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体质颜料种类应用及未来研究发展潜力

浏览次数: 日期:2009年12月7日 16:39

    体质颜料通常又称为填料,从自然界得来、直接制造或作为副产品获得。这些物质主要是钡、钙、镁、或铝的盐类,硅或铝的氧化物,或从前两类物质衍生的错合双盐类,在涂料、油墨、油毡、塑料物质、纸和纸涂料、油布、油灰、擦光和洗刷物质、橡胶产品、水泥、塑胶、陶器等领域中有广泛的用途。

    它们和白色不透明颜料相接近,并且体质颜料的种类和数量以及在传统工业中的用途将有更近一步的发展。这些颜料有两种通性:折射率比1.75为低(通常是1.45—1.70),颜色是白或几乎是白的。体质颜料其它性质的变化范围很广,如相对密度、容量值、颗粒形状、颗粒大小、粒径分布、吸油量、化学活性等等。

    碳酸钙:碳酸钙主要是从石灰石矿获得,也可以作为某些制造流程的副产品,或直接用二氧化碳对石灰乳浆反应制得。

    天然碳酸钙的制造可以用干磨法或湿磨法。干磨法中干磨好的产品经空气分选机分离出过大的颗粒返回重磨。利用湿磨法可以产生更细、更鲜艳的、筛分更好的品级。石灰石在有水存在的条件下研磨,利用锥形或管状研磨机将磨制品连续的放出,用离心机分选,过大的颗粒和进料一起送回重磨。湿磨法的另一重要优点是可通过进一步的浮选改进产品颜色和化学纯度。在连续式研磨过程中,有多种类型的研磨机可以使用,但原则上都应使用压缩空气、高温压缩空气或过热蒸汽作为液体。原料和液体一起进入研磨机,在高速下互相碰撞摩擦而产生研磨,控制液体和颜料的研磨过程使细颗粒和液体一起流出。一般的研磨机都兼有分选和研磨的功能。

    沉淀碳酸钙填料的制造有几种成熟的工艺,生产商可使用不同的方法制造不同品级的颜料,但共同之处就是沉淀法都是利用天然碳酸钙为原料,煅烧制成氧化钙(石灰),然后水解得到氢氧化钙。在此工艺中有许多方法可用来除去几乎所有的大颗粒杂质以及没有分解成石灰的石灰石。

    1.重碳酸法控制氢氧化钙和二氧化碳的反应过程,可得到颗粒大小不同的碳酸钙,但对所有的沉淀碳酸钙而言,其粉体颗粒大小一般是中等程度。

    2.副产品法此方法利用氢氧化钙浆和碳酸钠溶液反应,可产生相当细的碳酸钙颗粒。这一工艺中需要特别注意的是要完全清洗去所有的氢氧化钠成分,否则碳酸钙颜料具有碱性,会导致在涂料中的应用出现问题。

    3.氯化钙法此方法中的反应物通常由其它化工过程得来,例如在制造碳酸氢钠时得到的氯化铵与氢氧化钙混合可产生氯化钙和氢氧化铵,氯化钙和碳酸钠反应可得到一系列非常细的碳酸钙,并且填料的颜色纯度高,颗粒的粒径分布相似。当然,需要仔细的洗去所有的氯化钠组分。氯化钙方法得到碳酸钙具有方解石晶型结构,颗粒大小通常为8—10µm,最小的范围为0.03—0.05µm.而石灰乳法得到的产品为文石型,颗粒大小一般为0.2—2.0µm。碳酸钙填料有许品级,相对密度在2.70—2.77之间,吸油量为5—45g/100g,平均粒径从小于1µm到非常大的,200号筛余物(约300µm)通常有25—30%,通过控制生产工艺可获得胶体范围内(小于0.1µm)粒径分布的产品。

    碳酸钙不溶于水,对大部份油性树脂涂料的基料具有惰性,但其对稀酸类敏感。这一性质有利于碳酸钙在许多室内涂料中的应用,如底漆、半光漆等,在高光漆、喷漆、以及许多其它工业涂料中也有一定的应用。

