超分散劑始于20 世紀(jì)70 年代,到20 世紀(jì)80 年代才正式系統(tǒng)地提出來,至20 世紀(jì)90 年代中期,超分散劑以其獨(dú)特的應(yīng)用功能,在眾多分散劑中脫穎而出,成為當(dāng)今最為人矚目的助劑之一。
鈦白粉作為無機(jī)顏料在色母粒中有廣泛的使用。但在使用過程中,較細(xì)的顏料顆粒易凝聚,產(chǎn)生大顆粒,影響產(chǎn)品品質(zhì),因而不能直接使用,必須進(jìn)行分散處理。顏料的分散過程可以分為三步:潤濕、細(xì)化和細(xì)化后的穩(wěn)定化 。顏料表面處理就是顏料細(xì)化后穩(wěn)定化的過程,在顏料粒子表面上沉積或包覆單分子或多分子的物質(zhì),包括表面活性劑、改性劑、顏料本身的衍生物等。
使用超分散劑對鈦白粉進(jìn)行表面處理,明顯提高了鈦白粉的分散性能，本文通過實(shí)驗(yàn)找到了使用超分散劑對鈦白粉進(jìn)行表面處理的最佳使用量、最佳工藝條件(溫度、pH 值) 。
超分散劑的分子結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分 ,其中一部分為錨固基團(tuán),如—NR2 , —COOH ,—SO3H等,這些極性基團(tuán)通過離子鍵、氫鍵以及范德華力等作用,緊緊地吸附于顏料表面,防止超分散劑的解析。另一部分為溶劑化鏈,這部分直接決定分散后的顏料在溶劑中的穩(wěn)定性。為此,要求溶劑化鏈對分散溶劑有較高的親和力,以保證具有良好的溶劑化作用,超分散劑在顏料粒子表面形成一定厚度的保護(hù)層,溶劑化鏈在分散溶劑中比較伸展。當(dāng)吸附有超分散劑的顏料粒子相互靠近時(shí),由于吸附層的排斥作用而使顆粒相互彈開,從而實(shí)現(xiàn)顏料粒子在介質(zhì)中的穩(wěn)定分散。
TiO2 色漿中,顆粒表面富集電荷,很容易與超分散劑的錨固基團(tuán)( —COO- ) 相結(jié)合,在鈦白粉顆粒表面形成一層牢固的保護(hù)層,通過超分散劑溶劑化鏈(烴鏈)的空間立體屏障作用,使鈦白粉達(dá)到穩(wěn)定分散的效果。
實(shí)驗(yàn)原料包括超分散劑,鈦白粉漿料,工業(yè)級,低密度聚乙烯,聚丙烯,工業(yè)級,聚乙烯蠟,
實(shí)驗(yàn)用到的主要儀器及設(shè)備有雙輥混煉機(jī),雙輥混煉機(jī);擠出吹膜機(jī)組,注塑機(jī);小型試驗(yàn)擠出機(jī);光電分光光度計(jì);扭矩流變儀;光電直讀測色儀。
實(shí)驗(yàn)方法如下：先對原料進(jìn)行表面處理,超分散劑在高速攪拌下乳化,恒溫下加入鈦白粉漿料,調(diào)pH 值,反應(yīng)1 h ,靜置、抽濾、洗滌、干燥、粉碎、研磨備用。
實(shí)驗(yàn)配方:顏料30 g ;蠟10 g ;樹脂60 g ,工藝流程
性能測試
1、薄膜遮蓋力測試
遮蓋力(Hiding Power) 是指顏料遮蓋被著色物底色的能力。用超分散劑不同含量預(yù)處理的鈦白粉制成母粒,然后吹制薄膜,測定薄膜的透射率,換算成標(biāo)準(zhǔn)膜厚(0. 02 mm) 的光密度值(以下稱光密值) 。光密值越大,遮蓋力越高。
2、著色力測試
著色力( Tinting St rength) 指顏料著色的能力。鈦白粉在塑料中的著色力可以用白度來表征,白度越大,鈦白粉的著色力越高。用不同預(yù)處理顏料制成白母粒,然后打樣板,用色差計(jì)測量其白度(以坦伯白度TW為準(zhǔn)) 、明度(L) 、黃度( YI) 等值。
3、分散性測試
分散性(Dispersibility) 指顏料在被著色介質(zhì)中的分散能力。分散性的表征、定性的方法有相差顯微鏡或電子顯微鏡觀察、拍照,定量的方法是測定粒度分布。
4、加工性能測試
加工流變性能是鈦白粉應(yīng)用于塑料的重要指標(biāo)之一�？梢圆捎门ぞ亓髯兎▉碓u價(jià)鈦白粉的加工性能。
結(jié)果與討論
1、遮蓋力
遮蓋力是白母粒重要的性能指標(biāo)。顏料的分散水平是影響遮蓋力的主要因素。顏料分散越均勻,粒子越細(xì)小,光密值越大,反之越小。
2、超分散劑用量對遮蓋力的影響
不同的超分散劑用量對鈦白粉在薄膜中的分散性影響不同(恒定pH = 8 ,50 ℃,改變超分散劑含量3 %～11 %對顏料進(jìn)行表面處理) ,
超分散劑用量-薄膜光密值曲線。
圖 超分散劑用量對顏料表面處理的影響
從圖中可以看出,隨著超分散劑用量的增大,光密值在逐漸提高,并達(dá)到最大值;而后,隨著用量進(jìn)一步增加反而急劇下降。當(dāng)超分散劑的用量為7 %時(shí),薄膜的光密值最大,達(dá)0. 342 。
超分散劑的使用量與顏料的比表面積有關(guān)。開始隨著超分散劑含量的增加,顏料表面吸附的錨固基團(tuán)越來越多,到7 %時(shí)達(dá)到飽和,此時(shí)光密值最大。隨著超分散劑用量的進(jìn)一步的增多,因?yàn)槌稚┲g的相互作用產(chǎn)生“架橋絮凝”———顏料粒子通過超分散劑
