鈦白粉在水性溶劑中的水分散性機理

鈦白粉在水性溶劑中的水分散性機理

0鈦白粉在水性涂料中的應用在環(huán)境越來越受到重視的今天，水性涂料深受人們的喜愛。鈦白粉作為一種優(yōu)質(zhì)的白色顏料,已廣泛地用于涂料中。水分散性是鈦白粉在水性涂料中一個很重要的應用性能指標,它的優(yōu)劣直接影響涂料的遮蓋力和顏料的其他性能。目前,對于鈦白粉水分散性機理的探討,尚未見系統(tǒng)的報道。本文從鈦白粉表面性質(zhì)出發(fā),通過定性試驗和實驗數(shù)據(jù),推斷出鈦白粉在水中分散時的潤濕類型,同時應用雙電層理論對分散機理進行分析,為改善鈦白粉的水分散性提供了理論依據(jù)。1鈦白粉的表面特性1.1鈦白粉的表征鈦白粉煅燒所得的原級粒子很小,具有很高的比表面能,極不穩(wěn)定,在高溫下會很快地團聚,形成較大粒子的亞穩(wěn)態(tài)。對于一定量的鈦白粉而言,粒子愈小,原級粒子之間的引力愈強,粒子更易團聚。目前,采用儀器測定的鈦白粉平均粒徑多數(shù)是二級粒子的粒徑(一般為0.2～0.4μm),表面的能量仍然較高,繼續(xù)團聚,以此來降低表面能量,達到準穩(wěn)定狀態(tài)。因此,鈦白粉在單相中的易團聚現(xiàn)象,是討論其水分散性的前提。1.2多羥基復合皮在水性溶劑中,鈦白粉呈現(xiàn)高度的分散性。其原因是:一方面,鈦白粉表面有很多羥基,它能夠吸附極性離子,使固體表面帶有相同的電荷,因同種電荷排斥而分散;另一方面,粒子的比表面能很大,表面收縮而降低表面能,使分散體系穩(wěn)定化。正是鈦白粉在水中的高度分散性,使它能夠在水性涂料中得以廣泛的應用。2取代的過程過程所謂潤濕是指固體表面的氣體被液體取代的過程。鈦白粉在水性溶劑中能否自行分散,首先要判斷它在水性溶劑中潤濕的難易程度和潤濕性能的優(yōu)劣。2.1潤濕性能觀察稱取1.0g銳鈦型鈦白粉試樣,迅速倒入一個口徑為15cm盛滿水的表面皿內(nèi),觀察團聚的鈦白粉試樣在水中的潤濕性能。團聚的鈦白粉試樣接觸到水時,迅速潤濕并進行擴展,表明鈦白粉顆粒表面的氣體能夠完全被水取代而浸漬潤濕,潤濕性能良好。2.2鈦白粉用于水性溶劑的潤濕過程鈦白粉在水性溶劑中的潤濕過程是改變其顏料表面性能、改變其極性、降低液-固之間界面張力的過程。其潤濕過程受以下幾個因素影響。2.2.1粒子粒徑檢測煅燒產(chǎn)生的鈦白粉原級粒子受晶體表面能的作用聚集成二級粒子,通過電子顯微鏡觀察到其形狀各異、不規(guī)則,并通過統(tǒng)計方法檢測出其平均粒徑約為0.2～0.4μm。因此,這種因素對潤濕性的影響是一個恒定值。2.2.2包膜處理的必要性表面處理能夠改變鈦白粉的表面特性,從而大大影響潤濕過程。對于一些低檔次的銳鈦型鈦白粉,若表面不經(jīng)過任何處理,則對潤濕性的影響是一個恒定值;對高檔次的金紅石型鈦白粉卻需進行包膜處理來改變其表面特性,提高應用性能。因此,表面處理方式對潤濕性的影響也可看作一個恒定值。2.2.3潤濕劑濃度對其分散劑的影響根據(jù)潤濕效率公式可以發(fā)現(xiàn),降低溶劑粘度可提高潤濕效率。