本发明属于炭黑加工领域，具体涉及一种中性墨水用色素炭黑的制备方法。
背景技术：
：炭黑是烃类在严格控制的工艺条件下经气相不完全燃烧或热解而成的黑色粉末状物质，主要成分是碳元素，并含有少量氧、氢和硫等。炭黑按照生产方式可分为槽黑、炉黑、灯黑和热裂黑四种。炭黑的用途广泛，按照用途不同通常分为两大类，即色素炭黑和橡胶用炭黑。色素炭黑根据应用体系不同而各有不同的应用，但是作为颜料，色素炭黑广泛用于色浆、塑料色母粒、油墨、涂料和油漆。多年来，国内中性笔厂所需的中性墨水几乎依赖进口，导致其价格昂贵；同时很多国家不断发表大量的专利来垄断该领域的技术，给制笔行业带来很大的压力。虽然我国已是中性笔的生产和销售大国，但中性墨水仍然是制约我国成为中性笔生产强国的关键技术之一。国内很多单位对中性墨水国产化进行深入研究，认为未来中性墨水的研究要在颜料粒度的细化、中性墨水的稳定性等方面进行突破。中性墨水的核心内容是颜料色素，高品质的颜料色浆是生产中性笔墨水的基础。目前，国产中性笔墨水质量不过关的主要原因在于所用颜料色浆未能保持纳米级粒径分散均匀稳定。而国外炭黑分散液的储藏稳定性(大于1.5年)大大优于国内炭黑分散液。一般来说，炭黑的粒径越细，则其着色力越强，遮盖力越好，黑度也越高。因此，如何制备粒度细小、储藏性能优良的纳米级炭黑分散液成为近年来行业研究的热点。由于炭黑在生产过程中烃类物质的不完全裂解，使得产品中仍然含有少量烃类，尤其是多环芳烃类物质。这些物质包裹在炭黑颗粒的表面，使得炭黑颗粒表面呈现非极性，所以炭黑颗粒非常容易聚集，增加了炭黑作为颜料的分散性难度。炭黑通常是以近似球体的胶体原生粒子及聚集体形式存在，在剪切力的作用下，聚集体可以重新分散，又可重新附聚。同时，炭黑表面性质的差异与炭黑的生产方法有很大关系，目前大部分炭黑都是由油炉法生产。油炉法炭黑的常规生产工艺可分为原料处理和输送装置、燃烧及反应装置、冷却和热换装置以及收集输送装置四大部分。燃料油、添加剂和预热空气进入反应炉燃烧段燃烧，产生高温燃烧气体。燃烧气体进入反应炉混合段，利用高温高速将经过预热的原料油剪切，并与之混合后进入反应炉的反应段生产炭黑。在反应段设置有可调节距离的急冷水喷嘴，利用急冷水来急速降温使炭黑反应终止并且生产炭黑烟气。经过预热的炭黑烟气进入回收装置主袋滤器，袋滤器捕集下的炭黑通过风送系统送经微米粉碎机后再送到炭黑分离收集设备(主要是旋风分离器)。回收的炭黑进入造粒机造粒，然后送入筛分机构进行筛分，从而生产出合同的炭黑产品。常规油炉法生产的炭黑的吸附表面积(ctab)为130～160m2/g、吸碘值为130～210mg/g、吸收值(dbp)为0.80～1.10ml/g、流动性(35℃)为16～20mm和ph值为4.0～6.0。油炉法炭黑的表面含氧量较低，且含氧量随着粒径增大而降低，这造成了炭黑的亲水性不强，在水溶液中的分散稳定性很差，且在研磨过程中极易发胀，产生凝胶，是颜料中最难分散的品种之一。目前炭黑的处理工艺主要有以下方法：(1)液相法氧化改性：是硝酸、过氧化氢、高氯酸等氧化剂和炭黑反应，在炭黑表面生成羰基、羟基和羧基等的改进方法，该方法是工业常用的改性方法，但是液相法反应会产生大量的废液，污染环境。(2)等离子法氧化改性：属于物理氧化方法，是近年来新兴的改性方法，等离子法氧化后的炭黑表面含氧基团明显增加，对水的润湿性得到改善，但因缺乏空间位阻斥力而不能获得稳定的水性炭黑分散液。(3)炭黑表面接枝改性法：通过化学改性的作用，在炭黑表面接枝上嵌段、流状或星状聚合物，利用空间位阻和静电排斥力稳定炭黑分散液，但是接枝反应的条件苛刻，处理工艺复杂，对于炭黑分散液应用行业，有一定的局限性。综合以上各种方法，分散剂分散法是目前行业中较成熟的方法。分散剂分散法是指在水中分散剂和炭黑混合均匀后，在适当的外力的作用下是炭黑解聚，然后分散剂吸附在炭黑表面达到稳定分散的效果。