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粘胶着色用水性颜料色浆的开发

2020-09-15 16:58:55    来源:    浏览次数:
由于采用水作为载体将颜料粒子携带进原液体系,粘胶纤维着色方式均无外排污水,粘胶着色应用领域的水性颜料色浆开发会成为发展趋势,故使粘胶纤维用水性色浆产量逐渐增大。
分析了水性颜料色浆的考察指标、润湿分散原理、研磨工艺等,提出了色粉颜料必须选择适用的分散剂才能较好地分散在水中,颜料的原始粒径需<0.5 μm 才能被选用,颜料色粉必须经研磨分散达到稳定细度后方能使用。

0 引 言
粘胶纤维原液主要是水体系下的高粘度溶液。
着色粘胶纤维可以通过采用颜料粒子混入的方式进行生产,而将颜料粒子携带进原液体系的载体只能是水。
由于采用这种上色方式无外排污水,因此粘胶着色应用领域的水性颜料色浆开发将成为发展趋势。
1 色浆的考察指标
粘胶行业对水性颜料的要求主要有以下 5 点:
(1) 粘胶原液含量不能太低。如果太低,则会导致因过多混入水分,使粘度急剧降低,从而导致无法纺丝。
(2) 由于喷丝孔的直径以微米为单位计算,故颜料粒子的直径必须小于喷丝孔直径,通常控制在 0.5 μm 以下。
(3) 分散体系的均匀性。如果颜料粒子在载体内分布不匀,则会导致粘胶纤维颜色的波动,从而影响产品质量。
(4) 水性色浆不能为酸性。如为酸性,则因其容易和粘胶原液反应,导致纤维素析出。
(5) 水性色浆的粘度应该控制在 40 MPa / s以下,否则影响纤维纺丝成型。颜料粒径本身尺寸一般在 0.1~0.2 μm,但出厂后大多以聚集态形式存在,所以水性颜料色浆开发最主要的就是使颜料在水中分散到一定尺寸,并且要长久地保持稳定状态。
水性色浆的分散包括以下 2 点:
(1) 均匀分散。
(2) 保持分散稳定。
首先在预混料阶段,在渗透剂的作用下分散质润湿颜料粒子,包覆在其周围,然后在强大的外力作用下互相之间打散,同时由于分散剂的存在,粒子之间形成空间隔阂或者电斥力,保持稳定下来。颜料的润湿计算式如下:式中:Θ 为润湿角;δSG为固 - 气表面张力;δLS为液 - 固表面张力;δLG
为液 - 气表面张力。Θ 角越小,则越易润湿,δSG主要由固体性质决定,随着颜料的确定而确定,减小 δLS和 δLG可以改善颜料在水中润湿的难易,这个过程与选择何种润湿剂有很大关系。
颜料粒子在水性介质中的润湿过程可以看作是固 - 气界面消失和固 - 液界面形成的 2 个过程,取决于粒子表面及水性介质的极性差异情况。
由于纳米颗粒和水性介质都具有一定的极性,固 - 液界面很容易代替固 - 气界面。当颗粒不被完全润湿时,颗粒有强弱不等的逃离出水的趋势,或者在水中抱团,不能稳定分散。
颜料粒子被润湿后主要以
2 种状态存在:
(1) 颗粒间发生团聚行为互相粘连形成大的团聚体,成长为二次颗粒。
(2) 颗粒间互相排斥在水性介质中自由布朗运动,形成稳定悬浮液。
2 种状态同时存在且在一定条件下互相转化。
颜料分散体系不稳定计算式如下:

式中:Vs 为沉降速率;a 为粒子半径;ρ 为分散相密度;ε 为分散介质密度;g 为重力加速度;η 为分散介质粘度。
从上式可以看出 a 的作用非常明显,粒子半径越大,沉降速率越快。当 Vs 低到一定程度时,分子的布朗运动会抵消 Vs 的影响,使体系成为稳定的悬浮体。

