R1800-SH — супердиспергатор для сажи: в 28 раз выше смазывающая способность и в 122 раза выше диспергация, чем у воска

R1800-SH — гипердиспергатор, разработанный компанией Californium Curium специально для сажи. Он диспергирует пигментную сажу, чёрность не снижается, а возрастает, улучшается и перерабатываемость.

Эта статья о трёх вещах: чем он отличается от воска; откуда взялся порог дозировки 3% и почему после него эффект идёт наоборот; а также как применять продукт на заводе сажи и на заводе чёрных мастербатчей.

Три цифры для начала

1

2

Базой сравнения служит полиэтиленовый воск: смазывающая способность R1800-SH в 28 раз выше, а диспергирующая в 122 раза выше.

Сажа как неорганический пигмент широко применяется в мастербатчах. Однако в процессе использования более мелкие частицы пигмента легче слипаются друг с другом, образуя крупные частицы, что влияет на качество продукции; поэтому применять её напрямую нельзя — необходима обработка диспергированием. Процесс диспергирования пигмента делится на три части: смачивание, измельчение (диспергирование) и стабилизация после измельчения (инкапсулирование). Обработка поверхности пигмента — это и есть процесс стабилизации после измельчения: на поверхности частиц пигмента осаждаются и закрепляются моно- или полимолекулярные вещества, в том числе поверхностно-активные вещества, модификаторы, производные самого пигмента и другие.

Здесь руководство полностью объясняет, почему без диспергирования не обойтись. Оно раскладывает процесс на три этапа: смачивание, измельчение (диспергирование), стабилизация после измельчения (инкапсулирование). Действие R1800-SH приходится на третий этап — на поверхности частиц пигмента осаждается покрывающий слой, и именно он вместе с пространственным стерическим барьером заставляет частицы отталкиваться при сближении.

R1800-SH преимущественно состоит из полимеров эфиров кремния и смол: синяя паста со слабым запахом свиного сала, плотность 0,860 g/cm³, вязкость 1000–4000 mPa·s, температура вспышки 287℃, аминовое число ≦8 mgKOH/g, кислотное число ≦6 mgKOH/g, степень дисперсности III. В воде не растворяется, при комнатной температуре растворяется в большинстве органических растворителей.

Порог 3% — точка насыщения и точка мостикообразования

Чёрность достигает максимума 130 при 3%.

Оптическая плотность плёнки, измеренная в той же серии опытов, идёт по той же кривой: с ростом дозировки оптическая плотность растёт, а при 3% достигает максимума: оптическая плотность 0,487; дальнейшее увеличение дозировки снижает её резко.

Это не «чем больше, тем лучше». 3% — точка, в которой адсорбция якорных групп на поверхности сажи достигает насыщения.

Ниже 3% якорные центры на поверхности сажи заняты ещё не полностью, число адсорбированных якорных групп растёт вместе с дозировкой, покрывающий слой становится всё полнее, и оптическая плотность растёт.

Выше 3% избыточные молекулы R1800-SH взаимодействуют друг с другом и дают «мостиковую флокуляцию»: частицы пигмента слипаются за счёт переплетения сольватированных цепей супердиспергата, и сила, которая должна была раздвигать частицы, наоборот связывает несколько частиц в один комок. Диспергат превращается из разбивающего агломераты в собирающего, и оптическая плотность разворачивается вниз.

Именно эта форма «сначала рост, затем падение» отличает гипердиспергатор от обычной смазки: обычная смазка работает не по схеме «якорь — насыщение — мостик».

80℃ — переключатель оболочки

3

Молекулярная структура R1800-SH состоит из двух частей. Якорная группа — -COOH: эти полярные группы прочно адсорбируются на поверхности пигмента за счёт ионных связей, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса, не давая дисперганту сходить с поверхности; вторая часть — сольватированная цепь (диспергация) — напрямую определяет устойчивость диспергированного пигмента в растворителе.

Ключевое: поведение сольватированной цепи переключается температурой:

• Ниже 80℃ покрывающий слой не плавится, прочно обволакивает частицы сажи и работает как изолирующая оболочка
• Выше 80℃ слой начинает плавиться, превращаясь в ионный сопрягающий агент и повышая совместимость сажи со смолой

При температуре выше 70℃ эффект поверхностной обработки лучший.

Есть ещё одно легко упускаемое свойство: цветовой оттенок темнеет при изменении температуры, но при введении в изделие цвет не меняется.

Диспергируемость: две микрофотографии, которые видно

4

Руководство содержит две микрофотографии, снятые в фазово-контрастном микроскопе:

• A: сажа, обработанная 3% R1800-SH, PH = 6,2, 80℃, этанол 1:1
• B: необработанная сажа

На снимке A сажа распределена равномерно, частицы мельче; на снимке B частицы сажи сильно агломерируют.

У той же качественной оценки есть количественная версия: диспергируемость определяют качественно — наблюдением и съёмкой в фазово-контрастном или электронном микроскопе — и количественно, измерением распределения по размерам частиц.

