塑料專用鈦白粉的有機處理劑的制備及性能研究

塑料專用鈦白粉的有機處理劑的制備及性能研究

鈦白粉（二氧化鈦）是最重要的白色涂料之一，廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、造紙、油漆、合成纖維等領(lǐng)域。塑料作為鈦白粉的第二大用戶,除了利用它的高遮蓋力、高著色力及其他顏料性能之外,它還能提高塑料制品的耐熱、耐光、耐候性。但是,未經(jīng)表面處理的鈦白粉含有大量的表面羥基,具有強極性,易團聚,影響其在應(yīng)用體系中的分散,最終影響塑料制品的質(zhì)量。只有在充分分散之后,才能達到最佳的使用效果。目前,鈦白行業(yè)通常采用硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑等對鈦白粉進行表面處理,偶聯(lián)劑含有兩個不同性質(zhì)的基團,一個是親水基團,與無機物有較好的相容性;另一個是親油的有機基團,與有機物具有較好的相容性,從而達到提高鈦白粉的親油性。但是在這種處理方法下,鈦白粉與偶聯(lián)劑之間作用力不強,并且混合的均勻性差,不能充分發(fā)揮偶聯(lián)劑的作用。本研究通過偶聯(lián)劑的水解基團水解,水解后的一端可與鈦白粉的表面羥基進行縮合反應(yīng),使偶聯(lián)劑與鈦白粉之間形成分子鍵作用力,大大改善鈦白粉與有機物之間的界面作用。此種方法處理后的鈦白粉與塑料之間的相容性更好,分散性能和著色力得到有效的提高。1實驗部分1.1有機處理劑及標(biāo)準(zhǔn)金紅石型鈦白粉:工業(yè)級,攀鋼集團鈦業(yè)有限公司;硅烷偶聯(lián)劑A、B:市售;專用鈦白粉有機處理劑(硅烷偶聯(lián)劑)C:市售;低密度聚乙烯:50A,北京燕山石化公司;聚乙烯蠟:北京化工大學(xué)精細化工廠。1.2橡塑設(shè)備開發(fā)雙螺桿擠出機:TSSJ,成都晨光眾益科技有限公司;橡膠試驗密煉機:上?？苿?chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司;積分球式分光光度儀:SP60系列,美國愛色麗股份有限公司;紅外光譜儀:TENSOR27,瑞士布魯克光譜儀器公司;掃描電子顯微鏡(SEM):JSM-5900LV,日本電子株氏會社。1.3工藝路線1.3.1表面處理劑采用不同的表面處理劑,加入一定量的異丙醇溶液(醇/水的體積比為1/4)進行水解,并加入醋酸調(diào)節(jié)pH至4.5～5.5,得到水解后的表面處理劑。先將未經(jīng)有機表面處理的鈦白粉加水打漿分散,再加入計量的表面處理劑,攪拌30min,干燥、研磨后進行氣流粉碎,得到有機表面處理后的鈦白粉。1.3.2用于色母粒的加工和準(zhǔn)備色母粒的加工采用以下配方:TiO230g,LDPE60g,聚乙烯蠟10g。色母粒的制備工藝流程如圖1所示。1.4測定指標(biāo)及方法毛細管法:通過毛細管法考察鈦白粉的親油性能。為了方便裝填鈦白粉以及讀取液位高度讀數(shù),本文以5mL移液管代替毛細管。在移液管的底端用脫酯棉進行密封,加入3g鈦白粉,將低端浸入丙酮溶液,每隔2min讀取液位高度。得出液面高度-時間關(guān)系曲線。IR測試:將鈦白粉和KBr壓片后測試,考察經(jīng)有機處理后的鈦白粉是否含有特征官能團。SEM測試:將不同鈦白粉所制備的色母粒以質(zhì)量分數(shù)2%的比例加入到PE樹脂中并注塑成樣條,用液氮淬斷,取其斷面進行SEM分析,觀察鈦白粉在樹脂中的分散性。著色力測試:將雙螺桿擠出的色母粒采用平板硫化機壓片,用分光光度儀檢測其白度。