CN111116842B - 一种分散剂及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于打印耗材领域，公开了一种分散剂，所述分散剂由主链和支链组成，所述主链包括式(Ⅰ)表示的疏水基结构单元，所述主链还包括式(Ⅱ)表示的含碱基结构单元或/和式(Ⅲ)表示的含羧基结构单元；所述支链包括式(Ⅳ)或式(Ⅴ)表示的含亲水基结构单元，x＝10‑220，y＝2‑30；z＝3‑60；所述分散剂的分子量为5000‑100000。

Description

一种分散剂及制备方法和应用
技术领域
本发明属于打印耗材领域，特别涉及一种分散剂及制备方法和应用。
背景技术
水性白色数码打印墨水具有良好的遮蔽能力，可以掩饰基材上的缺陷，并提高彩色数码打印墨水在表面印刷模式或背面印刷模式中的对比度和鲜艳度。在表面印刷模式中，将彩色图像附着在白色数码打印墨水的涂层上，使彩色图像在白色背景中凸显出来；在背面印刷模式中，将彩色图像印刷在透明基材上，然后将白色数码打印墨水附着在该彩色图像上，再通过透明基材观察最终图像。白度越高，相对色彩对比越鲜艳。为了得到高白度，白色色浆优选采用高折射率的颜料，以达到高遮蔽率的目的。目前常见高折射率的白色颜料包括氧化锌、硫酸钡、碳酸钙、二氧化钛等。但是这些无机颜料颗粒较传统有机颜料比重高出数倍，容易在色浆中发生硬沉淀和结块，影响色浆的再分散稳定性，导致数码打印喷头堵塞、斜喷、断墨等问题。
白色色浆易产生无法再分散的沉淀，是因为白色颜料颗粒间的过度紧密堆叠。使用传统小分子分散剂或高分子分散剂，其锚定基对白色颜料的吸附点太少或吸附能力太弱，且溶剂化链存在过短或过长的缺陷，对溶媒的亲和力差，无法产生足够立体空间位阻或静电斥力，导致制得的白色色浆容易产生硬沉淀和颗粒反粗。
因此，希望提供有一种分散剂，对白色颜料吸附能力强，与溶媒亲和力强，能够分散白色色浆。
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，本发明提出一种分散剂，对白色颜料吸附能力强，与溶媒亲和力强，能够分散白色色浆。
本发明还提供一种水性白色色浆。
一种分散剂，由主链和支链组成，所述主链包括式(Ⅰ)表示的疏水基结构单元，所述主链包括式(Ⅱ)表示的含碱基结构单元或/和式(Ⅲ)表示的含羧基结构单元；所述支链包括式(Ⅳ)或式(Ⅴ)表示的含亲水基结构单元，其中x＝10-220，y＝2-30；z＝3-60；所述分散剂的分子量为5000-100000。
Figure BDA0002352947420000021
优选的，所述支链为分子量500-10000；进一步优选的，所述支链的分子量为1000-8000。
所述分散剂的主链包括疏水性结构单元，以及含碱基结构单元、含羧基结构单元，能够吸附及锚定在白色颜料分子表面；而支链包括具水溶性离子或水溶性非离子结构单元，能够产生立体空间位阻及静电斥力的亲水性。所述分散剂能够让无机颜料颗粒间产生足够的排斥力或空间位阻，使其不易絮凝或产生沉淀。
一种分散剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将主链单体和支链单体混合，得预混合液；
(2)在惰性气氛下，加热溶剂和起始剂，溶解，再加入步骤(1)制得的预混合液，反应，检测残留的单体量小于5％终止反应，即制得所述分散剂。
步骤(1)中所述主链单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙稀酸丙酯、丙烯酸丁酯、羟甲基丙烯酰胺、羟乙基丙烯酰胺、羟丙基丙烯酰胺、顺丁烯二酸、反丁烯二酸单体；所述支链单体为乙烯基磺酸钠与甲基丙烯酸甲酯单官能基低聚物或聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯；
优选的，步骤(2)中所述起始剂为含偶氮基化合物。
优选的，步骤(2)中所述起始剂为偶氮二异庚腈、偶氮二异丁腈、偶氮二异戊腈、偶氮二异丁酸二甲酯、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮异丁氰基甲酰胺或偶氮二环己基甲腈中的至少一种。
优选的，步骤(2)中所述溶剂为乙醇、丙醇、异丙醇、丁酮、甲基异丁酮、乙酸乙酯、醋酸异丙酯、二氯甲烷、丙酮、二氯乙烷、甲苯、二甲苯、四氢呋喃或环己酮中的至少一种；进一步优选的，所述溶剂为丙酮、异丙醇、丁酮或乙酸乙酯。本发明对于所述溶剂的用量没有特殊的限定，能够充分溶解起始剂即可。