该方法操作简便，生产成本低，产品质量易于控制。由于水的介电常数较高，因此，除了炭黑的表面性质外，分散剂的结构、体系的ph值和电解质等对炭黑在水中的分散性能都有影响。良好的分散剂不仅赋予墨水良好的分散性和耐高温性能，而且对体系的流变性能也有很大的影响，分散剂选择得当可实现色浆分散和流变性能的良好兼容性。分散剂品种繁多，但有关其在中性墨水体系中的使用文献报道较少，如何选取出优良的分散剂，对开发工作者难度较大。目前已研究使用的分散剂主要包括阴离子聚合物型分散剂如丙烯酸类分散剂、阴离子聚羧酸铵盐类5029，非离子型分散剂如聚氧乙烯醚类op分散剂等。技术实现要素：为了解决现有技术中存在的问题(如分散剂品种繁多，但尚缺乏其在中性墨水用色素炭黑的应用研究，制约了国内中性墨水的技术发展)，本发明在现有炭黑砂磨工艺的基础上，结合两种分散剂的分别使用，制得了粒度小于0.50μm，储藏性能优良的色素炭黑，尤其适合在中性墨水作为色素炭黑使用。本发明的目的将通过下面的详细描述来进一步体现和说明。本发明提供的一种中性墨水用色素炭黑的制备方法，具体包括以下步骤：s1、称取重量份计的去离子水70～80份、炭黑15～25份、氧化胺型表面活性剂0.5～2份、阴离子型表面活性剂1～3份；s2、将锆珠加入到砂磨机机罐中，同时将去离子水加入到装料罐中，往去离子水中加入醋酸调节其ph值为4～6，设定砂磨机的转速为2000～2800r/min，砂磨时间为20～40min，开机，待砂磨机启动正常运行时加入炭黑和氧化胺型表面活性剂，进行第一次砂磨；s3、第一次砂磨结束后，加入阴离子型表面活性剂，设定砂磨机的转速为1500～2000r/min，砂磨时间为50～60min，进行第二次砂磨，第二次砂磨结束，制得中性墨水用色素炭黑。进一步地，所述氧化胺型表面活性剂为十二烷基二甲基氧化胺、十四烷基二甲基氧化胺和十六烷基二甲基氧化胺中的至少一种。进一步地，所述阴离子型表面活性剂为羧酸盐型表面活性剂、磺酸盐型表面活性剂中的至少一种。更进一步的，所述羧酸盐型表面活性剂为月桂酸钠或肉豆蔻酸钠。更进一步的，所述磺酸盐型表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十三烷基磺酸钠或十四烷基磺酸钠。进一步地，所述醋酸的浓度为3mol/l。进一步地，所述步骤s2中，锆珠填充率为50～60％。进一步地，所述锆珠的直径为1.0mm。进一步地，所述炭黑为油炉法炭黑。本发明中性墨水用色素炭黑的制备方法采用两种不同的分散剂，通过两次砂磨工艺，制得粒度小于0.50μm，储藏性能优良的色素炭黑。本发明所制得的色素炭黑，实际上也是一种炭黑分散液。具体地，本发明以常规油炉法炭黑作为基础炭黑，第一次砂磨时，调节ph值为4～6，首先使用氧化胺型表面活性剂作为分散剂对炭黑进行处理，更具体是使用十二烷基二甲基氧化胺、十四烷基二甲基氧化胺和十六烷基二甲基氧化胺中的至少一种。氧化胺型表面活性剂是一种弱阳离子型两性表面活性剂，其水溶液在酸性条件中呈阳离子性，在中性和碱性条件中呈非离子性。因此，在酸性环境下，十二烷基二甲基氧化胺等所带电荷为叔胺，其可与炭黑表面酸性官能团形成盐键，同时存在一定的极性范德华力，而十二烷基二甲基氧化胺除对炭黑具有较强的吸附作用，形成良好的空间位阻效应外，由于分子中的氧带有较多的负电荷，因而还可增大炭黑粒子的双电层，进一步使炭黑获得较好的分散效果。但是使用十二烷基二甲基氧化胺等两性表面活性剂作为分散剂，由于十二烷基二甲基氧化胺等本身对ph值比较敏感，所以由此制得的炭黑分散液对ph值也比较敏感，将该炭黑分散液在各种ph值下存放，会发现酸性和碱性环境均会降低炭黑分散液的稳定性，不管制备过程中ph值如何，放置分散液的ph值低于4或高于10，很快均会发生沉降，另外，经过第一次砂磨后的炭黑粒度也仍不理想。