均质改性黄原胶对中性墨水分散系统影响.pdf
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1、第5 4卷 第4期2 0 2 3年7月 太原理工大学学报J OUR NA L O F TA I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.4 J u l.2 0 2 3 引文格式:郭桐睿,刘守军,杨颂,等.均质改性黄原胶对中性墨水分散系统影响J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(4):6 3 0-6 3 6.GUO T o n g r u i,L I U S h o u j u n,YANG S o n g,e t a l.E f f e c t o f h o m o g e n i z a t i o n m
2、 o d i f i e d X a n t h a n G u m o n g e l i n k d i s-p e r s i o n s y s t e mJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(4):6 3 0-6 3 6.收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 3;修回日期:2 0 2 2-0 6-0 1 基金项目:大同市重点研发计划项目(2 0 2 0 0 0 7)第一作者:郭桐睿(1 9 9 7-),硕士生,(E-m a i l)8 2 4
3、0 4 3 2 8 4q q.c o m 通信作者:刘守军(1 9 6 3-),副教授,主要从事颜料型中性墨水产品开发,(E-m a i l)1 3 3 0 3 4 6 0 8 8 91 6 3.c o m均质改性黄原胶对中性墨水分散系统影响郭桐睿1,刘守军1,杨 颂1,吴振江2,赵 伟1,李小坤1,罗 干1(1.太原理工大学 化学工程与技术学院,太原 0 3 0 0 2 4;2.山西英可奥化工技术有限公司,太原 0 3 0 0 0 9)摘 要:【目的】黄原胶优异的增稠及悬浮性能契合高端中性墨水的研发需求,但其刚性结构会导致墨水中炭黑颗粒的絮凝,不利于分散。研究了均质改性法对黄原胶体系中性墨水
4、中炭黑颗粒分散稳定系统的影响。【方法】结合中性墨水理化性能对均质工艺进行了优化设计,并对作用机理进行了探讨。【结果】黄原胶添加量为0.1 5%(质量分数)的中性墨水,在5 0 MP a的压力下均质7次,墨水粒径可达8 2 n m,触变值达5.0 4,流变性能达到最佳,热储存性大幅提高,滑度值为0.1 7 8 N,书写性能佳,符合高质量的墨水的要求。S EM显示,均质后墨水具有更高的离心稳定性。F T-I R对比均质前后的样品,发现均质后的样品在9 5 2 c m-1处发生4 1 c m-1的红移现象,说明改性增强了黄原胶分子间与分子内氢键作用力,结合试验结果与表征分析,推测氢键作用力是由黄原胶
5、分子内丙酮酸、乙酰等活性基团与炭黑颗粒表面丰富的官能团吸附而成,也是提高颜料分散稳定性的关键。【结论】研究结果为高质量墨水的开发提供理论和实验依据,为均质机在墨水中的应用提供新思路。关键词:黄原胶;均质;氢键作用力;特种染料与颜料;触变值中图分类号:T Q 6 3 0.6 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.c n k i.i s s n 1 0 0 7-9 4 3 2 t y u t.2 0 2 3.0 4.0 0 6 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 4-0 6 3 0-0 7E f f e c t o f H o m o g e n i
6、z a t i o n M o d i f i e d X a n t h a n G u m o n G e l I n k D i s p e r s i o n S y s t e mG U O T o n g r u i1,L I U S h o u j u n1,Y A N G S o n g1,WU Z h e n j i a n g2,Z H A O W e i1,L I X i a o k u n1,L U O G a n1(1.C o l l e g e o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l
7、 o g y,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a;2.S h a n x i I n k a l l C h e m i c a l T e c h n o l o g y C o.,L t d,T a i y u a n 0 3 0 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】T h e e x c e l l e n t t h i c k e n i n g a n d s u s p
8、 e n s i o n p r o p e r t i e s o f X a n t h a n G u m m e e t t h e R&D n e e d s o f h i g h-e n d g e l i n k,b u t i t s r i g i d s t r u c t u r e w i l l l e a d t o t h e f l o c c u l a t i o n o f c a r b o n b l a c k p a r t i c l e s i n t h e g e l i n k,w h i c h i s n o t c o n d u
