本发明属于水性颜料技术领域，具体涉及一种稳定环保水性颜料及其制备方法。
背景技术：
水性油墨由颜料、水基连结料及助剂经研磨加工而成。颜料作为油墨的主要固体成分，承担着色功能，与染料可以渗透进物体内部着色的方式不同，颜料以固体颗粒的形式分散于连结料中，通过对光线进行吸收、反射和折射使油墨呈现特定颜色。出于对油墨光泽度和透光性的考虑，油墨生产行业要求颜料具有较小的粒径，尤其是水性喷墨油墨，要求体积分数为95%的颜料粒子粒径都要小于0.5μm，粒径不能大于1μm。
颜料颗粒作为调色剂广泛应用在涂料、墨水、墨粉等领域，起到美化环境的作用。近年来提高印刷行业的印刷精细度和印刷效率成为行业技术提升的主流。纳米级颜料由于具有更小的尺度，对于改善颜料的显色细腻度极为有利。但初始粒径在10-500nm的纳米颜料颗粒在实际使用过程中非常容易团聚，主要由纳米颜料的小尺寸效应导致，此外颜料分子结构中大多含有共轭性较强的苯环或者稠环结构，整个分子的共平面性较好，分子之间容易形成范德华力导致颜料颗粒团聚体难以破坏形成纳米级颜料颗粒分散液。颜料粒子的团聚将直接导致相关产品制造、储存过程中颜料分散液的分散稳定性下降，降低产品的使用性能。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种稳定环保水性颜料，按照质量份计算主要包括改性颜料：10-30份，软单体：15-25份，硬单体：25-60份，引发剂：0.25-2.5份，去离子水：100-250份；本发明制备了稳定分散的水性颜料，解决颜料在水团聚分散不稳定的问题。
本发明的另一目的在于提供一种稳定环保水性颜料的制备方法，采用无皂乳液聚合的方法制备了核壳型的无机颜料，在乳液聚合之前用偶联剂处理了无机颜料，提高了无机颜料的无皂乳液聚合稳定性，制备了无皂的核壳型无机颜料。
本发明主要通过以下技术方案实现：一种稳定环保水性颜料，按质量份计算主要包括改性颜料：10-30份，软单体：15-25份，硬单体：25-60份，引发剂：0.25-2.5份，去离子水：100-250份。
本发明的颜料为无机颜料，通过分子设计制备得到有机-无机复合材料，在无机颜料的表面包覆亲水性的有机聚合物，从而提高水性颜料的水分散性。
所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸铵中的任意一种。
所述硬单体和软单体中含有亲水性官能团，可以改善颜料与水的相容性，改善颜料在水中的分散性；同时硬单体和软单体的配比改善了水性颜料的粘度、耐热性等性能，使水性颜料的粘度适中方便喷墨打印，另一方面提高水性颜料的耐热性能，提高水性颜料的印刷稳定性。
所述软单体为丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸羟乙酯中的任意一种。所述软单体是指单体的均聚物的玻璃化温度介于-20℃～-70℃，可以赋予树脂一定的柔韧性和延伸性。
所述硬单体为丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸中的任意一种。所述硬单体的均聚物玻璃化温度较高，可以提高共聚物树脂的硬度和拉伸强度。
所述软单体、硬单体中含有羟基、羧基、酰胺基等亲水性基团，可以改善颜料的亲水性，提高颜料在水中的分散稳定性。
一种稳定环保水性颜料的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤a，先制备改性颜料；
步骤b，将去离子水加入烧瓶中，所述烧瓶上安装有球形冷凝管，将硬单体总量的三分之一和软单体单体总量的二分之一混合，将混合后的单体和一半的引发剂加入烧瓶中进行反应，烧瓶中通入氮气，加热到70-85℃，搅拌速度为200-400r/min；
步骤c，当烧瓶中乳液变蓝后，采用恒压滴液漏斗滴加剩余的混合单体，并分批次的加入步骤a中的改性颜料，反应15分钟后，加入剩余的引发剂，升高温度到80-90℃，搅拌速度为200-400r/min，
