第七章涂料的生產過程色漆制備過程（主要物理分散與混合的過程）

配料→預分散→研磨分散→調合→調色(配色)→過濾包裝§

7.1顏料分散過程及分散體的穩定§

7.2丹尼爾點及聚合物的保護作用§

7.3涂料生產設備§

7.4涂料的制備工藝§

7.5色漆生產質量控制§

7.1顏料的分散過程及分散體的穩定一、顏料的分散過程

顏料的分散是色漆制備的關鍵步驟三個過程：潤濕、分散和穩定。1潤濕顏料表面的水分、空氣為溶劑（漆料）所置換稱為潤濕。溶劑型漆潤濕一般容易進行，因為溶劑(漆料)的表面張力一般總是低于顏料的表面張力的。但潤濕也要有一個過程，顏料是一個聚集體，溶劑需要流入顏料的空隙。當溶劑粘度低時，潤濕的速度可以很快

要注意加顏料和溶劑的順序，要先加溶劑后加顏料。水性漆中，水的表面張力較高，對于有機顏料潤濕有困難，需要加潤濕劑以降低水的表面張力。

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7.1顏料的分散過程及分散體的穩定一、顏料的分散過程

1潤濕

2顏料的研磨與分散顏料的聚集體破碎分散在漆料中

3顏料的穩定（1）電荷穩定作用水性體系（2）立體保護作用一個穩定顏料分散體，存放時應該不致發生下列三種現象。（1）顏料發生沉降；（2）顏料發生過分的絮凝，以致損害流變性和漆膜的表觀；（3）顏料與介質間的物理或化學作用導致體系粘度增加。1、顏料的沉降二、分散體的穩定作用Stoke公式可以描述球形粒子在液體介質中沉降的速度。r為粒子半徑，ρ1為粒子密度，ρ2為液體密度，η為液體粘度，g為重力加速度。盡管顏料的沉降并不完全符合該公式的要求，但可作為討論的基礎。（1）當顏料吸附有低分子量聚合物或表面活性劑時，粒子直徑會↑

，沉降

↑

。但同時粒子密度↓，沉降↓

，后一種明顯。高分子量聚合物時，粒子吸附層更厚，可使沉降速度加快，但因為厚的吸附層密度低且具有很好的空間保護效應，防止了絮凝，因此可防止沉降，即使有沉降，沉降層很疏松，不致有嚴重絮凝聚集，經攪拌易于恢復分散狀態。

防止比重大的顏料沉降的一個方法，便是用表面活性劑

處理，如第八章中介紹的硬脂酸處理的碳酸鈣。（2）防止沉降的另一個方法是增加介質粘度，利用涂料“觸變性”取得，即當涂料放置時，粘度很高，可成凍膠狀。為了使涂料有觸變性可在涂料中加入觸變劑或增稠劑，在溶劑型涂料中主要有氧化蓖麻油，有機膨潤土(蒙脫土)和醇鋁等。2、顏料的絮凝顏料粒子在介質中不斷進行布朗運動，亦即熱運動，每個粒子具有一定動能,粒子和粒子間不斷發生碰撞，如果粒子動能可克服粒子間斥力便可導致相互密切的接觸，從而產生絮凝（1）對未穩定分散體系絮凝的速度(以粒子數半衰期表示)：t1/2為粒子數半衰期，即粒子數減半所需的時間，

η為介質粘度，k為波茲曼常數；T為溫度；

kT為粒子的平均動能。n0為起始的粒子數。提高粘度可減少絮凝。但實際上，單靠提高粘度并不足以穩定涂料中的分散體，重要的途徑是防止粒子碰撞過程中的互相接觸。（2）顏料粒子相互接近時通常有三個主要作用力：

色散力、靜電力和空間阻力。(a)色散力是吸引力；(b)靜電力可以是吸引力也可以是排斥力，在涂料分散體中主要是排斥力；(c)空間阻力總是排斥力。這些力的總效應決定吸引或排斥誰占優勢，也即決定分散體系是否穩定。分為兩種情況：①在水分散體系中通常可以加入表面活性劑或電解質(如多聚磷酸鈉或聚丙烯酸銨)使粒子表面形成厚的雙電層，這樣可使粒子間發生較大的排斥力，防止絮凝。②在有機介質中不易形成雙電層。粒子表面吸附的長鏈聚合物或表面活性劑主要起空間阻礙作用，它們防止粒子接近到范德華引力起作用的范圍。

