分散劑的作用原理及選擇方法詳解

分散劑是什么——能使固液懸浮體中的固體粒子穩(wěn)定分散于介質(zhì)中的表面活性劑稱為分散劑。

分散劑的作用原理——分散就是將固體顆粒均勻分布于分散液的過程，分散液具有一定的穩(wěn)定性。

主要表現(xiàn)在：

1、吸附于固體顆粒的表面，使凝聚的固體顆粒表面易于濕潤。

2、高分子型的分散劑，在固體顆粒的表面形成吸附層，使固體顆粒表面的電荷增加，提高形成立體阻礙的顆粒間的反作用力。

3、使固體粒子表面形成雙分子層結(jié)構(gòu)，外層分散劑極性端與水有較強親合力，增加了固體粒子被水潤濕的程度。固體顆粒之間因靜電斥力而遠(yuǎn)離4.使體系均勻，懸浮性能增加，不沉淀，使整個體系物化性質(zhì)一樣

以上所述，使用分散劑能安定地分散液體中的固體顆粒。

分散劑分散機理

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雙電層原理——水性涂料使用的分散劑必須水溶，它們被選擇地吸附到粉體與水的界面上。目前常用的是陰離子型，它們在水中電離形成陰離子，并具有一定的表面活性，被粉體表面吸附。粉狀粒子表面吸附分散劑后形成雙電層，陰離子被粒子表面緊密吸附，被稱為表面離子。在介質(zhì)中帶相反電荷的離子稱為反離子。它們被表面離子通過靜電吸附，反離子中的一部分與粒子及表面離子結(jié)合的比較緊密，它們稱束縛反離子。它們在介質(zhì)成為運動整體，帶有負(fù)電荷，另一部分反離子則包圍在周圍，它們稱為自由反離子，形成擴散層。這樣在表面離子和反離子之間就形成雙電層。

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動電電位——微粒所帶負(fù)電與擴散層所帶正電形成雙電層，稱動電電位 . 熱力電位：所有陰離子與陽離子之間形成的雙電層，相應(yīng)的電位。

起分散作用的是動電電位而不是熱力電位，動電電位電荷不均衡，有電荷排斥現(xiàn)象，而熱力電位屬于電荷平衡現(xiàn)象。如果介質(zhì)中增大反離子的濃度，而擴散層中的自由反離子會由于靜電斥力被迫進(jìn)入束縛反離子層，這樣雙電層被壓縮，動電電位下降，當(dāng)全部自由反離子變?yōu)槭`反離子后，動電電位為零，稱之為等電點。沒有電荷排斥，體系沒有穩(wěn)定性發(fā)生絮凝。

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位阻效應(yīng)——一個穩(wěn)定分散體系的形成，除了利用靜電排斥，即吸附于粒子表面的負(fù)電荷互相排斥，以阻止粒子與粒子之間的吸附/聚集而后形成大顆粒而分層/沉降之外，還要利用空間位阻效應(yīng)的理論，即在已吸附負(fù)電荷的粒子互相接近時，使它們互相滑動錯開，這類起空間位阻作用的表面活性劑一般是非離子表面活性劑。靈活運用靜電排斥配合空間位阻的理論，既可以構(gòu)成一個高度穩(wěn)定的分散體系。

高分子吸附層有一定的厚度，可以有效地阻擋粒子的相互吸附，主要是依靠高分子的溶劑化層，當(dāng)粉體表面吸附層達(dá)8-9nm時，它們之間的排斥力可以保護(hù)粒子不致絮凝。所以高分子分散劑比普通表面活性劑好。

分散劑的作用過程

一、固體粒子分散過程 固體粒子在介質(zhì)中的分散過程一般分為三個階段。

1. 固體粒子的濕潤 濕潤是固體粒子分散的基本的條件，若要把固體粒子均勻地分散在介質(zhì)中，首先必須使每個固體微?；蛄Ｗ訄F(tuán)，能被截至充分地濕潤。

