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    二氧化钛水分散性的分散机理

    2014-07-02 19:23:15  来源:曹小勇
                                                

    二氧化钛水分散性的分散机理


        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。

       引言

      TiO2是*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。*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,*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

      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*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。
     

        研磨式分散机是由胶体磨,分散机组合而成的高科技产品。

         *级由具有精细度递升的三级锯齿突起和凹槽。定子可以无限制的被调整到所需要的与转子之间的距离。在增强的流体湍流下,凹槽在每级都可以改变方向。

         第二级由转定子组成。分散头的设计也很好地满足不同粘度的物质以及颗粒粒径的需要。在线式的定子和转子(乳化头)和批次式机器的工作头设计的不同主要是因为在对输送性的要求方面,特别要引起注意的是:在粗精度、中等精度、细精度和其他一些工作头类型之间的区别不光是指定转子齿的排列,还有一个很重要的区别是不同工作头的几何学特征不一样。狭槽数、狭槽宽度以及其他几何学特征都能改变定子和转子工作头的不同功能。根据以往的惯例,依据以前的经验指定工作头来满足一个具体的应用。在大多数情况下,机器的构造是和具体应用相匹配的,因而它对制造出*终产品是很重要。当不确定一种工作头的构造是否满足预期的应用。

        CMD2000系列的线速度很高,剪切间隙非常小,这样当物料经过的时候,形成的摩擦力就比较剧烈,结果就是通常所说的湿磨。定转子被制成圆椎形,具有精细度递升的三级锯齿突起和凹槽。定子可以无限制的被调整到所需要的与转子之间的距离。在增强的流体湍流下,凹槽在每级都可以改变方向。高质量的表面抛光和结构材料,可以满足不同行业的多种要求。


     

      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。