作者：刘 阳,杜长森,郑立锋,周 华,汪理想(苏州世名科技股份有限公司,江苏省水基颜料分散体工程技术研究中心)

前言

　　透明氧化铁颜料色泽鲜艳,具有良好的透明度､优异的耐候性､耐光性, 磁性和紫外线的屏蔽效应，可广泛用于木器涂料､闪光涂料､油墨､塑料､皮革､汽车面漆､电子､高磁记录材料､催化剂和生物医学工程等领域 ｡水性透明氧化铁分散体的制备是近年来研究的热点问题,金瓯等 研究了透明氧化铁黄色浆的制备工艺;伍金平等 研究了水性透明氧化铁分散体的应用;魏勇 研究了透明氧化铁红色浆的制备及其在透明隔热涂料上的应用;许均强等 开发出环保水性透明氧化铁黄色浆的制备新方法,李仕雄等 探讨了透明氧化铁黄颜料色浆的制备工艺｡资料检索发现,虽然关于该课题研究的报告较多,也有一些规模较大的企业推出了该产品,但其贮存稳定性差或透明度不足等问题一直没有得到彻底解决,依然是制约透明氧化铁分散体应用和发展的主要障碍｡润湿剂和分散剂是制备水性透明氧化铁分散体的关键材料,国外少数助剂公司针对透明氧化铁分散提供了一些产品与资料,但由于缺乏系统的研究,以其分散的水性透明氧化铁仍然存在透明度低､稳定性差等问题｡本研究采用自制的阴离子高分子分散剂和聚氧乙烯醚润湿剂对透明氧化铁红进行分散,优化了制备水性透明氧化铁红分散体的工艺,探讨了制备水性透明氧化铁红分散体的性能｡

1 实 验

1.1 原材料与仪器设备

　　透明氧化铁红:巴斯夫公司;阴离子高分子分散剂(Fa):苏州世名科技股份有限公司;嵌段聚合物分散剂(Fb):海明斯公司;非离子型高分子分散剂(Fc):毕克化学公司;脂肪醇聚氧乙烯醚(Wa,HLB=18):苏州世名科技股份有限公司;阴离子润湿剂(Wb,HLB=13):巴斯夫公司｡

　　Minizeta 03E 型循环砂磨机:德国Netzsch 公司;Zetasizer Nano ZS90 纳米粒径仪:英国Malvern 仪器有限公司;双光束分光测色仪X Rite SP62:爱色丽公司｡

1.2 实验方法

　　将分散剂溶解在去离子水中,然后加入润湿剂,以500 r/ min 搅拌均匀后,慢慢加入透明氧化铁红颜料,经高速分散后转入研磨机,在一定的研磨频率下进行研磨,制备水性透明氧化铁红分散体｡

1.3 测试方法

　　1.3.1 表观黏度

　　按GB/ T 9269—2009 测试25 ℃时水性透明氧化铁红分散体的表观黏度｡

　　1.3.2 粒径

　　将透明氧化铁红分散体稀释至约10 000倍,将少量稀释样品加入到样品池中,确定样品池中无气泡,采用纳米粒径仪测量样品的粒径｡

　　1.3.3 分散体稳定性

　　按照式(1)计算粒径变化率(λ)｡

　　式中:D1 是贮存前平均粒径,D2 是贮存后平均粒径,λ 反应了体系贮存前后颗粒大小的变化,其值越大,说明体系的稳定性越差｡

　　取透明氧化铁红分散体置于广口瓶中,塞紧瓶口后放到恒温干燥箱内,在(50±2) ℃放置7 d,测定放置前后水性透明氧化铁红分散体的黏度和粒径,按照式

　　(2)计算透明氧化铁红水性分散体黏度变化率(φ)｡

　　式中:η1 是贮存前黏度,η2 是贮存后黏度,用φ表示水性透明氧化铁红分散体的稳定性,φ 越大,说明体系的稳定性越差｡

　　1.3.4 透明度

　　采用自制水性丙烯酸清漆,按m(色浆) ∶m(清漆)= 3 ∶100 进行混合均匀,用10 μm 湿膜制备器制膜均匀涂布于PE 薄膜上,待涂膜干燥后,将PE 膜片放置于标准黑白卡上,用双光束分光测色仪SP62 测定黑卡部分L 值,通过L 值来衡量水性透明氧化铁红分散体的透明度,L 值越低,表明涂膜的透明度越好｡

