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分散剂的结构及作用原理
发布时间:2015-10-26   来源:深竹化工   发布人:1800   点击次数:1800
摘要:本文是分散剂系列知识的文章之一,介绍了分散剂的结构、分类、锚固基理和分散剂的稳定基理、锚固基团种类、锚固基团的数量及分散剂的极性等。

摘要:本文是分散剂系列知识的文章之一,介绍了分散剂的结构、分类、锚固基理和分散剂的稳定基理、锚固基团种类、锚固基团的数量及分散剂的极性等。

关键词:分散剂的结构,分散剂的分类、锚固基团、锚固基理、稳定基理,极性

0 前言

分散剂在颜料的分散过程中,能起到很多的作用。在涂料体系中,在选择分散剂之前,要充分地了解到分散剂的类型和结构,以及其对颜料的锚固及稳定基理。


1 分散剂的基本结构及类型

分散剂又称湿润分散剂,它除具有湿润作用外,其活性基团一端能吸附在粉碎成细小微料的颜料表面,另一端溶剂化进入漆基形成吸附层(吸附基越多,链节越长,吸附层越厚),产生电荷斥力(水性涂料)或熵斥力(溶剂型涂料),使颜料粒子长期分散悬浮于漆基中,避免再次絮凝,因而保证制成的色漆体系的贮存稳定。

分散剂有很多种,初步估算,现存世界上有1000多种物质具有分散作用。现按其结构来区分,可分为:

1.1 阴离子型润湿分散剂

大部分是由非极性带负电荷的亲油的碳氢链部分和极性的亲水的基团构成。两种基团分别处在分子的两端,形成不对称的亲水亲油分子结构。它的品种有;油酸钠C17H33COONa、羧酸盐、硫酸酯盐(R-O-SO3Na)、磺酸盐(R- SO3Na),等等。阴离子分散剂相容性好,被广泛应用于水性涂料和水性墨。多元羧酸聚合物等也可应用于溶剂型涂料,并作为受控絮凝型分散剂广泛使用。

1.2 阳离子型润湿分散剂

是非极性基带正电荷的化合物。主要有胺盐、季胺盐、吡啶鎓盐等。阳离子表面活性剂吸附力强,对炭黑、各种氧化铁、有机颜料类分散效果较好,但要注意其与基料中羧基起化学反应,还要注意不要与阴离子分散剂同时使用。

1.3 非离子型润湿分散剂

在水中不电离、不带电荷。在颜料表面吸附比较弱,主要在水系涂料中使用。主要分为乙二醇性和多元醇型。降低表面张力和提高润湿性。与阴离子型分散剂配合使用作为润湿剂或乳化剂,广泛应用于水性色浆、水性涂料及油墨。

1.4 两性型润湿分散剂

是由阴离子和阳离子所组成的化合物。典型应用的是磷酸酯盐型的高分子聚合物。这类聚合物酸值较高,可能会影响层间附着力。


1 不同结构的分散剂示意图

1.5 电中性型润湿分散剂

分子中阴离子和阳离子有机集团的大小基本相等,整个分子呈现中性但却具有极性。如油氨基油酸酯C18H35NH3 OOCC17H33等均属于这类,在涂料中应用相当广泛。

1.6 高分子型超分散剂

高分子型分散剂最为常用,稳定性也最佳。高分子型分散剂也分为多已内多酯多元醇-多乙烯亚胺嵌段共聚物型分散剂、丙烯酸酯高分子型分散剂、聚氨酯或聚酯型高分子分散剂等,由于它们的锚定基团一头与树脂缠绕吸附,另一头又与颜料粒子包附,因此贮存稳定性是比较好的。

1.7 受控自由基型超分散剂

采用最新的受控自由基聚合技术(CFPP),可以使分散剂的结构更为规整。常用的方法有:GTPATRP(原子转移自由基聚合)、RAFT(可逆加成断裂链转移可控自由基聚合,包括C-RAFTS-RAFT等)、NMPSFRP(稳定自由基聚合)、TEMPO等。通过采用受控自由基聚合技术,可以使分散剂的分子量分布更为集中,锚定基团也更为集中,效率更高。

2 分散剂对颜料的锚固基理

由于颜料表面自然状态不同,依其化学结构,可有多种不同基团做为高聚物分散剂与其产生锚固作用。锚固作用能通过不同的过程产生:

2.1 通过离子或酸性/碱性基团产生锚固作用,

当颜料微粒表面活性较高(如无机颜料)时,微粒表面带电荷位能与分散剂的相反电荷位或功能基团形成离子键。如图2所示。能在带电荷或酸性/碱性表面产生锚固作用的功能基团有:胺;铵和季铵基;羧酸、磺酸和磷酸基及其盐;硫酸酯及磷酸酯等。


2通过离子或酸性/碱性基团产生锚固作用

2.2 通过氢键的锚固作用

有机颜料通常比无机颜料的惰性强,但却存在氢键的供体或受体,因此与高分子型分散剂的锚固基团间也可能形成氢键。当分散剂与颜料之间存在多个氢键的结合后,可以解决单独的氢键有可能较弱。多胺和多羟基化合物既有供体又有受体,可通过氢键产生锚固作用。聚醚能通过氢键受体产生锚固作用。

2.3 通过极性基团产生锚固作用

有机颜料微粒表面具有极性或可极性化的基团,类似地在高聚物分散剂中也有极性或可极性化的锚固基团,因而锚固作用也可发生。同样,这种相互作用通常相对较弱,但是在聚合物分散剂中,当由多个这样的基团组合成一个锚固的链段时,则会加强这种相互的作用。聚氨酯常做为极性的锚固基团。

