金紅石二氧化鈦粗品最佳分散條件的研究

1、金紅石二氧化鈦粗品最佳分散條件的研究曾瑞無錫豪普鈦業(yè)有限公司摘 要 金紅石TiO2粗品在包膜前分散的狀態(tài)決定了其包膜的均勻度，因此研究金紅石粗品的最佳分散條件具有重要的意義。本文從機理上闡述了分散劑在TiO2分散過程中所起的作用，采用Zeta電位的表征方法試驗研究了不同分散劑及分散條件對TiO2漿料電位的影響，并研究了分散劑的加入對后續(xù)包膜過程的影響。關鍵詞 金紅石TiO2 粗品 分散 表面活性劑 包膜Study on best disperser condition of rutile titanium dioxideZeng ruiWuxi Four-pole Titanium Indus

2、try Co.Ltd.Abstract The rutile titanium dioxide the condition which dispersed in before treatment has decided its treatment uniformity, therefore the research rutile titanium dioxide best disperser condition had the vital significance. This article elaborated from the mechanism the dispersing agent

3、in the TiO2 disperser process the institute function,uses the Zeta potential the attribute method experimental study different dispersing agent and the disperser condition to the TiO2 zeta electric potential influence, and has studied dispersing agent joining to the following package membrane proces

4、s influence.Keyword rutile titanium decentralization surface active agent treatment1 引言在金紅石二氧化鈦的生產工藝中，后處理技術占有非常重要的地位，在進行包膜前，必須使二氧化鈦粗品顆粒形成良好的單分散狀態(tài)，才能有利于后續(xù)的包膜均勻性和致密性。因此研究如何改善金紅石二氧化鈦粗品在水溶液中的分散具有重要意義。2 分散過程與分散劑的作用2.1 潤濕在TiO2水漿料中加入潤濕劑，可降低固液界面張力，減少接觸角，從而提高潤濕效率、潤濕速度。由于空氣被載體所代替，降低了粒子間的吸引力，這樣減少了在以后加工過程中分散所需能

5、量和粒子再絮凝現象，便于以后的分散。2.2 分散當TiO2團聚體受到機械力作用(如攪拌等)，會產生微縫，但它很容易通過自身分子力的作用而愈合。當分散介質中有表面活性劑存在時，表面活性劑分子自動地滲入到微細裂縫中、吸附在粉體表面上，如同在裂縫中打人一個“楔子”，起著一種劈裂作用，使微裂縫無法愈合，并且在外力作用下加大裂縫或分裂成碎塊 如果表面活性劑是離子型的，它吸附在固體顆粒表面上，使顆粒具有相同的電荷，互相排斥就可促進顆粒在液體中的分散。2.3 穩(wěn)定在金紅石TiO2后處理工藝中如何使粉體在水中保持穩(wěn)定的的分散狀態(tài)是非常關鍵的。長程作用力是分散體系中顆粒間的主要作用。主要的長程作用力有范德華分子

6、作用VA、靜電排斥作用Vel、因吸附層而產生的位阻效應VR，因水化膜的存在而產生的水化膜作用VS等。由以上4種作用構成的總作用能為V=VA+Vel+VR+VS。 一般DLVO理論1只考慮VA和Vel。實際上，如果顆粒表面吸附有高分子膜或有機疏水膜，吸附膜之間的作用以及因吸附膜存在對溶劑結構的影響，有時會成為決定性的因素2。分散體系的穩(wěn)定在于提高斥力，降低顆粒間引力，提高總勢能位壘Vmax阻止顆粒聚集。上述穩(wěn)定作用往往是通過添加表面活性劑來實現的。在分散穩(wěn)定過程發(fā)生作用的表面活性劑叫做分散劑，表面活性劑吸附在顆粒表面上形成厚度的吸附層，當吸附層有適當的Hamaker常數值，可降低VA，增加分散體

