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超分散剂及其在颜料分散中的应用
刘佳卢秀萍吴蒙韩永
（天津科技大学材料科学与化学工程学院300457）
摘要：使用超分散剂是近年制备彩色喷墨打印墨水颜料色浆应用最广、效果最好的方法之一。对超分散剂的结构特征、作用机理、影响因素、选用原则和使用进行了分析介绍，并对其发展前景作了展望。
关键词：喷墨打印；超分散剂；颜料；作用机理
有机颜料由于其色谱齐全、着色强度高，色泽鲜艳以及应用简单等优点已广泛地应用于诸多工业领域，是生产彩色喷墨打印墨水不可缺少的着色材料。如何使用有机颜料作为着色剂来制备稳定的彩色喷墨打印墨水是目前研究的热点。研究表明：有机颜料的着色强度随其平均粒径的下降而增大，粒径减小将使颜料的比表面积增加，从而使其反射率增大，光散射也相应增大，从而得到一个最佳的粒径值（约100nm），高于或低于此值将使其着色力下降。然而，由于有机颜料通常是以凝聚体、聚集体等形态存在，且表面极性低，在水相中很难被润湿和分散。尤其是当颜料为纳米级时，颜料比表面积和表面能急剧增大，自动凝聚的倾向增加，导致有机颜料在水相中很难被分散成纳米级颗粒。将有机颜料进行有效地分散需要对其进行表面改性，从而达到改变颜料的极性，提高颜料与溶剂的相容性，扩大其使用范围，增强其应用性能的目的。
1颜料分散技术及分散剂的作用
迄今为止，提高颜料在水性体系中的分散及分散稳定性的方法有多种，如松香处理法、颜料衍生物法、有机胺类处理法、添加分散剂法、等离子体处理法、超微粒子吸附法、微胶囊法等。其中添加分散剂法是使用最为广泛且分散效果较好的一种方法。在颜料分散过程中加入分散剂是保持颜料分散稳定的最有效方法，有些分散剂还兼有润湿作用，称作润湿分散剂。颜料分散剂主要通过以下两种作用保持颜料分散体的稳定：
（1）电荷保护作用（双电层作用）。使颜料表面具有相同电荷，当微粒相互接触时由于带有相同电荷而相互排斥，带电微粒在库仑排斥力作用下维持了体系的稳定，其作用机理如图1所示。

图1电荷保护作用
（2）立体保护作用（空间位阻作用）。颜料微粒表面覆盖的聚合物对微粒起到机械隔离作用，使颗粒间的接触变为不可能。聚合物与水之间的强烈作用可以阻止颜料粒子过分接近，其作用机理见图2。

图2立体保护作用
用于水性体系颜料分散的分散剂可以分为3类：
第一类为无机分散剂，如聚磷酸酯、硅酸盐等；第二类为有机小分子分散剂，如阴离子型表面活性剂（烷基聚醚或烷芳基的硫酸盐、磷酸盐）、阳离子型表面活性剂（烷基吡啶氯化物等）、非离子型表面活性剂（如：聚氧化乙烯烷基芳基醚）和两性表面活性剂；第三类为高分子分散剂，目前应用较多的如聚丙烯酸钠盐、苯乙烯-马来酸半酯化物、苯乙烯-（甲基）丙烯酸（酯）共聚物、丙烯酸-（甲基）丙烯酸酯共聚物等。传统的表面活性剂已越来越多地被高分子类分散剂所取代。高分子分散剂也称为超分散剂。常用于水性体系颜料分散的两类超分散剂为聚电解质类超分散剂和非离子型超分散剂，它们的结构为无规共聚物、接枝聚合物和嵌段共聚物等，其中无规共聚物较多。水溶性超分散剂的亲油基团可由芳基、烷基、烷芳基、烃基等提供，亲水性基团可由羧基、磺酸基、羟基、氨基及长的聚醚链提供。疏水端单体多为不饱和烃类，如苯乙烯、乙烯、丁二烯、二异丁烯、甲基乙烯醚、（甲基）丙烯酸酯、醋酸乙烯酯、α-甲基苯乙烯等，常用的亲水单体有（甲基）丙烯酸、马来酸及它们的衍生物，比如丙烯酸-丙烯酸酯（丙烯酰胺）共聚物，苯乙烯-丙烯酸（酯）类共聚物，马来酸（酯）-丙烯酸（酯）（苯乙烯）共聚物等。
Kurabayashi等人采用丙烯酸-苯乙烯共聚物作为颜料的外包膜处理颜料后，再用NaOH中和的丙烯酸-丙烯酸甲酯-苯乙烯作为颜料分散剂与颜料一起分散，得到高色度，防水和防涂抹的墨水。Ishii等人采用氧化乙烯丙烯酸甲基醚-丙烯酸钠共聚物作为水溶性颜料墨水的聚合物分散剂，显示出良好的储存稳定性。Suzuki等人采用丙烯酸聚氨酯乳液作为颜料的分散剂，可提高水性喷墨墨水的稳定性。
2超分散剂的结构特征及作用机理
2.1超分散剂的结构特征
一部分为锚固基团（AnchorGroup），如—NR2、—NR3+、—COOH、—COO—、—SO3H、—SO3-、—PO42-、多元胺、多元醇及聚醚等，它们通过离子键、共价键、氢键及范德华力等相互作用，紧紧地吸附在固体颗粒表面，不易脱附；锚固基团在超分散剂中所占的比例很少（一般在5%~10%）。按此分类如下：
（1）含单个锚固基团的超分散剂，如国内的WL21、WL22、WL25，ICI的17000、17240、17940、3000等，适用于具有强极性表面的无机颜料及部分有机颜料，由于其表面的天然极性使得它们能以离子对的形式与具有一定功能的锚固基团相互结合，这种离子对可产生机械力，故锚固基团通过此力得以牢固地吸附在颜料表面。
（2）