研磨工藝對(duì)顏料分散液性能的影響研究

田肖雄，楊家喻，杜長森，蔡小娟

（蘇州世名科技股份有限公司，江蘇 昆山 215337）

在通信及顯示技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，手機(jī)、電視、電腦、智能穿戴設(shè)備等電子設(shè)備上的液晶顯示屏為人們提供了大量的可視化信息，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠諿1-2]。液晶顯示屏的核心組件為濾光片，其成本約占據(jù)了整個(gè)液晶顯示屏成本的五分之一[3]。濾光片基板由黑色矩陣，紅色、綠色和藍(lán)色像素組成，黑色矩陣層起到遮光、提高對(duì)比度、避免色層混色以及減少外界光反射的作用，而紅、綠、藍(lán)像素通過將液晶顯示屏背光源發(fā)出的白光進(jìn)行色彩疊加，從而顯示出五彩斑斕的顏色。理想的濾光片應(yīng)具有高對(duì)比度、色彩飽和度、高透過率和高色純度[4-5]。此外，為滿足工藝制程及使用要求，濾光片還應(yīng)具有耐熱性、耐光性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高尺寸精度等。

生產(chǎn)濾光片的方法有染色法、顏料分散法、轉(zhuǎn)印法、噴墨法等[6]。染色法制造的濾光片具有高透過率和色純度，同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)異的尺寸精度，但耐光和耐熱性能無法達(dá)到使用要求；轉(zhuǎn)印法制造的濾光片附著力較差，且成膜的精度、均勻性都較低；噴墨法生產(chǎn)工序少、原料利用率高、成本低，已成為最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一，但其難以解決精度問題，因此未大規(guī)模應(yīng)用。

目前業(yè)界生產(chǎn)濾光片采用的方法主要為顏料分散法。顏料分散法生產(chǎn)出的彩色濾光片耐光性與耐熱性好，在受到背光源照射時(shí)較穩(wěn)定，同時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性高，對(duì)工藝過程的酸堿耐受性好，此外，顏料分散法制作出的濾光片有高亮度、透過率和色純度。顏料分散法工藝步驟主要為涂布→曝光→顯影。顏料分散法是通過將顏料分散在樹脂中，制成顏料分散液，再將顏料分散液加入單體與光引發(fā)劑配成光刻膠[7-8]。顏料的分散需借助砂磨機(jī)完成，砂磨機(jī)的轉(zhuǎn)速、研磨介質(zhì)、冷卻水溫度、研磨珠大小等參數(shù)影響著制備的顏料分散液的性能[3]。目前生產(chǎn)彩色濾光片所需的顏料分散液幾乎完全依賴進(jìn)口，顏料分散液的制備技術(shù)被掌握在日本、韓國手中，顏料分散液的國產(chǎn)化迫在眉睫[4]。

顏料分散液的評(píng)價(jià)性能主要有粘度、粒度、對(duì)比度、色度、穩(wěn)定性等。粒度作為一個(gè)重要的性能指標(biāo)，影響著顏料分散液的粘度、對(duì)比度、穩(wěn)定性。用于彩色濾光片的顏料分散液其最大粒徑應(yīng)在100 nm以下。理論上，顏料分散液的粒徑越小，對(duì)比度則越高，但當(dāng)粒徑過于小時(shí)，顏料分子的比表面積較大，表面自由能較高，從而更容易聚集，因此往往難以兼顧粒度與穩(wěn)定性[9-10]。

本文通過調(diào)整砂磨機(jī)的轉(zhuǎn)速、鋯珠大小、鋯珠填充量以及溶劑添加方式，探究了粒度的變化以及其對(duì)顏料分散液性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

顏料紅，254，C.I；丙烯酸樹脂；分散劑，BYK 2000，德國畢克化學(xué)；丙二醇甲醚醋酸酯。

BGD-750高速分散機(jī)，標(biāo)格達(dá)；NT-V0.6L棒銷式砂磨機(jī)，氧化鋯珠Φ 0.3 mm和Φ 0.6 mm，東莞瑯菱；DV2T粘度計(jì)，Brookfield；ZS90納米粒度儀，Malvern。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將顏料、樹脂、分散劑、溶劑用高速分散機(jī)預(yù)分散，再轉(zhuǎn)移至砂磨機(jī)內(nèi)研磨，測(cè)量粘度、粒徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同研磨轉(zhuǎn)速對(duì)研磨分散的影響

