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鈦白粉的分散機理

鈦白粉主要用於造紙(zhǐ)、油墨、塑料、塗料等行業,在使用過程中對鈦白粉(fěn)的性能要求(qiú)較為(wéi)嚴格,尤其是鈦白粉的分散性能,各應用體(tǐ)係對其格外關注。若鈦(tài)白粉的分散性能較差,不能完全體(tǐ)現出鈦白(bái)粉的高白(bái)度、高(gāo)遮蓋等性(xìng)能,在粉末塗料中會(huì)影響整體分散效果,嚴重甚至會導致粉末塗料含有顆粒、產生沉澱等。通(tōng)過各種控製手段,提高鈦白(bái)粉的分散性,有利於粉末塗料生產廠家的生產質量。
目前,國(guó)內(nèi)外對於鈦(tài)白粉分散性能的研究較少,大都停留在實驗室階段,對生產的導向作用極少,而且對於分(fèn)散機理的研究少之又少,對(duì)其分(fèn)散好壞沒有進行係(xì)統論述,其影(yǐng)響效果一直沒有明確定論。下列針對鈦白粉在水性體係中的分散效果及影響因素進行係統實驗。

1 實驗材(cái)料與方法
1.1 實驗(yàn)材料
本實驗(yàn)材料主要為鈦白粉,根據不同的影響因素選取相應性質的鈦白粉原料,所用水為去離子水,pH值(zhí)調整劑(jì)選用0.1 mol/L的硫酸和氫氧化(huà)鈉溶液(yè),涉及到的分散劑選用分(fèn)析(xī)純,並用去離子水配製成0.1mol/L。其他設備還有pH值計、熒光光譜分析儀、粒度分(fèn)布儀、黏度計等。
1.2 實驗步驟
(1)取適量鈦白粉分成5份,在氣流粉(fěn)碎(suì)機上粉碎不同的時間,讓其粒度產生差異,然後將(jiāng)這(zhè)5份鈦白粉分別配製成(chéng)700 g/L的溶液,充分分散後測量黏度並(bìng)記錄。
(2)取8份(fèn)鈦含量不同的鈦白粉,分別檢測其產品的(de)組分,然後(hòu)將這8份鈦白粉分別配製成(chéng)700 g/L的溶液,充分分散後測量黏度並記錄。
(3)取10份去離子(zǐ)水,分別用硫酸溶液和氫氧化(huà)鈉溶液調製成pH值(zhí)=2、3、4……11的溶液,保(bǎo)持其總體(tǐ)積相同,然後分別加入相同質量(liàng)的鈦白粉配製成700g/L的溶液,充分(fèn)分散後測量黏度並記錄。
(4)取9份相同(tóng)的鈦白粉(fěn)配製成濃度為(wéi)700 g/L的鈦白(bái)粉溶液,分別加入矽酸鈉分散(sàn)劑,加量分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%,並做(zuò)一個空白對照,充(chōng)分分散後測量黏度並記錄。

2 實驗結果
2.1 粒度實(shí)驗
將鈦白粉進行氣流粉碎後其(qí)粒度隨著粉碎時間的延長而降低,對產品進行(háng)粒度分布的測試,結果見圖1。

對(duì)上述5份鈦白粉配製成相同濃度的溶液後(hòu)測量結果見圖2。

從圖1中看出,樣品1到樣(yàng)品(pǐn)5的粒度分布逐漸變寬,並且峰值粒度也逐漸變(biàn)大,因此,樣品(pǐn)1到樣品5的平均粒度逐漸變大。從圖2中可以看出,鈦白(bái)粉的黏度與產品粒度呈正相(xiàng)關的關係(xì),即產(chǎn)品的粒度越(yuè)大,黏度越大,分散性越差。樣品1與樣品2的黏度相差較小,從(cóng)樣品3之後產品黏度增加幅(fú)度較快,這就說明,在粒度較小(xiǎo)的情況下產品的分散性差異較小,隨著產品粒度的增加,分散性的差異逐漸(jiàn)顯(xiǎn)現(xiàn)出來,並(bìng)呈指數型增加。
2.2 含鈦量實驗
鈦白粉中含量最多的物質(zhì)是二氧化鈦,最高含量可達99%,通常情況(kuàng)下顏料級鈦白粉的二氧化鈦含量在(zài)85%~95%。二氧化鈦(tài)含量是鈦(tài)白粉主(zhǔ)要的指標之一,含鈦量越高,鈦白(bái)粉的白度性能(néng)越好,但相應成本就越(yuè)高,不同的應用體係含鈦量也有(yǒu)不同的要求。將不同(tóng)含鈦量的鈦白粉進行檢測後配製成相同濃度的溶液,充分分散後測量黏度,其(qí)結果見圖3。