    高岭土:高岭土通常称为“瓷土”,主要成分为硅酸铝,通常A12O3含量为37.5—44.5%,SiO2为44.8—53.1%,并含有少量的铁、钠、钾、钛、钙、镁的氧化物,折射率约为1.56,比重为2.58—2.63,吸油量的范围较广,从25到70g/100g,颗粒大小较细的为0.2—2µm,较粗的可达70µm。高岭土的颜色差别较大,从白色以至乳白色或灰色。高岭土的化学性质不活泼,填充率较大,加上价格便宜,所以被广泛的应用。

    在涂料中的应用包括室内平光漆、半光漆、底漆、仓栅漆、货车漆等。由于具有良好的干遮盖力,高岭土也广泛的用于水性漆、乳胶漆以及造纸工业和纺织涂料。颜色性能较差的高岭土多应用在油毡、地板配料和油布中。通常需要对高岭土进行后续处理,如煅烧,以改善其某些性质。煅烧高岭土的Al2O3含量在42.1—45.3%之间,Sio2为51.0—53.1%,烧灼损失几乎为零,吸油量略高于未经煅烧的高岭土,通常为47—75g/100g。煅烧的作用是改进光泽或亮度,同时使涂料有更好的遮盖力和鲜艳光亮度。对高岭土的后处理还包括添加分散剂和在颗粒表面用树脂或疏水性有机物质进行处理,最后分成各种品级,其颗粒大小较平均且分布范围较狭窄。这种品级的高岭土多应用在喷漆、瓷漆以及平漆中。

    云母粉:云母为铝和钾的正硅酸盐,颜料级云母只从白云母或金云母取得,具有片状颗粒结构,这正是其可用作体质颜料的主要原因。主要生产过程是用干磨或湿磨对云母矿进行沉淀,浮悬的云母用离心机回收,然后干燥分选。特级云母或微粒云母的平均颗粒大小分别为5—10µm和10—20µm,也有经过表面处理的品级。云母的折射率为1.58—1.606,相对密度为2.5—2.83,吸油量为30~74g/100g,除了微粒级外,325号筛余物为3—30%。云母颗粒的片状结构和对紫外线的不透明度可以增强室外建筑底漆和最后加工涂膜的抗裂性和耐久性。当涂膜曝露在空气中时,小片颗粒的发光特性有时会影响到涂膜的外观。云母颗粒的形状以及化学稳定性使其在多孔表面和金属的底漆、乳胶漆、水性漆、壁纸、金属粉状涂料(如铝、青铜、金箔)等多种体系中都有一定程度的应用。还有以下一些铝硅酸盐体质颜料。浮石是一种火山灰或错合的铝、钾和钠硅酸盐的玻璃质,由于具有颗粒粗、多孔、质脆的特性,在平漆、交通标志漆以及其它的加工漆中有一定程度的应用。典型品级的浮石约含有84%硅酸铝,相对密度为2.22,粒径为40—60号筛孔大小。膨土是一种胶质土,其膨胀作用可进行有效的填充并且矿物本身具有颜料性质,因而在水性漆或乳胶漆中有少量的应用,典型品级的相对密度为2.75,吸油量为23g/100g。白土与膨润土的成份、性质和用途相似,折射率为1.63,相对密度为2.9,吸油量为26g/100g。

    无定形氧化硅:用作颜料的氧化硅取自石英石或硅藻石,以及单细胞水产植物的砂质骨架沉积物,合成的胶质氧化硅也可以用作颜料。从水产有机质所得的氧化硅叫作硅藻土或硅藻土氧化硅,在近代颜料应用中具有独特的地位,它们不同于动物性或植物性的颜料。

    从石英或硅藻石所得的氧化硅叫作无定形氧化硅,通常用来和硅藻土进行区分。石英或硅藻石在开采后,第一步通常是煅烧和用水骤冷,使后续的打碎和研磨较为容易,最后用水分选、筛分或空气浮选。氧化硅颜料通常含有99%的纯SiO2。颜料级氧化硅的折射率为1.55,比重为2.55—2.65,吸油量为15—47g/100g,3253号筛余物不大于5%。氧化硅的磨蚀性非常好,在常用的涂料基料中难于研磨或分散,因此很少作为涂料的填料。硅藻石比石英石要软一些,在组织上也要细一点。