为了使炭黑的粒度进一步细化，发明人对炭黑进行第二次砂磨，同时使用阴离子型表面活性剂作为分散剂。发明人意外地发现，在第一次砂磨处理后，采用羧酸盐型表面活性剂、磺酸盐型表面活性剂这两类阴离子型表面活性剂，一方面，这两类阴离子型表面活性剂能更进一步地加强炭黑粒子外围的双电层结构，提高静电斥力及空间斥力，从而使炭黑获得更佳的分散效果并且保持稳定状态，另一方面，很好地解决了炭黑分散液对ph值敏感的问题。但是如果将十二烷基二甲基氧化胺这类两性表面活性剂与阴离子表面活性剂同时使用，在酸性条件下，发生电荷中和，会导致其对炭黑的分散作用失效。因此，与现有技术相比，本发明具有如下优势：(1)本发明中性墨水用色素炭黑的制备方法采用较低成本的分散剂，原料简单、易得，工艺过程简单、步骤少，生产周期短，制得的炭黑粒度细，分散性好，能长期保持稳定不聚沉，非常适合工业化生产；(2)本发明方法制得的色素炭黑粒度小于0.50μm，具有优良的水分散性、储藏稳定性和流动性，其在35℃下流动性可达41～46mm，远大于常规炭黑标准水平，同时具有较高的黑度，黑度明显超过6#色素标样，可达中、高色素炭黑水平，且酸、碱性可调，适用范围广；将该色素炭黑制成中性笔墨水，未出现絮凝、沉淀现象，将墨水灌笔，该笔书写流畅，出墨正常，线条饱满，未出现断线的不良情况，兼备良好的分散性、稳定性、触变性与书写性能。附图说明图1是对比例一色素炭黑的粒度分布图。图2是实施例3色素炭黑的粒度分布图。具体实施方式下面通过具体实施例对本发明做进一步的详细说明。实施例1、本发明中性墨水用色素炭黑的制备方法s1、称取去离子水70kg、油炉法炭黑25kg、十二烷基二甲基氧化胺2kg、肉豆蔻酸钠3kg；s2、将直径为1.0mm的锆珠加入到砂磨机机罐中，控制锆珠填充率为50％，同时将去离子水加入到装料罐中，往去离子水中加入3mol/l醋酸调节其ph值为4，设定砂磨机的转速为2000r/min，砂磨时间为20min，开机，待砂磨机启动正常运行时加入炭黑和十二烷基二甲基氧化胺，进行第一次砂磨；s3、第一次砂磨结束后，加入肉豆蔻酸钠，设定砂磨机的转速为1500r/min，砂磨时间为50min，进行第二次砂磨，第二次砂磨结束，制得中性墨水用色素炭黑。实施例2、本发明中性墨水用色素炭黑的制备方法s1、称取去离子水80kg、油炉法炭黑18.5kg、十四烷基二甲基氧化胺0.5kg、十二烷基磺酸钠1kg；s2、将直径为1.0mm的锆珠加入到砂磨机机罐中，控制锆珠填充率为60％，同时将去离子水加入到装料罐中，往去离子水中加入3mol/l醋酸调节其ph值为6，设定砂磨机的转速为2800r/min，砂磨时间为40min，开机，待砂磨机启动正常运行时加入炭黑和十四烷基二甲基氧化胺，进行第一次砂磨；s3、第一次砂磨结束后，加入十二烷基磺酸钠，设定砂磨机的转速为2000r/min，砂磨时间为60min，进行第二次砂磨，第二次砂磨结束，制得中性墨水用色素炭黑。实施例3、本发明中性墨水用色素炭黑的制备方法s1、称取去离子水75kg、油炉法炭黑22kg、十二烷基二甲基氧化胺1kg、月桂酸钠2kg；s2、将直径为1.0mm的锆珠加入到砂磨机机罐中，控制锆珠填充率为60％，同时将去离子水加入到装料罐中，往去离子水中加入3mol/l醋酸调节其ph值为5，设定砂磨机的转速为2500r/min，砂磨时间为30min，开机，待砂磨机启动正常运行时加入炭黑和十二烷基二甲基氧化胺，进行第一次砂磨；s3、第一次砂磨结束后，加入月桂酸钠，设定砂磨机的转速为1600r/min，砂磨时间为60min，进行第二次砂磨，第二次砂磨结束，制得中性墨水用色素炭黑。