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二氧化钛水分散性的分散机理
日期:2011年4月9日 浏览[1131]

二氧化钛水分散性的分散机理
1引言 TiO2是最常用的白色颜料,广泛用于涂料、塑料、
  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
  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。
 
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