二氧化钛在涂料中的分散技术进展

0 前言

二氧化钛因其无毒、功能特性多样而被广泛地应用于各行各业中。特别是作为白色颜料在涂料中被大量使用。然而随着环境的日益恶化以及矿产资源的日益减少，关于如何提高二氧化钛使用效率以及减少二氧化钛使用量也日益被人们所重视。在涂料应用中，二氧化钛是否能够均匀分散是提高二氧化钛遮盖效率的关键，同时也影响到涂料的其他物理性能，例如着色力、耐沾污性和耐洗刷性等。实际上，早在20世纪80年代国外就有人专门针对二氧化钛在涂料应用中发生的聚集以及如何阻止二氧化钛的聚集进行过较详细的研究[1]。目前，关于改善二氧化钛在涂料中的分散技术除了使用机械剪切外主要有两个方面：其一是通过表面改性技术提高二氧化钛润湿分散性以及与涂料树脂的相容性，同时降低二氧化钛粒子表面能；其二是通过加入助剂(例如分散剂)或者阻隔剂，利用静电稳定作用或者空间阻隔作用阻止二氧化钛聚集。本文将就这两方面近几年的进展做简要综述。
 

1 二氧化钛的表面改性技术

二氧化钛在涂料体系中应用时，会根据不同的涂料种类，例如水性或溶剂型体系采用不同的分散方法与技术。

二氧化钛的表面改性主要有两种，即无机表面改性以及有机表面改性。无机表面改性主要以铝、硅、锆等无机物改性剂进行表面包膜。控制改性剂含量及改性剂之间的比例，可以减少二氧化钛颗粒的团聚现象，提高二氧化钛的分散性以及光稳定性[2]。一般而言，钛白粉在出厂前都是已经经过无机表面改性的。二氧化钛的有机表面改性有3种最常用的方法：偶联剂法、表面活性剂法和聚合物包覆法。经过有机表面改性剂改性的二氧化钛表面会吸附或者键合一些有机物或高分子从而改变了二氧化钛的表面物理化学性质，降低其表面能，并改善二氧化钛与有机介质的相容性。偶联剂法是利用偶联剂与二氧化钛表面的羟基发生化学反应在二氧化钛表面键入功能性的有机基团，从而改变二氧化钛表面性质的方法[3-4]。常用的偶联剂有硅烷偶联剂、钛酸偶联剂等。表面活性剂法主要是通过物理吸附对二氧化钛进行表面改性的[5-6]。这种方法最为简便，但在实际应用中也容易产生不稳定的问题。聚合物包覆法则是在二氧化钛粒子表面通过聚合反应键合或者物理作用包覆聚合物，从而产生空间位阻，减小二氧化钛粒子间的范德华力[7-8]，与偶联剂法以及表面活性剂两种方法相比，这种方法更有利于提高二氧化钛的分散稳定性以及二氧化钛粒子与聚合物基体之间的相容性，同时还能有效地降低二氧化钛的密度。采用这种方法改性二氧化钛时，一般都是先用偶联剂或表面活性剂等进行预处理，改变二氧化钛的表面性质，然后在其表面进行聚合物接枝包覆。偶联剂法以及表面活性剂法改性二氧化钛方法简单，但改性后的二氧化钛相对分散稳定性较差，因此，近些年二氧化钛的表面改性研究都主要集中在聚合物包覆法方面。

Chen[9]等用超声波技术制备了聚氨酯/二氧化钛纳米复合材料，TEM以及SEM表征结果都表明二氧化钛颗粒能以纳米尺度均匀地分散在聚氨酯中。张新荔[10]等利用二羟基丙酸为起始原料通过熔融缩聚反应合成了端羟基超支化聚酯，通过酯化反应得到末端为酯基的超支化聚酯。然后利用偶联剂改性二氧化钛得到表面含氨基的二氧化钛，最后利用酰胺化反应得到超支化聚酯接枝的二氧化钛。结果表明这种接枝的二氧化钛在有机溶剂如四氢呋喃或者乙酸乙酯中都能很好地稳定和分散。
Nelson[11]等则利用溶胶凝胶法先在二氧化钛表面形成一层聚丙烯酸的水凝胶，然后加入纤维素粉末，在加热过程中，水凝胶会释放出水并溶解纤维素，纤维素再重新聚集生成纳米颗粒并规则地在聚丙烯酸的凝胶层内沿着二氧化钛的表面排成均匀的膜，如图1所示。