二氧化鈦水分散性的分散機(jī)理

1引言

　　TiO2是最常用的白色顏料，廣泛用于涂料、塑料、橡膠、紙張、陶瓷、化妝品與紡織工業(yè)。隨著人們對環(huán)境的日益關(guān)注，水性環(huán)保涂料倍受青睞，而TiO2作為一種優(yōu)質(zhì)的白色顏料，如何更好地應(yīng)用于水性涂料是當(dāng)今研究的課題。水分散性是TiO2在水性涂料中應(yīng)用的一個很重要的性能指標(biāo)，它的優(yōu)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(jìn)，本文先從水分散性的機(jī)理出發(fā)進(jìn)行分析，然后通過改性試驗加以確認(rèn)。

　　2改性的理論基礎(chǔ)

　　2.1TiO2表面特性

　　2.1.1單相中的團(tuán)聚現(xiàn)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(wěn)定，在高溫下會很快地團(tuán)聚，形成亞穩(wěn)態(tài)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(qiáng)，粒子更易團(tuán)聚。

　　目前，采用儀器測定的TiO2平均粒徑多數(shù)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(tuán)聚來降低表面能量，達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。因此，TiO2在單相中的易團(tuán)聚現(xiàn)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(xiàn)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(wěn)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(yīng)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(tuán);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(fā)現(xiàn)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(fù)性較強(qiáng)。根據(jù)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(xué)依據(jù)。

　　實際上，TiO2在水中分散的過程是雙電層形成的過程。當(dāng)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(gòu)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(dāng)布朗運動使2個粒子靠近時，相同性質(zhì)的電荷之間產(chǎn)生斥力，當(dāng)這種斥力大于范德華引力時，則粒子分開，體系處于分散穩(wěn)定狀態(tài)。

　　3改性試驗

　　為了改進(jìn)TiO2在水分散性方面的不足，需對其進(jìn)行表面處理。最常用的是穩(wěn)定化處理，即在晶體結(jié)構(gòu)中加入其他元素，或?qū)αＷ拥谋砻孢M(jìn)行改性，這些都有助于改變其物理化學(xué)性質(zhì)。

　　3.1改性的目的

　　引入能與有機(jī)物相互作用的新基團(tuán)，改進(jìn)界面附著力，改變表面的親水/疏水性。改性后的產(chǎn)品應(yīng)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(jì)南裕興化工總廠以硫酸法工藝制備而得。經(jīng)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，最常用的有硅烷、鈦酸酯、鋯酸酯偶聯(lián)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(lián)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(zhì)量份，以下同)待改性的TiO2和0.25-5.00份硅烷偶聯(lián)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(xué)性質(zhì)檢測

　　改性后接著進(jìn)行TiO2的物理化學(xué)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(shù)據(jù)，進(jìn)行形態(tài)學(xué)、微結(jié)構(gòu)的研究和粒子的形狀、晶粒形態(tài)、單個粒子結(jié)構(gòu)、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(jié)果與討論

　　改性和未改性TiO2的基本理化性能參數(shù)見表3。這些參數(shù)指出了改性后產(chǎn)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(shù)

　　應(yīng)用硅烷偶聯(lián)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(tuán)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(dāng)用正辛基三乙氧基硅烷(U一222)改性時，對疏水性的影響最明顯，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(tuán)發(fā)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(xiàn)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(jìn)行電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)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份鈦白粉時，可以使TiO2完全分散;而用5份U一222硅烷改性時會導(dǎo)致TiO2的附聚傾向明顯增加。

　　4結(jié)語

　　TiO2的表面特性隨著改性而改變，改性的TiO2通過化學(xué)和物理加工得到物理化學(xué)性質(zhì)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(yīng)用。