CN111171216A - 一种水性分散剂及制备方法和应用 - Google Patents

一种水性分散剂及制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料术域,公开了一种水性分散剂,按重量份计,主要由以下原料制得:甲基丙烯酸苄基酯10‑30份、甲基丙烯酸盐0.5‑15份、引发剂0.1‑5份、溶剂50‑90份。本发明采用甲基丙烯酸苄基酯和甲基丙烯酸盐剂简体,在引发剂作用下制备分散剂,利用甲基丙烯酸苄基酯的芳香环化学结构,产生π键吸附力,使得分散剂能够稳定地吸附在颜料颗粒表面;而甲基丙烯酸盐具有亲水性,同时在水中可解离剂离子,可大大提高水溶性,使得制备的水性分散剂与有机颜料作用力强,不容易脱落和被取代,且水溶性好。因此所述水性分散剂润湿性、分散性好,稳定性高。采用所述水性分散剂制得的色浆不易出现沉降、浮色、分散不稳定情况。

Description

一种水性分散剂及制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料领域,特别涉及一种水性分散剂及制备方法和应用。
背景技术
基于环保的考虑,水性有机色浆在涂料、油墨、喷墨产业的应用更为广泛。以水作为基底可以减少有机溶剂的使用,有助干降低VOC(挥发性有机化合物)的排放来防止空气污染,并降低对人体健康的影响。但是水性有机色浆的制备,始终存在一些困难点,例如:色浆不稳定容易出现絮凝、分层的现象。色浆的絮凝、分层是因为有机颜料不容易在水中稳定分散。常见的有机色料包括颜料及分散染料,其结构大多为偶氮类、酞菁类、蒽醌类、靛类、喹吖啶酮类、二恶嗪等多环类、芳甲烷类等。这些色料普遍存在亲油性的苯环或杂环结构,以及一些极性胺基、酰胺基、羧酸基、酯基、羟基等。分子间吸引力强容易团聚,很难分散开来。
为了避免色料在水中絮凝,一般会添加分散剂来稳定,其主要依靠分散剂在色料颗粒上产生的静电斥力及立体障碍使色料能够稳定分散在水中。通常在制备色浆时会透过研磨的方式进行分散,而这时分散剂的湿润效果、研磨力、分散力会影响色浆成品的稳定性。市面上分散剂种类众多,但是让仍然存在分散性差,不稳定的问题。
因此,希望提供有一种润湿性、分散性好、稳定性高、且制备过程简单的分散剂。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种水性分散剂及制备方法和应用,其润湿性、分散性好,稳定性高,且制备过程简单。
一种水性分散剂,按重量份计,主要由以下原料制得:
Figure BDA0002352947550000011
优选的,所述水性分散剂,按重量份计,主要由以下原料制得:
Figure BDA0002352947550000021
亲油单体选用甲基丙烯酸苄基酯,其具有芳香环,可和具有芳香环化学结构的色料产生π键吸附力,并有助于分散剂稳定的吸附在色料颗粒表面。
亲水单体,甲基丙烯酸盐,其具有羧酸基的极性基团,可以增加水溶性。
所述溶剂包括水和有机溶剂,所述有机溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、丁酮、甲基异丁酮、丙酮、四氢呋喃、环己酮、2-吡咯烷酮或丙三醇中的至少一种。所述溶剂用于溶解甲基丙烯酸苄基酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸盐、引发剂等。
优选的,所述水的质量为有机溶剂的质量的1.5-2.5倍。
优选的,所述甲基丙烯酸盐由甲基丙烯酸与碱反应得到,甲基丙烯酸经过碱化后生成稳定盐类,有利于制得的分散剂在水中均匀的溶解,并提高颜料在溶液中的润湿性、分散力及稳定性。
优选的,所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、一乙醇胺或二甲基乙醇胺中的至少一种。进一步优选的,所述碱的物质的量为甲基丙烯酸的物质的量的70-100%。
所述引发剂为含偶氮基化合物;优选的,所述引发剂为偶氮二异庚腈、偶氮二异丁腈、偶氮二异戊腈、偶氮二异丁酸二甲酯、偶氮二异丁眯盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮异丁氰基甲酰胺、偶氮二环己基甲腈或偶氮二氰基戊酸中的一种或多种。含偶氮基化合物易受热分解成自由基,用于引发烯类单体的自由基聚合和共聚合反应,作用效果好。
一种水性分散剂的制备方法,包括以下步骤:
采用溶剂溶解甲基丙烯酸苄基酯、甲基丙烯酸盐、引发剂,混合,在惰性气氛下加热,反应,至甲基丙烯酸苄基酯和甲基丙烯酸盐的残留量小于5%时终止反应,制得所述水性分散剂。
所述反应的温度为50-120℃,反应时间为3-7h。
优选的,在制得水性分散剂之后,还包括后续处理步骤,所述后续处理步骤具体为:在制得的水性分散剂中加入2-吡咯烷酮,进行蒸馏,溶剂置换。当在制备过程中使用的溶剂不是2-吡咯烷酮时,采用溶剂置换,使得溶剂为2-吡咯烷酮,当分散剂用于打印墨水时,能够有效的避免因丁酮等溶剂损伤喷头的问题。
一种水性分散剂的应用,将所述水性分散剂用于色浆的制备。