步骤(2)中反应的温度为50-100℃，反应的时间为4-7小时。
一种水性色浆，包括以下组分：颜料、助剂、水和所述分散剂。
一种水性白色色浆，按质量份计，包括以下组分：
白色颜料 30-70份
分散剂 5-20份
助剂 0-25份
水 30-70份。
优选的，所述白色颜料包括氧化锌、硫酸钡、碳酸钙或二氧化钛中的至少一种；进一步优选的，所述白色颜料为二氧化钛，如美国杜邦二氧化钛颜料R-706、R-900、R-902+、R-960、R-931、R-102、R-103、R-104、R-105、R-108、R-350，美礼联二氧化钛颜料TIONA595、R-CL69；石原二氧化钛颜料CR-90-2、CR-60-2、CR-57；特诺二氧化钛颜料CR-828、CR-826；莎哈利本二氧化钛颜料RDI-S、RODI、RED2、RDDI。
优选的，所述助剂包括助溶剂和/或润湿剂；进一步优选的，所述助剂由助溶剂和润湿剂组成，且所述助溶剂与所述湿润剂的质量比为(3-10):1。
优选的，所述助溶剂包括一元醇、多元醇、醚、酮或醇醚中的一种或多种，如甲醇、乙醇、丙三醇、乙二醇、丙二醇、甲醚、***、2-吡咯烷酮、乙二醇甲醚、乙二醇***、乙二醇丁醚、二乙二醇甲醚、三乙二醇丁醚、丙二醇丁醚、丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚。
优选的，所述润湿剂包括毕克BYK154、毕克BYK190、毕克BYK306、毕克BYK333、毕克BYK346、毕克BYK378和毕克BYK-DYNWET800N、赢创Evonik SURFYNOL104E、赢创EvonikSURFYNOL420、赢创Evonik SURFYNOL465和赢创DYNOL 604或赢创DYNOL 607中的一种或多种。
一种水性白色色浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)将分散剂、水、助剂溶解，再加入白色颜料，混合，制得预分散液；
(2)将所述步骤(1)制得的预分散液研磨，过滤，取滤液，即制得所述水性白色色浆。
步骤(2)中研磨至平均粒径为200-300nm，再过滤去除胶体及大粒径颗粒。
一种白色墨水，包括所述水性白色色浆。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明所述分散剂，其主链具有与白色颜料表面强吸附的锚定结构，可以同时针对颜料表面进行高相容性的强吸附；同时其溶剂化支链结构与水相容性好，可以让溶剂化链顺利展开形成立体空间障碍或静电排斥，能够有效地提升色浆的分散性及稳定性。
(2)本发明通过选择分散剂，搭配纳米研磨制程，分散剂对于白色颜料具有较强的吸附作用，不容易脱落，也不容易被取代，可以有效降低白色颜料的表面能，使用所述分散剂制得的水性白色色浆无沉淀、再分散性好、稳定性强，不会堵塞喷头，且所述色浆具有高白度和高遮蔽率。
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1
在架有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气，并加入溶剂290g丁酮及140g异丙醇，加热至70-80℃；然后将主链单体52g丙烯酸甲酯、78g丙烯酸丁酯、70g羟乙基丙烯酰胺、以及支链大分子单体300g聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯(M＝2000)混合得到预混液A；再将60g丁酮及10g偶氮二异丁腈混合搅拌至溶解，得到预混液B；然后将预混液A及预混液B，同时缓慢加入反应瓶中进行反应；约反应4-7小时后，检测残留的单体量小于5％终止反应；然后加入490g 2-吡咯烷酮混合均匀，加热至100℃去除丁酮及异丙醇，冷却到室温，再加去离子水至总质量为1250g，得到固含量为40％的SA1分散剂溶液；其中SA1分散剂的分子量约30000，包括以下结构单元：
Figure BDA0002352947420000051
实施例2
