铁酞绿专用分散剂的研制

0 引言
铁酞绿以其独有的耐光、耐候、耐碱、耐腐蚀、高着色等性能,加上其价格低廉,已成为水泥着色首选的绿色颜料,广泛用于混凝土和砂浆制品中[1]。我国铁酞绿年产量已超过1 万t。众所周知,铁酞绿是一种复合颜料,由氧化铁黄和酞菁蓝颜料按一定比例配制而成。酞菁蓝是有机颜料,具有很强的疏水性,要使其能与亲水性很强的氧化铁黄均匀混合,首先要对其表面进行改性,使其从疏水性变为亲水性,这就需要一种水性分散剂对其进行包膜处理。传统铁酞绿的生产工序是将酞菁蓝加5881D 浸泡24 h 以上,再加上氧化铁黄粉和水配制成50%固含量的浆料,经高速分散机进行高速搅拌,达到均匀混合后,经烟道气流化干燥后,粉碎,拼混,包装。5881D 的主要成分是二丁基萘磺酸钠,其价格低廉,作为酞菁蓝的表面处理剂效果也不错,但最大的缺点就是添加量太大,一般添加量为酞菁蓝粉料的2.6~2.8 倍。另外,用5881D 生产的铁酞绿在出口时遇到了颜料水溶物超标的瓶颈,所以颜料厂急需一种新的分散剂替代5881D 来处理酞菁蓝。国内外专用于酞菁蓝的分散剂也不少,但普遍用量大、价格贵,用于制作颜料其成本明显太高。本文着重讨论了一种专用分散剂的研制,它能对酞菁蓝颜料表面起到明显的改性作用,且性价比较高,其成本同使用5881D 的成本相近,所得铁酞绿的水溶物指标能通过欧洲标准。

1 实验部分
1.1 原材料
丙烯酸(AA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸异辛酯、N- 羟甲基丙烯酰胺、功能性单体、OP-21、过硫酸铵、30%液碱、去离子水。

1.2 分散剂的合成配方
分散剂的合成配方见表1。
表1 分散剂的合成配方

1.3 分散剂的合成
先将丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯、N- 羟甲基丙烯酰胺和功能性单体按配方称量,置于烧杯中,搅拌溶解均匀,制得混合单体待用。将过硫酸铵加入一定量去离子水中,搅拌溶解后待用。在装有冷凝器、电动搅拌器、温度计、滴液漏斗的1 000 mL四口烧瓶中加入一定量的去离子水,升温搅拌,当温度升至82℃时,开始同时滴加引发剂和混合单体,维持反应温度在86~90℃,4~6 h 滴完,滴完后保温1 h。然后缓慢加入液碱,加完搅拌20 min,再加入OP-21,搅拌均匀,100 目筛过滤,出料。

1.4 分散剂性能测试
按照GB/T 11175—2002 测试分散剂的性能,其性能指标见表2。
表2 分散剂的性能指标

2 结果与讨论
2.1 单体用量对分散剂性能的影响
丙烯酸类单体是分散剂最主要的原料,一方面它提供绝大部分羧酸,与碱中和后形成羧酸盐,在水中离解成阴离子使聚合物成为阴离子表面活性剂,对颜料粒子起分散作用;另一方面,由于我国GBS酞菁蓝大都采用球磨法生产,粒子表面呈弱碱性,利用微量羧基提供的酸性来亲和颜料粒子,吸附在粒子表面起到防止絮凝,以及防止颜料粒子再聚集的同性电荷推斥作用,通过这两种作用使酞菁蓝粒子被分散剂吸附、包膜,均匀分散在水中,从而从疏水性变成亲水性。丙烯酸酯类单体主要提供疏水分子链,它在吸附层外面形成弹性包膜,在水中产生运动位阻,防止颜料粒子的聚集,达到良好的分散效果。丙烯酸酯类单体的用量过少,其产生的弹性包膜也少,运动位阻效果差;用量过高,则会使分散剂中出现部分水不溶物,影响分散效果。实验表明:丙烯酸酯类单体用
量以7%~9% 为宜。酞菁蓝是有机颜料,比表面积大,吸油量高,分散难度大,加入功能性单体可使分散剂拥有更多的活性锚固基团,使其对酞菁蓝粒子达到最佳的润湿和吸附作用,增强分散效果,同时减少分散剂的单位用量。但由于功能性单体的价格昂贵,一般其用量为2%~3%。OP-21 作为非离子乳化剂,在分散剂合成过程中起一定的乳化作用,有助于疏水性单体在水相中的聚合,且在对酞菁蓝粒子进行包膜时,非离子乳化剂还能加快颜料粒子的润湿和分散。

2.2 引发剂的影响
一个良好的分散剂需要有一定的聚合度,其相对分子质量要限定在一个比较窄的范围内。分散剂的聚合度低,则对颜料粒子润湿效果尚可,但由于其相对分子质量太小,分散效果差,单位添加量也会较大;聚合度太高,分散剂本身的水溶性不好,对颜料粒子润湿效果差,分散时容易形成搭桥,产生絮凝。引发剂及其用量是影响分散剂聚合度的最重要因素,不同引发剂及其用量对分散剂的影响见表3。
表3 不同引发剂及其用量对分散剂聚合度的影响

由表3 可见:采用0.6% 用量的过硫酸铵作为引发剂,制得的分散剂具有最合适的聚合度,对颜料颗粒的分散效果也是最佳的。

2.3 酞菁蓝粒子包膜所需的分散剂用量
将分散剂按不同用量对酞菁蓝粉进行亲水改性处理,改性后的颜料粒子在水中的分散性能见表4。
表4 分散剂用量对酞菁蓝粒子包膜的影响

由表4 可见:分散剂用量为10%~15% 效果较好。
综合考虑,确定分散剂的用量为10%。

2.4 专用分散剂和其他分散剂对酞菁蓝粒子包膜比较
将各种分散剂按各自的添加量配成含30% 酞菁蓝粉的浆料,在高速分散釜上以2 000 r/min 进行2 h的高速分散剪切,分散后的浆料经120℃烘箱烘干,研磨,制得包膜酞菁蓝颜料。用调墨刀挑少许包膜后的酞菁蓝粉于清水中,观察其在水中的分散效果,结果见表5。
表5 专用分散剂和其他分散剂对酞菁蓝粒子包膜比较

由表5 可见:专用分散剂对酞菁蓝颜料粒子进行包膜处理,性价比较高。

2.5 制成铁酞绿性能的测试
将包膜后的酞菁蓝颜料同氧化铁黄粉和一定量的水配制成固含量为65%~70% 的浆料,经捏合机捏合1 h,制得铁酞绿浆料,浆料经烘干后,研磨制得铁酞绿成品,其性能测试结果见表6。
表6 铁酞绿性能测试结果

由表6 可见:使用专用分散剂制得的铁酞绿性能完全符合标准。

3 结语
采用多种丙烯酸类单体,以过硫酸铵为引发剂合成的专用分散剂,对酞菁蓝粒子进行亲水改性的效果是非常好的,制得的铁酞绿产品性能也较高。分散剂的用量在0.8% 左右,远远小于欧洲要求分散剂用量小于4% 的标准。不管是在湿法或在干法生产铁酞绿中都能获得很好的应用,具有广阔的市场前景。

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