水溶性分散剂合成条件对颜料分散效果的影响

赵 青，董晓明

(1.淮安市科技情报研究所，江苏淮安223001;2.江苏新誉集团有限公司，江苏 常州213011)

0 引言

由于国内分散剂的研究起步较晚，高分子分散剂的研究已经成为国内工作者的研究热点。近年来，随着环境友好型水性涂料、墨水的迅速发展，其应用范围也日益广泛。有机颜料在墨水中的分散稳定性能直接影响产品的应用性能，因此对分散剂的性能要求也进一步提高，开发多功能的性能优良、成本低廉的高分子分散剂成为目前涂料、墨水研究的关键问题。本文应用溶液沉淀聚合法，以马来酸酐、苯乙烯为单体合成了一系列聚合物苯乙烯一马来酸酐共聚物(简称SMA)，水解后得到水溶性高分子SMH，通过实验探讨了SMH对颜料分散性的影响因素。

1 实验

1.1 原料

表1 试验药品列表

1.2 实验仪器和设备

表2 实验用仪器列表

1.3 苯乙烯一马来酸酐共聚物(简称SMA)的合成方法

在带有搅拌装置、恒压滴液漏斗、冷凝管、温度计的四口瓶中，用氮气做保护气，在500ml四口烧瓶中加入二甲苯溶液40ml，加热到实验需要的温度(70℃、80℃、90℃)，称取一定量的马来酸酐于烧瓶中，保持反应环境的温度并搅拌0.5小时，再称取一定量的引发剂过氧化二苯甲酰于250ml烧杯中，并向其加入40ml二甲苯溶液和苯乙烯溶液，用玻璃棒搅拌使其均匀，将其倒入分液漏斗中开始逐滴滴加该混合液，等混合液滴加完毕后，保持恒温在设计的反应温度下继续反应3小时，然后降温、过滤，得到产物。

1.4 水溶性高分子分散剂(简称SMH)的制备

将共聚物SMA与NaOH以1∶2的比例加入烧杯，加入适量水，加热至粉状的SMA溶解为透明溶液，使共聚物 SMA水解。冷却到室温，得到SMA的水解产物SMH。

1.5 分散剂作用于分散体系

颜料的分散性能受高分子分散剂用量的影响，不同分散剂对于特定的分散体系都有适宜的用量，超过这一用量不但造成分散剂浪费，还可能影响到分散体系的稳定性及颜料分散体最终的使用性能。

为得到本次试验中分散剂对颜料分散的最佳用量，我们分别称取0.5g酞菁兰、酞菁绿、大红粉于3只烧杯，再量取5ml预分散体(水溶性高分子分散剂)加入烧杯中，看分散效果后X以5ml的量递增，直至颜料完全溶解。记录下不同条件下的分散剂用量，并进行比较。

经实验发现0.5g大红粉、酞菁蓝、酞菁绿三种颜料分散所需的分散剂最少量为5mL、30mL、15mL，见分散效果图1～9。

由图1～9对比发现不同聚合条件生成的分散剂对同一种颜料的分散效果不同，并且同一种分散剂对不同颜料的分散效果也不同。此外，在对颜料的分散过程中还发现部分分散剂不能对三种颜料进行分散，而还有部分分散剂对颜料的分散的效果很好。这说明聚合的条件对产物的影响很大。

2 实验结果与讨论

利用Cary－50紫外分光光度计测添加了高分子分散剂的颜料在最大吸收波长下的吸光度A，根据测出的吸光度A分析该高分子分散剂的分散稳定性能DE(%)。

吸光度:A=1/T

分散性:DE(%)=(1－T%)×100%

取少量颜料分散液于烧杯，将分散液稀释100多倍，用玻璃棒搅拌使其均匀分散，查阅资料得到大红粉、酞菁蓝、酞菁绿的最大吸收波长分别为363nm、480nm、500nm。用 Cary－50紫外可见分光光度计测其在最大吸收波长处的吸光度A(透射率T%)。定义颜料分散液的分散性用DE(%)表示，可用上式计算DE% 。

2.1 不同反应温度对分散效果的影响

为了研究分析反应温度对分散效果的影响，本实验分别对聚合反应的单体苯乙烯和马来酸酐摩尔比为1:1、1:1.5、1:3进行不同温度的分散稳定性测试，其中引发剂为0.1%(占反应体系的质量百分数)。实验结果如表3所示。

图1 70℃1:1(红)

图2 70℃1:1(蓝)

图3 70℃1:1(绿)

图4 80℃1:5(红)

图5 80℃1:5(蓝)

图6 80℃1:5(绿)

图7 90℃1:2(红)

图8 90℃1:2(蓝)

图9 90℃1:2(绿)

表3 聚合温度与分散稳定性的关系

从以上不同温度下产物分散的紫外吸收光谱的分析发现，温度对SMA分散稳定性的影响较大。

单体配比为1:1温度从70℃升高到90℃时，随温度的升高，吸光度大幅度降低，这说明温度升高使共聚物的聚合度降低。

在温度升高时，不但提高了反应物的活性，而且还使引发剂的分解速率增大，活性中心增多，使聚合总速率升高。在单体浓度不变的情况下，可以与每个活性中心反应的单体数目减少，聚合度下降，从而导致分子量下降，分散稳定性降低。同时，在反应过程中温度过高会使共聚产物粘结成团，部分未反应的单体被包在粘结物中，使反应难以正常平稳地进行。所以在此配比的反应过程中不宜选用较高的反应温度。

而单体配比SMA/MA为1:1.5和1:3时出现不同于单体配比为1:1的情况是由于反应物的浓度增加，随着反应的进行，体系粘度增加而影响单体活动，致使聚合反应停止。这时适当升温有利于聚合的继续进行从而导致分子量继续增加到适合对本实验颜料分散的区间。由于颜料种类的不同，分散效果较好的分子量区间同样不同，所以产生了部分变化趋势不同的现象。

2.2 不同单体配比对分散效果的影响

当聚合反应的温度为80℃，引发剂BPO为0.1%(占反应体系的质量百分数)，改变聚合反应的单体配比(摩尔比)，具有不同分散稳定性的聚合物，实验结果如表4所示。

表4 原料比例与分散稳定性的关系

将表4制作成Excel图表进行分析。

图10 不同颜料在不同摩尔比的分散剂中的吸光度

由图10可以看出，一方面随着原料配比的改变，共聚物的分散稳定性基本上是呈现着先增加后减小的情况，这是因为马来酸酐的用量比较少，所以刚开始只有部分单体参加反应，但随着马来酸酐的量的增加，引发剂用量也随之增大了，这时分散稳定性也达到了比较好的状态，马来酸酐继续增加，即引发剂用量增大使聚合物的分子量降低，从而影响了分散的稳定性。

3 结论

(1)通过研究反应温度、反应物配比对反应的影响，得出了最佳的温度和反应物配比为:反应温度为70℃，苯乙烯 －马来酸酐的摩尔比为1:1.5。

(2)在反应物配比不变的情况下，水溶性高分子分散剂对颜料的分散稳定性随着聚合反应温度的升高而减弱。

(3)随着马来酸酐的增加，共聚物的分散稳定性基本上是呈现先增加后减小的情况。

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