(3)空間阻礙防止絮凝的效應

和所用的聚合物或表面活性劑及溶劑等有關，

吸附層愈厚，分散體系愈穩定。有關聚合物結構影響介紹如下(1)分子量：愈大，吸附層愈厚。(2)聚合物中的極性基團：要連續排列，而要有一定間隔，這樣才能形成穩定的厚的保護層。例如高水解度的聚乙烯醇，它的羥基連續分布，因此分子是平伏在顏料上的，吸附層很薄。如聚合物分子中只含部分羥基則不同，它在顏料表面形成線團狀分布，其空間為溶劑所充滿，平均吸附層可很厚。一般生產中用來做懸浮劑的聚乙烯醇的規格為：平均聚合度為：1700~2000；平均醇解度為75%~89%。(3)溶劑：良溶劑中粒子吸附的聚合物量小，密度低，而不良溶劑中粒子上吸附的聚合物密度高，吸附量大。其原因是良溶劑中溶劑分子和吸附的聚合物相容性好，聚合物脫附容易，而且由于分子舒展，占有的吸附面積也大。

因此在不良溶劑中顏料分散體比較穩定。如果在分散顏料時使用良溶劑，在調稀時用不良溶劑可導致絮凝，但相反則可防絮凝。3、貯存時粘度上升主要原因：發生了物理和化學變化，特別是顏料間的絮凝。(1)粒子的聚合物吸附層中，低分子量的聚合物所占比例↑，如醇酸樹脂涂料，低分子量醇酸樹脂具有相對多極性基團，如羰基、羥基等，因此特別容易被吸附。低分子聚合物通常看作是增塑劑或溶劑。內相中低分子量部分↑，外相中高分子量部分↑，導致粘度↑

(2)酸性介質和堿性顏料(如ZnO)間化學反應，粘度可逐漸增至凝膠。(3)金屬顏料(如鋁粉)與酸性介質間反應，導致凝膠。(4)多聚磷酸鹽M2n+2PnO3n+1(M為一價金屬離子，n>3)不但作為水性涂料分散劑，也作為多價金屬(如Ca等)螯合劑，但它易水解為正磷酸鹽，失去螫合作用而變成絮凝劑。表面活性劑在顏料分散中的主要用途有如下三方面；(1)潤濕作用：

可以降低介質的表面張力和介質與顏料間的界面張力。(2)穩定作用：增加乳膠粒子和顏料在涂料中的分散穩定性。7.3表面活性劑的作用(3)擠水顏料：一般顏料都由水---顏料體系經過干燥粉碎后得到的。在轉變為粉末過程中，粒子會嚴重的聚集。在溶劑型涂料制備中，固體顏料要在油中再次研磨分散。為了免除干燥和粉碎，可直接將水一顏料體系中的顏料轉移到油中，這不僅可節約能量，而且由于水一顏料體系中顏料凝聚力很弱，直接將顏料由水相轉至油相，研磨比較容易。為了完成這種轉移，需要用溶于油的表面活性劑處理水中顏料，這樣可使顏料具有疏水性從而進入油相。一、聚合物的保護作用

聚合物在顏料分散中吸附于表面起到熵保護作用。但要控制好用量。

(1)過量,分散效率降低而且顏料分散穩定性也并不一定好。因為顏料表面優先吸附分子量較低聚合物但分子量較低的聚合物穩定作用不好。

(2)另外，聚合物濃度過高，不利于潤濕。在顏料分散時，希望外加顏料，但聚合物濃度過低也起不到保護作用。如何決定聚合物的含量這個關鍵參數呢？

§

7.2丹尼爾點及聚合物的保護作用二、可以采用丹尼爾點的方法。配制一系列不同濃度的樹脂溶液，取一定的顏料，然后滴加配好的溶液，同時進行研磨，使達到一定的粘度。測出規定粘度下溶液與顏料之比值，作圖，所得曲線之最低點為丹尼爾點，該點的溶液濃度為最佳樹脂濃度。可用門尼公式解釋。7.3涂料生產設備色漆制備過程：配料→預分散→研磨分散→調合→調色(配色)→過濾包裝,相應生產設備:

