色素碳黑在涂料中的應用、性能要求

1.碳黑在涂料中的作用
涂料對其顏料的要求，除顏色以外，還對其著色力、吸油量、水分、水溶性、PH值、相對密度、粒子形狀大小、耐溶劑性、耐化學品性、耐侯性、無害性、分散性等有不同的要求。
碳黑在物理方面活性很高，但在化學方面則是不活性的，因此其耐候性和耐化學品性好。碳黑的黑度和著色力高，價格穩定，因此在涂料工業不可缺少的黑色顏料，常用于建筑、汽車、鐵路車輛和船舶用涂料中。碳黑除用于黑色涂料外，還作為調色顏料應用于灰色及其他顏色的涂料中。
2.碳黑的基本性能和涂料應用性能的關系
（1）黑度
黑度是涂料用碳黑的主要指標，當用于黑色涂料的著色時，例如黑色汽車面漆，要求所用碳黑黑度愈高愈好。當將碳黑用于調色時，黑素太高添加量太少，反而容易引起不同批次的涂料產品產生色差，故要求使用黑度較低的碳黑。
碳黑的黑度即碳黑吸收光的程度，光吸收愈多，光反射愈弱，碳黑及其著色物質的黑度就越高。由于光吸收作用在碳黑粒子內部（準晶體碳晶格中）產生，當碳黑在涂料中濃度為一定時，碳黑粒徑越細，同樣容積中碳黑粒子數也越多，光吸收越強，黑度也越高，而用粒徑較粗的碳黑，光反射較多，即使增加碳黑濃度，使同樣容積中碳黑粒子數增多，但光反射仍較多，黑度仍較采用細粒子碳黑的低。
碳黑的聚集體會產生光散射作用，當碳黑結構高時，聚集體的光散色增強，從而也會降低光吸收的程度即降低黑度。
（2）著色力
著色力（著色強度）是將白色或彩色顏料和碳黑混合時，碳黑的著色能力。也就是碳黑使混合物系光吸收作用提高的程度。這一特性取決于碳黑和顏料的配量比和碳黑本省的性質，當配量比一定時，某一碳黑的著色能力即為其著色強度，在涂料行業中稱為著色力。
碳黑粒徑小時，結構低，著色力就較高，然而當粒子小于20nm時著色能力不再上升，甚至下降，其原因如下：
一粒徑過小難分散，形成較大附聚體。
一粒徑小的炭黑，被粒徑較大的顏料粒子遮蔽。
一粒徑小于20nm時，涂膜的透明度增加。
如將碳黑按不同配量比和一個白色顏料混合時，可進行淺灰、灰色、深灰和黑色著色，如欲將一種顏色略微調暗些，則可用碳黑調色，一般采用著色強度較低的，也就是粒子較大的碳黑來調色，添加量很小，添加量的細小誤差對配出的顏色影響就很大。
(3)色相
“碳黑粒子”隨粒徑減小而減弱的光反射還會影響色相。用細粒徑碳黑進行表層黑色著色產生淡藍色相，它能進一步增強高色度視覺印象。用粗粒徑碳黑著色則會產生棕色色調。
可見光射入碳黑“飽和色”（不透明）著色層中時，碳黑粒徑越細，短波藍光的散色比長波紅光更強。由于紅光散射更弱，便能更深地射入著色層，而藍光散射更強，它能更強地產生回散色。從著色層中向外反射。
觀察用碳黑著色的透明層時，色調關系恰好相反，隨著碳黑粒徑減小，可見光中散射強的藍光射入著色層較少，而從另一面透射而出。因此由于缺少藍光，透明層則更顯棕色色調。
進行“白色混合著色”（調色）時，得到的結果與觀察透明層中飽和色著色的情況相同。使用細粒徑碳黑時，可見光藍光部分側向散射性較強，從而使余下紅光引起黃灰色色調。相反，前述用來“調色”的粗粒徑碳黑特別是粒子較粗的燈煙碳黑卻會引起藍相色調。
除粒徑外，碳黑的結構也會對色調產生影響，結構較高的碳黑和粒子較粗的碳黑會產生相似的影響。
