Обычно важность диспергирующего агента становится очевидной, когда возникают такие проблемы, как осаждение пигмента или неравномерное окрашивание из-за агломерации красителей. Диспергирующий агент — это вспомогательное вещество, которое позволяет твердым частицам или каплям равномерно распределяться в жидкой среде, тем самым повышая стабильность и эффективность современного промышленного производства.
Принцип действия и критерии выбора диспергирующих агентов представляют интерес для закупщиков химической продукции, инженеров-технологов и технических специалистов текстильной промышленности. Ниже будет дано объяснение диспергирующих агентов, начиная с базовых понятий и заканчивая практическим применением.
1. Что такое диспергирующий агент?
Диспергирующий агент — это разновидность химических веществ, которые способствуют равномерному распределению твердых частиц или капель в жидкой среде и предотвращают их повторное агрегирование.
К основным функциям диспергирующего агента относятся дефлокуляция, которая обеспечивает рассеивание агрегированных частиц, и стабилизация, которая позволяет сохранить диспергированное состояние. Кроме того, он выполняет функцию предотвращения осаждения, предотвращая оседание частиц под действием силы тяжести.
Многие товары повседневного спроса не могут существовать без диспергирующего агента. Например, банка белой настенной краски сохраняет однородную консистенцию именно благодаря диспергирующему агенту. Диспергирующий агент также позволяет равномерно растворить пестицид в воде.
2. Типы диспергирующих веществ
Диспергирующие вещества можно классифицировать по их химическому составу, при этом механизм действия и сфера применения у каждого типа различаются.
Анионный диспергирующий агент | Он обладает отрицательным зарядом и является наиболее распространенным типом в промышленности. К ним относятся сульфонаты, карбоксилаты и фосфаты. Лигносульфонат натрия также является примером анионного диспергирующего агента, который широко используется в текстильной, строительной и пестицидной промышленности. |
Катионный Диспергирующий агент | Он имеет положительный заряд и прилипает к поверхности отрицательно заряженных частиц под действием статического электричества. Его часто используют в некоторых видах покрытий и в горнодобывающей промышленности, однако сфера его применения ограничена из-за высокой стоимости. |
Неионогенный Диспергирующий агент | Он не заряжен электрически и действует в основном за счет стерического препятствия. Одним из примеров является полиэтиленгликоль (ПЭГ). Он сохраняет стабильность в условиях высокой концентрации электролитов и не подвержен влиянию значения pH, благодаря чему широко применяется в производстве красителей и пестицидов. |
Полимерный Диспергирующий агент | Благодаря таким свойствам, как высокая молекулярная масса, электростатическое отталкивание и стерическое препятствие, он обеспечивает длительный эффект. Полиакрилаты являются наиболее распространённым полимерным диспергирующим агентом, который широко применяется в высококачественном бетоне и керамике. |
3. Как действует диспергирующий агент?
Принцип действия диспергирующего агента можно понять с помощью простой аналогии. Если группа людей окажется в тесном пространстве, они будут толкаться и сбиваться в кучу. Распределитель действует так, как будто на всех надевают пальто с шипами: это не дает людям сближаться друг с другом и приводит к их равномерному распределению.
С точки зрения химии диспергирующий агент обладает амфифильной структурой, которая с одной стороны является гидрофильной, а с другой — липофильной. Липофильный конец прилипает к поверхности частицы, в то время как гидрофильный конец проникает в жидкую среду, образуя защитный слой.
Существует два типа механизмов стабилизации.
● Электростатическое отталкивание: анионный диспергирующий агент ионизируется в воде, в результате чего поверхность частиц приобретает отрицательный заряд. Частицы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, что предотвращает их агрегацию.
● Стерическое препятствие: полимерный диспергирующий агент образует физический барьер на поверхности частиц, что не позволяет им сближаться, даже если сила электростатического отталкивания недостаточно велика.
Эти два механизма стабилизации были использованы в высокоэффективном диспергаторе, поскольку это позволяет добиться более длительного и стабильного эффекта.
