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      二氧化鈦水分散性的分散機理

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

      二氧化鈦水分散性的分散機理


          二氧化鈦水分散性的分散機理;闡述了其改性過程和改性劑的選擇;評價了其理化性能及其影響因素,并用掃描電鏡表征了二氧化鈦的表面結構。

         引言

        TiO2是*常用的白色顏料,廣泛用于涂料、塑料、橡膠、紙張、陶瓷、化妝品與紡織工業。隨著人們對環境的日益關注,水性環保涂料倍受青睞,而TiO2作為一種優質的白色顏料,如何更好地應用于水性涂料是當今研究的課題。水分散性是TiO2在水性涂料中應用的一個很重要的性能指標,它的優劣直接影響涂料的遮蓋力和其他性能。對于TiO2水分散性的改進,本文先從水分散性的機理出發進行分析,然后通過改性試驗加以確認。

        2改性的理論基礎

        2.1TiO2表面特性

        2.1.1單相中的團聚現象

        TiO2煅燒所得的原級粒子很小,具有很高的比表面能,極不穩定,在高溫下會很快地團聚,形成亞穩態的較大粒子。對于一定量的TiO2而言,粒子愈小,原級粒子之間的引力愈強,粒子更易團聚。

        目前,采用儀器測定的TiO2平均粒徑多數是二級粒子的粒徑(一般為0.2~0.4um),表面的能量仍然較高,容易通過團聚來降低表面能量,達到準穩定狀態。因此,TiO2在單相中的易團聚現象是討論其水分散性的前提。

        2.1.2兩相中的高分散性

        在水分散體中,TiO2呈現高度的分散性。其原因是:①TiO2表面有很多羥基,它能夠吸附極性粒子,使固體表面帶有相同的電荷,因同種電荷排斥而分散;②粒子的比表面能很大,表面收縮而降低表面能,使分散體系穩定化。正是TiO2在水中的高度分散性使它能夠在水性涂料中得以廣泛應用。

        2.2TiO2在水分散體中的分散過程

        2.2.1吸附作用

        大量研究表明,TiO2表面有很多極性羥基,若在水中不加任何分散劑,TiO2在水中分散時會吸附大量的極性基團;若加入一定濃度的高分子分散劑,高分子分散劑吸附在TiO2顆粒的表面,使得吸附層厚度增加,表面特性改變。

        2.2.2雙電層理論

        通過檢測TiO2在水中的Zeta電位,發現銳鈦型TiO2在pH為6.8左右時,Zeta電位約為一36mV,這表明TiO2表面帶有電荷,而且電負性較強。根據雙電層理論解釋TiO2在水中的分散過程合乎事實,有一定的科學依據。

        實際上,TiO2在水中分散的過程是雙電層形成的過程。當TiO2接觸水表面時,瞬間被浸漬潤濕,其表面會吸附一層相反電荷,構成了雙電層。這種雙電層可以看作是四周被同一電荷所包圍的粒子,當布朗運動使2個粒子靠近時,相同性質的電荷之間產生斥力,當這種斥力大于范德華引力時,則粒子分開,體系處于分散穩定狀態。

        3改性試驗

        為了改進TiO2在水分散性方面的不足,需對其進行表面處理。*常用的是穩定化處理,即在晶體結構中加入其他元素,或對粒子的表面進行改性,這些都有助于改變其物理化學性質。

        3.1改性的目的

        引入能與有機物相互作用的新基團,改進界面附著力,改變表面的親水/疏水性。改性后的產品應具有盡可能低的堆密度和盡可能高的疏水性。

        3.2改性材料

        TiO2由濟南裕興化工總廠以硫酸法工藝制備而得。經檢測,該TiO2(型號為R一818)的主要理化性能見表1。

        3.3改性劑的選擇

        在改性劑中,*常用的有硅烷、鈦酸酯、鋯酸酯偶聯劑,以及脂肪酸及其衍生物和表面活性劑。本文選擇以前作為黏附劑用的硅烷偶聯劑作為改性劑。具體化合物見表2。

        3.4改性方法

        3.4.1改性的工藝過程

        制備合適的硅烷溶液,然后將100份(質量份,以下同)待改性的TiO2和0.25-5.00份硅烷偶聯劑溶液在表面改性混合器中混合,以保證TiO2表面有均勻一致的潤濕性。混合后,在l10°C除去溶劑并干燥改性后的粉末。