9、 c i v e t o d i s p e r s i o n.【M e t h o d s】T h e e f f e c t o f h o m o g e n i z a t i o n m o d i f i c a t i o n o n t h e s y s t e m d i s p e r s i o n a n d s t a b i l i z a t i o n o f c a r b o n b l a c k p a r t i-c l e s i n X a n t h a n G u m g e l i n k w a s s t u d i e d,a n
10、d t h e m e c h a n i s m w a s d i s c u s s e d.【F i n d i n g s】T h e r e-s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e g e l i n k w i t h 0.1 5%X a n t h a n G u m a n d 7 t i m e s h o m o g e n i z a t i o n u n d e r 5 0 MP a p r e s s u r e g o t a p a r t i c l e s i z e o f 8 2 n m,i t s t h i
11、x o t r o p i c v a l u e w a s 5.0 4,t h e r h e o l o g i c a l p r o p e r-t y w a s t h e b e s t,t h e t h e r m a l s t o r a g e p r o p e r t y w a s g r e a t l y i m p r o v e d,t h e s l i p v a l u e w a s 0.1 7 8 N,a n d t h e w r i t i n g p e r f o r m a n c e w a s g o o d,w h i c h
12、m e t t h e r e q u i r e m e n t s o f h i g h-q u a l i t y i n k.S EM i m-a g e s s h o w e d t h a t t h e g e l i n k h a d h i g h e r c e n t r i f u g a l s t a b i l i t y a f t e r h o m o g e n i z a t i o n.A c c o r d i n g t o F T I R c o m p a r a t i o n o f t h e s a m p l e s b e f
13、 o r e a n d a f t e r h o m o g e n i z a t i o n,a 4 1 c m-1 r e d s h i f t o c c u r r e d a t 9 5 2 c m-1,i n d i c a t i n g t h a t t h e m o d i f i c a t i o n e n h a n c e d t h e i n t e r m o l e c u l a r a n d i n t r a m o l e c u l a r h y-d r o g e n b o n d f o r c e o f X a n t h
14、 a n G u m.F r o m t h e c o m b i n e d t e s t r e s u l t s a n d c h a r a c t e r i z a t i o n a n a l y-s e s,i t i s i n f e r r e d t h a t t h e h y d r o g e n b o n d i n g f o r c e i s f o r m e d b y t h e a d s o r p t i o n o f t h e a c t i v e g r o u p s s u c h a s p y r u v i c
15、 a c i d a n d a c e t y l i n X a n t h a n g u m w i t h t h e a b u n d a n t f u n c t i o n a l g r o u p s o n t h e s u r-f a c e o f c a r b o n b l a c k.【C o n c l u s i o n s】T h i s s t u d y p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l b a s i s f o r t h e d e
16、v e l o p m e n t o f h i g h-q u a l i t y g e l i n k,a n d a n e w i d e a f o r t h e a p p l i c a t i o n o f h o m o g e n i z e r i n g e l i n k.K e y w o r d s:X a n t h a n G u m;h o m o g e n i z a t i o n;h y d r o g e n b o n d f o r c e;s p e c i a l d y e s a n d p i g m e n t s;t h
17、i x o t r o p i c v a l u e 中性墨水自上世纪8 0年代问世至今,初步的墨水体系发展逐渐趋于稳态,国产中性墨水在书写及各类性能上较国外仍有差距,主要徘徊于中低端市场。各研究机构及企业也开始着眼于高质量墨水的研发。目前与国外高质量墨水的差距主要在于稳定性,包括增稠体系稳定性、流变数据稳定性、离心稳定性、热稳定性及书写稳定性等。尽管墨水行业的企业之间有一定的技术壁垒,但在探索材料的过程中不难发现,黄原胶对墨水质量的提升有着至关重要的影响。黄原胶作为目前性能最优异的生物胶,其分散溶液的高黏度、触变性、悬浮稳定性与中性墨水所需的优异性能高度契合。但由于黄原胶的结构特性,其分子