所述色浆,按重量份计,包括以下组分:
水性分散剂 20-60份
有机颜料 5-50份
溶剂 5-70份。
优选的,所述色浆,按重量份计,包括以下组分:
水性分散剂 40-60份
有机颜料 10-40份
溶剂 10-60份。
优选的,所述溶剂包括水、醚、酯、酮或醇中的至少一种。如水、乙醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、丁酮、甲基异丁酮、丙酮、乙醚、乙酸甲酯等。
优选的,所述有机颜料为常用有机颜料,如蓝色颜料PB15∶1、PB15∶2、PB15∶3、PB15∶4;黄色颜料PY12、PY13、PY74、PY150、PY151、PY155、PY180、PY183、PY185、PY194;红色颜料PV19、PR122、PR146、PR254、PR269;黑色颜料碳黑;蓝色分散染料14、28、56、72、87、165、359、360、366;红色分散染料4、11、22、54、60、74、82、92、146、278;黄色分散染料3、23、42、51、54、60、65、82、98、160、211;棕色分散染料27;所述有机颜料也可以是上述颜料的混和物。所述分散染料采购于江苏亚邦染料股份有限公司。
一种色浆的制备方法,包括以下步骤:
称取所述水性分散剂、有机颜料和溶剂,混合,研磨,过滤,取滤液,制得所述的色浆。
所述色浆的平均粒径为50-150nm。
具体的,一种色浆的制备方法,包括以下步骤:
将水性分散剂和溶剂混合,至溶剂将分散剂完全溶解,加入有机颜料,搅拌,使有机颜料完全润湿得到预分散液;将预分散液导入砂磨机进行研磨,再过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到所述色浆。
相对于现有技术,本发明的有益效果如下:
本发明采用甲基丙烯酸苄基酯和甲基丙烯酸盐为单体,在引发剂作用下制备分散剂,利用甲基丙烯酸苄基酯的芳香环化学结构,产生π键吸附力,使得分散剂能够稳定地吸附在颜料颗粒表面;而甲基丙烯酸盐具有亲水性,同时在水中可解离为离子,可大大提高水溶性,使得制备的水性分散剂与有机颜料作用力强,不容易脱落和被取代,且水溶性好。因此所述水性分散剂润湿性、分散性好,稳定性高。采用所述水性分散剂制得的色浆不易出现沉降、浮色、分散不稳定情况。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案,现列举以下实施例进行说明。需要指出的是,以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
实施例与对比例中,碳黑、蓝色颜料PB15∶3、黄色颜料PY74和红色颜料PR122购买干巴斯夫化工有限公司;红色分散染料60购买干江苏亚邦染料股份有限公司;分散剂DISPERBYK-190采购干毕克化学公司。
实施例1
将200g甲基丙烯酸苄基酯、140g丁酮和30g异丙醇混合均匀,得到预混液A;将25g甲基丙烯酸钾与200g水和25g异丙醇混合均匀,得到预混液B;取30.5g丁酮及7g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液C;再取20g丁酮及4.3g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液D。
将置有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气,并加入水300g和18.2g异丙醇,加热至90-100℃回流半小时去除空气;然后将预混液A、B及预混液C,同时缓慢加入反应瓶中进行反应;反应温度为90℃,约反应5.5小时后,将预混液D加入反应瓶,并反应约1小时,检测残留的单体量小于5%即终止反应;将反应瓶接上蒸馏装置,并取300g 2-吡咯烷酮倒入反应瓶中,加热至90℃将丁酮及异丙醇蒸出,进行溶剂置换,得到水性分散剂A。
实施例2
制备预混液,将175g甲基丙烯酸苄基酯、140g丁酮和30g异丙醇混合均匀,得到预混液A;将50g甲基丙烯酸钾与200g水和25g异丙醇混合均匀,得到预混液B;取30.5g丁酮及7g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液C;再取20g丁酮及4.3g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液D。
将置有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气,并加入水300g及18.2g异丙醇,加热至90-100℃回流半小时去除空气;然后将预混液A、B及预混液C,同时缓慢加入反应瓶中进行反应;反应温度为60℃,约反应5.5小时后,将预混液D加入反应瓶,并反应约1小时,检测残留的单体量小于5%即终止反应,制得水性分散剂B。
实施例3
