金红石二氧化钛粗品最佳分散条件的研究

1、金红石二氧化钛粗品最佳分散条件的研究曾瑞无锡豪普钛业有限公司摘 要 金红石TiO2粗品在包膜前分散的状态决定了其包膜的均匀度，因此研究金红石粗品的最佳分散条件具有重要的意义。本文从机理上阐述了分散剂在TiO2分散过程中所起的作用，采用Zeta电位的表征方法试验研究了不同分散剂及分散条件对TiO2浆料电位的影响，并研究了分散剂的加入对后续包膜过程的影响。关键词 金红石TiO2 粗品 分散 表面活性剂 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 引言在金红石二氧化钛的生产工艺中，后处理技术占有非常重要的地位，在进行包膜前，必须使二氧化钛粗品颗粒形成良好的单分散状态，才能有利于后续的包膜均匀性和致密性。因此研究如何改善金红石二氧化钛粗品在水溶液中的分散具有重要意义。2 分散过程与分散剂的作用2.1 润湿在TiO2水浆料中加入润湿剂，可降低固液界面张力，减少接触角，从而提高润湿效率、润湿速度。由于空气被载体所代替，降低了粒子间的吸引力，这样减少了在以后加工过程中分散所需能

5、量和粒子再絮凝现象，便于以后的分散。2.2 分散当TiO2团聚体受到机械力作用(如搅拌等)，会产生微缝，但它很容易通过自身分子力的作用而愈合。当分散介质中有表面活性剂存在时，表面活性剂分子自动地渗入到微细裂缝中、吸附在粉体表面上，如同在裂缝中打人一个“楔子”，起着一种劈裂作用，使微裂缝无法愈合，并且在外力作用下加大裂缝或分裂成碎块 如果表面活性剂是离子型的，它吸附在固体颗粒表面上，使颗粒具有相同的电荷，互相排斥就可促进颗粒在液体中的分散。2.3 稳定在金红石TiO2后处理工艺中如何使粉体在水中保持稳定的的分散状态是非常关键的。长程作用力是分散体系中颗粒间的主要作用。主要的长程作用力有范德华分子

6、作用VA、静电排斥作用Vel、因吸附层而产生的位阻效应VR，因水化膜的存在而产生的水化膜作用VS等。由以上4种作用构成的总作用能为V=VA+Vel+VR+VS。 一般DLVO理论1只考虑VA和Vel。实际上，如果颗粒表面吸附有高分子膜或有机疏水膜，吸附膜之间的作用以及因吸附膜存在对溶剂结构的影响，有时会成为决定性的因素2。分散体系的稳定在于提高斥力，降低颗粒间引力，提高总势能位垒Vmax阻止颗粒聚集。上述稳定作用往往是通过添加表面活性剂来实现的。在分散稳定过程发生作用的表面活性剂叫做分散剂，表面活性剂吸附在颗粒表面上形成厚度的吸附层，当吸附层有适当的Hamaker常数值，可降低VA，增加分散体

7、系的稳定，并随着吸附层越厚，VA值越小，胶体越稳定。加入与颗粒表面电荷相同的离子表面活性剂，则吸附会导致表面动电位增大，稳定性提高；加入与颗粒表面电荷相反的离子表面活性剂，则其吸附会导致表面动电位下降，稳定性减少。当吸附表面活性剂形成厚度为的吸附层时颗粒的有效半径从增加到+，使斥力位能增大。加入离子表面活性剂改变分散介质的离子强度及介电常数，因而改变双电层厚度而导致改变。熵和渗透排斥效应都预示了分散体系的稳定性随吸附层的厚度而增加。吸附膜厚度一般随分子量(聚合的程度)而增加。在实际情况中并不是在任何情况下都是分子量越大对稳定有利，通常都存在着一个临界分子量范围。对于所选择的聚合物，水应是良溶剂

8、，这样可使线团状的高分子活性物充分展开，获得较厚的吸附层。当水是可溶性差的溶剂时，水与链节之间的亲合力很小，吸附层重叠时，链节会发生相互吸引，自由能减少而导致发生聚集。表面活性剂吸附在颗粒表面能增强颗粒的亲水性，通过吸附增大水化膜厚度和强度，从而增加水化膜排斥能。3 试验部分3.1原料、试剂及仪器本研究采用的二氧化钛为国内厂家硫酸法生产的金红石粗品，经激光粒度仪测试平均粒径为0.45um。所用到的试剂：H2S04、NaOH为分析纯；六偏磷酸钠(LPL)、2一膦酸丁烷一1，2，4-三羧酸(PBTCA)、聚甲基丙烯酸铵（PMAA）为工业级。实验中用到的仪器设备有：PHS一3C精密pH计、美国Col

9、loidal Dynamics公司的ZetaProbe、JL-1177激光粒度仪、YT一125高速分散机。3.2试验方法将一定量金红石二氧化钛粗品加入蒸馏水中，配成一定23%（wt%）的悬浮液，在高速分散机中1500转/min转速下分散30min，调整浆料PH值后，加入一定量的分散剂，再用高速分散机分散15min。将配好的浆料放入ZetaProbe电位仪中测定颗粒表面Zeta电位(Zeta电位测试重复测3次，误差小于5 ，再将3个数据平均即得)。金红石TiO2粗品包硅试验取800ml浓度为23%的金红石TiO2粗品浆料，用15NaOH调节pH至l0，然后将浆料移至85水槽中，并在随后保持859

