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鈦白粉的分散機(jī)理

鈦白粉主要用于造紙、油墨、塑料、涂料等行業(yè),在使用過程中對鈦白粉的性能要求較為嚴(yán)格,尤其是鈦白粉的分散性能,各應(yīng)用體系對其格外關(guān)注。若鈦白粉的分散性能較差,不能完全體現(xiàn)出鈦白粉的高白度、高遮蓋等性能,在粉末涂料中會影響整體分散效果,嚴(yán)重甚至?xí)?dǎo)致粉末涂料含有顆粒、產(chǎn)生沉淀等。通過各種控制手段,提高鈦白粉的分散性,有利于粉末涂料生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)質(zhì)量。
目前,國內(nèi)外對于鈦白粉分散性能的研究較少,大都停留在實(shí)驗(yàn)室階段,對生產(chǎn)的導(dǎo)向作用極少,而且對于分散機(jī)理的研究少之又少,對其分散好壞沒有進(jìn)行系統(tǒng)論述,其影響效果一直沒有明確定論。下列針對鈦白粉在水性體系中的分散效果及影響因素進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
本實(shí)驗(yàn)材料主要為鈦白粉,根據(jù)不同的影響因素選取相應(yīng)性質(zhì)的鈦白粉原料,所用水為去離子水,pH值調(diào)整劑選用0.1 mol/L的硫酸和氫氧化鈉溶液,涉及到的分散劑選用分析純,并用去離子水配制成0.1mol/L。其他設(shè)備還有pH值計(jì)、熒光光譜分析儀、粒度分布儀、黏度計(jì)等。
1.2 實(shí)驗(yàn)步驟
(1)取適量鈦白粉分成5份,在氣流粉碎機(jī)上粉碎不同的時(shí)間,讓其粒度產(chǎn)生差異,然后將這5份鈦白粉分別配制成700 g/L的溶液,充分分散后測量黏度并記錄。
(2)取8份鈦含量不同的鈦白粉,分別檢測其產(chǎn)品的組分,然后將這8份鈦白粉分別配制成700 g/L的溶液,充分分散后測量黏度并記錄。
(3)取10份去離子水,分別用硫酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)制成pH值=2、3、4……11的溶液,保持其總體積相同,然后分別加入相同質(zhì)量的鈦白粉配制成700g/L的溶液,充分分散后測量黏度并記錄。
(4)取9份相同的鈦白粉配制成濃度為700 g/L的鈦白粉溶液,分別加入硅酸鈉分散劑,加量分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%,并做一個(gè)空白對照,充分分散后測量黏度并記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 粒度實(shí)驗(yàn)
將鈦白粉進(jìn)行氣流粉碎后其粒度隨著粉碎時(shí)間的延長而降低,對產(chǎn)品進(jìn)行粒度分布的測試,結(jié)果見圖1。

對上述5份鈦白粉配制成相同濃度的溶液后測量結(jié)果見圖2。

從圖1中看出,樣品1到樣品5的粒度分布逐漸變寬,并且峰值粒度也逐漸變大,因此,樣品1到樣品5的平均粒度逐漸變大。從圖2中可以看出,鈦白粉的黏度與產(chǎn)品粒度呈正相關(guān)的關(guān)系,即產(chǎn)品的粒度越大,黏度越大,分散性越差。樣品1與樣品2的黏度相差較小,從樣品3之后產(chǎn)品黏度增加幅度較快,這就說明,在粒度較小的情況下產(chǎn)品的分散性差異較小,隨著產(chǎn)品粒度的增加,分散性的差異逐漸顯現(xiàn)出來,并呈指數(shù)型增加。
2.2 含鈦量實(shí)驗(yàn)
鈦白粉中含量最多的物質(zhì)是二氧化鈦,最高含量可達(dá)99%,通常情況下顏料級鈦白粉的二氧化鈦含量在85%~95%。二氧化鈦含量是鈦白粉主要的指標(biāo)之一,含鈦量越高,鈦白粉的白度性能越好,但相應(yīng)成本就越高,不同的應(yīng)用體系含鈦量也有不同的要求。將不同含鈦量的鈦白粉進(jìn)行檢測后配制成相同濃度的溶液,充分分散后測量黏度,其結(jié)果見圖3。