每隔0.5 h進(jìn)行取樣測(cè)試顏料分散液的粒度，結(jié)果見表1。

表1 不同研磨工序下顏料分散液的粒度數(shù)據(jù)

從表1可以看出，隨著砂磨機(jī)研磨時(shí)間及研磨轉(zhuǎn)速的增加，顏料分散液的平均粒徑越來越小，這是由于顏料分散液中聚集在一起的顏料分子在研磨腔中受到鋯珠的撞擊作用而被打散，同時(shí)分散劑由于研磨效果而吸附在顏料表面，提供空間位阻作用，防止顏料分子再次團(tuán)聚。當(dāng)砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速升高到2 000 rpm研磨1 h后，顏料分散液的平均粒徑最小，為78.59 nm。當(dāng)繼續(xù)升高砂磨機(jī)的轉(zhuǎn)速到2 500 rpm時(shí)，顏料分散液的平均粒徑又開始上升，這是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，鋯珠的撞擊作用過強(qiáng)，使得已經(jīng)吸附在顏料分子上的分散劑與顏料分子相分離，空間位阻作用消失，顏料分子又再次團(tuán)聚，從而表現(xiàn)出平均粒徑的升高。

圖1為在上述研磨工序下的粒徑分布圖，可以看出，隨著研磨轉(zhuǎn)速的升高，顏料分散液的粒徑分布逐漸變窄，當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到2 500 rpm時(shí)，顏料分散液的粒徑分布逐漸開始變寬，這與表1的結(jié)果相一致。

圖1 不同研磨工序下顏料分散液的粒徑分布圖

顏料分散液的另一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為黏度，合格的顏料分散液的黏度應(yīng)在10 mPa·s以下，其可以反映出顏料分散液的穩(wěn)定性。當(dāng)放置后黏度基本無變化時(shí)，說明顏料分散液的穩(wěn)定性較高。表2列出了顏料分散液在不同研磨工序下的黏度變化，測(cè)試溫度均為室溫。從表2中可以看出，不同轉(zhuǎn)速及不同研磨時(shí)間下樣品的初始黏度均在10 mPa·s以下，但在放置3天和5天后，不同轉(zhuǎn)速及不同研磨時(shí)間下的樣品黏度表現(xiàn)出較大區(qū)別。

表2 不同研磨工序下顏料分散液的粘度變化

在2 000 rpm，0.5～1 h以及2 500 rpm 0.5 h下的顏料分散液黏度最低且較為穩(wěn)定，放置3天和5天后的黏度變化在1 mPa·s以內(nèi)，說明在上述實(shí)驗(yàn)條件下顏料分散液的顏料分子與分散劑結(jié)合得較為牢固，顏料分散液的穩(wěn)定性較高。而其他研磨轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間下的樣品在放置3天和5天后黏度均上升較大，這與粒度的測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)，說明在砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，已經(jīng)吸附在顏料分子上的分散劑被鋯珠撞擊而分離，空間位阻作用消失，顏料分子再次團(tuán)聚，發(fā)生過磨現(xiàn)象，對(duì)顏料分散液的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

2.2 研磨珠大小對(duì)研磨分散的影響

在用砂磨機(jī)對(duì)顏料分散液進(jìn)行研磨時(shí)，除研磨轉(zhuǎn)速外，另一個(gè)重要的影響因素就是研磨珠的大小。不同直徑大小的研磨珠在相同條件下表現(xiàn)出的能量密度不同，從而對(duì)顏料分散液的性能有著不同的影響。

物料用高速分散機(jī)在2 000 rpm，分散1 h后，轉(zhuǎn)移至砂磨機(jī)，分別用Φ 0.3～0.4 mm、Φ 0.6～0.8 mm的氧化鋯珠進(jìn)行研磨實(shí)驗(yàn)。工藝設(shè)定為1 000 r/min，0.5 h；1 500 r/min，1 h；2 000 r/min，1 h。研磨結(jié)束后，測(cè)試，結(jié)果如圖2。

圖2 顏料分散液粒徑隨研磨時(shí)間變化圖

從圖2可以看出，不同研磨時(shí)間，Φ 0.3 mm鋯珠研磨的顏料分散液平均粒徑均比Φ 0.6 mm鋯珠平均粒徑小，說明使用直徑較小的鋯珠可將顏料分散液的粒徑研磨至更小。這是由于直徑更小的研磨珠在研磨腔中的能量密度更大，鋯珠與顏料分子之間的碰撞更充分，更容易將團(tuán)聚的顏料分子打散，并將分散劑錨定在顏料分子上，防止顏料分子再次發(fā)生團(tuán)聚，而Φ 0.6 mm鋯珠能量密度不高，團(tuán)聚的顏料分子被打散的效率不高，顏料分散液的研磨效果差。

