颗粒在介质中的分散稳定性是一个至关重要且备受关注的话题，它不仅会影响材料最终的产品质量，还会影响材料在不同场景中的表现。分散剂作为一种可以使液体材料中颗粒稳定分散的表面活性剂，不仅可以促使液体材料中的颗粒有效分散，还可以保持体系的相对稳定性。超分散剂作为一种专门设计和优化的化学助剂，相较传统的分散剂拥有更好的吸附牢度、更有效的空间稳定作用以及更为广泛的适用性，在分散剂领域拥有相当广阔的发展潜力。接下来，小编将带大家认识超分散剂及其相关应用。

图源：精颜化工

关于超分散剂

超分散剂是一种分子量介于1000-10000之间的聚合物，它主要由锚定基团和聚合溶剂化链段构成，锚定基团代替了表面活性剂的亲水基团，聚合溶剂化链段则代替了憎水基团。在分散体系中，锚定基团通过多重附着或离子对键合的方式，牢固地附着在固体颗粒表面，不易发生解吸而导致出现絮凝聚沉，对于保持分散体系的稳定性非常有帮助。聚合溶剂化链段按照其溶剂化链极性的不同，可以分为低极性的聚烯烃链、强极性的聚醚链和中等极性的聚丙烯酸酯链等。基于相似相容的原理，溶剂化链段的极性大小与溶剂的极性相近时，高分子长链与分散介质之间的相容性表现得非常出色。由于溶剂化链段相较传统分散剂的亲油基团长，故可以在颗粒表面形成足够的空间位阻，增加其抗团聚能力，从而维持稳定的分散状态。除此之外，超分散剂能够为特定的体系合成最匹配其分子结构的超分散剂，以实现特定的功能，避免被分散体系中的离子浓度、pH值、温度等因素影响，维持良好的性能。

超分散剂的接触角（图源：文献1）

工作原理

超分散剂主要是基于锚固作用机理和分散稳定机制来进行运作的。

1、锚固作用机理

锚固作用是指超分散剂的锚固基团会通过离子键、共价键、氢键以及范德华力与颗粒的表面基团相互作用，紧紧的吸附在颗粒的表面。对于不同极性的颗粒，超分散剂会采用不同的锚固方法。对于具有较高表面极性的无机材料，它们表面的羟基会与锚固基团键合形成离子对，形成单点锚固；对于极性不强的有机材料，其表面的极性官能团会与锚固基团形成氢键，从而产生微弱的氢键作用，为了提高超分散剂对颗粒表面的吸附能力，需要在超分散剂中引入多个锚定基团结构，以实现超分散剂与有机颗粒间的强作用力；对于非极性颗粒，因为其表面不具备与锚固基团作用的活性基团，因此需要加入表面增效剂，使表面增效剂吸附在非极性颗粒表面，为超分散剂的吸附过程提供活性位点，从而使颗粒可以在悬浮体系中保持分散稳定。

超分散剂的结构（图源：文献3）

2、分散稳定机理

超分散剂的加入可以有效增加悬浮液中颗粒间的排斥力，从而达到分散稳定效果。分散稳定机理主要包括静电排斥理论和空间位阻效应两种理论。

（1）静电排斥理论

在两个粒子接近，但离子氛尚未重叠时，颗粒与颗粒间并不会产生排斥作用；但当颗粒开始相互重叠时，重叠区中的离子浓度会急剧升高，高浓度区中的离子会开始向非重叠区迁移，打破原来的对称性，带电的微粒此时就会因排斥作用而分开。在悬浮体系中添加电解质类超分散剂，悬浮体系中的粒子电荷就会增加，zeta电位上升，粒子间的排斥力增加，悬浮体系的稳定性因此而进一步提升。当颗粒间的范德华引力大于双电层的作用力时，颗粒会完全接触并相互粘附，最终会形成越来越大的絮凝物，进而沉淀，使悬浮液变得澄清透明。

