Руководство по диспергированию пигментов: смачивание, деагломерация и стабилизация

---

Для получения стабильной пигментной дисперсии необходимо последовательно выполнить три этапа: смачивание, деагломерацию и стабилизацию. Пропуск или спешка на любом из них приведет к браку партии на последующих стадиях, будь то низкий глянец, флокуляция в таре или уход цвета после составления готового ЛКМ.

Немедленные действия в лаборатории: выберите класс диспергатора, соответствующий химии вашего пигмента и связующего, проведите лестничное исследование для подбора правильной дозировки и подтвердите результат измерением по прибору Хегмана (гриндометру) и тестом на растир (rub-out). Выберите оборудование для предварительного диспергирования (обычно диссольвер) перед переходом к тонкому измолу.

• Сопоставьте химическую природу пигмента и полярность растворителя с классом диспергатора перед скринингом
• Проведите лестничное исследование дозировки относительно расчетной средней точки
• Проверьте степень перетира и проведите тест на растир перед запуском полномасштабного производства
• Рассмотрите диспергаторы ASTRA DISP® и руководства Astra по дозированию в качестве отправных точек для конкретных систем

Ключевые выводы

Стабильная пигментная дисперсия зависит от правильной последовательности смачивания, деагломерации и стабилизации, а также от подтверждения дозировки с помощью лестничного исследования, а не использования значения по умолчанию из технического паспорта.

Каждая частица пигмента поступает от производителя покрытой адсорбированным воздухом и влагой на своей поверхности. Смачивание вытесняет этот воздух жидким носителем (пленкообразователем/растворителем), и это происходит только тогда, когда поверхностное натяжение жидкости ниже поверхностной энергии пигмента. Высокоэнергетические пигменты, такие как технический углерод (сажа) или определенные органические красные пигменты, крайне трудно смачиваются, именно поэтому смачиватели или модифицированные ПАВ диспергаторы так важны на данном этапе. Быстрая лабораторная проверка: насыпьте порошок пигмента на поверхность жидкой основы. Если он остается на поверхности и собирается в капли, а не тонет за несколько секунд, рецептура смачивания требует корректировки еще до включения бисерной мельницы.

Производители все чаще предлагают марки пигментов с обработанной поверхностью, разработанные для облегчения смачивания, что может существенно снизить потребность в диспергаторе, если ваша цепочка поставок допускает такую замену.

Деагломерация разрушает слабосвязанные агрегаты, сохранившиеся после смачивания, до первичных частиц или прочных агрегатов. Эту работу выполняют два механизма: сдвиг, преобладающий в быстроходных диссольверах, и ударное воздействие, преобладающее в бисерных мельницах, где мелющие тела сталкиваются с частицами, зажатыми между ними. Скорость на конце лопасти (окружная скорость) определяет, сколько энергии передается частице, а «тороидальный поток» (doughnut flow) в емкости диссольвера определяет, проходит ли материал через зону высокого сдвига многократно или просто вращается по краям.

1. Полностью смочите пигмент перед приложением сдвиговых усилий, так как сухие агломераты разрушаются неравномерно и впустую расходуют энергию измельчения.
2. Поддерживайте контакт со свежеобразованной поверхностью во время измельчения. Вновь обнаженные поверхности разрушенных частиц нуждаются в немедленном контакте с диспергатором, иначе они снова агломерируют.
3. Стабилизируйте систему после уменьшения размера частиц, используя стерические механизмы (сольватированный полимерный хвост, создающий физическое разделение) или электростатические механизмы (заряженные группы, создающие силу отталкивания между частицами).

Якорные группы диспергатора — карбоксилаты, сульфонаты, фосфаты или аминные и карбамидные функциональные группы — определяют, насколько прочно молекула удерживается на поверхности пигмента. Химия полимерного хвоста должна соответствовать вашей системе растворителей или связующего, иначе диспергатор десорбируется при разбавлении (letdown), что приведет к повторной флокуляции спустя недели после того, как партия выглядела качественной.