從圖3中可以看出,隨著鈦含量的升高,產(chǎn)品的黏度出現(xiàn)下降趨勢,即鈦白粉中二氧化鈦含量越高,產(chǎn)品的分散性越好。當(dāng)產(chǎn)品中鈦含量在90%以下時(shí),產(chǎn)品黏度的變化較大,而當(dāng)鈦含量增加到90%以上時(shí)變化幅度較小,因此,高二氧化鈦含量雖然在一定程度上有提高產(chǎn)品分散性的好處,但是當(dāng)鈦含量升高到90%以上時(shí)其提升效果不太明顯。
2.3 pH值實(shí)驗(yàn)
在鈦白粉的應(yīng)用中,經(jīng)常將鈦白粉置于不同pH值下進(jìn)行分散,如在造紙過程中會將鈦白粉分散于堿性環(huán)境中,而在乳膠漆體系中也有將鈦白粉分散于弱酸性的環(huán)境。將相同的鈦白粉置于不同的pH值中,在水性體系的相同濃度下測量黏度,得到的結(jié)果見圖4。

從圖4中可以看出,在相同的濃度下pH值與鈦白粉的黏度呈“U”型關(guān)系,即在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境下鈦白粉的分散性極差,在堿度適中時(shí)鈦白粉的分散性較好。該鈦白粉在pH值=5.2時(shí)表現(xiàn)出極好的分散效果,隨著pH值的升高,黏度增加極快,當(dāng)pH值增加到12時(shí),黏度接近1 900 mPa · s。在強(qiáng)酸性環(huán)境下,鈦白粉的分散性要比強(qiáng)堿性環(huán)境好,當(dāng)pH值=4.2時(shí)黏度僅為508 mPa · s。因此,鈦白粉在酸性條件下要比堿性環(huán)境分散性好,尤其是在弱酸性環(huán)境下分散性最好。
2.4 分散劑實(shí)驗(yàn)
分散劑是提高分散性能的重要手段,在鈦白粉行業(yè)中常用的分散劑有六偏磷酸鈉、硅酸鈉等,可根據(jù)不同的場合選擇使用。圖5是用硅酸鈉作為分散劑研究對分散性能的影響。

從圖5中可以看出,分散劑的加入能有效降低鈦白粉的黏度,提高分散性能,尤其是分散劑加量在0.2%以內(nèi)時(shí)能迅速降低黏度,當(dāng)分散劑加量繼續(xù)增加時(shí),黏度降低的幅度下降,效果不太明顯。這主要是由于0.2%左右的分散劑足以分散700 g/L的鈦白粉,再進(jìn)一步增加分散劑不會對分散效果進(jìn)一步提升。

3 機(jī)理分析
通過對以上實(shí)驗(yàn)可總結(jié)出以下分散機(jī)理。
(1)鈦白粉的分散過程就是大塊顆粒變成小塊顆粒的過程,當(dāng)鈦白粉的顆粒足夠小時(shí),就是分散性能較好的時(shí)刻。鈦白粉的顆粒較大,其分散需要一定的外力才能將大顆粒變成小顆粒,這些外力包括外加動力、溶解力、分子氫鍵等,而這些外力與顆粒的大小成正比,顆粒越大,需要的外力越大,在相同的情況下大顆粒的分散性能就越差。
(2)鈦白粉中鈦含量是重要的指標(biāo)之一,鈦元素可表現(xiàn)出較多的性能,其中之一是親水性。鈦元素表面有較多的不飽和鍵,可與水分子形成較多的氫鍵,生成鈦元素的水合物。這種物質(zhì)的存在能使鈦白粉與水的親和力加強(qiáng),從而增加鈦白粉的分散性。
(3)當(dāng)鈦白粉體系中pH值改變,其實(shí)就是改變了體系的電位值,而鈦白粉本身具有一定的Zeta電位,當(dāng)溶液中電位與鈦白粉本身的Zeta電位相符合時(shí)鈦白粉的分散性能就加強(qiáng),這是電子相互排斥的結(jié)果。當(dāng)兩電位相同時(shí)產(chǎn)生較大的斥力,使得水分子與鈦白粉分子相互排斥,兩者有遠(yuǎn)離的趨勢,從而加大了兩者的間距,實(shí)現(xiàn)在混合體系中的分散。
(4)分散劑的加入可以改變?nèi)芤褐懈骷象w的電性,如陰離子分散劑,可以使得溶液中分子表面荷負(fù)電,從而實(shí)現(xiàn)在斥力作用下分散;而當(dāng)分散劑添加量過多時(shí),荷負(fù)電的物質(zhì)反而會產(chǎn)生團(tuán)聚,使得顆粒變大,分散效果不明顯。

來源:山東道恩鈦業(yè)

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