颗粒间的静电排斥作用（图源：文献4）

（2）空间位阻效应

空间位阻效应是指表面活性分子通过强极性锚固基团吸附在颗粒表面，利用分子自身主链及分子上与水相互作用的溶剂化链段形成较厚水化层，从而达到阻止粒子聚集的作用。正因为材料表面水化层的存在，大大削弱了颗粒间的范德华力，有效的削减了颗粒间的团聚现象。不同超分散剂的溶剂化链段会有所差异，超分散剂在颗粒表面的吸附存在多种构型。由于颗粒之间无法相互穿透，所以当两个吸附了超分散剂的颗粒相互靠近时，它们之间的空间体积会被压缩。此时，溶剂化链会因空间限制，导致能够采取的构象数量减少，构象熵也随之降低。此时系统的自由能会增加，并产生排斥力来保持粒子的稳定。

空间位阻效应模型图（图源：文献1）

应用

1、颜料、涂料、油墨

涂料在存储过程中常常会出现结块的现象。在加入高分子分散剂后，不仅可以使涂料在高固含量下保持很好的分散稳定性，还可以有效改变其流变性、延长涂料的保质期，减少絮凝的出现。叶梦含等以苯乙烯、丙烯酸丁酯和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为单体，偶氮二异丁腈为引发剂，3-巯基丙酸为链转移剂，采用溶液聚合制备了三元共聚超分散剂。将制出的超分散剂用于酞菁蓝颜料，通过测试改变单体摩尔配比、引发剂用量、链转移剂用量、反应温度和Zeta电位得到最优反应条件。测得的颜料分散体系粒径最小为154.1nm,Zeta电位为-29.8mV。

超分散剂对颜料分散体系稳定性的影响（图源：文献5）

2、超细颗粒

超细粉体因特有的表面效应、小尺寸效应和量子效应等特点，在众多领域中得到广泛的应用。传统的分散剂在水环境中具有良好的分散能力，但在非水环境中分散固体颗粒的表现却不尽如人意。超分散剂经大量的实验验证，能够对碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝等多种超细粒子展现出出色的分散和稳定作用。刘宁等采用恒流滴定法，以高效液相色谱跟踪聚丙烯酸水溶液聚合反应过程，通过改变单体浓度、体系pH、链转移剂量、加料时间、反应温度等因素获得了低分子量PAA的可控合成方法。制备出的PAA超分散剂，在pH为7，分子量为5210时，对纳米二氧化硅的分散性能最佳。

3、陶瓷

陶瓷中的固态粒子表面活性很大，颗粒之间容易发生团聚现象。但如果颗粒的分散均匀性差，会严重影响烧结过程，导致产品的性能不好。如果在陶瓷粉体中加入超分散剂，可以使陶瓷颗粒在非极性分散介质中均匀分散，以达到较高的固态含量和较低的粘稠度。陶瓷粉体在分散介质中的分散稳定性将会直接影响成品的微观结构，从而影响耐磨性和热稳定性等使用性能。曹贵平等研究超分散剂对氧化铝粉体在液体石蜡中的分散稳定性，获得了含固率高、粘度低的氧化铝石蜡分散体系。研究表明当超分散剂的相对分子质量为1000，用量为粉体质量的2%，在固含量高达85%的浆液中使用时，分散效果最佳。

小结

超分散剂通过静电排斥、空间位阻等作用机制，可以有效提升颗粒在各种复杂体系中的分散稳定性。通过对超分散剂设计环节的进一步把控以及超分散剂与颗粒间相互作用的进一步研究，相信超分散剂可以在未来应用于更多的领域。

参考文献：

1、张恒通,牛松,林树东.不同分子结构分散剂的研究进展[J].材料研究与应用.

2、刘宁,孙健,夏浙安,等.低分子量PAA的制备与纳米二氧化硅颗粒分散性能研究[J].中国胶粘剂.

3、黄山.超分散剂的发展及前景[J].化工设计通讯.

4、龚志良.铈基氧化物抛光粉的表面改性及其性能研究[D].南昌大学.

5、叶梦含,齐程远,姜禄,等.三元共聚超分散剂对酞菁蓝分散性研究[J].染料与染色.

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