钛白粉水分散性改进的研究

BMA004 · 发表于 2008-5-13 23:09:08

探讨了二氧化钛水分散性的分散机理；阐述了其改性过程和改性剂的选择；评价了其理化性能及其影响因素，并用扫描电镜表征了二氧化钛的表面结构。 1引言 TiO2是最常用的白色颜料，广泛用于涂料、塑料、橡胶、纸张、陶瓷、化妆品与纺织工业。随着人们对环境的日益关注，水性环保涂料倍受青睐，而TiO2作为一种优质的白色颜料，如何更好地应用于水性涂料是当今研究的课题。水分散性是TiO2在水性涂料中应用的一个很重要的性能指标，它的优劣直接影响涂料的遮盖力和其他性能。对于TiO2水分散性的改进，本文先从水分散性的机理出发进行分析，然后通过改性试验加以确认。 2改性的理论基础 2．1TiO2表面特性 2．1．1单相中的团聚现象 TiO2煅烧所得的原级粒子很小，具有很高的比表面能，极不稳定，在高温下会很快地团聚，形成亚稳态的较大粒子。对于一定量的TiO2而言，粒子愈小，原级粒子之间的引力愈强，粒子更易团聚。目前，采用仪器测定的TiO2平均粒径多数是二级粒子的粒径(一般为0．2～0．4um)，表面的能量仍然较高，容易通过团聚来降低表面能量，达到准稳定状态。因此，TiO2在单相中的易团聚现象是讨论其水分散性的前提。 2．1．2两相中的高分散性在水分散体中，TiO2呈现高度的分散性。其原因是：①TiO2表面有很多羟基，它能够吸附极性粒子，使固体表面带有相同的电荷，因同种电荷排斥而分散；②粒子的比表面能很大，表面收缩而降低表面能，使分散体系稳定化。正是TiO2在水中的高度分散性使它能够在水性涂料中得以广泛应用。 2．2TiO2在水分散体中的分散过程 2．2．1吸附作用大量研究表明，TiO2表面有很多极性羟基，若在水中不加任何分散剂，TiO2在水中分散时会吸附大量的极性基团；若加入一定浓度的高分子分散剂，高分子分散剂吸附在TiO2颗粒的表面，使得吸附层厚度增加，表面特性改变。 2．2．2双电层理论通过检测TiO2在水中的Zeta电位，发现锐钛型TiO2在pH为6．8左右时，Zeta电位约为一36mV，这表明TiO2表面带有电荷，而且电负性较强。根据双电层理论解释TiO2在水中的分散过程合乎事实，有一定的科学依据。实际上，TiO2在水中分散的过程是双电层形成的过程。当TiO2接触水表面时，瞬间被浸渍润湿，其表面会吸附一层相反电荷，构成了双电层。这种双电层可以看作是四周被同一电荷所包围的粒子，当布朗运动使2个粒子靠近时，相同性质的电荷之间产生斥力，当这种斥力大于范德华引力时，则粒子分开，体系处于分散稳定状态。 3改性试验为了改进TiO2在水分散性方面的不足，需对其进行表面处理。最常用的是稳定化处理，即在晶体结构中加入其他元素，或对粒子的表面进行改性，这些都有助于改变其物理化学性质。 3．1改性的目的引入能与有机物相互作用的新基团，改进界面附着力，改变表面的亲水／疏水性。改性后的产品应具有尽可能低的堆密度和尽可能高的疏水性。 3．2改性材料 TiO2由济南裕兴化工总厂以硫酸法工艺制备而得。经检测，该TiO2(型号为R一818)的主要理化性能见表1。

3．3改性剂的选择在改性剂中，最常用的有硅烷、钛酸酯、锆酸酯偶联剂，以及脂肪酸及其衍生物和表面活性剂。本文选择以前作为黏附剂用的硅烷偶联剂作为改性剂。具体化合物见表2。

3．4改性方法 3．4．1改性的工艺过程制备合适的硅烷溶液，然后将100份(质量份，以下同)待改性的TiO2和0．25-5．00份硅烷偶联剂溶液在表面改性混合器中混合，以保证TiO2表面有均匀一致的润湿性。混合后，在l10°C除去溶剂并干燥改性后的粉末。 3．4．2物理化学性质检测改性后接着进行TiO2的物理化学性能检测，测定其堆密度、吸水性、吸邻苯二甲酸二丁酯性、吸石蜡油性。为了得到分散性数据，进行形态学、微结构的研究和粒子的形状、晶粒形态、单个粒子结构、TiO2聚集、附聚集类型的研究(所用仪器为扫描电子显微镜)。 3．5改性结果与讨论改性和未改性TiO2的基本理化性能参数见表3。这些参数指出了改性后产物表面特性的明显变化。表3未改性和改性TiO2的理化性能参数

表三

注：a表示不被水润湿。由表3可以看出，应用硅烷偶联剂改性时，TiO2样品的堆密度稍有增加。在使用带辛基、乙烯基官能团的硅烷时，TiO2的疏水性明显增加，这是由于其表面的水润湿性部分或完全丧失。当用正辛基三乙氧基硅烷(U一222)改性时，对疏水性的影响最明显，用0．5份该化合物改性100份TiO2时，TiO2的水润湿性已失去。而用脲基硅烷改性时，TiO2表面基团发生部分封闭，疏水性只有了可忽略不计的增加。因为在这种情况下改性物表面上存在着氨基，能与水分子形成氢键，使表面出现较小的亲水性。分别对未改性的TiO2和用U一222改性后的TiO2进行电镜观察，发现未改性TiO2显示有高的分散程度并存在小粒子，且稍有粒子聚集倾向。用0．25份U一222改性100份钛白粉时，可以使TiO2完全分散；而用5份U一222硅烷改性时会导致TiO2的附聚倾向明显增加。 4结语 TiO2的表面特性随着改性而改变，改性的TiO2通过化学和物理加工得到物理化学性质各异的表面。TiO2的水分散性在改性中得到了提高，从而在水性涂料中得到更好地应用。