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超分散剂是一类新型的聚合物型分散助剂，它在分子结构上摆脱了传统分散剂的局限性，因而在非水介质中具有良好的分散效果。国外从七十年代开始超分散剂的研究工作，并于八十年代中期推出了相关产品，其主要应用特点有：（1）快速充分地润湿颗粒，缩短达到合格颗粒细度的研磨时间。（2）可大幅度提高研磨基料中的固体颗粒含量，节省加工设备与加工能耗。（3）分散均匀，稳定性好，从而使分散体系的最终使用性能显著提高。超分散剂最早是为解决颜料粒子在有机介质中的分散问题而研究开发的，目前已在非水性涂料与油墨中获得了广泛应用，其应用领域正逐步扩展至填充塑料、陶瓷浆料及磁记录材料等领域。目前，全世界只有ICI、Dupont、Sun Chemical、KVK等少数几家国际知名的大公司生产超分散剂产品（其中主要是ICI公司的Solsperse系列产品），其生产技术受到严密封锁，产品以垄断价格进行销售。国内对超分散剂的研究起步很晚。国内期刊在九十年代初期才出现对超分散剂的介绍性报道。
一般而言，颜料等固体颗粒在涂料等分散体系中要经过润湿、分离、稳定三个阶段（见图2-1）。颜料二次团粒体的表面上吸附了水、空气等物质，要将其分散到树脂基料中必须有一个润湿过程，首先要降低颜料和分散介质之间的界面张力，让树脂基料和助剂完全取代颜料团粒表面上的吸附物。如果亲水的颜料在水性体系中或疏水颜料在溶剂型涂料中，因为极性相近，润湿过程较为简单；但反过来假若亲水性颜料分散在溶剂型涂料中或疏水性颜料分散在水性涂料中，润湿就较为复杂，必须使用润湿分散剂。
图2-1 颜料粒子分散过程示意图
颜料粒子首先被树脂基料润湿，颜料表面的固体-空气界面被替换成固体-液体（树脂）界面。接着，团聚态的颜料大颗粒在机械冲击和剪切力等作用下被破碎成较小的颜料粒子，呈现出粒径均匀分布的悬浮分散状态（粒子在破碎过程中继续被树脂等基料润湿）。最后，在超分散剂的锚固、包覆等作用下，颜料粒子逐渐趋于稳定的分散状态。
2.1.1.1 颜料粒子的润湿
润湿是分散过程的第一个关键步骤，其本质是由固/气界面向固/液界面转变的过程。在这个过程中，润湿效率主要取决于颜料粒子表面构成与其分散体系中各组分间相互作用（表面张力）的程度。另外，颜料团粒中空隙的大小及长度也会影响润湿效率。同时，颜料粒子团聚体本身存在诸多细小裂隙，分散体系在润湿时一般要先渗透到裂隙内部，因此黏度的大小也是确保润湿速度和润湿效果是否良好的关键因素之一。综合起来，润湿效率的决定或者影响因素及其程度大小可以通过Washborre公式了解：
式中 K 为常数， γ F1 为基料的表面张力， θ 为接触角， r 为颜料颗粒间的间隙半径， ι 为颜料颗粒间的间隙长度， η 为基料黏度。
根据公式可以看出表面张力、颜料团粒的孔隙大小，以及分散介质与润湿效率的关系。颜料与分散介质之间的固/液界面张力造成的扩散压力是影响颜料润湿的主要因素，界面张力低会使扩散压力变大，润湿效率会提高；而颜料团粒的孔隙小而长会降低润湿效率。分散介质会影响润湿速度，分散体系的黏度和润湿速度表现为反比的关系，一般情况下，润湿速度会随着黏度变小而逐渐增大。因此，通过选择合适的分散介质、改善粒子的润湿性或对其进行化学或物理的表面处理，可以实现粒子表面与分散介质间的良好匹配。
2.1.1.2 颜料粒子的分离
颜料粒子的分离是在分散过程中运用机械能（如球磨、超声波或高速捣碎机）的剪切力将附聚体或团聚体进行打破从而分离出初级粒子的过程。为了使颜料粒子具有更好的应用性能，通常应尽可能使粒子研磨足够均匀，确保粒径分布控制在较窄的范围内。分散机械设备提供的剪切力是影响颜料粒子分离的主要因素。一般来说，分离速度会随着剪切力的增大而增大，同时粒子分离的均匀化程度也会越高；在聚集体破碎为初级粒子的过程中，润湿过程也会在分散助剂的帮助下有效实施，所以分离过程的好坏也影响着润湿的效率。用于涂料生产的研磨设备常见的有搅拌砂磨分散多用机、立式或者卧式砂磨机、高速搅拌机等。