2. 離子團(tuán)的分散或碎裂 此過程中要使粒子團(tuán)分散或碎裂，涉及粒子團(tuán)及內(nèi)部的固固界面分離問題。表面活性劑的類型不同在粒子團(tuán)的分散或碎裂過程中所起的作用也有所不同。

a. 通常，以水為介質(zhì)時，固體表面往往帶負(fù)電荷。對于陰離子表面活性劑雖然也帶負(fù)電荷，但在固體表面電勢不是很強的條件下陰離子表面活性劑可通過范德華力克服靜電排斥力或通過鑲嵌方式而被吸附于縫隙表面，使表面因帶同種電荷而排斥力增強，以及滲透水產(chǎn)生滲透壓共同作用使微粒間的粘結(jié)度降低，減少了固體粒子或粒子團(tuán)碎裂所需機械功，從而使粒子團(tuán)被碎裂或使粒子碎裂成更小的晶體，并逐步分散在液體介質(zhì)中。

b. 非離子表面活性劑也是通過范德華力被吸附于縫隙壁上，非離子表面活性劑存在不能使之產(chǎn)生點排斥力但能產(chǎn)生熵斥力及滲透水化力，使粒子團(tuán)中微裂縫間的粘結(jié)強度下降而有利于粒子團(tuán)碎裂c. 陽離子表面活性劑可以通過靜電吸引力吸附于縫隙壁上，但吸附狀態(tài)不同于陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑。

3. 阻止固體微粒的重新聚集 固體微粒一旦分散在液體中，得到的是一個均勻的分散系，但穩(wěn)定與否喲啊取決于各自分散的固體微粒能否重新聚集形成凝聚物。

二、表面活性劑在水介質(zhì)中的分散穩(wěn)定作用

1. 對非極性固體粒子的分散作用 表面活性劑加入懸浮體后，由于表面活性劑可以降低水的表面張力，而且表面活性劑的疏水鍵可以通過范德華力吸附于非極性固體顆粒表面，親水基伸入水中提高其表面的親水性，使非極性固體粒子的潤濕性得到改善。

2. 對帶電質(zhì)點的分散穩(wěn)定作用

a. 離子型表面活性劑魚質(zhì)點表面帶有同種電荷 當(dāng)離子型表面活性劑所帶電荷與質(zhì)點表面相同時，由于靜電斥力而使離子型表面活性劑不易被吸附于帶點的質(zhì)點表面；但若離子型表面活性劑與質(zhì)點間的范德華力較強，能克服靜電斥力時離子型表面活性劑可通過特性吸附而吸附于質(zhì)點表面，此時會使質(zhì)點表面的zeta電勢的絕對值升高，使帶點質(zhì)點在水中更穩(wěn)定。

b. 離子型表面活性劑與質(zhì)點表面帶有相反電荷 若使用的離子型表面活性劑與質(zhì)點間所帶電荷相反，在表面活性劑濃度較低是，質(zhì)點表面電荷會被中和，使靜電斥力消除，可能發(fā)生絮凝；但當(dāng)表面活性劑濃度較高是，在生成了電性中和的粒子上再吸附了第二層表面活性劑離子后，固體顆粒又重新帶有電荷，由于靜電的斥力又使固體微粒重新被分散。

三、表面活性劑在有機介質(zhì)中的分散穩(wěn)定作用

質(zhì)點在有機介質(zhì)中的分散主要是靠空間位阻產(chǎn)生熵斥力來實現(xiàn)的。對于非極性的質(zhì)點，以克服質(zhì)點間的范德華力而穩(wěn)定分散于有機介質(zhì)中。對于有機顏料的表面處理可以通過一下幾種方式實現(xiàn)。

