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鈦白粉在溶劑型涂料中分散性研究

發布時間：2014-08-09

摘要:鈦白粉是一種品質優良的白色粉末顏料 , 具有良好的光散射能力 , 因而白度好、著色力高、遮蓋力強 , 同時具有較高的化學穩定性和較好的耐候性、無毒無味、對人體無刺激作用 , 廣泛應用于涂料、塑料、造紙及油墨等工業領域。在溶劑型涂料中 , 鈦白粉作為白色的著色顏料 , 是涂料次要成膜物質 , 它不僅賦予被涂物體表面光亮潔白的色彩 , 而且對涂料的耐候性、抗粉化能力以及流變性起到一定的作用。鈦白粉的油分散性在溶劑性涂料和塑料方面都非常關注 , 它的優劣會大大影響生產工藝、生產設備和產品質量。以下從鈦白粉表面性質出發 , 結合溶劑型涂料的組成 , 探討鈦白粉在溶劑型涂料中的分散機理 , 并分析其影響因素 , 提出改進措施。
關鍵字:鈦白粉溶劑涂料樹脂

1 　前言

鈦白粉是一種品質優良的白色粉末顏料 , 具有良好的光散射能力 , 因而白度好、著色力高、遮蓋力強 , 同時具有較高的化學穩定性和較好的耐候性、無毒無味、對人體無刺激作用 , 廣泛應用于涂料、塑料、造紙及油墨等工業領域。在溶劑型涂料中 , 鈦白粉作為白色的著色顏料 , 是涂料次要成膜物質 , 它不僅賦予被涂物體表面光亮潔白的色彩 , 而且對涂料的耐候性、抗粉化能力以及流變性起到一定的作用。鈦白粉的油分散性在溶劑性涂料和塑料方面都非常關注 , 它的優劣會大大影響生產工藝、生產設備和產品質量。以下從鈦白粉表面性質出發 , 結合溶劑型涂料的組成 , 探討鈦白粉在溶劑型涂料中的分散機理 , 并分析其影響因素 , 提出改進措施。這為改善鈦白粉在溶劑型涂料中的分散性提供理論依據 , 有一定的參考意義。

2 　鈦白粉表面性質

鈦白粉是一種既不溶于水 , 又不溶于油的無機化合物 , 但在水或油的介質中能夠進行分散。鈦白粉粒徑很小 , 有很高的比表面能 , 因而在單一的固相中呈現出極強的凝聚特性 , 來降低表面能 , 形成比較穩定的亞態聚集粒子。研究表明 , 二氧化鈦表面吸附空氣中的水 , 會與水生成堿性的 “ 端 ” 氫氧基和酸性的 “ 橋 ” 氫氧基 , 從檢測出 Zeta 電位來分析 , 其表面電負性很強 ( 銳鈦型鈦白粉 Zeta 電位大約是 -50mv) , 形成同一電荷的吸附層 , 有很強的吸附作用 , 鈦白粉在兩相中又表現出很強的高分散性和強烈的表面吸附作用。

3 　鈦白粉在溶劑型涂料中的分散機理

3 . 1 　溶劑型涂料的基本組成

溶劑型涂料主要包括成膜基料油或者樹脂 , 分散介質揮發性有機溶劑和顏料。其中成膜基料是涂料的主要成膜物質 , 而顏料是賦予物體著色和遮蓋的作用 , 屬于次要成膜物質。分散介質就是使成膜基料和顏料很好地分散 , 形成粘稠的液體。因此 , 鈦白粉在溶劑型涂料中的分散機理 , 就是討論鈦白粉在成膜基料和分散介質 ( 揮發性有機溶劑 ) 混合漆料中的潤濕和分散過程。 3 . 2 　鈦白粉、樹脂和溶劑油之間的相互作用溶劑油能夠將樹脂完全溶解 , 形成混合漆料 , 鈦白粉強烈的表面吸附作用 , 可以將樹脂和溶劑油所吸附。鈦白粉在涂料分散過程中 , 要求樹脂盡可能多地、牢固地吸附在鈦白粉的表面 , 而溶劑油盡可能不吸附上去 , 這樣有利于溶劑油對樹脂的溶解能力 , 提高樹脂的溶解度 , 同時和鈦白粉形成的涂料穩定化程度高。因此 , 鈦白粉、樹脂和溶劑油之間相互影響 , 相互制約 , 任何一種組分的異常都會影響整個體系的性能。

