研磨工艺对颜料分散液性能的影响研究

2022-09-28田肖雄杨家喻杜长森蔡小娟

安徽化工 2022年5期

田肖雄，杨家喻，杜长森，蔡小娟

（苏州世名科技股份有限公司，江苏昆山 215337）

在通信及显示技术高速发展的时代，手机、电视、电脑、智能穿戴设备等电子设备上的液晶显示屏为人们提供了大量的可视化信息，成为人们日常生活中不可或缺的一部分[1-2]。液晶显示屏的核心组件为滤光片，其成本约占据了整个液晶显示屏成本的五分之一[3]。滤光片基板由黑色矩阵，红色、绿色和蓝色像素组成，黑色矩阵层起到遮光、提高对比度、避免色层混色以及减少外界光反射的作用，而红、绿、蓝像素通过将液晶显示屏背光源发出的白光进行色彩叠加，从而显示出五彩斑斓的颜色。理想的滤光片应具有高对比度、色彩饱和度、高透过率和高色纯度[4-5]。此外，为满足工艺制程及使用要求，滤光片还应具有耐热性、耐光性、高化学稳定性、高尺寸精度等。

生产滤光片的方法有染色法、颜料分散法、转印法、喷墨法等[6]。染色法制造的滤光片具有高透过率和色纯度，同时也表现出优异的尺寸精度，但耐光和耐热性能无法达到使用要求；转印法制造的滤光片附着力较差，且成膜的精度、均匀性都较低；喷墨法生产工序少、原料利用率高、成本低，已成为最有应用前景的技术之一，但其难以解决精度问题，因此未大规模应用。

目前业界生产滤光片采用的方法主要为颜料分散法。颜料分散法生产出的彩色滤光片耐光性与耐热性好，在受到背光源照射时较稳定，同时化学稳定性高，对工艺过程的酸碱耐受性好，此外，颜料分散法制作出的滤光片有高亮度、透过率和色纯度。颜料分散法工艺步骤主要为涂布→曝光→显影。颜料分散法是通过将颜料分散在树脂中，制成颜料分散液，再将颜料分散液加入单体与光引发剂配成光刻胶[7-8]。颜料的分散需借助砂磨机完成，砂磨机的转速、研磨介质、冷却水温度、研磨珠大小等参数影响着制备的颜料分散液的性能[3]。目前生产彩色滤光片所需的颜料分散液几乎完全依赖进口，颜料分散液的制备技术被掌握在日本、韩国手中，颜料分散液的国产化迫在眉睫[4]。

颜料分散液的评价性能主要有粘度、粒度、对比度、色度、稳定性等。粒度作为一个重要的性能指标，影响着颜料分散液的粘度、对比度、稳定性。用于彩色滤光片的颜料分散液其最大粒径应在100 nm以下。理论上，颜料分散液的粒径越小，对比度则越高，但当粒径过于小时，颜料分子的比表面积较大，表面自由能较高，从而更容易聚集，因此往往难以兼顾粒度与稳定性[9-10]。

本文通过调整砂磨机的转速、锆珠大小、锆珠填充量以及溶剂添加方式，探究了粒度的变化以及其对颜料分散液性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

颜料红，254，C.I；丙烯酸树脂；分散剂，BYK 2000，德国毕克化学；丙二醇甲醚醋酸酯。

BGD-750高速分散机，标格达；NT-V0.6L棒销式砂磨机，氧化锆珠Φ 0.3 mm和Φ 0.6 mm，东莞琅菱；DV2T粘度计，Brookfield；ZS90纳米粒度仪，Malvern。

1.2 实验方法

将颜料、树脂、分散剂、溶剂用高速分散机预分散，再转移至砂磨机内研磨，测量粘度、粒径。

2 结果与讨论

2.1 不同研磨转速对研磨分散的影响

每隔0.5 h进行取样测试颜料分散液的粒度，结果见表1。

表1 不同研磨工序下颜料分散液的粒度数据

从表1可以看出，随着砂磨机研磨时间及研磨转速的增加，颜料分散液的平均粒径越来越小，这是由于颜料分散液中聚集在一起的颜料分子在研磨腔中受到锆珠的撞击作用而被打散，同时分散剂由于研磨效果而吸附在颜料表面，提供空间位阻作用，防止颜料分子再次团聚。当砂磨机转速升高到2 000 rpm研磨1 h后，颜料分散液的平均粒径最小，为78.59 nm。当继续升高砂磨机的转速到2 500 rpm时，颜料分散液的平均粒径又开始上升，这是因为当转速过高时，锆珠的撞击作用过强，使得已经吸附在颜料分子上的分散剂与颜料分子相分离，空间位阻作用消失，颜料分子又再次团聚，从而表现出平均粒径的升高。

图1为在上述研磨工序下的粒径分布图，可以看出，随着研磨转速的升高，颜料分散液的粒径分布逐渐变窄，当转速继续升高到2 500 rpm时，颜料分散液的粒径分布逐渐开始变宽，这与表1的结果相一致。