1. 使用有機胺類對有機顏料進(jìn)行表面處理

2. 使用顏料衍生物對有機顏料進(jìn)行表面處理。

如何選擇涂料用分散劑

在我們涂料生產(chǎn)過程中，顏料分散是一個很主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到涂料的儲存，施工，外觀以及漆膜的性能等，所以合理地選擇分散劑就是一個很重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。但涂料漿體分散的好壞不光和分散劑有關(guān)系，和涂料配方的制定以及原料的選擇都有關(guān)系。分散劑顧名思議，就是把各種粉體合理地分散在溶劑中，通過一定的電荷排斥原理或高分子位阻效應(yīng)，使各種固體很穩(wěn)定地懸浮在溶劑（或分散液）中。

1、針對樹脂的選擇

樹脂,尤其是研磨用樹脂,在制備色漿時起著關(guān)鍵的作用。

1)參加對顏料的分散和錨定

2)參加保持已經(jīng)分散隔離的顏料粒子的穩(wěn)定

樹脂的上述作用,大家都可以通過一些實驗看到,例如長油醇酸樹脂、聚酰胺樹脂、氨基樹脂、醛酮樹脂、低相對質(zhì)量羥基丙烯酸樹脂、都表現(xiàn)出對顏料很好的潤濕能力，而低羥值丙烯酸樹脂、熱塑性丙烯酸樹脂、高相對質(zhì)量聚酯樹脂，高相對質(zhì)量飽和聚酯樹脂，乙烯基共聚樹脂、聚烯烴樹脂等對顏料均表現(xiàn)出較差的潤濕性。同樣的顏料，在不同的樹脂體系得到的色相也不同。幾乎所有的炭黑和有機顏料及透明氧化鐵都隨著不同樹脂體系改變著自身色相，尤其是散射色相。因此，選擇合適的分散劑，不僅用來分散和穩(wěn)定顏料，而且用來調(diào)整顏料終達(dá)成我們需要的正確顏色，例如黑度、透明度、45°下的色光等。因此，分散劑與樹脂的配合,包括:

－相容性(取樣檢測,去除溶劑后檢查相容性)

－分散劑在該樹脂體系對確定顏料的降黏行為(旋轉(zhuǎn)黏度計檢測)

－分散劑在該樹脂體系對確定顏料的展色行為(刮涂比色)

－貯存穩(wěn)定性(流板法)

當(dāng)樹脂體系發(fā)生變動時，分散劑的上述性能表現(xiàn)都會發(fā)生相應(yīng)的變動。這種變動就需要應(yīng)用測試來確定。

一般地，不容易總結(jié)一個簡單的應(yīng)用原則。對于樹脂體系加上顏料因素，分散劑的選擇就變得參數(shù)太多。因此必須同時考慮顏填料的性質(zhì)

2、炭黑和有機顏料

如前文所述,工業(yè)用顏料門類和品種繁多。顏料行業(yè)把它們分為有機顏料和無機顏料。而涂料行業(yè)常把透明氧化鐵和炭黑當(dāng)作難分散顏料與有機顏料一同考慮。

我們把難分散顏料進(jìn)行了進(jìn)一步的區(qū)分。

區(qū)分原則是看其氫鍵的強度。

在實驗中，我們明確地看見這樣的分散結(jié)果:

在固定的樹脂體系中，如果一個分散劑能對炭黑有很好的表現(xiàn)，那么它常常同時能穩(wěn)定酞菁系顏料，而且，必然表現(xiàn)出對DPP紅等其他有機顏料表現(xiàn)出弱的分散性能。

反過來,如果一個分散劑能很好地分散穩(wěn)定DPP紅、有機紫等顏料,通常用它來分散炭黑得到不喜歡的棕紅色相，對酞菁系顏料的降黏能力也不足。

此類現(xiàn)象幾乎在所有分散樹脂中，對所有分散劑適用。極少有分散劑能同時對上述兩大類難分散顏料都表現(xiàn)出極其好的性能?？偸沁@這一類很好,而另一類略差。

