颜料红122水性分散体胶体性质和喷射性能的研究

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在纺织数字印花领域,采用水性颜料墨水的印花技术具有工艺简单、通用性强、环保等优势,近年来发展十分迅速。水性颜料墨水是以超细有机颜料水性分散体为基础的复杂混合胶体体系。针对这一体系结构和性能的研究能够为实际应用提供基本的理论指导。各组分之间的相互作用是分散体胶体和界面结构的微观原因,决定了分散体的剪切流变、表面张力和润湿性等特征,从而影响液滴的产生和喷射特征。本课题首先采用电泳、粒径分析和稳定性测试考察了pH、电解质、有机溶剂和表面活性剂等因素对分散剂PSMA稳定的颜料红122水性分散体胶体和界面结构的影响。然后从相互作用和界面的角度分析了这些因素对流体剪切流变特征和润湿性能的影响。最后采用高速照相技术考察了粘度、表面张力和固体颗粒等因素对低雷诺数条件下液滴产生的动态过程以及不同脉冲频率下的液滴喷射特征的影响。实验结果如下:(1)随着pH值的增大,胶体颗粒的电泳淌度增大,Zeta电位随之增加,但当pH>10.45时,Zeta电位反而有所减小。当pH<3时,分散体室温静置条件下出现沉淀。pH处于3.3910.45范围时,分散体在室温和60°静置24hr后都能保持粒径稳定性。pH>11.14时,体系在60°静置24hr后粒径分布变化很大。当pH处于在pH=7时,电解质浓度较小时,Zeta电位有所提高,然后随着电解质浓度的提高Zeta电位逐渐减小。随着电解质浓度的增加,分散体的稳定性逐渐变差。(2)在所选溶剂中,乙醇对胶体颗粒粒径分布的影响最大。随着羟基数目和疏水链段长度增加,胶体的电泳淌度有所减小,疏水链段长度的影响大于羟基数目。氢键力的变化导致分散体稳定性的急剧下降。(3)动态光散射粒径分析表明,颗粒表面高分子吸附层厚度随着乙醇浓度的增加而减小,颗粒z均粒径由135.3nm减小到105.5nm。乙醇浓度对胶体颗粒电泳的影响分为两个阶段。乙醇浓度低于20%时,电泳淌度减小很快, Zeta电位绝对值反而迅速增大,乙醇浓度大于20%时,电泳淌度变化很小,Zeta电位绝对值逐渐减小。当乙醇浓度大于40%后,分散体稳定性很差。(4)当浓度较低时,阴离子表面活性剂二辛基璜基琥珀酸钠盐能够和高分子共同吸附在颗粒表面,颗粒表面的负电荷增加,Zeta电位绝对值增大。阴离子表面活性剂浓度较大时,过量的表面活性剂形成胶束。非离子表面活性剂S465减小了胶体颗粒的电泳淌度。(5)分散体在高剪切速率条件下,剪切粘度随着剪切速率的增大而增大。在牛顿流体特征区域,剪切粘度与固体浓度符合指数关系η=0.19exp(17.02φ),表明颗粒之间的吸引力随着固体浓度的增加而增大。根据Dabak模型得到最大固体堆砌分数为0.38,小于布朗硬球模型的0.625。(6)随着pH值的增加,分散体剪切粘度减小,pH对低剪切速率条件下剪切粘度影响较大,对高剪切速率条件下的剪切粘度影响不大。随着电解质浓度增大,极低剪切速率(010 s-1)下剪切粘度增大,而对其他剪切速率下剪切粘度影响很小。(7)端基为-C4H9的二乙二醇丁醚降低颜料分散体表面张力的能力最强。表面活性剂浓度大于2 g·L-1后,水溶液能够在载波片和不锈钢片上完全铺展。二乙二醇丁醚和表面活性剂具有较好的润湿协同效应。(8)液滴的产生可以分为最大液滴形成和液滴分离两个过程。相同流速条件下随着表面张力的增大,液滴产生时间增大液滴体积增大。流体的粘度不利于液滴颈部的收缩而导致液滴分离时间较短,而且较易形成“卫星”液滴。固体颗粒的存在减小了液滴形成时间和液滴分离时间。(9)液滴运动速度随着电压脉冲频率的变化出现波动,在210KHz频率范围内液滴运动速度稳定,在1015KHz频率范围内速度出现波动。速度波动曲线形状主要由溶剂性质决定,而固相颗粒(颜料和乳胶颗粒)会导致液滴速度的减小。论文工作的主要贡献在于研究了水性体系中溶剂对分散体颜料表面高分子的作用机理和溶剂对流体喷射行为的影响。溶剂性质影响流体在不同喷射频率条件下液滴的运动速度和稳定性。
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