    硅藻土是一种细粉末,在配方没有经过优化的涂料中沉淀很快,尽管有这样的缺点,但由于其化学性质不活泼和价格低廉,仍然有着较多的应用。硅藻土可以改善涂料的涂刷性和增强涂膜的粘附力,在浆状木材填料、底漆、平漆、地板漆、船板漆和交通标志漆中仍有广泛的应用。硅藻土的主要成份是氧化硅,含量为83~89%或更多,其它组分主要为Al2O3和Fe2O3,以及少量或微量的钠、钾、钙、镁、钛以及其它氧化物。

    因为硅藻土具有开口、多孔的结构,因而其物理性质的变化较大,折射率为1.4—1.5,比重为2.0—2.30,平均颗粒大小为1—60µm,比表面积为7,050—67,000cm2/g,吸油量为30—210g/100g。颜料级硅藻土在1900年起已在涂料中使用,但从1935年起慢慢减少,由于开发了适合一般涂料使用的、更白更细的颗粒,其应用又重新受到了重视。硅藻土的化学性质不活泼,光泽低、填充率高、吸油量高,在平墙涂料、底漆、交通标志漆、半光涂料、伪装漆、表面漆、水泥和灰泥加工漆、房屋漆、平清漆、平瓷漆等方面得到了较多的应用。在乳胶漆和其它水性涂料中,硅藻土不仅可以作为消光剂,也给涂膜提供了遮盖力。因为硅藻土的结构形状多样,在涂膜中也可以产生层叠结构,从而能够增强涂膜的强度,改进抗裂性。硅藻土颗粒的开口结构和不规则形状会导致涂膜产生相当程度的多孔性,这在某些特定情形下是极为有用的。如果表面涂膜需要利用硅藻土的这种独特的结构,则要避免过度研磨,否则将使硅藻土颗粒破损而降低涂料稠度、增加光泽、减少涂膜的多孔性。

    硫酸钡:用作颜料的硫酸钡可从天然矿物中提取,或可通过硫酸钠和硫化钡溶液反应制得,还可以从生产过氧化氢的副产物获得。硫酸钡的折射率较低,是立德粉的主要组分。硫酸钡也是二氧化钛—钡复合颜料的组分,后者为25%锐铁矿型二氧化钛和75%硫酸钡的共沉淀物。当铅白作为室外建筑涂料的主要颜料时,硫酸钡有时可作为掺合剂。由于涂料是以重量销售,硫酸钡因其较高的相对密度而成为一种常用的体质颜料。颜料级硫酸钡是由矿物重晶石获得,也可以用合成的硫酸钡粉沉淀物质制成。通常用湿法研磨矿物,进行漂白、冲洗、干燥、分选。高品质的硫酸钡颜料或重晶石颜料至少含有96% 的硫酸钡,其余的主要是氧化硅和石膏以及微量的氧化铁。重晶石颜料的折射率为 1.64,相对密度为 4.30—4.46,吸油量为5—12g/100g,平均颗粒大小为 2—5µm,粒径范围为 0.1—30µm。重晶石颜料的化学性质不活泼,其作为体质颜料最重要的性质是它的高密度和低吸油量,易为油和涂料基料所润湿和容易研磨。由于在酸和碱条件下都相当稳定,重晶石颜料在高酸性或高碱性涂料中很有效,但在应用时需要特别注意配方的调整,因为比起大部份其它颜料,重晶石更易趋向于快速沉淀。重晶石的其它应用还包括油毡和地板复合涂料。合成硫酸钡粉是用含有硫酸离子的水溶液和含有钡离子的水溶液反应制得,其性质和重晶石颜料相似,相对密度为4.18—4.40,吸油量为13—30g/100g。因为合成硫酸钡粉的填充率较低,在涂料的应用中是比较贵重的一种填料。硫酸钡粉与重晶石颜料一样易于快速沉淀,因此需要注意调节涂料的配方。其作为涂料的填料对最终产品亮度的影响很小,在印刷油墨、油毡、油布和橡胶中也有一定的应用。

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