Aplicação de negro de fumo em sistemas de pigmentos aquosos

O negro de fumo, com sua grande área superficial, pequeno tamanho de partícula e alta complexidade estrutural, tende a se agregar, formando partículas maiores que são difíceis de estabilizar e dispersar dentro de vários sistemas. Este desafio de dispersão é particularmente pronunciado em soluções aquosas, apresentando limitações na aplicação de negro de fumo. À medida que a sociedade enfatiza cada vez mais as considerações ambientais, a utilização de pigmentos de negro de fumo em sistemas aquosos, como revestimentos e tintas à base de água, tem ganhado atenção significativa. O pré-requisito chave para preparar dispersões aquosas de negro de fumo é garantir a hidrofilicidade do negro de fumo, alcançando assim sistemas de dispersão aquosa altamente estáveis. Consequentemente, a estabilidade de dispersão do negro de fumo em sistemas aquosos tornou-se um ponto focal de pesquisa dentro da indústria de negro de fumo e seus setores a jusante.

Este artigo&#O primeiro capítulo do artigo 39 fornece uma visão geral de quatro métodos para preparar sistemas de dispersão aquosa de negro de fumo. Dentre esses métodos, a modificação oxidativa goza de alta utilização na produção industrial. Esta abordagem aumenta a presença de grupos funcionais contendo oxigênio na superfície do negro de fumo, melhorando assim sua dispersibilidade. No entanto, devido ao impedimento estérico relativamente baixo na superfície do negro de fumo, sua estabilidade não é totalmente garantida. A modificação do enxerto, por outro lado, introduz polímeros de cadeia longa na superfície do negro de fumo, fornecendo impedimento estérico substancial e produzindo sistemas de dispersão aquosa estáveis. No entanto, a modificação do enxerto exige condições rigorosas e é menos adequada para aplicação industrial generalizada. O revestimento de superfície, embora não tenha relação com a variedade de negro de fumo, envolve etapas complexas e não é adequado para a produção industrial. A dispersão direta, devido à sua simplicidade, condições facilmente controláveis e excelente reprodutibilidade do produto, tem ganhado ampla aceitação. No entanto, requer a seleção de métodos de dispersão mecânica e dispersantes apropriados para obter dispersões estáveis. Cada um desses métodos tem seus méritos e limitações. Para obter sistemas de dispersão aquosa estáveis, este trabalho combina modificação oxidativa e dispersão direta. Usando negro de fumo oxidado como material de partida, é misturado com dispersantes, agentes umectantes, antiespumantes, agentes e água deionizada em proporções específicas. Posteriormente, a mistura é moída e dispersa usando um moinho de areia vertical para produzir dispersões de pigmentos aquosos.

Princípios experimentaisEste trabalho utiliza uma combinação de métodos de modificação oxidativa e dispersão direta para preparar dispersões aquosas de pigmentos de negro de fumo. A oxidação aumenta os grupos funcionais contendo oxigênio na superfície do negro de fumo, melhorando suas propriedades de molhamento. Combinado com métodos de dispersão mecânica, este processo facilita a ruptura do negro de fumo's estrutura secundária em partículas menores, permitindo que os dispersantes se liguem efetivamente ao negro de fumo's superfície, seguida de reagregação das partículas de negro de fumo dispersas.

Dispersões de pigmentos aquosos são suspensões preenchidas por pigmentos preparadas por moagem e dispersão em meio aquoso com adição de surfactantes. A produção de dispersões de pigmentos aquosos de negro de fumo envolve várias etapas essenciais:

1. Molhamento: Substituição do ar na superfície do negro de fumo pelo meio líquido utilizado na moagem, fazendo a transição de uma interface sólido/gás (pigmento/ar) para uma interface sólido/líquido (pigmento/meio de moagem).

2. Dispersão: Quebra de agregados de negro de fumo em partículas primárias através de separação mecânica. O tamanho e a duração da entrada desempenham papéis cruciais na obtenção da separação completa de cada partícula primária do pigmento.

3. Estabilidade: Manter a separação alcançada durante a fase de dispersão e garantir o controle a longo prazo da dispersão. Agentes umectantes e dispersantes auxiliam na umectação, dispersão e dispersão estável da solução durante todo o processo.

