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(guò)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(rùn)。

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(qiáng)親合力，增加了固體粒子被水潤(rùn)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(gè)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(jī)理

1

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?cè)谒须婋x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(guò)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?cè)诮橘|(zhì)成為運(yùn)動(dòng)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(kuò)散層。這樣在表面離子和反離子之間就形成雙電層。

2

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

起分散作用的是動(dòng)電電位而不是熱力電位，動(dòng)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(kuò)散層中的自由反離子會(huì)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(dòng)電電位下降，當(dāng)全部自由反離子變?yōu)槭`反離子后，動(dòng)電電位為零，稱之為等電點(diǎn)。沒(méi)有電荷排斥，體系沒(méi)有穩(wěn)定性發(fā)生絮凝。

3

位阻效應(yīng)——一個(gè)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(shí)，使它們互相滑動(dòng)錯(cuò)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(yùn)用靜電排斥配合空間位阻的理論，既可以構(gòu)成一個(gè)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(shí)，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(guò)程

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

1. 固體粒子的濕潤(rùn) 濕潤(rùn)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(gè)固體微?；蛄Ｗ訄F(tuán)，能被截至充分地濕潤(rùn)。

2. 離子團(tuán)的分散或碎裂 此過(guò)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(wèn)題。表面活性劑的類型不同在粒子團(tuán)的分散或碎裂過(guò)程中所起的作用也有所不同。

a. 通常，以水為介質(zhì)時(shí)，固體表面往往帶負(fù)電荷。對(duì)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(shì)不是很強(qiáng)的條件下陰離子表面活性劑可通過(guò)范德華力克服靜電排斥力或通過(guò)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(qiáng)，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(jī)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(guò)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(diǎn)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(qiáng)度下降而有利于粒子團(tuán)碎裂c. 陽(yáng)離子表面活性劑可以通過(guò)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(gè)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(duì)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(guò)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(rùn)濕性得到改善。

2. 對(duì)帶電質(zhì)點(diǎn)的分散穩(wěn)定作用

a. 離子型表面活性劑魚質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)表面相同時(shí)，由于靜電斥力而使離子型表面活性劑不易被吸附于帶點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)表面；但若離子型表面活性劑與質(zhì)點(diǎn)間的范德華力較強(qiáng)，能克服靜電斥力時(shí)離子型表面活性劑可通過(guò)特性吸附而吸附于質(zhì)點(diǎn)表面，此時(shí)會(huì)使質(zhì)點(diǎn)表面的zeta電勢(shì)的絕對(duì)值升高，使帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)在水中更穩(wěn)定。

b. 離子型表面活性劑與質(zhì)點(diǎn)表面帶有相反電荷 若使用的離子型表面活性劑與質(zhì)點(diǎn)間所帶電荷相反，在表面活性劑濃度較低是，質(zhì)點(diǎn)表面電荷會(huì)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(jī)介質(zhì)中的分散穩(wěn)定作用

質(zhì)點(diǎn)在有機(jī)介質(zhì)中的分散主要是靠空間位阻產(chǎn)生熵斥力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于非極性的質(zhì)點(diǎn)，以克服質(zhì)點(diǎn)間的范德華力而穩(wěn)定分散于有機(jī)介質(zhì)中。對(duì)于有機(jī)顏料的表面處理可以通過(guò)一下幾種方式實(shí)現(xiàn)。

1. 使用有機(jī)胺類對(duì)有機(jī)顏料進(jìn)行表面處理

2. 使用顏料衍生物對(duì)有機(jī)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(guò)程中，顏料分散是一個(gè)很主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到涂料的儲(chǔ)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(gè)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(guò)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(duì)樹脂的選擇

樹脂,尤其是研磨用樹脂,在制備色漿時(shí)起著關(guān)鍵的作用。

1)參加對(duì)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(guò)一些實(shí)驗(yàn)看到,例如長(zhǎng)油醇酸樹脂、聚酰胺樹脂、氨基樹脂、醛酮樹脂、低相對(duì)質(zhì)量羥基丙烯酸樹脂、都表現(xiàn)出對(duì)顏料很好的潤(rùn)濕能力，而低羥值丙烯酸樹脂、熱塑性丙烯酸樹脂、高相對(duì)質(zhì)量聚酯樹脂，高相對(duì)質(zhì)量飽和聚酯樹脂，乙烯基共聚樹脂、聚烯烴樹脂等對(duì)顏料均表現(xiàn)出較差的潤(rùn)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(jī)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(lái)分散和穩(wěn)定顏料，而且用來(lái)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(cè),去除溶劑后檢查相容性)

－分散劑在該樹脂體系對(duì)確定顏料的降黏行為(旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)檢測(cè))

－分散劑在該樹脂體系對(duì)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(dòng)時(shí)，分散劑的上述性能表現(xiàn)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變動(dòng)。這種變動(dòng)就需要應(yīng)用測(cè)試來(lái)確定。