实施例4、本发明中性墨水用色素炭黑的制备方法s1、称取去离子水75kg、油炉法炭黑22kg、十二烷基二甲基氧化胺2kg、月桂酸钠1kg；s2、将直径为1.0mm的锆珠加入到砂磨机机罐中，控制锆珠填充率为60％，同时将去离子水加入到装料罐中，往去离子水中加入3mol/l醋酸调节其ph值为5，设定砂磨机的转速为2500r/min，砂磨时间为30min，开机，待砂磨机启动正常运行时加入炭黑和十二烷基二甲基氧化胺，进行第一次砂磨；s3、第一次砂磨结束后，加入月桂酸钠，设定砂磨机的转速为16000r/min，砂磨时间为60min，进行第二次砂磨，第二次砂磨结束，制得中性墨水用色素炭黑。对比例一s1、称取去离子水75kg、油炉法炭黑22kg；s2、将直径为1.0mm的锆珠加入到砂磨机机罐中，控制锆珠填充率为60％，同时将去离子水加入到装料罐中，设定砂磨机的转速为2500r/min，砂磨时间为30min，开机，待砂磨机启动正常运行时加入炭黑，进行第一次砂磨；s3、第一次砂磨结束后，设定砂磨机的转速为1600r/min，砂磨时间为60min，进行第二次砂磨，第二次砂磨结束，制得色素炭黑。与实施例3相比，本对比例的区别仅在于：不添加分散剂。对比例二s1、称取去离子水75kg、油炉法炭黑22kg、十二烷基二甲基氧化胺3kg；s2、将直径为1.0mm的锆珠加入到砂磨机机罐中，控制锆珠填充率为60％，同时将去离子水加入到装料罐中，往去离子水中加入3mol/l醋酸调节其ph值为5，设定砂磨机的转速为2500r/min，砂磨时间为30min，开机，待砂磨机启动正常运行时加入炭黑和十二烷基二甲基氧化胺，进行第一次砂磨；s3、第一次砂磨结束后，设定砂磨机的转速为1600r/min，砂磨时间为60min，进行第二次砂磨，第二次砂磨结束，制得色素炭黑。与实施例3相比，本对比例的区别仅在于：不添加月桂酸钠，同时将十二烷基二甲基氧化胺的用量提高至3kg。对比例三s1、称取去离子水75kg、油炉法炭黑22kg、十二烷基二甲基氧化胺1kg、月桂酸钠2kg；s2、将直径为1.0mm的锆珠加入到砂磨机机罐中，控制锆珠填充率为60％，同时将去离子水加入到装料罐中，往去离子水中加入3mol/l醋酸调节其ph值为5，设定砂磨机的转速为2500r/min，砂磨时间为30min，开机，待砂磨机启动正常运行时加入炭黑、十二烷基二甲基氧化胺和月桂酸钠，进行第一次砂磨；s3、第一次砂磨结束后，设定砂磨机的转速为1600r/min，砂磨时间为60min，进行第二次砂磨，第二次砂磨结束，制得色素炭黑。与实施例3相比，本对比例的区别仅在于：在第一次砂磨中同时添加十二烷基二甲基氧化胺和月桂酸钠。对比例四s1、称取去离子水75kg、油炉法炭黑22kg、月桂酸钠3kg；s2、将直径为1.0mm的锆珠加入到砂磨机机罐中，控制锆珠填充率为60％，同时将去离子水加入到装料罐中，往去离子水中加入3mol/l醋酸调节其ph值为5，设定砂磨机的转速为2500r/min，砂磨时间为30min，开机，待砂磨机启动正常运行时加入炭黑和月桂酸钠，进行第一次砂磨；s3、第一次砂磨结束后，设定砂磨机的转速为1600r/min，砂磨时间为60min，进行第二次砂磨，第二次砂磨结束，制得色素炭黑。与实施例3相比，本对比例的区别仅在于：不添加十二烷基二甲基氧化胺，同时将月桂酸钠的用量提高至3kg。试验例一、本发明中性墨水用色素炭黑的粒度分析将对比例一的色素炭黑、实施例3的色素炭黑分别用去离子水稀释一定倍数，利用英国马尔文仪器有限公司的mastersizer3000型激光粒度分析仪进行检测，结果如附图1和2所示。参见附图1和2，在相同的砂磨工艺和实验条件下，对比例一不添加任何分散剂，其色素炭黑粒度为6.60μm，粒径分布宽，而实施例3加入了本发明的分散剂后，其色素炭黑粒度为0.42μm，粒径分布窄。可见，本发明制备方法可使炭黑粒度明显细化，从而有效提高其分散性。