有机颜料研磨分散工艺的确定

摘 要:在有机颜料的使用过程中, 要求其具有微细的粒度和均匀的粒度分布, 这就必须对有机颜料进行研磨分散。 以难分散的酞菁绿颜料为例, 讨论了影响研磨分散效果的各种因素, 确定了该颜料最佳的研磨分散工艺条件, 并将此工艺条件用于橙-43 颜料的研磨分散, 也取得了良好的效果。

0 引 言

有机颜料是以粒子形态分散于所用的基料并对其着色的 。为充分发挥颜料的着色力、鲜艳度、光泽等使用性能,必须尽可能使颜料粒子呈微细、均匀 、稳定的状态分散于基料中。市售颜料常呈粉状聚集体的形态 ,粒子的粒度达上百微米, 这就必然要求在使用前采用物理或化学的方法 , 使颜料粒子微细化, 控制在所需的粒度范围内, 并达到分散的目的。


在生产中通常采用机械研磨分散的方法 ,使颜料粒子微细化。在这种方法中, 影响研磨分散效果的因素很多 ,弄清各因素所起的作用有利于提高研磨效率,改善分散效果 , 而且每个因素本身都有一定的允许范围 ,超过或达不到这一范围 , 会起相反作用。为此,在实验的基础上,本文以难分散的酞菁绿颜料在水性体系中的分散为例,讨论了影响研磨分散的因素 。


1 实验部分

1.1 原材料

酞菁绿颜料 ,未处理 ;橙 -43 颜料, 未处理 ;分散剂Hydropalat 3275(1 号)、Hydropalat 1080(2 号)、Colorsperse 188A(3 号), 工业品 , 汉高集团;无水乙醇,分析纯 。

1.2 实验方法

1.2.1 研磨

将未处理过的颜料先干燥 ,在研钵中预研磨一定时间, 再称取一定量的颜料与适量乙醇混合, 用多用SFJ-400砂磨分散机 ,在固定转速 1 000 r/min 下进行研磨。改变研磨时间、分散剂的种类 、分散剂的用量等条件 ,制备不同的颜料分散液 。将所得分散液抽滤,干燥, 研磨。


1.2.2  分散

取上述制得的颜料 1.0 g , 加 50 mL 蒸馏水搅拌分散。改变分散时间、分散温度等条件, 制得颜料水分散体 。


1.3 测试方法

1.3.1  颜料分散性测试

取上述颜料水分散体 5 mL ,置于离心试管中, 在2 000 r/min 下离心分离 15 min, 然后用带刻度的注射器吸取液面下 2 cm 处清液, 用紫外可见分光光度仪在最大吸收波长下测定其透光率 ,计算其分散性 :

分散性 =1-透光率


1.3.2  颜料分散稳定性测试

取上述颜料水分散体 , 置于 15 mL 带刻度的磨口试管中,静置 0.5 h 、1 h、2 h 、4 h、8 h 、12 h……后 ,用带刻度的注射器吸取液面下 2 cm 处清液, 测定其分散性 。


1.3.3  颜料表面微观分析

使用超声波将颜料分散体在水中充分分散后, 滴在盖玻片上 ,镀上金膜 ,放入扫描电镜中观察。


2 结果与讨论

2.1 研磨时间的影响

颜料的分散度影响着颜料体系的光学性质 ,可用紫外可见分光光度仪测定其体系的吸光谱图, 确定颜料的分散度和粒度变化。在颜料研磨的过程中 ,在不同时间取出 1 mL 研磨液, 加水稀释至 10 mL , 测出的吸光谱图见图 1 。

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图 1 分散性随研磨时间的变化图


由图 1 可见 ,随着研磨时间的延长 , 吸收峰的值增大, 表明颜料粒度在减小 ,分散性逐渐提高;当研磨时间达到 2 h 时, 吸收峰的值几乎不变, 颜料的粒度分布达到平衡。这说明在一定的条件下 ,延长研磨时间,可使颜料粒子变小,但当达到一定粒度时 ,由于受该研磨机理等本身的限制 ,再延长研磨时间已无实际意义 。因此,合适的研磨时间应选择在颜料粒度分布达平衡时所对应的研磨时间。本实验条件下研磨时间确定为 2 h。