一般地，不容易總結(jié)一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用原則。對(duì)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(shí)考慮顏填料的性質(zhì)

2、炭黑和有機(jī)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(jī)顏料和無(wú)機(jī)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(jī)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(qiáng)度。

在實(shí)驗(yàn)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(gè)分散劑能對(duì)炭黑有很好的表現(xiàn)，那么它常常同時(shí)能穩(wěn)定酞菁系顏料，而且，必然表現(xiàn)出對(duì)DPP紅等其他有機(jī)顏料表現(xiàn)出弱的分散性能。

反過(guò)來(lái),如果一個(gè)分散劑能很好地分散穩(wěn)定DPP紅、有機(jī)紫等顏料,通常用它來(lái)分散炭黑得到不喜歡的棕紅色相，對(duì)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(duì)所有分散劑適用。極少有分散劑能同時(shí)對(duì)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(lái)源于顏料自身的氫鍵結(jié)構(gòu)的多少及強(qiáng)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(duì)于顏料自身的結(jié)構(gòu)有性。

以DPP為代表的有機(jī)紅、永固紫類顏料，其顏料自身設(shè)計(jì)中帶有很強(qiáng)的氫鍵,這個(gè)氫鍵作用提高了顏料的性能,也直接影響了分散劑對(duì)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(diǎn)經(jīng)過(guò)顏料化后期處理之后確鑿無(wú)疑。

據(jù)此,可以解釋單用一個(gè)結(jié)構(gòu)的分散劑不容易同時(shí)在兩大類不同內(nèi)在作用的顏料中同時(shí)拿到佳效果。根據(jù)這個(gè)理論,我們也能夠通過(guò)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(shí)際的分散劑選擇中，對(duì)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(duì)于第二類強(qiáng)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(shí)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(shí)一個(gè)極其重要的課題，也是經(jīng)常被討論的。

至今的實(shí)踐表明，儀器的檢測(cè)不及目測(cè)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(huì)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?yàn)樘亢诘耐该髌瑺罱Y(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(huì)導(dǎo)致光線的透射，反射，折射，散射。而這些衍生的色光會(huì)被碳黑有條件地吸收一部分，另一部分會(huì)繼續(xù)它的行程。這是個(gè)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(méi)有的，就是沒(méi)有黑，只有相比對(duì)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(shí),鈦白會(huì)參與浮色;

在制備高級(jí)別純白時(shí),鈦白會(huì)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(chǎng)合不愿意采用昂貴的高級(jí)別鈦白,甚至采用鈦白代用顏料;上述問(wèn)題引起了助劑行業(yè)對(duì)鈦白分散的重視。

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

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

－有機(jī)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(rùn)濕分散劑是通用的選擇。對(duì)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(jī)磷酸酯常被推薦制備高級(jí)別的純白以去除霧影，而高相對(duì)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(shí)。

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(shí)，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(guò)臨界的顏料濃度，色漿立即變稠至無(wú)法攪動(dòng)，導(dǎo)致砂磨機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一個(gè)我們已經(jīng)認(rèn)為透明度不錯(cuò)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(gè)問(wèn)題又是一個(gè)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(rùn)濕劑的方法，有單獨(dú)設(shè)計(jì)的高分散劑等。它們?cè)诓煌南到y(tǒng)對(duì)同一個(gè)透明氧化鐵顏料顯示出適應(yīng)性。

6、消光粉

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

有的要求亞光的涂料能用一個(gè)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(rùn)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(lái)分散消光粉的。那么究竟哪個(gè)好？如前所述，那要看你怎么要求了。不能指望一個(gè)分散劑同時(shí)解決全部的要求。

原理上，潤(rùn)濕劑能提高終體系的流動(dòng)能力；高相對(duì)質(zhì)量分散劑則能防止沉降并控制消光粉在濕膜的運(yùn)動(dòng)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(rùn)濕劑。

也可以用與樹脂相容的高分散劑來(lái)分散它們。同時(shí)控制它們的運(yùn)動(dòng)。這些都有成功配方的實(shí)例。

8、確定一個(gè)主分散劑

一般地在一個(gè)確定的樹脂和溶劑系統(tǒng)，推薦采用這樣的方法篩選一個(gè)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(píng)估該分散劑對(duì)這四種常規(guī)色母的制備有無(wú)困難，例如降黏行為是否足夠。

評(píng)估展色強(qiáng)度

評(píng)估貯存穩(wěn)定性(流板及熱儲(chǔ)存)。

若一個(gè)分散劑能在這個(gè)特定系統(tǒng)里，對(duì)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(gè)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(gè)方法也可以用來(lái)評(píng)估兩個(gè)不同的分散劑的綜合表現(xiàn)，找到適合它來(lái)處理的顏料類型。