水性体系中炭黑分散的影响因素

36 卷 1999 年第 6 期 染 料 工 业
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表1 炭黑的表面性质
N 2 吸附表
通产株式会社提供 。
吸油量
(cm3/ 100g) 72 60 55
原生粒子 直径
( μm) 01025 01024 01025
其它实验材料均为化学试剂 。
挥发份
( %) 315 510 110
非离子型表面活性剂
O
CH2CH2O χ 11～12 H
2. 3 分散液的制备 将一定量的分散剂溶于 30ml 去离子水中 ,搅拌 均匀后加入炭黑 ,继续搅拌至炭黑表面完全润湿 ,再 加入直径为 5mm 左右的二氧化锆球 , 置于 QM - 1 型行星式球磨机 ( 南京大学仪器厂) 中 ,在 175 转/ 分 钟转速下研磨 20 小时 , 测定其粒径 。其中 , 炭黑占 总浆料重量的 30 % ,二氧化锆球与浆料的重量比为
2 实验方法 2. 1 实验用原材料
。在
其开发过程中 ,除去研究性能优异的成膜材料之外 , 使得着色剂均匀而稳定地分散于展色料中是决定涂 料和印墨性能的又一重要因素 。因此 , 随着水性涂 料和印墨的迅速发展 , 关于着色剂在水性体系中分 散稳定性的研究愈来愈受到人们的关注 。炭黑是一 种广泛应用于印墨中的着色剂 , 许多生产厂家从提 高炭黑在水中的润湿性着手 , 推出各种适于水性体 系使用的炭黑 ,如美国 Cabot 公司生产出 REGAL 400R 等 。然而 ,关于水性体系中影响炭黑分散稳定
分散剂 分散剂/ 炭黑 用量
(wt %) J - 68/ M - L S - 27000/ M - L B YK - 154/ M - L J - 68/ R - 400R S - 27000/ R - 400R B YK - 154/ R - 400R J - 68/ TC - 415 S - 27000/ TC - 415 B YK - 154/ TC - 415 10 20 20 10 20 20 10 20 17. 5 Dv ( μm) 0. 04 0. 03 0104 0. 04 0105 0105 0. 05 0. 05 0. 05 Dw ( μm) 0. 05 0. 05 0. 05 0. 06 0107 0107 0. 06 0. 07 0. 08 Sv Sw
分散剂的结构 、 体系 p H 值及电解质的加入对水性体系中炭黑分散的影响 。研究发现以 疏水端为平面分子 、 亲水端为可解离盐基的离子型聚合物分散剂来分散原生粒子较小的 酸性炭黑时 ,会得到良好的分散液 。
The Effects on Dispersion of Carbon Black in Water
3∶ 2。 2. 4 分散液中粒子直径及其分布的测定
3 结果与讨论
本实验通过在水性体系中使用不同结构的分散 剂分散表面性质各异的炭黑 , 研究发现分散剂的结 构及炭黑表面性质对分散稳定性有显著影响 ; 同时 , 根据水高介电常数的特点 , 改变体系的 p H 值及加 入电解质 ,从而观察了胶束粒子间的电斥力对炭黑 在水性体系中的分散稳定性的影响 。
1 前言 随着世界环保意识的加强 , 水性涂料及印墨这 种既节省能源又保护大气环境的产品愈来愈受到人 们的重视 。近几年来 ,各国先后开展了大量的工作 , 进行实用水性涂料及印墨的开发和研制
〔 1～6〕
印墨具有普遍的指导意义 。 本文在对炭黑表面酸碱性测定的基础上 , 用各 种类型的分散剂对表面性质各异的炭黑进行研磨分 散 ,同时考察了体系 p H 值以及电解质的加入对炭 黑研磨分散的影响 ,依据分散后粒径的变化 ,分析了 分散剂与炭黑表面的结合特点及影响水性体系中炭 黑分散的各种因素 , 所得的结果对制备水性印墨和 涂料时选择适当的炭黑和分散剂具有较高的应用价 值。
( Sw ) ,Sv 的单位为 cm / cm ,Sw 的单位为 cm / g 。
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水性体系中炭黑分散的结构对水性体
(如图 1) , 前者的原生粒径较后者低 0. 01 μm , 在相
系中炭黑的影响
表3 M- L、 R - 400R 和 TC - 415 使用不同分散剂分 散的结果
3. 1 炭黑的表面酸碱性
由于各种炭黑表面的酸碱性不同 , 炭黑在水中 可以吸附质子 ( H + ) 或氢氧根离子 ( OH - ) , 图 1 即 为在不同 p H 值溶液中加入各种炭黑后引起的 p H 值变化的情况 。由图 1 看出 ,R - 400R 和 M - L 即 使是在酸性很高的溶液中都只结合氢氧根离子 , 说 明这两种炭黑表面带有大量的酸性官能团 , 为酸性 炭黑 ; TC 一 415 则在 p H 值低于 7 时 , 表面接受质 子 ,p H 值继续升高 ,表面开始吸附氢氧根离子 ,说明 该炭黑表面呈中性 。
的各种因素尚无系统的报道 。水高介电常数的特点 使得在水性体系中能够影响粒子间电斥力的因素不 容忽视 ,因此 ,系统地研究炭黑表面酸碱性 、 分散剂 结构 、 体系 p H 值以及电解质的加入对水性体系中 炭黑分散的影响不仅能够为国产炭黑及分散剂的改 性提供理论依据 , 而且对开发实用性的水性涂料及