2.2 分散剂的影响

有机颜料的分散包括 3 个过程 :颜料粒子表面吸附的空气被分散介质所代替 , 即润湿过程 ;颜料聚集体在机械力作用下破碎, 形成原生粒子或较小的聚集体,即机械粉碎分散过程 ;防止分散后的颜料粒子或较小的聚集体再聚集 , 即稳定过程。因此 ,分散剂是湿法研磨的必要条件 。在实验中选择了 3 种(1 号 、2号、3 号)分散剂, 其用量均为颜料用量的 10%。按前述方法,测得颜料的分散性见表 1

各种分散剂的分散性比较

由表 1 可见 ,3 种分散剂对颜料的分散性都有一定的改善 ,尤其是 1 号分散剂(亲水嵌段共聚物)分散性最好。故以下实验均选择 1 号分散剂 。


2.3 分散剂用量的影响

改变分散剂的用量(相对颜料量), 测定颜料分散性,结果见图 2。

图 2 分散性随分散剂用量变化图

图 2 分散性随分散剂用量变化图


由图 2 可见 ,当分散剂的用量从 5 %增加到 40 %时 ,颜料分散体系的分散性达到最大值。随着分散剂用量的进一步增加,其分散性反而下降。造成这种现象的原因在于 ,开始随着分散剂用量的增加, 越来越多的颜料粒子表面充分吸附分散剂 ,直至其表面的单分子层达到饱和 ,这时分散剂分子的碳氢链的空间位阻作用起到了最好的分散效果 。当分散剂用量进一步增加时 ,有可能使其在颜料表面相互缠结, 从而降低其分散性 。另外,介质在较厚分散剂的表面上滑动并不能有效研磨颜料粒子 ,使得研磨效率降低 。颜料在研磨分散过程中,分散剂的用量应适中 。本实验选择分散剂的用量为 40%。


2.4 分散温度的影响

改变分散介质的温度 ,考察样品的分散性, 结果见表 2。

表 2 分散温度对分散性的影响

表 2 分散温度对分散性的影响

以分散性对分散温度作图 ,见图 3

图 3 分散性随分散温度变化图

图 3 分散性随分散温度变化图

由图 3 和表 2 可见, 随着分散介质温度的升高 ,颜料体系的分散性逐渐变差,这主要是由于温度的升高 ,造成了分散剂的脱落, 从而使得体系的分散性变差 。确定最佳的分散温度为室温。


2.5 分散时间的影响

选取不同的分散时间 ,测定样品的分散性, 结果见图 4。

图 4 分散性随分散时间变化图

图 4 分散性随分散时间变化图

由图 4 可见 ,颜料分散体系的分散性受分散时间的影响 。本实验中,分散时间以 1 h 为宜。


2.6 产品性能测试

2.6.1 颜料处理前后分散稳定性比较

颜料经研磨 、分散剂处理后的分散稳定性与未处理颜料的分散稳定性进行比较 ,结果见图 5。

图 5 酞菁绿颜料处理前后分散稳定性比较

图 5 酞菁绿颜料处理前后分散稳定性比较

由图 5 可见 ,处理的颜料的分散稳定性较未处理的颜料有了较大的改善。


2.6.2 颜料分散体系的微观分析

用扫描电镜对未分散颜料和分散颜料进行观察,结果见图 6

图 6 酞菁绿颜料粒子的 TEM 照片(1 000X)

图 6 酞菁绿颜料粒子的 TEM 照片(1 000X)

由图 6 可见 ,分散后的颜料呈孤立的原生粒子形态,而未分散处理的颜料是原生粒子的聚集体 。说明颜料研磨、分散剂的处理阻止了颜料粒子的聚集, 增加了颜料粒子在分散介质中的稳定性。


2.7 橙-43 颜料的研磨分散

将酞菁绿颜料研磨分散的最佳工艺条件用于橙-43颜料上 ,处理前后颜料的分散稳定性比较见表 3。

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以分散性对沉降时间作图 ,见图 7 。

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图7 橙-43 颜料处理前后分散稳定性比较

由图 7 和表 3 可见,采用确定的最佳研磨分散工艺条件对橙 -43 颜料进行处理 ,同样得到了良好的分散效果。


3 结 语

实验表明 , 有机颜料的研磨分散受研磨时间、分散剂种类和用量、分散温度、分散时间等多种因素影响 。在实验条件下, 选用亲水嵌段聚合物分散剂 , 用量为颜料量的 40%, 研磨时间 2 h, 在室温下分散1 h ,对酞菁绿颜料和橙 -43 颜料进行处理 , 可使其在水中的分散性有较大的改善 。


参考文献

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