CN101220228B

CN101220228B - 一种超声波制备稳定的纳米级水性颜料分散液的方法

Info

Publication number: CN101220228B
Application number: CN2007101950995A
Authority: CN
Inventors: 袁兴陆
Original assignee: TIANJIN ZHAOYANG NANOMETER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TIANJIN ZHAOYANG NANOMETER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: CN101220228A

Abstract

一种利用超声波制备稳定的纳米级水性颜料分散液的方法，其特征在于它包括配制颜料分散混合液；将颜料分散混合液进行高速剪切、研磨后放入超声波处理器中；调节超声波功率和温度；将颜料分散液超声处理后取出，得到稳定的纳米级水性颜料分散液。本发明的优越性和技术效果是超声波对颜料分散体系具有一定的细化和提高分散体系稳定的作用；经过超声波处理后的纳米级水性颜料分散液粒径分布窄，颜料分散体系的D₅₀粒径能够达到10～100nm之间，并且使颜料分散体系稳定性良好；这种纳米级水性颜料分散液的稳定性得到明显提高，使颜料分散液能够更好的运用在喷墨打印墨水中。

Description

一种超声波制备稳定的纳米级水性颜料分散液的方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种制备颜料分散液的方法，特别是一种利用超声波制备稳定的纳米级水性颜料分散液的方法。

(二)背景技术：

制备颜料分散液的难点在于颜料粒子的超细化、粒径分布的均匀化以及颜料分散液的稳定性。其中，颜料分散液的稳定性对其应用具有重要意义。由于颜料粒子特别是纳米颜料粒子具有较大的比表面积和较高的表面能，彼此之间极易产生自发凝聚和团聚现象，形成粒径较大的二次粒子，从而使颜料分散液的稳定性下降。因此，一般来说通过添加分散剂或其他方法得到分散比较稳定的颜料分散液。

目前，最常见的颜料分散方法就是在分散设备的作用下通过分散剂对颜料粒子进行分散。虽然该方法简单易行，但是由于分散剂分子结构局限性使其与颜料粒子表面结合不牢固而导致分散后的颜料粒子重新聚集在一起，造成颜料分散液的稳定性下降，颜料粒径变大，容易造成喷墨打印机堵头，损坏喷墨打印机。

超声波是指频率超过2万赫兹(Hz)的一种机械波，即超过人耳听觉上限的声波。超声波对化合物的合成、聚合物的降解、颗粒物质的分散具有重要作用。迄今为止，对超声波之所以能产生化学效应的原因尚不十分清楚。一个普遍接受的观点是空化现象，即在液体介质中微泡的形成和破裂过程中，伴随能量的释放。空化现象产生的瞬间，形成了强烈的振动波，液体中空气泡的快速形成和突然崩溃产生了短暂的高能微环境，据计算在毫微秒的时间间隔内可达5000K以上的高温和约10⁷pascal的高压，产生高速射流，使得在普通条件下难以发生的现象有可能实现。因此，超声波分散亦是降低微粒团聚的有效方法，利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等，可较大幅度地弱化微粒间的作用能，有效地防止粒子团聚，尤其在分散初期效果明显。但此过程无法维持分散后的微粒不再团聚。

然而，单独使用超声波直接对未经研磨过颜料粒子进行处理时，无法得到分散性良好的纳米粒子，这是因为未经研磨的颜料粒子其分子间作用力很大，超声波对微粒所产生的作用无法达到对其粉碎的程度。因此超声处理前颜料分散液必须经过物理机械研磨进行前期处理，但此方法无法维持表面能及动能较高的纳米粒子不再团聚，造成纳米颜料分散液的稳定性逐渐下降。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种利用超声波制备稳定的纳米级水性颜料分散液的方法，它将研磨处理后得到的纳米颜料分散液进行超声波处理可以明显提高颜料分散液的稳定性，这样得以提高现有技术水平，克服颜料分散体分散难、稳定性差、难于保存的缺点，增强颜料喷墨墨水的打印性能。

本发明的技术方案：一种超声波制备稳定的纳米颜料分散液的方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)配制颜料分散混合液，分散混合液至少由去离子水、分散剂和颜料混合组成；