2 润湿分散原理
颜料通常被认为是不溶解于水的,但颜料粒子通常有着极度轻微的溶解,因此当粒子分散不均,粒径分布不均匀时,由于大粒径粒子的溶解度远远小于小粒子的溶解度,故体系中产生了溶解度差,小粒子周围分子析出,向大粒子靠拢,从而造成大粒子越来越大,小粒子越来越小,最终破坏体系分散稳定性。
所以色浆使用的颜料粒子的粒径应尽量集中分布在一个较窄的范围内,以有利于保持体系稳定。
颜料稳定悬浮于水体系中主要有 3 种机理:
(1) 静电稳定机理,即通过调节 p H 使得颗粒表面产生一定量的表面电荷形成双电层。
由于双电层的存在使粒子间的吸引力大大降低,从而实现颜料分散。
(2) 空间位阻稳定机制,即在悬浮液中加入一定量不带电的高分子化合物,使其分子链吸附在颗粒周围,呈卧式、环式、尾式 3 种形态,从而使颗粒之间产生排斥作用力,达到分散目的。
(3) 静电空间稳定机制,即在悬浮液中加入一定量的聚电解质,同时调节 p H 值,促使聚电解质的离解度达到最大,粒子表面对聚电解质达到饱和吸附,二者的共同作用使颗粒均匀分散。粒子分散稳定机理如图 1 所示。

由图 1 可知,颜料粒子之间有产生聚集的倾向,其主要原因是: (1) 粒子的表面能越大,体系越不容易保持稳定; (2) 粒子之间由于有范德华力而互相吸引,又由于电荷力而互相排斥。
当粒子间距离较小,接近某一范围时,范德华力起主要作用,使粒子相互吸引而凝聚。
通过引入增大粒子间距离的助剂和增加粒子表面电荷来达到粒子之间互相排斥防止集聚:
(1)选用适当的分散剂使之吸附在粒子表面,利用其本身结构增加粒子的吸附层厚度,使粒子间距离变大,通常选用非离子型表面分散剂或分子链较大的离子型表面活性剂。 
(2) 选用阴离子分散剂来增加粒子的电荷斥力,从而达到避免团聚的目的。
通常情况下配置色浆选用的水应该是去离子水,因为水中所含的钙镁粒子带正电荷,会影响分散剂的电荷分布。
3 研磨工艺
3.1 研磨设备和工艺筛选现代研磨设备主要以砂磨为主,包含立式和卧式2 种。
立式砂磨机虽然造价便宜,但是生产效率较低;卧式砂磨机与立式砂磨机相比,价格高出很多,但是生产效率也相对较高。
颜料初磨时应该选用直径较大的必威官网体育登录,因为大直径意味着动量大,从而有利于打散颜料粒径的聚合体,后道研磨可根据生产效率要求选用直径较小的必威官网体育登录,增加锆珠数目。
剪切点越多,越有利于分散。研磨腔的填充率对研磨效率也有影响,必威官网体育登录用量小,剪切点也会减少,研磨效率和分散效果会降低。
反之,如果必威官网体育登录用量过多,则导致研磨腔过于拥挤,导致锆珠活动量的减少,从而影响研磨效率和分散效果,增加必威官网体育登录损耗。
所以,色浆加入量与锆珠填充率之间的关系需要通过多次试验进行摸索探讨。
3.2 研磨分散前后色浆中粒子状态对比
研磨分散之前色浆中粒子状态对比如图 2 所示
研磨分散前色浆中粒子状态对比研磨分散前色浆中粒子状态对比
由图 2 图和 3 可知,颜料粒子的集聚容易导致纺丝时喷丝孔的堵塞,因此,粘胶用色浆必须避免这种情况。
研磨分散打开了颜料粒子的集聚团,使得单个粒子在分散剂的介入下稳定悬浮在水中,这是解聚所必须的过程。
3.3 研磨后色浆的储存
研磨后的色浆在一定时间内会保持体系的稳定,但是因为环境温度和重力及分子运动的影响,色浆会逐渐分层沉淀。
因此,成品色浆不能长时间存放,或者在存放时配置一个带搅拌的色浆储罐,慢速搅拌有助于保持体系稳定.
4 结 语
(1) 色粉颜料必须选择适用的分散剂才能较好地分散在水中。
(2) 颜料的原始粒径需<0.5 μm。
(3) 颜料色粉必须经研磨分散达到稳定细度后方能使用。
(4) 研磨过程中会产生气泡,需要加入消泡剂,通过实验对比选择出适合生产的消泡剂很重要。
(5) 今后应继续摸索分散剂及有优势的供应商,开发出更多颜色满足客户,把成本降到最低,给公司带来可观效益。

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