在架有冷凝回流装置的反应瓶中通入氮气，并加入溶剂304g乙酸乙酯及140g异丙醇，加热至70-80℃；然后将主链单体26g丙烯酸甲酯、39g丙烯酸丁酯、35g反丁烯二酸、以及支链大分子单体400g乙烯基磺酸钠与甲基丙烯酸甲酯之单官能基低聚物(M＝4000)混合得到预混液A；再将48g乙酸乙酯及8g偶氮二异庚腈混合搅拌至溶解，得到预混液B；然后将预混液A及预混液B，同时缓慢加入反应瓶中进行反应；约反应4-7小时后，检测残留的单体量小于5％终止反应；然后加入484g 2-吡咯烷酮混合均匀，加热至100℃去除乙酸乙酯及异丙醇，冷却到室温，并调节pH值为9，再加去离子水至总质量为1250g，得到固含量为40％的SA2分散剂溶液；其中SA2分散剂的分子量约15000，包括以下结构单元：
Figure BDA0002352947420000052
实施例3
取分散剂SA1 1000g，加入490g 2-吡咯烷酮混合均匀，加热至100℃去除丁酮及异丙醇，冷却到室温，然后加去离子水至总质量为1250g，得到固含量为40％的分散剂溶液；取180g分散剂溶液与320g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将500g白色颜料R-706与所述水性预溶液混合，搅拌使白色颜料完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为200-300nm；过滤去除胶体及大粒径颗粒，得到分散稳定的水性白色色浆。
实施例4
取分散剂SA2 1000g，加入484g 2-吡咯烷酮混合均匀，加热至100℃去除乙酸乙酯及异丙醇，冷却到室温，然后加去离子水至总质量为1250g，并调节pH值为9，得到固含量为40％的分散剂溶液；取150g分散剂溶液与350g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将500g白色颜料CR-60-2与所述水性预溶液混合，搅拌使白色颜料完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为200-300nm；过滤去除胶体及大粒径颗粒，得到分散稳定的水性白色色浆。
实施例5
取实施例1和2制备的分散剂SA1 400g及SA2 600g，加入486g 2-吡咯烷酮混合均匀，加热至100℃去除乙酸乙酯、丁酮及异丙醇，冷却到室温，然后加去离子水至总质量为1250g，并调节pH值为9，得到固含量为40％的分散剂溶液；取150g所述分散剂溶液与320g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将500g白色颜料RODI与所述水性预溶液混合，搅拌使白色颜料完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为200-300nm；过滤去除胶体及大粒径颗粒，得到分散稳定的水性白色色浆。
实施例6
取分散剂SA2 1000g，加入484g 2-吡咯烷酮混合均匀，加热至100℃去除乙酸乙酯及异丙醇，冷却到室温，然后加去离子水至总质量为1250g，并调节pH值为9，得到固含量为40％的分散剂溶液；取500g分散剂溶液与700g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将700g白色颜料CR-60-2与所述水性预溶液混合，搅拌使白色颜料完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为200-300nm；过滤去除胶体及大粒径颗粒，得到分散稳定的水性白色色浆。
实施例7
取分散剂SA2 1000g，加入484g 2-吡咯烷酮混合均匀，加热至100℃去除乙酸乙酯及异丙醇，冷却到室温，然后加去离子水至总质量为1250g，并调节pH值为9，得到固含量为40％的分散剂溶液；取150g分散剂溶液与400g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将250g白色颜料CR-60-2与所述水性预溶液混合，搅拌使白色颜料完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为200-300nm；过滤去除胶体及大粒径颗粒，得到分散稳定的水性白色色浆。
对比例1
取100g壬基酚聚氧乙烯醚分子量Mw＝800低分子量分散剂与400g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将500g白色颜料R-706与所述水性预溶液混合，搅拌使白色颜料完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为200-300nm；过滤去除胶体及大粒径颗粒，制得水性白色色浆。
