颜料预分散的生产工艺

颜料分散生产工艺
颜料分散前的形态,通过生产过程得到的原始颜料称为湿滤饼,还需进一步商品化处理,包括粉碎和干燥等过程。在干燥过程中,较细的颜料颗粒会产生凝聚,使其粒径较原始颗粒大许多倍,因而不能直接用于着,必须要进行分散处理。颜料的质量,除了光、着力、遮盖力、各种耐性等性能要求以外,分散性或易研磨性是一项很重要的指标。颜料的分散性直接关系到所生产的油墨和涂料的强、细度、光泽度等重要的质量指标,分散效果好的还可以缩短生产涂料时的研磨工时。
(一)颜料的分散
一般商品颜料颗粒是指比团聚体还大的粒子,粒径在250μm750μm(相当于通过60200目筛)。根据德国标准协会(German Standard Organization)命名法,认为颜料颗粒状态可分为:原生颗粒、凝聚体和团聚体。原生颗粒(German Standard Organization)是单晶、块状、球形或微晶组成的大晶体形式存在;凝聚体(Aggregates)是由原生颗粒表面彼此吸附而成;团聚体(Agglomerates)是由原生颗粒或凝聚体疏松的组合,或者是这两者在边、角上相互吸附而成的混合物。

作为使用者来讲,任何商品形式的颜料都要求容易均匀分散,能制成持久稳定、无凝聚、无沉降的悬浮物料。上世纪七十年代以来,颜料的加工处理技术已有很大发展,包括颜料颗粒的表面处理和颗粒的晶相调整等,但还不能满足使用者对其的要求。

一般情况下,颜料的分散过程可以分为三步:润湿→细化→稳定化混合分散
第一步是使用润湿剂润湿颜料,使颜料之间的凝聚力减小,便于第二步颜料的粉碎和细化。粉碎细化后的颜料进一步再做包覆处理,由于颜料经分散细分后,粒径减小,表面积增大,颜料表面自由能也增加,造成细化的颜料不稳定性。所以,当机械研磨能去除以后,颜料粒会再凝集起来。为此,在颜料研磨后形成新的表面时,在其表面应吸附一层包覆层,使颜料的表面能降低。当带有包覆层颜料的结合体再度碰撞就不会凝聚起来。降低新形成的接口表面能,以便在进一步加工时,不至于使颜料产生再凝聚现象。第三步是将细化后的颜料在熔体中能均匀分散。由于细化了的颜料表面积增加,进而表面能提高,导致颜料的稳定性降低,颜料之间就容易相互凝聚起来,从而使表面能降低至稳定的状态。由于吸附了一层包覆层,也使能量下降,比之前的状态要稳定,所以达到了颜料细化的目的。


(二)颜料分散的办法
大体上讲,颜料的分散方法大致有下列三种:干混合法、融体剪切法和液体研磨法。干混合法是指颜料与树脂由低到高速强度下混合,颜料分散主要通过冲击研磨而实现的,其主要设备有高低速混合机;融体剪切法是指在捏合作用下,通过熔化树脂传递大剪切应力;液体研磨法则是指通过液态载体的冲击式剪切力来分散颜料。

目前,市场上能比较好地解决颜料分散性的产品主要有以下几种商品形式:预分散颜料片、浆状颜料和母粒等三种。除此之外,还有一些如饼、膏等针对性很强的产品。

一是由专业生产厂家将颜料加工成颜料片(Pigmented chipsColor chips)。所谓颜料片,也称固体浆、粒、干片、切片、预分散颜料,指的是颜料和指定载体树脂的固态均匀混合物,也就是预分散在树脂中的高浓度颜料。预分散颜料片中的颜料含量比较高,根据体系的不同,一般可以在50-70%之间,载体树脂的含量比例在30-50%左右,某些如(N/C)体系的颜料片品种还含有环保的增塑剂。预分散颜料片,等同于
给油墨制造商按比例配制好的颜料和树脂,它可以被直接装入油墨配方,也可以先按浆的要求先分散成半成品——浆,再以浆加入调墨油的形式混合制成油墨。由于预分散颜料可以很容易地在高速分散机上进行分散,其分散细度完全可以满足一般油墨的要求。由此可见,易分散性是它的最大优势。如果对油墨产品的细度要求很高,或者说要求有纳米级效果,可以对半成品浆进行一次快速砂磨处理,得到的浆性能可以用“极好的巅峰状态”来形容,不管是泽、光泽和亮度都是无与伦比的。预分散颜料的市场推广应用,有一个价格因素在制约。笔者一直希望其能进行大规模的商品化生产,从源头上降低成本。如能和颜料生产厂家一起研究开发,不仅能从原材料成本上控制,更能从技术、服务上得到长足进展。

二是由颜料生产厂直接制成浆状颜料(浆,Color paste),由油墨、涂料生产厂在生产时直接加入配方使用,从而可以省却费时费力的研磨作业工序,得到效果比较满意的产品。典型意义上的浆状颜料()是指颜料生产厂将颜料湿滤饼,采取脱水步骤后,把颜料分散到各种基料中去,制成一种浆。一般有机颜料比重小,浆的颜料含量也较低;而无机颜料的比重大,则可达到较高的颜料含量。浆状颜料可保持颜料沉淀时的颗粒尺寸,
特点是细度好、泽也较鲜明、着力也较高。

