用于分散有机颜料和炭黑的润湿分散剂的选择(二)
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3、分子量与分散性能及相容性的关系
聚合物类型的润湿分散剂的分子量必须处在一个合理的范围之内,如果分子量太低,助剂就比较类似于表面活性剂,对颜料分散的稳定性较差。但分子量太高的话,也可能发生粘度过高,长链相互缠绕等问题,不利于颜料的分散。
众所周知,分散剂有两个基本组成部分,即颜料亲和基团和体系相容链段。因此一般来说,分子量的升高就对应于颜料亲和部分的链段和/或体系相容链段更长,前者通常意味着更多的颜料亲和基团,因而对颜料颗粒的吸附更为牢固和持久;后者在相容良好的体系中充分伸展开来后,就能在颜料颗粒表面形成一个聚合物保护层,而这个保护层的厚度就近似于分散剂中相容链段的长度。因此,不难理解,在合理的分子量范围内,有一个常见的现象是,分散剂对有机颜料和炭黑的分散稳定性随分子量的升高而提高,但其可能带来的问题则是分散剂与分散体系的相容性会随着分子量的升高而降低。Scott以Flory-Huggins晶格模型理论为基础而推导出的Scott方程可以定量说明这一现象。
4、高分子量润湿分散剂的新品种 - CPT聚合物
常见的用于分散有机颜料和炭黑的高分子量润湿分散剂从化学结构上分类,主要有聚氨酯、丙烯酸酯、高分支多胺等种类。其中丙烯酸酯类型的分散剂在不同时期有着不同的合成技术,粗略可以将它们分为两大类,即随机自由基聚合技术和可控聚合技术(CPT,即 Controlled Polymerization Technologies)。
可控聚合技术也叫活性聚合技术,最早始于上世纪50年代所发现的阴离子聚合技术,但直到80年代发现了可控聚合技术之一的基团转移聚合方法,才开启了这种技术的工业应用之门。到了90年代,各种形式的活性自由基聚合技术的出现又使可控聚合技术的发展登上了一个新台阶。可控聚合变得越来越容易实现,制造成本大幅降低,其应用越来越普及。所以,可控聚合技术包括了不同时期所发现的不同类型的聚合技术,这种技术只能应用于丙烯酸单体的聚合。
采用随机自由基聚合方法进行高分子聚合时,各个高分子链的反应无法保证同时进行、保持同步,因此各个高分子链的反应有先有后,有些聚合物链在反应过程中已失去了活性的时候,另一些聚合物链则还具有活性。最终得到的高分子产物为随机共聚物,高分子中各种单体的位置均为随机分布。因此,该方法无法在聚合物链中对特殊官能团或极性进行定位,也无法得到结构化的聚合物,如嵌段共聚物或梯度共聚物。每个分子的分子量相差很大,分子量分布很宽,一般多分散性系数大于2。
更重要的是,很多CPT润湿分散助剂具有高分散性能,例如特别适用于分散有机颜料和炭黑等难以分散的颜料。下图是不同类型的分散剂在溶剂型2KPU体系中分散FW200的黑度对比结果。
可控聚合技术仅局限于丙烯酸类聚合物,它是对传统聚合技术的补充,这种新型的合成技术能够使用完全相同的原材料而得到性能更高的润湿分散剂产品,从而满足了涂料生产商针对越来越多不同使用情况下的配方要求。
另外还有一类特殊的颜料衍生物可以作为上述各种润湿分散剂的增效剂,以帮助提高有机颜料和炭黑的分散性能,这类助剂的作用通常表现为降低研磨料的粘度,以及提高涂料漆膜的外观性能,例如透明性、光泽、雾影等。
结论
有机颜料和炭黑颜料的分散相比于无机颜料更具有挑战性,必须使用高分子量类型的润湿分散剂,同时也要保证分散剂与基料体系之间良好的相容性。最新的高分子量润湿分散剂合成技术是应用于丙烯酸酯单体聚合的可控聚合技术,该技术能使用相同的单体原料而合成性能更为优秀的分散剂新产品,继而提高涂料的各项性能,满足市场的各种需求。