颜料的分散

表7-2 各种不同分散设备对颜料分散效果
机种 三辊研磨机 立式砂磨机 胶体磨 单（双）螺杆挤出机
生产量／批 少量
中～大量 少量
少～中量
生产效率 (公斤／小时)
低
高
低
中
剪切力 中 高 高
低~高
分散效果 中 高 高
低~高
消耗电力 公斤／千瓦
7
25
16
7
由此可见，塑料着色对颜料的分散性要求远远高于涂料和油墨的要求。 颜料分散后的粒径多大为宜？相对于不同的塑料制品以及所采用的不同的加工工艺而言， 其对颜料分散的要求是不尽相同的。 就常规而言，对于一个视觉感应比较敏感的人，当颜料颗粒的粒径大于20μm时就会感知 颜色色点的存在。而较粗的颗粒不仅会使制品表面产生斑点、条痕，而且也会在挤出或其它成 型加工过程中产生堵网等现象进而影响生产的正常进行。对于一般的塑料制品来说，当制品中 所含的颜料颗粒粒径大于10μm时，就可能导致制品表面光泽度比较低；粒径小于5μ m 时，则 完全可以满足生产和外观要求；但是对要求比较严格的制品，这样的颗粒分散结果也可能会影 响制成品的力学性能、电性能及加工性能。对于纤维（单根丝直径为20～30μm）和超薄薄膜
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Wax 1: 聚乙烯蜡,无极性 Wax 2:EVA 蜡 12% VA 载体树脂:LLDPE 图7-4 不同润湿剂对分散的影响
7.3 润湿 7.3.1 润湿现象及其评价 接触角与杨氏方程 当液体与固体表面接触时，新形成的固/液界面逐步替代原来的固/气界面，这种现象叫润 湿。液体与固体接触时，会形成一个夹角，这个夹角被称为接触角，它是液体对固体润湿程度 的一个衡量标志。图7－5 所示（A）、（B）的不同水珠状在固体表面出现情况。
这样的情况发生后，后续无论以何种分散手段加以补救也很难达到理想的效果，此时，只有重 新把颜料颗粒的润湿重新做好，分散的问题才能迎刃而解。图 7-4 就明确显示了不同的润湿手 段所带来的分散结果的悬殊差异：同一种颜料在选用普通的润湿剂进行润湿的前提下，无论挤
出造粒一次还是六次，其最终所体现的分散性都不尽如人意；而采用合适的润湿剂进行同样的 加工，则其结果就会产生质的飞跃。
附聚体
定义 颜料的个别单元，它可以呈任何形状，具有任何结构 用适当的方法(即，光学或电子显微学的方法)能够识别的粒子
初级粒子在一起生长并面对面地排列起来的集合体， 其总的表面积低于其初级粒子的表面积之和 初级粒子通过角、边相接而形成的集合体和／或附聚物的 集合体，其总表面积与个别粒子表面积之和没有多少差别
第七章
颜料在塑料中的分散
7.1 颜料在塑料中分散目的和意义 颜料的分散对塑料着色有着极其重要意义。颜料分散的最终效果不仅影响着色制品的外
观（斑点、条痕、光泽、色泽及透明度），也直接影响着色制品的质量，例如制品的强度、伸 长率、耐老化性和电阻率等等，同时还会影响塑料（也包含色母粒）的加工性能以及应用性 能。颜料在生产时刚生成的颜料粒子，我们把这种粒子称为原始粒子。由于各方面原因，这些 原始颜料粒子在后续的制造过程中会产生团聚或凝聚而形成比塑料着色要求大若干倍粒径的倾 向。如果要使颜料在着色中达到理想的着色力，透明度，亮度以及其他特性，就必须对颜料在 塑料中的分散过程和结果进行研究，以便更好地将这些团聚体分散到比较接近于初级粒子或较 小团聚体。
7.1.4 节能降耗 为了达到颜料在塑料中分散的目的，往往采用加长双螺杆长径比，降低加料量或反复多次 造粒来达到要求；对于其它设备和加工工艺采用增加研磨时间的方式达到同样的目的。这样做 会极大地降低产能和提高单位产量的能耗，这都会导致产业链温室气体（二氧化碳气体）排放 的大幅提升，加剧温室效应。这与当今全球范围内所提倡的节能减排的大环境是格格不入的，
表8-3不同规格纤维期பைடு நூலகம்颜料的粒径
应用领域 地毯 家具 汽车 服饰
纤度（旦） (g/9000m)
22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1 0.8
纤维直径（圆型） 微米
58.2 55.8 52.9 49.9 46.7 43.2 39.4 35.3 30.5 24.9 17.6 12.5 11.2
期望颜料粒径 微米
6 6 5 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1.1
在纤维生产中，如果颜料的分散不能达到预期的效果，轻则因频繁更换滤网而造成停机， 降低产能；重则严重影响生产的进行；极端的结果是导致产品的质量问题和浪费。所以颜料的 分散性能对于满足塑料加工性能和最终制品的应用性能至关重要。
随着人们对于化纤制品使用特性的改善和提升等要求的不断追求和加工工艺和设备的日益 更新，尤其对于直接用于人体接触的纺织品类制品在手感和舒适度方面的要求越来越高，所以 对相关制品丝的细度也在不断提出更高的要求，各种超细丝产品和生产工艺应运而生，例如海 岛丝工艺等。这就给颜料的分散提出了前所未有的更高的要求，也应该是颜料生产和应用领域 从业者不断追求和努力的目标。
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获得最高的性价比.
