Одним из важных этапов производства пигментированных покрытий является равномерное распределение твердых пигментов в растворе жидкого связующего.

Если эта стадия измельчения недостаточно оптимизирована, то может возникнуть целый ряд дефектов:

• флоккуляция,
• уменьшение блеска,
• изменение цвета,
• всплытие пигмента/расслаивание,
• ячейки Бенарда,
• расслоение.
На некоторых связанных с реологией свойствах это тоже может отразиться отрицательно, в частности, возможно:
• образование наплывов,
• выравнивание.

Пигментные агломераты уменьшаются в размере на стадии измельчения; в идеале это приводит к образованию первичных частиц. Агломераты представляют собой пигментные "группировки", в которых промежуточные пространства между индивидуальными пигментными частицами содержат воздух и влагу. Эти индивидуальные пигментные частицы контактируют одна с другой только по кромкам (краям) и углам. Силы взаимодействия между частицами относительно невелики, вследствие чего они могут быть преодолены на традиционном оборудовании для диспергирования. (Агрегатные формы более компактны и имеют соприкосновение по плоскости между индивидуальными пигментными частицами, поэтому их труднее расщепить на первичные частицы).

Резюме:

• Смачивающие добавки повышают смачивание пигментных агломератов.
• Диспергирующие добавки стабилизируют дисперсии пигмента, тем самым устраняется нерегулируемая флоккуляция.

На стадии диспергирования (Рис. 2) в системе повышают энергию, вследствие чего образуются мелкие частицы (с более крупной фазой раздела в растворе смолы). После этого система стремится преодолеть состояние, обогащенное энергией, с тем, чтобы возвратиться к первоначальным низкоэнергетическим условиям. Это подтверждается тем, что тонкоизмельченные пигменты опять образуют флоккуляты (хлопья). Вследствие этого проявляются такие отрицательные эффекты, как ослабление окраски, прочности, блеска, а также изменение реологии.

По структуре флоккуляты очень напоминают агломераты; тем не менее, промежуточное пространство между пигментами в этом случае заполнено раствором связующего, а не воздухом.

Процесс диспергирования

Некоторые процессы, которые имеют место при измельчении пигментов, могут быть разделены на следующие три этапа (Рис. 3):

На первом этапе весь воздух и влага удаляются с поверхности пигмента и замещаются на раствор связующего. Межфазный раздел твердое/газообразное (пигмент/воздух) трансформируется в межфазную границу твердое/жидкое (пигмент/раствор связующего). Раствор связующего должен проникнуть в пространство между агломератами.

Этап 2 представляет собой исключительно стадию измельчения пигмента. При помощи механической энергии (усилия удара и сдвига) пигментные агломераты распадаются и, соответственно, уменьшаются в размере.

На конечном этапе 3 пигментная дисперсия должна быть стабилизирована для того, чтобы предотвратить образование неконтролируемых флоккулятов. Как описывается далее, при помощи специальных методов возможно удерживать частицы пигментов на необходимом расстоянии друг от друга, так, чтобы они не могли соприкасаться. Во многих случаях стабилизация режима дефлоккуляции весьма желательна, в ряде случаев пигментные дисперсии могут быть стабилизированы путем регулируемой софлоккуляции (она будет обсуждена позже).

На этапы 1 (смачивание) и 3 (стабилизация) можно воздействовать при помощи добавок.
Смачивающие добавки ускоряют увлажнение пигментных агломератов связующим; диспергирующие добавки повышают стабильность дисперсии пигментов. Один и тот же продукт может быть многофункциональным, в частности, смачивающим и диспергирующим агентом.

Резюме:

• Смачивающие агенты снижают межфазное натяжение между пигментом и раствором связующего.

• Дефлоккулирующие добавки действуют через статическое отталкивание или пространственные помехи.

Смачивающие добавки

Смачивание пигментных агломератов раствором смолы зависит от многих факторов. Скорость проникновения жидкой фазы в пространство между агломератами (в значительно упрощенных условиях) математически выражена уравнением Уошберна (Рис. 4). Наиболее значимыми факторами являются: полярность поверхности пигмента и раствора связующего; вязкость жидкой фазы, а также геометрия незаполненных пространств (или пор) внутри агломератных структур. Особенно важно межфазное натяжение в определенных областях, где смачивающие добавки действуют между поверхностями пигмента и раствором смолы.

Смачивающие добавки могут быть определены как вещества, которые предназначены для снижения межфазного натяжения и в результате повышают "давление растекания", что, в свою очередь, ускоряет процесс смачивания. Для таких веществ характерна поверхностно-активная структура: полярные структурные гидрофильные элементы наряду с неполярными структурными гидрофобными элементами, находящимися в одной молекуле. Несмотря на эту специфическую структуру, подобные молекулярные комбинации являются активными в межфазной области. (Например, смачивающие добавки объединяются в межфазу пигмент/раствор связующего). С химической точки зрения, смачивающие добавки могут быть классифицированы как ионные или как не ионные – в соответствии с тем, как полярный сегмент вводится в молекулы. Неполярный сегмент, как правило, представлен углеводородными цепочками.

