浅析陶瓷墨水中的分散剂

    石教艺+李向钰+张翼

    摘 要：陶瓷墨水主要由陶瓷颜料、溶剂、分散剂及其它辅料所构成的悬浮浆状体。陶瓷墨水制备的关键在于如何将微纳米陶瓷颜料稳定地分散在分散介质中，即保证粉体在溶剂中处于单分散状态，无絮凝不沉淀。因此，陶瓷墨水中，分散剂对陶瓷颜料的分散起着至关重要的作用，包括提高研磨效率，降低浆料的粘度以及提高墨水的悬浮稳定性和打印性能。本文主要讨论了分散剂的结构和作用机理，以及陶瓷墨水分散剂的设计思路，为高性能分散剂的设计合成和提高陶瓷墨水的性能研究提供理论依据。

    关健词：喷墨打印；陶瓷墨水；超分散剂；分散剂；陶瓷颜料

    1 引言

    陶瓷墨水是由陶瓷颜料、溶剂、分散剂及其它辅料所构成的悬浮浆状体，陶瓷颜料要有良好的分散性。陶瓷墨水制备的关键在于陶瓷颜料的制备及其在溶剂中的稳定分散，即保证粉体在溶剂中处于单分散状态，无絮凝效应，陶瓷墨水的制备方法主要采用合适的分散剂和溶剂，通过机械研磨的方式将颜料研磨分散至1 μm以下[1-3]。因此，陶瓷墨水中，分散劑对陶瓷颜料的分散起着至关重要的作用，包括提高研磨效率，降低浆料的粘度以及提高墨水的悬浮稳定性和打印性能[4]。前人主要研究的内容集中在陶瓷墨水的制备方法和应用研究，很少从分散剂的结构对陶瓷颜料分散性能的影响进行探讨[5，6]。尽管现在陶瓷墨水的制备工艺及应用工艺已经成熟，但是陶瓷颜料粉体的超细化、球型化及提高墨水悬浮稳定性等问题一直都是陶瓷墨水生产和应用中的技术难题。因此需要对陶瓷墨水分散剂结构和陶瓷颜料的分散进行全面的了解。

    2 陶瓷墨水中颜料的分散过程和原理

    目前陶瓷墨水主要采用分散法制备。分散法制备陶瓷墨水的关键在于陶瓷颜料的湿润、分散和稳定的过程（图1），它对墨水的性能有极大影响。湿润分散剂能缩短研磨分散时间，降低能源消耗，使色浆分散体系处于稳定状态，对墨水的诸多性能都起着决定性的作用。

    颜料分散就是把二次粒子团的附聚体和聚集体研磨分碎成更细小的粒子或原始粒径，使其成为稳定的分散悬浮体。颜料的湿润：是改变颜料表面性能的过程，是除掉颜料表面吸附的水和空气，改变其极性，降低液 / 固之间的界面张力，增加颜料和溶剂的亲合力。湿润剂则是在此阶段发挥作用的助剂。湿润剂是能够提高颜料湿润分散效力的界面活性剂，它对颜料表面有极强的亲合力，能够定向吸附在颜料的表面，取代颜料表面的吸附物：如水和空气等。增强溶剂与颜料的亲合力，缩短颜料的研磨分散时间。因为颜料的湿润过程实际上就是颜料表面的一种置换工程，因此湿润剂应和颜料具有极强的亲合力。

    颜料的分散过程，通过机械粉碎形成的颜料细小微粒与溶剂形成均匀的悬浮体，在无外力作用下，能保持稳定的分散状态通常称其为分散阶段也称稳定阶段，分散剂就是在这个阶段发挥作用的助剂。

    分散剂是能够使墨水分散体系保持稳定的界面活性物质。添加在墨水中的分散剂能吸附在微纳米陶瓷颜料表面，构成吸附层，产生电荷斥力和空间位阻效应，防止分散了的颜料粒子再次絮凝，可保持体系处于稳定的悬浮状态。一般来讲分散剂的分子量大的，可形成较厚的吸附层。分散剂若使用得当，不但能防止颜料沉淀，使陶瓷墨水具有良好的储存稳定性，还能降低色浆的粘度，增加研磨色浆中颜料的含量，提高研磨效率，达到节省人力和能源的效果。

    3 超分散剂

    陶瓷墨水是一种固液悬浮体系，墨水中颜料的平均粒径在300 nm左右，高固含40%左右，并且低粘度，在25 mPas左右，是一种热力学极不稳定体系，当颜料分散在介质中时容易发生团聚和沉淀，从而影响其最终的性能。因此微纳米材料的分散技术，无论从理论上还是从实际应用上都具有重要的研究价值。

    传统的分散剂在分子结构上有局限性：（1）亲水基团在极性较低或非极性的颗粒表面结合不牢固，易解吸而导致分散后粒子重新絮凝；（2）亲油基团不具备足够的碳链长度（最多为C18的衍生物），不能产生足够的立体屏障效应以起到空间稳定作用，从而易发生沉淀[7]。为克服传统分散剂的局限性， 近年来分散性能优异的高分子分散剂， 又称为超分散剂[8，9] 已开发成功并得到了很好应用。它的主要特点有：1）快速充分地润湿颗粒，2）超分散剂附着力强，不易解吸附，3）缩短达到合格颗粒细度的研磨时间，节省加工设备与加工能耗，4）可降低浆料粘度，大幅度提高研磨基料中固体颗粒含量，5）高分子量，悬浮稳定性好。

    3.1 超分散剂的结构

    超分散剂的分子结构按其具有的性质和功能可分为两部分：一部分为锚固基团：如-NR2、-NR3+、-COOH、-SO3H、-PO4H2、-SO3-、-PO42-、多元胺、多元醇及聚醚等（图2），它通过离子键、共价键、氢键及范德华力等作用形式紧紧地吸附于颗粒表面，不易脱附，锚固段在整个超分散剂分子结构中所占比例很小，一般占10 ～ 20%，并要求分散介质是它的不良溶剂。另一部分为溶剂化链，这部分将直接决定分散后颗粒在分散介质中的稳定性。这就要求溶剂化链对分散介质有较好的亲和力，同时要具有足够的碳链长度，以形成足够厚的溶剂化层以克服颗粒间引力，对分散体系起到空间稳定的作用。

    分散剂的结构及作用方式可根据颜料表面的极性进行设计或者选择。通常，强极性颜料如钛白、氧化铁、铁蓝、铬系无机颜料的超分散剂，其锚固基团采用强极性基团，该基团能与颜料颗粒表面反应生成离子键，并通过离子键将超分散剂吸附在颜料颗粒表面，可以产生很强的结合力，并且通常采用单点锚固基团的分散剂就可以起到很好的分散效果。

    对于弱极性有机颜料，超分散剂的锚固基团相应选用弱极性基团，一般通过氢键吸附于颜料颗粒表面。由于单个弱极性基团的吸附强度不够，锚固基团的数量应相应增加，选用多点锚固基团的分散剂，即使其中一个锚固基团发生脱吸附，由于其他基团的存在，仍可保持吸附状态（图3）。

    3.2 超分散剂的稳定机理