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1 前言
钛白粉是一种品质优良的白色粉末颜料, 具有良好的光散射能力, 因而白度好、着色力高、遮盖力强, 同时具有较高的化学稳定性和较好的耐候性、无毒无味、对人体无刺激作用, 广泛应用于涂料、塑料、造纸及油墨等工业领域。在溶剂型涂料中, 钛白粉作为白色的着色颜料, 是涂料次要成膜物质, 它不仅赋予被涂物体表面光亮洁白的色彩,而且对涂料的耐候性、抗粉化能力以及流变性起到一定的作用。钛白粉的油分散性在溶剂性涂料和塑料方面都非常关注, 它的优劣会大大影响生产工艺、生产设备和产品质量。以下从钛白粉表面性质出发, 结合溶剂型涂料的组成, 探讨钛白粉在溶剂型涂料中的分散机理, 并分析其影响因素, 提出改进措施。这为改善钛白粉在溶剂型涂料中的分散性提供理论依据, 有一定的参考意义。
2 钛白粉表面性质
钛白粉是一种既不溶于水, 又不溶于油的无机化合物, 但在水或油的介质中能够进行分散。钛白粉粒径很小, 有很高的比表面能, 因而在单一的固相中呈现出极强的凝聚特性, 来降低表面能, 形成比较稳定的亚态聚集粒子。研究表明, 二氧化钛表面吸附空气中的水, 会与水生成碱性的“端”氢氧基和酸性的“桥”氢氧基, 从检测出Zeta 电位来分析, 其表面电负性很强(锐钛型钛白粉Zeta 电位大约是- 50mv) , 形成同一电荷的吸附层, 有很强的吸附作用, 钛白粉在两相中又表现出很强的高分散性和强烈的表面吸附作用。
3 钛白粉在溶剂型涂料中的分散机理
311 溶剂型涂料的基本组成
溶剂型涂料主要包括成膜基料油或者树脂, 分散介质挥发性有机溶剂和颜料。其中成膜基料是涂料的主要成膜物质, 而颜料是赋予物体着色和遮盖的作用, 属于次要成膜物质。分散介质就是使成膜基料和颜料很好地分散, 形成粘稠的液体。因此,钛白粉在溶剂型涂料中的分散机理, 就是讨论钛白粉在成膜基料和分散介质(挥发性有机溶剂) 混合漆料中的润湿和分散过程。
312 钛白粉、树脂和溶剂油之间的相互作用
溶剂油能够将树脂完全溶解, 形成混合漆料,钛白粉强烈的表面吸附作用, 可以将树脂和溶剂油所吸附。钛白粉在涂料分散过程中, 要求树脂尽可能多地、牢固地吸附在钛白粉的表面, 而溶剂油尽可能不吸附上去, 这样有利于溶剂油对树脂的溶解能力, 提高树脂的溶解度, 同时和钛白粉形成的涂料稳定化程度高。因此, 钛白粉、树脂和溶剂油之间相互影响, 相互制约, 任何一种组分的异常都会影响整个体系的性能。
313 溶剂型涂料中钛白粉的分散机理
在溶剂型涂料中, 溶剂油一般是非极性溶剂或者极性很弱的溶剂, 电性很微弱, 在钛白粉表面形成的双电层很薄弱, 不足以对整个体系形成强烈的双电层效应, 来降低表面能, 达到稳定状态。在这种体系中, 钛白粉将聚合物树脂所吸附, 而聚合物又被溶剂油所溶剂化, 因此, 吸附的树脂均带有溶剂化长链, 这些溶剂化长链在钛白粉颗粒表面整齐排列, 形成一定区域的屏蔽层。当两个被溶剂化长链包裹的钛白粉颗粒靠近时, 溶剂化长链相互穿插, 穿插的过程中, 穿插区域的聚合物树脂浓度升高, 和邻近区域形成渗压差, 由于渗压差的作用,迫使溶剂油向压差低的区域流出, 迫使颗粒分开,达到钛白粉在树脂和溶剂油的混合漆料中分散的目的。因此, 钛白粉在溶剂型涂料中的分散机理可依据表面吸附屏蔽效应来解释。
4 影响钛白粉分散的因素
在溶剂型涂料中, 当树脂和溶剂油确定后, 钛白粉在混合漆料中的分散及分散稳定化程度决定于其本身的应用性能和表面特性。
411 钛白粉平均粒径和粒度分布
