表面活性剂的表面特性与颜料色浆的分散性研究

表面活性剂的表面特性与颜料色浆的分散性研究

钱国坻赵先丽3 3 (苏州大学丝绸学院江苏苏州215021)
童克锦(浙江大学浙江杭州310027)
王忠民(无锡新光化工有限公司江苏无锡214028)

1 前言
近年来涂料印花在各种织物上得到广泛应用,同时涂料染色亦用于水洗和牛仔布等多种面料。由于涂料印花和染色具有工艺简单、色泽重现性好、色光易调整和控制、色谱齐全、生产效率高、污染少、耗能省、成本低等特点,使颜料色浆的应用日益拓展[1 – 3 ] 。
涂料印花和染色所用的色浆主要是由颜料和分散剂、润湿剂、胶体保护剂、水等多种助剂经研磨加工而制成,因此颜料在水中的分散程度将影响着印花和染色的质量。而颜料色浆的颗粒大小及分布又是决定分散程度的关键因素。通常颜料在水相中粒径愈大,颜料的沉降速度越快,色浆分散性越差;相反,颜料粒径愈细,色浆稳定性愈好,而且还会增加着色强度、遮盖率和光泽,并能改善其在水中的溶解性能。但当前国内颜料色浆普遍存在着颜料颗粒较大,遮盖力较差,色泽不够鲜艳,经常出现分层现象,严重影响了印制效果[4 – 6 ] 。为此,本文着重对颜料色浆研磨过程中所添加的表面活性剂,研究其表面特性与颜料颗粒粒径大小及分散性的关系;以及表面活性剂的二元、三元复配物对色浆分散性的影响,从而为合理选择分散剂,提高色浆分散稳定性提供一定依据。

2 试验
2. 1 试验材料
2. 1. 1 织物
平纹细棉布。
2. 1. 2 药品
除螯合剂HS 为工业品外,其余药品均为试剂级。
2. 1. 3 颜料
酞菁绿G 为市售商品。
2. 1. 4 表面活性剂
试验所用的阴和非离子表面活性剂均为商品,其商品和化学名称列于表1 中。
2. 2 试验仪器
250ml 立式研磨机, TG – 328A 型电光分析天平,WSD – 3 型白度仪,Coulter L S230 激光粒度分布仪(美国) ,J ZHY – 180 型界面张力仪,抽滤装置。
2. 3 试验方法
2. 3. 1 临界胶束浓度(cmc) 测定用表面张力法测定[7 ] 。
2. 3. 2 浊点测定
用1 %浓度的非离子表面活性剂溶液测定。
2. 3. 3 颜料色浆研磨
按规定工艺处方,将砂以外的物料倒入研磨机中研磨3min 后,再加入规定量的砂子,研磨2h 后倒出,过滤,得到所需的色浆。
2. 3. 4 粒径测定
在Coulter L S – 230 型激光粒度分布仪上测定,并用体积平均粒径(d mean ) 和标准偏差(SD) 来表示粒径及其分布情况。通常dmean愈小,粒径愈细;SD 愈小,粒子分布愈均匀。
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2. 3. 5 颜料色浆分散性测定
称取一定量颜料,置于250ml 烧杯中,加入规定量水,在电磁恒温搅拌器上于25 ℃恒温条件下搅拌5min 。然后将搅拌好的颜料色浆液倒入放有经润湿过的,并由钢圈压紧的二张快速新华滤纸的布氏漏斗中,在250 ±1mmHg 和25 ℃恒温条件下过滤,记录流经时间( s) ,重复测定二次,取其平均值。

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的颜料粒子容易凝聚;粘度太小,沉降速度过快,色浆的分散性也会变差。由此可见,颜料颗粒大小和粘度对色浆分散性有着密切的关系。
通常,采用体积平均粒径(d mean ) 来表示颜料颗粒大小,用与体积平均粒径的标准偏差(SD) 来表示粒子大小分布情况,SD 越小,粒径分布愈均匀。并用室温条件下的分散性测定来表示颜料颗粒在水溶液中的分散情况。在试验中我们以上述三项作为颜料色浆分散性的度量指标。

3. 1. 1 不同结构阴离子表面活性剂的表面特性与颜料色浆的分散性
我们以酞菁绿G 为研究对象,采用不同结构的阴和非离子表面活性剂作为分散剂,并测定了它们的表面特性(如图1 和2) ,以及研磨后颜料色浆的粒径及其分布和分散性,其结果列于表2 和表3 中。
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注:颜料为酞菁绿G

