【原】分散剂及碳黑对黑度的影响

周工解涂 2022-02-24

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摘要：本文采用不同的分散剂分散进口高色素碳黑及国产高色素碳黑，可以看出分散剂对碳黑的黑度、粘度有非常明显的影响。合适的分散剂可以得到低粘度、低触变性、高黑度及偏蓝色色相的碳黑浆。对这两种高色素碳黑而言，分散剂D均获得了最佳的试验结果。采用不同的分散剂，两种碳黑之间的黑度差别也不同。当采用分散剂D时，两种高色素碳黑的黑度值比较接近。

关键词：分散剂、碳黑、黑度

0 概论

颜料是色漆生产中不可缺少的成份之一，起到了很好的色彩和装饰性¹。黑色颜料能提供黑色，并在和其他颜料调配时降低饱和度，在各种涂料中尤其是高档的汽车漆中，占有一定有市场。碳黑是最重要的黑色颜料，高色素碳黑能提供极高的黑度。对高黑度及偏蓝色色相的渴望，永远是使用高色素碳黑的涂料人的追求。

本文选用了进口和国产两种高色素碳黑，分别采用不同的进口知名品牌的市场上反映对碳黑分散效果较好的分散剂在2K PU体系中进行研磨。比较了不同的分散剂对碳黑分散性的差异，以及相同的分散剂不同碳黑之间的差异。

1 试验部分

1.1仪器和试剂

电子天平（精确到0.001g，METTLER提供）；100微米涂膜器、光泽及雾影仪、25微米刮板细度计（以上由BYK-Gardner提供）；HAAKE RheoStress600流变仪（Thermo提供）；Disperser DAS 200振荡分散仪（Lau GmbH提供）、Xrite MA-68II五角度分光光度计（爱色丽提供）。

颜料：国产高色素碳黑（以HCC-1来表示）、进口高色素碳黑（以HCC-2表示）。

树脂：SM510n（由氰特提供）；N-3390（Bayer提供）。

各种溶剂（工业级）：醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯（PMA）、二甲苯等。

助剂：分散剂A、分散剂B、分散剂C、分散剂D、分散剂E、SN-4333（以上助剂由上海深竹化工科技有限公司提供）。

1.2色浆的配制

按表1所示的配方，在玻璃瓶中首先添加溶剂及分散剂，混合均匀后加入颜料、树脂和玻璃珠，密闭后置于DisperserDAS 200振荡分散仪中振荡3小时。取出后过滤备用。

表1 碳黑研磨浆配方

色浆名称	HCC1-A	HCC1-B	HCC1-C	HCC1-D	HCC1-F
分散剂名称	分散剂A	分散剂B	分散剂C	分散剂D	分散剂E
分散剂固含	30%	45%	30%	50%	40%
HCC1	8.00	8.00	8.00	8.00	8.00
分散剂添加量	10.36	6.76	10.36	6.22	7.77
SM510n	44.44	44.44	44.44	44.44	44.44
稀释剂	37.20	40.80	37.20	41.34	39.79
合计	100.00	100.00	100.00	100.00	100.00

色浆名称	HCC2-A	HCC2-B	HCC2-C	HCC2-D	HCC2-F
分散剂名称	分散剂A	分散剂B	分散剂C	分散剂D	分散剂E
分散剂固含	30%	45%	30%	50%	40%
HCC2	8.00	8.00	8.00	8.00	8.00
分散剂添加量	14.00	9.13	14.00	8.40	10.50
SM510n	44.44	44.44	44.44	44.44	44.44
稀释剂	33.56	38.43	33.56	39.16	37.06
合计	100.00	100.00	100.00	100.00	100.00

备注：[1] 以上配方为质量份，下同；

[2] 以上配方中，分散剂添加量为针对颜料DBP值的35%；其中HCC1的DBP值为111，而HCC2的DBP值为150；

[3] 以上色浆的颜基比为1/4，固含为37.77%。

1.3树脂基料的配制

按表2所示的配方，加入溶剂、树脂及助剂等，搅拌均匀。

表2 2K PU清漆及稀释剂配方

2K PU 清漆		稀释剂
SM510n	60.06	二甲苯	33.33
BAC	10.46	醋酸丁酯	33.33
PMA	5.33	PMA	33.34
10%SN-4333溶于PMA中	1.55	合计	100

