金红石型钛白粉在涂料中的分散

BMA004 · 发表于 2008-8-12 21:46:34

近几年来，随着人民生活水平的不断提高，国内的建筑产业得到了迅猛发展，由此也带动了建筑涂料行业的高速发展。为满足用户对环保、审美、个性化等方面的需求，建筑涂料厂家在产品的品种、质量、环保等方面做了大量的改进工作，取得了可喜的成绩。    钛白粉是建筑涂料的一个极为重要的原料，其性能的优劣对建筑涂料的各项应用性能有着至关重要的影响。对于建筑涂料厂家来说，因为不同的钛白粉生产厂家以及他们所生产出的不同牌号的产品其性能是有差别的，所以选择不同厂家不同型号的钛白粉应当慎之又慎。    众所周知，钛白粉的用途非常广泛，它的应用范围涵盖了涂料、塑料、造纸、油墨、化妆品、橡胶等领域，由于各领域的应用条件以及用户使用钛白粉的目的各有差异，因此不同的钛白粉生产厂家根据自身的特点和市场定位确定了不同的生产工艺以满足不同客户群的需求，这样也导致了不同厂家或不同牌号的钛白粉在应用性能上的差异。撇开这个差异不说，即使各钛白粉生产厂家均声称其某牌号产品完全适用于某种类型的涂料生产，但是由于各钛白粉生产厂家的工艺技术、生产装备、管理水平等方面的原因，仍然会产生适用范围和涂料质量上的差异。而这些差异首先集中表现在钛白粉在该应用体系的分散性方面，这个问题对于每一个钛白粉生产厂家以及涂料生产厂家而言都是首先需要解决的极为重要的一个问题。因此就钛白粉的生产与应用过程而言，分散性的好坏常常是评价该牌号产品质量优劣的极为重要的指标，对金红石型钛白粉更是如此。    下面我们将从南京钛白化工责任有限公司所生产的NR950金红石型钛白粉在外墙乳胶漆体系中应用的工艺设计原理入手，来探讨金红石型钛白粉分散性在钛白生产过程中的控制。
一、钛白粉在水相中分散的基本原理    我们可以把钛白粉的研磨分散过程大致分为相互影响、相互制约的三个步骤：(1)润湿；(2)分离；(3)稳定化。    在实际研磨分散过程中这三个步骤并不是循序渐进的，而是一环扣一环，相辅相成又相互制约的，即这三者中若有一个不能达到目的就会使研磨效率下降甚至产品不能达到所需求的程度，或者返粗。    颜料分散稳定化机理大致有以下几种类型：    1、双电层稳定理论；2、空间稳定理论；    3、空缺稳定理论；4、以上各种稳定机理的相互复合。    双电层稳定机理广泛存在于各种应用体系之中，是最为经典的也是最为可靠的一种理论依据，对于纯水相体系而言有着非常好的适用性。而空间稳定理论以及空缺稳定理论则牵涉到高聚物的作用因此也就相对比较复杂，但是在对金红石型钛白粉进行有机处理时，如何选择合适的有机处理剂、如何控制适宜的添加数量，则有着较好的指导意义。
二、影响金红石型钛白粉在水性体系中分散的主要因素    依据上述基本原理，结合钛白粉的生产制备过程和工艺控制要素，经过大量的分析、试验，我们发现以下几个指标的控制将会对金红石型钛白粉在水性体系中的分散产生重要的影响：    1、盐含量（电阻率）    根据双电层的一般原理，表面带负电荷的微粒其双电层将会受到体系中阴离子或阴离子集团的压缩，从而导致微粒的Zeta电位下降并直接导致分散体系的稳定性下降，尤其明显的是高价阴离子或阴离子集团对处于分散状态的微粒的Zeta电位的影响更为突出。