2.1.1.3 分散体系的稳定
初级粒子由于粒径较小，总表面能巨大，粒子间具有很强的吸引作用，极易再次团聚而导致沉降的产生。因此，如何获得稳定的颜料分散体，对制备出高质量的颜料浆至关重要。使已分散的颜料粒子在体系中稳定的目的是使颜料粒子在经过分离后其粒径大小及分布基本保持不变，不会因为粒子间静电吸引或分子间作用力而重新团聚，并能较长时间贮存，保持颜料浆性能稳定。为了获得稳定的颜料浆，要求介质或者助剂在粉碎的过程中能迅速润湿新形成的粒子表面，这样新形成的粒子表面就会被分散介质所隔离；另外，为了防止粉碎后的粒子发生二次团聚或絮凝，需要在颜料粒子表面包裹形成一层吸附屏蔽层，起到稳定化作用。这样，超分散剂的选择与运用就水到渠成了。
在粒子的分散工艺中，超分散剂在稳定化过程中起到了关键作用，当超分散剂在粒子表面形成有效吸附层后，可以抑制粒子间团聚的趋势，确保粒径大小均匀，使分散粒子在分散体系中处于稳定形态，防止其产生絮凝沉降。
目前，针对分散体系的较为成熟的稳定机理有三种理论模型：
（1）双电层排斥稳定机理（DLVO理论）
DLVO是在胶体稳定方面解释质点分散与絮凝比较完善的理论，该理论用粒子之间的吸引能和排斥能的相互作用解释胶体分散的稳定性，揭示了颗粒表面所带电荷与稳定性的关系。
DLVO理论认为，由于带电粒子吸附在颜料表面，产生的静电作用会确保超分散剂中的反离子在颜料表面形成双电层，被分散的颜料粒子之间既存在范德华引力，也存在着双电层所产生的静电排斥力（见图2-2），引力位能和斥力位能的相互平衡确保了颜料粒子在涂料体系中的稳定存在。这一理论可以很好地分析与解释离子型分散剂在分散体系中对系统的影响，并且对离子强度、聚电解质及表面电势对固体颗粒分散稳定性的影响做出了合理的预测。这对设计并开发新型水性超分散剂具有一定的指导意义。
（2）空间（立体）稳定机理
空间稳定机理最初是在研究非水介质中高聚物对颗粒的吸附发展而来，它弥补了DLVO在解释非水介质中分散体系的絮凝和稳定机理方面的不足。空间稳定机理的理论基础为渗透排斥理论和熵稳定理论。一旦超分散剂在粒子表面形成了完整的吸附层，当粒子有团聚倾向且间距小于吸附层厚度两倍时，粒子间就会产生排斥能，阻止其团聚，实现分散体系的稳定化状态。其中，对于排斥能的产生有两种理论，渗透排斥理论认为吸附层之间在互相渗透的过程中，吸附层的重叠会产生过剩的化学势 E ，从而在颜料粒子之间产生渗透排斥作用；而熵稳定理论则认为吸附层之间距离的减小是压缩造成的，这种压缩使溶剂化链的构型熵 S 减小，体系的自由能 G 就会上升，从而产生熵排斥效应，如图2-3。
图2-2 双电层模型
图2-3 空间稳定机理模型
（3）竭尽稳定机理
竭尽稳定机理是Napper在1983年提出的，该理论认为在相互靠近的颜料粒子间，高分子浓度低于分散介质中高分子的平均浓度，而超分散剂中溶剂化链的聚合物属性会成为介质中高分子向该空间迁移的诱因，因而会引起体系中自由能的变化，从而产生斥力阻止颗粒凝聚（如图2-4）。但是这种理论本身还不够成熟，也不适用水性或非溶剂体系，仅仅在良溶剂体系中有一定的针对性（与本论文体系相对吻合）；与前两种理论相比，还需要进一步的探讨与研究。
图2-4 竭尽稳定模型