Диспергирующие добавки Диспергирующие добавки поглощаются на поверхности пигмента и, следовательно, поддерживают в нем внутренние интервалы между частицами через электростатическое отталкивание и/или пространственное препятствие, снижая, таким образом, тенденцию к нерегулируемой флоккуляции. Оба механизма стабилизации рассмотрены ниже.

Электростатическое отталкивание Частицы пигмента в жидкой краске несут на своей поверхности электрические заряды. С помощью добавок можно увеличить заряды и, более того, сделать все частицы пигментов одинаково заряженными. Противоионы концентрируются вблизи поверхности пигментов (в жидкой фазе), таким образом создается "двойной электрический слой" (Рис. 5). Стабилизация повышается вместе с толщиной этого слоя. Механизм стабилизации электростатического отталкивания особенно эффективен для латексной дисперсии на водной основе и аналогичных систем. Химические добавки, применяемые для приготовления дисперсий в таких системах, представляют собой полиэлектролиты – продукты высокого молекулярного веса, которые содержат множество электрических зарядов в боковых цепях.

Кроме полифосфатов в лакокрасочной промышленности в качестве полиэлектролитов применяют производные поликарбоновых кислот. Полиэлектролиты адсорбируются на поверхности пигмента и, следовательно, передают свои заряды пигментным частицам. Через электростатическое отталкивание между одинаково заряженными пигментами тенденция к флоккуляции значительно снижается, и дефлоккуляционное состояние стабилизируется. Из-за своей химической структуры эти добавки проявляют смачивающие свойства, следовательно, практически необходимо комбинировать их со смачивающими добавками.

Резюме:

• Диспергирующие добавки повышают заряд пигмента.
• Электростатическое отталкивание присутствует в основном в эмульсионных системах на водной основе.

Пространственные помехи

Диспергирующие добавки, функция которых состоит в создании пространственного препятствия, обладают двумя специфическими особенностями структуры. Первая – эти продукты содержат так называемые "пигмент аффинные" группы – группы сцепления или адгезивные группы, что обеспечивает сильную,прочную адсорбцию на поверхности пигмента. Вторая – они содержат совместимые со смолой цепные структуры (углеводородные элементы), которые после адсорбции добавки на поверхности пигмента отодвигаются как можно дальше от пигмента в окружающий раствор смолы. Этот слой адсорбированных молекул добавки с продвинутыми цепями относят к пространственному препятствию или "электронной стабилизации" (Рис. 7). Вышеназванная стабилизация еще усиливается за счет взаимодействия полимерных сегментов добавок с полимерами смол так, что "оболочка" вокруг частиц пигмента расширяется.

Такой механизм стабилизации характерен для систем с растворителем или восстанавливаемых водой систем, которые содержат сольватированные смолы. При помощи специфических структурных элементов, содержащих пигмент аффинные группы (полярные) и цепные структуры, совместимые со смолой (неполярные), эти добавки проявляют определенные поверхностно-активные свойства. Другими словами, они не только стабилизируют дисперсию пигмента, но и действуют как смачивающие добавки.

Резюме:

• Диспергирующие добавки обволакивают и локализуют частицы пигмента.
• Пространственная стабилизация возможна для водных и не водных систем.
Регулируемая флоккуляция

Если пигмент аффинные группы не только ограничены небольшой областью молекул добавки, но и особым образом распределены над молекулой, то такая добавка может быть мостиком между различными частицами пигмента. Благодаря конструкции добавок образуются трехмерные структуры, как показано на диаграмме пигментного флоккулята (Рис. 8). Размер и стабильность таких флоккулятов определяется добавкой, в частности, они зависят от взаимодействий "добавка-добавка" и "добавка-пигмент". В этом случае создаются регулируемые состояния флоккуляции, в которых степень флоккуляции зависит от химической структуры и концентрации добавки. В этой химической структуре отдельные частицы пигмента (из-за молекул добавки) остаются отделенными друг от друга. Такой тип стабилизации пигмента приводит к изменению свойств краски, в отличие от случая дефлоккуляции пигментов. Детали будут приведены в следующих разделах.
Преимущества каждого из видов стабилизации необходимо анализировать в каждой конкретной ситуации.

Классификация смачивающих и диспергирующих добавок

Одним из логических методов классификации многочисленных смачивающих и диспергирующих добавок является классификация в соответствии с химической структурой (анионная, катионная или электро нейтральная) их пигмент аффинных групп. На практике также важна совместимость добавки с системами, содержащими растворитель, или с системами на водной основе. Для практического применения также важно, стабилизируют добавки состояние дефлоккуляции или флоккуляции. Ниже этот критерий рассматривается как специфическая характеристика.

Резюме:

• Диспергирующие добавки могут обеспечивать регулируемую флоккуляцию.

www.newchemistry.ru