均质改性黄原胶对中性墨水分散系统影响.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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/?%0.010.11101001?000粒径/?m100806040200累积分布/?%（a）常规制备法（b）均质改性法1086420微分分布/?%0.010.11101001?000粒径/?m100806040200累积分布/?%图2 不同制备方法下中性墨水粒径分布图F i g.2 P a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n s o f t h e g e l i n k s p r e p a r e d t h r o u g h d i f f e r e n t m e t h o d s表1 不同制备方法下中性墨水粒径数据T a b l e 1 P a r t i c l e s i z e d a t a o f t h e g e l i n k s p r e p a r e d t h r o u g h d i f f e r e n t m e t h o d s制备方法D5 0/n mD9 0/n mD1 0 0/n m常规制备法1 1 25 5 18 8 0均质改性法6 58 21 2 02.1.2 均质黄原胶对墨水离心稳定性的影响图3为黄原胶添加量为0.1 5%(质量分数)时1?m1?m1?m1?m（a）未均质墨水离心上层液（b）未均质墨水离心下层液（c）均质墨水离心上层液（d）均质墨水离心下层液图3 未均质与均质墨水离心后上下层液的S EM照片F i g.3 S EM i m a g e s o f u p p e r a n d l o w e r l i q u i d a f t e r c e n t r i f u g a t i o n o f n o n h o m o g e n i z a t i o n a n d h o m o g e n i z a t i o n g e l i n k s236太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 中性墨水均质 前后经高 速离心 的 上 下 层 溶 液 的S EM图。由图3(a)、(b)对比可以看出,未均质墨水经过高速离心后,上下层溶液中颗粒分布密度及聚集程度差异较大。未经高速离心时,炭黑颗粒虽在黄原胶分子刚性结构的挤压下发生团聚,但由于黄原胶优异的悬浮性能,墨水上下层颗粒分布密度相对均匀。经离心作用后,体系中大颗粒聚集体迅速发生沉降,再次聚集于溶液底部,导致上下层分散水平差异较大。而通过图3(c)、(d)可直观地看出,均质后的墨水在高速离心作用下,上下层溶液的颗粒分布状态几乎无差别。这是因为均质后炭黑颗粒已经与黄原胶分子内活性基团发生了较强的吸附作用,在离心力作用下,尽管溶液内部分物质发生沉降,但炭黑颗粒在黄原胶分子内网状结构的保护下不会发生聚集。由于黄原胶是典型的假塑性流体,在撤去离心作用力后,其分子结构特性使黏度迅速恢复,呈现出假塑性行为和优异的悬浮性能,分散稳定水平较高1 4-1 5。2.1.3 均质黄原胶对中性墨水热稳定性的影响实验通过热储存方式加速考察长期储存的过程,对比均质前后的黄原胶体系中性墨水在不同储存时间下的颗粒粒径的变化,考察其长期储存的稳定性,结果如图4所示。未均质未均质未均质均质均质均质1?4001?2001?0008006004002000D90粒径/?nm0371530储存天数/?d图4 不同墨水的热储存性F i g.4 T h e r m a l s t o r a g e p r o p e r t i e s o f d i f f e r e n t i n k s由图4可以看出,未均质墨水的粒径在制备完成后已经发生较大幅度的增加,达到5 6 0 n m,之后在第三天时即达到了8 8 0 n m并一直保持不变,说明其粒径稳定性差。均质后黄原胶中性墨水的粒径虽然有一定的差异,但稳定性普遍优于未均质墨水,制备当天的墨水粒径在2 0 0 n m以下,烘烤1 5 d后达5 6 0 n m,烘烤3 0 d后增长至8 8 0 n m,热稳定性达到7 d以上,说明均质对黄原胶体系中性墨水的稳定性有正向提升作用。