超分散劑的作用機(jī)理及應(yīng)用效果

 

一、超分散劑的分子結(jié)構(gòu)特征

超分散劑是一類高效的聚合物型分散助劑,目前已在國內(nèi)外油漆與油墨行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。超分散劑的分子結(jié)構(gòu)分為兩個部分：一部分為錨固基團(tuán), 可緊緊吸附在顏料顆粒表面, 防止超分散劑脫附；另一部分為溶劑化鏈, 它與分散介質(zhì)具有良好的相溶性, 能在顏料表面形成足夠厚度的保護(hù)層。當(dāng)吸附有超分散劑的顏料粒子相互靠近時, 由于保護(hù)層之間的相互作用而使顆粒彈開, 從而實(shí)現(xiàn)顏料粒子在油墨與油漆介質(zhì)中的穩(wěn)定分散, 見圖1。

 

與傳統(tǒng)的表面活性劑型分散劑相比, 超分散劑的結(jié)構(gòu)特征在于以錨固基團(tuán)及溶劑化鏈分別取代了表面活性劑的親水基團(tuán)與親油基團(tuán)。表面活性劑的親水基團(tuán)雖然與水具有很好的親和作用, 但它與顏料表面的親和力, 尤其是與低極性有機(jī)顏料的親和力不夠牢固, 吸附的表面活性劑易脫附而導(dǎo)致顏料絮凝; 表面活性劑的親油基團(tuán)為烴鏈結(jié)構(gòu), 且一般不超過18個碳原子, 即使表面活性劑能牢固吸附于顏料表面, 其親油基團(tuán)一般也不能形成足夠厚度的保護(hù)層。而超分散劑在其分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中充分考慮了表面活性劑的上述不足之處, 其錨固基團(tuán)能通過離子鍵、共價鍵、氫鍵及范德華力等相互作用以單點(diǎn)或多點(diǎn)錨固的形式牢固吸附于顏料表面, 其溶劑化鏈則可以通過選用不同的聚合單體或改變共聚單體配比來調(diào)節(jié)它與分散介質(zhì)的相容性, 同時還可以通過增加溶劑化鏈的分子量以保證它在顏料表面形成足夠的空間厚度。

與傳統(tǒng)聚合物型分散劑相比, 超分散劑在分子結(jié)構(gòu)上也具有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)聚合物型分散劑大多為無規(guī)共聚物或均聚物, 其吸附基團(tuán)分散于聚合物主鏈上, 因而它在顏料表面吸附形態(tài)有環(huán)形、尾形、臥形三種。臥形吸附對吸附層厚度的貢獻(xiàn)幾乎為零, 而環(huán)形吸附能夠形成的有效吸附層厚度也比尾形吸附低了至少一倍。并且, 對環(huán)形吸附與臥形吸附而言, 吸附點(diǎn)之間有部分吸附位置被屏蔽, 因而也降低了顏料表面吸附點(diǎn)的有效利用率。而超分散劑具有特殊設(shè)計(jì)的分子結(jié)構(gòu), 其分子構(gòu)型有單端官能化聚合物、AB 嵌段型共聚物、錨固基團(tuán)處于中央的BAB 嵌段共聚物以及以錨固基團(tuán)為背、以溶劑化鏈為齒的梳形共聚物等。超分散劑的這種結(jié)構(gòu)使得它在顏料表面只能采取尾形吸附, 因而有效避免了傳統(tǒng)聚合物型分散劑的不足之處。

 

二、超分散劑的錨固機(jī)理

對于不同極性的顏料顆粒, 超分散劑采取不同的錨固方式。對大多數(shù)無機(jī)顏料而言, 其表面極性較高, 反應(yīng)活性較大, 此時錨固基團(tuán)可與之形成離子對的結(jié)合形式。離子對的形成主要有兩種形式, 第一種是由于顏料表面與錨固基團(tuán)之間存在異性電荷, 由異性電荷之間的相互吸引形成鍵合; 第二種是顏料表面具有一定的酸性或堿性, 而錨固基團(tuán)具有一定的堿性或酸性。根據(jù)酸堿吸附理論, 錨固基團(tuán)與顏料表面之間可以產(chǎn)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移, 形成異性電荷, 最終也能形成離子對的鍵合形式。由于有機(jī)介質(zhì)的介電常數(shù)很低, 異性電荷之間的分離相當(dāng)困難, 因此離子對的鍵合形式是相當(dāng)牢固的。單點(diǎn)錨固即可保證足夠的吸附強(qiáng)度, 見圖2。

