第7章涂料生产工艺1311

第七章涂料的生产过程色漆制备过程（主要物理分散与混合的过程）配料→预分散→研磨分散→调合→调色(配色)→过滤包装§7.1颜料分散过程及分散体的稳定§7.2丹尼尔点及聚合物的保护作用§7.3涂料生产设备§7.4涂料的制备工艺§7.5色漆生产质量控制§7.1颜料的分散过程及分散体的稳定一、颜料的分散过程颜料的分散是色漆制备的关键步骤三个过程：润湿、分散和稳定。1润湿颜料表面的水分、空气为溶剂（漆料）所置换称为润湿。溶剂型漆润湿一般容易进行，因为溶剂(漆料)的表面张力一般总是低于颜料的表面张力的。但润湿也要有一个过程，颜料是一个聚集体，溶剂需要流入颜料的空隙。当溶剂粘度低时，润湿的速度可以很快要注意加颜料和溶剂的顺序，要先加溶剂后加颜料。水性漆中，水的表面张力较高，对于有机颜料润湿有困难，需要加润湿剂以降低水的表面张力。§7.1颜料的分散过程及分散体的稳定一、颜料的分散过程1润湿2颜料的研磨与分散颜料的聚集体破碎分散在漆料中3颜料的稳定（1）电荷稳定作用水性体系（2）立体保护作用一个稳定颜料分散体，存放时应该不致发生下列三种现象。（1）颜料发生沉降；（2）颜料发生过分的絮凝，以致损害流变性和漆膜的表观；（3）颜料与介质间的物理或化学作用导致体系粘度增加。1、颜料的沉降二、分散体的稳定作用Stoke公式可以描述球形粒子在液体介质中沉降的速度。r为粒子半径，ρ1为粒子密度，ρ2为液体密度，η为液体粘度，g为重力加速度。尽管颜料的沉降并不完全符合该公式的要求，但可作为讨论的基础。（1）当颜料吸附有低分子量聚合物或表面活性剂时，粒子直径会↑，沉降↑。但同时粒子密度↓，沉降↓，后一种明显。高分子量聚合物时，粒子吸附层更厚，可使沉降速度加快，但因为厚的吸附层密度低且具有很好的空间保护效应，防止了絮凝，因此可防止沉降，即使有沉降，沉降层很疏松，不致有严重絮凝聚集，经搅拌易于恢复分散状态。防止比重大的颜料沉降的一个方法，便是用表面活性剂处理，如第八章中介绍的硬脂酸处理的碳酸钙。（2）防止沉降的另一个方法是增加介质粘度，利用涂料“触变性”取得，即当涂料放置时，粘度很高，可成冻胶状。为了使涂料有触变性可在涂料中加入触变剂或增稠剂，在溶剂型涂料中主要有氧化蓖麻油，有机膨润土(蒙脱土)和醇铝等。2、颜料的絮凝颜料粒子在介质中不断进行布朗运动，亦即热运动，每个粒子具有一定动能,粒子和粒子间不断发生碰撞，如果粒子动能可克服粒子间斥力便可导致相互密切的接触，从而产生絮凝（1）对未稳定分散体系絮凝的速度(以粒子数半衰期表示)：02/143kTntt1/2为粒子数半衰期，即粒子数减半所需的时间，η为介质粘度，k为波兹曼常数；T为温度；kT为粒子的平均动能。n0为起始的粒子数。提高粘度可减少絮凝。但实际上，单靠提高粘度并不足以稳定涂料中的分散体，重要的途径是防止粒子碰撞过程中的互相接触。（2）颜料粒子相互接近时通常有三个主要作用力：色散力、静电力和空间阻力。(a)色散力是吸引力；(b)静电力可以是吸引力也可以是排斥力，在涂料分散体中主要是排斥力；(c)空间阻力总是排斥力。这些力的总效应决定吸引或排斥谁占优势，也即决定分散体系是否稳定。分为两种情况：①在水分散体系中通常可以加入表面活性剂或电解质(如多聚磷酸钠或聚丙烯酸铵)使粒子表面形成厚的双电层，这样可使粒子间发生较大的排斥力，防止絮凝。②在有机介质中不易形成双电层。粒子表面吸附的长链聚合物或表面活性剂主要起空间阻碍作用，它们防止粒子接近到范德华引力起作用的范围。(3)空间阻碍防止絮凝的效应和所用的聚合物或表面活性剂及溶剂等有关，吸附层愈厚，分散体系愈稳定。有关聚合物结构影响介绍如下(1)分子量：愈大，吸附层愈厚。(2)聚合物中的极性基团：要连续排列，而要有一定间隔，这样才能形成稳定的厚的保护层。例如高水解度的聚乙烯醇，它的羟基连续分布，因此分子是平伏在颜料上的，吸附层很薄。如聚合物分子中只含部分羟基则不同，它在颜料表面形成线团状分布，其空间为溶剂所充满，平均吸附层可很厚。