我们在金红石型钛白粉的表面处理过程中，通常难以避免的会引入大量的杂质离子，其中常见的是SO42+、Cl-等阴离子以及Na+等阳离子。虽然各厂家的生产工艺条件不一样，但由表面处理带入一定数量的杂质种类均会对最后产品的水分散性带来不良影响。因此，有必要将表面处理之后的产品进行去除杂质的处理，这项指标往往以电阻率来表示，国家标准GB1706－93中BA01-03(金红石型钛白粉)的合格品及一等品均要求该项指标≥50Ω•ｍ，优等品要求该项指标≥100Ω•ｍ。
盐含量过高不仅会对水性体系的分散产生不良影响，同时还会对油性体系的分散产生不良影响，只是因为钛白粉在油水两相中分散的主导原理不一样，对油相分散的影响通常会相对小一些。那么是否就可以说产品的电阻率越高分散性就越好呢？显然，这是不可能的。电阻率的指标宜控制在100Ω•ｍ之上一些就可以了，过高的电阻率没有什么太多的实际意义且会增加生产成本，从而也就自然而然地会增加用户的成本。因此，国内的金红石钛白粉生产厂家均将此项指标控制在100Ω•ｍ左右。    2、体系的PH值    钛白粉在应用体系中的PH值虽然不是由钛白粉制造商所能决定的，但是仍然有必要对这一指标的影响进行充分的了解。因为在钛白粉的制备过程中，PH值本身的变动范围也比较大，了解该项指标对分散性的影响,有利于我们控制钛白粉的PH值在更加有效的范围内，并尽可能地提高钛白粉在水相体系中的分散性能。    经实践我们发现，在接近理想状态的水相体系中，体系的PH值也将成为影响金红石型钛白粉分散的重要因素，其产生影响的主要机理我们分析认为可能还是可以归结到双电层的原因。有资料表明，不同型号的钛白粉由于其表面性质的差异，其所谓的等电点则有非常明显的不同。举例来说，通常单铝包膜的产品其等电点在PH＝8左右，而单硅包膜的产品其等电点在PH＝2左右。当然，这只是一个参考数据，各钛白粉生产厂家因为具体生产工艺上的细微差别往往会导致等电点有非常大的差别。    一般来说，就水性分散体系而言，它们的体系PH值大多数都在7左右，这一点是值得钛白粉工艺人员注意的地方。在建筑涂料方面，尤其是外墙用乳胶漆，其体系的PH值通常在8－9之间，这就给我们钛白工艺人员提供了比较明确的方向。为了使产品的水相分散性得到提高，我们可以针对水相体系的实际PH值入手，调整产品的等电点，从而使产品的水相分散性得到改善。具体来说，外墙乳胶漆体系的PH值通常在8－9之间，我们可以将产品的等电点调整到PH值5－6左右，这样可以得到比较好的效果。实践表明这样的调整是有效的。    3、钛白粉的表面性质    作为钛白粉生产厂家而言，根据不同的产品定位和客户需求来调整钛白粉的表面性质是一种非常有效和极为简便的方式。这种调整可以通过无机包膜的方式来实现，也可以通过有机处理的方式来实现，或者由两者相结合。    有机处理目前在钛白粉制造业中被越来越多的厂家所采用，其主要原理在于微量的有机处理剂可以通过羟桥的作用被锚定在钛白粉的表面上，然后向体系中伸展出各种亲水性基团或亲油性基团或两者兼而有之，从而改善该产品在不同体系内的分散性。
在钛白生产过程中，有机处理剂往往还能起到助磨的作用，并能够改善产品的诸如白度、消色率、粒子的颗粒特性等其他性能，因此国内众多厂家越来越倾向于使用有机处理剂做为调整钛白粉表面性质的重要手段。
