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浅谈陶瓷墨水中的分散剂

来源:福州奥博兹科技有限公司 www.obooc.com更新日期:2017/9/25

陶瓷墨水是由陶瓷颜料、溶剂、分散剂及其它辅料所构成的悬浮浆状体。


陶瓷墨水制备的关键在于陶瓷颜料的制备及其在溶剂中的稳定分散,即保证粉体在溶剂中处于单分散状态,无絮凝效应。


尽管现在陶瓷墨水的制备工艺及应用工艺已经成熟,但是陶瓷颜料粉体的超细化、球型化及提高墨水悬浮稳定性等问题一直都是陶瓷墨水生产和应用中的技术难题。因此需要对陶瓷墨水分散剂结构和陶瓷颜料的分散进行全面的了解。



陶瓷墨水中颜料的

散过程和原理

目前陶瓷墨水主要采用分散法制备。分散法制备陶瓷墨水的关键在于陶瓷颜料的湿润分散 和 稳定 的过程,它对墨水的性能有极大影响。湿润分散剂能缩短研磨分散时间,降低能源消耗,使色浆分散体系处于稳定状态,对墨水的诸多性能都起着决定性的作用。


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颜料的湿润


颜料的湿润,是改变颜料表面性能的过程,是除掉颜料表面吸附的水和空气,改变其极性,降低液 / 固之间的界面张力,增加颜料和溶剂的亲合力


湿润剂则是在此阶段发挥作用的助剂。湿润剂是能够提高颜料湿润分散效力的界面活性剂,它对颜料表面有极强的亲合力,能够定向吸附在颜料的表面,取代颜料表面的吸附物:如水和空气等。增强溶剂与颜料的亲合力,缩短颜料的研磨分散时间。因为颜料的湿润过程实际上就是颜料表面的一种置换工程,因此湿润剂应和颜料具有极强的亲合力。

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颜料的分散


颜料分散,就是把二次粒子团的附聚体和聚集体研磨分碎成更细小的粒子或原始粒径,使其成为稳定的分散悬浮体。


通过机械粉碎形成的颜料细小微粒与溶剂形成均匀的悬浮体,在无外力作用下,能保持稳定的分散状态通常称其为分散阶段也称稳定阶段,分散剂就是在这个阶段发挥作用的助剂。

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分散剂


分散剂是能够使墨水分散体系保持稳定的界面活性物质。


添加在墨水中的分散剂能吸附在微纳米陶瓷颜料表面,构成吸附层,产生电荷斥力和空间位阻效应,防止分散了的颜料粒子再次絮凝,可保持体系处于稳定的悬浮状态。一般来讲分散剂的分子量大的,可形成较厚的吸附层。分散剂若使用得当,不但能防止颜料沉淀,使陶瓷墨水具有良好的储存稳定性,还能降低色浆的粘度,增加研磨色浆中颜料的含量,提高研磨效率,达到节省人力和能源的效果。


超 分 散 剂

传统分散剂在分子结构上的局限性

(1)亲水基团在极性较低或非极性的颗粒表面结合不牢固,易解吸而导致分散后粒子重新絮凝;

(2)亲油基团不具备足够的碳链长度,不能产生足够的立体屏障效应以起到空间稳定作用,从而易发生沉淀。

超分散剂的主要特点

(1)快速充分地润湿颗粒;

(2)附着力强,不易解吸附;

(3)缩短达到合格颗粒细度的研磨时间,节省加工设备与加工能耗;

(4)可降低浆料粘度,大幅度提高研磨基料中固体颗粒含量;

(5)高分子量,悬浮稳定性好。



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超分散剂的结构


超分散剂的分子结构按其具有的性质和功能可分为两部分:一部分为锚固基团:如-NR2、-NR3+、-COOH、-SO3H、-PO4H2、-SO3-、-PO42-、多元胺、多元醇及聚醚等,它通过离子键、共价键、氢键及范德华力等作用形式紧紧地吸附于颗粒表面,不易脱附,锚固段在整个超分散剂分子结构中所占比例很小,一般占10 ~ 20%,并要求分散介质是它的不良溶剂。另一部分为溶剂化链,这部分将直接决定分散后颗粒在分散介质中的稳定性。这就要求溶剂化链对分散介质有较好的亲和力,同时要具有足够的碳链长度,以形成足够厚的溶剂化层以克服颗粒间引力,对分散体系起到空间稳定的作用。


对于强极性无机颜料,超分散剂的锚固基团采用强极性基团,该基团能与颜料颗粒表面反应生成离子键,并通过离子键将超分散剂吸附在颜料颗粒表面,可以产生很强的结合力,并且通常采用单点锚固基团的分散剂就可以起到很好的分散效果。


对于弱极性有机颜料,超分散剂的锚固基团相应选用弱极性基团,一般通过氢键吸附于颜料颗粒表面。由于单个弱极性基团的吸附强度不够,锚固基团的数量应相应增加,选用多点锚固基团的分散剂。