一般生产中用来做悬浮剂的聚乙烯醇的规格为：平均聚合度为：1700~2000；平均醇解度为75%~89%。3、贮存时粘度上升主要原因：发生了物理和化学变化，特别是颜料间的絮凝。(1)粒子的聚合物吸附层中，低分子量的聚合物所占比例↑，如醇酸树脂涂料，低分子量醇酸树脂具有相对多极性基团，如羰基、羟基等，因此特别容易被吸附。低分子聚合物通常看作是增塑剂或溶剂。内相中低分子量部分↑，外相中高分子量部分↑，导致粘度↑(2)酸性介质和碱性颜料(如ZnO)间化学反应，粘度可逐渐增至凝胶。(3)金属颜料(如铝粉)与酸性介质间反应，导致凝胶。(4)多聚磷酸盐M2n+2PnO3n+1(M为一价金属离子，n3)不但作为水性涂料分散剂，也作为多价金属(如Ca等)螯合剂，但它易水解为正磷酸盐，失去螫合作用而变成絮凝剂。一、聚合物的保护作用聚合物在颜料分散中吸附于表面起到熵保护作用。但要控制好用量。(1)过量,分散效率降低而且颜料分散稳定性也并不一定好。因为颜料表面优先吸附分子量较低聚合物但分子量较低的聚合物稳定作用不好。(2)另外，聚合物浓度过高，不利于润湿。在颜料分散时，希望外加颜料，但聚合物浓度过低也起不到保护作用。如何决定聚合物的含量这个关键参数呢？§7.2丹尼尔点及聚合物的保护作用二、可以采用丹尼尔点的方法。配制一系列不同浓度的树脂溶液，取一定的颜料，然后滴加配好的溶液，同时进行研磨，使达到一定的粘度。测出规定粘度下溶液与颜料之比值，作图，所得曲线之最低点为丹尼尔点，该点的溶液浓度为最佳树脂浓度。可用门尼公式解释。iieVVK1lnln07.3涂料生产设备色漆制备过程：配料→预分散→研磨分散→调合→调色(配色)→过滤包装,相应生产设备:预分散设备、研磨分散设备、调漆设备和过滤包装设备一、预分散设备目的是使各种颜料混合均匀，颜料部分润湿以及初步打碎大的颜料聚集体，为研磨分散得以正常进行预分散常采用高速分散机在低速搅拌下，逐渐将颜料加于基料中混合均匀。其他预分散设备双轴高速分散机、同心轴高低速分散机、双轴高低速分散机、三轴高低速分散机、在线分散机7.3涂料生产设备一、预分散设备1高速分散机主要是由叶轮、分散轴和筒体组成锯齿圆盘式叶轮,高速旋转，在叶轮边缘2.5-5cm范围内形成湍流区颜料粒子在较强剪切和冲击作用而很快的分散到漆浆中。操作初始阶段，低速旋转防止堆在漆料表面颜料飞扬；再通过提高转速来增加分散能力。叶轮端部的圆周速率必须达到20m/s以上；但又不宜过高，否则易导致漆浆飞溅，使分散效率降低主要适用于易分散的颜料在较低黏度漆浆中的预分散，不适用于难分散的颜料或黏度太大的浆料则。在实际应用中，高速分散机除了用于预分散外，还可用于研磨和最后的调稀操作。4000-5000rpm，圆周线速度达到2000cm/s以上。图5-6GFJ-22A高速分散机结构7.3涂料生产设备一、预分散设备1高速分散机主要是由叶轮、分散轴和筒体组成锯齿圆盘式叶轮,高速旋转，在叶轮边缘2.5-5cm范围内形成湍流区颜料粒子在较强剪切和冲击作用而很快的分散到漆浆中。操作初始阶段，低速旋转防止堆在漆料表面颜料飞扬；再通过提高转速来增加分散能力。叶轮端部的圆周速率必须达到20m/s以上；但又不宜过高，否则易导致漆浆飞溅，使分散效率降低主要适用于易分散的颜料在较低黏度漆浆中的预分散，不适用于难分散的颜料或黏度太大的浆料则。在实际应用中，高速分散机除了用于预分散外，还可用于研磨和最后的调稀操作。7.3涂料生产设备2其他预分散设备包括双轴高速分散机、同心轴高低速分散机、双轴高低速分散机、三轴高低速分散机、在线分散机等。Ⅰ型—双轴单叶轮形式；Ⅱ—双轴双叶轮形式7.3涂料生产设备2其他预分散设备双轴高速分散机适用物料黏度范围较广，可减轻槽内液体打旋的现象，避免吸入气体，提高装料系数和分散能力。同心轴高低速分散机同心双轴，中心轴---高速轴，叶轮，-----分散作用；空心轴---低速轴，框式搅拌器------混合作用。