Совет эксперта: Проверьте смачиваемость простым тестом на время погружения (sink time), прежде чем тратить лабораторные часы на полное лестничное исследование. Если пигмент держится на поверхности связующего более 30 секунд, это обычно указывает на нехватку смачивающего агента, а не на проблему с дозировкой диспергатора.

Как выбрать правильный класс диспергатора для вашей пигментной системы?

Выбор диспергатора сводится к трем взаимосвязанным критериям: химия поверхности пигмента, полярность растворителя и совместимость со связующим. Стандартные анионные полимеры (акрилового или малеинового типа) хорошо работают с неорганическими пигментами с умеренной поверхностной энергией в водных или полярных системах и стоят недорого, но они, как правило, хуже удерживаются на высокоэнергетических органических пигментах и могут сильнее пениться. Высокоэффективные гребнеобразные и привитые полимеры, часто построенные на цепях оксида этилена, обеспечивают лучший баланс между динамическим смачиванием во время активного перетира и равновесной стабилизацией после остановки мельницы, что снижает чувствительность к шоку при разбавлении (letdown shock). Неионогенные ПАВ-диспергаторы подходят для органоразбавляемых или низкополярных систем, где ионным якорным группам не за что зацепиться.

Правила совместимости, экономящие время на доработку:

• Подбирайте полимерный хвост диспергатора под растворитель связующего или полярность смолы, а не только под пигмент.
• В многопигментных системах одного типа диспергатора часто недостаточно. Комбинация электронейтрального диспергатора с неионогенным содиспергатором часто улучшает как смачивание, так и статическую стабильность в сложных колеровочных системах.
• Исключите посторонние ПАВ во время начального скрининга диспергаторов. Они могут маскировать истинные свойства диспергатора или вступать в антагонистическое взаимодействие, давая ложные данные о действительно необходимой дозировке.
• Заранее проверяйте паспорта поставщиков на соответствие нормативным требованиям. Требования по отсутствию APEO или ограничения по растворителям могут отсеять половину списка кандидатов еще до начала первого испытания на мельнице.

Собственное руководство Astra-chemical по выбору и дозированию диспергаторов содержит отправные точки для конкретных систем, если вы хотите сократить время на предварительный подбор.

Как провести лестничное исследование дозировки диспергатора?

Лестничное исследование позволяет найти дозировку, которая полностью покрывает поверхность пигмента без перерасхода материала и ухудшения эксплуатационных характеристик. Это самый надежный способ избежать работы «вслепую» при составлении рецептуры.

1. Оцените начальную среднюю дозировку. Используйте удельную площадь поверхности пигмента, если ее предоставляет поставщик; если нет, начните с диапазона, рекомендованного производителем диспергатора.
2. Подготовьте от пяти до семи ступеней вокруг этой средней точки, обычно с равным шагом в диапазоне примерно от половины до удвоенной расчетной величины.
3. Проведите предварительное диспергирование для каждого образца абсолютно одинаково, затем перетрите каждую пробу с одинаковым подводом энергии, чтобы единственной изменяемой переменной оставалась дозировка.
4. Измерьте степень перетира по Хегману, проведите проверку на растир/глянец и протестируйте устойчивость к шоку при разбавлении для каждого образца.

Дозировка, при которой тонкость помола выходит на плато, а тест на растир показывает минимальную разницу в цвете, и является вашей целевой величиной. Избыток диспергатора перегружает адсорбированный слой и может фактически ухудшить глянец и свойства пленки вместо их улучшения, поэтому принцип «чем больше, тем надежнее» здесь не работает. Остерегайтесь искажения результатов, если в тестовой системе остались поверхностно-активные вещества от других добавок.

Какие настройки оборудования воспроизводят лабораторные результаты на производстве?

Диссольверы обеспечивают предварительное смачивание и грубое предварительное диспергирование; бисерные мельницы осуществляют тонкое измельчение частиц, определяющее конечный глянец и насыщенность цвета, что поддерживается экспертными услугами по фасовке и производству для плавного масштабирования и розлива. Работа на обоих типах оборудования с правильными настройками и понимание физики процесса отличают воспроизводимый регламент от случайной удачной партии.

