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假塑触变性炭黑水基分散体的制备和胶体性质

作者:admin日期:2020-07-24阅读
考察了采用聚苯乙烯马来酸酐高分子作为分散剂,用三种分散设备制备超细炭黑水基分散体系的研磨过程,然后采用黄原胶对分散体系增稠,测定了增稠后炭黑水基体系的粒径分布、黏度曲线特征和分散稳定性。实验结果表明采用密闭循环式研磨机,炭黑分散体粒径%可达到2 Ixm以下。粒径分布主要与采用的研磨介质大小有关。0.4 mm的氧化锆珠比0.8 mm的氧化锆珠能够得到更小的粒径分布。增稠后炭黑水基分散体系体现假塑性和触变性黏度。在高速离心加速度为2 300×g条件下离心7 h,分散体系不发生沉降,具有极好的动力学稳定性。
引言
水基颜料分散体是采用分散剂将颜料分散到水中形成的胶体分散体,广泛应用于涂料、纤维、皮革、纸张、墨水等领域,具有较大的应用价值1。1。为了满足应用过程中的高着色力、高稳定性要求,需要采用独特的配方技术和研磨工艺将颜料颗粒分散到微米级甚至亚纳米级尺度以下。颜料分散体的
流动性对应用过程以及最终产品的效果例如施工条件、外观、光泽等具有重大的影响。一般采用流变助剂控制体系的流动性旧“1。流变助剂的加入很容易导致颜料分散体的絮凝,破坏产品的应用价值。
本文采用聚苯乙烯马来酸酐高分子制备炭黑水基分散体,通过黄原胶控制体系流动性,得到了粒径小、无絮凝、假塑性和触变性强、稳定性高的炭黑分散体,达到了中黏度凝胶墨水色浆的应用要求。
1 实验部分
1.1研磨分散设备
分散设备1.abStarl、LMZ一0.5C(德国耐驰上海应用实验室),DMQ一0.7(美国联合工业青岛应用实验室)均为循环密闭式研磨机。缸体材料和分散器(分散盘或者销棒)采用耐磨钢或者氧化锆陶瓷。研磨分散机转速为3 000 r/rain。研磨介质采用氧化锆陶瓷。体积填充率75%。
1.2实验配方和工艺
炭黑水基分散体配方由30%炭黑900LB(德固赛公司)、10%分散剂SMAl000(沙多玛公司,分子结构如式(1)所示)、5%丙三醇(工业级)、l%乙醇胺(工业级)和54%去离子水组成。先将分散剂、丙三醇.乙醇胺混合均匀,加入去离子水.在高速搅拌条件下加入炭黑粉末,持续搅拌30 rain后,静置24 h
后研磨。研磨过程中流体流量约3 IVmin。循环冷却水控制研磨腔温度不超过50℃。每0.5 h取样测试粒径分布。2 h后粒径符合要求,停止研磨。卸出物料,清洗研磨设备。
假塑触变性炭黑水基分散体的制备和胶体性质
制备得到炭黑水基分散体系后,在高速搅拌条件下缓慢加入3%黄原胶(FNCS,广州凯闻食品原料有限公司)预凝胶,得到触变性炭黑水基分散体系,测定分散体系的粒径分布、黏度曲线和稳定性特征。
1.3测试方法和条件
采用亚纳米级粒径分析仪HELOS(Sinpatie,德国)测定分散体系粒径分布。少量样品逐渐加入到样品池中,达到设备所需的光强度后,停止加入,盖上样品池,仪器自动超声分散30 s后,测定分散体系粒径分布。黏度曲线采用RVI型锥板式黏度计(Haake,德国)测定。样品恒温温度26℃,剪切速率范围1一l 000 s~,仪器自动调节测定步长,往复测试表征体系的触变性。LumFuge稳定仪(LUMi,德国)测定体系高温下离心稳定性。少昔样品被注射到样品管中.放人稳定仪中离心。温度45℃,离心加速度为2 300×g,持续离心7 h,每1 min扫描一次样品整个长度上的透光率。
2结果和讨论
2.1 三种设备研磨过程和效果的比较
测试了采用3种密闭式循环卧式砂磨机LabStar l、LMZ一0.5C和DMQ一0.7作为分散设备,同样配方的炭黑分散体研磨效果,实验结果如表l、表2和图l所示。