常用的錨固基團(tuán)有- NR2, - NR3+ ,- COOH, - COO - , - SO 3H, - SO 3- , - PO 42-等。某些超分散劑以異氰酸酯基- NCO 為錨固基團(tuán), 該基團(tuán)可與顏料表面的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氨基甲酸酯, 此時的錨固作用是通過共價鍵來實(shí)現(xiàn)的。個別超分散劑以硅烷偶聯(lián)劑作錨固基團(tuán), 這種錨固作用也是通過共價鍵來實(shí)現(xiàn)的。對大多數(shù)有機(jī)顏料而言, 其表面極性不如無機(jī)顏料強(qiáng), 反應(yīng)活性也不如無機(jī)顏料高, 因此一般不能形成離子對的錨固形式。但由于其表面仍具有一定的極性基團(tuán), 如酯基、羰基以及醚鍵等, 因此具備形成氫鍵的能力, 超分散劑可以通過氫鍵的形成錨固于顏料表面。由于氫鍵的鍵能較低, 單一的氫鍵難以保證足夠的吸附強(qiáng)度, 因此在設(shè)計(jì)超分散劑的分子結(jié)構(gòu)時, 宜采用AB 嵌段、BAB 嵌段或梳狀的分子構(gòu)型, 使每個超分散劑分子含有多個錨固基團(tuán), 見圖3。

從而使超分散劑與顏料表面之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用, 達(dá)到不可逆吸附的目的。常用的錨固基團(tuán)有多元胺、多元醇以及聚醚等。對于完全非極性的有機(jī)顏料(如酞菁藍(lán)、聯(lián)苯胺黃等) , 其表面不具備可供超分散劑錨固的活性位, 因此不管使用何種超分散劑, 其吸附效果均不明顯。在這種情況下, 超分散劑可通過與表面增效劑的協(xié)同作用達(dá)到牢固吸附的目的。表面增效劑實(shí)際上是一種帶有極性基團(tuán)的顏料衍生物, 由于該化合物與待分散顏料的分子結(jié)構(gòu)十分接近, 理化性質(zhì)也非常相似, 因此當(dāng)它與顏料混合后, 它能通過范德華力吸附于顏料表面。由于這類化合物一般為大平面結(jié)構(gòu), 因此它與顏料表面之間的吸引力非常強(qiáng)烈。表面增效劑的作用結(jié)果, 不僅將自身錨固于顏料表面, 同時也為超分散劑的吸附提供了活性位, 見圖4。

 

常見的表面增效劑主要有兩種, 一種是磺化銅酞菁或銅酞菁磺酸鹽與帶有長鏈的季銨鹽的反應(yīng)產(chǎn)物， 另一種是聯(lián)苯胺黃磺酸鹽與帶有長鏈的季銨鹽的反應(yīng)產(chǎn)物。前者主要用于酞菁顏料及部分炭黑顏料的分散, 后者主要用于二烴基類顏料的分散。

 