預分散設備、研磨分散設備、調漆設備和過濾包裝設備一、預分散設備

目的是使各種顏料混合均勻，顏料部分潤濕以及初步打碎大的顏料聚集體，為研磨分散得以正常進行預分散常采用高速分散機在低速攪拌下，逐漸將顏料加于基料中混合均勻。

其他預分散設備

雙軸高速分散機、同心軸高低速分散機、雙軸高低速分散機、三軸高低速分散機、在線分散機7.3涂料生產設備一、預分散設備

1高速分散機

主要是由葉輪、分散軸和筒體組成鋸齒圓盤式葉輪,高速旋轉，在葉輪邊緣2.5-5cm范圍內形成湍流區顏料粒子在較強剪切和沖擊作用而很快的分散到漆漿中。

操作初始階段，低速旋轉防止堆在漆料表面顏料飛揚；

再通過提高轉速來增加分散能力。

葉輪端部的圓周速率必須達到20m/s以上；但又不宜過高，否則易導致漆漿飛濺，使分散效率降低主要適用于易分散的顏料在較低黏度漆漿中的預分散，

不適用于難分散的顏料或黏度太大的漿料則。在實際應用中，高速分散機除了用于預分散外，還可用于研磨和最后的調稀操作。4000-5000rpm，圓周線速度達到2000cm/s以上。圖5-6GFJ-22A高速分散機結構7.3涂料生產設備一、預分散設備

1高速分散機

主要是由葉輪、分散軸和筒體組成鋸齒圓盤式葉輪,高速旋轉，在葉輪邊緣2.5-5cm范圍內形成湍流區顏料粒子在較強剪切和沖擊作用而很快的分散到漆漿中。

操作初始階段，低速旋轉防止堆在漆料表面顏料飛揚；

再通過提高轉速來增加分散能力。

葉輪端部的圓周速率必須達到20m/s以上；但又不宜過高，否則易導致漆漿飛濺，使分散效率降低主要適用于易分散的顏料在較低黏度漆漿中的預分散，

不適用于難分散的顏料或黏度太大的漿料則。在實際應用中，高速分散機除了用于預分散外，還可用于研磨和最后的調稀操作。7.3涂料生產設備2其他預分散設備包括雙軸高速分散機、同心軸高低速分散機、雙軸高低速分散機、三軸高低速分散機、在線分散機等。Ⅰ型—雙軸單葉輪形式；Ⅱ—雙軸雙葉輪形式7.3涂料生產設備2其他預分散設備雙軸高速分散機適用