制备预混液,将182.3g甲基丙烯酸苄基酯、140g丁酮和30g异丙醇混合均匀,得到预混液A;将42.7g甲基丙烯酸钾与200g水和25g异丙醇混合均匀,得到预混液B;取30.5g丁酮及7g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液C;再取20g丁酮及4.3g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液D。
将置有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气,并加入水300g及18.2g异丙醇,加热至90-100℃回流半小时去除空气;然后将预混液A、B及预混液C,同时缓慢加入反应瓶中进行反应;反应温度为100℃,约反应5.5小时后,将预混液D加入反应瓶,并反应约1小时,检测残留的单体量小于5%即终止反应;将反应瓶接上蒸馏装置,并取300g 2-吡咯烷酮倒入反应瓶中,加热至90℃将丁酮及异丙醇蒸出,进行溶剂置换,制得水性分散剂C。
实施例4
制备预混液,将166.5g甲基丙烯酸苄基酯、140g丁酮及30g异丙醇混合均匀,得到预混液A;将58.5g甲基丙烯酸钾与200g水和25g异丙醇混合均匀,得到预混液B;取30.5g丁酮及7g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液C;再取20g丁酮及4.3g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液D。
将置有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气,并加入水300g及18.2g异丙醇,加热至90-100℃回流半小时去除空气;然后将预混液A、B及预混液C,同时缓慢加入反应瓶中进行反应;反应温度为50℃,约反应5.5小时后,将预混液D加入反应瓶,并反应约1小时,检测残留的单体量小于5%即终止反应,制得水性分散剂D。
实施例5
制备预混液,将132g甲基丙烯酸苄基酯、140g丁酮和30g异丙醇混合均匀,得到预混液A;将93g甲基丙烯酸钾与200g水和25g异丙醇混合均匀,得到预混液B;取30.5g丁酮及7g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液C;再取20g丁酮及4.3g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液D。
将置有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气,并加入水300g及18.2g异丙醇,加热至90-100℃回流半小时去除空气;然后将预混液A、B及预混液C,同时缓慢加入反应瓶中进行反应;反应温度为120℃,约反应5.5小时后,将预混液D加入反应瓶,并反应约1小时,检测残留的单体量小于5%即终止反应,制得水性分散剂E。
实施例6
制备预混液,将166.5g甲基丙烯酸苄基酯、100g丁酮及30g异丙醇混合均匀,得到预混液A;将58.5g甲基丙烯酸钾与200g水和25g异丙醇混合均匀,得到预混液B;取30.5g丁酮及7g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液C;再取20g丁酮及4.3g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液D。
将置有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气,并加入水100g及18.2g异丙醇,加热至90-100℃回流半小时去除空气;然后将预混液A、B及预混液C,同时缓慢加入反应瓶中进行反应;反应温度为90℃,约反应5.5小时后,将预混液D加入反应瓶,并反应约1小时,检测残留的单体量小于5%即终止反应,制得水性分散剂F。
实施例7
制备预混液,将120g甲基丙烯酸苄基酯、100g丁酮及30g异丙醇混合均匀,得到预混液A;将6g甲基丙烯酸钾与200g水和25g异丙醇混合均匀,得到预混液B;取30.5g丁酮及7g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液C;再取20g丁酮及4.3g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液D。
将置有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气,并加入水100g及18.2g异丙醇,加热至90-100℃回流半小时去除空气;然后将预混液A、B及预混液C,同时缓慢加入反应瓶中进行反应;反应温度为90℃,约反应5.5小时后,将预混液D加入反应瓶,并反应约1小时,检测残留的单体量小于5%即终止反应,制得水性分散剂G。
实施例8
制备预混液,将166.5g甲基丙烯酸苄基酯、140g丁酮及30g异丙醇混合均匀,得到预混液A;将58.5g甲基丙烯酸钾与100g水和125g异丙醇混合均匀,得到预混液B;取30.5g丁酮及7g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液C;再取20g丁酮及4.3g偶氮二氰基戊酸混合搅拌至溶解,得到预混液D。
