R1800-SH, hyperdispersant du noir de carbone : 28 fois le pouvoir lubrifiant et 122 fois la dispersion de la cire

R1800-SH est l’hyperdispersant que Californium Curium a développé spécialement pour le noir de carbone. Il disperse le noir de carbone pigmentaire : la noircité ne baisse pas mais augmente au contraire, et les propriétés de mise en œuvre s’améliorent également.

Cet article traite de trois points : ce qui le distingue vraiment de la cire et de la cire de polyéthylène ; d’où vient le point d’inflexion de dosage à 3 % et pourquoi tout s’inverse au-delà ; et comment l’utiliser respectivement dans une usine de noir de carbone et chez un fabricant de masterbatch noir.

Trois chiffres d’abord

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Face à la cire de polyéthylène, le pouvoir lubrifiant de R1800-SH vaut 28 fois celui de la cire et sa performance de dispersion 122 fois celle-ci.

Le noir de carbone, pigment inorganique, est largement utilisé dans les masterbatches. Or, à l’usage, plus les particules de pigment sont fines, plus elles tendent à se réunir et à former des particules grossières, ce qui nuit à la qualité du produit ; elles ne sont donc pas utilisables telles quelles et doivent subir un traitement de dispersion. Le processus de dispersion du pigment se divise en trois parties : le mouillage, l’affinage (la dispersion), puis la stabilisation après affinage (l’enrobage). Le traitement de surface du pigment est précisément ce processus de stabilisation après affinage : on dépose et on fixe à la surface des particules de pigment des substances mono- ou multimoléculaires, notamment des agents tensioactifs, des agents modifiants et des dérivés du pigment lui-même.

Ce passage est l’exposé complet du manuel sur la nécessité de la dispersion. Il la décompose en trois étapes : mouillage, affinage (dispersion), stabilisation après affinage (enrobage). L’action du R1800-SH se situe dans la troisième : elle dépose une couche d’enrobage à la surface des particules de pigment, et c’est cette couche, avec la barrière stérique spatiale, qui permet aux particules de se repousser à l’approche.

Le R1800-SH se compose principalement de polymères d’éther de silicium et de résine ; c’est une pâte bleue à faible odeur de graisse de porc, de densité 0,860 g/cm³, de viscosité 1000–4000 mPa·s, de point éclair 287℃, d’indice d’amine ≦8 mgKOH/g, d’indice d’acide ≦6 mgKOH/g, de degré de dispersion III. Il est insoluble dans l’eau et, à température ambiante, se dissout dans la plupart des solvants organiques.

Le point d’inflexion à 3 % : point de saturation et point de pontage

La noircité atteint son maximum de 130 à 3 %.

La densité optique du film mesurée dans la même série d’essais suit la même courbe : le dosage augmente, la densité optique monte, jusqu’à un maximum de 0,487 à 3 % ; au-delà, la densité optique chute brutalement.

Ce n’est pas une affaire de « plus on en met, mieux c’est ». Le 3 % est le point où l’adsorption des groupes d’ancrage à la surface du noir de carbone atteint la saturation.

En dessous de 3 %, les sites d’ancrage de la surface du noir de carbone ne sont pas encore tous occupés ; les groupes d’ancrage adsorbés augmentent avec le dosage, la couche d’enrobage devient de plus en plus complète, et la densité optique monte en conséquence.

Au-delà de 3 %, les molécules excédentaires de R1800-SH se heurtent entre elles et produisent une floculation par pontage par l’enchevêtrement des chaînes de solvatation — la force qui devait éloigner les particules lie au contraire plusieurs particules en une grume. Le dispersant, de séparateur devient floculant, et la densité optique fait demi-tour à la baisse.

Cette forme « d’abord en hausse, puis en baisse » est précisément ce qui distingue l’hyperdispersant d’un lubrifiant ordinaire : un lubrifiant ordinaire ne travaille pas selon le chemin « ancrage — saturation — pontage ».