步骤d，反应24h之后停止反应，待乳液冷却后调节乳液的ph。
所述步骤a中改性颜料的制备方法主要包括以下步骤：
步骤a1，将颜料放置在烧瓶中，加入溶剂混合均匀，搅拌速度为300-500r/min；
步骤a2，将步骤a1中溶液加热到40-70℃，加入偶联剂，继续搅拌，反应3-6h；
步骤a3，将步骤a2中的溶液过滤得到改性颜料，真空干燥之后备用。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述步骤a1中的溶剂为乙醇、丙酮、丁酮、甲醇中的任意一种。
为了更好的实现本发明，进一步的，所述步骤a2中的偶联剂为硅烷偶联剂，所述偶联剂的用量为颜料质量的0.5wt%-2.5wt%。
本发明采用无皂乳液聚合方法制备核壳型颜料，没有添加乳化剂，避免了乳化剂在后期的分离，导致颜料的性质不稳定；同时避免了乳化剂污染环境，较为环保。
无皂乳液聚合中通过添加引发剂、添加大量的水增加无皂乳液的稳定性；无皂乳液聚合操作简单，危险性小，比较容易实现。
由于许多颜料粒子的分子结构具有很强的自由基猝灭能力容易导致聚合包覆过程终止最终颜料粒子表面聚合物包覆不完全，同时纳米颜料颗粒由于其大比表面积，极易在聚合包覆过程中团聚，造成聚合物与颜料颗粒相分离导致包覆失败；因此本发明在制备核壳型颜料之前，先用偶联剂处理颜料，提高颜料的亲水性，提高颜料与软单体、硬单体的共聚活性。
所述偶联剂具有疏水官能团和亲水官能团的物质，偶联剂的疏水官能团与长链的疏水基团具有较好的相容性；偶联剂的亲水官能团具有较好的亲水性，可以与水就有较好的相容性。偶联剂被称为“分子桥”，可以改善疏水颜料与水分子之间的界面作用，从而大大提高颜料的极性，提高颜料在水中的分散性，同时偶联剂可以改善颜料与软单体、硬单体的反应活性，提高颜料在无皂乳液中的聚合稳定性。
本发明的有益效果：
（1）本发明采用无皂乳液聚合法制备了核壳型颜料，有效提高颜料在水中的分散性；
（2）本发明先用偶联剂处理颜料然后在进行无皂乳液聚合，聚合稳定性增加；
（3）本发明中颜料为核壳结构，颜料粒子的外层包裹了一层亲水性聚合物，增加了颜料的水分散性；
（4）本发明中颜料粒子不含乳化剂，性能稳定，同时避免了乳化剂污染环境，较为环保。
具体实施方式
实施例1：
一种稳定环保水性颜料，安装质量份计算主要包括改性炭黑25份，甲基丙烯酸羟丙酯23份，丙烯酰胺46份，过硫酸钾用量为0.55份，去离子水150份；
一种稳定环保水性颜料的制备方法主要包括以下步骤：将炭黑放入三颈烧瓶中，加入乙醇溶剂，通入氮气，在三颈烧瓶上安装球形冷凝管，搅拌速度为300r/min，加热到40℃；然后加入0.68份的硅烷偶联剂kh550，搅拌速度为500r/min，反应3.5h后停止，将改性后的炭黑过滤后真空干燥；用球磨机将改性炭黑进行充分研磨备用；
将去离子水加入三颈烧瓶中，加入10份甲基丙烯酸羟丙酯和20份丙烯酰胺的混合单体，加入0.2份过硫酸钾引发剂，在三颈烧瓶中通入氮气，三颈烧瓶上安装球形冷凝管，边搅拌边加热，搅拌速度为250r/min加热温度到70℃；反应25min乳液颜色变蓝后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加剩余甲基丙烯酸羟丙酯和丙烯酰胺的混合单体，并分多次少量的加入改性炭黑，加完之后反应15分钟，加入剩余的引发剂进行反应；温度升高到80℃，搅拌速度为250r/min；反应24h之后停止，待乳液冷却后调节乳液ph为7。
取少量乳液用去离子稀释之后超声10min，采用英国马尔文zetasizer粒度仪在室温下测量乳液的平均粒径和分散系数以及乳液的zeta电位。
经过测试后发现水性颜料的粒径为124nm，分散系数为0.125，乳液颗粒分布均匀，没有出现团聚的现象，有效改善了炭黑颜料在水中的分散效果；乳液中没有出现絮凝；测量乳液的zeta电位为-48，乳液具有较好的稳定性。