(2)将配制的颜料分散混合液用高速剪切机进行高速剪切，再经过研磨处理后得到纳米级水性颜料分散液；

(3)将(2)所得的颜料分散液放入超声波处理器中；

(4)调节超声波功率，控制超声温度，进行超声波处理；

(5)将超声波处理后的颜料分散液取出，得到稳定的纳米级水性颜料分散液。

上述步骤(1)所说的颜料分散混合液含有分散剂4％～12％，颜料8％～30％，去离子水58％～88％；

上述步骤(1)中所说的颜料分散混合液中还可以加入重量百分比为0.1％～0.4％的杀菌剂。

上述所说的所说颜料或是有机颜料，或是无机颜料，或是有机颜料和无机颜料的组合；有机颜料是颜料青C.I.PB 15:3(P.B.15:3)，颜料青C.I.PB 15:1(P.B.15:1)，颜料青C.I.PB 15:2(P.B.15:2)，颜料青C.I.PB 15:4(P.B.15:4)，颜料青C.I.PB 15:6(P.B.15:6)，颜料青C.I.PB 76(P.B.76)，颜料青C.I.PB 60(P.B.60)，颜料黄C.I.C.I.PY 155(P.Y.155)，颜料黄C.I.PY74(P.Y.74)，颜料黄C.I.PY 55(P.Y.55)，颜料黄C.I.PY 128(P.Y.128)，颜料黄C.I.PY 83(P.Y.83)，颜料黄C.I.PY 151(P.Y.151)，颜料黄C.I.PY 154(P.Y.154)，颜料黄C.I.PY 155(P.Y.155)，颜料黄C.I.PY65(P.Y.65)，颜料黄C.I.PY139(P.Y.139)，或颜料红C.I.PR122(P.R.122)，颜料红C.I.PR48:1(P.R.48:1)，颜料红C.I.PR48:2(P.R.48:2)，颜料红C.I.PR170(P.R.170)，颜料红C.I.PR207(P.R.207)，颜料红C.I.PR168(P.R.168)，颜料红C.I.PR177(P.R.177)，颜料红C.I.PR188(P.R.188)，颜料红C.I.PR179(P.R.179)，颜料红C.I.PR202(P.R.202)，颜料红C.I.PR112(P.R.112)，颜料红C.I.PR3(P.R.3)，颜料红C.I.PV19(P.V.19)，颜料红C.I.PV23(P.V.23)，颜料红C.I.PV29(P.V.29)，颜料绿C.I.PG7(P.G.7)，颜料绿C.I.PG36(P.G.36)；无机颜料可以是碳黑，二氧化钛，硫酸钡，氧化锌，碳酸钙，二氧化硅。

上述所说的分散剂或是离子型分散剂，或是非离子型分散剂，或是两者共用。

离子型分散剂是N-甲基-N-油基牛磺酸钠，即sodiumN-methyl-N-oleoyl taurate、油酰基甲基牛磺酸钠、油酸钾、油酸、烷基芳基磺酸盐、三乙醇胺油酸酯、油酸钠、油酸钾、N-十六烷基-N-乙基吗啉基乙基硫酸钠、纯月桂基硫酸钠；非离子型分散剂是聚丙烯酸类或聚氨酯类聚合物如拜耳公司(Bayer)的SN95，或是聚氧丙烯(5P0)羊毛醇醚、聚氧乙烯(5EO)失水山梨醇单油酸酯、混合脂肪酸和树脂酸的聚氧乙烯酯类、聚氧乙烯十六烷基醚、聚氧乙烯(20EO)失水山梨醇三硬脂酸酯、聚氧乙烯月桂醚、聚氧乙烯(20EO)失水山梨醇三油酸酯、聚氧乙烯氧丙烯油酸酯、聚氧乙烯羊毛脂衍生物、聚氧乙烯单油酸酯、聚氧乙烯单硬脂酸酯、聚氧乙烯单油酸酯、聚氧乙烯单油酸酯、聚氧乙烯单棕榈酸酯、聚氧乙烯单硬脂酸酯、聚氧乙烯单硬脂酸酯、聚氧乙烯(10EO)油醇醚、聚氧乙烯单月桂酸酯、聚氧乙烯烷基酚、聚氧乙烯(10EO)乙酰化羊毛脂衍生物、聚氧乙烯山梨醇羊毛脂衍生物、聚氧乙烯烷基芳基醚、聚氧乙烯单月桂酸酯、聚氧乙烯单月桂酸酯、聚氧乙烯月桂醚、聚氧乙烯蓖麻油、聚氧乙烯植物油、聚氧乙烯(4EO)失水山梨醇单月桂酸酯、混和脂肪酸和树脂酸的聚氧乙烯酯类、聚氧乙烯山梨醇羊毛脂衍生物、聚氧乙烯(24EO)胆固醇醚、聚氧丙烯(20PO)羊毛醇醚、聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯、聚氧乙烯(20EO)失水山梨醇单硬脂酸酯、聚氧乙烯(20EO)油醇醚、聚氧乙烯(20EO)甲基葡萄糖苷倍半油酸酯、聚氧乙烯(16EO)羊毛醇醚、聚氧乙烯(25EO)羊毛醇醚、聚氧乙烯(9EO)乙酰化羊毛脂衍生物、聚氧乙烯(20EO)失水山梨醇单油酸酯、聚氧乙烯单硬脂酸酯、聚氧乙烯单油酸酯、聚氧乙烯油基醚、聚氧乙烯十八醇、聚氧乙烯油醇、聚氧乙烯脂肪醇、聚乙二醇单棕榈酸酯、聚氧乙烯(20EO)失水山梨醇单棕榈酸酯、聚氧乙烯十六烷基醇、聚氧乙烯氧丙烯硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨醇羊毛脂衍生物、聚氧乙烯单硬脂酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯、聚氧乙烯单月桂酸酯、聚氧乙烯油基醚、聚氧乙烯(20EO)失水山梨醇单月桂酸酯、聚氧乙烯月桂醚、聚氧乙烯单硬脂酸酯、聚氧乙烯单硬脂酸酯、聚氧乙烯单硬脂酸酯。