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超分散剂的稳定机理


电荷相斥

颜料颗粒在水性体系溶剂中其表面带有电荷。通过分散剂的使用,有可能使电荷增强,并使所有的颜料颗粒带有相同的电荷,相反电荷的离子聚集在颜料表面附近(在液相),从而形成“双电层”。稳定程度随着双电层厚度的提高而增强。电荷相斥稳定机理对水性的乳液分散体及相关体系特别有用。从化学上来说,用于这种分散体系的助剂是聚电解质-在侧链多处含有电荷的较高分子量的产品。

以空间位阻起作用的超分散剂有两个特殊的结构特征:第一,这些产品含有一个或多个称之为“颜料亲和”的基团(锚定基团或粘附基团)都对颜料表面具有牢固的、持久的吸附力。第二,这些产品含有与溶剂和树脂相混容的链段(碳氢结构),当助剂吸附在颜料表面后,这些链段会尽可能从颜料表面伸向周围的溶液中,并形成一定厚度的吸附位阻层。这层有伸出链段的,吸附着的助剂分子构成了空间屏蔽或“熵稳定化作用”。上述的稳定作用还由于分散剂的聚合物链段与树脂聚合物间相互作用而进一步加强,也就是说,因这相互作用使颜料颗粒外围有了更厚的“壳”。


这种稳定化机理发生于含有溶剂化树脂的溶剂型体系和水可稀释性体系。由于有颜料亲和基团(极性)和能与树脂相混容的链段(非极性)所组成的特殊结构,这些助剂表现出明显的表面活性性质。换言之,它们不仅能使颜料分散体稳定,而且还有润湿助剂的功能。


陶瓷墨水用分散剂的设计

陶瓷墨水分散剂就是通过锚固基团的单点或多点锚固的形式吸附在颗粒的表面,而溶剂化基团则伸展于分散介质中,通过空间位阻效应对颗粒的分散起稳定作用,溶剂化链的结构决定了分散剂的溶解性和适用范围。

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溶剂化链的设计


溶剂化链的结构决定了它的极性,需与陶瓷墨水中的溶剂相匹配。常用的溶剂化链有三类:1)低极性烷烃链或聚酯链;2)中等极性的聚酯链或聚丙烯酸酯链;3)强极性的聚醚链。这三类溶剂化链分别适合于颜料粒子在低极性、中等极性和强极性溶剂中的分散。陶瓷墨水中的常用溶剂为高沸点的烷烃类以及长烷基链的脂肪酸酯类溶剂,属于低极性溶剂,因此溶剂化链的结构应该采用烷烃链或者低极性聚酯链段,这样才能够应用到陶瓷墨水中。


确定了溶剂化链的结构之后,还需要严格控制溶剂化链的分子量。分子量太小,即溶剂化链太短,超分散剂起不到应有的空间稳定作用。分子量太大,即溶剂化链太长测可能导致溶剂化链折叠,压缩空间位阻,还可能导致相邻颜料粒子吸附超分散剂后其溶剂化链相互缠绕,不仅起不到分散稳定作用,反而导致颜料絮凝。一般来说,溶剂化链段的长度还与颗粒的大小有关,颗粒越大需要的溶剂化链则越长,因此在大粒径陶瓷墨水分散剂的设计时,要提高溶剂化链段的分子量。


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锚固基团的选择


确定了溶剂化链的结构后还需要根据颗粒表面的性质,如比表面、表面能、表面极性、表面值、表面化学及空间结构等来选取合适的锚固基团,颗粒本身表面吸附的其它物质如水份、杂质等对段在颗粒表面的吸附有重要影响,还需要考虑分散介质与锚固基团的竞争性吸附。


陶瓷墨水中的颜料颗粒为无机颜料,其表面含有-OH 、-O-、以及金属离子等官能团,属于极性较强的颗粒,选择锚固基团比较容易,通用的锚固基团,如氨基,羧基或者羧酸根类官能团都可以作为锚固基团。


与此同时,还要考虑锚固基团与分散介质的相互作用,锚固基团不能与溶剂、树脂及其它助剂发生化学反应;锚固基团与溶剂之间的溶解性要弱,否则有可能发生由于溶解而导致分散剂在墨水颜料颗粒表面脱落,而导致沉淀。


现有的陶瓷墨水中颜料的平均粒径在300 nm左右,最大粒径小于1微米。存在的问题是,亚微米的颜料不仅加工成本高、技术难度大,由于部分颜料如包裹颜料等难以在亚微米级下稳定发色,在一定程度上限制了墨水的发色效果,使得陶瓷墨水色域偏窄、种类不够丰富。而解决该问题的主要手段是提高陶瓷墨水的粒径,尽可能保护颜料结构,才能更好的增强发色效果并保证生产过程中陶瓷砖装饰效果的稳定性,以及降低陶瓷墨水的生产成本。但是,当提高陶瓷墨水颜料平均粒径至400 nm或者500 nm以上时,陶瓷墨水的悬浮稳定性能就会下降,这是分散剂在未来需要解决的关键技术问题。

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