对比例2
取72g壬基酚聚氧乙烯醚分子量Mw＝800低分子量分散剂与320g去离子水混合，搅拌至完全溶解得到水性预溶液；然后将500g白色颜料R-706与所述水性预溶液混合，搅拌使白色颜料完全润湿得到水性预分散液；将所述水性预分散液导入砂磨机进行研磨，至平均粒径为200-300nm；过滤去除胶体及大粒径颗粒，制得水性白色色浆。
产品效果测试
制备白色墨水：将实施例3-5和对比例1-2制得的水性白色色浆用15％丙三醇水溶液稀释5倍，即制得白色墨水。
性能测试：针对白色墨水进行粒径、黏度、表面张力、滤性及老化测试。
(1)粒径检测，采用英国马尔文(Malvern)Nano S90纳米粒径仪。
(2)黏度检测，采用美国博勒飞(Brookfield)Wells锥板粘度计。
(3)表面张力测试，采用日本协和(KYOWA)CBVP型表面张力仪。
(4)滤性测试，采用1.0μm孔径玻纤滤膜加0.45μm孔径PP滤膜过滤。
(5)稳定性测试，采用60℃高温老化7天，测试老化后的粒径、黏度、滤性。
测试结果如表1所示，其中，QC评判标准：平均粒径200-300nm，黏度2-6cp，表面张力35-45dyn/cm，过滤滤性小于15min/kg；稳定性测试60℃高温老化7天，粒径变化小于10％，表面张力变化小于5％及黏度变化小于10％，滤性小于15min/kg，则为合格，反之不合格。
表1实施例3-7以及对比例1得到的白色墨水的稳定性
Figure BDA0002352947420000071
Figure BDA0002352947420000081
由表1测试结果可知：本发明提供的一种分散剂，分散作用强，利用其制备的白色色浆及白色墨水稳定性较好，老化7天后，粒径、黏度、表面张力及滤性仍然具有较好的稳定性。

Claims (9)

1.一种水性白色色浆，其特征在于，包括以下组分：白色颜料、水和分散剂；所述分散剂由主链和支链组成，所述主链包括式(Ⅰ)表示的疏水基结构单元，所述主链还包括式(Ⅱ)表示的含碱基结构单元或/和式(Ⅲ)表示的含羧基结构单元；所述支链包括式(Ⅳ)或式(Ⅴ)表示的含亲水基结构单元，其中x＝10-220，y＝2-30；z＝3-60；所述分散剂的分子量为5000-100000；
Figure FDA0002953321490000011
2.根据权利要求1所述的水性白色色浆，其特征在于，所述分散剂的支链的分子量为500-10000。
3.根据权利要求1所述的水性白色色浆，其特征在于，所述分散剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将主链单体和支链单体混合，得预混合液；
(2)在惰性气氛下，加热溶剂和起始剂，溶解，再加入步骤(1)制得的预混合液，反应，即制得所述分散剂；
步骤(1)中所述主链单体选自丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙稀酸丙酯、丙烯酸丁酯、羟甲基丙烯酰胺、羟乙基丙烯酰胺、羟丙基丙烯酰胺、顺丁烯二酸、反丁烯二酸中的至少一种；所述支链单体选自乙烯基磺酸钠与甲基丙烯酸甲酯单官能基低聚物或聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯中的至少一种；
步骤(1)中所述起始剂为含偶氮基化合物。
4.根据权利要求3所述的水性白色色浆，其特征在于，步骤(2)中反应的温度为50-100℃，反应的时间为4-7小时。
5.权利要求1-4中任一项所述的水性白色色浆，其特征在于，所述水性白色色浆还可以包括助剂，按重量份计，包括以下组分：
Figure FDA0002953321490000021
6.根据权利要求5所述的水性白色色浆，其特征在于，所述白色颜料包括氧化锌、硫酸钡、碳酸钙或二氧化钛中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的水性白色色浆，其特征在于，所述助剂包括助溶剂和/或润湿剂。
8.根据权利要求7所述的水性白色色浆，其特征在于，所述助剂由助溶剂和润湿剂组成，所述助溶剂与所述湿润剂的质量比为(3-10):1。
9.一种白色墨水，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的水性白色色浆。
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