上述步骤(2)中所说的在研磨机里面研磨的时间为0.5～20小时。

上述步骤(2)中所说的经研磨处理后的水性颜料分散液的粒径D₅₀在10～100nm之间。

上述步骤(4)中所说的超声处理时间为2～480分钟，超声波功率为20～100KHz，试样温度维持在10～60℃。

本发明的优越性和技术效果在于：(1)超声波对颜料分散体系具有一定的细化和提高分散体系稳定的作用；经过超声波处理后的水性颜料分散液的粒径分布变窄，水性颜料分散液粒径变小，并且颜料分散体系稳定性良好；(2)这种纳米级水性颜料分散液与未经过超声波处理过的分散液相比，经检测稳定性明显提高；(3)经超声波处理的颜料分散液非常稳定，经加速测试能够稳定，使颜料分散液能够更好的运用在喷墨打印墨水中。

注：D50：一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。

D90：一个样品的累计粒度分布数达到90％时所对应的粒径。

D95：一个样品的累计粒度分布数达到95％时所对应的粒径。

(四)说明书附图：

附图为本发明所涉及的纳米级水性颜料分散液在超声前后稳定性的对比曲线示意图：

图1为实施例1超声前分散液稳定性曲线示意图；

图2为实施例1超声后分散液稳定性曲线示意图；

图3为实施例2超声前分散液稳定性曲线示意图；

图4为实施例2超声后分散液稳定性曲线示意图；

(五)具体实施方式：

实施例1：

一种利用超声波制备纳米级水性颜料分散液的方法，它包括以下步骤：

(1)配制颜料分散混合液，分散混合液由去离子水、分散剂和颜料混合组成，其中33g C.I.颜料青PB 15:3(P.B.15:3)、分散剂油酰基甲基牛磺酸钠33.86g、杀菌剂0.6g、去离子水232.54g；

(2)将配制的颜料分散混合液用高速剪切机高速剪切1小时，再用研磨机研磨处理3小时，得到颜料分散液；其中所说的颜料分散液是水性颜料分散液；

(3)将160g颜料分散液放入超声波处理器中；

(4)调节超声波功率为40KHz，温度为室温；

(5)将颜料分散液超声处理15分钟后，取出，得到纳米级水性颜料分散液。

取出一滴纳米级水性颜料分散液，稀释后经粒径测试仪测试粒径。

技术效果：表1是实施例1分散液经过高低温循环实验以后的稳定性。高低温循环条件是高温60℃，低温-20℃，具体循环方法是，在高温60℃的环境中放置24小时，在低温-20℃的环境中放置24小时，这样称为一个周期，一共循环三个周期，共计用时为6天。

从表1中可以看出，当超声波处理前的分散液经高低温循环后粒径有所增加，增长率为21.7％；但超声波处理后分散液的粒径变化不大，增长率为1.9％，甚至低于未经超声波和高低温循环处理过的分散液粒径，因此超声波可显著提升颜料分散液的品质。

