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0 引 言
在日益关注环境的今天,水性涂料倍受人们的青睐。钛白粉作为一种优质的白色颜料,已广泛地用于涂料中。水分散性是钛白粉在水性涂料中一个很重要的应用性能指标,它的优劣直接影响涂料的遮盖力和颜料的其他性能。目前,对于钛白粉水分散性机理的探讨,尚未见系统的报道。本文从钛白粉表面性质出发,通过定性试验和实验数据,推断出钛白粉在水中分散时的润湿类型,同时应用双电层理论对分散机理进行分析,为改善钛白粉的水分散性提供了理论依据。
1 钛白粉表面特性
1. 1 单相中的团聚现象
钛白粉煅烧所得的原级粒子很小,具有很高的比表面能,极不稳定,在高温下会很快地团聚,形成较大粒子的亚稳态。对于一定量的钛白粉而言,粒子愈小,原级粒子之间的引力愈强,粒子更易团聚。目前,采用仪器测定的钛白粉平均粒径多数是二级粒子的粒径(一般为0.2～0.4 μm) ,表面的能量仍然较高,继续团聚,以此来降低表面能量,达到准稳定状态。因此,钛白粉在单相中的易团聚现象,是讨论其水分散性的前提。
1. 2 两相中的高分散性
在水性溶剂中,钛白粉呈现高度的分散性。其原因是:一方面,钛白粉表面有很多羟基,它能够吸附极性离子,使固体表面带有相同的电荷,因同种电荷排斥而分散;另一方面,粒子的比表面能很大,表面收缩而降低表面能,使分散体系稳定化。正是钛白粉在水中的高度分散性,使它能够在水性涂料中得以广泛的应用。
2 钛白粉在水性溶剂中的润湿类型和润湿因素分析
所谓润湿是指固体表面的气体被液体取代的过程。钛白粉在水性溶剂中能否自行分散,首先要判断它在水性溶剂中润湿的难易程度和润湿性能的优劣。
2. 1 判断钛白粉润湿性能优劣的定性实验
称取1.0 g 锐钛型钛白粉试样,迅速倒入一个口径为15 cm 盛满水的表面皿内,观察团聚的钛白粉试样在水中的润湿性能。团聚的钛白粉试样接触到水时,迅速润湿并进行扩展,表明钛白粉颗粒表面的气体能够完全被水取代而浸渍润湿,润湿性能良好。
2. 2 钛白粉在水性溶剂中的润湿过程
钛白粉在水性溶剂中的润湿过程是改变其颜料表面性能、改变其极性、降低液- 固之间界面张力的过程。其润湿过程受以下几个因素影响。
2. 2. 1 二级粒子的几何形状和空隙体积
煅烧产生的钛白粉原级粒子受晶体表面能的作用聚集成二级粒子,通过电子显微镜观察到其形状各异、不规则,并通过统计方法检测出其平均粒径约为0.2～0.4μm。因此,这种因素对润湿性的影响是一个恒定值。
2. 2. 2 表面特性和处理方式
表面处理能够改变钛白粉的表面特性,从而大大影响润湿过程。对于一些低档次的锐钛型钛白粉,若表面不经过任何处理,则对润湿性的影响是一个恒定值;对高档次的金红石型钛白粉却需进行包膜处理来改变其表面特性,提高应用性能。因此,表面处理方式对润湿性的影响也可看作一个恒定值。
2. 2. 3 水性溶剂的粘度
根据润湿效率公式可以发现,降低溶剂粘度可提高润湿效率。例如,在25 ℃,水的粘度为0.8937 cP ,当加入一定浓度的润湿剂时,会降低水的粘度,此时润湿效率提高,但是润湿剂的加入可能会影响其分散过程或者分散稳定化程度。因此,对于钛白粉在水性溶剂中润湿时,一般不加入任何润湿剂,均可达到浸渍润湿。
3 钛白粉在水性溶剂中的分散过程
3. 1 吸附作用
大量研究表明,钛白粉表面有很多极性的羟基,若水中不加任何分散剂,钛白粉在水中分散时会吸附大量的极性基团;若加入一定浓度的高分子分散剂,此时高分子分散剂吸附在钛白粉颗粒表面,使得吸附
层厚度增加,表面特性改变。
3. 2 双电层理论
通过检测钛白粉在水中的ζ电位,发现锐钛型钛白粉在pH 值为6.8 左右时,ζ电位约为- 36 mV ,表明钛白粉表面带有电荷,而且电负性较强。那么根据双电层理论解释钛白粉在水性溶剂中的分散过程合乎事实,有一定的科学依据。实际上,钛白粉在水性溶剂中分散的过程是双电层形成的过程。当钛白粉接触溶剂表面,瞬间浸渍润湿,其表面吸附一层相反电荷,构成了双电层。这种双电层可以看作是四周被同一电荷所包围的粒子,当布朗运动使两个粒子靠近时,电荷浓度发生变化,电荷产生斥力,当这种斥力大于范德华引力时,则粒子分开,体系处于分散稳定状态。
4 影响水分散性的因素
4. 1 钛白粉粒度分布的影响
钛白粉的粒度分布能够表征钛白粉粒子的均匀程度,也能够粗略定量地判断出粗细粒子的分布比例。通过大量的实验和成品粒度与水分散性关系的统计得出: 在钛白粉粒度分布正态图中,当峰宽在0.1μm 左右时,水分散性一般能够达到85 %以上;当粗粒子(即粒径大于0.5μm) 的比例大于10 %时,就足以影响钛白粉的水分散性。因此,钛白粉的粒度分布情况是影响其水分散性的一个重要因素。
4. 2 钛白粉吸水量的影响
一般情况下,钛白粉的吸水量越低,它的应用性能越好。当钛白粉吸入较多的水分时,它与表面的羟基结合,削弱表面电负性,使得两相中的高分散性减弱,同时分散稳定性也降低。因此,钛白粉吸水量的
大小也影响其水分散性。
4. 3 钛白粉的油分散性的影响
钛白粉的油分散性,是涂料和色母粒一个很重要的应用性能指标。通过大量的实验表明,具有很高油分散性的钛白粉,它的水分散性较差。因此,对于这种钛白粉,可作为不同种类的专用产品,来满足不同
行业和客户的需要。
4. 4 分散设备的影响
钛白粉水分散性能的优劣,还与其分散设备息息相关。目前,市场上分散设备种类很多,如高速分散机、剪切机、砂磨机和超声分散仪等,对于要求不高的水性涂料,一般的分散设备都能够满足要求;对一些特殊的水性涂料,必须借助特殊的分散设备(如砂磨机等) ,它分散效果好,分散体系稳定,不过成本相应提高。
4. 5 其他影响因素
影响钛白粉水分散性的因素较多,例如:分散剂、分散剂浓度、分散时间以及分散设备的强度等。在实际应用中,应根据各种产品质量的标准,选出适合本产品的分散稳定体系。
5 提高钛白粉水分散性的途径
通过上述对钛白粉水分散性的机理探讨和影响因素的分析,可从以下几个方面改进其水分散性:
第一,钛白粉的粒径应尽可能的均匀;钛白粉后处理可选用气流粉碎机、万能磨、旋风分离器以及锤磨设备等;控制粒径的大小和均匀程度,来提高钛白粉在水中的吸附性和润湿效率。
第二,添加一定浓度的分散剂(如六聚偏磷酸钠或者两性表面活性剂等) ,来改变钛白粉表面电荷,增大表面电负性。
第三,进行表面包膜处理(如有机硅处理,偶联剂包膜等) ,改变钛白粉的表面特性,以提高其水分散性。
