淺析陶瓷墨水中的分散劑

石教藝+李向鈺+張翼

摘 要：陶瓷墨水主要由陶瓷顏料、溶劑、分散劑及其它輔料所構成的懸浮漿狀體。陶瓷墨水制備的關鍵在于如何將微納米陶瓷顏料穩定地分散在分散介質中，即保證粉體在溶劑中處于單分散狀態，無絮凝不沉淀。因此，陶瓷墨水中，分散劑對陶瓷顏料的分散起著至關重要的作用，包括提高研磨效率，降低漿料的粘度以及提高墨水的懸浮穩定性和打印性能。本文主要討論了分散劑的結構和作用機理，以及陶瓷墨水分散劑的設計思路，為高性能分散劑的設計合成和提高陶瓷墨水的性能研究提供理論依據。

關健詞：噴墨打印；陶瓷墨水；超分散劑；分散劑；陶瓷顏料

1 引言

陶瓷墨水是由陶瓷顏料、溶劑、分散劑及其它輔料所構成的懸浮漿狀體，陶瓷顏料要有良好的分散性。陶瓷墨水制備的關鍵在于陶瓷顏料的制備及其在溶劑中的穩定分散，即保證粉體在溶劑中處于單分散狀態，無絮凝效應，陶瓷墨水的制備方法主要采用合適的分散劑和溶劑，通過機械研磨的方式將顏料研磨分散至1 μm以下[1-3]。因此，陶瓷墨水中，分散劑對陶瓷顏料的分散起著至關重要的作用，包括提高研磨效率，降低漿料的粘度以及提高墨水的懸浮穩定性和打印性能[4]。前人主要研究的內容集中在陶瓷墨水的制備方法和應用研究，很少從分散劑的結構對陶瓷顏料分散性能的影響進行探討[5，6]。盡管現在陶瓷墨水的制備工藝及應用工藝已經成熟，但是陶瓷顏料粉體的超細化、球型化及提高墨水懸浮穩定性等問題一直都是陶瓷墨水生產和應用中的技術難題。因此需要對陶瓷墨水分散劑結構和陶瓷顏料的分散進行全面的了解。

2 陶瓷墨水中顏料的分散過程和原理

目前陶瓷墨水主要采用分散法制備。分散法制備陶瓷墨水的關鍵在于陶瓷顏料的濕潤、分散和穩定的過程（圖1），它對墨水的性能有極大影響。濕潤分散劑能縮短研磨分散時間，降低能源消耗，使色漿分散體系處于穩定狀態，對墨水的諸多性能都起著決定性的作用。

顏料分散就是把二次粒子團的附聚體和聚集體研磨分碎成更細小的粒子或原始粒徑，使其成為穩定的分散懸浮體。顏料的濕潤：是改變顏料表面性能的過程，是除掉顏料表面吸附的水和空氣，改變其極性，降低液 / 固之間的界面張力，增加顏料和溶劑的親合力。濕潤劑則是在此階段發揮作用的助劑。濕潤劑是能夠提高顏料濕潤分散效力的界面活性劑，它對顏料表面有極強的親合力，能夠定向吸附在顏料的表面，取代顏料表面的吸附物：如水和空氣等。增強溶劑與顏料的親合力，縮短顏料的研磨分散時間。因為顏料的濕潤過程實際上就是顏料表面的一種置換工程，因此濕潤劑應和顏料具有極強的親合力。

顏料的分散過程，通過機械粉碎形成的顏料細小微粒與溶劑形成均勻的懸浮體，在無外力作用下，能保持穩定的分散狀態通常稱其為分散階段也稱穩定階段，分散劑就是在這個階段發揮作用的助劑。

分散劑是能夠使墨水分散體系保持穩定的界面活性物質。添加在墨水中的分散劑能吸附在微納米陶瓷顏料表面，構成吸附層，產生電荷斥力和空間位阻效應，防止分散了的顏料粒子再次絮凝，可保持體系處于穩定的懸浮狀態。一般來講分散劑的分子量大的，可形成較厚的吸附層。分散劑若使用得當，不但能防止顏料沉淀，使陶瓷墨水具有良好的儲存穩定性，還能降低色漿的粘度，增加研磨色漿中顏料的含量，提高研磨效率，達到節省人力和能源的效果。

3 超分散劑

陶瓷墨水是一種固液懸浮體系，墨水中顏料的平均粒徑在300 nm左右，高固含40%左右，并且低粘度，在25 mPas左右，是一種熱力學極不穩定體系，當顏料分散在介質中時容易發生團聚和沉淀，從而影響其最終的性能。因此微納米材料的分散技術，無論從理論上還是從實際應用上都具有重要的研究價值。

傳統的分散劑在分子結構上有局限性：（1）親水基團在極性較低或非極性的顆粒表面結合不牢固，易解吸而導致分散后粒子重新絮凝；（2）親油基團不具備足夠的碳鏈長度（最多為C18的衍生物），不能產生足夠的立體屏障效應以起到空間穩定作用，從而易發生沉淀[7]。為克服傳統分散劑的局限性， 近年來分散性能優異的高分子分散劑， 又稱為超分散劑[8，9] 已開發成功并得到了很好應用。它的主要特點有：1）快速充分地潤濕顆粒，2）超分散劑附著力強，不易解吸附，3）縮短達到合格顆粒細度的研磨時間，節省加工設備與加工能耗，4）可降低漿料粘度，大幅度提高研磨基料中固體顆粒含量，5）高分子量，懸浮穩定性好。

3.1 超分散劑的結構

超分散劑的分子結構按其具有的性質和功能可分為兩部分：一部分為錨固基團：如-NR2、-NR3+、-COOH、-SO3H、-PO4H2、-SO3-、-PO42-、多元胺、多元醇及聚醚等（圖2），它通過離子鍵、共價鍵、氫鍵及范德華力等作用形式緊緊地吸附于顆粒表面，不易脫附，錨固段在整個超分散劑分子結構中所占比例很小，一般占10 ～ 20%，并要求分散介質是它的不良溶劑。另一部分為溶劑化鏈，這部分將直接決定分散后顆粒在分散介質中的穩定性。這就要求溶劑化鏈對分散介質有較好的親和力，同時要具有足夠的碳鏈長度，以形成足夠厚的溶劑化層以克服顆粒間引力，對分散體系起到空間穩定的作用。

分散劑的結構及作用方式可根據顏料表面的極性進行設計或者選擇。通常，強極性顏料如鈦白、氧化鐵、鐵藍、鉻系無機顏料的超分散劑，其錨固基團采用強極性基團，該基團能與顏料顆粒表面反應生成離子鍵，并通過離子鍵將超分散劑吸附在顏料顆粒表面，可以產生很強的結合力，并且通常采用單點錨固基團的分散劑就可以起到很好的分散效果。

對于弱極性有機顏料，超分散劑的錨固基團相應選用弱極性基團，一般通過氫鍵吸附于顏料顆粒表面。由于單個弱極性基團的吸附強度不夠，錨固基團的數量應相應增加，選用多點錨固基團的分散劑，即使其中一個錨固基團發生脫吸附，由于其他基團的存在，仍可保持吸附狀態（圖3）。

3.2 超分散劑的穩定機理