墨水中的炭黑颗粒在持续地做着布朗运动,粒子间不断靠近并且发生碰撞,分散剂所提供的空间位阻效应抵挡不住粒子靠近引起的强范德华力,其结果就是粒子不断靠近,并发生不可逆转的颜料絮凝反粗现象,引起墨水粒径不断增大,热储存条件则加速了这一过程,缩短考察时间1 6。另一方面,在热储存条件下,温度较高,水分子会有很大程度的蒸发,变成水蒸气逸出体系,导致体系内水分子减少,粒子同样会相互靠近发生絮凝,从而影响着炭黑颗粒的分散稳定性。2.2 工艺条件对墨水理化性能影响均质次数对黄原胶中性墨水流变数据的影响如图5与表2所示,随着均质次数的增加,墨水黏度呈现先减小后增大的趋势,在第7次时达到最低值。在均质过程中,中性墨水通过柱塞的往复运动,使泵体单向阀芯与阀座开启闭合,并在其内部形成高压液流,高压液流在通过均质阀的微小间隙时,受高速冲击、挤压研磨、剪切、空穴和湍流等复合力作用1 7,将粒径较大的聚集体打散,形成粒径较小的粒子,导致炭黑颗粒的比表面积增大,此时成分中分散剂作用于颜料表面,形成空间位阻以阻挡粒子间的引力,表现为墨水黏度不断下降。当均质次数继续增加时,在均质机复合力作用下,黄原胶分子由侧链与主链通过大量氢键维系形成的螺旋与多重螺旋的高级结构被破坏,结构由有序缠绕态变为无序链,暴露出丙酮酸、乙酰等活性基团,赋予了黄原胶负电荷,带负电荷的侧链与带正电荷的炭黑颗粒相互吸引并通过氢键发生吸附1 8。在停止均质后,即撤去复合力作用,由于黄原胶具有结构可逆性1 9,在黄原胶分子的自恢复过程中,侧链与主链重新缠绕,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。3 次5 次7 次9 次11 次3210黏度/?（Pa s）0100剪切速率/?s-12003004002.01.51.00.5010020黏度/?（Pa s）剪切速率/?s-1图5 不同均质次数下墨水黏度随剪切速率的变化F i g.5 V a r i a t i o n o f v i s c o s i t y o f i n k w i t h s h e a r r a t e u n d e r d i f f e r e n t h o m o g e n i z a t i o n c y c l e s另一方面,此时形成的三维网状结构更大程度上限制了水分子的流动性,从而使中性墨水的黏度336 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继续增大。触变值是表征流变性能的重要参数之一,普遍定义为剪切速率在4 s-1与4 0 s-1下墨水的黏度比。由表2数据可看出,随着均质次数的增加,墨水触变值先减小后增大,在均质7次时达到最低。表2 不同均质次数下的墨水在低、中、高剪切速率下的黏度及触变值T a b l e 2 V i s c o s i t y o f i n k a t l o w,m e d i u m,a n d h i g h s h e a r r a t e s a n d t h i x o t r o p i c v a l u e u n d e r d i f f e r e n t h o m o g e n i z a t i o n c y c l e s均质次数4 s-1时黏度/(m P as)4 0 s-1时黏度/(m P as)3 8 3 s-1时黏度/(m P as)触变值31 3 6 0.22 4 3.15 3.25.651 2 5 7.52 4 6.35 0.95.1 171 1 6 0.92 3 0.35 0.45.0 491 4 6 9.12 5 3.85 2.25.7 91 11 6 0 9.52 6 5.85 3.16.0 5 黄原胶体系的触变原理为分子中氢键的破坏与恢复,由于分子间氢键在外部剪切力作用下较容易被破坏,所以黄原胶增稠体系的中性墨水触变值较大,在较低剪切力的作用下其黏度变化较大2 0。国家标准规定中性墨水的触变值2.事实上,中性墨水的触变值也并非越高越好,由于触变值和黏度正相关,过高的黏度会导致笔头出墨速率下降,加剧对笔头的磨损情况,故而引起书写性能的下降。因此,选择合适的触变体系要与墨水在中性笔实际应用中的书写性能相结合2 1。由于墨水经过不足7次的均质粒径并未达到稳定的8 2 n m,视为未成品,故不在实验选择范围内。由表3可知,墨水的表观黏度、表面张力及百米均出墨量都随均质次数的增加呈增大趋势。而均质7次到9次的增加幅度较小,较为稳定,9次至1 1次的增加幅度较大。均质后墨水的滑度值明显降低,说明均质提高了墨水的书写润滑性。过高的黏度影响着笔头的出墨速率,在书写过程中磨损笔头情况加剧,严重可导致笔珠的塌陷,形成较为严重的甩点现象。