将置有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气,并加入水300g及18.2g异丙醇,加热至90-100℃回流半小时去除空气;然后将预混液A、B及预混液C,同时缓慢加入反应瓶中进行反应;反应温度为80℃,约反应5.5小时后,将预混液D加入反应瓶,并反应约1小时,检测残留的单体量小于5%即终止反应,制得水性分散剂H。
实施例9-17制备色浆
实施例9
将540g水性分散剂A溶干560g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g碳黑加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨,至平均粒径50-150nm;过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到分散稳定的黑色色浆。
实施例10
将560g水性分散剂B溶干540g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g蓝色颜料PB15∶3加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨,至平均粒径50-150nm;过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到分散稳定的蓝色色浆。
实施例11
将580g有机色料分散C溶干520g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g红色颜料PR122加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨,至平均粒径50-150nm;过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到分散稳定的红色色浆。
实施例12
将550g水性分散剂D溶于550g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g黄色颜料PY74加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨,至平均粒径50-150nm;过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到分散稳定的黄色色浆。
实施例13
将520g水性分散剂E溶干480g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g红色分散染料60加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨,至平均粒径50-150nm;过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到分散稳定的红色色浆。
实施例14
将550g水性分散剂F溶干550g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g红色分散染料60加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨,至平均粒径50-150nm;过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到分散稳定的红色色浆。
实施例15
将550g水性分散剂G溶干550g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g红色分散染料60加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨,至平均粒径50-150nm;过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到分散稳定的红色色浆。
实施例16
将350g水性分散剂D溶干550g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g黄色颜料PY74加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨,至平均粒径50-150nm;过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到分散稳定的黄色色浆。
实施例17
将550g水性分散剂H溶干550g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g黄色颜料PY74加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨,至平均粒径50-150nm;过滤去除胶体及大粒径颗粒,得到分散稳定的黄色色浆。
