水溶性分散劑合成條件對(duì)顏料分散效果的影響

趙 青，董曉明

(1.淮安市科技情報(bào)研究所，江蘇淮安223001;2.江蘇新譽(yù)集團(tuán)有限公司，江蘇 常州213011)

0 引言

由于國內(nèi)分散劑的研究起步較晚，高分子分散劑的研究已經(jīng)成為國內(nèi)工作者的研究熱點(diǎn)。近年來，隨著環(huán)境友好型水性涂料、墨水的迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也日益廣泛。有機(jī)顏料在墨水中的分散穩(wěn)定性能直接影響產(chǎn)品的應(yīng)用性能，因此對(duì)分散劑的性能要求也進(jìn)一步提高，開發(fā)多功能的性能優(yōu)良、成本低廉的高分子分散劑成為目前涂料、墨水研究的關(guān)鍵問題。本文應(yīng)用溶液沉淀聚合法，以馬來酸酐、苯乙烯為單體合成了一系列聚合物苯乙烯一馬來酸酐共聚物(簡(jiǎn)稱SMA)，水解后得到水溶性高分子SMH，通過實(shí)驗(yàn)探討了SMH對(duì)顏料分散性的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

表1 試驗(yàn)藥品列表

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

表2 實(shí)驗(yàn)用儀器列表

1.3 苯乙烯一馬來酸酐共聚物(簡(jiǎn)稱SMA)的合成方法

在帶有攪拌裝置、恒壓滴液漏斗、冷凝管、溫度計(jì)的四口瓶中，用氮?dú)庾霰Ｗo(hù)氣，在500ml四口燒瓶中加入二甲苯溶液40ml，加熱到實(shí)驗(yàn)需要的溫度(70℃、80℃、90℃)，稱取一定量的馬來酸酐于燒瓶中，保持反應(yīng)環(huán)境的溫度并攪拌0.5小時(shí)，再稱取一定量的引發(fā)劑過氧化二苯甲酰于250ml燒杯中，并向其加入40ml二甲苯溶液和苯乙烯溶液，用玻璃棒攪拌使其均勻，將其倒入分液漏斗中開始逐滴滴加該混合液，等混合液滴加完畢后，保持恒溫在設(shè)計(jì)的反應(yīng)溫度下繼續(xù)反應(yīng)3小時(shí)，然后降溫、過濾，得到產(chǎn)物。

1.4 水溶性高分子分散劑(簡(jiǎn)稱SMH)的制備

將共聚物SMA與NaOH以1∶2的比例加入燒杯，加入適量水，加熱至粉狀的SMA溶解為透明溶液，使共聚物 SMA水解。冷卻到室溫，得到SMA的水解產(chǎn)物SMH。

1.5 分散劑作用于分散體系

顏料的分散性能受高分子分散劑用量的影響，不同分散劑對(duì)于特定的分散體系都有適宜的用量，超過這一用量不但造成分散劑浪費(fèi)，還可能影響到分散體系的穩(wěn)定性及顏料分散體最終的使用性能。

為得到本次試驗(yàn)中分散劑對(duì)顏料分散的最佳用量，我們分別稱取0.5g酞菁蘭、酞菁綠、大紅粉于3只燒杯，再量取5ml預(yù)分散體(水溶性高分子分散劑)加入燒杯中，看分散效果后X以5ml的量遞增，直至顏料完全溶解。記錄下不同條件下的分散劑用量，并進(jìn)行比較。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)0.5g大紅粉、酞菁藍(lán)、酞菁綠三種顏料分散所需的分散劑最少量為5mL、30mL、15mL，見分散效果圖1～9。

由圖1～9對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同聚合條件生成的分散劑對(duì)同一種顏料的分散效果不同，并且同一種分散劑對(duì)不同顏料的分散效果也不同。此外，在對(duì)顏料的分散過程中還發(fā)現(xiàn)部分分散劑不能對(duì)三種顏料進(jìn)行分散，而還有部分分散劑對(duì)顏料的分散的效果很好。這說明聚合的條件對(duì)產(chǎn)物的影響很大。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

利用Cary－50紫外分光光度計(jì)測(cè)添加了高分子分散劑的顏料在最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度A，根據(jù)測(cè)出的吸光度A分析該高分子分散劑的分散穩(wěn)定性能DE(%)。