溶劑化鏈的纏結(jié)產(chǎn)生絮凝,因此,光密值反而下降。
3、pH值對遮蓋力的影響
顏料表面處理反應(yīng)介質(zhì)的酸堿性對表面處理效果影響很大,反應(yīng)介質(zhì)的pH 值是顏料表面處理的重要條件。
圖是pH 值- 薄膜光密值曲線。
圖 酸堿性對顏料表面處理的影響
通過圖 可以看出,在微酸(pH = 6) 和微堿(pH =8) 條件下,薄膜的光密值最大,預(yù)處理顏料的分散性能最好。因?yàn)槌稚┦酋ヮ惢衔?在微酸和微堿條件下,易于水解生成錨固基團(tuán)(R —COO- ) 與鈦白粉表面化學(xué)鍵結(jié)合;中性條件下,不利于錨固基團(tuán)的生成,因此表面處理效果不好;強(qiáng)酸強(qiáng)堿條件下,錨固基團(tuán)也難與顏料粒子結(jié)合,不利于顏料的表面處理。
4、溫度對遮蓋力的影響
反應(yīng)介質(zhì)的黏度受溫度的影響很大,所以溫度是影響顏料表面處理的重要條件。為了尋找最優(yōu)的表面處理溫度,本實(shí)驗(yàn)固定pH = 8 ,超分散劑用量7 % ,做了30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃幾組不同溫度下的表面處理試驗(yàn)。如圖所示。
光密值隨著溫度的升高而增大,50 ℃時(shí)達(dá)到最大,而后開始隨溫度的升高下降。升高溫度,反應(yīng)介質(zhì)黏度降低,有利于錨固基團(tuán)和鈦白粉表面相結(jié)合;但溫度過高,顏料自身產(chǎn)生團(tuán)聚,不利于表面處理,造成光密值下降。因此,50 ℃左右是該表面處理方法的最佳溫度。
5、著色力
顏料的著色力主要取決于顏料本身的屬性,但也受顏料分散性的影響,主要通過樣品的明亮程度(明度) 和白度表征。
表1 、表2 為超分散劑用量和不同pH值處理鈦白粉后的著色力數(shù)據(jù)。
表1 超分散劑用量對著色力的影響
超分散劑用量/ % 明度坦伯白度黃度
表2 pH值對著色力的影響
pH 值明度坦伯白度黃度
由表1 可以看出,超分散劑用量對白度和明度值影響較大,都高于未預(yù)處理顏料的對應(yīng)值。這一點(diǎn)說明,超分散劑的使用使鈦白粉分散性提高。黃度表明樣品的發(fā)黃程度,對白母粒來說,黃度越小越好,從表中的數(shù)據(jù)可以看出,超分散劑用量為7 % ,黃度值最小。
由表2 可以看出,pH = 10 時(shí),白度和明度值明顯下降,且黃度較大,著色力最差;pH = 6 條件下黃度值最小,且白度和明度較高,著色力最強(qiáng)。
6、分散性
分散性對鈦白粉在塑料中的應(yīng)用性能有重要影響。
圖6 中(a) 是表面處理過的鈦白粉,條件為超分散劑用量7 %、pH = 8 和50 ℃; (b) 是未處理的鈦白粉�？梢钥闯�(a) 的分散較為均勻,且鈦白粉粒子較小;而(b) 中,鈦白粉粒子發(fā)生嚴(yán)重團(tuán)聚。所以用超分散劑處 散開的樹脂最少,表面處理效果最好。分析圖7 的(a) 、(b) 、(e) 和(f ) 可以看出pH = 8 時(shí)的分散效果最好,如前所述這是由于錨固基團(tuán)的特性造成的。表面處理溫度為50 ℃(b) ,分散性最好;當(dāng)表面處理溫度高時(shí)(60 ℃( h) ) ,出現(xiàn)了“黑點(diǎn)”,鈦白粉發(fā)生凝聚。
7、流變性能測定
超分散劑由錨固基團(tuán)和溶劑化鏈兩部分組成。經(jīng)過超分散劑表面處理過的鈦白粉不僅分散性、遮蓋力提高,而且由于溶劑化鏈與載體良好的相容性,可以改變母粒的流動性能。以下各圖分別是用超分散劑用量不同(圖8) 、pH 值不同(圖9) 和處理溫度不同(圖10)
預(yù)處理的鈦白粉,按照母粒的配方,由Brabender 流變儀測得的流變曲線。
從圖8 、9 和10 可以看到,鈦白粉使用超分散劑預(yù)處理后,由于溶劑化鏈與載體良好的相容性和體系黏度一定程度的降低,有利于母粒的加工生產(chǎn)。超分散劑預(yù)處理過的鈦白粉的最大轉(zhuǎn)矩和平衡轉(zhuǎn)矩,都小于未處理鈦白粉的對應(yīng)值。
結(jié)論
通過以上的實(shí)驗(yàn)分析,我們可以得出以下結(jié)論:
(1) 用超分散劑處理鈦白粉,大大提高了顏料的分散性能。并且不改變顏料的性質(zhì),相反,鈦白粉的白度及加工性能也有所提高;
(2) 超分散劑的用量對表面處理有影響,超分散劑用量為7 %時(shí),處理效果最好;
(3) pH 值也是鈦白粉表面處理的重要因素,在微酸和微堿條件下,錨固基團(tuán)活性最大,表面處理效果最好;
(4) 溫度為50 ℃時(shí)表面處理效果最好。
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