2.3 研磨介質(zhì)填充量對(duì)研磨分散的影響

研磨介質(zhì)對(duì)研磨腔體的填充量也是影響顏料分散液性能的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)研磨介質(zhì)填充量較低時(shí)，顏料分散液無法得到有效研磨，分散劑無法牢固地錨定在顏料分子上，研磨介質(zhì)填充量較高時(shí)，研磨介質(zhì)之間的碰撞過強(qiáng)，分散劑與顏料分子之間的錨定作用減弱，同樣導(dǎo)致研磨效率低下。

依據(jù)之前的預(yù)分散工藝，將預(yù)分散完成的顏料分散液轉(zhuǎn)移至砂磨機(jī)中，設(shè)定砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 rpm，分別進(jìn)行研磨介質(zhì)填充量為60%、65%、70%、75%、80%的砂磨實(shí)驗(yàn)，3 h后測(cè)試顏料分散液的粒徑，結(jié)果如圖3，可以看出當(dāng)研磨介質(zhì)填充量在70%時(shí)，研磨后顏料分散液的平均粒徑最小，說明砂磨機(jī)研磨介質(zhì)的最佳填充量為70%。

圖3 不同研磨介質(zhì)填充率下顏料分散液研磨后平均粒徑圖

2.4 溶劑添加方式對(duì)研磨分散的影響

在預(yù)分散階段，與之前工藝相同制備兩組配方相同的顏料分散液，其中一組顏料分散液溶劑在預(yù)分散階段就完全添加，編號(hào)為MB-1；另一組顏料分散液在預(yù)分散階段僅添加一半的溶劑，剩余一半溶劑在研磨階段分3次加入，每次加入的量相等，編號(hào)為MB-2。兩組顏料分散液均每隔1 h進(jìn)行取樣測(cè)試，結(jié)果如圖4。

圖4 不同溶劑添加方式下顏料分散液粒徑隨研磨時(shí)間變化圖

從圖4可以看出，在相同的研磨時(shí)間下，分次添加溶劑的顏料分散液的平均粒徑均小于在預(yù)分散階段就完全添加的溶劑的顏料分散液的平均粒徑。這是因?yàn)樵谘心ミ^程中，不僅存在鋯珠與顏料分子之間的碰撞，同時(shí)還存在著鋯珠與溶劑之間的碰撞。由于溶劑在顏料分散液中的占比較高，因此在研磨過程中，鋯珠與溶劑之間的碰撞多于鋯珠與顏料之間的碰撞，所以當(dāng)溶劑較少時(shí)，顏料分子與鋯珠之間的相互作用會(huì)更加充分，研磨效率較高；而當(dāng)溶劑較多時(shí)，所需的鋯珠與顏料分子間的有效碰撞少，研磨效率較低。

2.5 研磨溫度對(duì)研磨分散的影響

物料采用相同的預(yù)分散工藝，再轉(zhuǎn)移至砂磨機(jī)，設(shè)定砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 rpm，研磨3 h，控制冷卻水流量，設(shè)定研磨溫度，測(cè)試顏料分散液粒徑及黏度，結(jié)果如表3。

表3 不同研磨溫度下顏料分散液的粒徑及黏度

從表3看出，當(dāng)研磨溫度較高時(shí)，顏料分子之間的團(tuán)聚趨勢(shì)增強(qiáng)，因此砂磨的研磨溫度設(shè)定在20℃以下。

3 結(jié)論

（1）砂磨機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，轉(zhuǎn)速較低時(shí)分散劑無法牢固地吸附在顏料分子上；轉(zhuǎn)速過高時(shí)，分散劑與顏料分子的吸附作用會(huì)減弱，導(dǎo)致兩者相分離。

（2）砂磨機(jī)選用的研磨介質(zhì)大小與顏料分散液的粒徑有著直接關(guān)系，研磨介質(zhì)直徑越小，顏料分散液的粒徑越小。

（3）研磨介質(zhì)的填充率不宜過低或過高，本研究最佳研磨填充率為70%。

（4）在使用砂磨機(jī)進(jìn)行研磨時(shí)，應(yīng)控制溶劑的添加量，分次加入，從而提高研磨效率。

（5）砂磨機(jī)的研磨溫度應(yīng)設(shè)定在20℃。