钛白粉平均粒径和粒度分布是反映钛白粉颜料性能和应用性能的综合性指标。通过大量的试验表明, 当钛白粉粒径小于200nm 的质量百分数在30 %左右时, 检测Zeta 电位大约在- 70mv ; 若质量百分数小于20 %时, Zeta 电位大约在- 40mv ,这说明钛白粉的粒径情况严重影响其表面电性, 从而影响表面吸附性能。但粒径不能太小, 否则会影响其它颜料性能, 因此必须控制合适的粒度范围,一般地控制粒度在(0.15～0.3) μm。见表1 钛白粉平均粒径和粒度分布对油分散性的影响。
表1 对不同粒度分布的钛白粉进行了油分散性的试验, 发现平均粒径和粒度分布的宽度(质量百分数正态分布图) 对钛白粉油分散性影响很大。根据大量的实验数据统计, 可以得出以下的结论; 当钛白粉粒度分布宽度在0.1 以下时, 用刮板细度计进行检测, 细度在(40～30) μm , 当峰宽在0.2时, 细度大约在60μm , 若分布宽度大于0.3 , 基本上该产品在溶剂型涂料中无法使用, 必须采取处理措施。因此粒度分布要求尽可能地均匀, 增大产品的研磨强度, 减小分布宽度, 提高油分散性。
412 钛白粉中可溶性物质
在钛白粉中可溶性物质含量的高低, 也严重影响钛白粉的应用性能。钛白粉在混合漆料分散体系中, 可溶性盐一般都是极性很强的无机离子, 会使钛白粉表面的电荷抵消一部分, 但又不能形成强大的双电层, 反而削弱了钛白粉表面的吸附作用, 迫使树脂不能够牢固地吸附在钛白粉颗粒表面, 降低了分散稳定化程度, 导致钛白粉在溶剂型涂料中返粗。另外, 在一些绝缘性油漆涂料中, 可溶性物质的偏高, 减小了体系的电阻率, 降低被涂物体表面的绝缘性能, 同时涂料的电化学特性明显, 降低了耐化学性和耐腐蚀性。见表2 钛白粉可溶性物质对油分散性的影响。
从表2 的数据可以知道, 水溶性物质对产品的油分散性的确有一定的影响。根据钛白粉产品质量保证要求, 必须控制可溶性物质的含量小于0.5 % , 因此, 在钛白粉净化工艺中必须采用去离子水, 进行杂质离子的清除。
413 钛白粉的吸油量
实验表明, 钛白粉若有高的吸油量, 则钛白粉在溶剂油中肯定分散性差或者分散不稳定, 易于凝聚。高吸油量的钛白粉在溶剂型涂料中, 按照原有的配方进行配比、研磨分散, 一部分溶剂油被钛白粉吸收, 使溶解树脂的油不足, 树脂溶剂化程度降低, 影响钛白粉对树脂的吸附, 导致分散性和分散稳定性降低。
5 提高钛白粉在溶剂型涂料中分散性的途径
511 严格控制其粒径及粒度分布
钛白粉粒径和粒度分布影响因素较为复杂, 首先对水解工艺和技术进行改进, 保证生成的原级粒子均匀。其次是加强煅烧关键温度点的控制, 使二氧化钛粒子均匀成长。最后进行产品的粉粹, 目前钛白粉企业的粉碎工艺, 多数采用雷蒙系统, 也可使用效率高、分级效果好的气流粉碎机, 进一步对钛白粉粒度进行控制, 稳定表面特性。
512 吸油量和水溶物的控制
钛白粉吸油量主要与煅烧过程中煅烧氛围或煅烧高温点温度有关, 若控制不当, 会造成钛白粉颗粒晶格缺陷和粒子形状不规则, 因此, 须控制合适的煅烧温度, 调节进料量和窑体转速的合理匹配,减少颗粒的晶格缺陷和粒子规则的几何外形。
513 表面处理
对钛白粉表面进行处理或者添加一定的分散剂, 这种分散剂能够牢牢地吸附在钛白粉表面, 同时能够提供树脂溶剂化的长链, 这样更有利于钛白粉和树脂的吸附, 增大分散稳定化程度。一般具有这种特性的分散剂组成比较复杂, 大多数是多羧酸烷基铵盐。目前, 国内多数厂家生产的是低档次的锐钛型产品, 在溶剂型涂料中分散性一般都很差, 因此在涂料行业中应用逐渐被金红石产品所替代。对于锐钛型钛白粉可通过表面处理来改变其表面特性, 能够在某种程度上与金红石产品的油分散性相媲美,且价格低与金红石产品有一定的市场竞争力。国内比较受青睐的表面处理剂有: 有机硅、偶联氮试剂或者一些多聚磷酸盐等等, 其中有机硅处理应用较多, 而且已经在工业上取得成功。
6 结语
从钛白粉表面特性出发, 讨论了钛白粉在溶剂型涂料中的作用和分散机理, 同时分析了影响钛白粉在溶剂型涂料中分散性的因素, 并提出寻求一种改善钛白粉在溶剂型涂料中分散性的新途径。
