顏填料的結(jié)構(gòu)與物性對涂料性能的影響

摘要：作者通過多年來在顏料及涂料研究過程中所獲得的經(jīng)驗，詳細地論述了顏填料的顆粒形態(tài)、酸堿性、含水量、表面處理及其光學(xué)性能等在應(yīng)用過程中的作用特點及應(yīng)注意的問題，以期對顏填料生產(chǎn)企業(yè)起到借鑒作用。
關(guān)鍵詞：顏填料；表面改性；物理性能；涂料

現(xiàn)代涂料工業(yè)的發(fā)展正快速朝著功能化、高裝飾性、環(huán)保與低成本化方向發(fā)展，而要在這每一個方面有所收獲乃至突破，顏填料性能的改進與發(fā)展都是必不可少的。顏料工業(yè)的發(fā)展既含有對傳統(tǒng)顏填料合成工藝與性能的改進，亦包含新型有機或無機顏填料的誕生并獲得應(yīng)用。正是伴隨著顏填料加工、合成與應(yīng)用技術(shù)的進步，推動了近十多年涂料技術(shù)出現(xiàn)了一次又一次的飛躍。
無論有機或無機顏填料，它們在涂料中的作用都圍繞著新的功能的誕生與各種迷人的視覺效果的出現(xiàn)。然而顏料、填料在涂膜中穩(wěn)定作用的發(fā)揮受制約的因素很多。筆者根據(jù)多年來在顏料與涂料研究過程中所體會到的一些經(jīng)驗與教訓(xùn)，從影響顏填料在涂料中應(yīng)用性能的因素入手，闡述顏填料再生差與應(yīng)用過程中應(yīng)注意的一些問題，希望能對顏填料的生產(chǎn)企業(yè)有些借鑒之用。

1 顏填料的顆粒形態(tài)
一般而言，針狀顆粒較球形粒子更具有增強、增韌作用。然而針狀粒子的消光作用遠較球形粒子為甚，同時針狀粒子的分散性亦相對困難，為了保持針狀纖維的增強功能，強剪切的加工過程將是不允許的，因為剪切力越大，針狀粒子越易折斷，這樣會導(dǎo)致增強功能下降。而片狀的顏填料應(yīng)用于涂料中，明顯提高涂料的致密性。

多孔結(jié)構(gòu)的顆粒一般較實心結(jié)構(gòu)料一陣子的增強功能強，但消光作用亦更明顯，據(jù)認為與成膜物樹脂被吸附后在顆粒外表面殘留層厚度有關(guān)，同樣的基料在多孔粒子表面因孔內(nèi)吸附樹脂而導(dǎo)致膜厚度下降。軟質(zhì)的顏填料一般亦因為樹脂容易擴散滲透而出現(xiàn)涂膜光澤較硬質(zhì)顏填料低。
顏填料的顆粒形態(tài)體現(xiàn)在吸油量值方面，即是長徑大的針狀顆粒、軟質(zhì)顏填料、多孔粉體其吸油值大，較難分散，而球形、硬質(zhì)的顏填料其吸油量相對較低，分散效率高。

從涂膜補強的角度考慮，含硬質(zhì)粉體、高比表面粉體的涂層耐磨性較好。

2 顏填料的酸堿性
涂料用樹脂多呈酸性，堿性樹脂較少(水性樹脂除外) 。所以顏填料的酸堿性直接影響涂料的加工、貯存穩(wěn)定性，甚至涂料成膜后的物理化學(xué)性能，然而堿性顏填料在與酸性樹脂反應(yīng)后大多對涂膜的光澤有些影響。

由于酸堿反應(yīng)，涂料的粘度一般都呈明顯增加的趨勢，有的顏填料在酸性稍強的樹脂體系中因粘度增加過大而應(yīng)用受限，如ZnO、鋅黃等。但這些酸堿反應(yīng)后涂膜的性能亦有明顯改變，大多體現(xiàn)在韌性、耐溶劑性，甚至光、熱穩(wěn)定性等。但堿性顏填料的存在對鋼鐵等金屬的防腐將是有益的。

顏填料的酸堿性除與顏填料本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與粉體中殘留的水溶鹽有關(guān)，親水性的水溶鹽的存在不僅可以使涂料出現(xiàn)分散困難，漿體呈現(xiàn)假稠外，還導(dǎo)致涂料成膜后的耐水、耐化學(xué)品性下降，所以顏填料的后處理階段，水溶鹽的含量應(yīng)盡可能低。

3 顏填料的含水量
通常情況下，具有極性化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)的顏填料在空氣中很容易吸附水，特別是空氣濕度大的時候。象碳黑，在高濕度時，含水量甚至可以高達20% 左右。顏填料中水份存在對其分散穩(wěn)定性影響很大，我們常常發(fā)現(xiàn)，每到空氣潮濕時，原先很容易分散的顏填料其細度卻很難達到要求，即使細度研磨達到要求，往往稍經(jīng)放置即出現(xiàn)返粗，甚至在調(diào)漆階段放溶劑、樹脂時即已出現(xiàn)返粗現(xiàn)象。
造成這種現(xiàn)象的根本原因在于顏填料表面吸附的水過多，不僅向顏填料表面擴散吸附過程受阻，而且樹脂與顏填料之間的相互作用受到極大削弱。此時，涂料廠家常采用添加分散劑或補充極性溶劑的方式，但補極性溶劑對于象聚氨酯這些以水敏感的涂料是一種禁忌，而分散劑的增加亦意味著涂料制作成本的上升，這些措施在涂料生產(chǎn)過程中都具有局限性，因而要減少顏填料表面的水含量，最后從顏填料表面改性，粉體包裝等方面考慮作憎水處理的顏填料表面對水的吸附較弱，而粉體的包裝致密性亦可改變對水的吸附量。

