膨潤土是應用領域廣泛的無機礦物材料,已廣泛應用到建築、日用化工、石油化工、橡膠、塑料、土壤改良、紡織、塗料、環境保護等領域。我國的膨潤土儲量豐富,但其開發還僅處於初始階段,應用領域尚未開拓。為拓寬膨潤土的應用新領域,降低彩噴紙的成本,本工作對膨潤土進行改性並對改性膨潤土在彩噴紙塗料中的應用適性進行了研究。

根據彩噴紙塗料用顏料的特性,結合膨潤土的結構、特性,分別采用硫酸和二甲基二烯丙基氯化銨對鈉基膨潤土進行了酸化和有機化改性,獲得了比表麵積顯著提高的酸化膨潤土和具有一定的親水親油的有機膨潤土。

通過對酸化膨潤土的分散性能研究表明,酸化膨潤土具有較好的分散穩定性,分散後的顆粒粒徑分布在0.43μm和2.09μm之間。經二甲基二烯丙基氯化銨改性的膨潤土在水相中分散後的顆粒粒徑分布在0.43-2.5μm;在有機相分散獲得凝膠膠體率為7.8%。說明有機膨潤土具有一定的親水和親油性。

采用SEM、XRD、化學組成分析、FTIR和TAG-SDTA對改性前後的膨潤土進行了表征。XRD分析表明,酸化膨潤土的層間距變大,說明層間部分離子被交換出來;經二甲基二烯丙基氯化銨有機化處理後的膨潤土層間距也稍微增大,表明有機基團進入膨潤土的層間。同時,改性後的酸化膨潤土和有機膨潤土保持了鈉基膨潤土的完整的體相結構。FTIR分析也確證了酸化膨潤土的體相結構未發生改變。而二甲基二烯丙基氯化銨改性膨潤土的熱分解和FTIR分析表明,有機改性劑已覆蓋在膨潤土表麵或插層進入膨潤土片層間,說明膨潤土的有機改性獲得成功。SEM分析表明酸化膨潤土的比表麵積明顯增大,並通過測定化學組成的變化分析了比表麵積增大的原因。通過測定接觸角,計算結果表明有機改性後的膨潤土表麵能下降,極性分量值降低。

顏料分散液的流變行為對塗料的性質具有非常重要的影響。將酸化膨潤土分散在水相中,對分散體係的濃度、分散劑用量、pH和鹽濃度對酸化膨潤土分散液流變行為的影響進行了探討。在低剪切速率下,除了添加0.4%聚丙烯酸鈉的分散液,各酸化膨潤土分散體係流變行為均表現為剪切變稀到剪切增稠的過程,體係呈現假塑型流體到脹流型流體的變化特征。而添加0.4%聚丙烯酸鈉的體係在所測的剪切速率範圍內始終呈現出剪切增稠現象,表現為脹流型流體。在相同剪切速率下含0.4%分散劑體係的表觀粘度最低,屈服應力最低,這表明該分散體係內的顆粒間的聯接鬆散,分散效果好。在高剪切速率的條件下,大部分分散體係的流變特征均表現出與低剪切速率下相同的流變特性。但添加0.4%分散劑的酸化膨潤土分散體係表現出的是由假塑型流體到脹流型的流體變化特征,而非低剪切速率下始終表現為脹流型的流體特征。所有分散體係與Herschel–Bulkle模型得到很好的擬合。

含改性膨潤土顏料的紙張塗料的穩態剪切實驗表明,在低剪切速率和高剪切速率下,含改性膨潤土顏料的紙張塗料均表現出剪切稀化的特性,屬假塑性流體。添加酸化膨潤土,塗料的粘度明顯降低,因此在塗料中添加酸化膨潤土可提高塗料的固含量。D改性膨潤土在剪切作用下對塗料的流變有促進作用。塗料的動態應變掃描結果表明,不含酸化膨潤土顏料的紙張塗料的線性粘彈性臨界應變值為1.2%左右;而含酸化膨潤土顏料的紙張塗料的臨界應變值小於0.1%。紙張塗料動態頻率掃描顯示,塗料的粘彈性隨著酸化膨潤土用量的增加而降低;含改性膨潤土塗料的相位角δ均小於45°,相位角正切值也都在小於1的範圍內,塗料表現出了彈性大於粘性的特征。相對而言,含D改性膨潤土的塗料相位角正切值都小於0.6的範圍內,表現出較強的固體彈性特。

以酸化膨潤土替代部分二氧化矽加入到彩噴紙塗料中,能夠提高紙張的光澤度和平滑度,降低了紙張的白度、不透明度、油墨吸收性和表麵強度。含20%酸化膨潤土的紙樣色密度和色彩還原性能稍高於純二氧化矽的紙樣,但酸化膨潤土顏料高於20%配比,色密度和色彩還原性降低。因此在塗料配方中應適當調整酸化膨潤土顏料配比,改善彩噴紙的性能。含酸化膨潤土的彩噴紙均表現出良好的防洇滲的性能。將DADMAC改性膨潤土添加到塗料中,彩噴紙的白度、不透明度和油墨吸收性下降。光澤度、平滑度和表麵強度升高。印刷色密度和色彩還原性能都隨DADMAC改性膨潤土的加入有所改善。