顆粒在介質中的分散穩定性是一個至關重要且備受關注的話題，它不僅會影響材料最終的產品質量，還會影響材料在不同場景中的表現。分散劑作為一種可以使液體材料中顆粒穩定分散的表面活性劑，不僅可以促使液體材料中的顆粒有效分散，還可以保持體系的相對穩定性。超分散劑作為一種專門設計和優化的化學助劑，相較傳統的分散劑擁有更好的吸附牢度、更有效的空間穩定作用以及更為廣泛的適用性，在分散劑領域擁有相當廣闊的發展潛力。接下來，小編將帶大家認識超分散劑及其相關應用。

圖源：精顏化工

關于超分散劑

超分散劑是一種分子量介于1000-10000之間的聚合物，它主要由錨定基團和聚合溶劑化鏈段構成，錨定基團代替了表面活性劑的親水基團，聚合溶劑化鏈段則代替了憎水基團。在分散體系中，錨定基團通過多重附著或離子對鍵合的方式，牢固地附著在固體顆粒表面，不易發生解吸而導致出現絮凝聚沉，對于保持分散體系的穩定性非常有幫助。聚合溶劑化鏈段按照其溶劑化鏈極性的不同，可以分為低極性的聚烯烴鏈、強極性的聚醚鏈和中等極性的聚丙烯酸酯鏈等。基于相似相容的原理，溶劑化鏈段的極性大小與溶劑的極性相近時，高分子長鏈與分散介質之間的相容性表現得非常出色。由于溶劑化鏈段相較傳統分散劑的親油基團長，故可以在顆粒表面形成足夠的空間位阻，增加其抗團聚能力，從而維持穩定的分散狀態。除此之外，超分散劑能夠為特定的體系合成最匹配其分子結構的超分散劑，以實現特定的功能，避免被分散體系中的離子濃度、pH值、溫度等因素影響，維持良好的性能。

超分散劑的接觸角（圖源：文獻1）

工作原理

超分散劑主要是基于錨固作用機理和分散穩定機制來進行運作的。

1、錨固作用機理

錨固作用是指超分散劑的錨固基團會通過離子鍵、共價鍵、氫鍵以及范德華力與顆粒的表面基團相互作用，緊緊的吸附在顆粒的表面。對于不同極性的顆粒，超分散劑會采用不同的錨固方法。對于具有較高表面極性的無機材料，它們表面的羥基會與錨固基團鍵合形成離子對，形成單點錨固；對于極性不強的有機材料，其表面的極性官能團會與錨固基團形成氫鍵，從而產生微弱的氫鍵作用，為了提高超分散劑對顆粒表面的吸附能力，需要在超分散劑中引入多個錨定基團結構，以實現超分散劑與有機顆粒間的強作用力；對于非極性顆粒，因為其表面不具備與錨固基團作用的活性基團，因此需要加入表面增效劑，使表面增效劑吸附在非極性顆粒表面，為超分散劑的吸附過程提供活性位點，從而使顆粒可以在懸浮體系中保持分散穩定。

超分散劑的結構（圖源：文獻3）

2、分散穩定機理

超分散劑的加入可以有效增加懸浮液中顆粒間的排斥力，從而達到分散穩定效果。分散穩定機理主要包括靜電排斥理論和空間位阻效應兩種理論。

（1）靜電排斥理論

在兩個粒子接近，但離子氛尚未重疊時，顆粒與顆粒間并不會產生排斥作用；但當顆粒開始相互重疊時，重疊區中的離子濃度會急劇升高，高濃度區中的離子會開始向非重疊區遷移，打破原來的對稱性，帶電的微粒此時就會因排斥作用而分開。在懸浮體系中添加電解質類超分散劑，懸浮體系中的粒子電荷就會增加，zeta電位上升，粒子間的排斥力增加，懸浮體系的穩定性因此而進一步提升。當顆粒間的范德華引力大于雙電層的作用力時，顆粒會完全接觸并相互粘附，最終會形成越來越大的絮凝物，進而沉淀，使懸浮液變得澄清透明。

