DMF

DMF-炭黑色浆分散体系稳定性的研究

陈亚东 张慧波 孙向东 施立钦 (宁波职业技术学院浙江宁波315800)

前言 随着各国对环境保护力度的不断加强，有色腈纶作为差别化腈纶品种之一越来越受到腈纶生产厂家的重视，据不完全统计，目前世界有色腈纶已占到了腈纶总产量的20％左右。有色腈纶常用的生产方法有纺前原液着色法、凝胶染色法及长丝连续染色三种，而用共混原液着色法进行有色腈纶的生产具有工艺过程简单、对设备要求低的特点，可制得色谱齐全、色泽均匀、色牢度指标高的有色纤维，该法尤其适宜于深色、黑色腈纶的生产，随着腈纶在户外应用市场的不断扩大，原液着色腈纶将得到进一步的发展。用共混原液着色法进行干法有色腈纶的生产国内目前尚在研究阶段，其基本工艺过程是：将稳定、均匀的色浆加热到与纺丝原液相同的温度，然后以一定的流量通过在线高剪切混合机与纺丝液混合后送至纺丝，显然色浆中着色剂的分散性及稳定性是决定纺丝原液可纺性及有色腈纶质量的关键，本文根据干法腈纶纤维生产对原液着色剂粒度及分散性的要求，研究了炭黑在以DMF为分散介质的色浆体系的分散稳定性，从色浆中炭黑浓度、分散剂的种类及比例、色浆的研磨时间及聚合物PAN的掺入量等方面入手，探讨了这些因素对炭黑分散稳定性的影响。

1实验部分 1．1主要原料 1．1．1炭黑：采用德国GEGUSSA公司的T4及Printex a,其吸油量、原生粒子直径及灰分含量列于表1。 1．1．2分散剂 阴离子型分散剂，包括分散剂MF(亚甲基双甲基萘磺酸盐，上海助剂厂)、分散剂NNO(亚甲基双萘磺酸盐，淄博三鹏化工有限责任公司)、分散剂NA(碱木质素磺酸钠，河南安阳助剂厂)及非离子型分散剂，包括分散剂WA(壬基酚聚氧乙烯醚，南京金陵石化德赛化工技术有限公司)、超分散剂S-2700(脂肪醇聚氧乙烯醚，日本山本通产株式会社) 1．1．3溶剂 二甲基甲酰胺(DMF)PC上海化鞘式剂有限公司 1．1．4聚合物 聚丙烯腈共聚物粉料(PAN)浙江金甬腈纶有限公司

1．2分析测试及仪器设备 1．2．1色浆的制备 将定量分散剂加入到DMF中，搅拌至均匀，加入炭黑或再加入少量PAN继续搅拌至均匀后，转移到QM一1SP型研磨机(南京大学仪器厂)中，研磨一定时间，倒出过滤得色浆母液。 1．2．2色浆稳定性的判断 配制一定浓度的色浆溶液，置于已校正的50mL酸式滴定管中，静置24小时测定炭黑粒子的沉降体积VS，vs／v为炭黑的沉降体积分数(v为粒子沉降开始时的体积)，显然沉降体积分数越大，炭黑粒子的分散效果越好，浆液越稳定。 1．2．3炭黑粒子粒径大小及其分布的测定 将研磨后的着色浆液用DMF配成0．2％的溶液，用WQL粒度仪(上海精密科学仪器有限公司)测定炭黑粒子的分散情况，以中粒径D50及重量比表面积SW来反映炭黑粒子的粒度分布。 1．2．4色浆粘度的测试 用上海天平仪器厂DNJ一1型旋转粘度计测定。

2结果与讨论 2．1炭黑对色浆系统稳定性的影响 一般认为炭黑的分散包括润湿、粉碎与稳定三个过程，润湿是指添加的分散剂(润湿剂)降低炭黑与DMF之间的表面张力，取代炭黑表面上吸附的空气等将凰气界面转变成卧友界面的过程；粉碎则是用机械力将炭黑凝聚的二次团粒分散成接近一次粒子，使之成为悬浮分散体的过程；稳定则是指炭黑悬浮分散体在无外力的作用下，仍能处于悬浮分散状态。显然炭黑的分散与炭黑、溶剂、分散剂三者的性质及相互间的作用有关。炭黑经过特定的分散剂分散后，在炭黑一溶剂中形成了稳定的双电层结构或产生空间位阻效应，在机械力的作用下炭黑粒子的聚集结构得到分散并被分隔，同时加入少量PAN作为载体，将分散的炭黑粒子包裹起来，减少炭黑相互碰撞聚集的几率。 2．1．1炭黑的品种 纺丝对炭黑粒子大小的要求在0．5 um左右，若粒子太大，易堵喷丝孔造成纺丝的中断，同时大粒子存在于纤维中也影响纤维的强度，我们选用的炭黑是德国GEGUSSA公司的T4及Printex a二种型号，这二种型号炭黑在DMF中的粒径分散性能的对比试验结果如表2： 表2炭黑在DMF中的分散性 *研磨2小时，MF5％一相对于炭黑重量百分比(下同) 从表2我们可以看到炭黑T4比Printexa在DMF的分散性要好得多，其分散后的中粒径分布在O．5 u m左右，且重量比表面积大，基本符合干法腈纶纺丝的要求，因此我们选用炭黑T4作进一步的分散性研究。 2．1．2色浆中炭黑的添加比例 由于色浆的添加是通过的在线高剪切泵混合后直接加入到纺丝原液中的，因此理论上色浆中炭黑的比例越高，对纺丝原液总的固含量影响越小，但事实上，随着炭黑量的增加，体系的粘度急剧增大，同时也增加了炭黑由于相互碰撞而沉积的几率，影响了色浆的贮存稳定性及输送性能。图1为炭黑添加量对体系的粘度及贮存稳定性曲线，综合考虑，我们选择色浆中炭黑比例为18％。 2．2分散剂对色浆系统稳定性的影响 我们选择了阴离子型及非离子型分散剂，这两类分散剂具有类似的分子结构，即由锚固基团和溶剂化链两部分组成。其中锚固基团能以单点化学键或多点氢键的形式牢固吸附于炭黑表面，防止助剂脱附：溶剂化链则在颜料表面形成一定厚度(5—15纳米)的保护层，有效阻碍炭黑粒子之间的团聚作用。 2．2．1分散剂的品种 色浆体系中加入分散剂进行研磨处理时，炭黑的粒径比未加分散剂要小，并且粒径分布更窄(图2)； 常温下能提高炭黑的分散性能的分散剂种类很多，如图3所示，阴离子分散剂，其亲油基团与炭黑粒子以范德华力结合且带负电的磺基团向外形成具有双电层结构的胶体粒子，使炭黑的一次粒子被分散剂所包围，同种电荷的静电斥力更有效地防止第二次凝聚，对于同一类型的阴离子，其磺化度小，HLB值小(MF