分散剂对二氧化钛颗粒分散稳定性的影响

wyj7506 · 发表于 2008-8-2 09:27:49

在微细颗粒的水悬浮液中，由于颗粒表面力的作用使它们很容易团聚在一起，形成较大的团聚体。使用超声波振荡将破坏团聚体中小颗粒之间的库仑力和范德华力，分散在液体介质中的团聚体被打开，从而使小颗粒分散在液体介质中。但超声波停止后，由于这种力的作用，团聚又可能重新发生，因此，要想使微粉颗粒均匀、稳定地分散在液体介质中，通常采用以下三种稳定机制[6]：(1)静电稳定机制，即通过调节pH值使颗粒表面产生一定量的表面电荷形成双电层，双电层之间的排斥力抵消了粒子之间的吸引相互作用，有利于微粒的分散；(2)空间位阻稳定机制，即在悬浮液中加入一定量中性的高分子化合物，由于高分子化合物在颗粒周围的吸附，使颗粒之间产生空间排斥作用，从而达到分散的目的；(3)电空间稳定机制，即在悬浮液中加入一定量的聚电解质，使得(1)、(2)两种稳定机制同时存在，共同作用使颗粒均匀分散。
为了更好地说明第(1)种稳定机制，可以引用了Hsu Jyh-Ping 等文章中的有关数据，绘出了TiO2粉体在水介质中Zeta电位随溶液pH值的变化曲线。
从而可以看出，TiO2粉体在水介质中的等电点约为5.2。Zeta电位是反映粒子胶态行为的一个重要参数。在零Zeta电位点(即IEP)时，粒子表面不带电荷，此时悬浮体的颗粒易发生凝聚或絮凝；当粒子表面电荷密度较高时，粒子有较高的Zeta电位，粒子表面的高电荷密度使粒子间产生较大的静电排斥力，结果悬浮体保持较高的稳定性。当在TiO2水悬浮液中加入不同的分散剂后，pH(IEP)要发生移动[8]，并且分散剂的加入量越大，其pH(IEP)位移量也越大。当加入阴离子分散剂时，带有负电荷的分散剂阴离子基团吸附在TiO2粒子表面，使粒子表面的负电荷性更高，这样，只有在酸性更大的区域TiO2粒子才能保持电中性，因而pH(IEP)降低。一般位移的范围在2~4个pH值左右。同样道理，当加入阳离子分散剂时，带有正电荷的分散剂阳离子基团吸附在TiO2粒子表面，使粒子表面的正电荷性更多，只有在碱性更大的区域TiO2粒子才能保持电中性，因而pH(IEP)升高。当加入非离子表面活性剂的情况下，由于非离子表面活性剂本身不带电，对TiO2粒子表面的电荷影响很小，因而对pH(IEP)影响很小。
TiO2颗粒在水介质中Zeta电位随溶液pH值的变化情况
(1)pH值的影响：使用非离子分散剂时，TiO2粒子的等电点pH(IEP)在5.2附近，所以随着溶液pH从5～9的变化，悬浮体系越来越远离等电点，TiO2粒子表面负电荷密度越来越高，相互之间的静电排斥增强，再加上非离子分散剂的立体稳定作用，使得体系越来越稳定。对于阴离子表面活性剂，使得TiO2粒子的等电点向低pH方向移动，因而当溶液pH从2～7变化时，低pH下体系更接近TiO2粒子的等电点，颗粒之间的吸引力大于双电层之间的排斥力，颗粒容易发生团聚而沉降；随着pH值的增加，悬浮体系逐渐远离TiO2粒子的等电点，相互之间的静电排斥作用增大，悬浮液的稳定性增强。而对于阳离子表面活性剂，使得TiO2粒子的等电点向高pH方向移动，所以随着pH从5～9的变化，悬浮体系逐渐接近TiO2粒子的等电点，相互之间的排斥力降低，稳定性下降，容易发生沉降。
(2)表面活性剂浓度的影响：对于非离子表面活性剂，在TiO2粒子表面吸附后，由于它的亲水性，在其周围存在较厚的水化膜，空间稳定作用相对明显。随着浓度的升高，TiO2粒子表面吸附的分散剂增多，稳定性愈来愈高。当分散剂的浓度增加到一定程度时，吸附达到饱和，稳定性变化不大。当继续增加分散剂的浓度时在TiO2粒子表面有可能发生双层吸附，这时部分非离子表面活性剂的憎水基团将伸向水中，从而使分散体系的稳定性降低。对于阴离子分散剂
和阳离子分散剂，随着浓度的上升，表面带正电或负电荷密度提高，粒子之间的相互排斥力增强，因而稳定性逐渐增强。但当分散剂的浓度增大到一定程度之后，TiO2粒子之间的静电排斥力将有所递减。根据扩散双电层原理，随着分散剂浓度的上升，也使溶液中反离子的浓度增大，更多的反离子将被压进滑移面以内，使扩散层厚度减薄，从而使Zeta电位在数值上降低，悬浮液的稳定性也相应降低，因而出现了极值点(主要指阴离子分散剂)。
(3)TiO2粉体浓度的影响：在一定的pH值、表面活性剂浓度下，TiO2粉体浓度较低时，粒子表面吸附较多的分散剂，悬浮液体系稳定性性较高。随着TiO2粉体浓度的提高，单个粒子表面吸附的分散剂量大大降低，同时随着TiO2粉体浓度的提高，TiO2颗粒之间的距离减小，颗粒间相互碰撞而发生聚沉的几率增大。
通过有无表面活性剂存在时TiO2粒子粒径的分析结果表明，未加入分散剂前颗粒尺寸分布宽，平均粒径较大；随着分散剂的加入，颗粒尺寸分布变窄，平均粒径下降。这是由于加入分散剂后改变了TiO2粒子的表面电荷，使其Zeta电位升高，颗粒之间排斥作用增强，不易发生聚结，因此粉体的平均颗粒尺寸下降。不加分散剂时，由于颗粒之间的相互吸引作用较强，团聚作用明显，粉体粒径较大。因而粒度分析也是表征悬浮体分散状态的有效方法。