Как выбрать дисперсант для пигментов и оптимизировать процесс диспергирования

При формулировке красок или других суспензий одной из главных задач является оптимизация процесса диспергирования пигментов. Наиболее важным элементом в этом процессе является выбор подходящего дисперсанта, который позволяет эффективно разделить частицы пигмента и предотвратить их

Как частицы в полимерах влияют на их свойства?

Влияние частиц на свойства полимеров является ключевым аспектом при формировании композитных материалов, особенно в таких областях, как термопласты, электроника и производство светодиодов. Составление композиции с использованием мелких частиц позволяет корректировать множество характеристик, включая механические, термические, оптические и электрические свойства. При этом, размер, форма и распределение частиц оказывают значительное влияние на поведение полимеров как в процессе их переработки, так и в конечных применениях.

Одним из ярких примеров является использование диоксида титана в различных его формах для модификации индекса белизны (WI). Как показывает исследование, повышение содержания диоксида титана в композитах приводит к росту индекса белизны, что является важным параметром для улучшения эстетических и функциональных характеристик пластмасс. Значительные различия в этом показателе для различных марок диоксида титана свидетельствуют о важности правильного выбора добавок. Использование титана с различной дисперсностью частиц позволяет тонко настраивать цветовую формулу материала, что открывает дополнительные возможности для его применения в разных отраслях.

С другой стороны, добавление частиц в полимерные материалы может также существенно изменить их теплопроводность. Полимеры сами по себе имеют низкую теплопроводность (0,01-0,5 Вт/(м·K)), что объясняется отсутствием свободных электронов, что делает их хорошими изоляторами. Однако введение таких материалов, как алюминиевые, медные или никелевые порошки, углеродные добавки (графит, графен, углеродные нанотрубки) или минеральные наполнители (бора нитрид, алюминий нитрид), значительно повышает теплопроводность, что делает такие полимеры полезными для применения в устройствах LED, батареях и солнечных элементах, где важна высокая эффективность теплового управления.

Примечательно, что частицы могут также быть использованы для повышения огнестойкости полимеров. Наиболее часто для этого применяются металлические гидроксиды и карбонаты, которые начинают разлагаться при температурах от 180 до 400 °C. Одним из самых распространенных примеров является гидроксид магния, который активно используется в составе полиэтилена (PE), полипропилена (PP) и этиленвинилацетатных сополимеров (EVA). Такие наполнители значительно увеличивают огнестойкость материалов, что особенно важно в строительстве, производстве кабелей и текстильной промышленности.

Теория и практика создания композитных материалов с частицами фокусируются не только на улучшении отдельных характеристик, но и на понимании их взаимодействия с полимерной матрицей. В частности, важно учитывать, как размер частиц, их распределение по фракциям и форма могут повлиять на такие параметры, как текучесть и вязкость расплавов. Эти параметры, в свою очередь, непосредственно влияют на эффективность переработки материалов и конечное качество продукции.

Примером может служить создание композиций на основе титана, где использование разных форм частиц позволяет значительно изменять реологические свойства расплава, что важно для процесса экструзии или литья. В реологическом поведении композитов критическим фактором становится не только сам состав наполнителей, но и способ их интеграции в полимерную матрицу, что требует высокого уровня знаний и навыков при формулировке таких материалов.

Значение частиц в полимерах проявляется не только в их способности изменять механические и термические свойства, но и в контроле таких факторов, как проницаемость для газов и жидкостей. Например, уменьшение проницаемости для кислорода и воды может быть достигнуто за счет добавления частиц, что особенно важно для упаковочных материалов и изделий, требующих повышенной герметичности.

Также стоит отметить важность контроля над размером и формой частиц в составе полимерных материалов, так как это напрямую влияет на их способность адаптироваться к определённым условиям эксплуатации. В частности, для высокоэффективных композитных материалов необходима оптимизация взаимодействия частиц с полимерной матрицей, что требует точных расчетов и применения передовых технологий.

Таким образом, знание свойств частиц и их взаимодействие с полимерными матрицами является неотъемлемой частью создания высококачественных материалов с заданными характеристиками. Правильный выбор и дозировка наполнителей позволяют не только улучшить существующие свойства материалов, но и открывают новые возможности для их применения в различных отраслях, от строительства до электроники и медицины.

Как изменяется структура и распределение TiO2 в декор-бумаге на разных этапах производства ламинатов?