图7-3 颜料粒径与着色力关系 在塑料着色中颜料的均匀混合并不困难，关键在于如何将其充分分散。充分分散后再将颜 料均匀分布在塑料体系中，但需要注意的是充分的分散并不能等同于均匀混合，有时侯颜料分 散得很好，但因为混合不均匀，也会在塑料制品表面留下色纹和斑痕。
7.1.3 满足塑料加工对颜料分散性要求 颜料在塑料加工时所承受的总分散力是要远比颜料在油墨和涂料加工时来得低。塑料的 基本特性决定需将塑料加热熔融成型后冷却成为塑料制品，所以塑料一般加工成型的机械均为 可加热的处理单元。对于颜料分散处理最为常见的加工机械就是单（双）螺杆挤出机，颜料在 塑料流动熔融体里中所受到剪切力不足以把颜料颗粒分散达到理想的要求。相比于塑料加工过 程，颜料在涂料和油墨加工时所采用设备一般为高速砂磨机和三辊机，由于采用了不同的研磨 媒介和方式，颜料除了受到高剪切力作用之外还受到极其强烈的冲击力和静压力。 各种不同分散设备对颜料分散效果见表7-2，
综合上述讨论，颜料在塑料着色加工时所承受的综合分散力远比颜料在油墨和涂料加工时 来得低，但是在纤维和超薄薄膜等的特定应用中，对颜料颗粒的分散要求却远远要比油墨和涂 料来的高。因此，颜料的分散性在塑料着色应用中的重要性更加显而易见。
7.2 颜料在塑料中分散 颜料在塑料中分散就是把颜料充分地分散到理想的颗粒细度，并均匀混合在塑料中。 完整的颜料分散过程通常包含三个必不可少的阶段： 1. 润湿：颜料与空气或水的分界面变为颜料与载色体界面； 2. 分散：颜料颗粒在外力作用下破碎粒子附聚体与聚集体； 3. 稳定：稳定已经被分散在介质中的颜料颗粒，并有效防止再次聚结。 颜料分散的重要步骤是颜料颗粒的润湿，它分为对颜料的初始润湿和在分散进程中的细分 颗粒的持续的润湿。对塑料加工来说，初始润湿就是树脂载色体取代颜料表面上的空气和水分 的过程，颜料润湿的目的也就是使颜料颗粒之间的凝聚力减小，如果在颜料表面不能完全被载 色体（也包含润湿剂）润湿，那么分散设备通过熔融体介质所产生的剪切应力对颜料附聚集体 就起不到什么作用。颜料润湿的难易由颜料粒子表面性质和载色体性质决定。颜料与载色体的 接触角越小，载色体的表面张力越小，润湿越容易。 颜料的分散第二步是颜料颗粒的细化，颜料颗粒被润湿后在外力的作用下完成颜料微粒化 的过程，将颜料粉碎细化达到理想的粒径。目前采用机械分散的外力不外乎有压力、冲击力和 剪切力、用以粉碎颜料的附聚体与聚集体 颜料的分散第三步是被分散后的颜料细颗粒的稳定化，细化后的颜料颗粒表面积增大，会 产生再凝聚现象，将细化的颜料颗粒进一步做表面处理，降低新形成界面的表面能，以便在进 一步加工时，不致于使细化后的颜料颗粒再次凝聚。 以上描述的颜料分散过程即：润湿、细化以及细化后的稳定等环节，在实际操作中是密不 可分且几乎是同时发生的，只是为了便于讨论才将它们分开论述。 颜料的初始润湿对于颜料分散的结果有着无可替代的重要意义，通常这一过程都是经由一 些看似简单的步骤来完成的，所以非常容易被忽视。然而初始润湿不仅仅只是对颜料颗粒表面 的润湿，而颜料颗粒的分散成败与否恰恰是由这一步开始的，初始润湿做不好，颜料颗粒的良 好分散无从谈起，究其原因是因为：载色体树脂必须在颜料颗粒聚集体中的微隙间作充分的毛 细渗透，由于毛细滲透作用，颜料颗粒间凝聚力降低，并在剪切力的作用下很容易地被粉碎细 化。因此颜料的润湿速率和毛细渗透的程度，对于颜料颗粒总的被分散速率和质量起着决定性 的作用。 无数实践证明，大多数颜料颗粒分散不好的原因都比较集中地源于初始润湿的不理想，当