从表2 ,图1 不同结构阴离子表面活性剂的表面特性测定表明,低分子量阴离子表面活性剂(如K12 ,BX) 的HLB 值较低,cmc值较大,但γcmc 值为最低,即降低表面张力的能力最大。而中等分子量的萘磺酸缩合物(如MF ,NNO) ,虽HLB 值较大,亲水性较好,其cmc 值亦为最低,降低表面张力的效率较高,但其γcmc 值为最大。阴/ 非离子表面活性剂(如AES) 的cmc 和γcmc 值均处于二者之间,其表面活性为中等,而高分子木质素磺酸钠(如SD – 60 ,NA) 的cmc 值相差甚大,其降低表面张力的能力γcmc 却较萘磺酸类为小。由此可见,这四类阴离子表面活性剂的表面活性是有一定的差异,其中低分子类阴离子表面活性剂降低表面张力的能力最大,萘磺酸类降低表面张力的效率最高。

从表2 亦可看到,用较低磺化度或HLB值,以及较小γcmc 值的阴离子表面活性剂(如K12 ,BX) 作为分散剂,经研磨后可得到较细的颜料颗粒,而且分布较均匀,其分散性亦较好。同时同一类别的阴离子表面活性剂中磺化度小,HLB 值低,所得的颜料粒径亦是较细,分布较均匀,分散性较好,如MF 细于NNO ,NA 细于SD – 60 。这可能由于磺化度和HLB 值较低,其疏水性较大,与颜料的疏水结合力增强,易形成胶束,而使颜料的一次粒子易被阴离子表面活性剂所包围,防止了第二次凝聚,使粒径较细,分布亦就均匀。同时γcmc 值愈小,所得颜料颗粒愈细,分布愈均匀,分散性愈好,这是由于颜料在研磨过程中,颜料由凝聚体变成一次粒子所需能量由外界机械力作功所提供,根据机械粉碎所需能量( △W) 方程式: △W =γ △A (式中γ为溶液的表面张力, △A 为增加的比表面积) 可知,溶液的表面张力(γ) 愈小,所需外界机械力作功( △W) 就越小,即颜料越容易被磨碎成小颗粒[8 ] ,分布就均匀,分散性较好。

3. 1. 2 不同结构非离子表面活性剂的表面特性与颜料色浆的分散性
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由表3 和图2 可见,大多数非离子表面活性剂的cmc 和γcmc 值均比阴离子表面活性剂低得多,其cmc 值约在0. 10~0. 80 之间,γcmc 值在28~45mN/ m 之间,这充分表明非离子表面活性剂比阴离子表面活性剂具有更大的表面活性。在脂肪醇和壬基酚聚氧乙烯醚类同系物中(如AEO 和TX 系列) ,随着环氧乙烷( EO) 数的增加,即HLB 和浊点的提高,γcmc 明显地增加,cmc 略有变化,但不太明显。而失水山梨醇脂肪酸酯聚氧乙烯醚类同系物中,随着脂肪酸的种类不同,其cmc 和γcmc 值均有较明显的变化, 其中cmc 值变化得更为显著。由此可见,非离子表面活性剂的表面活性与EO 数和烷基链长度及其性质有密切的关系。其中醚类非离子表面活性剂的cmc 、γcmc 值较低,其表面活性优于失水山梨醇脂肪酸酯类非离子表面活性剂。

由表3 我们可知,在AEO 和TX 醚类非离子表面活性剂中,当烷基相同时,随着氧乙烯基数的减少,HLB 、浊点和γcmc 值有较大的降低,表面活性提高,则研磨后的颜料颗粒粒径可明显地变细,颗粒分布更为均匀,其分散性得到明显的改善。这可能是由于随着氧乙烯基数减少,疏水性增加,与颜料分子的疏水性作用力得到加强,而使颜料间不易相互作用而絮凝,故其分散性得到了改善。而失水山梨醇脂肪酸酯( T) 类非离子表面活性剂,其氧乙烯基数均为18~26 之间[10 ] ,浊点、HLB 值相接近,亦即其亲水性较接近,但所含的脂肪酸不同,T – 20 为月桂酸,脂肪链较短, T – 40 为棕榈酸, T – 60 为硬脂酸,而T – 80 为油酸,脂肪链较长。

由表2 可见,脂肪链愈长,愈容易与颜料分子形成较强的疏水性作用力,从而使颜料不易絮凝,而有较好的分散性。由此可见,氧乙烯基数较少,脂肪链较长的非离子表面活性剂具有较好的表面活性,对颜料色浆具有较好的分散性。
此外,我们在试验中还发现非离子表面活性剂在研磨过程中不易发泡,并且色浆容易过滤,与砂子亦易分离,其中吐温( T) 型效果更为明显;相反,阴离子表面活性剂在研磨过程中易发泡,过滤困难。因此我们认为非离子表面活性剂较适合作为颜料研磨过程中的分散剂。