N-3390	22.60
合计	100.00

备注：2K PU清漆的固含为56.38。本清漆为双组份，固化剂N-3390组份在使用前添加。

1.4色浆的细度测试

采用25微米刮板细度计测试以上色浆的细度，结果如表3：

表3 色浆的细度测试结果

颜料名称	HCC1					HCC2
分散剂名称	分散剂A	分散剂B	分散剂C	分散剂D	分散剂E	分散剂A	分散剂B	分散剂C	分散剂D	分散剂E
细度(≤,微米）	5	5	5	5	7.5	5	5	5	5	5

从以上测试结果来看，以上分散剂均对两种颜料均具有较好的分散效果。除分散剂E分散HCC1后的细度在7.5微米以下外，其余色浆的细度均在5微米以下。

1.5色浆的流板试验

将1.0g以上黑色色浆与9.0g 2K PU清漆以及5.0g稀释剂一起加入到塑料瓶中，振荡10分钟后，流涂于透明的PET膜上。于60℃烘烤1小时后观察其光泽、絮凝、起粒、透明度、展色力等。用这种方法可以评价颜料在树脂体系中的稳定性。结果如表4：

表4 色浆的流板试验结果

颜料名称	HCC1					HCC2
分散剂名称	分散剂A	分散剂B	分散剂C	分散剂D	分散剂E	分散剂A	分散剂B	分散剂C	分散剂D	分散剂E
20°光泽	86.9	86.5	86.4	84.6	85.6	86	86.7	85.6	85	86.8
60°光泽	91.5	91.1	90.9	90.1	90.8	90.3	91.2	90.4	90.4	91.4
絮凝(级)	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
起粒(级)	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
透明度(级)	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
展色力(级)	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1

注：絮凝指涂料聚集成团，按其程度分为1-5级，1级无絮凝，5级严重絮凝；起粒是指流板后在漆膜表面能观察到颗粒的现象，按其程度分为1-5级，1级漆膜表面无颗粒，5级漆膜表面有非常多的颗粒；透明度及展色力也分为1-5级，1级最佳，5级最差；

从以上试验可知，在该树脂体系中，以上分散剂对于HCC1及HCC2均具有较好的稳定效果，流板后的光泽均较高，且无絮凝、起粒等现象，透明度和展色力也非常优异。

1.6色浆的涂膜试验

将37.5g以上黑色色浆与62.5g 2K PU清漆混合于塑料瓶中，振荡10分钟后，采用100微米涂膜器在LENETA黑白卡纸上涂膜，于60℃烘烤1小时后观察其表面光泽、流平及起粒状况。结果如表5所示：

表5 色浆的涂膜试验结果

颜料名称	HCC1					HCC2
分散剂名称	分散剂A	分散剂B	分散剂C	分散剂D	分散剂E	分散剂A	分散剂B	分散剂C	分散剂D	分散剂E
20°光泽	80.3	74.5	74.2	77.8	75.7	71.4	76	70.1	78.8	77.2
60°光泽	85.6	87.2	87.5	89.4	86.9	88.9	87.4	88.4	89.1	87.9
起粒(级)	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
流平(级)	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1

备注：[1] 流平指采用线棒涂膜后，漆膜表面的流平效果，分为1-5级，1级最佳，5级最差；起粒是指涂料因絮凝或调入性差而产生颗粒，涂膜后在漆膜表面能观察到颗粒的现象，按其程度分为1-5级，1级漆膜表面无颗粒，5级漆膜表面有非常多的颗粒。

[2] 配制后的色漆固含为49.40%，P/B为0.066；

从以上试验结果可知，在该树脂体系中，以上分散剂对于HCC2及HCC1均具有较好的稳定效果，涂膜后的光泽均较高、流平较好且无粒等现象。其中针对HCC1，分散剂A及分散剂D更佳；针对HCC2，分散剂D、分散剂E及分散剂B的光泽更高一些。

1.7色浆的流变曲线测试

采用HAAKE RheoStress 600流变仪测定以上色浆的流变曲线，测定结果见图1及图2：

图1 HCC1采用不同分散剂研磨后色浆的流变曲线

图2 HCC2采用不同分散剂研磨后色浆的流变曲线

图3列出了以上色浆在剪切速率为9.7 1/s时的粘度：

图3 色浆的粘度（剪切速率为9.7 1/s）

从图1~图3可见，对于HCC1而言，在SM510n树脂体系中，分散剂D具有最佳的降粘效果，其次为分散剂B。对于HCC2而言，分散剂D同样具有最佳的降粘效果，其次为分散剂C。并且从流变曲线上可以看出，采用分散剂D研磨的色浆，其触变性均最低。