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（膜厚小于10μm），则颜颗粒粒径应小于1μm。另外对于纤维的应用，颜料颗粒度的控制是 与纺丝时使用的过滤滤网目数以及最终纤维的细度高度关联的。纤维生产工艺要求的目标是在 确保设定品质的前提下，尽可能少的更换滤网次数以获得更长时间的连续运行，生产过程中不 堵塞喷丝嘴，或者不发生纤维断丝，并且不因颜料颗粒而导致产生纤维强度的问题。因此对于 纤维生产商的一个重要参数，是确保加入纤维加工过程的颜料达到一定的颗粒细度和粒径分 布。一个经验法则是，那些颜料粒径不大于纤维丝直径10％的颗粒是非期望的。表7-3 明确指 出里该行业针对不同应用领域的纤维产品对于颜料分散特性的最基本的期望。
颜料在塑料中的分散性是指将颜料润湿后减少其聚集体和附集体尺寸到理想尺寸大小的 能力。而颜料在塑料应用中所有特性的体现几乎都要基于颜料能否被理想分散的程度，因此， 颜料的分散性是颜料应用中至关重要的一项指标。
7.1.1 颜料分散前粒子类型与性能 在颜料生产过程中，首先是形成晶核,晶核成长之始是单晶，但很快便发育成为有着镶嵌结 构的多晶体。当然，它颗粒仍然是相当微细的，粒子的线性大小约为 0.1～0.5μm 之间，一般 称为一次粒子或初级粒子。初级粒子容易发生聚集，聚集以后的颗粒称为二次粒子。按聚集方 式不同，习惯上又将二次粒子分为两类：一类是晶体间以晶棱或晶角相连，晶体间的吸引作用 比较小，粒子比较疏松，容易通过分散分开，称为附聚体（Agglomerates）；另一类，晶体间以 晶面接壤，晶体间的吸引作用力较强，粒子比较坚实，称为聚集体(Aggregate)，聚集体总表面 积小于各自粒子表面积的总和，聚集体靠一般的分散工艺几乎很难分散。颜料合成示意图见图 7-1, 颜料颗粒结构特征见图 7-2，颜料分散前粒子类型与性能见表 7-1
不同的颜料颗粒结构和特征示意图如下所示：
原生颗粒 0 - 5 um 聚集体 5 - 50 um 附集体 80 - 1000 um
图7-1 颜料颗粒结构特征 （DIN 53206） 颜料在合成及后续加工过程中颗粒的形成及发展变化参见下图：
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图7-2 颜料合成示意图
颜料分散前粒子类型与特性见表7-1
名词 粒子 初级粒子 聚集体
一般商品颜料颗粒是比附聚体还大的粒子，粒径通常为 250μ 左右，因而不能被直接地用 于塑料的着色，因此必须进行良好的分散处理。
7.1.2 提高颜料的着色 颜料对于塑料制品着色而言，最重要的性能就是着色力。所谓着色力是指颜料赋予制品着 色能力的一个度量。当塑料制品获得相同的颜色时，用量少的颜料其着色力高。特定颜料的着 色性能主要取决于其所获得的分散状态。颜料在一定的介质中分散，其着色强度在亚微细粒径 范围内时随平均粒径降低而增加。图 7-3 是颜料粒径与着色力关系。如果颜料颗粒大小为可见 光波长 l／2，即 0.2-0.4μ，其获得的着色力最高。一般而言，颜料在塑料中的分散越好，其 着色力就越高。原因在于颜料对制品的着色和遮盖都是通过其表面与光线的复杂作用而达成。 颜料分散得好，其平均粒径小，比表面积大，对光的作用就强，着色制品的外观就会显得均 匀、光亮，色点少，色差小。因此达到相同着色深度和遮盖效果时颜料的用量就能减少，从而
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也必将会因为可能成为高“碳关税”的课税对象而被拒之于出口产品名单之外。目前为了改善 整个地球的气候环境，各大全球性公司已率先采取行动,通过各种方式降低自己产品生产的碳排 放，其中的重要环节也当然包括要求原材料供应商必须提供原料生产的碳排放认证。美国沃尔 玛公司已经要求 10 万家供应商必须完成商品碳足迹验证,并贴上碳标签,这将连带影响全球超过 500 万家生产企业，而其中的大部分都在中国。这意味着中国大量相关企业必须进行碳足迹认 证，承担相应的减排责任，否则全球性公司的订单将与你无缘。因此随着这一进程的不断推 进，塑料着色会对颜料的分散性提出越来越高要求。