另外，对实施例1、2和4色素炭黑的粒度进行检测，结果分别为0.50μm、0.48μm和0.45μm。试验例二、本发明中性墨水用色素炭黑的流动性分析取实施例1～4、对比例一的色素炭黑(炭黑分散液)等量，于35℃下，立即倒于水平放置的玻璃板上，倾倒时保持高度一致，待炭黑分散液全部倒出后，静置5min，测量炭黑分散液形成圆形的直径，重复试验3次，取圆形直径的平均值。直径大说明该炭黑分散液的流动性好，也说明该样品的分散性较好。对比例一炭黑分散液直径为25mm，实施例1～4炭黑分散液直径分别为41mm、43mm、46mm、44mm。说明本发明制备方法制得的色素炭黑的分散性好，其流动性得到明显改善，适合应用于中性墨水中。试验例三、本发明中性墨水用色素炭黑的储藏稳定性1、ph值对炭黑分散液储藏稳定性的影响取实施例1～4、对比例一～四的色素炭黑，加入去离子水稀释至炭黑含量为5％，制得相应的炭黑分散液。使用盐酸或氢氧化钠调节其ph值至指定值，放在45℃恒温干燥箱中，观察是否发生絮凝及絮凝状况随时间的变化。结果见下表1。表1各炭黑分散液在不同ph值下的稳定性由上表1可知：(1)本发明实施例1～4色素炭黑具有较高的酸碱稳定性，于不同酸碱度环境、45℃高温下30天仍保持稳定均一、无絮凝，可适用范围广。(2)与实施例3相比，对比例一不添加分散剂，对比例三同时添加十二烷基二甲基氧化胺和月桂酸钠，结果其炭黑分散液的稳定性较差，于实验条件下放置3天即有大量凝絮；而对比例二仅添加十二烷基二甲基氧化胺，于ph值低于4或高于10的环境下，极易产生凝絮；对比例四仅添加月桂酸钠，ph值为3的酸性环境下，极易产生凝絮。提示，本发明所述氧化胺型表面活性剂和阴离子表面活性剂的存在协同作用，能显著提高炭黑分散液的分散效果并且保持其稳定状态。另外，对实施例1～4的色素炭黑进行长期稳定性试验，储存24个月，均没有产生沉降，通过透射电镜照片，观察到色素炭黑均呈现较好的分散性，虽然出现了颗粒团聚现象，但是各团聚体彼此之间的粘连较少，边界清晰，未出现颗粒严重聚集的不良情况，因而未出现沉降现象，说明本发明色素炭黑具有良好的储藏稳定性。2、分散剂种类对炭黑分散液储藏稳定性的影响参照实施例3，对其中的氧化胺型表面活性剂和阴离子型表面活性剂进行替换，置于45℃恒温干燥箱下10天，考察各分散剂对炭黑分散液储藏稳定性的影响，结果如下表2所示。表2各分散剂对炭黑分散液储藏稳定性的影响项目氧化胺型表面活性剂阴离子型表面活性剂45℃下30天实施例3十二烷基二甲基氧化胺月桂酸钠均一、无絮凝对比例五十二烷基二羟乙基氧化胺月桂酸钠大量絮凝对比例六月桂酰胺丙基氧化胺月桂酸钠大量絮凝对比例七十二烷基二甲基氧化胺十二烷基硫酸钠大量絮凝对比例八十二烷基二甲基氧化胺十二烷基磷酸一钠大量絮凝由上表2可知，在本发明实施例3的基础上改变氧化胺型表面活性剂或阴离子型表面活性剂的种类，对炭黑的分散、稳定作用下降，提示分散剂的结构对炭黑的分散稳定性有重要影响，而本发明所述氧化胺型表面活性剂与羧酸盐型表面活性剂或磺酸盐型表面活性剂这一特定结构的表面活性剂的组合，能有效提高炭黑的分散稳定性。试验例四、本发明中性墨水用色素炭黑的在中性墨水的应用效果将本发明实施例1～4的色素炭黑按照常规方法配制成中性笔墨水，配制过程未出现絮凝、沉淀现象；将墨水置于密闭的试样瓶中，在60℃恒温干燥箱中放置72h，在自然条件下放置24个月，均未出现凝絮、反粗、体系分层和稠化等现象，提示该墨水稳定性高。将该墨水灌笔，进行划圆测试，该笔书写流畅，出墨正常，线条饱满，未出现断线的不良情况，兼备良好的分散性、稳定性、触变性与书写性能，体现了本发明色素炭黑较好的应用性能。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页12