2.4 通过不溶性高分子链段形成锚固作用

不需离子键、氢键或极性作用,仅依靠范德华力就可以使颜料微粒表面与聚合物分散剂通过锚固作用相结合。分散剂内的聚合链段仅要求在介质中不溶。聚氨酯锚固基团可能是通过该方式形成的。这种吸附过程与氢键及极性基团产生的锚固吸附很难区分。多数的高分子链段很可能是通过混合的静电力(氢键和/或极性作用)和范德华力产生锚固作用。这些作用过程也许有一种是占主导地位,但大多数高效的聚合物分散剂可能会产生所有这三种过程。


3 通过氢键和、极性基团及不溶性高分子链段产生锚固作用

2.5 通过协同分散剂形成锚固作用

某些有机颜料(酞菁蓝和二噁嗪紫等)通过改变粒子本身的化学结构,具有离子基团的衍生物使颜料粒子表面有选择地被活化,使其能与聚合物分散剂中带电荷的锚固基团产生作用。而该衍生物由于极性与颜料相似,也能吸附在颜料的表面。这样的架桥作用使得难于被锚固的颜料得到很好的稳定效果。

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图4 通过协同分散剂产生锚固作用

3 分散剂的稳定基理

颜料发生絮凝,将会使涂料的性能明显下降,如增稠、流动性差、返粗、絮凝、光学和颜色性能发生改变等。这些是我们所不希望的,所以要保持颜料悬浮液的稳定。在颜料分散的稳定方面有两种重要机理:

3.1 静电稳定性

颜料微粒表面带有电荷,当加入分散剂后,可能会形成双层静电结构。当颜料表面形成一种电荷后,相反电荷的带电离子云将围绕在其周围。当两个微粒靠近时,电荷作用阻止其相互吸引。在这样厚厚的电荷层的作用下,颜料微粒获得了稳定的状态。多磷酸盐及多元羧酸常做为高分子电解质使用。这种静电斥力在水性涂料中非常有效。

 

5 分散剂的静电稳定基理

3.2 位阻稳定

分散剂通常由锚固基团和溶剂化链段组成,高分子型分散剂通过锚固基团吸附在颜料表面,溶剂化链段则伸展在树脂和溶剂中,从而形成一定厚度的溶剂化高分子链段的阻隔层,当颗粒吸附层互相靠近而压缩时,压缩区吸附物密度增加,自由度减少,这是个熵减过程,体系的趋势是阻止这种进程进一步发生。随着链段的混合,溶剂被排出粒子间,这也会导致溶剂浓度不均衡,渗透压同样会迫使溶剂返回微粒间以维持微粒的分离状态。这些过程综合作用,就起到了位阻的效应。位阻稳定作用的两个基本要求是锚定基团对颜料有足够强的吸附力,以及溶解化链段完全溶解在介质中。当高分子链段很好的溶解和适当的展开时,位阻稳定作用得到加强。若相容性不好,则高分子链段会折叠,使位阻效应丧失。


 

6 分散剂的位阻稳定基理


4 锚固基团种类、单点锚固和多点锚固、分散剂的极性

4.1 锚固基团的种类

锚固基团主要有酸性锚固基团、碱性锚固基团、中性锚固基团和复合锚固基团。一般常见的酸性锚固基团有-COOHPO(OH)2等,这种锚固基团较适合分散无机颜填料。碱性锚固基团主要是各类含氮基团,也包含各类季胺盐,通常由于多数有机颜料和碳黑表面呈弱酸性,碱性锚固基团对这些颜料有较强的吸附力。另外碱性锚固基团容易离子化,故对无机颜填料也有很好的吸附力。碱性锚固基团在分散剂中应用最为普遍。中性锚固基团主要是各类芳香环(如萘环等),它可以与许多有机颜料和碳黑发色单元的大平面结构通过大π键结合。复合锚固基团是指在分散剂分子中同时引入多种吸附基团的分散剂,这样分散剂就同时具备对无机和有机颜料的良好分散能力。在一些有机-无机颜料共研磨体系,可以达到很好的分散效率,避免了因有机颜料和无机颜料因被分散的程度不同而造成的浮色发花的现象。

4.2 单点锚固和多点锚固

锚固点数量影响到分散剂对颜料的吸附强度。单点锚固指分散剂分子中只含有一个锚固基团,大部分小分子润湿剂和部分高分子型分散剂均属此列,单点锚固分散剂在降低体系研磨粘度方面有优势。而多点锚固则指分散剂分子中含有多个锚固基团,部分小分子润湿剂和大部分高分子型分散剂属于此列,由于多点锚固的分散剂吸附点多,故采用其制备的色浆有更好的贮藏稳定性。我们要根据颜料的性况和性价比,综合选择不同类型锚固基团及不同数量锚固基团的分散剂。

4.3 分散剂的极性

每一个极性范围的涂料,都要求有相应极性的分散剂与之相配套。分散剂只能用在极性范围匹配的体系里面才能够展现出最佳效果。分散剂分为低极性、中等极性及高极性,分别适用于不同极性范围的涂料体系。

5 结语

通过对分散剂的类型及结构、分散剂对颜料的锚固及稳定基理的了解,我们可以就不同的涂料体系筛选合适的分散剂,例如无机颜料,可以选择离子型、单点锚固基团的分散剂,具有更高的性价比。有机颜料或炭黑可以选择多点锚固的阳离子型润湿分散剂或高分子型超分散剂或受控自由基型超分散剂等。

参考文献

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[7] 张民. 超分散剂的发展现状及前景. 科技信息,2010, 17: 26-29.

 
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