物料黏度范圍較廣，可減輕槽內液體打旋的現象，避免吸入氣體，

提高裝料系數和分散能力。同心軸高低速分散機同心雙軸，中心軸---高速軸，葉輪，-----分散作用；空心軸---低速軸，框式攪拌器------混合作用。適應各種中等黏度物料的預分散，可防止物料的黏壁現象。雙軸高低速分散機高速軸和低速軸兩個軸，由兩臺電機分別傳動。適用于較高黏度的物料，如鉛筆漆、膩子等。三軸高低速分散機再增加了一根偏置的高速軸及相應的葉輪，適用于黏度更高的物料。在線分散機---德國耐馳（NETZSCH）公司一種新穎的預分散設備。分散效率高，預分散后漆料均勻性好；在真空狀態下加料比較環保，適合于中、低黏度漆料和難潤濕顏料的分散，常用于大批量、單顏料漆漿生產7.3涂料生產設備一、預分散設備二、研磨分散設備----色漆生產的主要設備,分為兩大類：一類帶自由運動研磨介質---砂磨機和球磨機，研磨介質（如玻璃珠、鋼球、卵石等）在沖擊和相互滾動或滑動產生剪切力和撞擊力進行研磨分散，通常用于流動性較好的中、低黏度漆漿的生產另類不帶自由研磨介質----三輥機，依靠剪切作用力進行研磨分散，主要適用于黏度很高甚至膏狀物料的生產；高速分散機也可用作研磨分散設備，不帶研磨介質目前常用研磨分散設備高速攪拌機、砂磨機、三輥磨和二輥磨，其中二輥磨主要用于無溶劑涂料的分散。常用分散設備的比較機器類型高速攪拌球磨砂磨三輥二輥預混合不需要不需要需要需要需要黏度（pa.s）范圍3-40.2-0.50.13-1.55-10很高處理粗聚集體的能力*21521分散效率42221溶劑揮發低無低高完全揮發清洗**15422要求技術**15332操作費用低低中高很高投資費用低高中高很高*表中1表示最好，5表示最差；**表中1表示容易，5表示難。7.3涂料生產設備二、研磨分散設備三輥機能加工黏度很高的漆漿，適用于含有難分散顏料的漆漿進行分散，研磨分散質量高，可達較高的細度；而且換色、清洗方便，特別適合小批量、多品種漆漿的生產和研制。三輥機為一敞開設備，溶劑應為低揮發性，否則會污染環境，并損害操作工人的健康。操作安全性差、生產能力低、操作技術要求高、后期維護技術要求高等缺點，難以實現機械化。目前已逐步被砂磨機所取代1．三輥磨--三輥機，由前輥（出料側）、中輥和后輥（加料側）三個輥筒組成，轉速不同。中輥固定在機體上，前輥可前后移動進行調節，三個滾筒的旋轉方向不同（轉速從后向前順次增大），產生強大的剪切作用力以及不同速度的摩擦作用達到研磨分散。三輥機--溶劑采用低揮發性分散由溶劑含量在30%以下高固體分基料和較高比例顏料分組成的高粘度(20～100P)研磨料；研磨料必須經強勁有力的拌合機或捏和機預混合(也適用于制備厚漿形膩子產品)。預混合以后，在三輥機上研磨3～4遍，細度也僅40μm左右。7.3涂料生產設備二、研磨分散設備2．球磨機臥式球磨機和立式球磨機兩種，間歇式操作方式,曾是色漆生產中主要的研磨設備，目前也逐步被砂磨機所替代，但在生產毒性較大的船舶漆領域具有重要的應用。二、研磨分散設備2．球磨機球磨機在運轉時，鋼桶旋轉使球上升至一定高度，然后開始下落，球體之間以及氣體與筒壁間頻繁地發生相互撞擊和摩擦，使顏料粒子受到撞擊、擠壓和強剪切作用而被撞碎或被磨碎；同時顏料在球空隙內處于高度湍流狀態，也有利于顏料粒子在漆漿中的分散。球磨機中球的工作情況在不同轉速下，球磨機中球的運動主要包括瀉落、拋落和離心三種狀態二、研磨分散設備3．砂磨機

砂磨機是50年代后期發展起來新型分散設備，我國60年代引進使用。

球磨機的延伸機，只是所用介質是較細的砂或珠。

砂磨機體積小，可連續高速分散、效率高、結構簡單、操作方便，迅速推廣使用

取代了三輥機和球磨機在涂料生產中的地位

包括立式開啟式砂磨機、立式封閉式砂磨機、臥式砂磨機各式棒銷式砂磨機和藍式砂磨機（1）立式開啟式砂磨機立式砂磨機二、研磨分散設備3．砂磨機（2）臥式砂磨機20世紀70年代的產品，分散軸和筒體是水平安裝的，電機置于筒體下方，結構緊湊，所占空間較小，出料系統用動態分離器代替頂篩，使拆洗方便，同時該機也是密閉操作。有立式密閉式砂磨機優點，裝砂量大，研磨分散效率高；拆洗裝卸方便，適應多品種生產；分散介質在筒體內分布均勻，降溫溫效果好。三、漆調設備調漆是制色漆的最后一步操作，在研磨得到的顏料色漿中加入余下的漆料及其他助劑、溶劑組分，必要時進行調色，調漆不是簡單攪拌混合過程，操作不當就會導致顏料的再聚集、絮凝，以及樹脂的沉淀等所謂的“反粗”弊病。調漆設備主要是調漆罐，有攪拌器和攪拌槽兩部分組成。1．