综合实验得出,均质黄原胶中性墨水的均质次数为7次时,其流变、触变及书写等综合性能最佳。表3 不同均质次数下墨水的物理性能T a b l e 3 P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f i n k s u n d e r d i f f e r e n t h o m o g e n i z a t i o n c y c l e s均质次数表观黏度/(m P as)表面张力/(mNm-1)百米均出墨量/m g滑度值/N线条质量03 22 9.66 70.2 4 6严重断线72 9.52 6.21 1 60.1 7 8线条饱满93 0.52 6.91 1 90.2 0 3局部断线1 13 32 8.21 3 10.2 1 2局部甩点2.3 作用机理分析2.3.1 红外分析图6为均质与未均质墨水的红外光谱,两者吸收峰基本吻合,说明均质改性后的黄原胶墨水保留了黄原胶的基本结构。由图6可知,在波数为9 5 2 c m-1处谱图峰型发生变化,此处为羟酸成键的OH键的面外弯曲振动峰,相对于未均质墨水(9 1 1 c m-1)发生4 1 c m-1的红移现象,说明改性后的黄原胶分子间与分子内氢键作用力加强。在波数2 8 9 0 c m-1处谱图峰型改变,此处为CH的伸缩振动峰,说明吸附后震动增强,形成单峰。根据黄原胶分子结构,CH键多在主链与侧链上出现。在炭黑表面,氢是以酚羟基、苯环的方式存在的,部分氢原子直接键合在碳原子上,构成CH键2 2-2 3,在吸附过程中,带负电荷的侧链与带正电荷的炭黑颗粒相互吸引,引起红外吸收变化。验证了均质加强了黄原胶分子内部活性基团与炭黑颗粒吸附作用,从而提高了颜料的分散稳定性。500波数/?cm-11?0001?5002?0002?5003?0003?500未均质墨水均质墨水透过率/?a.u.图6 均质与未均质墨水的红外光谱图F i g.6 F T I R s p e c t r a o f h o m o g e n i z a t i o n a n d n o n h o m o g e n i z a t i o n i n k s2.3.2 均质的作用机理推测如图7所示,黄原胶分子的一级结构是由-1,4键连接的D-葡萄糖基主链以及含三个糖单位的侧链2 4,侧链则由两个D-甘露糖和一个葡萄糖醛酸的交替连接而成2 5。黄原胶的二级结构是侧链绕主链骨架反向缠绕,通过大量氢键维系形成的棒状双螺旋结构2 6。如图8所示,在均质机的复合作用力下,黄原胶分子的三维稳态结构被破坏,与此同时炭黑颗粒聚集体被打散,形成粒径较小的颗粒,在极大比表面积的作用下,颗粒多以氢键吸附于黄原胶分子内侧链的丙酮酸、乙酰等活性基团。在撤去作用力后,在黄原胶分子的自恢复过程中,侧链与主链重新缠绕,将炭黑颗粒包裹于自身稳定的三维网状结构中,形成436太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 CH2OHOHOOHOOCO2OHOHOOOCO2CO3OHOOHOOCH3CH2OHOHOHOOHOOOHOCH2CH3OOCOOCH2OHOHOHOOCH2OHOOOCH2CH3HOOHOCH3OOHOOHCH3CH2OCOCH2OHOO主链侧链n图7 黄原胶分子结构图F i g.7 M o l e c u l a r s t r u c t u r e o f x a n t h a n g u m主链侧链nCH2OHOOOHOOHOCH2OHOOOHCH2CH3OHOHOCH3OHOOCOHOCH2OHHOOOCH2OHOCH2HOHOOOOOCO2CH2HOCH3OOHOOOOCH3HOOHOOOOHOOCCH3CH2CH3HOOOCH2OH图8 均质后黄原胶分子与炭黑颗粒作用机理图F i g.8 I n t e r a c t i o n m e c h a n i s m b e t w e e n X a n t h a n G u m m o l e c u l e s a n d c a r b o n b l a c k p a r t i c l e s a f t e r h o m o g e n i z a t i o n一定厚度的三维屏障,防止炭黑颗粒团聚反粗,以此提高炭黑颗粒的分散稳定性。3 结论1)引入均质机对黄原胶体系中性墨水进行均质改性,通过实验可得,在均质压力为5 0 MP a、均质次数为7次时,黄原胶体系中性墨水的综合效果最佳,其D9 0为8 2 n m,3 8 3 s-1剪切速率下黏度达5 0.4 m P as,触变值为5.0 4,滑度值为0.1 7 8 N,离心稳定性较均质前大幅增加。