三是母粒。母粒(Color Master Batch)是指颜料按20%-80%的比例经研磨或双螺杆挤出均匀地分散到树脂中而制得的颜颗粒,美国称之为颜料浓缩物(Pigment Concentration)或颜料制备物(Pigment Preparation)。它具有着效果优越、便于自动计量和运输、节约能源、无粉尘、无污染等优点,在[wiki]塑料[/wiki]等材料的着中应用普遍。这其中,载体是母粒的重要组成部分,其作用是增强颜料与要着的树脂之间的亲和力和提高着组分与树脂的分散与混合。用茂金属催化法合成的树脂作载体能大大提高颜料在母粒中的协同效应和分散性。由于颜料在母粒中分散性提高,更可获得一个更均一的相,因此,可以做到颜料用量更少,却能同时保持高着质量效果。这是因为茂金属催化法合成的树脂与Z-N催化法合成的树脂不同,茂金属催化法合成的树脂作载体能制备高浓度的粒,颜料含量更可达80%。除此之外,母粒中用茂金属催化法合成的树脂作载体,不仅会使着容易,还能使母粒产生美观感,而且对着产品的力学性能也有改善,这是因为颜料分散好以后,结晶性可以提高,得到的制品的耐应力、开裂性能相应提高。
(三)颜料片的生产与前景
1、生产颜料片的主要方法
目前主要的通用方法有混炼法和挤水法。前者主要是将颜料和纤维素、增塑剂、稳定剂和树脂等混合后,在加热的混炼机上进行熔融混炼,直至均匀,然后拉成片状,冷却后,以粉碎机粉碎成预分散颜料片。挤水法生产,则是通过对颜料滤饼和纤维素、增塑剂、稳定剂及树脂等混合后挤压,直至均匀,再将其进行脱水后处理,拉成片状,粉碎成颜料片。

2、颜料片的生产设备
主要的设备是开放式炼塑机,也称二辊机。它通过两个具有一定速度差的转动辊筒对物料进行混合、塑化。两辊相向旋转使物料在辊筒隙间受到强烈的挤压和剪切,从而达到颜料分散和混合均匀,混炼均匀出片后,冷却切粒即可。一般影响开炼机塑化质量的因素主要有:辊筒的温度、辊筒间距、前后辊筒速度、物料堆放量及混炼次数。该设备用于小型生产的较多,也有厂商用于生产母粒和碳酸钙填充母粒。

3、颜料片的发展方向
颜料片的发展,和高性能的颜料发展一直是同步的。性能的卓越性、应用时的持久性和对供应链中所有部分高附加值的经济性是当今高档有机颜料的发展方向。比如,颜料紫23PV23),也被称为咔唑紫,它也许是仅次于酞菁蓝或酞菁绿颜料的可以用于世界上几乎所有用途的最重要的高性能颜料之一。颜料紫23呈现紫红的颜,其特点是具有非常高的着力,无与伦比的鲜亮泽,以及在几乎所有塑料中很好的耐光性和耐热性。

在橙与红泽区域中,最著名最流行的高性能颜料有喹吖啶、二萘嵌苯、索兰士林亮橙、二酮基吡咯并吡咯颜料,它们具有优异的耐光性和耐候性、高度热稳定性和令人满意的抗移性。高性能颜料中杰出的一类是酞菁蓝和酞菁绿一类,它们具有优异的整体耐受性能以及热稳定性和迁移稳定性。

在涂料、油墨的生产中,分散是一个复杂且耗费成本的过程。谁都希望在简化步骤的同时,能得到可重复生产的高强度和高质量。在使用无机颜料的领域中,颜料片很好地解决了性能不稳定、浓度差、研磨费时等难题。颜料的易分散化是需求者最希望获得的特性,如奶粉和速溶咖啡的出现,只要搅拌就会很容易地分散于媒体中的颜料,是使用者
最为理想的状态。可以不夸张地说,由于颜料片的出现和表面处理的工业化发展,加上新型分散剂的开发和分散机的进步,颜料的分散变得比往年更加地容易了。本身,粉体颜料飞散所致粉尘污染,从作业环境来看绝不是一件好事,所以,通过颜料的珠粒化、颗粒化、片状化及添加飞散防止剂等手段,使得非飞散性且容易计量的颜料得以普及,这也是颜料片生存和发展的土壤。

今后随着使用者需求的多样化,逐渐需要以多品种、少批量生产来迎合市场。由于多品种、少批量生产一定会提高制品的成本,所以,由特定颜料片制造商集中生产颜料片制品,各油墨制造商以自己的品牌和销售途径提供给需求者的方法会日趋增加,这是大势所趋。

