油墨中自分散颜料的制备及性能研究_孟丽平.pdf

PRINTING AND DIGITAL MEDIA TECHNOLOGY STUDY Tol.223 No.2 2023.04印刷与数字媒体技术研究 2023年第2期（总第223期）RESEARCH PAPERS研究论文油墨中自分散颜料的制备及性能研究孟丽平1，曾振华2（1.河南科技职业大学，周口 466000；2.南京理工大学，南京 210094）摘要 分散性是决定颜料性能的一个关键性指标，不仅决定初始颜料颗粒的润湿性，还决定了油墨的着色强度。本研究利用化学接枝反应制备了一种可用于油墨的自分散颜料颗粒，通过在颜料表面引入亲水性基团来稳定颜料，并研究了不同反应温度、反应时间和对氨基苯甲酸质量分数对颜料颗粒尺寸和Zeta电位的影响，确立了最佳反应工艺。实验结果表明，反应温度为25，反应时间为1.5h，对氨基苯甲酸质量分数为15%时制备的改性颜料粒子性能最好，改性颗粒平均粒径约为85nm，Zeta电位约为-34mV。改性后的颜料自分散性优异，制备油墨时不需要添加任何分散剂也能稳定存在。关键词 颜料；自分散；化学改性；稳定性中图分类号 TS802.3;TQ620文献标识码 A文章编号 2097-2474(2023)02-117-06DOI 10.19370/10-1886/ts.2023.02.014Study on Preparation and Properties of Self-Dispersed Pigment in InkMENG Li-ping1,ZENG Zhen-hua2(1.Henan Science and Technology Vocation University,Zhoukou 466000,China;2.Nanjing University of Science&Technology,Nanjing 210094,China)Abstract Dispersion is a key index to determine the performance of pigments,which not only determines the wettability of the initial pigment particles,but also determines the coloring intensity of ink.In this study,a self-dispersed pigment particle which can be used for ink was prepared by chemical grafting reaction.Hydrophilic groups have been introduced into the surface of the pigment to stabilize the pigment,and the effects of the reaction temperature,reaction time and p-aminobenzoic acid mass fraction on the particle size and Zeta potential of the pigment were studied and the optimal reaction procedure was determined.The results showed that the prepared modified pigment particles had the best performance,when the reaction temperature was 25,the reaction time was 1.5h,and the p-aminobenzoic acid mass fraction was 15%.The average particle size of the modified particles was about 85nm,and the Zeta potential was about-34mV.The modified pigment has excellent self-dispersion,and can be stable without adding any dispersant in the preparation of ink.Key words Pigment;Self-dispersed;Chemistry modification;Stability收稿日期：2022-09-10 修回日期：2022-12-10项目来源：2021年度河南省教育科学“十四五”规划一般课题项目(No.2021YB0763)本文引用格式：孟丽平，曾振华.油墨中自分散颜料的制备及性能研究J.印刷与数字媒体技术研究，2023，(2)：117-122.2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1172023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1172023/3/27 16:05:542023/3/27 16:05:54118印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）0 引言目前，纺织印染的污染不仅破坏生态环境，而且对人类健康造成损害1-3。为了解决纺织印染行业的污染问题，废水处理一直以来都是研究的焦点，而忽视了对染色技术的改进。近些年，喷墨打印技术由于操作灵活、工艺简便、污染小等优点而受到广泛应用 4-6。目前市面上的喷墨油墨主要有染料基油墨和颜料基油墨。染料基油墨对颜色鲜艳的织物具有较好的亲和力，但耐酸碱性和耐光性较差7-8。而颜料基油墨具有优异的显色强度、耐光性和耐化学腐蚀性，将颜料与喷墨印花技术相结合，是生产高性能纺织品环保油墨的新方法9-11。与单分子结构的染料不同，颜料的表面缺乏亲水基团，通常不溶于水。