CN102030919B - 环保型表面高分子改性水性着色剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环保型表面高分子改性水性着色剂及其制备方法，属于化工领域。该环保型表面高分子改性水性着色剂，其原料组成为：水：21-38重量份；二氧化钛和/或氧化铁：55-65重量份；硅烷偶联剂:0.5-1.5重量份；紫外光引发剂:1-2重量份；分散剂:0.5-1.5重量份；乳化剂:1-2重量份；铵盐助剂：0.1-0.3重量份；二乙二醇:4-6重量份。
Description
技术领域
本发明涉及一种环保型表面高分子改性水性着色剂及其制备方法，属于化工领域。
背景技术
在塑料、皮革、橡胶、涂料等高分子材料加工业中，着色是关系高分子材料产品质量和商品价格的主要因素之一。着色能使制品充分体现时尚、流行，刺激消费者的购买欲望；也可用作鉴别信号，区分电讯和电气工程线路，标志产品品种、等级及批号等。因此，高分子材料的着色越来越受到高分子材料制品生成厂商的重视。着色剂主要有颜料和染料两种。美国出版的《Pigment Handbook》(1987 年版)将颜料定义为：不被分散介质所溶解，基本上也不与这种介质发生物理和化学反应的，其粒径变化范围可从非常细的胶体粒子到比较粗大的粒子的粒状物质，包括有机物和无机物两类。染料则是可溶解于树脂中的着色剂，它们是有机化合物，但是毒性较大。无机颜料是工业中应用量最大、应用面最广的颜料，尽管与有机颜料相比在分散性、透明度和着色力尚有欠缺，但是大多数产品的价格低廉，产品具有较高的耐光性、耐热性和耐候性。
由于环保法规和工业卫生条例的日趋强化，环保无机颜料如环保型钛白及环保型氧化铁颜料将得到普遍的开发与广泛应用，尤其是在与人体直接接触的食品、包装、玩具、家具、服装等领域，而非环保型无机颜料将逐步淡出历史舞台。二氧化钛是目前用量最大的无机颜料着色剂。纳米级超细二氧化钛不仅起到着色作用还可以起到杀菌作用。氧化铁颜料的产销量仅次于钛白粉与碳黑，是第三个量大面大的无机颜料，属第一大彩色无机颜料。氧化铁颜料颜色多，色谱较广，遮盖力较高，主色有红、黄、黑三种，通过调配还可以得到橙、棕、绿等系列色谱的复合颜料。氧化铁颜料有较好的耐光、耐候、耐碱及耐溶剂性，还具有无毒性等特点。环保型二氧化钛和氧化铁无机颜料都通过REACH、RoHS、FDA及UL认证。
由于无机颜料是不溶于水和绝大多数有机溶剂染色基质的有色固体粉末，它是以高度分散的状态加入基质而使基质着色。因此，大多高分子材料着色使用的无机颜料通常都要经过预处理制成色粉或色浆（色粉或色浆通常由颜料、助剂、分散剂组成），并且保持良好的分散性。由于表面能的作用，颜料微细粒子（0.2~2.5 m）之间产生吸引力，使得颗粒聚集成团（>30 m）。如果无机颜料不能在高分子基体中良好分散，不仅会造成制品的透明度下降，而且大尺寸团聚体起应力集中的作用，使高分子材料强度降低。尤其是未分散的颜料结块处于塑料注塑零件薄壁或高应力区时，就可能使零件断裂。而且颜料的着色力与颜料在材料基体中的分散度也有关联。二氧化钛和氧化铁无机颜料的分散性较差，一般采用有机处理剂对其表面进行一定处理，有机处理剂一般选用三乙醇胺、山梨糖醇、甘露糖醇、聚乙二醇、聚丙二醇、烷基氯硅烷、酯类化合物、脂肪酸类化合物等。这些小分子处理剂与其他的分散剂如低分子聚乙烯、EVA蜡、白油等，只能部分改善二氧化钛和氧化铁颜料在高分子基体中的分散，分散效果和着色力与有机颜料和染料差距很大，增大分散剂的使用量还会导致产品力学性能下降。
以上二氧化钛和氧化铁颜料在使用中的问题，严重制约其在高价值产品中的应用，如家电、通讯产品和电子娱乐产品，高档环保玩具，高档家具建材等等。而在高端产品中使用高档有机颜料和有机/无机复合颜料，不仅价格昂贵，而且颜料的耐热、耐候和环保性都有很大限制。因此开发基于二氧化钛和氧化铁无机颜料的高分散性着色剂，对于提高产品价值、减少有毒物质使用是着色剂行业的必然趋势。而本专利，就是在全社会倡导环境保护的大形势下，针对目前我国无机颜料着色剂产品缺陷，所研发的一项创新性着色剂。
二氧化钛和氧化铁无机颜料均不溶于水和所有的有机溶剂。为了提高颜料，尤其是超细透明颜料的分散性，绝大多数都要进行表面处理，以提高分散性、遮盖力、消色力、耐久性等性能。与传统的无机表面处理（铝、硅、钛、锆等金属的氧化物或水合氧化物）相比，国外公司广泛采用有机表面处理工艺，有机处理剂有多元醇、三乙醇胺、二异丙醇胺、酯化苯乙烯顺丁烯二酸酐共聚物、聚甲基硅氧烷等。例如，根据早先的统计，Kronos 在 28 个具有颜料性能的二氧化钛中，有 10 个进行了有机处理，占36%。DuPont公司的二氧化钛经表面处理，在塑料基体中最多可添加到25 wt%。国外的所谓节能型钛白，就是通过有机表面处理，而大大缩短了研磨分散时间。以Bayer公司和杭州华源为代表生产的氧化铁颜料，在使用中，也必须采用与处理二氧化钛颜料类似的有机表面处理工艺。