本发明采用无皂乳液聚合法制备了核壳型颜料，有效提高颜料在水中的分散性；本发明先用偶联剂处理颜料然后在进行无皂乳液聚合，聚合稳定性增加；本发明中颜料粒子不含乳化剂，性能稳定，同时避免了乳化剂污染环境，较为环保，拓宽了水性颜料的应用范围。
实施例2：
一种稳定环保水性颜料，安装质量份计算主要包括改性炭黑20份，丙烯酸丁酯25份，丙烯酰胺50份，过硫酸钾用量为1.2份，去离子水200份；
一种稳定环保水性颜料的制备方法主要包括以下步骤：将炭黑放入三颈烧瓶中，加入乙醇溶剂，通入氮气，在三颈烧瓶上安装球形冷凝管，搅拌速度为300r/min，加热到40℃；然后加入0.3份的硅烷偶联剂kh560，搅拌速度为500r/min，反应3.5h后停止，将改性后的炭黑过滤后真空干燥；用球磨机将改性炭黑进行充分研磨备用；
将去离子水加入三颈烧瓶中，加入25份丙烯酸丁酯和25份丙烯酰胺的混合单体，加入0.5份过硫酸钾引发剂，在三颈烧瓶中通入氮气，三颈烧瓶上安装球形冷凝管，边搅拌边加热，搅拌速度为250r/min加热温度到70℃；反应25min乳液颜色变蓝后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加剩余甲基丙烯酸羟丙酯和丙烯酰胺的混合单体，并分多次少量的加入改性炭黑，加完之后反应15分钟，加入剩余的引发剂进行反应；温度升高到80℃，搅拌速度为250r/min；反应24h之后停止，待乳液冷却后调节乳液ph为7。
乳液稳定性的测量方法同实施例1，故不再赘述。
经过测试后发现水性颜料的粒径为162nm，分散系数为0.116，乳液颗粒分布均匀，没有出现团聚的现象，有效改善了炭黑颜料在水中的分散效果；乳液中没有出现絮凝；测量乳液的zeta电位为-52，相比实施例1，乳液的zeta电位变小，主要是因为引发剂的用量增多，乳液的稳定性增加，乳液具有较好的稳定性。
本发明采用无皂乳液聚合法制备了核壳型颜料，有效提高颜料在水中的分散性；本发明先用偶联剂处理颜料然后在进行无皂乳液聚合，聚合稳定性增加；本发明中颜料粒子不含乳化剂，性能稳定，同时避免了乳化剂污染环境，较为环保，拓宽了水性颜料的应用范围。
实施例3：
一种稳定环保水性颜料，安装质量份计算主要包括改性纳米氧化铁15份，丙烯酸丁酯20份，丙烯酰胺45份，过硫酸钾用量为0.6份，去离子水150份；
一种稳定环保水性颜料的制备方法主要包括以下步骤：将氧化铁放入三颈烧瓶中，加入丙酮溶剂，通入氮气，在三颈烧瓶上安装球形冷凝管，搅拌速度为300r/min，加热到40℃；然后加入0.3份的硅烷偶联剂kh570，搅拌速度为500r/min，反应3.5h后停止，将改性后的氧化铁过滤后真空干燥；用球磨机将改性氧化铁进行充分研磨备用；
将去离子水加入三颈烧瓶中，加入10份丙烯酸丁酯和12份丙烯酰胺的混合单体，加入0.3份过硫酸钾引发剂，在三颈烧瓶中通入氮气，三颈烧瓶上安装球形冷凝管，边搅拌边加热，搅拌速度为250r/min加热温度到70℃；反应25min乳液颜色变蓝后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加剩余甲基丙烯酸羟丙酯和丙烯酰胺的混合单体，并分多次少量的加入改性氧化铁，加完之后反应15分钟，加入剩余的引发剂进行反应；温度升高到80℃，搅拌速度为250r/min；反应24h之后停止，待乳液冷却后调节乳液ph为7。
乳液稳定性的测量方法同实施例1，故不再赘述。
经过测试后发现水性颜料的粒径为185nm，分散系数为0.142，乳液颗粒分布均匀，没有出现团聚的现象，有效改善了氧化铁颜料在水中的分散效果；乳液中没有出现絮凝；测量乳液的zeta电位为-41.3，乳液具有较好的稳定性。
本发明采用无皂乳液聚合法制备了核壳型颜料，有效提高颜料在水中的分散性；本发明先用偶联剂处理颜料然后在进行无皂乳液聚合，聚合稳定性增加；本发明中颜料粒子不含乳化剂，性能稳定，同时避免了乳化剂污染环境，较为环保，拓宽了水性颜料的应用范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。