В саже на поверхности частиц накапливается заряд, поэтому она легко связывается с якорными группами R1800-SH (-COOH), образуя на поверхности частиц прочный защитный слой; кроме того, пространственный стерический барьер сольватированных (углеводородных) цепей обеспечивает устойчивую дисперсию сажи. Устойчивая дисперсия — это сумма двух эффектов.

Применять на заводе сажи или на заводе мастербатчей

Это два совершенно разных места ввода продукта.

Завод сажи: при мокром гранулировании продукт обычно смешивают с сажей и другими вспомогательными веществами и гранулируют вместе; при сухом гранулировании его равномерно вносят в сажу до измельчения, и диспергирующий эффект достигается при температуре, возникающей при измельчении. Если обработку проводят на заводе сажи, руководство советует разбавлять продукт спиртовым растворителем, чтобы его доля равномернее распределилась в порошке сажи.

Завод мастербатчей: продукт вносят в высокоскоростной смеситель одновременно с другими вспомогательными веществами и перемешивают, смолу добавляют, когда температура достигает примерно 100℃, и после равномерного перемешивания смолы и сажи выгружают на гранулирование.

Задача — снизить маслоёмкость сажи, повысить её диспергируемость, текучесть, внутренние и наружные смазывающие свойства, усилить красящую способность и совместимость.

Опытную рецептуру чёрного мастербатча можно перенести без изменений:

Технологическая последовательность: высокоскоростное перемешивание → гранулирование → экструзия с раздувом плёнки → укрывистость → чёрность.

В этой рецептуре 1 g R1800-SH соответствуют 50 g сажи, то есть 2% относительно сажи; относительно всей мастербатч-смеси (50+1+10+39 = 100 g) это 1%.

А показанные выше 3% — это дозировка при поверхностной обработке пигмента: в экспериментах 1%–5% сажу обрабатывали как самостоятельный порошок, и дозировка считалась относительно сажи.

Знаменатель у обоих чисел один, но сценарии разные: один — доля для «отдельной обработки порошка сажи», другой — дозировка при введении «в смолу для мастербатча». Прямо пересчитывать их друг в друга нельзя.

Конечная дозировка в пластиковых изделиях

Для переработчиков руководство даёт: 0,5%—1% от готового пластикового изделия.

Упаковка: пластиковое ведро 20 кг/PE; хранение в сухом прохладном месте, защита от влаги.

Два условия, которые нужно проверить до применения

Первое: R1800-SH не растворяется в воде. Для водных систем (водоразбавных красок, водных типографских красок, водных паст) этот продукт не подходит — нужна другая марка.

Второе: у разных марок сажи порог смещается. Данные о 3% получены на пигментной саже ZY-1 компании «Юньнань Чжунъи», а в рецептуре использовалась DK2028P. У вашей марки сажи другая удельная поверхность — значит, другая и точка насыщения; руководство прямо указывает, что дозировка зависит от удельной поверхности пигмента. 3% — это отправная точка, а не конечная.

Частые вопросы

Вопрос: можно ли перенести значение 3% напрямую на другие марки сажи? Ответ: нет. В руководстве указано, что дозировка зависит от удельной поверхности пигмента; 3% — точка насыщения пигментной сажи ZY-1 компании «Юньнань Чжунъи» при PH 6,2 и 80℃. При смене марки порог нужно искать заново.

Вопрос: станет ли чернее при 5%? Ответ: нет. Измеренная чёрность при 5% составляет 125 — ниже 130 при 3%. После 3% в дело вступает мостиковая флокуляция, и оптическая плотность резко падает.

Вопрос: что будет при работе ниже 80℃? Ответ: покрывающий слой не плавится, прочно обволакивает частицы сажи и работает как изолирующая оболочка; дисперсия достигается, но перехода в ионный сопрягающий агент не происходит, и совместимость со смолой не повышается.

Вопрос: 1 g в рецептуре чёрного мастербатча и 3% — это одна и та же доля? Ответ: нет. 1 g соответствует 50 g сажи, то есть 2% относительно сажи и 1% относительно всего мастербатча; 3% — доля при поверхностной обработке порошка сажи как такового. Эти два сценария нельзя напрямую пересчитывать друг в друга.

Вопрос: можно ли применять в водной пасте напрямую? Ответ: нет. R1800-SH не растворяется в воде и при комнатной температуре растворим только в большинстве органических растворителей; для водных систем рекомендуется другая марка.

Вопрос: в обзорной части руководства указана дозировка 1%, в заключении — что лучше 3%; на что ориентироваться? Ответ: обе формулировки есть в руководстве. 1% — условие обработки, зафиксированное в обзорной части; 3% — измеренный максимум чёрности и оптической плотности. Для своей системы ориентиром служит измеренная кривая.

Одной фразой

Ценность R1800-SH не в том, что он «умеет диспергировать», а в том, что он «диспергирует чисто и знает, когда остановиться». 3% — точка насыщения якорных групп на поверхности сажи; за ней мостиковая флокуляция берёт на себя повторное образование агломератов. 80℃ — переключатель оболочки, при температуре выше 70℃ эффект поверхностной обработки лучший. Запомните эти два правила — остальное сводится к дозировке по месту ввода.