攪拌器攪拌器主要類型包括兩類，一類是適用于高速旋轉的鋸齒圓盤式葉輪攪拌器，另一類是適合中、低速旋轉的漿式、錨式或框式等的攪拌器。高速盤式分散機葉輪三、漆調設備1．攪拌器第一類攪拌器直接利用高速分散機，具有簡單方便、調漆速度快的優點，缺點：消耗功率大，易造成操作臺震動，漆漿產生氣泡，以及不適用于高黏度物料的調漆。第二類攪拌器則具有傳動平穩、操作平和、耗功少、卷吸空氣量少，以及適用于高黏度漆漿調漆的特點。三、漆調設備1．攪拌器第一類攪拌器直接利用高速分散機，具有簡單方便、調漆速度快的優點，但也存在如下缺點：消耗功率大，易造成操作臺震動，使漆漿產生氣泡，以及不適用于高黏度物料的調漆等。第二類攪拌器則具有傳動平穩、操作平和、耗功少、卷吸空氣量少，以及適用于高黏度漆漿調漆的特點。圖5-18所示為北京化工大學研制的CBY型軸流式攪拌槳，其葉片的截面形狀與飛機機翼相似，葉片沿半徑方向按近似等螺距規則變化。該類型的攪拌器適用于低黏度漆料，調漆時混合效果較好，設備運轉平穩，攪拌過程中吸入氣泡少等優點。試驗研究表明該攪拌器的直徑與調漆罐直徑的比值在0.44左右的時候，調漆效果最佳。三、漆調設備對于高黏度漆漿的調漆，除了用錨式、框式攪拌器外，還可采用MIG式攪拌槳型攪拌器。該類型攪拌器具有成本低、功耗少、攪拌效果好的特點。三、漆調設備2．

攪拌槽攪拌槽以圓形截面為主，制造比較方便，但在攪拌過程中液體會隨軸一起做圓周運動而影響攪拌效果。如何解決這個問題呢？首先可在罐體上加擋板；其次還可采用攪拌器偏心安裝（最后還可通過采用方形截面的攪拌槽來避免這種現象的產生。攪拌槽的罐底以橢圓形或錐形為主，這樣有利于出料。

底部攪拌的調漆罐四、過濾設備涂料配制好之后，涂料過濾的設備主要有羅篩、振動篩、掛慮袋過濾、袋式過濾器、新型過濾原件等，其中掛慮袋過濾和袋式過濾器最為常用。1簡單的過濾設備該類型的過濾設備主要包括羅篩、振動篩和掛慮袋過濾。羅篩是最簡單、最原始的過濾器。羅篩的規格通常以羅面上絲網的目數來表示

2復雜的過濾設備袋式過濾器、濾芯多慮器以及兼有兩者功能的新型過濾原件屬于這一類過濾設備。二、研磨分散設備3．砂磨機砂磨機是50年代后期發展起來新型分散設備，我國60年代引進使用。球磨機的延伸，只是所用介質是較細的砂或珠。砂磨機體積小，可連續高速分散、效率高、結構簡單、操作方便，迅速推廣使用，取代了三輥機和球磨機在涂料生產中的地位包括立式開啟式砂磨機、立式封閉式砂磨機、臥式砂磨機、各式棒銷式砂磨機和藍式砂磨機（1）立式開啟式砂磨機

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7.4涂料的制備工藝色漆制備過程：配料→預分散→研磨分散→調合→調色(配色)→過濾包裝配料要分二次完成。首先按一定的顏料/基料/溶劑比例配研磨顏料漿(pigmentpaste簡稱色漿)，使之有最佳的研磨效率；(2)在分散以后，再根據色漆配方補足其余非顏料組分。色漿料的稱取要力求準確，特別是稱取著色力強、用量少的顏料分時，稱量誤差易造成隨后調色上的麻煩。另外，偏離了最佳配比的色漿料，那怕偏離幅度并不大，都可能造成研磨分散效率的極大下降，應引起密切重視。1.配料materialpreparation混合預分散常采用高速分散機，在低速攪拌下，逐漸將顏料加于基料中混合均勻。當圓盤周邊速率達到21m/s以上時，易分散顏料只需～10分鐘左右，便可微細地分散于基料中。對于難分散顏料(大顏料粒子、硬附聚體)，在高速下分散幾分鐘，只能將大的附聚粒子初步破碎，使附聚粒子的內部表面更多地展現于基料中而被潤濕,要微細分散還需研磨。所以用高速分散機進行的混合過程，我們也稱之預分散。預分散使得砂磨能正常生產，分散細度可滿足要求。2.預分散pre-dispersion