80℃ n’est pas une valeur recommandée, c’est l’interrupteur de la couche d’enrobage

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La structure moléculaire du R1800-SH comporte deux parties. Le groupe d’ancrage est -COOH ; il s’adsorbe à la surface du noir de carbone par liaisons ioniques, liaisons hydrogène et forces de van der Waals ; la chaîne de solvatation assure la dispersion et détermine la stabilité du noir de carbone dispersé dans le milieu.

L’essentiel est que le comportement de fusion de la chaîne de solvatation est commuté par la température :

En dessous de 80℃, la couche d’enrobage ne fond pas : elle enveloppe fermement les particules de noir de carbone et assure l’isolation

Au-dessus de 80℃, la couche d’enrobage commence à fondre, se transforme en agent de couplage ionique et améliore la compatibilité entre le noir de carbone et la résine

L’effet du traitement de surface est optimal lorsque la température dépasse 70℃.

Une propriété facile à négliger s’y ajoute : la teinte s’assombrit lorsque la température varie, mais elle n’affecte pas la couleur lors de l’emploi dans le produit.

Dispersibilité : deux images de microscope bien visibles

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Le manuel présente deux photos en microscope à contraste de phase :

• A : noir de carbone traité avec 3 % de R1800-SH, PH = 6,2, 80℃, dilué 1:1 avec de l’éthanol
• B : noir de carbone non traité

Sur l’image A, la dispersion est homogène et les particules de noir de carbone sont fines ; sur l’image B, les particules de noir de carbone forment de graves agglomérats.

Ce même jugement qualitatif a une version quantitative : la dispersibilité peut être caractérisée qualitativement par observation et photographie au microscope à contraste de phase ou au microscope électronique, et quantitativement par la mesure de la distribution granulométrique.

La surface du noir de carbone accumule des charges, qui se combinent facilement avec les groupes d’ancrage du R1800-SH (-COOH) et forment à la surface des particules une couche de protection solide ; puis la barrière stérique spatiale des chaînes de solvatation fait que les particules de noir de carbone se repoussent mutuellement lorsqu’elles se rapprochent. C’est la superposition de ces deux effets qui fait une dispersion stable.

À l’usine de noir de carbone ou chez le fabricant de masterbatch

Ce sont deux points d’ajout complètement différents.

Usine de noir de carbone : le produit est généralement mélangé aux autres additifs et au noir de carbone lors de la granulation en voie humide ; en granulation à sec, il est ajouté uniformément dans le noir de carbone avant le broyage, c’est la température atteinte pendant le broyage qui permet d’obtenir son effet de dispersion. Si le traitement est réalisé à l’usine de noir de carbone, le manuel recommande une dilution avec un solvant alcoolique, afin que la quantité se répartisse plus uniformément dans la poudre de noir de carbone.

Fabricant de masterbatch : le produit est versé directement avec les autres additifs dans le mélangeur à grande vitesse et mélangé, la résine étant ajoutée lorsque la température atteint environ 100℃ ; une fois la résine et le noir de carbone bien homogénéisés, le mélange est évacué pour la granulation.

L’effet recherché est de diminuer l’indice d’absorption d’huile du noir de carbone, d’améliorer sa performance de dispersion, sa fluidité, son pouvoir de lubrification interne et externe, et d’accroître sa force colorante et sa compatibilité.

La formulation expérimentale du masterbatch noir peut être reprise telle quelle :

Le procédé est le suivant : mélange à grande vitesse → granulation → extrusion et soufflage de film → pouvoir masquant → noircité.

Dans cette formulation, les 1 g de R1800-SH correspondent à 50 g de noir de carbone, soit 2 % par rapport au noir de carbone ; par rapport à l’ensemble du masterbatch (50+1+10+39 = 100 g), cela représente 1 %.

Les 3 % évoqués plus haut sont en revanche la proportion retenue pour le traitement de surface du pigment : dans la série d’essais de 1 % à 5 %, le noir de carbone était traité seul en tant que poudre, et la dose se calculait par rapport au noir de carbone.

Les deux chiffres ont le même dénominateur, mais les situations diffèrent : l’un est la proportion pour « traiter à fond le noir de carbone en poudre », l’autre la dose d’incorporation lorsqu’on « mélange le noir de carbone à la résine pour faire le masterbatch ». Ils ne se convertissent pas directement l’un en l’autre.