三、超分散劑的穩(wěn)定機(jī)理

當(dāng)溶有超分散劑的分散介質(zhì)與顏料一起研磨時, 存在著溶劑、樹脂、超分散劑對顏料表面的競爭吸附。由于超分散劑具有精心設(shè)計(jì)的錨固基團(tuán),因此它總能優(yōu)先吸附于顏料表面形成致密而牢固的吸附層。超分散劑的用量一般也以形成這一致密的單分子吸附層為標(biāo)準(zhǔn)。在這一吸附層中, 超分散劑具有相當(dāng)高的濃度, 溶劑化鏈處于擁擠狀態(tài),溶劑化鏈被迫伸展以減弱彼此之間的相互作用。同時, 由于溶劑化鏈與分散介質(zhì)具有良好的相容性, 溶劑化作用的結(jié)果使溶劑化鏈?zhǔn)艿竭h(yuǎn)離顏料表面的撥離力。上述兩種因素使吸附層中的超分散劑采取相當(dāng)伸展的構(gòu)象, 溶劑化鏈對外顯示出一定的剛性。當(dāng)兩個吸附有超分散劑的顏料粒子相互靠近時, 在顏料表面間距小于兩倍吸附層厚度的情況下, 兩個吸附層之間就產(chǎn)生相互作用。熵斥理論認(rèn)為吸附層可以被壓縮, 但不能相互滲透。被壓縮的溶劑化鏈構(gòu)型熵減小, 體系自由能上升, 從而產(chǎn)生熵排斥效應(yīng); 滲透理論認(rèn)為吸附層可以相互滲透, 滲透過程中吸附層的重疊將產(chǎn)生過剩的化學(xué)勢, 從而在顏料顆粒之間產(chǎn)生滲透排斥作用。溶劑化鏈與介質(zhì)的相容性越好, 這種排斥作用就越強(qiáng)烈, 超分散劑的分散穩(wěn)定作用就越好。這正是在超分散劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中反復(fù)強(qiáng)調(diào)溶劑化鏈要與分散介質(zhì)具有良好相容性的主要原因。

 

四、超分散劑的應(yīng)用效果

超分散劑獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的作用機(jī)理使超分散劑具有一系列的應(yīng)用效果。

(1) 大幅度提高油墨、油漆產(chǎn)品質(zhì)量。超分散劑可以使涂膜具有高色度、高亮度、高光澤、高透明度(對透明顏料而言) , 同時提高顏料的抗絮凝能力。若使用恰當(dāng), 超分散劑可使涂膜的著色強(qiáng)度與光澤提高15% 以上, 透明度提高20% 以上。

(2) 降低顏料成本。對有機(jī)顏料而言, 由于使用超分散劑以后分散細(xì)度提高, 顏料表面積增加,且表面與樹脂之間的親和力增加, 從而使顏料的著色強(qiáng)度大大提高。適量減少有機(jī)顏料用量, 可以達(dá)到同樣的著色效果。

(3) 提高生產(chǎn)效率。在傳統(tǒng)的研磨工藝中, 處于團(tuán)聚狀態(tài)的顏料粒子破碎后, 有可能重新聚集成團(tuán)聚體, 因而浪費(fèi)研磨機(jī)械能。而在加有超分散劑的研磨體系中, 一旦因破碎產(chǎn)生新的表面, 超分散劑能很快吸附到新生表面上并使其穩(wěn)定, 有效避免了已分散粒子的重新聚集, 不僅節(jié)省了加工能耗, 同時也縮短了研磨時間(一般可節(jié)省研磨時間20%～30% ) , 從而提高了生產(chǎn)效率。

超分散劑能提高生產(chǎn)效率的另一個原因是它能提高研磨基料中的顏料濃度。傳統(tǒng)的研磨基料樹脂濃度較高, 分散介質(zhì)本身的粘度較大, 因此顏料的添加量非常有限。如果降低樹脂濃度, 顏料濃度固然可以提高, 但顏料不能穩(wěn)定分散。而在超分散劑作用體系中, 樹脂溶液的濃度可降低至10%或更少, 此時分散介質(zhì)的粘度相當(dāng)?shù)? 因此顏料含量可以大幅度提高。由于超分散劑的存在, 顏料在這種低樹脂濃度的分散介質(zhì)中相當(dāng)穩(wěn)定。另外, 超分散劑本身也可以大幅度降低分散體系粘度, 這也是導(dǎo)致顏料含量得以提高的原因之一。很顯然,隨著研磨基料中顏料濃度的提高, 每次研磨的顏料量增加, 生產(chǎn)效率也就提高了, 通常生產(chǎn)效率可提高50%～100%。

(4) 通用性強(qiáng)。加有超分散劑的研磨基料, 其顏料含量高, 樹脂濃度低, 這一特征使研磨基料能與不同類型的樹脂配合使用, 配制成同種顏料不同牌號的油墨與油漆產(chǎn)品。超分散劑的這一性能使油墨、油漆產(chǎn)品的制造變得方便、簡捷。

 

摘自：網(wǎng)絡(luò)

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