我認(rèn)為這來源于顏料自身的氫鍵結(jié)構(gòu)的多少及強弱。

炭黑、酞菁藍(lán)等顏料，其主要的顏料之間的相互作用力并非氫鍵占主導(dǎo)，而是其它作用力，例如炭黑層狀之間的偶合作用，酞菁結(jié)構(gòu)的偶合作用，鹵素的作用。而它們的表面處理中帶有的極性基團(tuán)相對于顏料自身的結(jié)構(gòu)有性。

以DPP為代表的有機紅、永固紫類顏料，其顏料自身設(shè)計中帶有很強的氫鍵,這個氫鍵作用提高了顏料的性能,也直接影響了分散劑對顏料的作用。其界面的極性基團(tuán)參與了顏料自身的氫鍵作用。這一點經(jīng)過顏料化后期處理之后確鑿無疑。

據(jù)此,可以解釋單用一個結(jié)構(gòu)的分散劑不容易同時在兩大類不同內(nèi)在作用的顏料中同時拿到佳效果。根據(jù)這個理論,我們也能夠通過顏料結(jié)構(gòu)判斷它應(yīng)該隸屬于哪一邊。例如異吲哚啉酮類顏料應(yīng)該屬于炭黑-酞菁系類別。而甲苯胺紅應(yīng)該傾向于后者。

在實際的分散劑選擇中，對于類難以分散的顏料，在容易相容的樹脂體系中有好的結(jié)果。然而如果樹脂相容性不好,例如熱塑性丙烯酸，則需要改用新型的聚丙烯酸酯型分散劑。對于第二類強氫鍵的顏料類別、高極性的PU，聚酯，聚丙烯酸酯，都能有很好的效果。只是在相容性不好的體系，高極性的PU和聚酯就受到。這時要改用改性的聚丙烯酸酯分散劑。

3、炭黑的黑度

炭黑的黑度是研討分散劑時一個極其重要的課題，也是經(jīng)常被討論的。

至今的實踐表明，儀器的檢測不及目測準(zhǔn)確；不同的光線下，黑度有變化；不同的角度下，黑度也有變化；不同的分散劑會選擇不同的炭黑給出不一樣的黑度；黑度高的炭黑色母不一定著色力也提高。

這一切都是容易解釋的。因為炭黑的透明片狀結(jié)構(gòu)+炭黑的吸收光的能力。其透明片狀結(jié)構(gòu)在＜1μm的粒徑下的片徑，以及排布取向，必然會導(dǎo)致光線的透射，反射，折射，散射。而這些衍生的色光會被碳黑有條件地吸收一部分，另一部分會繼續(xù)它的行程。這是個復(fù)雜而充滿變數(shù)的疊加效應(yīng)。所以，百分之百的黑是沒有的，就是沒有黑，只有相比對后的更黑。雖然能夠理解，但是控制卻是極其困難的

4、鈦白

起初,所有人都認(rèn)為鈦白非常容易分散,以至于用不用分散劑都可以。

然而在與其他難分散顏料復(fù)配時,鈦白會參與浮色;

在制備高級別純白時,鈦白會出現(xiàn)霧影;

在特殊要求的制品上,鈦白需要極好的遮蓋和白度,而且不允許在高溫下泛黃;很多普通工業(yè)場合不愿意采用昂貴的高級別鈦白,甚至采用鈦白代用顏料;上述問題引起了助劑行業(yè)對鈦白分散的重視。

根據(jù)其表面結(jié)構(gòu)和處理,已經(jīng)實驗,分散鈦白可以采用：

－傳統(tǒng)的潤濕分散劑，包括帶有酸值A(chǔ)V，氨值A(chǔ)MV，的有機羧酸，磷酸的胺鹽以及控制絮凝型的潤濕分散劑用于其浮色

－有機磷酸酯

－專用的PU高分散劑

－專用的乙烯基聚合物型鈦白分散劑

－在水性中廣泛有效的聚合物表面活性劑

其中，潤濕分散劑是通用的選擇。對系統(tǒng)有著廣泛的適應(yīng)性，但是不能適應(yīng)特殊要求。

有機磷酸酯常被推薦制備高級別的純白以去除霧影，而高相對質(zhì)量分散劑則考慮了控制浮色，以及控制其白度的能力。在水性系統(tǒng)中的分散劑新技術(shù)幫助工廠自制的基準(zhǔn)白能夠接納市售的色母。因此，分散劑用于鈦白現(xiàn)在已經(jīng)是常識。