7、系的穩(wěn)定，并隨著吸附層越厚，VA值越小，膠體越穩(wěn)定。加入與顆粒表面電荷相同的離子表面活性劑，則吸附會導致表面動電位增大，穩(wěn)定性提高；加入與顆粒表面電荷相反的離子表面活性劑，則其吸附會導致表面動電位下降，穩(wěn)定性減少。當吸附表面活性劑形成厚度為的吸附層時顆粒的有效半徑從增加到+，使斥力位能增大。加入離子表面活性劑改變分散介質的離子強度及介電常數，因而改變雙電層厚度而導致改變。熵和滲透排斥效應都預示了分散體系的穩(wěn)定性隨吸附層的厚度而增加。吸附膜厚度一般隨分子量(聚合的程度)而增加。在實際情況中并不是在任何情況下都是分子量越大對穩(wěn)定有利，通常都存在著一個臨界分子量范圍。對于所選擇的聚合物，水應是良溶劑

8、，這樣可使線團狀的高分子活性物充分展開，獲得較厚的吸附層。當水是可溶性差的溶劑時，水與鏈節(jié)之間的親合力很小，吸附層重疊時，鏈節(jié)會發(fā)生相互吸引，自由能減少而導致發(fā)生聚集。表面活性劑吸附在顆粒表面能增強顆粒的親水性，通過吸附增大水化膜厚度和強度，從而增加水化膜排斥能。3 試驗部分3.1原料、試劑及儀器本研究采用的二氧化鈦為國內廠家硫酸法生產的金紅石粗品，經激光粒度儀測試平均粒徑為0.45um。所用到的試劑：H2S04、NaOH為分析純；六偏磷酸鈉(LPL)、2一膦酸丁烷一1，2，4-三羧酸(PBTCA)、聚甲基丙烯酸銨（PMAA）為工業(yè)級。實驗中用到的儀器設備有：PHS一3C精密pH計、美國Col

9、loidal Dynamics公司的ZetaProbe、JL-1177激光粒度儀、YT一125高速分散機。3.2試驗方法將一定量金紅石二氧化鈦粗品加入蒸餾水中，配成一定23%（wt%）的懸浮液，在高速分散機中1500轉/min轉速下分散30min，調整漿料PH值后，加入一定量的分散劑，再用高速分散機分散15min。將配好的漿料放入ZetaProbe電位儀中測定顆粒表面Zeta電位(Zeta電位測試重復測3次，誤差小于5 ，再將3個數據平均即得)。金紅石TiO2粗品包硅試驗取800ml濃度為23%的金紅石TiO2粗品漿料，用15NaOH調節(jié)pH至l0，然后將漿料移至85水槽中，并在隨后保持859

10、5；在快速攪拌情況下，加入一定量的分散劑；攪拌20min后，在l小時內緩慢加入約24ml濃度100g/l（以SiO2計）的硅酸鈉，并同時用10H2SO4,調節(jié)pH值，使其保持在9l0。加料完畢后，陳化120min后立即進行真空抽濾、并多次洗滌至濾液pH大約為7左右，把濾餅在105下烘干24小時，充分研磨粉碎得樣品。將該樣品進行硅含量的測定，從分析結果來判斷分散劑對SiO2的沉積影響。3.3試驗結果及討論pH對二氧化鈦懸浮液分散穩(wěn)定性的影響圖1為23%（wt%）的金紅石粗品懸浮液在未加入分散劑的情況下，初始PH值由6.87調整到12的過程中漿料Zeta電位值的變化。從圖1反映出硫酸法生產的金紅石

11、粗品在水中分散的Zeta電位均為負值，這與其鹽處理劑的成分和加量有關；當漿料PH值達到10.82時，漿料的Zeta電位絕對值達到最大，此時的TiO2粒子處于分散良好的狀態(tài)。在工業(yè)應用中，一般可使懸浮液pH值控制在10l1之間。圖1 不同PH下TiO2漿料的Zeta電位值關于無機粉體水漿料的分散劑大致可分為3類：無機類、有機類、高分子類。無機類有聚磷酸鹽（如六偏磷酸鈉），有機類分為3種：陰離子型、非離子型、陽離子型。高分子類有聚羧酸鹽、聚丙烯酸衍生物、順丁烯二酸酐共聚物、縮合萘磺酸鹽、非離子型水溶性高分子(聚乙烯吡咯酮、聚醚衍生物)等。在實際應用中，表面活性劑對粉體表面性質的調節(jié)作用不可能是單一