图1 不同研磨工序下颜料分散液的粒径分布图

颜料分散液的另一个评价指标为黏度，合格的颜料分散液的黏度应在10 mPa·s以下，其可以反映出颜料分散液的稳定性。当放置后黏度基本无变化时，说明颜料分散液的稳定性较高。表2列出了颜料分散液在不同研磨工序下的黏度变化，测试温度均为室温。从表2中可以看出，不同转速及不同研磨时间下样品的初始黏度均在10 mPa·s以下，但在放置3天和5天后，不同转速及不同研磨时间下的样品黏度表现出较大区别。

表2 不同研磨工序下颜料分散液的粘度变化

在2 000 rpm，0.5～1 h以及2 500 rpm 0.5 h下的颜料分散液黏度最低且较为稳定，放置3天和5天后的黏度变化在1 mPa·s以内，说明在上述实验条件下颜料分散液的颜料分子与分散剂结合得较为牢固，颜料分散液的稳定性较高。而其他研磨转速和研磨时间下的样品在放置3天和5天后黏度均上升较大，这与粒度的测试结果相对应，说明在砂磨机转速过高时，已经吸附在颜料分子上的分散剂被锆珠撞击而分离，空间位阻作用消失，颜料分子再次团聚，发生过磨现象，对颜料分散液的稳定性产生不利影响。

2.2 研磨珠大小对研磨分散的影响

在用砂磨机对颜料分散液进行研磨时，除研磨转速外，另一个重要的影响因素就是研磨珠的大小。不同直径大小的研磨珠在相同条件下表现出的能量密度不同，从而对颜料分散液的性能有着不同的影响。

物料用高速分散机在2 000 rpm，分散1 h后，转移至砂磨机，分别用Φ 0.3～0.4 mm、Φ 0.6～0.8 mm的氧化锆珠进行研磨实验。工艺设定为1 000 r/min，0.5 h；1 500 r/min，1 h；2 000 r/min，1 h。研磨结束后，测试，结果如图2。

图2 颜料分散液粒径随研磨时间变化图

从图2可以看出，不同研磨时间，Φ 0.3 mm锆珠研磨的颜料分散液平均粒径均比Φ 0.6 mm锆珠平均粒径小，说明使用直径较小的锆珠可将颜料分散液的粒径研磨至更小。这是由于直径更小的研磨珠在研磨腔中的能量密度更大，锆珠与颜料分子之间的碰撞更充分，更容易将团聚的颜料分子打散，并将分散剂锚定在颜料分子上，防止颜料分子再次发生团聚，而Φ 0.6 mm锆珠能量密度不高，团聚的颜料分子被打散的效率不高，颜料分散液的研磨效果差。

2.3 研磨介质填充量对研磨分散的影响

研磨介质对研磨腔体的填充量也是影响颜料分散液性能的一个重要参数。当研磨介质填充量较低时，颜料分散液无法得到有效研磨，分散剂无法牢固地锚定在颜料分子上，研磨介质填充量较高时，研磨介质之间的碰撞过强，分散剂与颜料分子之间的锚定作用减弱，同样导致研磨效率低下。

依据之前的预分散工艺，将预分散完成的颜料分散液转移至砂磨机中，设定砂磨机转速为2 000 rpm，分别进行研磨介质填充量为60%、65%、70%、75%、80%的砂磨实验，3 h后测试颜料分散液的粒径，结果如图3，可以看出当研磨介质填充量在70%时，研磨后颜料分散液的平均粒径最小，说明砂磨机研磨介质的最佳填充量为70%。

图3 不同研磨介质填充率下颜料分散液研磨后平均粒径图

2.4 溶剂添加方式对研磨分散的影响

在预分散阶段，与之前工艺相同制备两组配方相同的颜料分散液，其中一组颜料分散液溶剂在预分散阶段就完全添加，编号为MB-1；另一组颜料分散液在预分散阶段仅添加一半的溶剂，剩余一半溶剂在研磨阶段分3次加入，每次加入的量相等，编号为MB-2。两组颜料分散液均每隔1 h进行取样测试，结果如图4。

图4 不同溶剂添加方式下颜料分散液粒径随研磨时间变化图

从图4可以看出，在相同的研磨时间下，分次添加溶剂的颜料分散液的平均粒径均小于在预分散阶段就完全添加的溶剂的颜料分散液的平均粒径。这是因为在研磨过程中，不仅存在锆珠与颜料分子之间的碰撞，同时还存在着锆珠与溶剂之间的碰撞。由于溶剂在颜料分散液中的占比较高，因此在研磨过程中，锆珠与溶剂之间的碰撞多于锆珠与颜料之间的碰撞，所以当溶剂较少时，颜料分子与锆珠之间的相互作用会更加充分，研磨效率较高；而当溶剂较多时，所需的锆珠与颜料分子间的有效碰撞少，研磨效率较低。