例如,在25℃,水的粘度為0.8937cP,當加入一定濃度的潤濕劑時,會降低水的粘度,此時潤濕效率提高,但是潤濕劑的加入可能會影響其分散過程或者分散穩(wěn)定化程度。因此,對于鈦白粉在水性溶劑中潤濕時,一般不加入任何潤濕劑,均可達到浸漬潤濕。3鈦白粉在水性溶劑中的分散過程3.1分散鈦白粉時對含鈦白粉的分散大量研究表明,鈦白粉表面有很多極性的羥基,若水中不加任何分散劑,鈦白粉在水中分散時會吸附大量的極性基團;若加入一定濃度的高分子分散劑,此時高分子分散劑吸附在鈦白粉顆粒表面,使得吸附層厚度增加,表面特性改變。3.2雙電層理論解釋鈦白粉在水性溶劑中的分散過程通過檢測鈦白粉在水中的ζ電位,發(fā)現(xiàn)銳鈦型鈦白粉在pH值為6.8左右時,ζ電位約為-36mV,表明鈦白粉表面帶有電荷,而且電負性較強。那么根據(jù)雙電層理論解釋鈦白粉在水性溶劑中的分散過程合乎事實,有一定的科學依據(jù)。實際上,鈦白粉在水性溶劑中分散的過程是雙電層形成的過程。當鈦白粉接觸溶劑表面,瞬間浸漬潤濕,其表面吸附一層相反電荷,構(gòu)成了雙電層。這種雙電層可以看作是四周被同一電荷所包圍的粒子,當布朗運動使兩個粒子靠近時,電荷濃度發(fā)生變化,電荷產(chǎn)生斥力,當這種斥力大于范德華引力時,則粒子分開,體系處于分散穩(wěn)定狀態(tài)。4影響水分散度的因素4.1粒度與水分散性關系鈦白粉的粒度分布能夠表征鈦白粉粒子的均勻程度,也能夠粗略定量地判斷出粗細粒子的分布比例。通過大量的實驗和成品粒度與水分散性關系的統(tǒng)計得出:在鈦白粉粒度分布正態(tài)圖中,當峰寬在0.1μm左右時,水分散性一般能夠達到85%以上;當粗粒子(即粒徑大于0.5μm)的比例大于10%時,就足以影響鈦白粉的水分散性。因此,鈦白粉的粒度分布情況是影響其水分散性的一個重要因素。4.2鈦白粉的分散機理一般情況下,鈦白粉的吸水量越低,它的應用性能越好。當鈦白粉吸入較多的水分時,它與表面的羥基結(jié)合,削弱表面電負性,使得兩相中的高分散性減弱,同時分散穩(wěn)定性也降低。因此,鈦白粉吸水量的大小也影響其水分散性。4.3鈦白粉的水分散性鈦白粉的油分散性,是涂料和色母粒一個很重要的應用性能指標。通過大量的實驗表明,具有很高油分散性的鈦白粉,它的水分散性較差。因此,對于這種鈦白粉,可作為不同種類的專用產(chǎn)品,來滿足不同行業(yè)和客戶的需要。4.4分散方式對水性涂料性能要求高鈦白粉水分散性能的優(yōu)劣,還與其分散設備息息相關。目前,市場上分散設備種類很多,如高速分散機、剪切機、砂磨機和超聲分散儀等,對于要求不高的水性涂料,一般的分散設備都能夠滿足要求;對一些特殊的水性涂料,必須借助特殊的分散設備(如砂磨機等),它分散效果好,分散體系穩(wěn)定,不過成本相應提高。4.5分散劑的分散影響鈦白粉水分散性的因素較多,例如:分散劑、分散劑濃度、分散時間以及分散設備的強度等。在實際應用中,應根據(jù)各種產(chǎn)品質(zhì)量的標準,選出適合本產(chǎn)品的分散穩(wěn)定體系。5鈦白粉的后處理通過上述對鈦白粉水分散性的機理探討和影響因素的分析,可從以下幾個方面改進其水分散性:第一,鈦白粉的粒徑應盡可能的均勻;鈦白粉后處理可選用氣流粉碎機、萬能磨、旋風分離器以及錘磨設備等;控制粒徑的大