Наночастицы (такие как нанодиоксид титана, нанооксид железа и органические нанокрасители) обладают высокой укрывистостью, яркостью и отличной стойкостью цвета при включении в красящие покрытия благодаря своему малому размеру частиц (обычно <1 мкм) и большой удельной площади поверхности; следовательно, они широко применяются в таких областях, как водоэмульсионные покрытия, чернила, косметика и высококачественная керамика. Однако их процесс диспергирования сталкивается с двумя основными проблемами:
- Проблема агломерации: Наночастицы обладают высокой поверхностной энергией, что делает их склонными к образованию твердых агломератов посредством сил Ван-дер-Ваальса или водородных связей, что приводит к плохой однородности пасты красителя;
- Внутренняя нестабильность цвета: Агломерированные частицы могут нарушать принципы рассеяния и поглощения света, приводя к снижению укрывистости, тусклым цветам и уменьшению блеска, тем самым препятствуя полному использованию преимуществ наночастиц в работе.
Стеклянные шарики, как высокоэффективные шлифовальные среды, используют свою высокую твердость (твердость по Моосу: 8,5–9), низкую скорость износа и отличную ударную вязкость для разрушения агломератов пигмента посредством механизма "сдвиг-трение"; кроме того, они менее склонны к внесению примесей, которые могут загрязнять пасту красителя, что делает их критическим фактором в контроле распределения частиц по размерам и интенсивности цвета пасты красителя.
Шлифование наноматериалов-пигментов должно соответствовать принципу "размер частиц шлифовальной среды должен соответствовать целевому размеру частиц пигмента": чем меньше размер стеклянных шариков, тем более концентрированная сила сдвига прикладывается к агломератам пигмента, что позволяет разрушать более мелкие агломерированные частицы; однако чрезмерно мелкие шарики могут привести к недостаточной энергии удара, тем самым продлевая цикл шлифования. Например, при использовании стеклянных шариков размером 0,1 мм в течение 2 часов шлифования, медианный размер частиц (D50) пасты красителя может достигать 120 нм с узким распределением частиц по размерам. В отличие от этого, при использовании шариков размером 0,5 мм и 1,0 мм в тех же условиях шлифования, значения D50 увеличиваются до 250 нм и 480 нм соответственно, сопровождаясь образованием большего количества крупных агломератов. Поэтому для паст красителей с целевым диапазоном размеров частиц от 100 до 300 нм рекомендуется использовать стеклянные шарики размером 0,1–0,3 мм.
Коэффициент заполнения (отношение объема стеклянных шариков к объему шлифовальной камеры) напрямую влияет как на частоту столкновений между шариками, так и на их сдвиговую прочность:
- Чрезмерно низкий коэффициент заполнения (<60%): большое расстояние между частицами приводит к уменьшению циклов удара-сдвига, низкой эффективности шлифования и неспособности адекватно разрушать агломераты пигмента;
- Чрезмерно высокий коэффициент заполнения (>80%): плохая текучесть жемчужного тела может привести к "агломерации", вызывая локальный перегрев (повышение температуры на 5–10 °C), что, в свою очередь, ухудшает стабильность диспергирования пигмента;
- Оптимальный диапазон: 65%–75%; в этом диапазоне частота столкновений шариков может достигать 10⁴–10⁵ столкновений/мин, обеспечивая эффективную передачу энергии шлифования.
Необработанные стеклянные шарики имеют на своей поверхности гидроксильные группы, которые легко образуют водородные связи с наночастицами, что приводит к адсорбции пигментов на поверхности шариков и вызывает "вторичную агломерацию". В отличие от этого, стеклянные шарики, подвергшиеся модификации поверхности, такие как покрытые SiO₂ или PDMS (полидиметилсилоксан), могут эффективно снижать это явление адсорбции. Данные показывают, что стеклянные шарики, покрытые PDMS, могут снизить скорость адсорбции пигмента с 12,5% до менее 3%, оптимизировать размер частиц D50 пасты красителя с 280 нм до 180 нм и значительно снизить скорость агломерации после статического хранения.