传统制备颜料基油墨技术是一个在分散剂和聚合物黏合剂存在下的物理研磨过程。颜料颗粒一般是纳米颗粒，尺寸小，热力学不稳定，很容易因为分散剂的脱附而再聚集12。研究人员开发了很多稳定纳米颜料颗粒的方法，包括聚合物层包覆13、乳液聚合14、溶胶-凝胶法15、相分离法16-17，但是这些方法工艺复杂、成本高，难以大规模应用。因此，开发一种不需要分散剂和黏合剂即稳定型自分散的喷墨油墨用颜料具有重要意义。本研究利用化学接枝反应制备了一种可用于油墨的自分散颜料颗粒，通过在颜料表面引入亲水性基团来稳定颜料，并研究了不同反应温度、反应时间和对氨基苯甲酸质量分数对颜料颗粒尺寸和Zeta电位的影响，确定最佳反应工艺。在不添加任何稳定剂下利用改性后的颜料粒子制备的自分散颜料油墨也能稳定存在。1 实验材料与仪器1.1 实验材料炭黑（7550 f(CB)，购买于上海色光贸易有限公司）；对氨基苯甲酸（97%，购买于上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；其他试剂均购买于中国医药集团有限公司。1.2 实验仪器高速分散机（BGD 740型，标格达精密仪器有限公司）、油浴锅（HWS12型，上海予华仪器设备有限公司）、真空干燥箱（DZF-6050型，上海精宏实验仪器有限公司）、高速离心机（JIDI-20D型，广州吉迪仪器有限公司）、纳米粒度及Zeta电位分析仪（BeNano 180 Zeta Pro型，丹东百特仪器有限公司）、紫外可见分光光度计（Lambda25型，珀金埃尔默仪器有限公司）、扫描电子显微镜（S-4800型，上海富莱光学科技有限公司）；接触角仪（SDC-200S科研型，东莞市晟鼎精密仪器有限 公司）。2 样品制备及表征2.1 水性自分散颜料的制备将40g去离子水和一定量的对氨基苯甲酸在圆底烧瓶中混合，在一定温度下搅拌10min；待对氨基苯甲酸完全溶解后，添加浓盐酸调节溶液pH值至3，然后加入对氨基苯甲酸质量的10%的亚硝酸钠溶液和5g炭黑；最后用高速分散机将颜料充分分散一定时间后，透析纯化、离心、高温浓缩和旋转蒸发浓缩得到水性自分散颜料。2.2 水性自分散颜料油墨的制备油墨配方包括颜料（质量分数为3%）、乙二醇（质量分数为4%）、表面活性剂Surfynol 465（质量分数为0.5%）、三乙醇胺（TEOA，质量分数为0.1%）、蒸馏水（质量分数为92.4%），将以上组分充分混合均匀，然后经过450nm的滤膜过滤后得到颜料油墨。2.3 表征方法利用纳米粒度及Zeta电位分析仪测试颜料和油墨的粒径、分布和Zeta电位；利用紫外可见分光光度计测试颜料的紫外吸收光谱；利用扫描电子显微镜（SEM）在3kV电压下观察颜料颗粒形貌；利用接触角仪测试颜料粒子亲疏水性。2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1182023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1182023/3/27 16:05:542023/3/27 16:05:54119研究论文孟丽平等：油墨中自分散颜料的制备及性能研究3 结果与分析3.1 颜料改性机理分析炭黑分子结构中含有大量苯环，在酸性条件下亚硝酸钠与对氨基苯甲酸上的氨基先形成重氮盐，再与炭黑中的苯环发生偶氮化反应；炭黑颜料通过偶氮化反应与对氨基苯甲酸连接，而这一过程中对氨基苯甲酸上的羧基不会受影响18。因此，颜料表面的亲水羧基携带较多负电荷，形成双层静电层，防止颜料因范德华力或布朗运动而再次聚集，使颜料保持稳定。3.2 不同反应条件对颜料粒径和Zeta电位的影响粒径和Zeta电位是改性颜料的主要指标，也是后续应用的关键影响因素。因此，本研究首先重点研究不同反应温度、不同反应时间和不同质量分数的对氨基苯甲酸对颜料粒径和Zeta电位的影响。3.2.1 不同反应温度对颜料粒径和Zeta电位的影响当对氨基苯甲酸质量分数为15%，反应时间为1.5h时，不同反应温度对颜料粒径和Zeta电位的影响，如图1所示。从图1a可以看出，改性颜料粒径随反应温度的上升先减小后增加，这是因为反应温度增高，粒子运动更加剧烈，导致颜料颗粒发生聚集，颗粒尺寸增加。当反应温度为25时，改性颜料粒径最低，粒径约为85nm。从图1b可以看到，Zeta电位随反应温度的上升先减小后增加，当反应温度为25时，改性颜料粒子的Zeta电位最低，约为-34mV，说明在此温度下粒子也是最稳定的。因此，本研究将反应温度设置为25。3.2.2 不同反应时间对颜料粒径和Zeta电位的影响当对氨基苯甲酸质量分数为15%，反应温度为25时，不同反应时间对改性颜料粒径和Zeta电位的影响，如图2所示。从图2a可以看到，颜料粒径随着反应时间的增加也呈现出先降低后增加的趋势，在反应时间为1.5h时，颜料颗粒尺寸最小，约为85nm。这是由于反应时间过长会使得颗粒碰撞而增加颗粒发生团聚的几率，导致颗粒尺寸变大19。从图2b也可以看到，在该条件下，改性颜料的Zeta电位最低，约为-34mV。因此，本研究将反应时间设置为1.5h。3.2.3 不同质量分数的对氨基苯甲酸对颜料粒径和Zeta电位的影响当反应时间为1.5h，反应温度为25时，不同10203040506006080100120140反应温度()粒径(nm)a.粒径1020304050600-40-200反应温度()Zeta电位(mV)b.Zeta电位图1 反应温度对改性颜料粒径和Zeta电位的影响Fig.1 Effect of reaction temperature on particle size and Zeta potential of modified pigment1.01.52.02.50.56080100120140反应时间(h)1.01.52.02.50.5反应时间(h)粒径(nm)a.粒径-40-200Zeta电位(mV)b.Zeta电位图2 反应时间对改性颜料粒径和Zeta电位的影响Fig.2 Effect of reaction time on particle size and Z