• Стремитесь к одинаковой окружной скорости (скорости на конце диска) на лабораторных и промышленных диссольверах, а не к совпадению абсолютных оборотов в минуту (RPM), поскольку диаметр диска меняет профиль сдвига при заданной скорости вращения.
• Эксплуатируйте бисерные мельницы при постоянной потребляемой мощности, а не при постоянной скорости вращения, если это позволяет ваше оборудование. По мере изменения вязкости и температуры в процессе работы режим постоянной мощности автоматически компенсирует эти сдвиги, обеспечивая повторяемость между лабораторией и цехом, чего постоянная скорость вращения дать не может.
• Непрерывно контролируйте крутящий момент. Внезапный скачок крутящего момента обычно сигнализирует о более быстром росте вязкости, чем ожидалось, часто из-за недостаточного предварительного смачивания.
• Активно контролируйте температуру; перегрев от сил сдвига может изменить растворимость диспергатора и дестабилизировать партию еще до выгрузки из мельницы.
• Подбирайте размер бисера и коэффициент заполнения под целевой размер частиц и отслеживайте износ бисера, так как изношенные мелющие тела теряют эффективность измельчения постепенно, а не выходят из строя мгновенно.

Масштабирование часто приводит к снижению эффективной скорости сдвига, поэтому для промышленных партий может потребоваться более длительное время пребывания в зоне измола или подбор мощности на единицу объема, а не прямой перенос настроек скорости с лабораторного оборудования.

Совет эксперта: Если промышленная партия стабильно уступает идентичной лабораторной рецептуре, проверьте журналы крутящего момента, прежде чем менять рецептуру. Несоответствие подводимой энергии является гораздо более частой причиной проблем, чем дозировка диспергатора.

Какие тесты подтверждают стабильность пигментной дисперсии?

Степень перетира, измеряемая гриндометром Хегмана, показывает максимальный размер частиц, оставшихся в пасте; для большинства покрытий целевым значением является от 6 до 7,5 единиц Хегмана в зависимости от толщины пленки и требований к глянцу. Тест на растир (rub-out) выявляет флокуляцию, невидимую невооруженным глазом, путем сравнения цвета на участках пленки, подвергнутых и не подвергнутых сдвигу при нанесении. Стандарты ISO 1524, ASTM D1210 и ASTM D3333 регламентируют эти методы и дают вам надежную нормативную базу при вопросах клиентов к данным контроля качества.

Сохраняйте арбитражные образцы из каждой производственной партии и фиксируйте степень перетира, вязкость и оседание через определенные интервалы времени; ежемесячное повторное тестирование активных позиций позволяет выявить нестабильность раньше, чем с ней столкнутся клиенты.

Устранение распространенных проблем при диспергировании пигментов

Большинство сбоев при диспергировании сводится к нескольким первопричинам, и правильное определение симптома экономит часы на слепой подбор рецептуры.

1. Флокуляция после разбавления (letdown): обычно несовместимость диспергатора со связующим или шок от слишком быстрого ввода смолы/растворителя. Замедлите скорость ввода компонентов и перепроверьте совместимость полимерного хвоста диспергатора со связующим.
2. Пенообразование при диспергировании: часто избыток смачивателя или несовместимый пеногаситель. Уменьшите дозировку смачивающего агента или перейдите на пеногаситель, лучше подходящий для системы, такой как ASTRA DF NS® для рецептур, чувствительных к силиконам.
3. Низкий глянец или укрывистость: указывает на неполную деагломерацию или дозировку ниже оптимума лестничного исследования. Перепроверьте степень перетира, прежде чем предполагать проблему со смолой.
4. Оседание при хранении: свидетельствует о недостаточной стабилизации или проблемах с реологией. Сначала проверьте дозировку диспергатора, затем концентрацию модификаторов реологии.

Фиксируйте каждое отклонение с указанием дозировки, времени перетира и температуры при сбое. Обращайтесь в службу технической поддержки поставщика, если две последовательные ступени лестничного исследования дают противоречивые показания по Хегману; такая картина обычно означает, что нестабилен параметр, не связанный с диспергатором. Контроль температуры при разбавлении и исключение мешающих ПАВ во время тестирования предотвращают повторное возникновение большинства этих проблем.

