水中易分散钛白粉的制备

2018-10-09杨林燕肖明明

无机盐工业 2018年10期

杨林燕，李传，张爽，肖明明

（天津赛菲化学科技发展有限公司，天津301727）

由于通用型钛白粉应用于水性体系（如水性涂料）时分散效果并不理想，这直接影响了涂料的贮存稳定性、流动性、漆膜光泽等应用指标［1］，所以很多涂料如汽车面漆等往往会选择商品改性较好的进口产品。如果改变钛白颜料的表面形态，改善钛白颜料在水性涂料中的分散性能，可能会赢得更多的应用机会。本文通过使用一类聚合物分散剂对钛白粉进行商品化改性，制备出能够像速溶咖啡一样可以自行分散于水中的“速溶式”钛白粉。另外，本文着重于从应用的角度建立了简单易操作的实验评估方法，抛弃了传统的钛白颜料行业检测方法，而更多关注钛白颜料在水性介质中的分散性能评价。

“速溶式”是描述钛白粉在不加入其他分散剂或分散树脂的情况下，自行向水中扩散的现象，这种现象与分散过程类似但却存在较大区别。分散过程描述见图1。由图1可知，未改性的钛白粉进入水相后需要从水相中吸附带电离子来形成双电层，从而实现分散稳定。但是通常水的电离并不多，所以带电离子的来源更多靠钛白粉中所带的游离的盐类，而这些盐类在钛白粉生产过程中已经被水洗掉大部分，再加上这些盐类首先需要溶于水中并发生电离后才可以提供带电离子，所以这一分散行为会受到局限［2］；经过改性的钛白粉的表面由于包覆一层 “被挤干”的聚合物，而这种聚合物本身含有较长的亲水链段，所以当钛白粉接触到水相后，亲水链马上向水中舒展，并“拽着”钛白粉扩散到水中，形成坚固的双电层，而不受水中带电离子多少的影响，可以实现自行分散且稳定［3］，显示出“速溶”的效果。

图1 未改性（a）、改性（b）钛白粉自分散机理

1 实验部分

1.1 实验原料与设备

金红石型钛白粉R216（TiO2质量分数为98%）；涂易乐®DS-192L（有效成分质量分数为33%）；涂易乐®DS-192P（有效成分质量分数为33%）；涂易乐®DS-195L（有效成分质量分数为 40%）；涂易乐®DS-194H（有效成分质量分数为40%）。

JM型电子天平；JSF-550型搅拌、砂磨、分散多用机；DV-I Prime型黏度仪；JS94J2微电泳仪；TDL-5A台式低速离心机；101型电热鼓风干燥箱；722N分光光度计。

1.2 钛白粉体改性过程

称取0.9~1.8 g分散剂于研磨杯中，加入38.2~39.0 g去离子水将其全部溶解后，加入60 g钛白粉，制备粉体质量分数为60%的分散浆料。待粉体全部润湿后，加入玻璃珠（d=1 mm）150 g，于 3 000 r/min条件下研磨分散1 h。将浆料过滤，将滤饼烘干后粉碎至粒径小于30 μm，即得改性的粉体。

1.3 水性钛白粉分散浆料的制备

称取一定质量的涂易乐®分散剂于研磨杯中，加入一定质量的水将其溶解后，加入70 g钛白粉和一定质量的锆珠进行研磨分散实验。其中，浆料配方中钛白粉的质量分数为70%，分散剂有效成分的质量占粉体质量的2%~6%。

2 表征与测试

2.1 ζ电位测试

首先，制备钛白粉质量分数为1%的水分散液，采用自动电位滴定仪测试分散液的pH。然后取少量分散液稀释至适宜浓度后，采用JS94J2微电泳仪测量分散液的ζ电位大小。

2.2 吸光度测试

由于钛白粉扩散入水相后，形成白色不透明的分散液，对光会产生吸收现象，所以本实验采用上层分散液的吸光度来定性表征分散液中所含钛白粉的含量，吸光度越大，表明粉体分散性越好。

实验过程：称取1 g钛白粉分散于50 mL水中，静置10 min后，取距离液面1 cm处的分散液1 mL稀释100倍后，立即采用722N分光光度计测试稀释液的吸光度。

2.3 沉降测试

称取1g粉体分散于50mL水中，超声分散5min后，取20 mL分散液于20 mL试管中。静置一段时间后，记录试管中清水层的高度。清水层越少，说明粉体分散稳定性越好。

2.4 黏度测试

取10g70%水性浆料置于15mL试管中，于40℃恒温放置。采用DV-I Prime型黏度仪测试浆料在一段时间内黏度的变化。黏度变化越小，说明色浆的稳定性越好。

3 结果与讨论

3.1 钛白粉改性后的ζ电位

实验中采用不同的表面改性剂制备了粒径相近的钛白粉粉体，将这些粉体进行ζ电位测试实验，结果见表1。从表1可知，采用不同表面改性剂得到的钛白颜料水分散液pH相近，均呈中性。在相同的pH介质中，涂易乐®DS-192L和DS-192P改性后的钛白粉粉体电位绝对值明显升高，并且在水中的分散状态良好。

表1 ζ电位测定

ζ电位是反映粒子带电量的数据，还可以反映体系中带电粒子的相互排斥力，关系如下：

式中：VR为质点间的排斥力，J；r为质点的半径，m；D为水的介电常数，F/m；ζ为双电层滑动面的电位，V；k为扩散层的厚度，m-1；H为质点间的最短距离，m。

由式1可以推知，ζ电位越大说明粒子间的相互排斥作用越强，越能抵抗团聚絮凝的作用力。反之，ζ电位的绝对值越低，颗粒越倾向于絮凝团聚。

3.2 改性后钛白粉的自分散性

将改性后的粉体与市售商品、未改性钛白粉（空白）同时倒入水中，观察粉体在水中的自发性分散过程，并且进行吸光度测试实验，结果见图2和表2。

图2 粉体在水中的分散状态

表2 吸光度测定

通过表2吸光度测试数据可知，经过改性的钛白粉吸光度数值明显增大，说明这种钛白粉自发性扩散入水中的粒子更多，影响光的透过，表现出较高的吸光度，说明改性结果良好，粉体的悬浮稳定性提高，自动解絮凝能力提升。

3.3 改性粉体再分散稳定性

取改性后的粉体进行沉降实验测试，同时与市售商品、未改性钛白粉（空白）进行对比实验，结果见图3。从图3可看出，改性后钛白粉没有出现清水层，而未改性钛白粉和对比样均出现了明显的水层，说明改性粉体在水中的分散稳定性明显提高。

图3 超声分散后粉体的沉降对比

3.4 改性粉体用于制备水性钛白粉分散体

用分散剂涂易乐®DS-194H和改性后的钛白粉、未改性钛白粉分别制备色浆，通过测量色浆的黏度变化来表征色浆的储存稳定性。测试黏度变化得到结果见图4。

在粉体分散过程中，如果粉体不能充分解絮凝，将会导致体系内存在较大固体团聚物，对剪切作用表现出较大的反作用力，表现出较大的黏度；另外色浆在放置过程中，随着絮凝现象的产生也会出现较大固体团聚物，引起黏度上升。通过图4分散浆料黏度变化曲线可知，进行研磨分散实验时，改性后的钛白粉只需较少的分散剂即可达到很低的黏度水平。而且在储存过程中，改性钛白粉分散液的黏度没有发生明显升高，说明浆料没有发生明显的聚沉现象，分散液的稳定性较好。