顆粒間的靜電排斥作用（圖源：文獻4）

（2）空間位阻效應

空間位阻效應是指表面活性分子通過強極性錨固基團吸附在顆粒表面，利用分子自身主鏈及分子上與水相互作用的溶劑化鏈段形成較厚水化層，從而達到阻止粒子聚集的作用。正因為材料表面水化層的存在，大大削弱了顆粒間的范德華力，有效的削減了顆粒間的團聚現象。不同超分散劑的溶劑化鏈段會有所差異，超分散劑在顆粒表面的吸附存在多種構型。由于顆粒之間無法相互穿透，所以當兩個吸附了超分散劑的顆粒相互靠近時，它們之間的空間體積會被壓縮。此時，溶劑化鏈會因空間限制，導致能夠采取的構象數量減少，構象熵也隨之降低。此時系統的自由能會增加，并產生排斥力來保持粒子的穩定。

空間位阻效應模型圖（圖源：文獻1）

應用

1、顏料、涂料、油墨

涂料在存儲過程中常常會出現結塊的現象。在加入高分子分散劑后，不僅可以使涂料在高固含量下保持很好的分散穩定性，還可以有效改變其流變性、延長涂料的保質期，減少絮凝的出現。葉夢含等以苯乙烯、丙烯酸丁酯和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為單體，偶氮二異丁腈為引發劑，3-巰基丙酸為鏈轉移劑，采用溶液聚合制備了三元共聚超分散劑。將制出的超分散劑用于酞菁藍顏料，通過測試改變單體摩爾配比、引發劑用量、鏈轉移劑用量、反應溫度和Zeta電位得到最優反應條件。測得的顏料分散體系粒徑最小為154.1nm,Zeta電位為-29.8mV。

超分散劑對顏料分散體系穩定性的影響（圖源：文獻5）

2、超細顆粒

超細粉體因特有的表面效應、小尺寸效應和量子效應等特點，在眾多領域中得到廣泛的應用。傳統的分散劑在水環境中具有良好的分散能力，但在非水環境中分散固體顆粒的表現卻不盡如人意。超分散劑經大量的實驗驗證，能夠對碳酸鈣、二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋁等多種超細粒子展現出出色的分散和穩定作用。劉寧等采用恒流滴定法，以高效液相色譜跟蹤聚丙烯酸水溶液聚合反應過程，通過改變單體濃度、體系pH、鏈轉移劑量、加料時間、反應溫度等因素獲得了低分子量PAA的可控合成方法。制備出的PAA超分散劑，在pH為7，分子量為5210時，對納米二氧化硅的分散性能最佳。

3、陶瓷

陶瓷中的固態粒子表面活性很大，顆粒之間容易發生團聚現象。但如果顆粒的分散均勻性差，會嚴重影響燒結過程，導致產品的性能不好。如果在陶瓷粉體中加入超分散劑，可以使陶瓷顆粒在非極性分散介質中均勻分散，以達到較高的固態含量和較低的粘稠度。陶瓷粉體在分散介質中的分散穩定性將會直接影響成品的微觀結構，從而影響耐磨性和熱穩定性等使用性能。曹貴平等研究超分散劑對氧化鋁粉體在液體石蠟中的分散穩定性，獲得了含固率高、粘度低的氧化鋁石蠟分散體系。研究表明當超分散劑的相對分子質量為1000，用量為粉體質量的2%，在固含量高達85%的漿液中使用時，分散效果最佳。

小結

超分散劑通過靜電排斥、空間位阻等作用機制，可以有效提升顆粒在各種復雜體系中的分散穩定性。通過對超分散劑設計環節的進一步把控以及超分散劑與顆粒間相互作用的進一步研究，相信超分散劑可以在未來應用于更多的領域。

參考文獻：

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