Ресурсы R&D Astra для исследований дозировок и масштабирования

Диспергаторы ASTRA DISP® разработаны для анионных, высокоэффективных гребнеобразных и неионогенных классов, описанных выше, предоставляя технологам единую линейку для начального скрининга. Руководство Astra-chemical по дозированию и выбору добавок предлагает отправные точки для конкретных систем, что значительно сокращает время на лестничное исследование.

R&D Astra также предлагает:

• Консультации по проведению лестничных исследований для правильного подбора диапазона дозировок до начала лабораторных работ
• Наборы образцов для лабораторного скрининга
• Консультации по переносу процессов диспергирования на промышленный масштаб по критерию постоянной мощности
• Поддержку при устранении неполадок, когда рецептура, отработанная в лаборатории, дает сбои в условиях производства

[Место для кейса: результаты оптимизации дозировки в промышленном масштабе будут добавлены позже]

Совет эксперта: Запрашивайте наборы образцов сразу двух или трех марок ASTRA DISP®, а не останавливайтесь на одной заранее. Сравнительное лестничное исследование нескольких марок на раннем этапе выявляет проблемы совместимости до того, как они затянут полный цикл разработки.

Нужно ли предварительно обрабатывать пигменты перед диспергированием?

Решения по предварительной обработке, принятые до попадания пигмента в мельницу, часто определяют, сколько диспергатора и энергии потребуется партии в дальнейшем. Содержание влаги — первый параметр, требующий проверки. Пигменты, хранившиеся во влажных условиях, поглощают воду, которая препятствует смачиванию в органоразбавляемых системах, поэтому сушка чувствительных к влаге марок перед взвешиванием может устранить проблему смачивания, которую иначе пришлось бы часами решать в мельнице.

Предварительное измельчение или микронизация грубых порошков пигментов перед диспергированием снижает нагрузку на бисерную мельницу и сокращает общее время перетира, особенно в случае органических пигментов, поступающих после синтеза в виде крупных, слабо связанных агломератов. Это особенно важно, когда производительность мельниц на заводе является «узким местом»: перенос части работы по уменьшению размера частиц на этап предварительной обработки высвобождает ресурс мельниц для других партий.

Пигменты с модифицированной поверхностью класса «easy-disperse» (легкодиспергируемые) представляют собой предварительную обработку, выполненную на уровне производителя, а не на вашем заводе. Эти марки имеют тонкое покрытие, часто слой ПАВ или смолы, нанесенный при производстве пигмента специально для снижения потребности в смачивателях и диспергаторах. Переход на легкодиспергируемые марки иногда позволяет сократить дозировку диспергатора и время измельчения настолько, что это оправдывает небольшую надбавку к цене сырья, особенно для высокоэнергетических пигментов, таких как технический углерод или некоторые хинакридоновые красные, которые крайне тяжело смачивать в стандартном исполнении.

Проверяйте поступающие партии пигментов на стабильность гранулометрического состава перед утверждением фиксированной дозировки по лестничному исследованию: колебания размера частиц от партии к партии исходного сырья — частый и недооцененный источник нестабильности дисперсии, не имеющий никакого отношения к выбору диспергатора.

Как вязкость растворителя и среды влияет на качество диспергирования?

Вязкость растворителя определяет эффективность передачи энергии от мельницы к частице пигмента, и ошибки в этом параметре — одна из наиболее частых причин, почему рецептура, работавшая в одной системе растворителей, дает сбой в другой. Слишком маловязкая среда не создаст достаточного сдвигового напряжения на поверхности частицы, как бы быстро ни работала мельница; слишком вязкая основа затрудняет прохождение через бисерную мельницу и может перегрузить двигатель по крутящему моменту еще до завершения помола.

Бисерные мельницы требуют определенного уровня вязкости системы, чтобы поддерживать бисер во взвешенном состоянии и обеспечивать его движение по размольной камере, не допуская оседания или слипания. Слишком низкая вязкость приводит к оседанию бисера и создает неравномерные зоны измельчения в камере; слишком высокая вязкость увеличивает механический износ бисера и узлов мельницы, повышая риск перегрева.