（4）光澤
當碳黑粒徑減小或結構提高時碳黑的吸油量增加，會使涂料的粘度提高，在同樣的碳黑濃度下，涂層表面自由漆料（成膜物質）減少，因此光澤降低。當表面含氧基團或揮發分增多時，碳黑在連結料中的潤濕性提高，粘度降低，涂層表面自由漆料增多，光澤將會提高。
（5）分散性和分散穩定性
涂料用碳黑聚集體大小一般在20到數百納米之間，在漆料中不容易分散，碳黑在漆料中的分散下狀態，對涂料的性能影響很大。還有，碳黑在涂料特別是和其他顏料如鈦白粉等混合使用時，由于其相對密度、聚集體直徑、形狀和表面化學性的不同，碳黑容易產生絮凝現象，即影響涂料的分散穩定性。
當碳黑分散性好時，則涂料具有以下的特性。
1.光學性質如黑度、著色力、光澤、遮蓋力等好。
2.流動性好
3.分散穩定性好
4.涂膜物性如平滑性、光澤保持性、機械性能（硬度、伸長率、沖擊強度和附著性）、耐侯性均提高。
碳黑性能對涂料分散性及分散穩定性的影響，一般粉狀、粒徑粗的、結構高的碳黑分散較好。碳黑的表面化學性對分散性和分散穩定性的影響較大，但隨所用連接料中樹脂和溶劑的性能不同而不同。揮發分高的酸性碳黑在極性溶劑中的潤濕性提高，在和鈦白粉共用的灰色涂料中貯存穩定性好。?
3.分散及分散穩定性的機理
一般碳黑在涂料中的分散需經歷以下三個過程。
1.碳黑被漆料潤濕，由碳黑—空氣界面轉為碳黑—漆料界面。
2.碳黑被分散，碳黑的附聚體被破碎為聚集體。
3.碳黑粒子的穩定化。碳黑聚集體表面吸附漆料中的樹脂和表面活性劑，以保持膠態粒子的準穩定狀態。
碳黑的潤濕是指漆料浸透了碳黑附聚體間的空隙，碳黑附具體的大小、空隙率，特別是表面化學性對潤濕有很大影響。支配碳黑附聚體分散的因素是剪切速度和剪切切應力，體系粘度和附聚體自身特性。在高剪切速度、高剪切應力、高粘度的體系中，碳黑附聚體較弱，而較易分散。
碳黑的分散穩定性對涂料來說是一個十分重要的性質，如果分散不穩定，在涂料貯存過程中，碳黑聚集體重新凝聚為附聚集體，即所謂“返粗”現象，不僅會使涂膜黑度發生變化，也會使涂膜的其他性能降低。
顏料和碳黑分散性保持機理主要有以下兩點。
1.靜電的排斥力使分散穩定化。碳黑表面吸附分散劑后，粒子表面的電位提高，且帶有相同的電荷，因此粒子間的排斥力增加，而使分散穩定。
2.立體的保護（包封）作用使分散穩定化。由于樹脂和分散劑的吸附后重疊于碳黑粒子表面，使表面的滲透壓上升和值降低，粒子間排斥力也增大，而使分散穩定。
使涂料分散穩定化有效的手段是添加分散穩定劑，在水性涂料中常用聚羧酸系鈉鹽或萘酸納等陰離子型表面活性劑。非水性涂料則常用硬脂酸鋁等金屬鹽或烷基苯磺酸鈣、卵磷脂、脂肪酸的山梨糖酸脂或烷基聚胺等表面活性劑。
碳黑的表面化學性對碳黑在漆料中的分散穩定性有顯 著影響。經過表面氧化處理的表面，其表面羧基、羥基和內酯基增多，起到了“內在表面活性劑”的作用，和同樣粒徑結構未經氧化處理碳黑對比，可以提高分散穩定性，并降低分散劑用量。因此，在涂料用碳黑中，特別是水性涂料用碳黑，多選用經過表面氧化的高揮發分酸性碳黑品種。

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