2)通过对比均质前后墨水的红外光谱图,羟酸成键的OH键在均质后发生4 1 c m-1的红移现象,说明黄原胶分子间与分子内氢键作用力加强,带负电荷的侧链与带正电荷的炭黑颗粒相互吸引,引起红外吸收变化。通过作用机理图反映了黄原胶与炭黑颗粒在均质过程中的微观变化,验证了均质加强黄原胶分子内部活性基团与炭黑颗粒吸附作用,从而提高颜料的分散稳定性。3)研究为黄原胶物理改性及应用提供了新思路,为高质量黄原胶体系中性墨水的开发提供了理论依据,为均质机在墨水中的进一步应用提供参考,为黄原胶的分散悬浮性能研究提供了方向。参考文献:1 胡钰灵,全红平,黄志宇.疏水改性黄原胶X G-C 1 6溶液性能及微观结构探究J.应用化工,2 0 1 9,4 8(1 1):6.HU Y L,QUAN H P,HUAN G Z Y.S t u d y o n s o l u t i o n p r o p e r t i e s a n d m i c r o s t r u c t u r e o f h y d r o p h o b i c m o d i f i e d X a n t h a n g u m-X G-C 1 6J.A p p l i e d C h e m i c a l I n d u s t r y,2 0 1 9,4 8(1 1):6.2 郭建良,刘守军,张瑞东,等.水溶性醇对中性墨水性能的影响J.精细化工,2 0 1 6,3 3(2):2 1 8-2 2 3.GUO J L,L I U S J,Z HAN G R D,e t a l.E f f e c t o f w a t e r-s o l u b l e a l c o h o l s o n t h e p r o p e r t i e s o f g e l i n kJ.F i n e C h e m i c a l s,2 0 1 6,3 3(2):2 1 8-2 2 3.3 杨军浩,汪杭生,施伟功,等.高压均质机和有机颜料的超细粉碎J.上海染料,2 0 1 0(3):3 0-3 6.YAN G J H,WANG H S,S H I W G.T h e A p p l i c a t i o n o f h i g h-p r e s s u r e h o m o g e n i z e r i n c a r b o n b l a c k,p h t h a l o c y a n i n e a n d c h r o m e y e l l o w u l t r a-f r e e t e c h n i c sJ.S h a n g h a i D y e s t u f f s,2 0 1 0(3):3 0-3 6.4 S A L EH H M,ANNYA R M S M,S I MA R AN I K.U l t r a s o u n d d e g-r a d a t i o n o f x a n t h a n p o l y m e r i n a q u e o u s s o l u t i o n:i t s s c i s-s i o n m e c h a n i s m a n d t h e e f f e c t o f N a C l i n c o r p o r a t i o nJ.U l t r a s o n S o n o c h e m,2 0 1 7,3 9:2 5 0-2 6 1.5 HAY R A B O L U L U H,D EME T E R M,C UT RU B I N I S M,e t a l.R a d i a t i o n i n d u c e d i n a q u e o u s s o l u t i o nJ.R a d i a t i o n P h y s i c s 536 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a n d C h e m i s t r y,2 0 1 8,1 4:1 8 9-1 9 3.6 王珂,杨波,杨光,等.改性黄原胶酯化条件的优化及结构的表征J.工业微生物,2 0 2 0,5 0(1):6.WANG K,YAN G B,YAN G G,e t a l.O p t i m i z a t i o n d e g r a d a t i