Полярность растворителя взаимодействует с химией полимерного хвоста диспергатора, что может приводить к резким колебаниям вязкости во время перетира. Диспергатор с хвостом, плохо совместимым с растворителем, может вызвать неожиданное загущение системы в процессе измельчения, поскольку полимер теряет надлежащую сольватацию. Это одна из причин, почему лестничное исследование, проведенное в реальном рабочем растворителе, дает более надежные показатели дозировки, чем испытание в растворителе-заменителе, выбранном для удобства в лаборатории.

Температура усугубляет все эти факторы, так как большинство растворителей и смол заметно снижают вязкость при нагреве во время активного перетира. Партия, начинавшаяся с целевой вязкостью, может стать слишком жидкой к моменту окончания измельчения, изменяя эффективный сдвиг, воздействующий на пигмент, и приводя к нестабильным результатам степени перетира между началом и концом длительного цикла помола.

Как пигментные дисперсии взаимодействуют со связующими и другими добавками?

Пигментная дисперсия не существует изолированно. Попадая на стадию составления (letdown), она сталкивается со связующей смолой, модификаторами реологии, пеногасителями, а часто и со второй пигментной пастой — и любой из этих компонентов может дестабилизировать дисперсию, выглядевшую безупречно в виде монопасты.

Полярность связующего — самая частая причина проблем после разбавления. Хвост диспергатора, хорошо сольватированный в пигментной пасте (mill base), но плохо совместимый со смолой связующего, начинает десорбироваться при их объединении, и повторная флокуляция может проявиться через часы или даже дни после того, как партия казалась стабильной. Именно поэтому предварительный скрининг на совместимость с реальным производственным связующим, а не с упрощенным лабораторным аналогом, важнее, чем полагают многие разработчики.

Модификаторы реологии взаимодействуют с диспергаторами способами, которые не всегда можно предсказать только по техническим паспортам. Некоторые типы загустителей конкурируют с якорными группами диспергатора за одни и те же центры на поверхности пигмента, фактически вытесняя диспергатор и провоцируя флокуляцию, которая выглядит как проблема с вязкостью или потеками, а не как явный цветовой дефект.

Пеногасители заслуживают особого внимания, так как агрессивный пеногаситель может смыть смачивающие агенты с поверхности пигмента или полностью разрушить защитный слой дисперсии. Подбор пеногасителя, совместимого с вашей системой диспергирования, вместо раздельной оптимизации пеногашения и стабильности дисперсии, предотвращает ситуацию, когда решение одной проблемы порождает другую.

При разработке многопигментных систем следите за тем, чтобы пакет диспергаторов для одного пигмента не нарушал стабилизацию второго, особенно при совмещении органических и неорганических пигментов с сильно различающейся поверхностной химией в одной основе.

Какие аналитические методы измеряют размер частиц за пределами шкалы Хегмана?

Показания гриндометра Хегмана быстры и удобны для оперативных решений в производственном цехе, однако эта шкала грубая, отчасти субъективная и фиксирует только самые крупные частицы в образце, а не полное распределение. Для исследовательских задач и устранения хронических проблем с качеством инженерам-технологам требуется более высокое разрешение.

Лазерный дифракционный анализ размера частиц дает полную кривую гранулометрического распределения, а не одно пороговое число, показывая не только самые крупные частицы, но и весь спектр — от субмикронных первичных частиц до любых оставшихся агломератов. Это критично, когда две партии показывают одинаковое значение по Хегману, но различаются по глянцу или красящей способности: реальные распределения могут существенно отличаться даже при идентичных показаниях гриндометра.

Динамическое рассеяние света (DLS) отлично подходит для ультратонких дисперсий, особенно субмикронных пигментов, используемых в высокоглянцевых или специальных покрытиях, где размеры частиц находятся ниже пределов надежного разрешения гриндометра Хегмана или даже стандартной лазерной дифракции.

Микроскопия — оптическая или электронная — обеспечивает прямое визуальное подтверждение формы частиц и степени их агломерации, что невозможно в полной мере передать одними лишь числовыми данными. Она особенно полезна при анализе нестандартных дефектов глянца или цвета, когда есть подозрение на специфическую морфологию агломератов, а не на простое смещение кривой распределения.