10、5；在快速搅拌情况下，加入一定量的分散剂；搅拌20min后，在l小时内缓慢加入约24ml浓度100g/l（以SiO2计）的硅酸钠，并同时用10H2SO4,调节pH值，使其保持在9l0。加料完毕后，陈化120min后立即进行真空抽滤、并多次洗涤至滤液pH大约为7左右，把滤饼在105下烘干24小时，充分研磨粉碎得样品。将该样品进行硅含量的测定，从分析结果来判断分散剂对SiO2的沉积影响。3.3试验结果及讨论pH对二氧化钛悬浮液分散稳定性的影响图1为23%（wt%）的金红石粗品悬浮液在未加入分散剂的情况下，初始PH值由6.87调整到12的过程中浆料Zeta电位值的变化。从图1反映出硫酸法生产的金红石

11、粗品在水中分散的Zeta电位均为负值，这与其盐处理剂的成分和加量有关；当浆料PH值达到10.82时，浆料的Zeta电位绝对值达到最大，此时的TiO2粒子处于分散良好的状态。在工业应用中，一般可使悬浮液pH值控制在10l1之间。图1 不同PH下TiO2浆料的Zeta电位值关于无机粉体水浆料的分散剂大致可分为3类：无机类、有机类、高分子类。无机类有聚磷酸盐（如六偏磷酸钠），有机类分为3种：阴离子型、非离子型、阳离子型。高分子类有聚羧酸盐、聚丙烯酸衍生物、顺丁烯二酸酐共聚物、缩合萘磺酸盐、非离子型水溶性高分子(聚乙烯吡咯酮、聚醚衍生物)等。在实际应用中，表面活性剂对粉体表面性质的调节作用不可能是单一

12、的，它们往往以某种调节作用为主，同时兼有其他调节作用，这就需要通过理论计算、针对性实验，对表面活性剂的种类、浓度等加以确定。图2为不同分散剂在固定加量0.5%（按TiO2质量计）下，不同PH值时浆料的电位值。添加0.5%的LPL时，可使浆料的电位一直保持在负值，从电位的数值上看，当PH为10左右时，浆料可达到较好的分散状态。添加0.5%PBTCA可使浆料的等电点移至pH=0.67。PBTCA离解后生成带负电荷的阴离子，这种阴离子在TiO2表面的特征吸附可使表面负电量增加，从而使等电点向酸性范围移动。从图2看出当pH=10时电位绝对值最大，此时粉体间有较强的静电排斥力，该范围内制得的浆料稳定性较

13、强。分散剂PMAA是一种阴离子高分子聚电解质，它吸附在TiO2颗粒表面，一方面，具有一定长度的高分子链可起空间稳定作用；另一方面，PMAA电离出羧基负离子，当其吸附在TiO2颗粒表面时，有利于增加颗粒表面的负电荷，使Zeta电位增大，增强粒子间的静电排斥力。体系pH值对PMAA的分子形态和电离程度有很大的影响3，当pH>8.5时，PMAA的电离度接近于l，链节带有较多的负电荷，随pH值的降低，PMAA的电离度降低，链节所带的负电荷下降；当pH值为3.4时，PMAA的电离度接近于0，链节所带电荷为零。图2中，pH值在9.0l0.5之间，悬浮液电位值最大，这时聚电解质几乎完全电离，带负电荷的

14、聚电解质吸附在TiO2颗粒的表面，使颗粒电位增大，颗粒间斥力增大。pH值低时，PMAA的电离度低，同量聚电解质所带的负电荷数量少，吸附PMAA后的Ti02颗粒的电位较低，颗粒间斥力较少；pH值过高时，悬浮液的离子浓度增加，高离子强度压缩了颗粒表面的双电层厚度，从而降低了Zeta电位。在配制分散稳定的无机粉体水浆料时，分散剂的量并非越多越好，它有一最佳值。通过研究发现，随粉体固含量的不同，分散剂有其最佳的用量范围，一般固含量提高，分散剂用量随粉体固含量的增加而增加，进一步提高固含量，颗粒间距离减小，排斥力增加，分散剂用量有下降趋势。对不同尺寸的粉体，颗粒越细，其比表面越大，形成稳定浆料所需的分散

15、剂量越多。电位。从图3的结果可以明显看出PMAA的分散效果最好，它可使浆料的电位绝对值达到最大，且其加量范围为：0.2%0.3%。分散剂是通过吸附在颗粒表面产生足够高的位垒，使颗粒分散开来，分散剂的吸附是否会对后续的无机氧化物的成膜包覆造成影响也是金红石粗品分散研究的一个重要内容。通过包硅实验来检验分散剂对无机物沉积率的影响，试验结果如图4所示：从图4的结果来看，LPL、PBTCA、PMAA三种分散剂对SiO2包覆均没有影响，使用PMAA分散剂甚至可以提高SiO2的沉积率。4结论1、浓度为23%（wt%）的金红石粗品TiO2浆料包膜前较佳的分散条件是：浆料PH值1011，分散剂PMAA的加量为0.2%0.3%。2、在上述分散条件下对金红石后续包膜没有任何影响。参考文献1聂福德，李凤生，宋洪