表面活性剂对水性油墨胶体稳定性的影响

时间：2009-07-02 作者：张学铭，何北海，李军荣，赵光磊来源：华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室

摘要：
　　摘要：对阳离子、阴离子、两性和非离子表面活性剂对水性油墨胶体稳定性的影响进行了探讨。结果表明：(1)在水性油墨胶体溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵(ctab)浓度为0．14 mmol／l时，zeta电位由初始的一37． ...

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　　摘要：对阳离子、阴离子、两性和非离子表面活性剂对水性油墨胶体稳定性的影响进行了探讨。结果表明：(1)在水性油墨胶体溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵(ctab)浓度为0．14 mmol／l时，zeta电位由初始的一37．9 mv变为12．7 mv；当ctab浓度为0．86 mmol／l时，zeta电位上升到34．1 mv。ph对ctab的作用效果有较大影响，当ctab浓度为0．5 mmol／l时，将体系ph从初始值3．3调节至11．7，zeta电位相应地从38．6 mv降至23．7 mv，炭黑粒子的平均粒径最大增加值达13 nm。(2)加入十二烷基磺酸钠(sds)的浓度为1 mmol／l时，zeta电位达到一38．2 mv，而炭黑粒子的平均粒径下降了2 nln。(3)加入椰油酰胺丙基氧化胺(capo)的浓度为0．01 mol／l时，zeta电位在体系ph约为6．0时达到等电点；体系ph为3．2时，zeta电位达到最大值28．5 mv，炭黑粒子平均粒径最大增加幅度为9 nm。(4)加入脂肪醇聚氧乙烯(7)醚(aeo一7)的浓度为0．1 mol／l时，体系zeta电位从一37．9 mv变为一16．3 mv，炭黑粒子平均粒径从初始的154 nm增至240 nm。加入aeo一9得到与aeo一7相同的影响趋势。

　　中图分类号：tq423．9 文献标识码：a 文章编号：1003―5214(2007)04―0332―04

　　溶剂型油墨中的有机溶剂和重金属元素严重污染环境，用水性油墨替代溶剂型油墨已势在必行。水性油墨以特定的高分子树脂、颜料、水以及助剂制成。目前，一些发达国家已采用水性油墨印刷报刊 ]。水性油墨印刷的废纸回用存在较大困难。脱墨的主要过程包括：(1)碱性条件下废纸碎解使油墨与纤维分离；(2)油墨在浮选槽中被浮选出去。常规的脱墨过程是加人脂肪酸和氯化钙，所形成的钙皂会促进炭黑粒子的聚集，从而粘附于气泡上被浮选出去，但是水性油墨在碱性条件下分散成非常小的炭黑粒子，这些细小的炭黑粒子在常规的脱墨剂作用下不发生絮凝 2 j，在浮选过程中不能被气泡所捕集，易沉积到纤维表面或内部 j，少量水性油墨废纸的存在便会大幅度降低脱墨浆的白度。

　　国外学者对水性油墨的稳定性和脱除工艺已进行了初步研究。femandez等发现水性油墨的胶体稳定性是由静电排斥力和空问位阻效应共同决定的。gecol等对脱除塑料薄膜表面的水性油墨研究后表明，加入不同种类表面活性剂均可有效去除水性油墨，而且加人阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(ctab)可以使炭黑粒子表面电荷逆转。但gecol并未研究表面活性剂对水性油墨炭黑粒子平均粒径的影响，而水性油墨炭黑粒子平均粒径的大小是关系到其是否能被有效除去的关键因素。

　　本工作探讨了阳离子、阴离子、两性及非离子表面活性剂对水性油墨胶体稳定性的影响，以炭黑粒子的平均粒径和静电排斥力作为主要考察指标，对水性油墨胶体溶液特性有了进一步认识，并找到了一种适用于水性油墨废纸脱墨的表面活性剂。

　　1 实验部分

　　1．1 试剂和仪器

　　水性油墨由广州市某油墨公司提供，其主要的化学组成见表1。

　　表面活性剂：阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(ctab)，阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(sds)，均为ar；两性表面活性剂椰油酰胺丙基氧化胺(capo)和非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚(aeo一7，aeo一9)，均为工业品。体系ph 滴定：c(hci)=0．5 mol／l和c(naoh)=0．5 mol／l的水溶液。用malvem nano―zs仪器(malvern instrumentsltd．，england)同时测定油墨溶液的粒度和zeta电位。

　　1．2 步骤

　　取稀释的水性油墨溶液10 ml放人特制塑料瓶中，固定在nano―zs附带的mpt一2自动滴定仪上，开动磁力搅拌，然后把待加人的表面活性剂装入另外一支塑料瓶中，mpt一2的进样器会根据设定的浓度加人表面活性剂，到达每一个浓度设定值nano―zs便会同时测定溶液体系的zeta电位和炭黑粒子平均粒径。ph滴定在塑料瓶中增加ph电极，步骤与前述相同。初始水性油墨炭黑粒子zeta电位为一37．9 mv，平均粒径为154 nm。[next]