18、多重螺旋形成稳态的三维网状分子结构1,这种较强的刚性结构挤压体系内的其他物质,挤压迫使墨水中的炭黑颗粒相互聚集,导致颜料团聚反粗2,在提升其它性能的同时,影响了墨水中炭黑颗粒的分散稳定性,限制了黄原胶的应用。但黄原胶分子内丙酮酸、乙酰等活性基团3与炭黑颗粒表面丰富的官能团为其改性提供了可能。在传统的墨水工艺制备过程中,对墨水施加作用力的工艺仅有搅拌,其作用是使体系内物料均匀,远达不到破坏分子结构的要求。研究表明,在黄原胶的物理改性中,超声波降解4、辐射降解5、升温等方式可以使黄原胶分子链断开,但会导致黏度降低6,从而降低了黄原胶优异的触变性能。均质机发明于1 9世纪末,是根据理想液体在稳定流动
19、时的能量守恒定理-伯努利定理和空穴效应的原理设计而成7-9。均质机广泛应用于奶制品、食品以及生物和药物等行业。进入2 1世纪后,均质机初步应用于染料、颜料行业后处理超细粉碎工艺中,由于其研磨效率高,且细度更细,可提高产品质量,逐渐为国内外染料颜料行业采用1 0。基于此,引入均质机至黄原胶体系墨水制备,利用黄原胶在常温下的结构可逆性,通过均质机对其分子结构进行先破坏再重聚,在此过程中,炭黑颗粒表面丰富的官能团1 1与黄原胶分子被打开而暴露出的活性基团通过大量氢键发生较强的吸附作用,并在黄原胶分子的自恢复过程中,将炭黑颗粒包裹于自身稳定的三维网状结构中,阻止炭黑颗粒的反粗行为,以提高墨水颜料的分散
20、稳定性。对均质后的墨水粒径进行表征,优化配方设计,并确定最佳均质次数;采用S EM、热储存、离心对均质前后样品的颜料悬浮分散情况进行对比分析;利用F T I R及流变表征探究作用机制及分析均质不降低黏度的原因;通过均质过程来考察黄原胶中性墨水的触变行为及结构变化。为黄原胶性能的优化开发及研究高端稳定的中性墨水提供了参考。1 材料和方法1.1 材料C S X 8 6 5颜料炭黑(原生粒径1 9 n m,比表面积为1 4 5 m2/g),工业级,美国C a b o t公司;甘油、丙二醇、聚乙二醇3 0 0、增稠剂T T-9 3 5(丙烯酸碱溶胀型增稠 剂),均 为A R,美 国 陶 氏 化 学 公
21、 司;防 腐 剂G X L,A R,滕州市腾龙化工有限责任公司;防锈剂(苯并三唑),A R,济南成亿乔化工有限公司;润湿剂,A R,德国B A S F S E公司;阴离子表面活性剂(油酸钠),A R,郑州爵派化工产品有限公司;p H值调节剂(三乙醇胺),A R,广州丰登化工有限公司;增稠悬浮剂(黄原胶),A R,上海舜水化工有限公司;自制去离子水。1.2 实验过程常规制备法:加入2 0%水溶性聚乙二醇、0.2%防腐剂、0.2%防锈剂、3%丙烯酸碱溶胀型增稠剂、0.1 5%黄原胶、5 0%炭黑色浆(均为质量分数),加入少量中和剂调节p H值为89,最后加入去离子水至1 0 0%,常温低速搅拌2
22、h后,静置0.5 h,得成品中性墨水。136 第4期 郭桐睿,等:均质改性黄原胶对中性墨水分散系统影响均质改性法:根据上述配方配制中性墨水,在5 0 MP a的压力下,通过控制均质次数,得到不同的成品中性墨水,并在每组实验后取样并测量数据。均质机的工作原理如图1所示。由于柱塞的往复运动,泵体的单向阀芯与阀座开启闭合,中性墨水在其内部形成高压液流,高压液流在通过均质阀的细小间隙时,受高速冲击、挤压研磨、剪切、空穴及湍流等复合力作用1 2-1 3,将中性墨水中较大的颗粒聚集体打散,形成粒径较小的颗粒,在分子层面上具有极强的破坏力,符合破坏黄原胶分子结构的需求,且黄原胶的结构可逆性为均质物理改性黄原
23、胶以提升颜料颗粒在墨水中的分散水平提供可能。阀座均质前冲击环均质后效果图1 均质机的工作原理图F i g.1 W o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e h o m o g e n i z e r1.3 分析测试仪器M i n i Z e t a型砂磨机,耐驰科学仪器商贸(上海)有限公司;T G L-1 6 G高速离心机,北京佳源兴业科技有限公司;J EM 2 1 0 0-P L U S透射电子显微镜,日本电子株式会社;R/S+R h e o m e t e r同轴圆筒式旋转流变仪,美国博勒飞公司;I S 5傅里叶变换红外光谱仪,美国T h e r m
24、o F i s h e r科技公司;T o p s i z e r激光粒度分析仪;珠海欧美克仪器有限公司;A P V-1 0 0 0高压均质机,上海顺仪实验设备有限公司;RH-0 2 C型划圆书写机,天津市瑞航电机电器有限公司。2 结果与讨论2.1 均质黄原胶对中性墨水稳定性影响2.1.1 均质黄原胶对墨水粒径分布的影响在常规方法的制备中,绝大多数研究仅对色浆进行粒径及其稳定性研究,但由于黄原胶结构的特殊性,常规方法制备出的墨水在稳定性考察中效果较差,最终体现在书写性能上,出现断线、损坏笔头、出墨量不稳定等问题。因此,黄原胶墨水需要考察墨水整体的粒径分布及分散稳定性。常规制备法和均质改性法(均
25、质1 0次)制得的黄原胶体系中性墨水的粒径分布如图2所示。由图2可以看出,常规制备法制备的墨水的粒径微分分布曲线不平滑,分布范围较宽,并非稳定的正态分布,体系中大粒径聚集物仍较多。而均质改性法制备的墨水粒径呈稳定的正态分布。墨水研究常以D9 0数据(9 0%的粒径小于某数)判断墨水体系中颜料颗粒是否达到平衡稳定状态,由表1可得,均质改性法下的D9 0数据远小于常规制备法,为8 2 n m,且所有粒径均小于1 2 0 n m,远小于常规制备法的8 8 0 n m,说明经过均质改性的黄原胶体系中性墨水中炭黑颗粒的分散性及悬浮性较好,体系稳定,利于墨水的长期储存。1086420微分分布/?%0.01
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