1.8色漆的黑度测试

将1.6涂膜的色板采用Xrite MA-68Ⅱ分光光度计测试颜色。在D65光源、10°观察角、45°入射角时其颜色数据见表6：

表6 黑漆的颜色数据

色浆名称	L*	a*	b*	C*	h°	X	Y	Z
HCC1-A	2.025	0.478	0.810	0.940	59.43	0.224	0.224	0.185
HCC2-A	1.248	-0.186	-1.124	1.140	260.61	0.127	0.138	0.226
HCC1-B	1.692	-0.323	-0.648	0.724	243.51	0.170	0.187	0.246
HCC2-B	1.436	-0.183	-0.352	0.397	242.59	0.146	0.159	0.195
HCC1-C	1.550	-0.356	-0.738	0.820	244.22	0.154	0.172	0.235
HCC2-C	1.233	-0.207	-0.857	0.881	256.40	0.124	0.137	0.205
HCC1-D	0.828	-0.031	-0.684	0.685	267.38	0.086	0.092	0.146
HCC2-D	0.852	-0.060	-0.785	0.787	265.63	0.088	0.094	0.155
HCC1-E	1.718	-0.197	-0.387	0.435	243.00	0.176	0.190	0.231
HCC2-E	1.395	-0.175	-0.268	0.320	236.95	0.142	0.154	0.184

针对黑漆而言，有三个指标可以评估其黑度：My值，可以称为“黑度值”或“黑色值”，与底色色相无关。Mc值，也可以称为“黑色值”，与底色色相有关。dM则表达了黑漆的色相。这三者的关系为：dM=Mc-My（dM＞0时，表示偏蓝色色相；dM＜0时，表示偏棕色色相），My=100*log(100/Y)，Mc=100*(logX_n/X-logZ_n/Z+logY_n/Y)，其中X_n、Y_n及Z_n为照明灯方式下的标准颜色值（DIN6274），本文中均取值100来计算²。

将以上数据按公式计算后，得出各种色浆的黑度值Mc如图4所示。从图中可以看出，HCC1和HCC2采用不同的分散剂研磨，黑度均有差别。其中HCC1的黑度基本上低于HCC2。而采用不同的分散剂，两个颜料黑度值的差别也不同。采用分散剂D来研磨碳黑，无论对于HCC1，还是HCC2，均获得了最高黑度，且二者的差别很小。

计算dM值如图5所示。从图中可以看出，HCC1及HCC2采用不同的分散剂研磨，除分散剂E外，其余分散剂所得的dM值均为HCC2大于HCC1。这表明HCC2更具有蓝色的色相。其中针对HCC2，采用分散剂A及分散剂D获得了最高的dM值；而针对HCC1，分散剂D及分散剂C获得了最高的dM值。

图4 黑漆的Mc值

图5 黑漆的dM值

2 结果分析

2.1碳黑用分散剂选择

我们认为，比较不同的碳黑的黑度及色相，必须要将该碳黑完全分散好。如果采用润湿性很差的树脂，再配套不合适的分散剂，就不能真正展现碳黑的性能。尤其是高色素碳黑，如果没有采用合适的分散剂，或者采用了好的分散剂但加入的剂量却不足，或分散剂与树脂体系有些不相容，分散好的颜料粒子都很容易絮凝，从而影响其黑度的评估²。本文中所选用的分散剂，均为市场上针对碳黑有较好稳定分散效果的分散剂。分散剂的推荐用量一般针对颜料DBP值的20~50%，本文中选取35%，可以获得较好的性价比。从流板及涂膜的试验结果来看，采用以上分散剂在SM510n树脂体系中分散碳黑HCC1及HCC2，均无絮凝现象产生，碳黑得到了很好的分散及稳定效果。然而即使这样，从试验结果来看，采用不同的分散剂，其黑度的差异也相当大，例如采用分散剂D和分散剂A来分散HCC1，其黑度值Mc相差达69.98！