目前通过在二氧化钛和氧化铁无机颜料表面接枝聚合物以改进其分散性的表面处理工艺在国内处于空白。国际上仅有Milliken公司在有机颜料上采用表面接枝聚合物工艺来提高颜料的分散性，市场上仅有其ViviTint产品。由于其采用DMF有机溶剂和有机颜料，生物毒性大，而且价格高昂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种配方设计合理、毒性小、造价低、分散性高、质量稳定、提高了无机颜料着色剂的透明度和色彩鲜艳程度的环保型表面高分子改性水性着色剂。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种上述环保型表面高分子改性水性着色剂的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是该环保型表面高分子改性水性着色剂，其原料组成为：
水：21-38重量份；二氧化钛和/或氧化铁：55-65重量份；硅烷偶联剂:0.5-1.5重量份；紫外光引发剂:1-2重量份；分散剂:0.5-1.5重量份；乳化剂:1-2重量份；铵盐助剂：0.1-0.3重量份；二乙二醇:4-6重量份。硅烷偶联剂主要起到表面接枝二氧化钛和/或氧化铁；紫外光引发剂主要起光引发作用，将多官能团丙烯酸单体接枝到二氧化钛和/或氧化铁分子上。分散剂主要起到分散接枝改性过的二氧化钛和/或氧化铁；乳化剂主要起润湿接枝改性过的二氧化钛和/或氧化铁，赋予色浆优越的机械和化学稳定性、成膜性及耐水性。铵盐助剂主要起到调节整个体系的酸碱度的作用，二乙二醇主要起到调节流动性、保湿等作用。
作为优选，本发明所述的原料组成中还包括：甲基异噻唑啉酮0.05～0.25重量份、消泡剂0～0.5重量份、防霉剂0～0.5重量份。
作为优选，本发明所述的硅烷偶联剂为丙基三甲氧基硅烷。
作为优选，本发明所述的紫外光引发剂为羟基甲基苯基丙烷酮。
作为优选，本发明所述的乳化剂为阴离子烷基聚氧乙烯醚硫酸钠。
作为优选，本发明所述的分散剂为聚羧酸钠盐。
作为优选，本发明所述的铵盐助剂低分子量有机胺化合物。
作为优选，本发明所述的二氧化钛和/或氧化铁为超细粒径的二氧化钛和/或氧化铁，细度为0.01 ~ 0.05 μm。
作为优选，本发明所述的防霉剂为多菌灵或正辛基异噻唑啉酮，所述的消泡剂为有机硅类消泡剂。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还是环保型表面高分子改性水性着色剂的制备方法，其整个工艺过程中温度控制在50°C以下，其工艺步骤依次为：
a、将所有的原料加入混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料，搅拌的同时，用超声波传感器进行超声波分散；
b、将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到半成品着色剂；
c、将半成品着色剂通过紫外光进行引发，得到环保型表面高分子改性水性着色剂。
本发明同已有的技术相比，具有以下优点和特点：本发明大幅度提高了二氧化钛和/或氧化铁无机颜料在水溶液和树脂基体中的分散性。本专利的发明极大的提高了二氧化钛和/或氧化铁无机颜料的着色力，耐色迁移性能；同时提高二氧化钛和/或氧化铁无机颜料颗粒与树脂间作用力，改善最终产品的力学性能。本产品得到了消费者的广泛认可，该环保水性高分散着色剂应用性能优良，具有广泛市场前景。本发明的配方更加合理，组分配合更加先进，产品性能更优良、稳定；工艺方法更先进。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
将31.7重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、0.8重量份硅烷偶联剂；1重量份紫外光引发剂；60重量份的二氧化钛，4重量份的二乙二醇和1重量份分散剂；1重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散白浆着色剂，颗粒细度达到8um以下。