但是，在水相体系中分散时引入有机处理剂，通常会带来泡沫较多的一类问题，这样就会给用户带来不必要的麻烦，甚至直接导致涂料的某些性能下降。因此，我们还可以考虑通过无机处理的方式改善钛白粉的表面性质以克服上述的缺点。正如前面所述，不同的无机处理工艺可以改变钛白粉的表面性质，因此我们针对外墙用乳胶漆体系尝试了多种无机处理工艺条件，最终确定目前所采用的NR950生产工艺，并取得了一定成效。由于该型号产品克服了起泡的缺点，所以赢得了用户的好评。    在无机处理的基础上，将有机处理再控制在适当水平，我们的产品应用性能会有更好的效果。    4、产品的颗粒特性    说到产品的分散性，无论是金红石型钛白粉、锐钛型钛白粉或者是高岭土、轻钙等产品，其颗粒特性都是影响产品分散性的一个重要方面。对于钛白粉而言，颗粒的形状越趋向于球形并且分布越集中，同时粒径大小适中，则产品的分散性能就越好，尤其是颗粒的形状和分布对分散性能的影响更为明显。不良的形状和散乱的分布通常会由于边界效应相互抵消了同电性相斥的作用从而直接导致产品的分散性下降，因此无论是水相或者是油相的分散性，均需要注意产品的颗粒特性所带来的各种影响。    综上所述，我们可以清楚地看到，金红石型钛白粉应用在建筑涂料等水相体系中时，我们应当在生产过程中控制好产品的颗粒特性、可溶性盐（电阻率），并根据不同水相体系的PH值更加精确地控制钛白粉的PH值，改变钛白粉颗粒的表面性质，从而改善其润湿性和分散稳定性，另外再加上适宜的有机处理就可以得到满足用户需求的产品了。
三、外墙用乳胶漆对金红石型钛白粉的分散性要求    1、一般来说，经高速分散制备成为钛白粉色浆后使用旋转粘度计粗略测定其粘度大约在几十厘泊；    2、采用刮板细度计方法测定此色浆应当在50µm左右；    3、放置24小时、48小时后分别检验是否有返粗、增稠、结底现象；    4、配制成成品漆后进行贮存稳定性的加速试验无异常。
四、外墙乳胶漆用金红石型钛白粉的生产控制    我们认为，金红石型钛白粉要在外墙乳胶漆中得到很好的分散，应在钛白粉生产过程中控制好以下几个问题。    1、基础颜料性能的控制    通过水解、盐处理以及转窑等工序的质量控制达到比较好的颜料性能指标，与此相关的是需要控制好金红石型钛白粉的基础粒子达到一定的要求。    2、整理以及预分散    经过干磨和粉碎，大部分粒子的当量粒径达到了一定的要求，之后在预分散的基础上进行湿法研磨。
湿法研磨不仅仅可以提高无机处理前预分散的效率，也可以进行颗粒形状的整形，从而使颗粒的形状更易于趋向球形而且分布也趋向于集中。经充分湿磨后的浆料再进行筛分和分级，去除其中的大颗粒从而进一步改善钛白粉的分布。
3、无机处理    在良好的预分散这一重要前提下，无机处理工序是最为关键的一个岗位。采取适宜的无机处理可以得到不同类型的产品，这包括对分散性的影响，也包括对耐候性和抗粉化性能的影响。    4、有机处理及微粉碎    前面已经谈到有机处理剂的作用是非常大的，各钛白粉生产厂家对此都有一些独到的见解和认识，并且已经进行了大量的实践，也取得了一些好的效果。我们在实际生产过程也进行了一定程度的处理。微粉碎是对金红石型钛白粉的粒径及分布进行最后控制的工序，该工序的工艺控制水平同样对金红石型钛白粉的粒径及分布产生非常大的影响，从而也就会对分散性能产生较大的影响。
五、小结    基于以上的分析，我们在试验的基础上生产了NR950金红石型钛白粉，其在外墙乳胶漆中优异的分散性得到了用户的好评。    分散性是钛白粉以及其他颜料生产商首要关心的一项重要指标，再优秀的颜料如果没有极好的分散性为前提，其功效也就将大打折扣。随着中国经济的高速发展，与钛白粉相关的产业尤其是建筑涂料制造业发展极为迅速，这给我们国内的钛白粉制造业带来了前所未有的机遇，但由于国外超大公司对钛白粉技术的垄断，也给我们带来了极为严峻的挑战。在此，我们不揣冒昧与大家共同探讨金红石型钛白粉在外墙乳胶漆中的分散性，或有谬误请多为指教。