吸光度:A=1/T

分散性:DE(%)=(1－T%)×100%

取少量顏料分散液于燒杯，將分散液稀釋100多倍，用玻璃棒攪拌使其均勻分散，查閱資料得到大紅粉、酞菁藍(lán)、酞菁綠的最大吸收波長(zhǎng)分別為363nm、480nm、500nm。用 Cary－50紫外可見分光光度計(jì)測(cè)其在最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度A(透射率T%)。定義顏料分散液的分散性用DE(%)表示，可用上式計(jì)算DE% 。

2.1 不同反應(yīng)溫度對(duì)分散效果的影響

為了研究分析反應(yīng)溫度對(duì)分散效果的影響，本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)聚合反應(yīng)的單體苯乙烯和馬來酸酐摩爾比為1:1、1:1.5、1:3進(jìn)行不同溫度的分散穩(wěn)定性測(cè)試，其中引發(fā)劑為0.1%(占反應(yīng)體系的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖1 70℃1:1(紅)

圖2 70℃1:1(藍(lán))

圖3 70℃1:1(綠)

圖4 80℃1:5(紅)

圖5 80℃1:5(藍(lán))

圖6 80℃1:5(綠)

圖7 90℃1:2(紅)

圖8 90℃1:2(藍(lán))

圖9 90℃1:2(綠)

表3 聚合溫度與分散穩(wěn)定性的關(guān)系

從以上不同溫度下產(chǎn)物分散的紫外吸收光譜的分析發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)SMA分散穩(wěn)定性的影響較大。

單體配比為1:1溫度從70℃升高到90℃時(shí)，隨溫度的升高，吸光度大幅度降低，這說明溫度升高使共聚物的聚合度降低。

在溫度升高時(shí)，不但提高了反應(yīng)物的活性，而且還使引發(fā)劑的分解速率增大，活性中心增多，使聚合總速率升高。在單體濃度不變的情況下，可以與每個(gè)活性中心反應(yīng)的單體數(shù)目減少，聚合度下降，從而導(dǎo)致分子量下降，分散穩(wěn)定性降低。同時(shí)，在反應(yīng)過程中溫度過高會(huì)使共聚產(chǎn)物粘結(jié)成團(tuán)，部分未反應(yīng)的單體被包在粘結(jié)物中，使反應(yīng)難以正常平穩(wěn)地進(jìn)行。所以在此配比的反應(yīng)過程中不宜選用較高的反應(yīng)溫度。

而單體配比SMA/MA為1:1.5和1:3時(shí)出現(xiàn)不同于單體配比為1:1的情況是由于反應(yīng)物的濃度增加，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體系粘度增加而影響單體活動(dòng)，致使聚合反應(yīng)停止。這時(shí)適當(dāng)升溫有利于聚合的繼續(xù)進(jìn)行從而導(dǎo)致分子量繼續(xù)增加到適合對(duì)本實(shí)驗(yàn)顏料分散的區(qū)間。由于顏料種類的不同，分散效果較好的分子量區(qū)間同樣不同，所以產(chǎn)生了部分變化趨勢(shì)不同的現(xiàn)象。

2.2 不同單體配比對(duì)分散效果的影響

當(dāng)聚合反應(yīng)的溫度為80℃，引發(fā)劑BPO為0.1%(占反應(yīng)體系的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，改變聚合反應(yīng)的單體配比(摩爾比)，具有不同分散穩(wěn)定性的聚合物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 原料比例與分散穩(wěn)定性的關(guān)系

將表4制作成Excel圖表進(jìn)行分析。

圖10 不同顏料在不同摩爾比的分散劑中的吸光度

由圖10可以看出，一方面隨著原料配比的改變，共聚物的分散穩(wěn)定性基本上是呈現(xiàn)著先增加后減小的情況，這是因?yàn)轳R來酸酐的用量比較少，所以剛開始只有部分單體參加反應(yīng)，但隨著馬來酸酐的量的增加，引發(fā)劑用量也隨之增大了，這時(shí)分散穩(wěn)定性也達(dá)到了比較好的狀態(tài)，馬來酸酐繼續(xù)增加，即引發(fā)劑用量增大使聚合物的分子量降低，從而影響了分散的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1)通過研究反應(yīng)溫度、反應(yīng)物配比對(duì)反應(yīng)的影響，得出了最佳的溫度和反應(yīng)物配比為:反應(yīng)溫度為70℃，苯乙烯 －馬來酸酐的摩爾比為1:1.5。

(2)在反應(yīng)物配比不變的情況下，水溶性高分子分散劑對(duì)顏料的分散穩(wěn)定性隨著聚合反應(yīng)溫度的升高而減弱。

(3)隨著馬來酸酐的增加，共聚物的分散穩(wěn)定性基本上是呈現(xiàn)先增加后減小的情況。

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