般地在一个确定的树脂和溶剂系统，推荐采用这样的方法筛选一个合适的主分散剂：

首先，分散高色素炭黑，钛白，DPP红，普通氧化铁红四种颜料。

评估该分散剂对这四种常规色母的制备有无困难，例如降黏行为是否足够。

评估展色强度

评估贮存稳定性(流板及热储存)。

若一个分散剂能在这个特定系统里，对上述四种颜料表现出好的分散能力，那么它基本能胜任各种其它颜料的要求。即可被选择作为这个系统的主分散剂。当然，特殊的颜料如透铁，仍然可能例外。

这个方法也可以用来评估两个不同的分散剂的综合表现，找到适合它来处理的颜料类型。