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探究不同结构分散剂对颜料炭黑分散稳定性的影响

发表时间:2022-06-09      点击次数:96

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炭黑作为墨水的着色剂,其在体系中的分散稳定性是决定墨水性能的重要因素.  色素炭黑由于原生粒径小、比表面积大,颗粒间有很强的作用力,在水中不能自行分散,且研磨过程极易产生凝胶,在生产和储存过程中极不稳定。

为改善炭黑在水中的分散性,已进行了一系列研究,包括分散剂分散、炭黑表面接枝分散、炭黑表面氧化改性,炭黑表面接枝分散和氧化改性因从颜料表面对其分散性进行改性,能得到稳定性优异的产品,但制备工艺复杂,生产成本高,不适用于中性墨水色浆.  分散剂分散方法因具有生产成本低、工艺简单、产品质量易于控制等优点而得到广泛应用。但分散剂结构复杂,品种繁多,分散剂选择成为最关注的问题。

          本文从分散剂的结构出发,使用LUMiSizer仪器,选择 3 种具有代表性的 分 散 剂 [ 阴 离 子 型 小 分 子 亚 甲 基 二 萘 磺 酸 钠(Methylenebis Naphthalene Sulfonate, NNO)、非离子型聚合物聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone, PVP)、阴离子型聚合物聚苯乙烯马来酸酐共聚铵盐(Ammonium Salt of Styrene-Maleate Copolymer, SMA-NH4)],通过LUMiSizer测定不同结构分散剂的沉降速率, 研究分散剂结构对炭黑分散稳定性的影响,选出稳定性最佳的分散剂。

材料与试剂

            色素炭黑 MA-100(日本三菱公司),分散剂 A 亚甲基二萘磺酸钠(NNO,工业品,上海富蔗化工有限公司),分散剂 B 聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30,工业品,广东中鹏化工有限公司),分散剂 C 聚苯乙烯马来酸酐共聚铵盐1000H (SMA-NH4,法国克雷威利公司),NaOH和HCl(化学纯,国药集团化学试剂有限公司)。

实验方法

            将分散剂充分溶解于去离子水中,用三乙醇胺调节溶液 p H 值,加入 10%(ω)炭黑,高速分散 30  min 后静置 24 h,再转入实验室卧式砂磨机(介质为 1 mm 氧化锆球,填充率 70%,转速 1500 r/min)进行分散,得到水性炭黑色浆. 色浆调节 p H 值后使用LUMiSizer测定稳定性,光源波长 865  nm,测试温度 25℃,转速 4000 r/min,测试时间 24 h。

结果与讨论


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图一:使用不同结果分散剂时炭黑的分散图谱

            水性分散体系中,分散剂的疏水端以酸碱作用、氢键、分子间范德华力和平面分子间的ππ键与炭黑结合,形成稳定的锚接方式,其亲水端伸展在水中提供位阻斥力和静电引力,因此不同的分散剂结构分散性能有显著差别.  使用不同结构分散剂时炭黑的稳定性如图 所示,可以看出,以 SMA-NH4为分散剂时炭黑的沉降曲线间隔均匀,离心后透射率低;以 PVP 为分散剂时炭黑离心一段时间后沉降曲线间隔变宽,离心后分散液的透射率高;以 NNO 为分散剂时炭黑的沉降曲线间隔非常大,离心后分散液基本透明,表明 3 种分散剂的稳定能力为 SMA-NH4>PVP>NNO.  SMA-NH4是高分子嵌段共聚物类阴离子型表面活性剂,其疏水端的苯环以分子间范德华力和强ππ键稳定地锚接在炭黑表面,亲水端的聚羧酸盐类伸展在水中既能提供位阻斥力也能提供静电斥力,因此其稳定性高.  PVP 为非离子表面活性剂,炭黑粒子的稳定主要依靠链节间的空间位阻,在高速离心作用下分子间作用加剧,链段相互缠绕使炭黑粒子团聚,因而沉降速率变快[12,13]. NNO 为小分子阴离子表面活性剂,炭黑粒子的稳定主要依靠静电斥力,因炭黑内聚能较大,只靠静电斥力难以稳定分散。

结论

分散剂结构对沉降速率的影响与对ζ电势的影响不同,阴离子型水溶性聚合物 SMA-NH4因具有静电斥力和空间位阻力,对炭黑的稳定效果好,使用LUMiSizer在 4000 r/min离心速率下沉降速率仅为 17 μm/min,NNO 对炭黑的稳定效果最差,沉降速率为 218 μm/min。


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