Эти методы требуют более дорогого оборудования и времени по сравнению с гриндометром Хегмана, поэтому на большинстве производств их оставляют для разработки методик, квалификации новых пигментов или расследования причин брака, а не для рутинного контроля партий.

Почему лестничное исследование пропускают чаще, чем следовало бы

Практический опыт и исследования однозначно указывают на один вывод: оптимизация дозировки — это этап, на котором технологи чаще всего срезают углы, и именно он влечет за собой самые высокие затраты на последующих стадиях. Команды в условиях сжатых сроков часто берут рекомендуемую поставщиком среднюю дозировку и сразу переходят к производству, воспринимая лестничное исследование как необязательную лабораторную формальность, а не как обязательный этап контроля.

Это в корне неверно. Средняя дозировка, сработавшая для одной партии пигмента, может не подойти для следующей просто из-за незначительного изменения размера частиц или удельной площади поверхности у производителя сырья. Лестничное исследование предназначено не просто для поиска абстрактного числа; оно строит кривую отклика дозировки конкретно для вашего сырья, позволяя отличить ошибку в рецептуре от колебаний качества сырьевых компонентов, если через полгода возникнут проблемы.

Традиционный совет «следовать дозировке из технического паспорта» недооценивает масштабы вариативности партий пигментов на практике. Сделайте правилом проведение лестничного исследования для каждой новой партии пигмента, демонстрирующей любые отклонения по площади поверхности или размеру частиц, а не только для совершенно новых разработок. Эта привычка предотвращает больше производственных сбоев, чем практически любое другое изменение в работе лаборатории.

Источники

• Pigment dispersion I, The basics — American Coatings Association
• PCImag — Introduction to additives: Dispersants
• The Dispersion Process — Arcor Epoxy

Часто задаваемые вопросы

Каков правильный порядок этапов диспергирования пигментов?

Сначала идет смачивание, затем деагломерация за счет механического сдвига или удара, и завершает процесс стабилизация за счет адсорбированного слоя диспергатора. Нарушение порядка, например попытка стабилизировать систему до завершения деагломерации, оставляет агломераты в готовой партии.

Какое значение по Хегману указывает на правильно диспергированный пигмент?

Для большинства лакокрасочных материалов целевым является показатель от 6 до 7,5 единиц по шкале Хегмана, хотя точное значение зависит от конечной толщины пленки и требований к глянцу. Всегда подтверждайте результат тестом на растир (rub-out), так как один только прибор Хегмана не выявляет флокуляцию.

Сколько ступеней дозировки должно включать лестничное исследование?

От пяти до семи ступеней вокруг расчетной средней дозировки обычно обеспечивают достаточную точность для определения оптимума без лишних временных затрат в лаборатории. Распределяйте ступени с равным шагом в диапазоне примерно от половины до двукратной исходной расчетной дозы.

Почему избыток диспергатора ухудшает характеристики вместо их улучшения?

Избыточный диспергатор перегружает адсорбированный слой на поверхности пигмента, что может снизить глянец и ухудшить физико-механические свойства пленки вместо повышения стабильности. Грамотно проведенное лестничное исследование определяет точку, где степень перетира и результаты теста на растир выходят на плато, обозначая правильную рабочую дозу.

Почему лабораторные рецептуры иногда дают сбой при масштабировании на производстве?

При масштабировании часто снижаются эффективные скорости сдвига, поэтому рецептуре, оптимизированной на лабораторном оборудовании, может потребоваться большее время пребывания в зоне измельчения или выравнивание мощности на единицу объема, а не прямой перенос скорости вращения вала. Контроль крутящего момента и эксплуатация бисерных мельниц в режиме постоянной мощности помогают устранить этот разрыв.

Рекомендуем

• Coating Additives Guide: Selection, Chemistry & Formulation (2026) | ASTRA CHEMICAL
• Additives for Polyurethane Coatings: Selection Guide (ASTRA) | ASTRA CHEMICAL
• Rheology Modifiers for Coatings: A Practical Selection Guide | ASTRA CHEMICAL