钛白粉表面处理工艺的研究

钛白粉表面处理工艺的研究

超分散剂始于20世纪70年代，在20世纪80年代正式系统制定。20世纪90年代中期，超分散剂以其独特的应用功能而闻名于许多分散剂中，成为最著名的添加剂之一。钛白粉作为无机颜料在色母粒中有广泛的使用。但在使用过程中,较细的颜料颗粒易凝聚,产生大颗粒,影响产品品质,因而不能直接使用,必须进行分散处理。颜料的分散过程可以分为三步:润湿、细化和细化后的稳定化。颜料表面处理就是颜料细化后稳定化的过程,在颜料粒子表面上沉积或包覆单分子或多分子的物质,包括表面活性剂、改性剂、颜料本身的衍生物等。本文使用超分散剂对钛白粉进行表面处理,明显提高了钛白粉的分散性能,找到了使用超分散剂对钛白粉进行表面处理的最佳使用量、最佳工艺条件(温度、pH值)。1溶剂化链的影响超分散剂的分子结构主要分为两个部分,如图1所示,其中一部分为锚固基团,如—NR2,—COOH,—SO3H等,这些极性基团通过离子键、氢键以及范德华力等作用,紧紧地吸附于颜料表面,防止超分散剂的解析。另一部分为溶剂化链,这部分直接决定分散后的颜料在溶剂中的稳定性。为此,要求溶剂化链对分散溶剂有较高的亲和力,以保证具有良好的溶剂化作用,超分散剂在颜料粒子表面形成一定厚度的保护层,溶剂化链在分散溶剂中比较伸展。当吸附有超分散剂的颜料粒子相互靠近时,由于吸附层的排斥作用而使颗粒相互弹开,从而实现颜料粒子在介质中的稳定分散。TiO2色浆中,颗粒表面富集电荷,很容易与超分散剂的锚固基团(—COO-)相结合,在钛白粉颗粒表面形成一层牢固的保护层,通过超分散剂溶剂化链(烃链)的空间立体屏障作用,使钛白粉达到稳定分散的效果。2实验部分2.1美洲及其他低密度聚丙烯超分散剂,江苏镇江天龙公司;钛白粉浆料,工业级,锦州攀钢钛业公司;低密度聚乙烯,1F7B,北京燕山石化公司;聚丙烯,工业级,北京燕山石化公司;聚乙烯蜡,LPE-4[F],北京化工大学精细化工厂。2.2试验仪器和仪器双辊混炼机,SK-160Bϕ160×320,上海橡胶设备厂;双辊混炼机,ϕ70,北京化工大学;挤出吹膜机组,BrabenderPID651,德国Brabender公司;注塑机,UNIMAX-80HH,怡泰利集团有限公司;小型试验挤出机,SJ-20,哈尔滨塑机模具厂;光电分光光度计,721,上海分析仪器厂;扭矩流变仪,BrabenderPLV-151,德国Brabender公司;光电直读测色仪,TC-PCII,北京奥依克仪器公司。2.3钛白粉的制备先对原料进行表面处理,超分散剂在高速搅拌下乳化,恒温下加入钛白粉浆料,调pH值,反应1h,静置、抽滤、洗涤、干燥、粉碎、研磨备用。实验配方:颜料30g;蜡10g;树脂60g,工艺流程如图2所示。2.4性能试验(1)超分散剂含量的钛白薄膜透射率的测定—薄膜遮盖力测试遮盖力(HidingPower)是指颜料遮盖被着色物底色的能力。用超分散剂不同含量预处理的钛白粉制成母粒,然后吹制薄膜,测定薄膜的透射率,换算成标准膜厚(0.02mm)的光密度值(以下称光密值)。光密值越大,遮盖力越高。(2)钛白粉在塑料中的脱色力着色力(TintingStrength)指颜料着色的能力。钛白粉在塑料中的着色力可以用白度来表征,白度越大,钛白粉的着色力越高。用不同预处理颜料制成白母粒,然后打样板,用色差计测量其白度(以坦伯白度TW为准)、明度(L)、黄度(YI)等值。(3)颜料分散性能分散性(Dispersibility)指颜料在被着色介质中的分散能力。分散性的表征、定性的方法有相差显微镜或电子显微镜观察、拍照,定量的方法是测定粒度分布。(4)加工性能试验加工流变性能是钛白粉应用于塑料的重要指标之一。可以采用扭矩流变法来评价钛白粉的加工性能。3结果与讨论3.1防水性能遮盖力是白母粒重要的性能指标。颜料的分散水平是影响遮盖力的主要因素。颜料分散越均匀,粒子越细小,光密值越大,反之越小。3.1.1超分散剂用量的影响不同的超分散剂用量对钛白粉在薄膜中的分散性影响不同(恒定pH=8,50℃,改变超分散剂含量3%～11%对颜料进行表面处理),图3为超分散剂用量-薄膜光密值曲线。