Micro-rheology of pigment dispersion by “ball-milling” in non-aqueous media

Summary

An investigation was carried out of the surface chemistry and rheology of pigment grinding and dispersion. The effects of pigment surface characteristics, resin types, resin concentration, solvent strength, grinding aids, ball-mill size and grinding times were reviewed. The surface active compounds employed included driers.

The pigment-vehicle interactions, that is the phenomena of adsorption (“Selective polar adsorption”) and the corresponding changes in the molecular configurations and the molecular weight distributions of the medium, were related to the efficiency of grinding. The resulting mill-bases (suspensions) were classified on the basis of theirequilibrium flow curves.

The three typical modes of flow,Newtonian, dilatant, andthixotropic, were found to be intimately related to the colloidal states of the solid and liquid phases. A strict relationship was observed to exist between the colloidal structures of the solid phase (i. e., adsorption, flocculation, agglutination, sedimentation volume, etc.) and the liquid phase (coiling, aggregation, entanglement, etc.) and the respective rheological curves.

The terminology used is based on a two-word term; the first part of the term corresponds to the rheological behaviour of the solid phase, while the second part corresponds to the rheological behaviour of the liquid phase.

It is concluded that using media of suitable rheological type and, at the same time, containing polar groups corresponding to the active areas of the heterogeneous surfaces of pigments, it is possible to grind efficiently and to obtain dispersed (deflocculated) pigment suspensions of great stability.

Zusammenfassung

Diese Untersuchungen betreffen Oberflächen-Chemie und Rheologie von Pigmentmahlung und Dispersion. Die Effekte von Pigmentoberflächen-Charakteristiken, Harztypen, Harzkonzentrationen, Lösungsmittelstärken, Vermahlungshilfsmitteln, Kugelmühlengrößen und Mahlungszeiten werden betrachtet. Die verwendeten oberflächenaktiven Komponenten schließen Trockenmittel ein.

Die Farbstoff-Vehikel-Wechselwirkungen, d. h. das Adsorptionsphänomen (selektive polare Adsorption) und die entsprechenden Veränderungen in den molekularen Anordnungen und in der Molekulargewichtsverteilung des Mediums, werden in Beziehung zur Wirksamkeit der Mahlung gesetzt. Die resultierenden Mühlenbasen (Suspensionen) werden auf Grund ihrer Gleichgewichts-Fließkurve klassifiziert.

Die drei typischen Arten des Fließens:Newtonsches, dilatantes und thixotropes wurden als engstens in Beziehung zum kolloiden Zustand von den festen und flüssigen Phasen gefunden. Eine strenge Beziehung wurde zwischen den kolloiden Strukturen der festen Phasen (das ist Adsorption, Flockulation, Agglutination, Sedimentationsvolumen usw.) und der flüssigen Phase (Knäuelung, Aggregation, Entschlaufung usw.) und den entsprechenden rheologischen Kurven festgestellt.

Als Terminologie wird ein zweiteiliger Begriff vorgeschlagen; der erste Teil des Begriffes entspricht dem rheologischen Verhalten der festen Phase, während der zweite Teil dem rheologischen Verhalten der flüssigen Phase zukommt.

Es wird geschlossen, daß eine sehr wirksame Mahlung möglich ist und als Ergebnis gut dispergierte Farbstoffsuspensionen von großer Stabilität erhalten werden können, wenn man Materialien von geeignetem rheologischem Typ verwendet, die außerdem polare Gruppen in Anpassung an die aktiven Zentren in der heterogenen Oberfläche der Pigmente enthalten.