将24.3重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、1重量份硅烷偶联剂；1.2重量份紫外光引发剂；65重量份的二氧化钛，5重量份的二乙二醇和1.5重量份分散剂；1.5重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散白浆着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例3：
将36.2重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、0.8重量份硅烷偶联剂；1重量份紫外光引发剂；55重量份的二氧化钛，4重量份的二乙二醇和1重量份分散剂；1.5重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散白浆着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例4：
将31.7重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、0.8重量份硅烷偶联剂；1重量份紫外光引发剂；60重量份的氧化铁红，4重量份的二乙二醇和1重量份分散剂；1重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散氧化铁红着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例5：
将24.3重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、1重量份硅烷偶联剂；1.2重量份紫外光引发剂；65重量份的氧化铁红，5重量份的二乙二醇和1.5重量份分散剂；1.5重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散氧化铁红着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例6：
将36.2重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、0.8重量份硅烷偶联剂；1重量份紫外光引发剂；55重量份的氧化铁红，4重量份的二乙二醇和1重量份分散剂；1.5重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散氧化铁红着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例7：
将31.7重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、0.8重量份硅烷偶联剂；1重量份紫外光引发剂；60重量份的氧化铁黄，4重量份的二乙二醇和1重量份分散剂；1重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散氧化铁黄着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例8：
将24.3重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、1重量份硅烷偶联剂；1.2重量份紫外光引发剂；65重量份的氧化铁黄，5重量份的二乙二醇和1.5重量份分散剂；1.5重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散氧化铁黄着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例9：
将36.2重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、0.8重量份硅烷偶联剂；1重量份紫外光引发剂；55重量份的氧化铁黄，4重量份的二乙二醇和1重量份分散剂；1.5重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散氧化铁黄着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例10：
将31.7重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、0.8重量份硅烷偶联剂；1重量份紫外光引发剂；60重量份的氧化铁黑，4重量份的二乙二醇和1重量份分散剂；1重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散氧化铁黑着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例11：