超分散剂的结构主要分为两部分，其中能够与待分散颗粒表面形成化学或者物理作用的部分称为锚固基团，如硫酸基、羧酸基、磺酸基及其盐、聚醚及多元醇、多元胺等。选用什么样的锚固基团主要根据颗粒表面极性的强弱而定，目的是通过离子键、共价键、氢键或者范德华力等方式作用在固体颗粒表面形成牢固的吸附。一般来说，锚固基团在超分散剂分子结构中所占的比例较少，约占5%~10%，而溶剂化链才是超分散剂的主体，占超分散剂结构的90%以上。目前溶剂化链的分类按照极性大小，主要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或聚酯链等。溶剂化链与分散介质必须有良好的相容性，在介质中具有充分伸展的构象，能够充分发挥其溶剂化的作用；同时确保超分散剂在固体颗粒表面形成紧密的包覆层，防止其重新团聚，造成沉降或者絮凝等不利的影响。
超分散剂与传统的表面活性剂型分散剂虽然在结构上都含有亲水亲油基团，但相比于传统分散剂，超分散剂具有更明显的结构与性能优势，主要体现在两个方面：一方面，锚固基团可以根据固体颗粒的表面特性来选择，基团数目与作用力大小都可以根据需要进行分子设计，以保证超分散剂与待分散固体颗粒表面形成牢固的结合；另一方面，是以溶剂化链替代了传统的表面活性剂的亲油基团。表面活性剂的亲油基团一般以烷烃链结构为主，这种结构对于中等极性或强极性的介质相容性差，在介质中伸展效果不理想。此外，由于表面活性剂的亲油基团分子尺寸较小，导致在颗粒表面形成的吸附层厚度有限，很难获得足够的空间位阻效应。而超分散剂的溶剂化链为聚合物链，在进行分子设计时聚合单体可以根据分散介质的特性而定，并且聚合物的分子量也可以进行有效的调节，这样溶剂化链与分散介质就有了良好的相容性。同时，又能保证颗粒表面的超分散剂吸附层达到足够的厚度，可以阻止固体颗粒因为静电作用或者分子间吸引力而重新团聚，从而实现在分散介质中稳定贮存。
超分散剂的作用机理分为两种：锚固机理与稳定机理。
对于具有不同物理化学结构特征的待分散固体颗粒（一般以极性大小不同加以区分），超分散剂往往可以采取不同的锚固方式。以涂料体系中常用的颜料粒子为例，依其化学结构，可有多种不同的基团作为锚固点与超分散剂产生作用。锚固行为通过不同的方式体现出来。
当粒子表面极性较强时（如无机颜料钛白粉、铁红、铬黄等），官能团较活跃，反应活性大，通常这类颜料粒子与锚固功能团以离子对的形式形成键合，构成“单点锚固”，如图2-5（a）。锚固基团与粒子表面之间的酸碱性相异或电荷相异，都会造成相互吸引进而形成离子对。而常见的能与带电荷或酸性/碱性基团产生锚固作用的功能基团包括SO 3 、—SO 3 H、—PO 4 、—COOH、NR 2 、NR 3 + 等。
对于绝大多数有机颜料而言，表面极性相对较弱，反应活性也不如无机物质强，离子对的作用方式不足以实现有效的锚固吸附。但由于其表面仍具有一定的极性基团，因此具备形成氢键的能力，超分散剂可以通过氢键的形式吸附于颜料颗粒表面。考虑到氢键键能较低，因此要保证超分散剂与颜料粒子表面之间形成理想的吸附强度，则需要在结构上设计出含有多个锚固基团的超分散剂，如图2-5（b）。常用的锚固基团有多元胺、多元醇以及聚醚等。
另外还有少数完全非极性的有机颜料（如超细炭黑、石墨烯、碳纳米管等），其表面不具备可供超分散剂锚固的活性点位，导致超分散剂对颜料表面吸附效果差，很难发挥分散或者稳定的作用。在这种情况下，可将超分散剂与表面增效剂共同使用形成协同效应[如图2-5（c）]，以期对颜料粒子表面达到牢固吸附的目的。理想的表面增效剂既具有高分子的特征（分子量达到齐聚物的等级），同时又具有与颜料粒子相似的分子结构，一旦将它们混合，增效剂能以范德华力吸附于非极性粒子表面形成“假活性位”，超分散剂能借此实现定向吸附，达到分散颜料的生产效果。
图2-5 超分散剂作用机理
（a）为单点锚固；（b）为多点锚固；（c）为协同作用