本 研 究 工 作 分 别 对 三 种 分 散 剂 J - 68 、 S27000 ,B YK - 154 ( 其结构如表 2 ) 及不同性质的炭 黑 M - L、 R - 400R 、 TC - 415 ( 其表面性质见表 1 ) 的研磨能力进行了考察 。分散剂的最佳用量及其在 此用量下得到的炭黑分散结果列于表 3 。表中列出 三种分散剂分散不同炭黑时的最佳用量以及在此条 件下研磨炭黑的体均粒径 Dv 、 重均粒径 Dw 、 体均比 表面积 Sv 、 重均比表面积 Sw 。由表 3 结果知 , 不同 体系所能达到的最优分散效果和达到此效果所需的 分散剂的用量有显著的差异 。 不论采用何种分散剂 ,三种炭黑的分散性均为 :
名 称
面面积
( m2/ g)
2. 2 炭黑表面酸碱性的测定
用已知浓度的盐酸和氢氧化钠水溶液配制成一 系列不同 p H 值的空白溶液 , 然后在每个溶液中加 入 015g 炭黑 ,用超声波清洗机超声分散 20 分钟 ,倾 出上层清夜 ,用 PHS - 3C 型酸度计 ( 上海第二分析 仪器厂) 测定其 p H 值 ,所测 p H 值与空白溶液的 p H 值的差反映了炭黑表面吸附酸碱的能力 。
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水性体系中炭黑分散的影响因素
水 性 体 系 中 炭 黑 分 散 的 影 响 因 素
魏 彤 王利军 张友兰 尹月燕 刘志华 ( 天津大学化工学院 ,天津 300072)
摘 要 通过使用不同结构的分散剂分散表面性质各异的炭黑 , 考察了炭黑的表面性质 、
同的条件下分散 ,体均比表面积可增加 10～20 % 。
( m2/ cm3) ( m2/ g) 128. 78 126. 20 120. 09 118 ,81 90. 84 90. 26 97114 87165 85. 87 71. 35 70. 11 67. 17 66. 01 50. 47 50. 15 53196 48170 47. 71
炭黑 : 实验 用 炭 黑 包 括 REGAL - 400R ( R 400R) 、 MO GUL - L ( M - L ) 和 TC - 415 由 Cabot 公司提供 。各种炭黑比表面积 、 原生粒子直径 、 吸油 量和挥发份列于表 1 。 分散剂 : 实验室所用分散剂包括 Joncry168 (J 68) 、 B YK - 154 和 Solsperse 27000 ( S - 27000 ) , 其 结构见表 2 。其中 J - 68 为阴离子型聚合物分散 剂 ,由日本 Johnson polymer 株式会社生产 ;B YK -
Wei Tong Wang Lijun Zhang Youlan Yin Yueyan Liu Zhihua ( Chemical Engineering Instit ute of Tianjin University , Tianjin 300072) Abstract Effect s of surface property of carbon black , st ruct ure of dispersant ,p H value of system and addition of elect rolyte on t he dispersion of carbon black in waterborne system are investigated. It was found t hat when carbon black wit h small primal particle size is dispersed wit h ionized polymer dispersant in which plane molecular seroes as hydrophobic group and salt group serves as hydrophilic group , a good dispersion can be abtained.
M - L > R - 400R > TC - 415 。通常颜料粒子的分
图1 各种炭黑加入不同 p H 值溶液中所引起的 p H 值 的变化
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π - π 相互作
8 ,9〕 用力〔 与粒子结合 ,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斥力 。因此 , 不 同结构的分散剂 , 其分散性能有显著的差别 。由表
3 可知 ,无论对于何种炭黑 ,三种分散剂的分散能力
均为 J - 68 > S - 27000 > B YK - 154 。 J - 68 是一种 典型的聚合物分散剂 , 其疏水端是以聚苯乙烯为主 的聚合物 ,以分子间范德华力和强的平面π - π 键稳 定地锚接在炭黑的表面 ; 其亲水端是以聚丙烯酸为 主的聚羧酸盐类 , 伸展在水中能够提供位阻斥力和 静电斥力 。所以 J - 68 是一种优良的水性体系分散 剂 ,仅 10 %的用量就可以使不同表面性质的炭黑达 到良好的分散效果 。S - 27000 为非离子表面活性 剂 ,其疏水端为平面较大的萘环 ,可与非极性或弱极 性的炭黑表面以稳定的分子间范德华力和π - π 作 用力结合 ,但其亲水端为聚氧乙烯醚链伸展在水中 , 只提供位阻斥力作用 ,因此 ,要达到与 J - 68 类似的 分散效果 ,S - 27000 的用量增加了一倍 。而两性分 散剂 B YK - 154 即可以带正电荷的氨基与炭黑表 面的酸性官能团形成盐键 , 又可以分子间范德华力 与炭黑的弱极性表面结合 。但是这两种锚接方式的 强度要明显低于平面分子间的π - π 作用 ,使分散剂 在研磨和放置过程中容易从粒子表面脱落下来 。因