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    二氧化鈦水分散性的分散機理

    2019-08-11 19:23:15
                                                

    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,並用掃描電鏡表征了二氧化鈦的表麵結構。

       引言

      TiO2是*常用的白色顏料,廣泛用於塗料、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,水性環保塗料倍受青睞,而TiO2作為一種優質的白色顏料,如何更好地應用於水性塗料是當今研究的課題。水分散性是TiO2在水性塗料中應用的一個很重要的性能指標,它的優劣直接影響塗料的遮蓋力和其他性能。對於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,然後通過改性試驗加以確認。

      2改性的理論基礎

      2.1TiO2表麵特性

      2.1.1單相中的團聚現象

      TiO2煆燒所得的原級粒子很小,具有很高的比表麵能,極不穩定,在高溫下會很快地團聚,形成亞穩態的較大粒子。對於一定量的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),表麵的能量仍然較高,容易通過團聚來降低表麵能量,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表麵有很多羥基,它能夠吸附極性粒子,使固體表麵帶有相同的電荷,因同種電荷排斥而分散;②粒子的比表麵能很大,表麵收縮而降低表麵能,使分散體係穩定化。正是TiO2在水中的高度分散性使它能夠在水性塗料中得以廣泛應用。

      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表麵有很多極性羥基,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顆粒的表麵,使得吸附層厚度增加,表麵特性改變。

      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表麵帶有電荷,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接觸水表麵時,瞬間被浸漬潤濕,其表麵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,當這種斥力大於範德華引力時,則粒子分開,體係處於分散穩定狀態。

      3改性試驗

      為了改進TiO2在水分散性方麵的不足,需對其進行表麵處理。*常用的是穩定化處理,即在晶體結構中加入其他元素,或對粒子的表麵進行改性,這些都有助於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,改進界麵附著力,改變表麵的親水/疏水性。改性後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製備而得。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,*常用的有矽烷、鈦酸酯、鋯酸酯偶聯劑,以及脂肪酸及其衍生物和表麵活性劑。本文選擇以前作為黏附劑用的矽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

      製備合適的矽烷溶液,然後將100份(質量份,以下同)待改性的TiO2和0.25-5.00份矽烷偶聯劑溶液在表麵改性混合器中混合,以保證TiO2表麵有均勻一致的潤濕性。混合後,在l10°C除去溶劑並幹燥改性後的粉末。

      3.4.2物理化學性質檢測

      改性後接著進行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後產物表麵特性的明顯變化。

      表3未改性和改性TiO2的理化性能參數

      應用矽烷偶聯劑改性時,TiO2樣品的堆密度稍有增加。在使用帶辛基、乙烯基官能團的矽烷時,TiO2的疏水性明顯增加,這是由於其表麵的水潤濕性部分或完全喪失。當用正辛基三乙氧基矽烷(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。而用脲基矽烷改性時,TiO2表麵基團發生部分封閉,疏水性隻有了可忽略不計的增加。因為在這種情況下改性物表麵上存在著氨基,能與水分子形成氫鍵,使表麵出現較小的親水性。

      分別對未改性的TiO2和用U一222改性後的TiO2進行電鏡觀察,發現未改性TiO2顯示有高的分散程度並存在小粒子,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矽烷改性時會導致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。定子可以無限製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麵,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,因而它對製造出*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係列的線速度很高,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。定轉子被製成圓椎形,具有精細度遞升的三級鋸齒突起和凹槽。定子可以無限製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。高質量的表麵拋光和結構材料,可以滿足不同行業的多種要求。


     

      4結語

      TiO2的表麵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麵。TiO2的水分散性在改性中得到了提高,從而在水性塗料中得到更好地應用。

     



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