钛白粉在水性溶剂中的水分散性机理

钛白粉在水性溶剂中的水分散性机理

0钛白粉在水性涂料中的应用在环境越来越受到重视的今天，水性涂料深受人们的喜爱。钛白粉作为一种优质的白色颜料,已广泛地用于涂料中。水分散性是钛白粉在水性涂料中一个很重要的应用性能指标,它的优劣直接影响涂料的遮盖力和颜料的其他性能。目前,对于钛白粉水分散性机理的探讨,尚未见系统的报道。本文从钛白粉表面性质出发,通过定性试验和实验数据,推断出钛白粉在水中分散时的润湿类型,同时应用双电层理论对分散机理进行分析,为改善钛白粉的水分散性提供了理论依据。1钛白粉的表面特性1.1钛白粉的表征钛白粉煅烧所得的原级粒子很小,具有很高的比表面能,极不稳定,在高温下会很快地团聚,形成较大粒子的亚稳态。对于一定量的钛白粉而言,粒子愈小,原级粒子之间的引力愈强,粒子更易团聚。目前,采用仪器测定的钛白粉平均粒径多数是二级粒子的粒径(一般为0.2～0.4μm),表面的能量仍然较高,继续团聚,以此来降低表面能量,达到准稳定状态。因此,钛白粉在单相中的易团聚现象,是讨论其水分散性的前提。1.2多羟基复合皮在水性溶剂中,钛白粉呈现高度的分散性。其原因是:一方面,钛白粉表面有很多羟基,它能够吸附极性离子,使固体表面带有相同的电荷,因同种电荷排斥而分散;另一方面,粒子的比表面能很大,表面收缩而降低表面能,使分散体系稳定化。正是钛白粉在水中的高度分散性,使它能够在水性涂料中得以广泛的应用。2取代的过程过程所谓润湿是指固体表面的气体被液体取代的过程。钛白粉在水性溶剂中能否自行分散,首先要判断它在水性溶剂中润湿的难易程度和润湿性能的优劣。2.1润湿性能观察称取1.0g锐钛型钛白粉试样,迅速倒入一个口径为15cm盛满水的表面皿内,观察团聚的钛白粉试样在水中的润湿性能。团聚的钛白粉试样接触到水时,迅速润湿并进行扩展,表明钛白粉颗粒表面的气体能够完全被水取代而浸渍润湿,润湿性能良好。2.2钛白粉用于水性溶剂的润湿过程钛白粉在水性溶剂中的润湿过程是改变其颜料表面性能、改变其极性、降低液-固之间界面张力的过程。其润湿过程受以下几个因素影响。2.2.1粒子粒径检测煅烧产生的钛白粉原级粒子受晶体表面能的作用聚集成二级粒子,通过电子显微镜观察到其形状各异、不规则,并通过统计方法检测出其平均粒径约为0.2～0.4μm。因此,这种因素对润湿性的影响是一个恒定值。2.2.2包膜处理的必要性表面处理能够改变钛白粉的表面特性,从而大大影响润湿过程。对于一些低档次的锐钛型钛白粉,若表面不经过任何处理,则对润湿性的影响是一个恒定值;对高档次的金红石型钛白粉却需进行包膜处理来改变其表面特性,提高应用性能。因此,表面处理方式对润湿性的影响也可看作一个恒定值。2.2.3润湿剂浓度对其分散剂的影响根据润湿效率公式可以发现,降低溶剂粘度可提高润湿效率。例如,在25℃,水的粘度为0.8937cP,当加入一定浓度的润湿剂时,会降低水的粘度,此时润湿效率提高,但是润湿剂的加入可能会影响其分散过程或者分散稳定化程度。因此,对于钛白粉在水性溶剂中润湿时,一般不加入任何润湿剂,均可达到浸渍润湿。3钛白粉在水性溶剂中的分散过程3.1分散钛白粉时对含钛白粉的分散大量研究表明,钛白粉表面有很多极性的羟基,若水中不加任何分散剂,钛白粉在水中分散时会吸附大量的极性基团;若加入一定浓度的高分子分散剂,此时高分子分散剂吸附在钛白粉颗粒表面,使得吸附层厚度增加,表面特性改变。3.2双电层理论解释钛白粉在水性溶剂中的分散过程通过检测钛白粉在水中的ζ电位,发现锐钛型钛白粉在pH值为6.8左右时,ζ电位约为-36mV,表明钛白粉表面带有电荷,而且电负性较强。那么根据双电层理论解释钛白粉在水性溶剂中的分散过程合乎事实,有一定的科学依据。实际上,钛白粉在水性溶剂中分散的过程是双电层形成的过程。当钛白粉接触溶剂表面,瞬间浸渍润湿,其表面吸附一层相反电荷,构成了双电层。这种双电层可以看作是四周被同一电荷所包围的粒子,当布朗运动使两个粒子靠近时,电荷浓度发生变化,电荷产生斥力,当这种斥力大于范德华引力时,则粒子分开,体系处于分散稳定状态。4影响水分散度的因素4.1粒度与水分散性关系钛白粉的粒度分布能够表征钛白粉粒子的均匀程度,也能够粗略定量地判断出粗细粒子的分布比例。通过大量的实验和成品粒度与水分散性关系的统计得出:在钛白粉粒度分布正态图中,当峰宽在0.1μm左右时,水分散性一般能够达到85%以上;当粗粒子(即粒径大于0.5μm)的比例大于10%时,就足以影响钛白粉的水分散性。因此,钛白粉的粒度分布情况是影响其水分散性的一个重要因素。4.2钛白粉的分散机理一般情况下,钛白粉的吸水量越低,它的应用性能越好。当钛白粉吸入较多的水分时,它与表面的羟基结合,削弱表面电负性,使得两相中的高分散性减弱,同时分散稳定性也降低。因此,钛白粉吸水量的大小也影响其水分散性。4.3钛白粉的水分散性钛白粉的油分散性,是涂料和色母粒一个很重要的应用性能指标。通过大量的实验表明,具有很高油分散性的钛白粉,它的水分散性较差。因此,对于这种钛白粉,可作为不同种类的专用产品,来满足不同行业和客户的需要。4.4分散方式对水性涂料性能要求高钛白粉水分散性能的优劣,还与其分散设备息息相关。目前,市场上分散设备种类很多,如高速分散机、剪切机、砂磨机和超声分散仪等,对于要求不高的水性涂料,一般的分散设备都能够满足要求;对一些特殊的水性涂料,必须借助特殊的分散设备(如砂磨机等),它分散效果好,分散体系稳定,不过成本相应提高。4.5分散剂的分散影响钛白粉水分散性的因素较多,例如:分散剂、分散剂浓度、分散时间以及分散设备的强度等。在实际应用中,应根据各种产品质量的标准,选出适合本产品的分散稳定体系。5钛白粉的后处理通过上述对钛白粉水分散性的机理探讨和影响因素的分析,可从以下几个方面改进其水分散性:第一,钛白粉的粒径应尽可能的均匀;钛白粉后处理可选用气流粉碎机、万能磨、旋风分离器以及锤磨设备等;控制粒径的大