        3.4.2物理化學性質檢測

        改性后接著進行TiO2的物理化學性能檢測,測定其堆密度、吸水性、吸鄰苯二甲酸二丁酯性、吸石蠟油性。為了得到分散性數據,進行形態學、微結構的研究和粒子的形狀、晶粒形態、單個粒子結構、TiO2聚集、附聚集類型的研究(所用儀器為掃描電子顯微鏡)。

        3.5改性結果與討論

        改性和未改性TiO2的基本理化性能參數見表3。這些參數指出了改性后產物表面特性的明顯變化。

        表3未改性和改性TiO2的理化性能參數

        應用硅烷偶聯劑改性時,TiO2樣品的堆密度稍有增加。在使用帶辛基、乙烯基官能團的硅烷時,TiO2的疏水性明顯增加,這是由于其表面的水潤濕性部分或完全喪失。當用正辛基三乙氧基硅烷(U一222)改性時,對疏水性的影響*明顯,用0.5份該化合物改性100份TiO2時,TiO2的水潤濕性已失去。而用脲基硅烷改性時,TiO2表面基團發生部分封閉,疏水性只有了可忽略不計的增加。因為在這種情況下改性物表面上存在著氨基,能與水分子形成氫鍵,使表面出現較小的親水性。

        分別對未改性的TiO2和用U一222改性后的TiO2進行電鏡觀察,發現未改性TiO2顯示有高的分散程度并存在小粒子,且稍有粒子聚集傾向。用0.25份U一222改性100份時,可以使TiO2完全分散;而用5份U一222硅烷改性時會導致TiO2的附聚傾向明顯增加。
       

          研磨式分散機是由膠體磨,分散機組合而成的高科技產品。

           *級由具有精細度遞升的三級鋸齒突起和凹槽。定子可以無限制的被調整到所需要的與轉子之間的距離。在增強的流體湍流下,凹槽在每級都可以改變方向。

           第二級由轉定子組成。分散頭的設計也很好地滿足不同粘度的物質以及顆粒粒徑的需要。在線式的定子和轉子(乳化頭)和批次式機器的工作頭設計的不同主要是因為在對輸送性的要求方面,特別要引起注意的是:在粗精度、中等精度、細精度和其他一些工作頭類型之間的區別不光是指定轉子齒的排列,還有一個很重要的區別是不同工作頭的幾何學特征不一樣。狹槽數、狹槽寬度以及其他幾何學特征都能改變定子和轉子工作頭的不同功能。根據以往的慣例,依據以前的經驗指定工作頭來滿足一個具體的應用。在大多數情況下,機器的構造是和具體應用相匹配的,因而它對制造出*終產品是很重要。當不確定一種工作頭的構造是否滿足預期的應用。

          CMD2000系列的線速度很高,剪切間隙非常小,這樣當物料經過的時候,形成的摩擦力就比較劇烈,結果就是通常所說的濕磨。定轉子被制成圓椎形,具有精細度遞升的三級鋸齒突起和凹槽。定子可以無限制的被調整到所需要的與轉子之間的距離。在增強的流體湍流下,凹槽在每級都可以改變方向。高質量的表面拋光和結構材料,可以滿足不同行業的多種要求。


       

        4結語

        TiO2的表面特性隨著改性而改變,改性的TiO2通過化學和物理加工得到物理化學性質各異的表面。TiO2的水分散性在改性中得到了提高,從而在水性涂料中得到更好地應用。

       



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