表1实施例1高低温循环后颜料分散液的稳定性

实施例1中超声波处理前后分散液稳定性结果见说明书附图，图1和图2。从附图中可以看到，超声波处理前，分散液稳定曲线前后有变化，41天后，D50增加到65.8nm；而超声波处理后，分散液稳定曲线比较平缓，并且D50仅为47.8nm，降低率为27.4％，因此经过超声波处理后的颜料分散液的稳定性提高。

实施例2：

(1)配制颜料分散混合液，分散混合液由去离子水、分散剂和颜料混合组成，其中33.0g C.I.颜料黄PY155(P.Y.155)、分散剂油酰基甲基牛磺酸钠37.5g、杀菌剂0.6g、去离子水230.0g；

(2)将配制的颜料分散混合液用高速剪切机高速剪切1小时，再用研磨机研磨处理3.5小时，得到颜料分散液；其中所说的颜料分散液是水性颜料分散液；

(3)将200g颜料分散液放入超声波处理器中；

(4)调节超声波功率为40KHz，温度为室温；

(5)将颜料分散液超声处理60分钟后，取出，得到纳米级水性颜料分散液。

技术效果：表2是实施例2分散液经过高低温循环实验以后的稳定性。高低温循环条件是高温60℃，低温-20℃，具体循环方法是，在高温60℃的环境中放置24小时，在低温-20℃的环境中放置24小时，这样称为一个周期，一共循环三个周期，共计用时为6天。

从表2中可以看出，当超声处理前的分散液经高低温循环后粒径有所增加，增长率为26.6％；但超声处理后分散液的粒径变化不大，增长率为11.2％，甚至低于未经超声波和高低温循环处理过的分散液粒径，因此超声波可显著提升颜料分散液的品质。

表2实施例2高低温循环后颜料分散液的稳定性

实施例2中超声波处理前后分散液稳定性结果见说明书附图，图3和图4。从附图中可以看到，超声波处理前，分散液稳定曲线前后有变化，40天后，D50增加到90.4nm；而超声波处理后，分散液稳定曲线比较平缓，并且D50仅为50.3nm，降低率为44.4％，因此经过超声波处理后的颜料分散液的稳定性提高。

Claims

1.一种利用超声波制备稳定的纳米级水性颜料分散液的方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)配制颜料分散混合液，分散混合液至少由去离子水、分散剂、颜料和杀菌剂混合组成，各组分含量范围：分散剂4％-12％、颜料8％～30％、去离子水58％～88％、杀菌剂0.1％～0.4％，其中各组分之和为百分之百，其中所说的分散剂或是离子型分散剂，或是非离子型分散剂，或是两者共用；所说的颜料或是有机颜料，或是无机颜料，或是有机颜料和无机颜料的组合；

(2)将配制的颜料分散混合液用高速剪切机进行高速剪切，再经过研磨处理后得到纳米级水性颜料分散液，其中研磨时间为0.5～20小时；

(3)将(2)所得的颜料分散液放入超声波处理器中；

(4)调节超声波功率，控制超声温度，进行超声波处理；超声处理时间为2～480分钟，超声波功率为20～100KHz，试样温度维持在10～60℃；

(5)将超声波处理后的颜料分散液取出，得到稳定的纳米级水性颜料分散液，其粒径D50在10～100nm之间。

2.根据权利要求1所说的一种利用超声波制备稳定的纳米级水性颜料分散液的方法，其特征在于有机颜料是颜料青C.I.PB 15:3，颜料青C.I.PB 15:1，颜料青C.I.PB 15:2，颜料青C.I.PB 15:4，颜料青C.I.PB 15:6，颜料青C.I.PB 76，颜料青C.I.PB 60，颜料黄C.I.PY155，颜料黄C.I.PY 74，颜料黄C.I.PY 55，颜料黄C.I.PY 128，颜料黄C.I.PY 83，颜料黄C.I.PY 151，颜料黄C.I.PY 154，颜料黄C.I.PY 65，颜料黄C.I.PY 139，或颜料红C.I.PR 122，颜料红C.I.PR 48:1，颜料红C.I.PR 48:2，颜料红C.I.PR 170，颜料红C.I.PR 207，颜料红C.I.PR 168，颜料红C.I.PR 177，颜料红C.I.PR 188，颜料红C.I.PR 179，颜料红C.I.PR 202，颜料红C.I.PR 112，颜料红C.I.PR 3，颜料红C.I.PV 19，颜料红C.I.PV 23，颜料红C.I.PV 29，颜料绿C.I.PG 7，颜料绿C.I.PG 36；无机颜料是碳黑，二氧化钛，硫酸钡，氧化锌，碳酸钙，二氧化硅。