由聚羧酸超分散剂稳定的液体分散染料的流变行为与储存稳定性研究

《Journal of Molecular Liquids》：Rheological behavior and storage stability study of liquid disperse dyes stabilized by polycarboxylate hyperdispersants

液散染料（LDDs）因环境友好、节能等优势成为研究热点。本研究通过自由基聚合合成含不同官能团的聚羧酸超分散剂（AHT、AAT、AST），制备LDDs并评估其稳定性与流变性能。结果表明，AHT和AST处理的LDDs在90天储存后粒径分别为401nm和425nm，Zeta电位>30mV，表现出优异的储存稳定性和剪切稀化特性，COD减排超60%。研究揭示了聚羧酸超分散剂对LDDs稳定性的关键作用。

　　这项研究聚焦于液态分散染料（LDDs）的制备及其稳定性的提升。液态分散染料因其在环境可持续性、公共卫生和能源节约方面的优势，展现出广泛的应用前景。在本研究中，科学家们成功合成了三种含有溶剂化基团和不同功能基团的聚羧酸高分散剂，并将其应用于制备ECT黑色液态分散染料。通过90天的储存测试，发现使用AHT和AST分散剂制备的LDDs在稳定性方面表现优异，其染料颗粒尺寸分别保持在401纳米和425纳米。相比之下，使用AAT分散剂制备的LDDs颗粒尺寸达到了679纳米，表明其稳定性相对较差。此外，AHT和AST分散的LDDs的绝对Zeta电位值超过30毫伏，显示出更强的静电排斥作用，有助于防止染料颗粒聚集。

为了进一步研究LDDs的稳定性机制，科学家们对LDDs的流变性能进行了深入分析。结果显示，这三种分散剂制备的LDDs均表现出剪切稀化流体行为，这是液态分散染料在应用过程中常见的特性。其中，使用AHT和AST分散剂制备的LDDs在存储模量、损失模量和屈服应力方面均优于使用AAT分散剂制备的LDDs。这表明，AHT和AST分散剂能够更有效地增强LDDs的结构稳定性，使其在储存过程中不易发生聚集或沉淀。此外，LDDs在剪切敏感性方面也表现出良好的特性，其粘度恢复率分别为94.4%、77.8%和86.9%，显示出在剪切后能够较快恢复其原始流变性能的能力。

在环保和资源节约方面，LDDs相较于传统的粉末分散染料具有显著优势。由于LDDs在制备过程中无需经历喷雾干燥工艺，因此能够有效减少能源消耗。同时，LDDs在使用过程中对分散剂的依赖程度较低，从而降低了化学需氧量（COD）的排放。研究结果表明，与商用粉末分散染料相比，使用LDDs进行染色后残留液体的COD降低了超过60%。这不仅有助于减少对环境的污染，也降低了生产过程中的资源消耗，符合当前可持续发展的趋势。

分散剂在LDDs的稳定性中起着至关重要的作用。分散剂能够在染料颗粒表面形成稳定的吸附层，通过静电排斥或空间位阻效应防止染料颗粒的聚集。目前，一些商用分散剂已被用于LDDs的制备，如钠甲基烯丙烷磺酸（NNO）、木质素磺酸盐和聚合物分散剂等。研究者们通过不同的实验方法，如分子动力学模拟、原子力显微镜和石英晶体微天平，探讨了分散剂的化学结构与染料之间的相互作用，以揭示LDDs的分散机制。例如，Wu等人利用分子动力学模拟研究了聚羧酸分散剂在分散染料中的作用，发现分散剂的分子结构设计需要综合考虑其亲水性和电荷排斥作用，以及其与染料之间的结合力。Kim等人则通过原子力显微镜测量了染料与分散剂单体之间的相互作用力，并验证了这些结果与密度泛函理论（DFT）计算的偶极矩值一致。Li等人则通过原子力显微镜和石英晶体微天平研究了聚羧酸高分散剂中锚定基团对LDDs稳定性的影响，发现以2-乙烯基萘修饰的分散剂具有更强的吸附能力。

在本研究中，科学家们采用了一种新的合成策略，通过将异丁烯醇聚氧乙烯醚（TPEG2400）作为溶剂化链，结合丙烯酰胺（ACR）、钠甲基烯丙烷磺酸（SMS）和羟乙基丙烯酸（HEA）作为功能基团，成功合成了三种具有不同锚定基团的聚羧酸高分散剂。这种合成方法不仅提高了分散剂的分散性能，还增强了其对染料颗粒的吸附能力。通过频率扫描和蠕变扫描，研究人员获得了LDDs的网络结构，并从流体结构的角度分析了其稳定性机制。这些研究结果为优化LDDs配方提供了理论依据，也为高性能LDDs产品的开发奠定了基础。