5、透明氧化鐵

透明氧化鐵的粒徑在納米水平，它的表面具有兩性，它在低顏料濃度時，似乎很容易分散，色漿黏度很低，但是透明度確不容易拿到好；而一旦略為超過臨界的顏料濃度，色漿立即變稠至無法攪動，導(dǎo)致砂磨機效率。

氧化鐵的透明度，有些像炭黑的黑度，似乎總是可以繼續(xù)提高其透明度。我們的實驗結(jié)果表明，一個我們已經(jīng)認(rèn)為透明度不錯的樣片，在45°觀察，可能仍然有較重的霧影；

那么，究竟用什么好？這個問題又是一個捉摸不定的疑惑。

加上樹脂系統(tǒng)的不同導(dǎo)致的選擇性，推薦的方案就不止一種了。

例如有采用磷酸酯的方法；有采用高分散劑配合酸性端基潤濕劑的方法，有單獨設(shè)計的高分散劑等。它們在不同的系統(tǒng)對同一個透明氧化鐵顏料顯示出適應(yīng)性。

6、消光粉

消光粉其實本身不難分散。它是在生產(chǎn)的時候就預(yù)先微粉化了的。有的有表面的蠟處理，有的沒有，帶有極性的羥基。然而，消光粉的分散問題來源于應(yīng)用要求。

有的要求亞光的涂料能用一個配方適應(yīng)多種施工方法，例如噴刷要光澤一致；

有的要求在高溫高濕的下，消光均勻性不受影響；

有的要求低黏度條件下，消光粉有小的沉降；

有的要求有高的透明度；

有的要求有極好的耐摩擦性質(zhì)，而引入硬質(zhì)石英粉，因此需要一同作分散處理等等。

這導(dǎo)致了分散劑的隨之變化。從傳統(tǒng)潤濕分散劑，到專用的高PU分散劑，到磷酸酯，到磷酸酯的胺鹽，到其它特殊聚合物，都有被用來分散消光粉的。那么究竟哪個好？如前所述，那要看你怎么要求了。不能指望一個分散劑同時解決全部的要求。

原理上，潤濕劑能提高終體系的流動能力；高相對質(zhì)量分散劑則能防止沉降并控制消光粉在濕膜的運動而更容易定向，得到均勻的消光。

7、鋁粉和珠光粉等金屬閃光顏料

常用的解決方案是潤濕劑。

也可以用與樹脂相容的高分散劑來分散它們。同時控制它們的運動。這些都有成功配方的實例。

8、確定一個主分散劑

一般地在一個確定的樹脂和溶劑系統(tǒng)，推薦采用這樣的方法篩選一個合適的主分散劑：

首先，分散高色素炭黑，鈦白，DPP紅，普通氧化鐵紅四種顏料。

評估該分散劑對這四種常規(guī)色母的制備有無困難，例如降黏行為是否足夠。

評估展色強度

評估貯存穩(wěn)定性(流板及熱儲存)。

若一個分散劑能在這個特定系統(tǒng)里，對上述四種顏料表現(xiàn)出好的分散能力，那么它基本能勝任各種其它顏料的要求。即可被選擇作為這個系統(tǒng)的主分散劑。當(dāng)然，特殊的顏料如透鐵，仍然可能例外。

這個方法也可以用來評估兩個不同的分散劑的綜合表現(xiàn)，找到適合它來處理的顏料類型。