　　2 结果与讨论

　　2．1 阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵

(ctab)对水性油墨胶体稳定性的影响水性油墨炭黑粒子表面带负电荷，本实验首先研究了阳离子表面活性剂ctab对水性油墨胶体稳定性的影响。图1为不同浓度ctab对水性油墨炭黑粒子平均粒径及zeta电位的影响。

　　zeta电位曲线表明，当ctab浓度仅为0．14mmol／l时，炭黑粒子的zeta电位便可达到12．7mv，而ctab浓度为0．86 mmol／l时，zeta电位达到最大值34．1 mv，这说明ctab在炭黑粒子表面发生非常强的特性吸附 j。平均粒径曲线表明，平均粒径最大增加值为5 nm。

　　图2为体系ph对ctab[c(ctab)=0．5mmol／l]在炭黑粒子表面吸附的影响。zeta电位曲线表明，加人ctab后zeta电位在各pn条件下都大于20 mv，而且随着ph增大，zeta电位呈逐渐下降的趋势。这可能是因为在酸性条件下，不仅ctab在炭黑粒子表面发生特性吸附，而且h 离子也会发生特性吸附；而在碱性条件下，oh一会中和部分ctab的正电荷，所以会使炭黑粒子的zeta电位降低。平均粒径曲线表明，最大平均粒径可以达到167 nm，平均粒径最大增加值为13 nm。

　　图1、2表明，阳离子表面活性剂ctab对水性油墨炭黑粒子的zeta电位影响较大，而zeta电位的降低并不能促进相应炭黑粒子平均粒径的增加，这说明水性油墨胶体溶液的稳定性主要由炭黑粒子间空问位阻效应决定。

　　2．2 阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(sds)对

　　水性油墨胶体稳定性的影响为了更加了解水性油墨胶体溶液特性，探讨了

　　十二烷基磺酸钠对水性油墨胶体稳定性的影响，见图3。

　　zeta电位曲线表明，当sds的浓度为0．2mmol／l时，炭黑粒子的zeta电位为一31．1 mv，当sds的浓度为1 mmol／l时，zeta电位为一38．2 mv。这可能是因为加入sds浓度较低时，na 离子中和了油墨炭黑粒子表面的部分负电荷而使zeta电位绝对值降低，但是随着sds浓度的继续增加，sds可能在炭黑粒子表面发生化学吸附 j，使炭黑粒子的负电性更强；平均粒径曲线表明，随着炭黑粒子表面负电性的增强，平均粒径比初始炭黑粒子的平均粒径下降了2 nm，所以sds的加入会使水性油墨胶体溶液变得更稳定。

　　2．3 两性表面活性剂椰油酰胺丙基氧化胺

　　(capo)对水性油墨胶体稳定性的影响氧化胺是一种多功能弱阳离子表面活性剂。由于它的性能对体系ph有较强的依赖性，本实验研究了不同ph条件下capo对炭黑粒子平均粒径及zeta电位的影响，见图4。

　　zeta电位曲线表明，当ph=8．3时，zeta电位为一37．4 mv，随着ph降低，zeta电位向等电点方向变动，当ph大约为6．0时，zeta电位达到等电点，而当ph=3．2时，zeta电位达到最大值28．5mv，这主要是因为capo在酸性条件下显示阳离子表面活性剂的性质，其作用原理与ctab相同。平均粒径曲线表明，当炭黑粒子的zeta电位达到等电点时，平均粒径比初始水性油墨炭黑的平均粒径只增加了8 nm，这也说明炭黑粒子间的空间位阻效应是影响水性油墨胶体稳定性的主要因素；而当ph=4．4时，平均粒径达到最大值为163 nm，平均粒径最大增加幅度为9 nm。[next]

　　2．4 非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚类

　　(aeo)对水性油墨胶体稳定性的影响由于非离子表面活性剂在溶液中不是以离子状态存在，不易受强电解质的影响，应用越来越广泛。探讨了aeo一7和aeo一9对水性油墨胶体稳定性的影响。

　　平均粒径及 o，：7对水性油墨炭黑粒子zeta电位的影响。

　　zeta电位曲线表明，aeo一7浓度从0增加至0．i mol／l时，zeta电位从一37．9 rnv变为一16．3mv。由于非离子表面活性剂不带有电荷，所以它吸附于炭黑粒子表面不会引起其电荷的变化，但是加入aeo一7后却使炭黑粒子表面的负电性降低，其原因可能是aeo一7吸附于炭黑粒子表面后，使得滑移面的位置发生移动或者是改变了溶液中已经存在离子的吸附特性；平均粒径曲线表明，随着aeo一7浓度的增加，炭黑粒子的平均粒径从初始的154 nm增加至240 nm，这说明aeo一7的加入可能也降低了水性油墨炭黑粒子间的空间位阻效应。从图5还可以看出，aeo一7不仅对溶液体系的zeta电位有较大的影响，而且对炭黑粒子聚集的影响程度明显大于ctab、sds和capo。

　　图6为不同浓度aeo一9对水性油墨炭黑粒子平均粒径及zeta电位的影响。