16.1. Особенности процесса диспергирования

Процесс диспергирования пигментов в растворах или расплавах плёнкообразующих композиций состоит из трёх основных стадий, частично накладывающихся во времени друг на друга.

1. Смачивание. При смешении сухого пигмента с плёнкообразователем происходит смачивание твёрдой поверхности с вытеснением ранее адсорбированных газов и влаги. В результате растекания и адсорбции жидкости на поверхности частиц создаётся новая поверхность раздела фаз, сопровождаемая уменьшением запаса свободной поверхностной энергии.

2. Диспергирование. Под влиянием расклинивающего действия смачивающей жидкости и сдвиговых механических усилий, создаваемых в смешивающих и перетирающих машинах, разрушаются коагуляционные структуры и крупные агрегаты пигментов разделяются на более мелкие (в пределе до первичных частиц) и более или менее равномерно распределяются по всему объёму красочной системы. Одновременно происходит и разрушение надмолекулярных структур, образованных молекулами олигомеров и полимеров, что увеличивает их подвижность и способность адсорбировать на поверхности твёрдых частиц.

3. Стабилизация. В результате механического разрушения агрегатов возрастают поверхность раздела фаз и вместе с нею запас свободной поверхностной энергии. Принудительное смещение системы на более высокий энергетический уровень делает её неустойчивой, стремящейся снова перейти на более низкий энергетический уровень. Этот процесс осуществляется самопроизвольно путём коагуляции и флокуляции, в первом случае несмоченных, во втором – смоченных пигментных частиц. Для сохранения достигнутой степени дисперсности пигментных частиц необходимо, чтобы на каждой частице или небольшом агрегате сформировался достаточно толстый слой из необратимо адсорбционных на твёрдой поверхности больших молекул плёнкообразующих веществ. На наружной поверхности такого адсорбционного слоя запас поверхностной энергии будет незначительным. Агрегативная стабильность красочных систем означает невозможность после смачивания и разделения пигментных частиц повторного присоединения друг к другу, как непосредственно, так и через оболочки смачивающей жидкости.

Пределом диспергирования является получение избирательно смоченных и стабилизированных первичных частиц. Обычно этот предел недостижим. В получаемых суспензиях или пастах содержаться не разрушенные полностью агрегаты, внутри которых могут находится сгруппированные молекулы газов и воды. Кроме того, диспергирование обычно не доводят до полного исчезновения незначительных количеств весьма грубых частиц, которые отделяю фильтрованием полученной краски. Следовательно, для создания условий проникновения дисперсной среды к поверхности частиц необходимо внешнее воздействие на агрегаты, вызывающее их разрушение. Это воздействие и осуществляется в аппаратах, применяемых для диспергирования пигментов в плекообразователях, – диспергаторах. В процессе диспергирования разрушаются агрегаты из первичных частиц, но сами первичные частицы не измельчаются. Поэтому называть некоторые диспергаторы мельницами можно лишь условно, т.к. это не отвечает протекающим в них процессам.

В машинах, применяемых в настоящее время для диспергирования пигментов в плёнкообразователях, разрушение агрегатов происходит под действием касательных напряжений, возникающих при течении суспензии через каналы или при движении в ней тел любой формы (шаров, лопастей мешалок и т.п.). Продолжительность диспергирования зависит от сочетания факторов, влияющих на касательные напряжения, и может колебаться в широких пределах.

Выбор оптимального типа диспергатора и его эффективность определяется не длительностью диспергирования или мощностью электродвигателя на единицу объёма рабочей камеры, а рядом других факторов: видом диспергируемого пигмента, вязкостью дисперсии пигмента в плёнкообразователе и требуемой степенью диспергирования.

По влиянию на выбор диспергатора пигменты делятся на следующие группы:

1. синтетические тонкодисперсные (размер первичных частиц 0,1-2, мкм) легкодиспергируемые пигменты (оксид цинка, диоксид титана, литопон и др.);

2. синтетические тонкодисперсные (размер первичных частиц 0,01-0,1 мкм) труднодиспергируемые пигменты (железная лазурь, технический углерод, а также некоторые марки свинцовых кронов и органических пигментов);

3. природные грубодисперсные (размер первичных частиц 5-40 мкм) пигменты и наполнители;

4. природные микронизированные (размер первичных частиц 1-10 мкм) пигменты и наполнители.

Получаемые при диспергировании пигментов дисперсии объединяют в три группы: легколетучие, пастообразные (густотёртые и художественные краски) и твёрдые при обычной температуре (суховальцованные пасты).