分散体系一般都是由固体颗粒、高分子树脂和分散介质组成的多相混合体，所以当含有超分散剂的分散体系在研磨时，会发生超分散剂、树脂、分散介质对颗粒表面的竞争吸附。而超分散剂的锚固基团经过合理设计总能优先吸附于物质表面形成致密而牢固的吸附层。超分散剂的用量通常也以形成这一致密的单分子吸附层为标准，由于吸附层中超分散剂的浓度较高，导致溶剂化链处于拥挤状态，进而被迫伸展以减弱彼此之间的相互作用。同时，由于溶剂化链与分散介质又具有良好的相容性，溶剂化作用的结果使溶剂化链受到远离固体颗粒表面的拔离力。上述两种因素使吸附层中的超分散剂采取相对较为伸展的构象，并且溶剂化链对外显示出一定的刚性。当两个吸附有超分散剂的固体粒子相互靠近，还没有发生重叠时，相互作用不会发生，而当吸附层重叠即在物质表面间距小于两倍吸附层厚度的情况下，两个吸附层之间就会产生相互排斥作用。这时会发生两种现象：渗透压效果（Δ G M ）和熵斥力（Δ G V ）
根据Hesslink，Ottewwill等人的计算公式：
其中 C a 为吸附层中聚合物的浓度， V 1 为溶剂分子的体积， ρ 2 为聚合物自身的密度； ψ 1 ， K 1 为聚合物在被稀释时的热力学参数（ ψ 1 是熵值， K 1 是焓）， δ 为吸附层厚度， a 为颜料粒子半径， h 为粒子间距离。
ψ 1 - K 1 是通过测定聚合物的黏度得出的数值，在良溶剂中为正值，在不良溶剂中为负值，所以，在良溶剂中Δ G M >0，此时吸附层会显示出排斥力，并且排斥力会随着 C a 的增大而增大。若 δ 增大，就形成远距离排斥作用。而熵斥力（Δ G V ）还没有像以上那样系统的公式出现，但其基本原理是当两个带着吸附层的粒子重叠时，重叠区域内，聚合物链会被压缩而造成自由度下降，吸附分子的熵值减小，而一个稳定的分散体系总是会朝熵增加的方向自发变化，所以这时物质颗粒之间会出现相互分开的倾向，这就是熵斥力作用的结果，其数值变化趋势与Δ G M 大体一致。
在颜料分散体系中，超分散剂牢固吸附于颜料颗粒表面形成包覆层，使粒子间产生排斥作用，进而抑制其结合趋势。其中溶剂化链与分散介质（树脂基料）必须具有良好的兼容性，这样被包覆的粒子在发生重叠时， ψ 1 - K 1 为正值，产生的渗透压与熵斥力均大于0，形成排斥力确保粒子不会重新团聚；溶剂化链的长度在确保不发生相互缠结的情况下，颗粒吸附层中聚合物的浓度 C a 适中，以提供足够强度的排斥力。
超分散剂以其独特的结构与作用机理，适量添加到涂料中可大幅度地提高颜料着色力，同等情况下减少颜料使用量，提升涂料产品的品质，并且可适度降低生产成本。
（1）提高研磨效率，节省生产成本：在漆料研磨阶段，加入的超分散剂能够快速地渗透并吸附于破碎的新生粒子表面，进行有效的润湿，促使颜料粒子表面更快形成一定厚度的保护层，避免颜料粒子重新团聚，从而提高了研磨效率，在一定程度上降低能耗和生产成本。
（2）提高着色力：在涂料生产过程中，适量的超分散剂，可以明显降低涂料的细度，由于颜料粒子表面积增大，致使粒子与树脂间亲和力也增强，从而使颜料的着色力明显提高。
（3）降低涂料黏度，提高色浆固含量：采用合适的超分散剂，可以有效降低涂料漆的黏度，增强流动性。还可以增加颜料的载入量，提高生产效率。
（4）防止返粗，提高涂料贮存稳定性：除树脂体系外，分散剂是影响涂料贮存稳定性的重要因素，通过添加超分散剂可以抑制颜料粒子重新团聚，进而有效防止色浆发生返粗而产生颜色的变化等问题。
（5）增加展色性和颜色饱和度：加有超分散剂制得的漆膜色相及饱和度会有明显差别。通常添加超分散剂会使颜料分散效果更好，漆膜饱和度也会相应地随之提高。
（6）防浮色发花：涂料产生浮色发花的现象主要是由于有色颜料絮凝引起，通过添加超分散剂来实现解絮凝的目的，改善粒子表面性质来预防或者控制浮色。如路博润公司的超分散剂Solsperse-32500，具有较好的抗絮凝性能，并能够增加涂料贮存稳定性。