探究不同結構分散劑對顏料炭黑分散穩定性的影響

炭黑作為墨水的著色劑，其在體系中的分散穩定性是決定墨水性能的重要因素.  色素炭黑由于原生粒徑小、比表面積大，顆粒間有很強的作用力，在水中不能自行分散，且研磨過程極易產生凝膠，在生產和儲存過程中極不穩定。

為改善炭黑在水中的分散性，已進行了一系列研究，包括分散劑分散、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從顏料表面對其分散性進行改性，能得到穩定性優異的產品，但制備工藝復雜，生產成本高，不適用于中性墨水色漿.  分散劑分散方法因具有生產成本低、工藝簡單、產品質量易于控制等優點而得到廣泛應用。但分散劑結構復雜，品種繁多，分散劑選擇成為最關注的問題。

          本文從分散劑的結構出發，使用LUMiSizer儀器，選擇 3 種具有代表性的 分 散 劑 [ 陰 離 子 型 小 分 子 亞 甲 基 二 萘 磺 酸 鈉(Methylenebis Naphthalene Sulfonate, NNO)、非離子型聚合物聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone, PVP)、陰離子型聚合物聚苯乙烯馬來酸酐共聚銨鹽(Ammonium Salt of Styrene-Maleate Copolymer, SMA-NH4)]，通過LUMiSizer測定不同結構分散劑的沉降速率, 研究分散劑結構對炭黑分散穩定性的影響，選出穩定性最佳的分散劑。

材料與試劑

            色素炭黑 MA-100(日本三菱公司)，分散劑 A 亞甲基二萘磺酸鈉(NNO，工業品，上海富蔗化工有限公司)，分散劑 B 聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30，工業品，廣東中鵬化工有限公司)，分散劑 C 聚苯乙烯馬來酸酐共聚銨鹽1000H (SMA-NH4，法國克雷威利公司)，NaOH和HCl(化學純，國藥集團化學試劑有限公司)。

實驗方法

            將分散劑充分溶解于去離子水中，用三乙醇胺調節溶液 p H 值，加入 10%(ω)炭黑，高速分散 30  min 后靜置 24 h，再轉入實驗室臥式砂磨機(介質為 1 mm 氧化鋯球，填充率 70%，轉速 1500 r/min)進行分散，得到水性炭黑色漿. 色漿調節 p H 值后使用LUMiSizer測定穩定性，光源波長 865  nm，測試溫度 25℃，轉速 4000 r/min，測試時間 24 h。

結果與討論

圖一：使用不同結果分散劑時炭黑的分散圖譜

            水性分散體系中，分散劑的疏水端以酸堿作用、氫鍵、分子間范德華力和平面分子間的π?π鍵與炭黑結合，形成穩定的錨接方式，其親水端伸展在水中提供位阻斥力和靜電引力，因此不同的分散劑結構分散性能有顯著差別.  使用不同結構分散劑時炭黑的穩定性如圖 所示，可以看出，以 SMA-NH4為分散劑時炭黑的沉降曲線間隔均勻，離心后透射率低；以 PVP 為分散劑時炭黑離心一段時間后沉降曲線間隔變寬，離心后分散液的透射率高；以 NNO 為分散劑時炭黑的沉降曲線間隔非常大，離心后分散液基本透明，表明 3 種分散劑的穩定能力為 SMA-NH4>PVP>NNO.  SMA-NH4是高分子嵌段共聚物類陰離子型表面活性劑，其疏水端的苯環以分子間范德華力和強π?π鍵穩定地錨接在炭黑表面，親水端的聚羧酸鹽類伸展在水中既能提供位阻斥力也能提供靜電斥力，因此其穩定性高.  PVP 為非離子表面活性劑，炭黑粒子的穩定主要依靠鏈節間的空間位阻，在高速離心作用下分子間作用加劇，鏈段相互纏繞使炭黑粒子團聚，因而沉降速率變快[12,13]. NNO 為小分子陰離子表面活性劑，炭黑粒子的穩定主要依靠靜電斥力，因炭黑內聚能較大，只靠靜電斥力難以穩定分散。

結論

分散劑結構對沉降速率的影響與對ζ電勢的影響不同，陰離子型水溶性聚合物 SMA-NH4因具有靜電斥力和空間位阻力，對炭黑的穩定效果好，使用LUMiSizer在 4000 r/min離心速率下沉降速率僅為 17 μm/min，NNO 對炭黑的穩定效果最差，沉降速率為 218 μm/min。