4. Распространенные химические вещества, используемые в качестве диспергаторов
На рынке представлено широкое разнообразие диспергентов. Вот некоторые из наиболее важных:
Лигносульфонат натрия | Это побочный продукт бумажной промышленности, который является наиболее широко используемым природным диспергатором в мире. Благодаря низкой стоимости (1–4,50 доллара за тонну) и высокой растворимости в воде он широко применяется в бетонной, текстильной (для окрашивания), пестицидной и горнодобывающей промышленности. Недостатком является то, что цвет относительно темный (коричневатый), из-за чего он не подходит для применений, требующих точного цветового соответствия. |
Метиленбис-нафталинсульфонат натрия (NNO) | Это синтетический анионный диспергирующий агент, устойчивый к воздействию высоких температур, кислот и щелочей. Он является одним из важнейших диспергирующих агентов в текстильной красящей промышленности, поскольку подходит для измельчения и нанесения дисперсных и ватных красителей. Стоимость NNO выше, чем у лигносульфоната натрия, но характеристики NNO более стабильны при высоких температурах. |
Поликарбоксилат | Это полимерный диспергирующий агент с высокой молекулярной массой. Он обладает максимальной эффективностью и поэтому является основным выбором в качестве водоредуцирующего агента для высокопрочного бетона. Стоимость поликарбоксилата в 5–10 раз выше, чем у лигносульфоната натрия, однако его диспергирующий эффект намного лучше, чем у традиционных диспергирующих агентов. |
Полиакрилат натрия | Он широко применяется в керамической, бумажной и водоочистной промышленности. Это стандартный керамический диспергатор, поскольку он наиболее эффективен в слабощелочных условиях. |
Триполифосфат натрия (STPP) | Это неорганический диспергирующий агент, отличающийся очень низкой стоимостью. Он широко применяется в моющих средствах и керамических составах. Однако его использование ограничено в ЕС и других регионах из-за эвтрофикации водоемов фосфатами. |
5. Применение диспергирующих веществ в промышленности
Диспергирующие вещества находят применение во всех отраслях промышленности.
Строительная отрасль | Диспергаторы позволяют сократить расход воды в составе бетона на 12–30 %, а также повысить прочность и текучесть бетона. Традиционным выбором является лигносульфонат натрия, тогда как поликарбоксилат представляет собой высококачественный вариант, годовой объем потребления которого в мире исчисляется миллионами тонн. |
Текстильная промышленность | Дисперсные красители нерастворимы в воде. Для их эффективного использования требуется диспергирующий агент, который измельчает частицы красителя, обеспечивая их стабильную диспергированность, и позволяет равномерно окрашивать синтетические волокна, такие как полиэстер. Лигносульфонат натрия и NNO — два наиболее распространенных диспергирующих агента в текстильной промышленности. |
Индустрия пестицидов | Активные компоненты инсектицидов и гербицидов нерастворимы в воде. С помощью диспергирующих агентов их можно превратить в порошок для смачивания (WP) или суспензионный концентрат (SC), которые после разбавления водой можно равномерно распылять на сельскохозяйственные культуры. Эффективность и стабильность пестицидов зависят от выбора диспергирующих агентов. |
Промышленность по производству покрытий и печатных красок | Диспергирующие агенты являются важнейшими компонентами лакокрасочных покрытий, поскольку частицы пигмента склонны к агломерации. Диспергирующие агенты способствуют разрушению агломератов пигмента, благодаря чему цвет становится более ярким и однородным. Кроме того, они предотвращают оседание пигмента при длительном хранении. |
Горнодобывающая и буровая промышленность | Диспергирующие агенты способствуют предотвращению разбухания и агрегации глины в нефтяном буровом растворе, что позволяет поддерживать стабильные реологические свойства бурового раствора. Кроме того, диспергирующие агенты позволяют получать концентрированные угольно-водные или минеральные суспензии из минерального порошка при его переработке, что облегчает транспортировку. |
Аккумуляторная промышленность | При производстве литиевых аккумуляторов диспергирующие агенты способствуют равномерному распределению сажи и графита в суспензии, что напрямую влияет на энергетическую плотность аккумулятора и срок его службы. |
6. Натуральные и синтетические диспергирующие вещества
На рынке диспергирующие вещества делятся на натуральные и синтетические, причем у каждого из них есть свои преимущества и недостатки.
