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技術資訊

【技術】分散劑及其在粉體研磨行業中的應用(一)

摘要:分散劑是一種在分子內同時具有親油性和親水性兩種相反性質的界面活性劑。分散劑可均一分散難溶解于液體中的無機、有機顏料固體顆粒,同時也能防止固體顆粒的沉降和凝聚,從而形成穩定懸浮液所需的藥劑。 

1 分散劑及其分散機理

1.1 分散劑

分散劑是一種在分子內同時具有親油性和親水性兩種相反性質的界面活性劑。分散劑可均一分散難溶解于液體中的無機、有機顏料固體顆粒,同時也能防止固體顆粒的沉降和凝聚,從而形成穩定懸浮液所需的藥劑。

1.2 分散劑的分散機理

分散劑作用于顏料粒子的過程是一化學過程。首先,分散劑溶解于水中發生電離,且電離程度較大,形成大的陰離子和等量異種電荷的小陽離子。該正負離子牢牢地吸附在顏料粒子表面,使離子帶有相同的電荷。帶相反電荷的離子自由擴散到周圍液體介質中,形成一個帶電離子的擴散層,即雙電層。

自顏料表面至擴散層最遠處( 即帶相反電荷為零的地方) 的兩層離子間電位差為zeta 電位,由于帶相同電荷的離子互相排斥,形成靜電斥力,可防止顏料在水性介質中絮凝,從而達到分散的目的。

在電斥力存在的情況下,分散劑必須具有高的電離性質。電離程度越大,顏料粒子表面吸附離子的親和力越大,則分散作用越有效。通用的分散劑有三大類,即無機類、有機類、聚合物類,目前普遍采用的是聚合物類分散劑。

1.3 聚合物類分散劑的優點

①無機分散劑會對電導率、介電常數帶來不良影響,在某些領域內使用受到限制,而聚合物分散劑則不受這個限制; ②與有機分散劑不一樣,聚合物類分散劑在生產時具有可控的相對分子質量,而較高的相對分子質量有較好的分散穩定性; ③聚合物類分散劑分散能力強,穩定效果好,對分散體系中的離子、pH 值、溫度等因素敏感程度小; ④聚合物類分散劑可顯著降低分散體系的黏度,改善分散體系的流變性,能節省機械操作時所需的能源。

基于以上優點,無論是在紙張涂料的制備中,還是在粉體研磨中,都廣泛采用高分子聚合物類分散劑。具有代表性的是聚丙烯酸鈉類分散劑。根據相對分子質量大小,聚丙烯酸鈉類分散劑可分為低分子質量聚丙烯酸鈉( 1000~5000) ,起分散作用; 中相對分子質量( 104~106 ) ,起增稠作用; 高相對分子質量( 106~107 ) ,起絮凝作用。低相對分子質量聚丙烯酸鈉分散劑,應用領域覆蓋造紙、涂料、紡織、日用化學工業、石油工業、礦業、建筑和陶瓷等行業。由于聚丙烯酸鈉類分散劑應用領域的拓展,研究和開發分散劑有非常重要的意義。

2 分散劑在超細碳酸鈣研磨中的應用

隨著涂布技術的飛速發展,對涂布顏料的要求越來越高,特別是隨著碳酸鈣研磨技術的迅速發展,對碳酸鈣研磨設備和研磨專用分散劑的要求也日益提高。在國內,涂布級研磨碳酸鈣市場的競爭也促進了涂布顏料質量的提高。各大紙廠均引進先進的進口設備,國內各紙廠的研磨碳酸鈣水平達到了一個新的高度,從而使得碳酸鈣涂料的質量水平和成本控制成為市場競爭的要點。

隨著生產工藝的改進,對涂布碳酸鈣的粒度要求也越來越高,特別是受歐洲高碳酸鈣配比的配方影響,涂布級超細碳酸鈣的粒度分布從10 年前的小于2 μm 達90%的要求,發展到現在市場上經常見到的98 級,甚至99 級( 即粒徑小于2 μm 的達到98%,甚至99% 以上)。

另外,國內有的廠家嘗試全碳酸鈣配比的涂布配方,這就對研磨碳酸鈣及其粒徑分布提出了更高的要求。因此,為保證超細碳酸鈣涂料質量的穩定性,需要有更好的碳酸鈣研磨設備和更高品質的研磨專用分散劑。

2.1 涂布對碳酸鈣的要求

隨著高速涂布技術的發展,要求碳酸鈣具有超細的粒徑,窄的粒度分布曲線,高的固含量和好的流變性。目前適合高質量涂布要求的碳酸鈣漿料一般控制指標如下: 粒徑小于2 μm 達到95%以上,固含量≥75%,初始黏度≤250 mPa·s,回黏度≤350mPa·s( 回黏度是指靜置1 h 后檢測的黏度,此數據對涂布的流變性影響很大) ,pH 值為9.0 ~ 9.5。

超細研磨碳酸鈣,現在一般是通過濕磨的方法,以漿料的形式供涂布廠家使用。由于碳酸鈣具有高白度、低成本、流變性好的優點,促使各廠紛紛投產碳酸鈣研磨項目。

但是,超細碳酸鈣的研磨工藝較為復雜。首先,對研磨設備的選擇很重要,它將直接影響產品最終的粒度及粒徑分布,并且對生產成本也有很大的影響。其次,分散劑是否合適,是影響碳酸鈣漿料質量的另一重要因素。因為在如此高要求的固含量和粒度的情況下,要降低碳酸鈣漿料的黏度,并且使回黏度不至于過高而影響涂布,就需要選擇合適的分散劑來達到這種要求。由于碳酸鈣顆粒是通過研磨機內的研磨介質,即陶瓷珠或鋯珠( 成本高) 高速旋轉碰撞而磨細的,因此研磨過程中會產生高溫,散發大量的熱,這就需要選擇與常規分散劑不同的、適應高溫研磨的分散劑。

2.2 超細碳酸鈣研磨分散劑的選擇

一般情況下,超細碳酸鈣的研磨需要選擇兩種不同類型的分散劑( A 和B) ,來適應不同研磨階段的需要。分散劑A 為常規顏料聚合物分散劑,在重鈣研磨上一般稱前添加分散劑; 分散劑B 為低pH值后段研磨專用聚合物分散劑,一般稱后添加分散劑。分散劑A 和分散劑B 的區別在于是否適合高溫研磨,這是選擇分散劑的關鍵。在具體的工藝流程中,后添加分散劑B 加入點的選擇也是很重要的,需要根據漿料在流程中的粒度情況和研磨的溫度來確定。表1、表2 分別為某進口分散劑DC( 使用前添加和DC 后添加分散劑) 的90 級研磨重鈣漿與常規分散劑研磨重鈣漿成品的指標。試驗使用同組設備,取樣點均為成品罐。

從表1、表2 可以看出,在研磨成品的指標上,表1 的產品要比表2 好得多,特別是漿料黏度的穩定性、粒度的分布等,這是常規分散劑達不到的。常規的分散劑在固含量70% 的情況下,黏度就非常高了。而表1 所示的分散劑DC 研磨的成品性能指標則是非常理想的。要獲得高固含量、低黏度、粒度分布好、流變性好的超細碳酸鈣漿料,分散劑的選擇是非常重要的。


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