4 顏填料的表面處理
眾所周知，一般顏填料的極性均較高，而成膜聚合物的分子相性均有限，所以為了阻止顏填料對水的吸附，促進顏填料對聚合物的吸附，改善涂膜的強度，很多情況下需要對顏填料進行改性。然而改性的方法不同，改性劑的結(jié)構(gòu)有異，將直接影響涂料成膜后的各項性能參數(shù)值。

解決顏填料的分散性很容易，只要對其作親油處理就可很好地在有機涂層中分散。無機顏填料作無機氧化物包膜可以提高耐候、耐酸堿、耐溫等性能中的一種或幾種，這些處理劑對顏填料的分散性事實上影響很小。
對于有機涂層而言，涂料中顏填料的細度遠比無機涂層中的顏填料細度要求苛刻，這就要求顏填料不僅原始粒徑需要控制外，還需要進行親油處理，以防止因吸附水而導(dǎo)致的顆粒團聚。

顏填料的表面處理，一般文獻介紹的多用小分子表面活性劑與鈦酸酯、有機硅、鋁酸酯等偶聯(lián)劑及無機硅、鋁、鋯、鈦等包覆，改性劑的用量從0.1%至20% 左右不等，很多顏填料在進行無機包覆的同時也進行了有機包膜。
無機材料的包膜，從一定程度上改善了材料本身在耐候、耐溫、耐化學(xué)品性上所表現(xiàn)的優(yōu)勢已被證實，而有機處理的結(jié)果相對比較復(fù)雜了。筆者曾多年與顏填料的表面處理有緣，發(fā)現(xiàn)在不考慮顏填料應(yīng)用時對涂料綜合性能影響的同時，一般有機表面活性劑的表面包覆吸附均能在一定程度上改善粉體在有機涂層中的分散性。然而將粉體應(yīng)用于涂料中的一個重要目的就在于改善涂料成膜后涂層的某些性能，僅僅只在涂料加工中改善其分散性是遠遠不夠的。
我們曾發(fā)現(xiàn)，nm-CaCO3 的表面處理劑使用脂肪酸、常見的鈦酸酯、鋁酸酯、有機硅氧烷偶聯(lián)劑與各類離子型、非離子型表面活性劑后均能非常顯著地提高涂料加工過程中nm-CaCO3 的分散性，然而這些表面處理劑的存在，在涂膜的機械性能、耐水、耐化學(xué)品甚至耐光性等方面往往是有害的。筆者認為可能是表面處理劑自身對光、熱、化學(xué)品等的耐性與表面處理劑、粉體材料、成膜物之間的弱作用力——導(dǎo)致了表面活性劑的引入使部分性能趨于下降。
研究中我們還發(fā)現(xiàn)帶有部分反應(yīng)性基團的聚合物處理顏填料與小分子處理劑相比明顯具有貯存穩(wěn)定、改善性能(如耐水、機械性能等)方面的優(yōu)勢。這可能源于大分子處理劑自身的空間位阻與力學(xué)強度。

5 光學(xué)性能
顏填料的光學(xué)性能包括——著色力、消色力(白色顏料)、干遮蓋、色相等。遮蓋力、著色力或消色力與粉體的粒徑相對應(yīng)，其關(guān)系如下圖所示：

對于遮蓋力而言，當粒子的直徑在光波長的一半以上時，隨著粒徑的下降，顏填料的著色力包括遮蓋力均得到提高，當粒子的直徑小于光波長的一半時，粒子越細，遮蓋力越低。而就著色顏料的著色力或消色力來說，色彩本身來源于顏料對光的吸收。雖然對光的吸收強度與粒子直徑存在一定的關(guān)系，但主要取決于物質(zhì)自身的組成、結(jié)構(gòu)。此外著色力或消色力還與粉體顆粒的形狀、粒度分布等相關(guān)聯(lián)。
著色顏料的色相同樣與顆粒的粒徑相關(guān)聯(lián)，隨著粒徑的減少，粉體將從紅、黃色調(diào)向籃、紫色調(diào)轉(zhuǎn)移。

現(xiàn)代涂料對外觀要求越來越苛刻，除一些知名色以外，普遍在追求新奇、艷麗。因而我們在顏料的制備過程中，對于光譜項上不同吸收帶的顏料組成不要輕易舍去，有些十分復(fù)雜的涂膜外觀色調(diào)說不定就是你們曾經(jīng)淘汰過的樣品。涂料的顏色隨意性很大，大多數(shù)情況都是根據(jù)某些人的感覺作出的判斷，文化背景的不同造就了人對色彩感覺的迥異，因而在保持傳統(tǒng)顏料色相穩(wěn)定的同時，應(yīng)力求完善顏料家族中的光譜系，顏料廠商在推銷自己產(chǎn)品的時候，應(yīng)盡可能讓技術(shù)人員走在前臺，了解市場到底需要什么，如何向客戶介紹自己的產(chǎn)品。事實上我們合成的每一種色調(diào)在涂料市場上都有自己合適的位置。
部分顏料在合成過程中往往同時伴生其他色調(diào)的副產(chǎn)品或顏料分子本身的同分異構(gòu)體，如：大紅粉、酞菁綠等，如果無法將雜色除去，可否考慮對體系進行有機處理，實現(xiàn)不同顏色的均勻混合，減少諸如象金光這些不良現(xiàn)象的產(chǎn)生。
隨著涂料工業(yè)的發(fā)展，涂料對顏填料的要求也變得越來越苛刻了，這就需要從事顏料研究的技術(shù)人員具有更開闊的視野與思維走向。