3 . 3 　溶劑型涂料中鈦白粉的分散機理

在溶劑型涂料中 , 溶劑油一般是非極性溶劑或者極性很弱的溶劑 , 電性很微弱 , 在鈦白粉表面形成的雙電層很薄弱 , 不足以對整個體系形成強烈的雙電層效應 , 來降低表面能 , 達到穩定狀態。在這種體系中 , 鈦白粉將聚合物樹脂所吸附 , 而聚合物又被溶劑油所溶劑化 , 因此 , 吸附的樹脂均帶有溶劑化長鏈 , 這些溶劑化長鏈在鈦白粉顆粒表面整齊排列 , 形成一定區域的屏蔽層。當兩個被溶劑化長鏈包裹的鈦白粉顆粒靠近時 , 溶劑化長鏈相互穿插 , 穿插的過程中 , 穿插區域的聚合物樹脂濃度升高 , 和鄰近區域形成滲壓差 , 由于滲壓差的作用 , 迫使溶劑油向壓差低的區域流出 , 迫使顆粒分開 , 達到鈦白粉在樹脂和溶劑油的混合漆料中分散的目的。

因此 , 鈦白粉在溶劑型涂料中的分散機理可依據表面吸附屏蔽效應來解釋。

4 　影響鈦白粉分散的因素

在溶劑型涂料中 , 當樹脂和溶劑油確定后 , 鈦白粉在混合漆料中的分散及分散穩定化程度決定于其本身的應用性能和表面特性。

4 . 1 　鈦白粉平均粒徑和粒度分布

鈦白粉平均粒徑和粒度分布是反映鈦白粉顏料性能和應用性能的綜合性指標。通過大量的試驗表明 , 當鈦白粉粒徑小于 200nm 的質量百分數在 30 % 左右時 , 檢測 Zeta 電位大約在 -70mv ; 若質量百分數小于 20 % 時 , Zeta 電位大約在 -40mv , 這說明鈦白粉的粒徑情況嚴重影響其表面電性 , 從而影響表面吸附性能。但粒徑不能太小 , 否則會影響其它顏料性能 , 因此必須控制合適的粒度范圍 , 一般地控制粒度在 (0 . 15 ～ 0 . 3) μ m 。

見表 1 鈦白粉平均粒徑和粒度分布對油分散性的影響。

表 1 　平均粒徑和粒度分布對油分散性的影響

表 1 對不同粒度分布的鈦白粉進行了油分散性的試驗 , 發現平均粒徑和粒度分布的寬度 ( 質量百分數正態分布圖 ) 對鈦白粉油分散性影響很大。根據大量的實驗數據統計 , 可以得出以下的結論 ; 當鈦白粉粒度分布寬度在 0 . 1 以下時 , 用刮板細度計進行檢測 , 細度在 (40 ～ 30) μ m , 當峰寬在 0 . 2 時 , 細度大約在 60 μ m , 若分布寬度大于 0 . 3 , 基本上該產品在溶劑型涂料中無法使用 , 必須采取處理措施。因此粒度分布要求盡可能地均勻 , 增大產品的研磨強度 , 減小分布寬度 , 提高油分散性。