LDDs的制备方法与传统粉末分散染料相比具有显著的不同。LDDs可以直接从染料滤饼中制备，只需少量分散剂，而无需经历喷雾干燥过程。这种制备方式不仅降低了生产成本，还减少了能源消耗和环境污染。此外，LDDs在使用过程中不会产生粉尘污染，这一特点使其在纺织、建筑装饰、电子信息和生物医药等领域具有更广泛的应用潜力。例如，Zhong等人合成了一种梳状分散剂，并用于制备LDDs，发现其在染色过程中能够提高染料的固着率和K/S值（即颜色强度）。Ai等人则利用三种LDDs进行了PET微打印工艺，发现这些LDDs在颜色深度、色牢度和废水排放方面均优于商用粉末分散染料。He等人设计并合成了聚羧酸高分散剂，用于制备LDDs，结果显示其在染料固着率和K/S值方面优于市售的粉末分散染料。

尽管LDDs具有诸多优势，但其在储存过程中稳定性较差仍然是制约其应用的主要问题。LDDs容易发生沉淀或聚集，这不仅影响其使用效果，还可能导致储存过程中染料颗粒的结块，增加后续处理的难度。因此，提高LDDs的储存稳定性是当前研究的重要方向之一。研究者们通过调整分散剂的化学结构和功能基团，尝试改善LDDs的稳定性。例如，Li等人通过研究锚定基团对LDDs稳定性的影响，发现以2-乙烯基萘修饰的分散剂能够提供更强的吸附能力，从而提高LDDs的储存稳定性。这一发现为开发新型高稳定性的LDDs提供了新的思路。

在本研究中，科学家们通过系统的实验设计和数据分析，深入探讨了LDDs的稳定性机制。他们不仅研究了不同分散剂对LDDs储存稳定性的影响，还通过流变性能测试分析了LDDs的结构特性。结果显示，使用AHT和AST分散剂制备的LDDs在储存90天后仍然保持良好的稳定性，其颗粒尺寸未发生明显变化，而使用AAT分散剂制备的LDDs颗粒尺寸增大，表明其稳定性较差。此外，AHT和AST分散剂制备的LDDs在流变性能方面表现更优，具有更高的存储模量、损失模量和屈服应力，这表明其在储存过程中能够维持更稳定的结构，从而减少染料颗粒的聚集和沉淀。

流变性能是衡量LDDs稳定性的重要指标之一。通过频率扫描和蠕变扫描，研究人员获得了LDDs的网络结构，并进一步分析了其稳定性机制。结果显示，LDDs在储存过程中表现出剪切稀化行为，这意味着其粘度会随着剪切速率的增加而降低，这种特性有助于提高染料在染色过程中的流动性，从而提升染色效率。同时，LDDs的屈服应力较高，表明其在受到外力作用时能够保持一定的结构稳定性，不易发生流动或变形。此外，LDDs在剪切后能够较快恢复其原始粘度，这种剪切敏感性对于实际应用中的操作条件具有重要意义。

除了稳定性，LDDs的染色性能也是研究的重要内容。研究者们发现，使用AHT和AST分散剂制备的LDDs在染色过程中表现出优于传统粉末分散染料的性能。这可能与分散剂的分子结构和吸附能力有关。例如，AHT和AST分散剂能够更有效地包裹染料颗粒，形成稳定的分散体系，从而提高染料的固着率和颜色深度。此外，这些分散剂的亲水性和电荷排斥作用可能有助于减少染料颗粒之间的相互作用，提高其在水中的分散性和稳定性。因此，LDDs不仅在储存过程中表现出良好的稳定性，还能够提供更优异的染色性能，使其在实际应用中更具竞争力。

本研究的成果不仅为LDDs的配方优化提供了新的思路，还为高性能LDDs产品的开发奠定了基础。通过调整分散剂的化学结构和功能基团，研究人员能够更有效地提高LDDs的储存稳定性和染色性能。这不仅有助于减少染料在储存过程中的损失，还能够提高染色效率，降低生产成本。此外，LDDs的环保优势使其在当前对可持续发展和绿色制造日益重视的背景下，具有重要的应用价值。由于LDDs无需喷雾干燥工艺，能够显著减少能源消耗和碳排放，因此在推动染料行业向更环保、更节能的方向发展方面具有重要意义。

总的来说，这项研究通过合成三种不同的聚羧酸高分散剂，并将其应用于LDDs的制备，为提高LDDs的储存稳定性和染色性能提供了新的方法和思路。研究结果表明，AHT和AST分散剂能够有效提高LDDs的稳定性，使其在储存过程中不易发生聚集或沉淀。同时，LDDs在流变性能和染色性能方面均表现出优异的特性，使其在实际应用中更具优势。此外，LDDs的环保特性使其在染料行业中具有广阔的发展前景。未来，随着对LDDs研究的不断深入，其在纺织、建筑装饰、电子信息和生物医药等领域的应用将进一步扩大。同时，研究人员还可以通过进一步优化分散剂的化学结构和功能基团，提高LDDs的性能，使其更符合市场需求和环保要求。