从图3中可以看出,随着超分散剂用量的增大,光密值在逐渐提高,并达到最大值;而后,随着用量进一步增加反而急剧下降。当超分散剂的用量为7%时,薄膜的光密值最大,达0.342。超分散剂的使用量与颜料的比表面积有关。开始随着超分散剂含量的增加,颜料表面吸附的锚固基团越来越多,到7%时达到饱和,此时光密值最大。随着超分散剂用量的进一步的增多,因为超分散剂之间的相互作用产生“架桥絮凝”——颜料粒子通过超分散剂溶剂化链的缠结产生絮凝,因此,光密值反而下降。3.1.2微碱ph对效果的影响颜料表面处理反应介质的酸碱性对表面处理效果影响很大,反应介质的pH值是颜料表面处理的重要条件。图4是pH值-薄膜光密值曲线。通过图4可以看出,在微酸(pH=6)和微碱(pH=8)条件下,薄膜的光密值最大,预处理颜料的分散性能最好。因为超分散剂是酯类化合物,在微酸和微碱条件下,易于水解生成锚固基团(R—COO-)与钛白粉表面化学键结合;中性条件下,不利于锚固基团的生成,因此表面处理效果不好;强酸强碱条件下,锚固基团也难与颜料粒子结合,不利于颜料的表面处理。3.1.3温度对微胶囊化钛白粉光密值的影响反应介质的黏度受温度的影响很大,所以温度是影响颜料表面处理的重要条件。为了寻找最优的表面处理温度,本实验固定pH=8,超分散剂用量7%,做了30℃、40℃、50℃、60℃几组不同温度下的表面处理试验。如图5所示。光密值随着温度的升高而增大,50℃时达到最大,而后开始随温度的升高下降。升高温度,反应介质黏度降低,有利于锚固基团和钛白粉表面相结合;但温度过高,颜料自身产生团聚,不利于表面处理,造成光密值下降。因此,50℃左右是该表面处理方法的最佳温度。3.2ph值对钛白粉色泽力的影响颜料的着色力主要取决于颜料本身的属性,但也受颜料分散性的影响,主要通过样品的明亮程度(明度)和白度表征。表1、表2为超分散剂用量和不同pH值处理钛白粉后的着色力数据。由表1可以看出,超分散剂用量对白度和明度值影响较大,都高于未预处理颜料的对应值。这一点说明,超分散剂的使用使钛白粉分散性提高。黄度表明样品的发黄程度,对白母粒来说,黄度越小越好,从表中的数据可以看出,超分散剂用量为7%,黄度值最小。由表2可以看出,pH=10时,白度和明度值明显下降,且黄度较大,着色力最差;pH=6条件下黄度值最小,且白度和明度较高,着色力最强。3.3超分散剂表面处理效果分散性对钛白粉在塑料中的应用性能有重要影响。图6中(a)是表面处理过的钛白粉,条件为超分散剂用量7%、pH=8和50℃;(b)是未处理的钛白粉。可以看出(a)的分散较为均匀,且钛白粉粒子较小;而(b)中,钛白粉粒子发生严重团聚。所以用超分散剂处理钛白粉,明显提高了其分散性。钛白粉的分散性有定量和定性两种测量方法。相差显微镜可以定量观察颜料分散状况,图7是不同工艺条件表面处理钛白粉制成薄膜的相差照片。图7的(a)、(b)、(c)和(d)是部分改变超分散剂用量的相差照片。超分散剂的最佳使用量以超分散剂在颜料表面形成致密的单分子吸附层为标准。超分散剂用量过少,无法形成足够的空间位阻,分散效果不好(c);用量过多溶剂化链之间又易相互缠结,分散性下降(d)。当超分散剂用量7%时,颜料凝聚体和没有分散开的树脂最少,表面处理效果最好。分析图7的(a)、(b)、(e)和(f)可以看出pH=8时的分散效果最好,如前所述这是由于锚固基团的特性造成的。表面处理温度为50℃(b),分散性最好;当表面处理温度高时(60℃(h)),出现了“黑点”,钛白粉发生凝聚。3.4超分散剂预处理钛白粉的制备超分散剂由锚固基团和溶剂化链两部分组成。经过超分散剂表面处理过的钛白粉不仅分散性、遮盖力提高,而且由于溶剂化链与载体良好的相容性,可以改变母粒的流动性能。以下各图分别是用超分散剂用量不同(图8)、pH值不同(图9)和处理温度不同(图10)预处理的钛白粉,按照母粒的配方,由Brabender流变仪测得的流变曲线。从图8、9和10可以看到,钛白粉使用超分散剂预处理后,由于溶剂化链与载体良好的相容性和体系黏度一定程度的降低,有利于母粒的加工生产。超分散剂预处理过的钛白粉的最大转矩和平衡转矩,都小于未处理钛白粉的对应值。4表面类钛白粉通过以上