4 . 2 　鈦白粉中可溶性物質

在鈦白粉中可溶性物質含量的高低 , 也嚴重影響鈦白粉的應用性能。鈦白粉在混合漆料分散體系中 , 可溶性鹽一般都是極性很強的無機離子 , 會使鈦白粉表面的電荷抵消一部分 , 但又不能形成強大的雙電層 , 反而削弱了鈦白粉表面的吸附作用 , 迫使樹脂不能夠牢固地吸附在鈦白粉顆粒表面 , 降低了分散穩定化程度 , 導致鈦白粉在溶劑型涂料中返粗。另外 , 在一些絕緣性油漆涂料中 , 可溶性物質的偏高 , 減小了體系的電阻率 , 降低被涂物體表面的絕緣性能 , 同時涂料的電化學特性明顯 , 降低了耐化學性和耐腐蝕性。見表 2 鈦白粉可溶性物質對油分散性的影響。

表 2 　鈦白粉可溶性物質對油分散性的影響

從表 2 的數據可以知道 , 水溶性物質對產品的油分散性的確有一定的影響。根據鈦白粉產品質量保證要求 , 必須控制可溶性物質的含量小于 0 . 5 % , 因此 , 在鈦白粉凈化工藝中必須采用去離子水 , 進行雜質離子的清除。

4 . 3 　鈦白粉的吸油量

實驗表明 , 鈦白粉若有高的吸油量 , 則鈦白粉在溶劑油中肯定分散性差或者分散不穩定 , 易于凝聚。高吸油量的鈦白粉在溶劑型涂料中 , 按照原有的配方進行配比、研磨分散 , 一部分溶劑油被鈦白粉吸收 , 使溶解樹脂的油不足 , 樹脂溶劑化程度降低 , 影響鈦白粉對樹脂的吸附 , 導致分散性和分散穩定性降低。

5 　提高鈦白粉在溶劑型涂料中分散性的途徑

5 . 1 　嚴格控制其粒徑及粒度分布

鈦白粉粒徑和粒度分布影響因素較為復雜 , 首先對水解工藝和技術進行改進 , 保證生成的原級粒子均勻。其次是加強煅燒關鍵溫度點的控制 , 使二氧化鈦粒子均勻成長。最后進行產品的粉粹 , 目前鈦白粉企業的粉碎工藝 , 多數采用雷蒙系統 , 也可使用效率高、分級效果好的氣流粉碎機 , 進一步對鈦白粉粒度進行控制 , 穩定表面特性。

5 . 2 　吸油量和水溶物的控制

鈦白粉吸油量主要與煅燒過程中煅燒氛圍或煅燒高溫點溫度有關 , 若控制不當 , 會造成鈦白粉顆粒晶格缺陷和粒子形狀不規則 , 因此 , 須控制合適的煅燒溫度 , 調節進料量和窯體轉速的合理匹配 , 減少顆粒的晶格缺陷和粒子規則的幾何外形。

5 . 3 　表面處理

對鈦白粉表面進行處理或者添加一定的分散劑 , 這種分散劑能夠牢牢地吸附在鈦白粉表面 , 同時能夠提供樹脂溶劑化的長鏈 , 這樣更有利于鈦白粉和樹脂的吸附 , 增大分散穩定化程度。一般具有這種特性的分散劑組成比較復雜 , 大多數是多羧酸烷基銨鹽。

目前 , 國內多數廠家生產的是低檔次的銳鈦型產品 , 在溶劑型涂料中分散性一般都很差 , 因此在涂料行業中應用逐漸被金紅石產品所替代。對于銳鈦型鈦白粉可通過表面處理來改變其表面特性 , 能夠在某種程度上與金紅石產品的油分散性相媲美 , 且價格低與金紅石產品有一定的市場競爭力。國內比較受青睞的表面處理劑有 : 有機硅、偶聯氮試劑或者一些多聚磷酸鹽等等 , 其中有機硅處理應用較多 , 而且已經在工業上取得成功。

6 　結語

從鈦白粉表面特性出發 , 討論了鈦白粉在溶劑型涂料中的作用和分散機理 , 同時分析了影響鈦白粉在溶劑型涂料中分散性的因素 , 并提出尋求一種改善鈦白粉在溶劑型涂料中分散性的新途徑。

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