張嘉文、莊文斌 / 工研院材化所
近年來隨著環保、減碳和循環經濟意識抬頭，溶劑型塗料已漸漸往水性化發展，回收料源循環再利用的產品也備受重視。本文介紹回收碳粉匣碳粉及其再製水性黑漿和塗料的新應用技術。回收碳粉匣碳粉表面有別於純碳黑，其大部分組成為樹脂(70~80 wt%)，表面極具疏水性不易分散於水中，粒徑大約5~10微米，即使分散後又有易沉降產生硬沉澱的問題。工研院材化所藉由粉體界面改質和混合分散的技術，選用合適的分散劑，與碳粉表面能產生強吸附力，藉由分散劑的立體障礙和靜電排斥力使碳粉可均勻分散於水中。配製成的水性黑漿(回收碳粉≧50 wt%)符合GRS申請規範，並透過黏度的調控，使水性黑漿可分散安定化。後續搭配合適的樹脂和助劑，可再製成水性黑色塗料(回收碳粉含量~12 wt%)，並符合RCS的申請規範，開發出回收碳粉再製黑漿和塗料的新應用技術，達到循環經濟的效益。
【內文精選】
回收碳粉匣碳粉簡介
2. 回收碳粉匣碳粉特性
(1) 碳粉外觀和粒徑尺寸
印表機回收碳粉匣碳粉外觀顏色呈現咖啡色，由光學顯微鏡500倍率觀察，可得知回收的碳粉匣碳粉由黑色(K)、黃色(Y)、紅色(M)和青色(C)等四色所組成，粉體平均粒徑約5~10 μm。
(2) 碳粉表面的親疏水性
將回收碳粉匣碳粉混粉( R ) 、紅色(M)、黑色(K)、黃色(Y)和青色(C)進行水滴接觸角的量測，其水滴接觸角約為130~150°，顯示回收碳粉匣碳粉其表面非常疏水。將混粉(R)、紅色(M)、黑色(K)、黃色(Y)和青色(C)分別加到去離子水中，發現回收碳粉匣碳粉對水的潤濕性差，粉體都浮在水面上，顯示碳粉匣碳粉不易分散於水中。
分散理論和技術
微粒分散大致可分為三種不同的分散效果：較好的分散效果是分散後的微粒顆顆分開(Primary Particle)；次之的分散效果為鬆散的聚集沉澱，稱為軟沉澱(Agglomerate)；最差的效果為緊密的聚集沉澱，稱為硬沉澱(Aggregation)。
粉體安定化分散是製造粉體分散液(色漿/漿料)及其塗料的核心技術。在一個分散體系中，基本上含有微粒、溶媒與分散劑(Dispersant)，分別代表分散相、連續相和分散相/連續相的界面。把微粒均勻地分布在連續相中，以得到安定的分散液，與粉體、分散劑、溶劑三者的性質及其相互間的作用有關；因此，如何篩選彼此之間匹配性適當的微粒、分散劑、溶媒，決定了整個分散體系的安定性。
廢棄碳粉再製黑漿
分散劑的錨釘鏈段需要可以吸附回收碳粉的表面，溶媒鏈段在水中提供適當的立體障礙和靜電排斥力，觀察潤濕、分散和起泡情形，停止攪拌後靜置一天觀察其沉澱性，篩選可讓黑漿呈現流動性佳、起泡性低和軟沉澱的分散劑。在適當的分散劑用量時，可分散水性黑漿中回收碳粉含量約50~57 wt%，使其符合全球回收標準(GRS)的申請規範(回收成分≧50 wt%)。水性黑漿最大粒徑≦20 μm，如圖八所示，顯示其有好的分散效果，且兼具好的流動性，室溫儲存可超過半年，具有可再分散性。
圖八、水性黑漿和對大粒徑的量測
水性黑漿再製塗料技術
取適量的水性黑漿、樹脂和增稠劑，再均勻地混合分散後配製成水性黑色塗料，黑色塗料回收碳粉含量約12 wt%，可以符合回收聲明標準(RCS)的申請規範(回收成分≧5%)。將水性黑色塗料塗佈在矽酸鈣板上乾燥後，黑色色濃度(K)≧2.0，水性黑色塗料在45˚C儲存7天，其黏度變化為+5%，無沉澱，顯示水性黑色塗料儲存安定性佳。
水性黑色塗料的成膜性是塗料的基本性質，將水性黑色塗料塗刷於玻璃基板上，在乾燥時間2小時內，於塗刷黑色塗料的玻璃基板上，放置玻璃珠10秒後，用毛刷將所有玻璃珠去除而不刮傷塗膜，通過乾燥時間為2小時以內的測試。低溫成膜性測試為將毛刷和矽酸鈣板放入5˚C的冰箱中2小時以上，取出分別刷塗黑色塗料後，放回5˚C的冰箱，經乾燥時間24小時後取出檢查乾燥程度，塗膜為堅結乾燥且塗膜外觀正常，通過測試。將水性黑色塗料，利用玻棒分別塗佈在兩片矽酸鈣板上，經乾燥後將矽酸鈣板背面和側邊以膠帶貼合後，分別浸泡在水與飽和氫氧化鈣(Ca(OH)2)的水溶液中，經96小時浸泡，取出2小時後，觀察兩片塗膜無皺紋、龜裂、起泡、剝離，且光澤度和顏色變化不明顯，評定為無異狀，如圖十一所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十一、水性黑色塗料耐鹼性和耐水性測試
★本文節錄自《工業材料雜誌》436期，更多資料請見下方附檔。