假塑触变性炭黑水基分散体的制备和胶体性质
表1表示LabSmri的研磨过程,从中可以看出炭黑研磨过程分为两个阶段。第一阶段是0—30 rain,此阶段分散体平均粒径D。迅速下降到0.41 ttm.继续研磨D蛳变化不大。第二阶段是30—120 min,此阶段分散体平均粒径D。基本不变化,D够和D。逐渐减小。表2为LMZ一0.5C的研究过程,相对于LabStarl,在0—60 rain研磨过程中,D。仍然在5 I.rm以I-_。在
假塑触变性炭黑水基分散体的制备和胶体性质
研磨过程中.首先大部分颗粒在研磨腔中高速剪切分散,被分散成小颗粒,但是有少量颗粒难以细化.需要消耗更多的研磨时间。显然Labstar l很快就粉碎了难研磨颗粒,具有更好的研磨效率。因此在分散研磨过程中同时采用最大粒径和平均粒径作为研磨过程分析的依据,单纯采用平均粒径进行分析是不全面的。图l表示了采用DMQ一0.7设备的研磨效果。由于采用了0.4 mm的研磨珠,相对于LabStarl和LMZ一0.5C,获得r更小的粒径分布。
2.2增稠后炭黑水基分散体的黏度曲线
采用黄原胶调节了LabStarl制备炭黑水基分散体的黏度,在不影响炭黑分散体分散状态的情况下,分散体表现出假塑性和触变性。测试r增稠后炭黑水基分散体在剪切速率范围为l—l 000 s“内的剪切黏度,剪切速率先从1 s“逐渐增大到1 000 s~,再从1 000 s“逐渐减小到1 s~.以此表征分散
体的触变性,见图2。
从图2所示的测试结果来看,增稠后炭黑分散体体现出假塑性和触变性。
炭黑水性分散体的假塑性和触变性主要是由于黄原胶的氢键网络作用实现的。黄原胶分子结构如式(2)所示‘“。低温条件下黄原胶在水中旱现独特的氢键网络结构。黄原胶分子一般两个分子结合在一起,形成棒状的复合体,复合体分子外侧的阴离子基团提供排斥电荷.因此黄原胶在阴离子体系
和碱性条件下具有很好的胶体稳定性9。棒状复合体之阳J通过氢键作用形成稳定的网络结构,如式(3)所示。因此在低剪切速率下,分散体表现出很高的黏度。在高剪切速率下,氢键网络结构被打破,黄原胶分子成层排列,如式(3)所示,分散体黏度较小。分散体的触变性表明在溶剂和表面活性剂的参与下,黄原胶的构象转变需要一定的时间。
假塑触变性炭黑水基分散体的制备和胶体性质
2.3分散体的稳定性
稳定性是分散体应用性能最重要的指标。采用Lurnfuge稳定性测试仪测定了增稠后分散体的稳定性,结果如图3所示。
图3中横坐标是样品液面位置,纵坐标是样品的透光度。
下部的曲线是离心前期的透光度曲线,七部的曲线是离心后期的透光度曲线。图谱结果表明除了液体表面,离心过程中样品的透光度曲线重合性很好,分散体在高温下的动力学聚集稳定性很好,贮存过程中基本不会发生沉降现象。液体表面透光度的增大是样品黏度较高,在注入样品时容易发生沾壁导致的。分散体的稳定性是通过三方面的因素实现。第一,分散体系粒径较小且分布均匀;第二,分散体系具有很担的假蝮性,在低剪切速率下黏度很高;前两个因素町以防止颗粒快速物理沉降。
第三,由于分散剂提供静电和窄问位阻的排斥作用,颗粒之间不容易聚集.而且黄原胶分子和颜料分散体具有很好的相容性,形成的氢键网络也限制了分散颗粒的碰撞和聚集。因此分散体在动力学和热力学上都具有可靠的稳定性。
3结语
采用SMAl000作为分散剂,制备了平均粒径小于O.5微米、最大粒径小于2微米、稳定分散的炭黑水性分散体。采用黄原胶作为流变调节剂,不影响分散体分散状态的情况下,得到了具有假耀性和触变性的分散体.稳定性测试说明分散体高温下具有极好的动力学稳定性,符合实际应用的要求。