对比例1
将200g DISPERBYK-190分散剂(DISPERBYK-190分散剂的有效成分约为40%,实施例1-8制得的分散剂的有效含量约为20%)溶于400g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g红色分散染料60加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液,再将预分散液导入砂磨机进行研磨至平均粒径100-150nm。
对比例2
将360g DISPERBYK-190分散剂溶干540g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g蓝色颜料PB15∶3加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨至平均粒径100-150nm。
对比例3
将360g DISPERBYK-190分散剂溶干540g去离子水中,混合搅拌完全溶解得到预溶液;然后将400g红色颜料PR122加入预溶液,搅拌使色料完全润湿得到预分散液;再将预分散液导入砂磨机进行研磨至平均粒径100-150nm。
对比例4
对比例4与实施例11的区别在于,将550g水性分散剂替换为150份,其余组分和制备方法同实施例11。
产品效果测试
取实施例9-17和对比例1-4制得的色浆测试稳定性,稳定性用常温下放置的粒径,与60℃下老化7的粒径,进行对比评价,粒径变化小,则稳定性好。
粒径的测定方法为:
使用粒径分析仪,取微量的样品稀释测量;
测试样品配置:取500ul样品加入25g水中混和稀释,再将稀释后的样品取200ul加入16g水中混和均匀,即可取样至比色皿中,液体高度不超过比色皿1.5cm。样品中无法测量有肉眼可辩的颗粒,仪器的测定极限到5微米。
采用粒径分析仪进行测定,粒径分析仪的厂牌:Malvem;型号:Zetasizer NanoS90;测量范围:0.3nm-5.0μm(直径);测量原理:动态光散射法;最小样品容积:20μL;运行环境:温度范围:10-35℃。
测定指标包括平均粒径、D50、D100
其中D50:一个样品的累计粒径分布数达到50%时所对应的粒径,它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50%,小于它的颗粒也占50%,D50也叫中位粒径或中值粒径。
D100:一个样品的累计粒径分布数达到100%时所对应的粒径,它的物理意义是粒径小于它的的颗粒占100%,D100常用来表示粉体最粗的粒径指标。
表1色浆在常温及高温(60℃)下粒径
Figure BDA0002352947550000091
Figure BDA0002352947550000101
通过表1可知,买施例9-17所制备的色浆稳定性好,经高温放置7天后,粒径变化小,而对比例1-4经高温老化后,粒径变化大,部分甚至出现絮凝,变为泥浆状,已经无法进行粒径的测定。

Claims (10)

1.一种水性分散剂,其特征在于,按重量份计,主要由以下原料制得:
Figure FDA0002352947540000011
2.根据权利要求1所述的水性分散剂,其特征在于,所述水性分散剂,按重量份计,主要由以下原料制得:
Figure FDA0002352947540000012
3.根据权利要求1所述的水性分散剂,其特征在于,所述溶剂包括水和有机溶剂。
4.根据权利要求3所述的水性分散剂,其特征在于,所述有机溶剂剂乙醇、丙醇、异丙醇、丁酮、甲基异丁酮、丙酮、四氢氢喃、环己酮、2-吡咯烷酮或丙三醇中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的水性分散剂,其特征在于,所述水的质量剂有机溶剂的质量的1.5-2.5倍。
6.根据权利要求1或2所述的水性分散剂,其特征在于,所述引发剂剂含偶氮基化合物。
7.一种水性分散剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
采用溶剂溶解甲基丙烯酸苄基酯、甲基丙烯酸盐、引发剂,混合,在惰性气氛下加热,反应,至甲基丙烯酸苄基酯和甲基丙烯酸盐的残留量小于5%时时止反应,制得权利要求1-6中任一项所述的水性分散剂。
8.一种色浆,其特征在于,按重量份计,包括以下组分:
权利要求1-6中任一项所述的水性分散剂 20-60份
有机颜料 5-50份
溶剂 5-70份。
9.根据权利要求8所述的色浆,其特征在于,所述溶剂包括水、醚、酯、酮或醇中的至少一种。
10.一种色浆的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
称取所述水性分散剂、有机颜料和溶剂,混合,研磨,过过,取过液,制得权利要求8或9所述的色浆。
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