從圖3中可以看出(chū),隨著鈦含量的升高,產品的黏度出現下降趨勢,即鈦白粉中二氧(yǎng)化(huà)鈦含量越高,產品(pǐn)的分散性越好。當產品中鈦含量在90%以下時,產品黏度的變(biàn)化較大,而當鈦含量增加到90%以上時變化幅度較小,因此,高二氧化鈦含量雖然在一定程度上有提高產品分散性的好處,但是當鈦含量升高到90%以(yǐ)上時其提升效果不(bú)太明顯。
2.3 pH值實驗
在鈦白粉的應用中,經常將鈦(tài)白粉置於不同pH值下進行(háng)分散,如在造紙過程中會(huì)將鈦白粉分散於堿性環境中,而在乳膠漆(qī)體係中也有將鈦白粉分散於弱酸性的環境(jìng)。將相同的(de)鈦白(bái)粉置於不同的pH值中,在水性體(tǐ)係(xì)的相同(tóng)濃度(dù)下測量黏度,得到的結果見圖4。

從圖(tú)4中(zhōng)可以看出(chū),在相同的濃度下pH值與鈦白粉的黏(nián)度呈“U”型關係,即在強酸(suān)和(hé)強堿環境下鈦白粉的分散性極差,在堿度適中時鈦白粉的分散(sàn)性較好。該鈦(tài)白粉在pH值=5.2時表現出極好(hǎo)的分散效(xiào)果(guǒ),隨著pH值的升高,黏度增加(jiā)極快,當pH值增加到12時,黏度接近1 900 mPa · s。在強酸性環境下,鈦白粉的分散性要比強(qiáng)堿性環境好,當pH值=4.2時黏度僅為508 mPa · s。因此,鈦白粉在酸性條件下要比堿(jiǎn)性環境分散性(xìng)好,尤(yóu)其是(shì)在弱酸性環境下分散性最好。
2.4 分散劑實驗
分散劑(jì)是提高分散性能的重要手段,在鈦白粉行業中(zhōng)常用的分散劑有六偏磷酸鈉、矽酸鈉等,可根據不同的場合選(xuǎn)擇使用。圖5是用矽酸鈉作為分散劑研究對分散性能的影響。

從圖(tú)5中(zhōng)可以(yǐ)看出,分散劑的加入能有效降低鈦白粉(fěn)的黏度,提高分散性能,尤其是分散劑加量在0.2%以內時能迅速降低(dī)黏度,當分散劑加量繼續增加時,黏度降低的幅度下降,效果不太明(míng)顯(xiǎn)。這主要是由於(yú)0.2%左右的分散劑足(zú)以分散700 g/L的鈦白粉,再(zài)進一步增加分散劑不會對分散效果(guǒ)進一步提升。

3 機理分析
通過對以上實驗可總結出以下分(fèn)散機理。
(1)鈦白粉的分散過程就是大塊顆粒變成小塊顆粒的過程,當鈦白粉的顆粒足夠小時,就是分(fèn)散性能較好的時刻。鈦白粉的顆粒較大,其(qí)分散需要一定的外力才能(néng)將大顆粒變成小顆粒,這些外力包括外加動力、溶解力、分子氫鍵等,而這些外力與顆粒的大小成正比,顆粒越大,需要的外力越大,在相同的情況下大顆(kē)粒的分散性能就(jiù)越差。
(2)鈦白粉中鈦含量是重要的指標之一,鈦元素可表現出較多的性能,其中之一是親水性。鈦元素表麵有(yǒu)較(jiào)多的不飽和鍵,可與水(shuǐ)分子形成(chéng)較多的氫鍵(jiàn),生成鈦(tài)元素的水合物。這種物質的存在能使鈦(tài)白粉與水的親(qīn)和力加強,從(cóng)而增加鈦白粉的分散性。
(3)當(dāng)鈦白粉體係中(zhōng)pH值改變,其實(shí)就是改變了體係的電位值,而鈦白粉本身具有一定的Zeta電位,當溶液中電位與鈦白粉本身(shēn)的Zeta電位相符合時鈦白粉的分散(sàn)性能就加(jiā)強(qiáng),這(zhè)是電(diàn)子(zǐ)相互排(pái)斥的結果。當兩電(diàn)位相同時產生較大的斥力,使得水分子(zǐ)與鈦白(bái)粉分子相互排斥,兩者有遠離的趨勢,從而(ér)加(jiā)大了兩者的間距,實現在混(hún)合體係中的分散。
(4)分散劑的加入可以改變溶液中各集合體的電性,如陰離子(zǐ)分散劑,可以使得溶(róng)液中分子表麵荷(hé)負電,從而實(shí)現在斥力作用下分散;而當分散劑添加量過(guò)多時,荷負電的物質(zhì)反(fǎn)而(ér)會產生團聚(jù),使得顆粒變(biàn)大,分散效果不明顯。

來源:山(shān)東道恩鈦業

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