process4000-5000rpm，圓周線速度達到2000cm/s以上。

研磨設備:砂磨機、球磨機，三輥機，二輥機和膠體磨通常采用砂磨（pebblemills）。(1)砂磨分散是種精細研磨，對中、小附聚粒子的破碎很有效，但對大的附聚粒子不起作用。故送入砂磨的色漿必須經高速分散機預分散。砂磨珠粒直徑一般在1mm左右。粒徑越小，研磨接觸點越多

越細分散效果越好，只要不妨礙色漿過濾。由于砂磨粒子較小，對于膨脹性研磨料(高濃顏料漿)，粒子的分散能被增加的粘滯阻力抵消，研磨分散效果很差這對球磨機也是一樣的，此時應換用三輥機分散。3.研磨分散dispersionprocess立式砂磨機

砂磨研磨料的粘度一般在3～15P之間。砂磨機應采取夾套水冷卻來控制研磨溫度。因為研磨時產生熱量使溫度不斷上升，過高溫度會影響漆料性質并造成大量溶劑揮發損失，易引起質量與安全事故但保持一定的研磨溫度對提高研磨效率又非常重要，因此

在允許范圍內研磨溫度應采取高限。①有利于降低漆料中顏料與基料的界面張力，有助于對顏料的充分潤濕；②較高溫度使研磨漿粘度降低，可提高物料流動性，加速砂粒與研磨漿中顏料粒子的剪切作用，有助于研磨漿的充分分散。目前國外采用電力冷熱水裝置能更好地控制研磨溫度。砂磨時，珠粒子與研磨料的體積比為1︰1時，分散效果最好珠粒過多，則它們處于擁擠狀態，珠粒之間的剪切力大大降低，影響分散；擁擠珠粒還造成磨盤的過度磨損。珠粒太少，珠粒間距離加大，造成施加于顏料附聚粒子上的剪切作用過分喪失(例如，附聚粒子為20～80μm，若珠粒間平均距離由60μm增至120μm，分散效果很差)。砂磨機:立式和臥式、分批生產和連續生產之分，也有小型和大型之分。生產量大時宜采用大型砂磨機，因砂磨機的功耗與砂磨機容積的平方根成正比。例如，60升的砂磨機功耗僅是15升的2倍。珠粒尺寸大于5mm，作球磨ballmills研磨介質。球磨沒有攪拌盤，僅采用同一大小的瓷球或采用粒徑較小的鋼球(1.5mm～30mm)。由于瓷球較大，人們會將較小的瓷球加到大球中去來提高分散度，但實際上大球會加劇小球的磨損。因此，從分散度考慮，完全可以全部采用小球，或采用密度更大的較小鋼球來產生更大的分散力。球磨機裝球量一般為其容積的1/3～1/2。1/2裝球量有最佳分散效率，在其上下，研磨產量都減少。低至1/3裝球量可加入更大體積研磨料，但產量約減少10%研磨料的加入量以正好把球全部蓋住為宜。(2)球磨在裝球量50%時，球實際占有體積為30%，研磨料體積為20%，最多再過量5%。在研磨料加量25%時，球磨時間大約需要8h；若研磨料增加一倍(45%～50%)，球磨時間需一晝夜(增加2倍)大型球磨機的球磨時間則比小型的要短。研磨料粘度由球體密度和大小按下式確定：η(KU)=10ρ+28.35d式中η——為Krebs單位，KU；ρ——為球體密度，g·cm-3；d——為球的直徑，cm。球磨機相對于砂磨機的優勢在于：①硬而粗大附聚粒子，它最終都能達到很高的分散度，故球磨前可不需要預分散。但預分散明顯節省75%～80%球磨時間。②球磨色漿一般僅是成品色漆的1/5