3. 1. 3 不同结构阴和非离子表面活性剂对颜料色浆色光的影响
我们对不同结构阴和非离子表面活性剂与酞菁绿G 颜料研磨后的色浆在棉布上进行刮印,并测定其色光,其结果分别列于表2 ,表3 中。
由表2 和表3 可见,对结构相似的阴或非离子表面活性剂来说,颜料颗粒粒径愈细,其亮度(L3 ) 愈亮,绿度( – a3 ) 愈大,而且鲜艳度(c3 ) 也愈艳。这充分表明,不管采用阴或非离子表面活性剂作为颜料研磨时的分散剂,表面活性愈大,颜料色浆颗粒愈细,其亮度、绿度和鲜艳度均有明显的增加。
由此可见,采用疏水性较强、表面活性较高的非离子表面活性剂,不仅可得到较细、分布较均匀的颜料颗粒,其色浆的分散性较好,而且在织物上刮印后可得到亮度、绿度较高的色光,其鲜艳度亦有所提高。

3. 2 不同表面活性剂复配物对颜料色浆分散性与色光的影响
我们在单一的表面活性剂基础上又进行了二元和三元复配物对颜料色浆分散性和色光影响的试验,以便对颜料色浆能获得颗粒较细、分散性较好的复配方案。

3. 2. 1 二元复配物对颜料色浆的分散性、色光影响
我们选用了不同结构的阴或非离子表面活性剂与乳化剂EL 以等重量比(1 ∶1) 进行了二元复配,并用0. 8~1mm 粒径的玻璃珠,在砂磨机中砂磨2h ,然后测定色浆颗粒的粒径及其分布,以及分散性,其结果列于表4 中。
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由表4 与表2、表3 相比较可见,不同结构阴或非离子表面活性剂与非离子表面活性剂EL 复配后(除NNO ,MF 外) ,所得颜料颗粒粒度均有所变细,分布更为均匀,而分散性的变化并不明显,但其亮度却有一定的提高。其中阴离子表面活性剂比非离子表面活性剂与EL 复配后的效果更为明显。
同样,在相同结构的表面活性剂中,低分子量、低磺化度、低γcmc 的阴离子表面活性剂(如K12与BX、30D 与20D 相比) ,低浊点、低HLB 值、低γcmc 值的非离子表面活性剂(如T – 60 与T – 20 相比) 与EL 复配后,均可得到较细的粒径,较好的分散性和较亮、较艳的色光。
通过试验我们还可看到,高分子聚醚类非离子表面活性剂(如6305、WPE 等) 对颜料的分散效果较差,而BX、AES、NA 、20D等阴离子表面活性剂以及TX – 12 、700 # 、T- 60、MSE 等非离子表面活性剂与EL 复配后,所得颜料色浆颗粒均在0. 12~0. 22μm ,分散性大多为12~15s 。而且在阴离子表面活性剂中加入EL 后,可起到良好的消泡、润湿作用,并可减少粘度,易于过滤。然对非离子表面活性剂加入EL 的效果并不太明显。

3. 2. 2 三元复配物对颜料色浆的分散性、色光影响
我们在二元复配的基础上,又将不同结构的阴/ 非/ 非和非/ 非/ 非离子表面活性剂进行三元复配物对颜料色浆的分散性、色光影响试验,其结果列于表5 和表6 中。
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从表5、表6 可见,阴/ 非/ 非和非/ 非/ 非离子表活剂三元复配物对颜料色浆的粒径一般不但未变细,相反却变粗了,其分散性有一些亦变差了,而且色光变淡而不艳,绿度减少。其中高分子聚醚(如300 # ) 与阴或非离子表活剂复配后均得不到理想的效果。只有几对非/ 非/ 非离子表活剂的三元复配物,如T- 20 + EL 与MSE、平平加O 、T – 60、TX -10 以及平平加O + EL 与大多数非离子表活剂复配后,粒径虽变粗,但其分散性均有所改善,亮度和粒度等色光均有所提高。同样阴/非/ 非离子表活剂的三元复配物中,如AES+ EL 与有些非离子表活剂复配后,粒径变细,分散性有所改善。这充分表明,有些三元复配物对色浆分散性的效果不如二元复配物为好,要经过筛选才能合理使用。

4 结论
4. 1 采用低分子量、低磺化度、低HLB 值和低γcmc 值的阴离子表面活性剂作为颜料色浆研磨时的分散剂,可得到较细的、分布较均匀的颜料色浆粒子,其分散性较好,而且色光既亮又鲜艳。
4. 2 非离子表面活性剂的表面活性高于阴离子表面活性剂。低浊点、低HLB 值和低γcmc 值的非离子表面活性剂,可使颜料色浆的颗粒明显变细,分布更为均匀,分散性亦得到明显的改善,色光变得更亮。
4. 3 不同结构的阴或非离子表面活性剂与乳化剂EL 组成的二元复配物,所得颜料色浆粒径均有所变细,但其分散性变化不十分明显。而各种三元(阴/ 非/ 非或非/ 非/ 非离子表面活性剂) 复配物所得的颜料色浆的粒径不但未变细,而且其分散性亦有一些变差了,色光变得淡而不艳。

参考文献
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10 朱汉荣. 工业表面活性剂技术经济文集(3) . 大连:大连出版社,1997

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