Исследование структуры и распределения частиц диоксида титана (TiO2) в декор-бумаге и последующих продуктах – impregnated paper и ламинатах – позволяет понять ключевые процессы, влияющие на качество конечного материала. С помощью метода нанокТ (nano CT) была проведена детальная визуализация и количественный анализ этих материалов на микроскопическом уровне, выявив существенные изменения структуры в ходе технологической обработки.

На начальном этапе, когда декор-бумага только сформирована, в ней присутствует значительное количество воздушных пустот, заметных как темные области на срезах. TiO2 проявляется как белые пятна, волокна и смола – в оттенках серого. Воздушные пустоты здесь максимальны по размеру и количеству. По мере пропитки смолой, воздух из бумажной структуры частично вытесняется, и пустоты становятся меньше и менее многочисленны. Смола концентрируется преимущественно у поверхностей листа – как сверху, так и снизу, где бумага контактирует с Fourdrinier-машиной (web-сторона). При дальнейшем прессовании и формировании ламината, под воздействием температуры и давления, воздушные полости практически исчезают, а волоконная сеть сжимается, что приводит к плотной и однородной структуре.

Важнейшим этапом анализа стала разработка оптимального порога (threshold) для выделения вокселей с TiO2 на основании их интенсивности сигнала. Этот порог варьируется в зависимости от стадии производства: декор-бумага, пропитанный лист и конечный ламинат требуют индивидуального подхода для правильного выделения TiO2 и отделения его от волокон и смолы. При этом, концентрация TiO2 в объеме (fill factor) оставалась постоянной, так как использовалась та же бумага на разных стадиях.

Анализ распределения TiO2 показал неоднородность по толщине и поверхности. Верхняя сторона листа содержит больше TiO2, тогда как нижняя сторона, обращённая к web, характеризуется частичным вымыванием частиц с "белой водой" при формировании бумаги. Несмотря на это, конечная оптическая плотность не страдает, так как свет проходит сверху вниз, суммируя покрытие TiO2. Более того, наружные слои пропитанной бумаги почти полностью состоят из смолы, что обусловлено проникновением смолы с обеих поверхностей, которое не достигает полной глубины за время обработки, оставляя воздушные пустоты внутри.

В горизонтальной плоскости (XY) TiO2 распределяется неравномерно и образует кластеры различного размера, что видно из красных кривых распределения концентрации по длине образца (X-направление). Кластеры TiO2 после ламинатного прессования несколько перераспределяются, уменьшая вариабельность, что указывает на некоторую реорганизацию частиц под воздействием давления. Средний размер кластеров варьируется от 20 до 24 микрон, но максимальные размеры в разных образцах отличаются: 37 микрон в декор-бумаге, 32 микрон в пропитанном листе и меньшие значения в ламинате, что подтверждает структурные изменения на микроуровне.

Таким образом, nano CT не только позволяет визуализировать внутренние структуры декор-материалов, но и дает количественную оценку распределения и размеров TiO2, что является ключевым для контроля качества и оптимизации процессов пропитки и прессования. Понимание динамики изменения структуры на каждом этапе производства помогает прогнозировать конечные свойства ламината, такие как прочность, оптическая плотность и износостойкость.

Важно отметить, что распределение TiO2 и его кластеризация влияют не только на визуальные характеристики, но и на функциональные свойства материала. Наличие воздушных пустот снижает прочность и однородность, а неравномерное распределение TiO2 может привести к локальным изменениям светопропускания и износа поверхности. Кроме того, степень проникновения смолы и ее распределение определяют адгезию и устойчивость ламината к воздействию влаги и механическим нагрузкам.

Для более глубокого понимания процесса и дальнейшей оптимизации технологии целесообразно дополнительно изучить влияние параметров пропитки (время, температура, вязкость смолы) на динамику заполнения воздушных пустот и распределение TiO2, а также исследовать влияние давления и температуры прессования на структуру кластеров. Возможна также интеграция nano CT с другими методами, такими как спектроскопия или микроскопия с высоким разрешением, чтобы более точно характеризовать химический состав и фазовые преобразования в материале.

Как выбор наполнителей влияет на свойства пластиков и красок: кальцит, доломит и их роль в улучшении характеристик материалов

Часто при замене более крупных частиц наполнителей на более мелкие наблюдается улучшение непрозрачности материалов. Это улучшение связано не с активным раздвиганием частиц маленького наполнителя, а с уменьшением воздействия тесного уплотнения, которое характерно для более крупных частиц. Иными словами, улучшение непрозрачности происходит за счет того, что мелкие частицы не создают эффекта плотного уплотнения, как это происходит при использовании крупных эксципиентов.