Стеклянные шарики обладают чрезвычайно низкой скоростью истирания (≤0,005%), что значительно ниже, чем у стеклянных и алюминиевых шариков. Эта низкая скорость истирания означает меньшее количество ионов примесей, вносимых в процессе шлифования, тем самым помогая поддерживать химическую стабильность и распределение частиц по размерам пасты красителя. Например, продукты истирания, генерируемые средами с высоким истиранием, могут действовать как примеси, приводя к увеличению размера частиц пасты красителя и снижению ее производительности.
Цветообразующее свойство наночастиц обусловлено "взаимодействием света и частиц пигмента": чем уже распределение частиц по размерам и чем однороднее частицы, тем более регулярным становится рассеяние света (источник укрывистости) и поглощение (источник цвета), что приводит к превосходным цветовым характеристикам.
Принцип: Когда размер частиц пигмента примерно равен 1/4 длины волны падающего света (для видимого света оптимальный размер частиц составляет примерно от 100 до 190 нм), рассеяние света достигает максимального значения, а укрывистость достигает пикового уровня. Оптимизируя стеклянные шарики для стабилизации D50 нанодиоксида титана на уровне 150 нм, его укрывистость (коэффициент контрастности) может быть увеличена с 75% до более 90%, достигая ведущего в отрасли уровня производительности.
Пигменты с однородным размером частиц демонстрируют более концентрированное поглощение света на определенных длинах волн и производят более насыщенные цвета. Разница цветов ΔE является стандартной метрикой для количественной оценки отклонения цвета. В большинстве промышленных применений значение ΔE <1,5 считается стандартом высокого качества, за пределами возможностей разрешения человеческого глаза. Оптимизируя процесс шлифования, можно достичь значения ΔE для пасты красителя ниже 1,5, достигая уровня, неотличимого для невооруженного глаза.
Чем мельче и равномернее распределены частицы пигмента, тем более гладкой будет поверхность пленки после нанесения покрытия, и тем выше будет ее блеск. Благодаря оптимизации, блеск слоя покрытия (при 60°) может быть увеличен с 45 ГЕ до более 80 ГЕ.
Водоэмульсионные архитектурные покрытия: Рекомендуется использовать стеклянные шарики с покрытием SiO₂ размером 0,2–0,3 мм, коэффициентом заполнения 70%, целевым значением D50 150–250 нм и коэффициентом укрывистости >90%.
Высококачественные чернила: Рекомендуется использовать стеклянные шарики с покрытием PDMS размером 0,1–0,2 мм с коэффициентом заполнения 65%, где целевой размер частиц D50 пасты красителя составляет 100–180 нм, а ΔE <1,0.
Косметика (тональный крем): Рекомендуется использовать непокрытые стеклянные шарики высокой чистоты размером 0,05–0,1 мм; D50 целевой пасты красителя должен составлять от 50 до 100 нм, обеспечивая отсутствие выщелачивания примесей.
Керамическая глазурь: Рекомендуется использовать алюминиевые шарики или композитные шарики размером 0,3–0,5 мм с коэффициентом заполнения 75% и целевым размером частиц D50 пасты красителя от 200 до 300 нм для соответствия требованиям к термостойкости.
- Индивидуальная оптимизация технологии: включает разработку индивидуальных стеклянных шариков "сердцевина-оболочка", интеграцию интеллектуальной системы шлифования с онлайн-мониторингом размера частиц и исследование вспомогательных методов диспергирования, таких как ультразвуковая обработка, для снижения энергопотребления.
- Существующие проблемы в основном включают: крупномасштабное производство и контроль затрат на ультратонкие стеклянные шарики диаметром от 0,05 до 0,1 мм, а также обеспечение отличной текучести и равномерного распределения шариков в системах диспергирования пигментов с высокой вязкостью.
Стеклянные шарики используют четырехкратный механизм – "соответствие размера частиц – регулирование энергии – поверхностное антиадсорбционное действие – низкое загрязнение примесями" – для эффективной оптимизации распределения частиц по размерам нанокрасителей, тем самым значительно повышая их укрывистость, насыщенность цвета, точность цвета и блеск. В практических применениях требуется точный выбор соответствующей модели на основе конкретных требований; текущие технологические инновации в будущем будут способствовать дальнейшему улучшению характеристик нанокрасителей.