4、颜料片在开发、销售过程中的几个问题
1)印刷油墨工业在需要其性能时会采用高档有机颜料。就好比用红122来替代光稳定性不够的颜料红57;在需要降低铜含量时,用颜料蓝16和蓝79来替代颜料蓝15。这也就要求颜料片生产厂家时时刻刻踏准节奏,及时推出适合市场的新产品。业内有学者指出,未
来有机颜料的发展趋势无怪乎以下几个方面:新型化学结构的有机颜料、金属络盐颜料、偶合(Co-coupling)偶氮颜料、固溶体颜料、粒度分布调整颜料、结晶形调整颜料、颜料改质剂,这同时也是给颜料片指明了一条道路。

2)当然,我们也不希望看到一窝蜂地上颜料片生产线,毕竟这是只有在制造中高档油墨时油墨生产商才会考虑的。省工省时、性能超是一点不假,但国内真正能理解的还是不多,推广应用起来还是有一定的困难。许多新开业的颜料片生产厂家开工率不足,就是很好的一个说明。
有句俗话:中国人想要的一定贵,中国人能做的一定便宜。我们不希望这句话在颜料片生产领域也一样的应验。在低层次地领域竞争,只会对这个行业产生最负面的影响。图一时之利的后果大家一定都明白。

从有外资背景的珠海芳迪亚(Frontier printing inks Zhuhai1996年建厂开始,虽然国内对颜料片的研究开发已有近10年的历史,由于一直以国外市场为主要的终端客户,在国内还没有形成潮流之势。 星星之火,可以燎原。


从笔者浅显地经验来讲,我国颜料片工业可用一句话概括:发展快、差距小、前景广。颜料片在国外发展也只不过几十年的历史,中国改革开放使我国颜料片工业一起步就紧跟世界发展的潮流。芳迪亚全套引进了世界先进生产设备和生产技术,进口质量优异的颜料和分散剂,可以生产世界一流水平的颜料片。因此可以说中国颜料片工业水平与世界水平差距不大。然而中国与外国颜料片工业不同,国外颜料片工业由极少数的几个跨国公司垄断生产,反观国内,我国颜料片生产还没有形成凝聚的核心力量。相反由于中国知识产权保护不力,市场竞争规则不齐全,导致颜料片生产厂家如雨后春笋般的诞生,特别在珠三角,质量参差不齐,给油墨业内客户造成中国颜料片整体水平不高的错觉。加上众多厂家参与市场竞争,一定会导致颜料片价格不断振荡向下,以致于投资中国的国外公司也不得不参于颜料片价格大战。对使用者而言,片不同于一般的生活资料,并非越便宜越好,他们要求的是质量性价比优异的产品,一味地在价格上做文章,是非长久之计。

随着颜料片行业竞争加剧,中国颜料片工业将被迫进入调整,其必将按照世界发展规律运行,一场真正的较量也将会烽烟四起。
(四)浆的生产和前景
1、浆状颜料的品种
一种颜料可以同多种基料配成含不同基料的浆,反而言之,多种颜料又可以同一种基料配成谱齐全的各种浆,由此可见,每一种基料可以形成一个系列。如以中油度豆油醇酸树脂为例,可以配成黑、黄、桔黄、红、紫红、红紫、蓝、绿等各类浆状颜料,其中黄、红、蓝的大类,又可以选用不同相、不同耐性的颜料品种,形成一类含有接近20个的浆状颜料品种。
配制浆状颜料的基料,除了上述的中油度醇酸树脂以外,也可以是短油度醇酸树脂、长油度的亚麻油醇酸树脂、不干性短油醇酸树脂、热塑性丙烯酸树脂以及增塑剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、烃类的氯化物等溶剂,甚至有加入非离子型表面活性剂的水。所选用的颜料有碳黑、异吲哚啉黄、透明氧化铁黄、单偶氮黄、偶氮红、苝红、铁蓝、α稳定性型酞菁蓝、β型酞菁蓝、酞菁绿、二噁嗪紫等耐性高的品种。为了解决粉尘飞扬,也有把在生产或使用中易造成职业中毒的有毒颜料品种如铅铬黄、钼铬红、锌铬黄、铬酸锶等制成浆,从而解决车间的劳动保护问题。实际上几乎所有的颜料品种都可能制成浆,因此浆状颜
料开发的空间是很大的。
浆状颜料除用于水性涂料以外,也用于溶剂型油漆行业、橡胶行业,以及化纤着、塑料行业等。各种用途有其特殊的要求,如水浆钛白已用于造纸行业,由于其使用方便、可用槽车运输、成本低,已推广到其它造纸用的填充料生产中。
2、浆状颜料的生产过程简述
浆状颜料的生产要用颜料挤水的工艺,即颜料在沉淀之后经过吸滤或压滤的工序,先形成含颜料份在2080%的颜料滤饼,不经过干燥直接使颜料颗粒表面 从水相转向非水相。颜料挤水的工艺就是将颜料滤饼加入至非水相的基料如油、溶剂、树脂等中,在捏和机中进行捏和,直至基料进入颜料颗粒表面成为厚浆,而将水排出在厚浆之外。大量的排出水可以倾出,剩余的水分可在真空条件下在50摄氏度左右全部排出。有些颜料的亲水性较强,可以通过适当添加一些表面活性剂,来帮助排水。

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