Кальцит является одним из самых распространенных наполнителей в пластиковой промышленности, составляя более половины всех используемых материалов. Этот наполнитель получил признание не только благодаря своим физическим и механическим свойствам, но и благодаря своей способности эффективно использоваться в высокотемпературной переработке пластмасс. Для большинства пластиков, в особенности пленок, важнейшим является тот факт, что кальцит не имеет кристаллизационной воды. Это свойство делает его идеальным для переработки материалов при высоких температурах, где испарение воды может стать серьезной проблемой. В пластиках, например, в процессе их формовки может образовываться водяной пар, который создает дефекты в виде пузырей, что со временем приводит к образованию отверстий. Эти дефекты увеличиваются при растягивании пленки, что называется эффектом "кружевной пленки" — процесс, при котором пленка по внешнему виду начинает напоминать кружево.

Кроме того, кальцит обладает свойствами, которые снижают усадку пластмасс и обеспечивают хорошие анти-пластифицирующие характеристики. Он может быть поверхностно обработан стеариновой кислотой или ее солями для улучшения процессов переработки. Однако важно отметить, что кальцит не усиливает пластмассы так же, как, например, игольчатые или пластинчатые наполнители. Вместо этого он способствует улучшению ударной прочности материалов, что особенно важно при использовании термопластов, где кальцит находит наибольшее применение. Немалое количество кальцита также используется в эластомерах и термореактивных пластиках.

Кальцит в своей распространенной форме существует в двух видах: как молотый кальцит (GCC) и осажденный кальцит (PCC). Молоты кальцит получают путем механической обработки природного материала, что позволяет изменять его гранулометрию. В отличие от молотого кальцита, осажденный кальцит производится с помощью химической реакции, в ходе которой кальций из кальцита подвергается термическому воздействию с последующей карбонизацией. Такой процесс позволяет более точно контролировать размер частиц и чистоту конечного продукта.

Молоты кальцит, как правило, имеют более широкий диапазон размеров частиц — от 2 до 15 микрон, но возможны и более мелкие фракции, размер которых может быть меньше 0,5 микрон. В зависимости от технологии измельчения (влажное или сухое) варьируются и свойства материала. Например, в процессе мокрого измельчения можно достичь более мелких и однородных частиц, но этот процесс требует дополнительных этапов, таких как фильтрация и сушка. Сухое измельчение менее затратное, но оно приводит к накоплению статического электричества и увеличивает износ оборудования.

В области пластмасс молотый кальцит используется для создания непрозрачных микро-пустот в пленках из полиэтилена и полипропилена. Для этого в пленки добавляются мелкие частицы кальцита, которые не связываются сильно с полимером, и, когда пленка растягивается, материал отрывается от частиц, создавая пустоты, которые рассеивают свет, обеспечивая тем самым непрозрачность.

Что касается осажденного кальцита, то его частички имеют гораздо более мелкий размер, и их распределение по размерам более узкое по сравнению с молотым кальцитом. Это делает PCC более эффективным в ряде приложений, где требуется высокая степень однородности и яркость. Однако, стоимость производства PCC значительно выше, что ограничивает его использование в массовых пластмассовых продуктах.

Еще одним важным материалом, используемым в качестве наполнителя, является доломит — смешанный карбонат кальция и магния. Продукция на основе доломита используется реже, чем кальцит, из-за несколько более высокой стоимости и меньшей распространенности. Однако доломит обладает рядом особенностей, которые могут быть полезны в некоторых специфических приложениях. Например, он имеет более высокую плотность, твердость и белизну, что делает его полезным для улучшения потока и плотности продукции. В отличие от кальцита, доломит отличается высокой реактивностью и может использоваться почти аналогично кальциту в красках и пластиках.

Что важно учитывать при выборе наполнителя для пластиков и красок? Помимо размеров частиц, их формы и реакции на переработку, стоит обратить внимание на следующие факторы: влияние на механические свойства конечного продукта, возможность добавления в продукцию дополнительных функциональных характеристик (например, снижение усадки или повышение устойчивости к износу), а также экономическую эффективность выбранного наполнителя. Качество и свойства наполнителей, такие как их чистота, однородность и возможность обработки, оказывают огромное влияние на стабильность и долговечность пластиковых и лакокрасочных изделий.