12、的，它們往往以某種調節(jié)作用為主，同時兼有其他調節(jié)作用，這就需要通過理論計算、針對性實驗，對表面活性劑的種類、濃度等加以確定。圖2為不同分散劑在固定加量0.5%（按TiO2質量計）下，不同PH值時漿料的電位值。添加0.5%的LPL時，可使?jié){料的電位一直保持在負值，從電位的數值上看，當PH為10左右時，漿料可達到較好的分散狀態(tài)。添加0.5%PBTCA可使?jié){料的等電點移至pH=0.67。PBTCA離解后生成帶負電荷的陰離子，這種陰離子在TiO2表面的特征吸附可使表面負電量增加，從而使等電點向酸性范圍移動。從圖2看出當pH=10時電位絕對值最大，此時粉體間有較強的靜電排斥力，該范圍內制得的漿料穩(wěn)定性較

13、強。分散劑PMAA是一種陰離子高分子聚電解質，它吸附在TiO2顆粒表面，一方面，具有一定長度的高分子鏈可起空間穩(wěn)定作用；另一方面，PMAA電離出羧基負離子，當其吸附在TiO2顆粒表面時，有利于增加顆粒表面的負電荷，使Zeta電位增大，增強粒子間的靜電排斥力。體系pH值對PMAA的分子形態(tài)和電離程度有很大的影響3，當pH>8.5時，PMAA的電離度接近于l，鏈節(jié)帶有較多的負電荷，隨pH值的降低，PMAA的電離度降低，鏈節(jié)所帶的負電荷下降；當pH值為3.4時，PMAA的電離度接近于0，鏈節(jié)所帶電荷為零。圖2中，pH值在9.0l0.5之間，懸浮液電位值最大，這時聚電解質幾乎完全電離，帶負電荷的

14、聚電解質吸附在TiO2顆粒的表面，使顆粒電位增大，顆粒間斥力增大。pH值低時，PMAA的電離度低，同量聚電解質所帶的負電荷數量少，吸附PMAA后的Ti02顆粒的電位較低，顆粒間斥力較少；pH值過高時，懸浮液的離子濃度增加，高離子強度壓縮了顆粒表面的雙電層厚度，從而降低了Zeta電位。在配制分散穩(wěn)定的無機粉體水漿料時，分散劑的量并非越多越好，它有一最佳值。通過研究發(fā)現，隨粉體固含量的不同，分散劑有其最佳的用量范圍，一般固含量提高，分散劑用量隨粉體固含量的增加而增加，進一步提高固含量，顆粒間距離減小，排斥力增加，分散劑用量有下降趨勢。對不同尺寸的粉體，顆粒越細，其比表面越大，形成穩(wěn)定漿料所需的分散

15、劑量越多。電位。從圖3的結果可以明顯看出PMAA的分散效果最好，它可使?jié){料的電位絕對值達到最大，且其加量范圍為：0.2%0.3%。分散劑是通過吸附在顆粒表面產生足夠高的位壘，使顆粒分散開來，分散劑的吸附是否會對后續(xù)的無機氧化物的成膜包覆造成影響也是金紅石粗品分散研究的一個重要內容。通過包硅實驗來檢驗分散劑對無機物沉積率的影響，試驗結果如圖4所示：從圖4的結果來看，LPL、PBTCA、PMAA三種分散劑對SiO2包覆均沒有影響，使用PMAA分散劑甚至可以提高SiO2的沉積率。4結論1、濃度為23%（wt%）的金紅石粗品TiO2漿料包膜前較佳的分散條件是：漿料PH值1011，分散劑PMAA的加量為0.2%0.3%。2、在上述分散條件下對金紅石后續(xù)包膜沒有任何影響。參考文獻1聶福德，李鳳生，宋洪