Le dosage final dans les articles en plastique

La recommandation du manuel pour l’aval est la suivante : 0,5 %—1 % du produit plastique final.

Conditionnement : 20 kg en seau plastique PE ; stockage dans un endroit frais et sec, à l’abri de l’humidité.

Deux points à vérifier avant utilisation

Premièrement, le R1800-SH est insoluble dans l’eau. Les systèmes aqueux (peintures aqueuses, encres aqueuses, pastes aqueuses) doivent faire appel à un autre modèle : ne l’ajoutez pas dans l’eau.

Deuxièmement, le point d’inflexion se déplace selon la référence de noir de carbone. Les 3 % du manuel ont été mesurés sur le noir de carbone pigmentaire ZY-1 de Yunnan Zhongyi, tandis que la formule utilise DK2028P. Pour votre propre référence de noir de carbone, la surface spécifique n’étant pas la même, le point de saturation diffère : le manuel précise d’ailleurs que la dose dépend de la surface spécifique du pigment. Le 3 % est un point de départ, pas un point d’arrivée.

Un dernier écart de formulation mérite attention : la partie générale du manuel consigne comme conditions de traitement PH=6,2, 80℃ et une dose de 1 %, tandis que la conclusion indique qu'une dose de 3 % donne le meilleur résultat sur le noir de carbone. Les deux figurent bien dans le manuel.

Questions fréquentes

Question : peut-on transposer directement le 3 % à d’autres références de noir de carbone ? Réponse : non. Le manuel précise que la dose dépend de la surface spécifique du pigment ; 3 % est le point de saturation du noir de carbone pigmentaire ZY-1 de Yunnan Zhongyi à PH 6,2 et 80℃. À chaque changement de référence, il faut rechercher le point d’inflexion.

Question : en montant à 5 %, le noir sera-t-il plus profond ? Réponse : non. La noircité mesurée à 5 % est de 125, donc inférieure aux 130 obtenus à 3 %. Au-delà de 3 %, la floculation par pontage prend le relais et la densité optique chute brutalement.

Question : que se passe-t-il si l’on travaille en dessous de 80℃ ? Réponse : la couche d’enrobage ne fond pas, elle enveloppe fermement les particules de noir de carbone et joue un rôle isolant ; la dispersion tient, mais la conversion en agent de couplage ionique n’a pas lieu et la compatibilité avec la résine ne progresse pas.

Question : le 1 g de la formule de masterbatch noir et le 3 % sont-ils la même proportion ? Réponse : non. Le 1 g correspond à 50 g de noir de carbone, soit 2 % par rapport au noir de carbone et 1 % par rapport à l’ensemble du masterbatch ; le 3 % est la proportion retenue lorsque le noir de carbone est traité seul en tant que poudre. Les deux situations ne se convertissent pas directement.

Question : une pâte aqueuse peut-elle être préparée directement ? Réponse : non. Le R1800-SH est insoluble dans l’eau et ne se dissout à température ambiante que dans la plupart des solvants organiques ; pour les systèmes aqueux, il faut passer à un autre modèle.

Question : le manuel indique 1 % dans la partie générale et 3 % comme optimum dans la conclusion ; lequel retenir ? Réponse : les deux figurent dans le manuel. Le 1 % est la condition de traitement consignée dans la partie générale, le 3 % est le point culminant mesuré de la noircité et de la densité optique. Pour son propre système, c’est la courbe mesurée qui fait référence.

En une phrase

L’intérêt du R1800-SH n’est pas qu’il « disperse », mais qu’il « disperse proprement et qu’il sait quand s’arrêter ». Le 3 % est le point de saturation de l’ancrage à la surface du noir de carbone ; au-delà, la floculation par pontage prend le relais et refait les agglomérats. 80℃ est l’interrupteur de la couche d’enrobage, et l’effet du traitement de surface est optimal au-delà de 70℃. Retenez ces deux règles, le reste n’est plus qu’un dosage selon le point d’ajout.