炭黑作為墨水的著色劑，其在體系中的分散穩(wěn)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(qiáng)的作用力，在水中不能自行分散，且研磨過(guò)程極易產(chǎn)生凝膠，在生產(chǎn)和儲(chǔ)存過(guò)程中極不穩(wěn)定。

為改善炭黑在水中的分散性，已進(jìn)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(duì)其分散性進(jìn)行改性，能得到穩(wěn)定性?xún)?yōu)異的產(chǎn)品，但制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)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(chǎn)成本低、工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量易于控制等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但分散劑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，品種繁多，分散劑選擇成為最關(guān)注的問(wèn)題。

          本文從分散劑的結(jié)構(gòu)出發(fā)，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(lái)酸酐共聚銨鹽(Ammonium Salt of Styrene-Maleate Copolymer, SMA-NH4)]，通過(guò)LUMiSizer測(cè)定不同結(jié)構(gòu)分散劑的沉降速率, 研究分散劑結(jié)構(gòu)對(duì)炭黑分散穩(wěn)定性的影響，選出穩(wěn)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(yè)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(yè)品，廣東中鵬化工有限公司)，分散劑 C 聚苯乙烯馬來(lái)酸酐共聚銨鹽1000H (SMA-NH4，法國(guó)克雷威利公司)，NaOH和HCl(化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

實(shí)驗(yàn)方法

            將分散劑充分溶解于去離子水中，用三乙醇胺調(diào)節(jié)溶液 p H 值，加入 10%(ω)炭黑，高速分散 30  min 后靜置 24 h，再轉(zhuǎn)入實(shí)驗(yàn)室臥式砂磨機(jī)(介質(zhì)為 1 mm 氧化鋯球，填充率 70%，轉(zhuǎn)速 1500 r/min)進(jìn)行分散，得到水性炭黑色漿. 色漿調(diào)節(jié) p H 值后使用LUMiSizer測(cè)定穩(wěn)定性，光源波長(zhǎng) 865  nm，測(cè)試溫度 25℃，轉(zhuǎn)速 4000 r/min，測(cè)試時(shí)間 24 h。

結(jié)果與討論

圖一：使用不同結(jié)果分散劑時(shí)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(jié)合，形成穩(wěn)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(jié)構(gòu)分散性能有顯著差別.  使用不同結(jié)構(gòu)分散劑時(shí)炭黑的穩(wěn)定性如圖 所示，可以看出，以 SMA-NH4為分散劑時(shí)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(shí)炭黑離心一段時(shí)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(shí)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(wěn)定能力為 SMA-NH4>PVP>NNO.  SMA-NH4是高分子嵌段共聚物類(lèi)陰離子型表面活性劑，其疏水端的苯環(huán)以分子間范德華力和強(qiáng)π?π鍵穩(wěn)定地錨接在炭黑表面，親水端的聚羧酸鹽類(lèi)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(wěn)定性高.  PVP 為非離子表面活性劑，炭黑粒子的穩(wěn)定主要依靠鏈節(jié)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(tuán)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(wěn)定主要依靠靜電斥力，因炭黑內(nèi)聚能較大，只靠靜電斥力難以穩(wěn)定分散。

結(jié)論

分散劑結(jié)構(gòu)對(duì)沉降速率的影響與對(duì)ζ電勢(shì)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(duì)炭黑的穩(wěn)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(duì)炭黑的穩(wěn)定效果最差，沉降速率為 218 μm/min。