将24.3重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、1重量份硅烷偶联剂；1.2重量份紫外光引发剂；65重量份的氧化铁黑，5重量份的二乙二醇和1.5重量份分散剂；1.5重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散氧化铁黑着色剂，颗粒细度达到8um以下。
实施例12：
将36.2重量份的水、0.1重量份胺盐助剂、0.8重量份硅烷偶联剂；1重量份紫外光引发剂；55重量份的氧化铁黑，4重量份的二乙二醇和1重量份分散剂；1.5重量份乳化剂；0.1kg的甲基异噻唑啉酮、0.2kg的有机硅类消泡剂、0.1kg的多菌灵；加入到带有超声波传感器的混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料；
将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20um以下，得到环保型水性着色剂。
将水性着色剂通过紫外光引发，得到紫外光引发的接枝改性聚合的环保水性高分散氧化铁黑着色剂，颗粒细度达到8um以下。
为了定量评估该方法对二氧化钛和氧化铁无机颜料分散性的改善效果，针对改性前后水性着色剂的平均粒径分析比较列于表1。
表1. 不同分散方法对于二氧化钛和氧化铁红水性着色剂平均粒径影响。
与常规的物理分散和有机小分子分散方法相比较，采用新型工艺生产的颜料颗粒平均粒径可下降50%以上效果明显。而且本项目产品储存期长，可达3至6个月，再分散不影响使用效果。
本发明采用紫外光引发接枝聚合技术，化学修饰具有多官能团的丙烯酸酯聚合物，在无机颜料表面包覆上稳定的亲水性聚合物，大幅提高其在水溶液和树脂基体中的分散性，从而制备一种高分散性水性着色剂。
本发明能有效提高无机颜料的着色力，耐色迁移性能；提高无机颜料颗粒与树脂间作用力，改善最终产品的力学性能，提高了无机颜料着色剂的透明度和色彩鲜艳程度。
本发明采用超细粒径的二氧化钛和氧化铁无机颜料（0.01 ~ 0.05 μm），经过高强搅拌分散和超声辅助分散，再经表面接枝高分子改性，最终颜料平均粒径在高分子材料中可以保持在0.2 μm以下。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其配方、工艺所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种环保型表面高分子改性水性着色剂，其原料组成为：
水：21-38重量份；二氧化钛和/或氧化铁：55-65重量份；硅烷偶联剂:0.5-1.5重量份；紫外光引发剂:1-2重量份；分散剂:0.5-1.5重量份；乳化剂:1-2重量份；铵盐助剂：0.1-0.3重量份；二乙二醇:4-6重量份。
2.根据权利要求1所述的环保型表面高分子改性水性着色剂，其特征是：所述的原料组成中还包括：甲基异噻唑啉酮0.05～0.25重量份、消泡剂0～0.5重量份、防霉剂0～0.5重量份。
3.根据权利要求1所述的环保型表面高分子改性水性着色剂，其特征是：所述的硅烷偶联剂为丙基三甲氧基硅烷。
4.根据权利要求1所述的环保型表面高分子改性水性着色剂，其特征是：所述的紫外光引发剂为羟基甲基苯基丙烷酮。
5.根据权利要求1所述的环保型表面高分子改性水性着色剂，其特征是：所述的乳化剂为阴离子烷基聚氧乙烯醚硫酸钠。
6.根据权利要求1所述的环保型表面高分子改性水性着色剂，其特征是：所述的分散剂为聚羧酸钠盐。
7.根据权利要求1所述的环保型表面高分子改性水性着色剂，其特征是：所述的铵盐助剂低分子量有机胺化合物。
8.根据权利要求1所述的环保型表面高分子改性水性着色剂，其特征是：所述的二氧化钛和/或氧化铁为超细粒径的二氧化钛和/或氧化铁，细度为0.01～0.05 μm。
9.根据权利要求2所述的环保型表面高分子改性水性着色剂，其特征是：所述的防霉剂为多菌灵或正辛基异噻唑啉酮，所述的消泡剂为有机硅类消泡剂。
10.一种如权利要求1至9中任意一项所述的环保型表面高分子改性水性着色剂的制备方法，其整个工艺过程中温度控制在50°C以下，其工艺步骤依次为：
a、将所有的原料加入混料罐内，搅拌0.8---1h，搅拌速度为800—1200转/分钟，得到预分散好的浆料，搅拌的同时，用超声波传感器进行超声波分散；
b、将搅拌好的浆料，用砂磨机进行砂磨，砂磨速度为300~400L/h,颗粒细度达到20μm以下，得到半成品着色剂；
c、将半成品着色剂通过紫外光进行引发，得到环保型表面高分子改性水性着色剂。
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