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超分散剂是一类具有两亲性结构的高分子化合物,具有快速充分润湿固体微粒、分散均匀、稳定性好、提高分散体系中的固体微粒含量等优点,能明显提高分散体系稳定性,因此超分散剂在油墨、涂料、颜料、染料、陶瓷、磁记录材料、塑料、纳米材料和导电聚合物等方面发挥了重要作用。然而,国内外对超分散剂以及分散体系中各参数对分散稳定性的影响还缺乏研究,因此我们对超分散剂的合成与分散性能方面进行了研究。
(1)以巯基乙酸(TGA)为链转移剂,偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,采用自由基链转移聚合的方法,合成了具有不同种类及长度的溶剂化链的端羧基聚合物PSt和PMA。研究了链转移剂用量、引发剂用量、温度、时间等因素对聚合反应的影响,用非水滴定法测定了聚合物的分子量,并结合IR光谱分析,对聚合物的结构进行了表征。结果表明,单体、TGA、AIBN的物质的量比为100:2:2,反应温度为80℃,在氮气保护下反应4 h,得到了具有端羧基的聚合物,且端基官能团化的比例高,反应转化率达到93%以上。
(2)将得到的具有端羧基的聚合物与四乙烯五胺(TEPA)进行胺化反应,合成了一系列具有不同长度及种类的溶剂化链、以-NR2为锚固基团的超分散剂PS和PM。研究了聚合物与TEPA的物质的量比、温度、时间以及聚合物的链长度等因素对胺化反应的影响,用非水滴定法测定了产物的胺值,并结合IR光谱分析,对产物的结构进行了表征。结果表明,聚合物与TEPA的物质的量比为1:3,反应温度为150℃,在氮气保护下反应8 h,得到了不同胺值的超分散剂。发现胺化反应除了受温度、时间、反应物配比等一般反应条件的影响外,还受到聚合物分子量的制约,分子量越小,反应完全需要的时间越短;分子量越大,反应完全需要的时间越长。
(3)采用IR、重量法等测试手段及理论分析研究了超分散剂PS和PM在TiO2表面的吸附特性和吸附形态,绘制了吸附等温线。结果表明,超分散剂在。TiO2微粒表面的主要吸附机理不是静电吸附,而是超分散剂链上的-NH与TiO2解理面上的氧原子形成了氢键。当超分散剂浓度较低时,超分散剂以多位吸附的形式吸附在微粒表面上;当超分散剂的浓度较高时,超分散剂在微粒表面为单层吸附。
(4)采用沉降法测定了本实验制备的超分散剂PS和PM在不同条件下的沉降比,绘制了不同条件下的沉降曲线,研究了溶剂化链的长度和种类、超分散剂的用量和胺值、分散微粒的种类和用量、溶剂以及温度等因素对超分散剂分散性能的影响。研究结果表明,本实验制备的超分散剂对ZnO、碳黑、TiO2和碳酸钙微粒在不同分散介质中均具有较好的分散效果,超分散剂PS和PM的溶剂化链的最佳长度分别为Mn=5354和Mn=4343,分散剂的最佳浓度为10 g/L。随着超分散剂胺值的增大,体系稳定放置的时间增长,超分散剂的分散稳定性提高。在含有超分散剂PM的分散体系中,TiO2微粒有较好的分散稳定性;而在含有超分散剂PS的分散体系中,ZnO微粒则有较好的分散稳定性;在超分散剂浓度和分散体系体积相同的情况下,增大微粒的浓度,各分散体系的稳定性都明显下降。超分散剂PM在异丙醇和环己酮两种溶剂中对微粒的分散稳定性较好,而超分散剂PS在甲苯和四氢呋喃两种溶剂中微粒的分散稳定性较好。随着分散温度的升高,超分散剂的分散能力增加,但当分散温度达到30℃后,其分散稳定性又逐渐下降。
(5)用数码光学显微镜研究了超分散剂在甲苯中对ZnO、碳黑、TiO2和碳酸钙微粒的分散均匀性。结果显示,超分散剂PS和PM都能使各微粒在甲苯中得到均匀分散,超分散剂PS在甲苯中分散ZnO的效果最好,超分散剂PM在甲苯中对TiO2的分散效果最好,也最均匀。