轉(zhuǎn)矩流變儀測試:將300g鈦白粉、600gLDPE混合均勻后,加入橡膠密煉機,在160℃、30r/min的條件下進行檢測,考察有機處理劑對鈦白粉在樹脂中的分散性及加工性能的影響。2結(jié)果與討論2.1a處理鈦白粉表面羥基自由基活性采用動態(tài)毛細管法測試單位時間(t)內(nèi)毛細管內(nèi)液面上升的高度(h),結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,不同的有機處理劑處理后的鈦白粉在單位時間內(nèi)液面上升的高度不同。這是因為,未經(jīng)有機處理的鈦白粉表面帶有大量的羥基,呈親水性;而經(jīng)過有機處理后,有機處理劑親水基團與鈦白粉的表面羥基相結(jié)合,其親油基團包覆在鈦白粉的表面,提高了鈦白粉的親油性能。從圖2可知,偶聯(lián)劑A處理后的鈦白粉的h-t關(guān)系圖斜率最小,表示其效果最好。由于鈦白粉表面可與偶聯(lián)劑結(jié)合的羥基數(shù)有限,并且大量添加處理劑會增加生產(chǎn)成本,所以考察偶聯(lián)劑A的不同加量對鈦白粉親油性能的影響,結(jié)果如圖3所示。隨著偶聯(lián)劑A含量的增加,鈦白粉的親油性呈增高趨勢,但是質(zhì)量分數(shù)達到0.5%以后趨于穩(wěn)定,說明此時偶聯(lián)劑A已經(jīng)將鈦白粉表面是羥基全部結(jié)合完,因此0.5%為最佳用量。2.2鈦白粉亞甲基、酯基的分布圖4為IR測試結(jié)果。由圖4可知,與未經(jīng)處理的鈦白粉相比較,經(jīng)有機處理后的鈦白粉在2909.8cm-1處出現(xiàn)了亞甲基的特征峰,在1714.6cm-1處出現(xiàn)了酯基的特征峰。由此可以證明,有機處理劑與鈦白粉的表面羥基結(jié)合生成酯基,并包覆在鈦白粉的表面。2.3分散性的影響分散性指顏料在被著色介質(zhì)中的分散能力。鈦白粉的顆粒以原生粒子、凝聚體和團聚體三種形式存在。鈦白粉在塑料中的分散,就是團聚體被破碎成為聚集體和原生粒子,新生成粒子繼而穩(wěn)定的過程。分散性對鈦白粉在塑料中的應(yīng)用性能具有重要影響。一般情況下,鈦白粉顆粒越細,分散性越高,其著色力和遮蓋力越強。這是由于細化的鈦白粉具有更大的比表面積,對光的散射增強的結(jié)果。圖5分別顯示未經(jīng)有機處理的鈦白粉和經(jīng)處理劑A處理后的鈦白粉在PE樹脂中的分散狀態(tài),從圖5可以看出,經(jīng)處理劑A處理后的鈦白粉與PE基體樹脂之間的邊界層模糊,結(jié)合較好,鈦白粉分散相粒徑較小,分散均勻。2.4不同處理對鈦白粉色母粒酸度的影響色母粒的白度主要受鈦白粉白度和鈦白粉在樹脂中的分散性兩大因素影響,若鈦白粉的白度好,并且在樹脂中的分散性好,則所制備出的色母粒白度高。從表1可以看出,處理劑對產(chǎn)品白度的影響較大,但是處理后的鈦白粉所制得的色母粒白度都比未處理的好,這說明處理后的鈦白粉分散性有所提高。其中處理劑A處理后的鈦白粉月度指數(shù)L*值最高,色度系數(shù)b*值最低,表明這種有機處理劑最為適合處理塑料專用鈦白粉。2.5流動性能的影響經(jīng)偶聯(lián)劑處理后鈦白粉具有較好的親油性能,可以改善樹脂的加工流動性能,圖6是不同有機處理對鈦白粉流動性能的影響曲線。從圖6中的曲線可以直觀地看出色母粒的加工性能。隨著色母粒體系開始塑化,體系的扭矩增大,塑化完全即達到最大扭矩,隨后扭矩開始下降,并趨于平衡,即平衡扭矩。處理劑A處理后的鈦白粉在加工過程最大扭矩和平衡扭矩值最小,表明體系黏度低,鈦白粉在樹脂重的分散性好,加工