2 结果与讨论

2.1 分散剂对水性透明氧化铁红分散体性能的影响

　　表1 为分散剂种类对水性透明氧化铁红分散体性能的影响｡

　　注:透明氧化铁红含量为20%( 占分散体系的质量分数),Wb 用量为透明氧化铁红用量的5%,研磨频率45 Hz,研磨时间60 min｡

　　表1 表明在3 种不同结构的分散剂中,Fa 制备水性透明氧化铁红分散体的粒径和黏度最小,稳定性最高,透明度最好｡Fa 为阴离子型高分子分散剂,在透明氧化铁红表面一方面会产生多点吸附,另一方面Fa 的溶剂化链和电离基团能够产生足够的电荷斥力和空间位阻,防止透明氧化铁红的絮凝 ｡Fb 和Fc 是有着不同的亲水亲油端的高分子聚合物,可提供良好的空间效应但无法提供很强的电荷斥力,贮存一段时间后,颜料表面所带的电荷促使颜料颗粒间的相互吸引絮凝而造成热贮稳定性差｡透明氧化铁红颗粒小且带很强的电荷,相比于Fb 和Fc 的单一作用,在Fa 的双重作用下,粒径远远小于可见光的波长,光更容易绕过颜料粒子,故其在清漆中的透明度得到更大的提高｡

　　图1 为Fa 用量对水性透明氧化铁红分散体性能的影响｡

　　图1 表明,当分散剂用量为透明氧化铁红用量的4. 0%——5. 0%时,制备水性透明氧化铁红的稳定性最高,L 值达到最小｡当分散剂用量低于4. 0%时,无法全部占据透明氧化铁红表面,颗粒间的排斥力小,造成了未被附着分散剂的透明氧化铁红再次聚集;然而,当分散剂添加量过多时,由于分散剂的架桥现象,热贮存时,发生架桥的透明氧化铁红颗粒很容易发生沉积,导致体系的稳定性变差 ｡

2. 2 润湿剂对分散体性能的影响

　　选择与透明氧化铁红表面匹配性好的润湿剂可以加快水对其颗粒表面的润湿,从而提高研磨效率和效果 ｡表2 为润湿剂对水性透明氧化铁红分散体性能的影响｡

　　由表2 可以看出,Wa 为润湿剂制备水性透明氧化铁红分散体热贮存后,黏度变化率和粒径变化率最小,稳定性得到了明显的改善｡这可能是由于Wa 的HLB 值与透明氧化铁红颜料的HLB 值较接近,一方面提高了透明氧化铁红在含有Wa 的水溶液中的分散效率,另一方面Wa 分子链吸附在Fa 与透明氧化铁红吸附的空位处,增强了水化层的强度,故改善了分散体的贮存稳定性｡Wb 的碳氢链比Wa 更长,且HLB 值远低于透明氧化铁的HLB 值,造成了润湿剂在颜料表面无法均匀吸附,甚至较多润湿剂流离于溶液中,与分散剂相互吸附,降低了分散剂对透明氧化铁红的分散效率｡

　　图2 为润湿剂用量对水性透明氧化铁红分散体性能的影响｡

　　由图2 可知,随着Wa 用量的增加,制备水性透明氧化铁红分散体L 值先减小后增大,润湿剂用量在0. 6%——1%时黏度变化率､粒径变化率和透明度最佳｡润湿剂用量合理时,一定程度上促进了分散作用,而润湿剂过量会造成与分散剂在颜料表面的竞争吸附现象,使得分散剂无法充分吸附在颜料表面,综合考虑,Wa 合理用量为1%｡

2. 3 颜料含量对分散体性能的影响

　　表3 为颜料含量对分散体性能的影响｡

　　由表3 可知,颜料含量为10%时,热贮粒径变化率高达21. 7%,且热贮后造成了少量粒子的沉底现象,这是因为当透明氧化铁红含量较低时,体系黏度低,造成了热贮后体系中的大颗粒沉降所致｡当透明氧化铁红含量高于20%后,体系黏度迅速增大,贮存黏度变化率急剧增大,这可能是由于透明氧化铁红颜料含量增加,分散体中颜料粒子间距减小,分散粒子易与体系中的分散介质形成紧密的聚集体,聚集体之间的架桥或吸附造成网状结构而使得贮存后黏度变化率大幅增大,颜料含量为20%时,制备水性透明氧化铁红分散体的状态良好,稳定性较高｡由此可见,20%是制备性能优异透明氧化铁红分散体的优选的颜料含量｡

2. 4 研磨频率和时间对水性透明氧化铁红分散体性能的影响

　　图3 为制备工艺对水性透明氧化铁红分散体性能的影响｡其中,颜料含量20%(占分散体系的质量分数),分散剂和润湿剂的用量分别为颜料用量的4%和1%｡

　　图3 表明,研磨频率的增大,水性透明氧化铁红分散体的透明度更快达到最高;说明研磨频率越高,分散体达到分散和团聚平衡的时间越短,故实验选择45 Hz 为制备分散体的优选研磨频率,45 min 为较佳研磨时间｡

3 结 语

　　通过对透明氧化铁红分散体的制备及性能研究,分散剂､润湿剂､研磨频率和研磨时间对透明氧化铁红分散体的性能有着很大的影响,经实验可得到制备水性透明氧化铁较佳的工艺为采用20%颜料含量(占分散体系的质量分数)､Fa 和Wa 的用量分别为颜料用量的4%和1%,45 Hz 下研磨45 min｡