Procedimento ExperimentalDispersões aquosas de pigmentos contêm negro de fumo e dispersantes, com adição de antiespumantes, modificadores de reologia, agentes anti-sedimentação, conservantes e umectantes como agentes auxiliares. Dispersões de alta qualidade não devem precipitar, flocular ou exibir fenômenos como flutuação ou sangramento. Este estudo concentra-se principalmente na pesquisa e desenvolvimento de dispersões aquosas de negro de fumo, utilizando principalmente dispersantes, agentes umectantes e antiespumantes. Outros agentes auxiliares serão investigados mais adiante no desenvolvimento do produto, o que foge ao escopo deste artigo.

Para preparar dispersões de pigmentos aquosos de negro de fumo, é essencial selecionar dispersantes adequados. Neste estudo, foram utilizados dispersantes de três fabricantes, totalizando cinco tipos. O negro de fumo de referência utilizado é o BH-1, com um teor uniforme de negro de fumo de 30%. O tempo de moagem, a velocidade do motor e a relação cordão/solução nos experimentos de moinho de areia vertical foram consistentes. As dispersões resultantes foram misturadas com resina de ácido acrílico puro e usadas para criar revestimentos de 200 mícrons em cartões de teste, permitindo a observação da uniformidade do revestimento.

4.3.3Uma certa quantidade de negro de fumo, dispersante HY2200, agente umectante HY1600 e água deionizada, juntamente com esferas de dióxido de zircônio em proporções correspondentes, foram adicionadas ao moinho de areia vertical para moagem. As variáveis deste experimento incluíram tempo de moagem, variedade de negro de fumo e teor, influenciando o desempenho do negro de fumo.

Parâmetros experimentaisTaxa de preenchimento: 50%Percentagem de massa de negro de fumo: 30%, 35%, 40%Relação massa-grânulo-solução de zircónio: 1.5:1HY2200 percentagem de massa (em relação ao negro de fumo): 10%, 15%, 25%, 35%HY1600 percentagem de massa (em relação ao negro de fumo): 2%Velocidade do motor: 1500 rpmTempo de moagem: 1-8 horas

4.4 Caracterização das dispersões de pigmentos aquososAntes de estabelecer uma abordagem quantitativa, são essenciais técnicas fiáveis de ensaio e análise. No campo de aplicação, o teste e a análise de dispersões de pigmentos aquosos incluem os seguintes parâmetros: finura, valor de pH, condutividade elétrica e resistência à dispersão. A força de tingimento das dispersões de pigmentos aquosos, representando o poder de coloração das dispersões de pigmentos pretos quando misturados com dispersões brancas, afeta diretamente o brilho e a escuridão dos produtos de revestimento a jusante. Portanto, este trabalho utiliza a resistência ao tingimento como um indicador de desempenho para dispersões aquosas de pigmentos negros de fumo. O procedimento de ensaio específico é o seguinte:

Uma tinta látex contendo aproximadamente 20% de dióxido de titânio e uma dispersão de pigmento aquoso com igual massa foram completamente misturadas em copos de porcelana. Após uma mistura completa, um revestimento de 200 mícrons foi preparado em cartões de teste usando um aplicador de revestimento. Após a secagem ao ar, o valor da resistência à coloração foi medido por meio de um colorímetro.

Seleção de DispersantesCom base no mecanismo de estabilização de impedimento estérico, as moléculas dispersantes tipicamente compreendem duas partes: grupos de ancoragem, como -NR2, -N+R3, -COOH, -COO-, -SO3H, entre outros, que podem adsorver na superfície do pigmento através de várias forças e forças de van der Waals. A outra parte consiste em cadeias de solvatação com longas cadeias de carbono, que formam forte obstáculo estérico. Portanto, os dispersantes para negro de fumo devem possuir um grupo de afinidade para negro de fumo, permitindo que eles adsorvam à superfície enquanto se estendem em água, formando uma camada de adsorção robusta e espessa propícia à dispersão em sistemas aquosos.

Os agentes umectantes, em conjunto com os dispersantes, desempenham um papel crucial no processo de dispersão do negro de fumo. Eles não só reduzem a tensão superficial do negro de fumo como também possuem uma estrutura molecular com forte afinidade pelo negro de fumo, reduzindo a viscosidade do sistema. Os agentes umectantes auxiliam os dispersantes na entrada dos espaços intersticiais entre as partículas, permitindo que os dispersantes separem todas as partículas de forma eficaz.