适应各种中等黏度物料的预分散，可防止物料的黏壁现象。双轴高低速分散机高速轴和低速轴两个轴，由两台电机分别传动。适用于较高黏度的物料，如铅笔漆、腻子等。三轴高低速分散机再增加了一根偏置的高速轴及相应的叶轮，适用于黏度更高的物料。在线分散机---德国耐驰（NETZSCH）公司一种新颖的预分散设备。分散效率高，预分散后漆料均匀性好；在真空状态下加料比较环保，适合于中、低黏度漆料和难润湿颜料的分散，常用于大批量、单颜料漆浆生产7.3涂料生产设备一、预分散设备二、研磨分散设备----色漆生产的主要设备,分为两大类：一类带自由运动研磨介质---砂磨机和球磨机，研磨介质（如玻璃珠、钢球、卵石等）在冲击和相互滚动或滑动产生剪切力和撞击力进行研磨分散，通常用于流动性较好的中、低黏度漆浆的生产另类不带自由研磨介质----三辊机，依靠剪切作用力进行研磨分散，主要适用于黏度很高甚至膏状物料的生产；高速分散机也可用作研磨分散设备，不带研磨介质目前常用研磨分散设备高速搅拌机、砂磨机、三辊磨和二辊磨，其中二辊磨主要用于无溶剂涂料的分散。常用分散设备的比较机器类型高速搅拌球磨砂磨三辊二辊预混合不需要不需要需要需要需要黏度（pa.s）范围3-40.2-0.50.13-1.55-10很高处理粗聚集体的能力*21521分散效率42221溶剂挥发低无低高完全挥发清洗**15422要求技术**15332操作费用低低中高很高投资费用低高中高很高*表中1表示最好，5表示最差；**表中1表示容易，5表示难。7.3涂料生产设备二、研磨分散设备三辊机能加工黏度很高的漆浆，适用于含有难分散颜料的漆浆进行分散，研磨分散质量高，可达较高的细度；而且换色、清洗方便，特别适合小批量、多品种漆浆的生产和研制。三辊机为一敞开设备，溶剂应为低挥发性，否则会污染环境，并损害操作工人的健康。操作安全性差、生产能力低、操作技术要求高、后期维护技术要求高等缺点，难以实现机械化。目前已逐步被砂磨机所取代1．三辊磨--三辊机，由前辊（出料侧）、中辊和后辊（加料侧）三个辊筒组成，转速不同。中辊固定在机体上，前辊可前后移动进行调节，三个滚筒的旋转方向不同（转速从后向前顺次增大），产生强大的剪切作用力以及不同速度的摩擦作用达到研磨分散。7.3涂料生产设备二、研磨分散设备2．球磨机卧式球磨机和立式球磨机两种，间歇式操作方式,曾是色漆生产中主要的研磨设备，目前也逐步被砂磨机所替代，但在生产毒性较大的船舶漆领域具有重要的应用。二、研磨分散设备2．球磨机球磨机在运转时，钢桶旋转使球上升至一定高度，然后开始下落，球体之间以及气体与筒壁间频繁地发生相互撞击和摩擦，使颜料粒子受到撞击、挤压和强剪切作用而被撞碎或被磨碎；同时颜料在球空隙内处于高度湍流状态，也有利于颜料粒子在漆浆中的分散。球磨机中球的工作情况在不同转速下，球磨机中球的运动主要包括泻落、抛落和离心三种状态二、研磨分散设备3．砂磨机砂磨机是50年代后期发展起来新型分散设备，我国60年代引进使用。球磨机的延伸机，只是所用介质是较细的砂或珠。砂磨机体积小，可连续高速分散、效率高、结构简单、操作方便，迅速推广使用取代了三辊机和球磨机在涂料生产中的地位包括立式开启式砂磨机、立式封闭式砂磨机、卧式砂磨机各式棒销式砂磨机和蓝式砂磨机（1）立式开启式砂磨机立式砂磨机二、研磨分散设备3．砂磨机（2）卧式砂磨机20世纪70年代的产品，分散轴和筒体是水平安装的，电机置于筒体下方，结构紧凑，所占空间较小，出料系统用动态分离器代替顶筛，使拆洗方便，同时该机也是密闭操作。有立式密闭式砂磨机优点，装砂量大，研磨分散效率高；拆洗装卸方便，适应多品种生产；分散介质在筒体内分布均匀，降温温效果好。三、漆调设备调漆是制色漆的最后一步操作，在研磨得到的颜料色浆中加入余下的漆料及其他助剂、溶剂组分，必要时进行调色，调漆不是简单搅拌混合过程，操作不当就会导致颜料的再聚集、絮凝，以及树脂的沉淀等所谓的“反粗”弊病。调漆设备主要是调漆罐，有搅拌器和搅拌槽