Натуральный диспергатор, например лигносульфонат | |
Преимущества | Возобновляемый источник |
Биоразлагаемый | |
Низкая стоимость | |
Недостатки | Темный цвет (от коричневого до черного) |
Колебания качества от партии к партии | |
Ограниченная эффективность в условиях экстремальных температур и значений pH | |
Синтетический диспергатор, например NNO, поликарбоксилат | |
Преимущества | Стабильная работа |
Высокая эффективность | |
Точное управление в соответствии с требованиями | |
Недостатки | Высокая стоимость |
Низкая биоразлагаемость некоторых синтетических диспергирующих веществ, таких как нафталинсульфонат | |
Спрос на экологически безопасные диспергаторы стремительно растет, поскольку регламент REACH в ЕС ограничил использование ряда синтетических диспергаторов. Диспергаторы на основе лигнина привлекают к себе все большее внимание благодаря своей возобновляемости и низкой токсичности.
7. Преимущества диспергирующих агентов на основе лигнина
Диспергирующие агенты на основе лигнина являются наиболее широко используемыми природными диспергирующими агентами, причем основной их формой является лигносульфонат. К их преимуществам относятся:
● Стоимость: Лигносульфонаты, являющиеся побочным продуктом переработки сточных вод бумажной промышленности, стоят 1–1,50–1,50 доллара за тонну. Это составляет от трети до одной десятой стоимости большинства синтетических диспергирующих веществ, что обеспечивает значительное преимущество по стоимости при применении в крупных объемах, например в качестве добавок к бетону.
● Экологические преимущества: благодаря тому, что лигносульфонат является продуктом природного происхождения и подвергается биологическому разложению, каждая тонна этого вещества, используемая вместо нефтепродуктов, позволяет сократить выбросы углекислого газа на 1,5 тонны. Это вещество удобно использовать при экспорте товаров, поскольку оно соответствует экологическим нормам REACH (ЕС) и EPA (США).
● Универсальность: лигносульфонат обладает диспергирующими, адгезионными и эмульгирующими свойствами. Это позволяет упростить состав смеси, поскольку он удовлетворяет сразу нескольким требованиям. Например, в бетонной смеси он выполняет функции водоредуктора и замедлителя схватывания.
● Стабильность: диспергирующие агенты на основе лигнина эффективно работают в широком диапазоне значений pH (4–13) и при различных температурных условиях. Они сохраняют хорошую диспергируемость даже в условиях высокотемпературных красящих ванн при окрашивании текстиля.
8. Как выбрать подходящий диспергирующий агент
Выбор диспергирующего агента зависит от целого ряда факторов, и однозначного ответа на этот вопрос нет.
Основной фактор: свойства дисперсионной среды и частиц | В системах на водной основе и на основе растворителей требуется совершенно другой диспергирующий агент. Выбор зависит от поверхностного заряда, размера и концентрации частиц. Как правило, для отрицательно заряженных частиц следует выбирать анионные диспергирующие агенты, а для положительно заряженных — катионные. |
Условия pH и температуры | Эффективность диспергирующего агента зависит от значения pH и температуры. Лигносульфонат может работать в диапазоне pH 4–13, однако его эффективность снижается в сильнокислых условиях. NNO демонстрирует стабильную эффективность при высоких температурах и в сильнощелочных условиях, тогда как поликарбоксилат наиболее эффективен в щелочных условиях. |
Охрана окружающей среды и нормативно-правовое регулирование требования | Экспорт некоторых диспергирующих агентов на основе нафталинсульфоната в ЕС ограничен в связи с требованиями регламента REACH. При производстве сертифицированных органических пестицидов единственным вариантом является использование натуральных диспергирующих агентов. Поэтому биоразлагаемость становится всё более важным фактором при выборе подходящего диспергирующего агента. |
Соотношение между производительностью и стоимостью | Лигносульфонат — подходящий выбор для общего применения. Однако при производстве высокопрочного бетона, высокоточной печати или высококачественных покрытий следует выбирать диспергирующий агент с повышенными эксплуатационными характеристиками, что может оказаться более экономичным с точки зрения общих производственных затрат. |
Рекомендуется запросить у поставщиков технический паспорт (TDS) и образец, а также провести испытания небольших партий перед запуском в серийное производство, поскольку один и тот же диспергирующий агент от разных поставщиков может демонстрировать разные характеристики.
