有机颜料表面处理工艺简析

有机颜料具有色谱全、颜色鲜艳、着色力高、毒性小、耐久性好等特点,近年来用途日益广泛。为了适应不同用途的要求,需采用不同的方法对有机颜料进行表面处理。改善有机颜料在非水性体系中分散性的表面处理工艺已相当成熟,但水性体系用的有机颜料的表面处理工艺还处于开发阶段。在前期的研究中,我们提出了在有机颜料表面包覆一层高分子分散剂的工艺,以改善其在水性体系中的分散性。该工艺是将亲水单体和疏水单体在颜料表面聚合形成包膜。包膜的包覆程度和厚度,包膜上亲水链的长度等都直接影响着颜料的分散性。本文主要讨论引发剂用量、反应时间、反应温度、搅拌速度4个因素对分散性的影响,以确定有机颜料表面处理的 佳工艺条件.

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1 实验部分

1.1 原料及仪器

酞菁绿颜料(未处理);疏水单体及亲水单体(试剂纯,Aldrich公司);过氧化苯甲酰(化学纯,北京金龙化学试剂有限公司);无水乙醇(分析纯,北京化学试剂公司)。 砂磨分散多用机SFJ-400(山东省宏润化工机械厂);紫外可见分光光度仪Lamoba-Five（美国Perkin-Elmer公司）;扫描电镜1000B,KYKYAMRAY等。

1.2 颜料表面处理工艺

颜料的干燥:取一定量未处理酞菁绿颜料,在60～70℃下干燥5h。颜料的研磨:将已干燥的颜料在研钵中研磨20min,称取1.0g研磨过的干颜料,加入40mL乙醇,在研磨分散多用机中,在一定转速下研磨一定时间,将所得的分散液转移到四口瓶中。疏水单体的吸附:取一定量的疏水单体和引发剂溶于乙醇,将所得的溶液缓慢滴加到上述分散液中,在室温下搅拌吸附0.5h,减压蒸馏蒸出乙醇。聚合反应:取一定量的亲水单体,与一定量的蒸馏水混合均匀,制得含亲水单体的水溶液,将其加到上述处理过的颜料中,在室温下边搅拌边通氮30min,水浴升温至反应温度,反应一定时间,冷却至室温,过滤,洗涤,干燥,制得处理好的颜料产品.

1.3 颜料分散稳定性测定

取0.1g上述处理好的颜料产品,加入40mL蒸馏水,搅拌分散30min,制得颜料水分散体。将所得的颜料水分散体置于带刻度的磨口试管中,分别静置0.5h,1.0h,2.0h,4.0h,8.0h……,取液面以下1cm处分散液1mL,稀释至5mL,由Lamoba-Five 紫外可见分光光度仪在酞菁绿颜料的 大吸收波长(665nm)处测定分散液的透过率,计算其分散性: 分散性=1-透过率

1.4 正交设计实验

根据前期的探索性实验,确定引发剂用量、反应温度、反应时间、搅拌速度等4个因素(设定为A、B、C、D)的位级,见表1。

按实验因素和位级,选用L9(3⁴)正交表,见表2。

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果分析

由表2可见,实验号为4号的颜料分散性 好,其因素位级配合为A1B2C2D1,即引发剂用量为0.01g,反应温度为85℃,反应时间为3h,搅拌速度 为快速。 表2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为每个因素各位级的分散性之和,表示各种因素不同位级对颜料分散性的影响。分散性越大越好,所以分散性之和大的位级为好。将各因素好的位级配合,获得好的因素位级配合为A1B2C2D1。

表2中R为极差,表示颜料的分散性随因素位级变化而变化的 大范围,极差大者是影响反应的重要因素。由各因素的极差值可以看出,反应过程中的搅拌速度对颜料分散性的影响 大,其次是反应温度和引发剂用量,反应时间的影响相对较小。

2.2 各影响因素分析

为了直接看出影响颜料分散性的各因素关系,对每个因素,以实际取值作为横坐标,分散性之和作为纵坐标,绘制该因素的影响趋势图。

2.2.1 引发剂用量的影响

引发剂用量影响趋势见图1。

由图1可见,随着引发剂用量的增加,颜料的分散性先减小,随后又出现增大趋势。按理论分析,引发剂的用量过少,反应体系的活性中心少,聚合速度慢,在一定的反应时间内,聚合物的相对分子质量达不到所需的数值,颜料的分散性差;随着引发剂用量增大,颜料的分散性增加。但引发剂的用量太大,会产生过多的活性中心,使聚合度降低,无法形成较大相对分子质量的聚合物,不能起到空间位阻的作用,颜料的分散稳定性又会降低。在本试验所选的引发剂用量范围内,一开始分散性就出现降低趋势,说明引发剂用量的 低限可能较高。当引发剂用量为0.03g时,颜料的分散性又出现上升趋势,可能是因 为引发剂既可以引发疏水单体的自聚,也可引发亲水单体的自聚,还可引发亲水单体在颜料表面与疏水单体的聚合.

2.2.2 反应温度的影响

反应温度的影响趋势见图2。

由图2可见:随着反应温度的提高,颜料的分散性先增加后降低,这与理论分析一致。在聚合中,反应温度主要影响聚合反应速度。温度过低,不能引发聚合反应;温度升高,加快引发剂的分解速率,使反应速度加快,缩短反应时间,提高颜料的处理效果。但温度高,聚合速度加快,同时链转移的可能性也随之增加,导致聚合物的相对分子质量偏小,而且就本实验的特殊性来讲,升高温度使吸附于颜料表面的疏水单体解吸的趋势增加,影响了疏水单体在颜料表面的聚合,使包覆率降低,颜料的分散性变差。过高的反应温度还易产生暴聚。因此,反应温度是极其重要的影响因素,应严格控制。

2.2.3 反应时间的影响

反应时间的影响趋势见图3。

由图3可见,随着反应时间的延长,颜料的分散性下降。在4个影响因素中,反应时间的影响相对较小。这与自由基聚合反应的特点有关,在其他聚合条件一定的情况下,反应时间主要影响反应物的转化率,对相对分子质量的影响较小。

2.2.4 搅拌速度的影响

搅拌速度的影响趋势见图4。

由图4可见,随着搅拌速度的提高,颜料的分散性先降低后增加。搅拌速度主要影响传质速度,但就本实验而言,提高搅拌速度可能破坏颜料表面的吸附层,到底哪一因素占主导地位,视具体转速而定,在所选的转速下,快速搅拌的效果较好。

2.3 佳工艺条件的确定

采用表2的实验结果直接观察和计算每个因素各位级的分散性之和这2种方法,获得2组 佳工艺条件,见表3.按以上2组工艺条件分别实验,所得颜料的分散稳定性结果见表4。

由表3可见,这2种方法所得的工艺条件唯 一差 别在反应时间上,“直接观察法”的反应时间为3h,“计算法”的反应时间为1h。从表4的实验结果可见,“计算法”的工艺条件处理颜料效果稍好,这与前面对反应时间的影响趋势分析结果相一致。

3 结 语

本文通过正交实验,讨论了引发剂用量、反应温度、反应时间、搅拌速度4个因素对颜料分散性的影响及变化趋势,确定颜料表面处理工艺条件为引发剂用量0.01g,反应温度85℃,反应时间1h,搅拌速度为快速。该工艺条件若再根据各因素的影响趋势作进一步精 确调整,有望得到的处理效果。

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