摘要：針對(duì)不同影響因素對(duì)鈦白粉分散性能進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)表明鈦白粉的粒度增加對(duì)分散性能有害，粒度越小，分散性能越好；
鈦含量越高，分散性越好；弱酸條件下鈦白粉的分散性較好，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿都會(huì)影響鈦白粉的分散性；分散劑加量越多，分散性能越好。
前 言
鈦白粉主要用于造紙、油墨、塑料、涂料等行業(yè)，在使用過程中對(duì)鈦白粉的性能要求較為嚴(yán)格，尤其是鈦白粉的分散性能，各應(yīng)用體系對(duì)其格外關(guān)注。
若鈦白粉的分散性能較差，不能完全體現(xiàn)出鈦白粉的高白度、高遮蓋等性能，在涂料中會(huì)影響整體分散效果，嚴(yán)重甚至?xí)䦟?dǎo)致涂料含有顆粒、產(chǎn)生沉淀等。
通過各種控制手段，提高鈦白粉的分散性，既有利于鈦白粉生產(chǎn)廠家，亦有利于下游行業(yè)進(jìn)行質(zhì)量控制。
目前，國內(nèi)外對(duì)于鈦白粉分散性能的研究較少，大都停留在實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)生產(chǎn)的導(dǎo)向作用極少，而且對(duì)于分散機(jī)理的研究少之又少，對(duì)其分散好壞沒有進(jìn)行系統(tǒng)論述，其影響效果一直沒有明確定論。
本文針對(duì)鈦白粉在水性體系中的分散效果及影響因素進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，為產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
01 實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
本實(shí)驗(yàn)材料主要為鈦白粉，根據(jù)不同的影響因素選取相應(yīng)性質(zhì)的鈦白粉原料，所用水為去離子水，pH值調(diào)整劑選用0.1 mol/L的硫酸和氫氧化鈉溶液。涉及到的分散劑選用分析純，并用去離子水配制成0.1mol/L。其他設(shè)備還有pH值計(jì)、熒光光譜分析儀、粒度分布儀、黏度計(jì)等。(1)取適量鈦白粉分成5份，在氣流粉碎機(jī)上粉碎不同的時(shí)間，讓其粒度產(chǎn)生差異，然后將這5份鈦白粉分別配制成700 g/L的溶液，充分分散后測量黏度并記錄。(2)取8份鈦含量不同的鈦白粉，分別檢測其產(chǎn)品的組分，然后將這8份鈦白粉分別配制成700 g/L的溶液，充分分散后測量黏度并記錄。(3)取10份去離子水，分別用硫酸溶液和氫氧化鈉溶液調(diào)制成pH值＝2、3、4……11的溶液，保持其總體積相同，然后分別加入相同質(zhì)量的鈦白粉配制成700g/L的溶液，充分分散后測量黏度并記錄。(4)取9份相同的鈦白粉配制成濃度為700 g/L的鈦白粉溶液，分別加入硅酸鈉分散劑，加量分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%，并做一個(gè)空白對(duì)照，充分分散后測量黏度并記錄。
02將鈦白粉進(jìn)行氣流粉碎后其粒度隨著粉碎時(shí)間的延長而降低，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行粒度分布的測試，結(jié)果見圖1。
對(duì)上述5份鈦白粉配制成相同濃度的溶液后測量結(jié)果見圖2。
從圖1中看出，樣品1到樣品5的粒度分布逐漸變寬，并且峰值粒度也逐漸變大，因此，樣品1到樣品5的平均粒度逐漸變大。從圖2中可以看出，鈦白粉的黏度與產(chǎn)品粒度呈正相關(guān)的關(guān)系，即產(chǎn)品的粒度越大，黏度越大，分散性越差。樣品1與樣品2的黏度相差較小，從樣品3之后產(chǎn)品黏度增加幅度較快，這就說明，在粒度較小的情況下產(chǎn)品的分散性差異較小，隨著產(chǎn)品粒度的增加，分散性的差異逐漸顯現(xiàn)出來，并呈指數(shù)型增加。鈦白粉中含量最多的物質(zhì)是二氧化鈦，最高含量可達(dá)99%，通常情況下顏料級(jí)鈦白粉的二氧化鈦含量在85%～95%。二氧化鈦含量是鈦白粉主要的指標(biāo)之一，含鈦量越高，鈦白粉的白度性能越好，但相應(yīng)成本就越高，不同的應(yīng)用體系含鈦量也有不同的要求。將不同含鈦量的鈦白粉進(jìn)行檢測后配制成相同濃度的溶液，充分分散后測量黏度，其結(jié)果見圖3。
從圖3中可以看出，隨著鈦含量的升高，產(chǎn)品的黏度出現(xiàn)下降趨勢，即鈦白粉中二氧化鈦含量越高，產(chǎn)品的分散性越好。當(dāng)產(chǎn)品中鈦含量在90%以下時(shí)，產(chǎn)品黏度的變化較大，而當(dāng)鈦含量增加到90%以上時(shí)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(chǎn)品分散性的好處，但是當(dāng)鈦含量升高到90%以上時(shí)其提升效果不太明顯。在鈦白粉的應(yīng)用中，經(jīng)常將鈦白粉置于不同pH值下進(jìn)行分散，如在造紙過程中會(huì)將鈦白粉分散于堿性環(huán)境中，而在乳膠漆體系中也有將鈦白粉分散于弱酸性的環(huán)境。將相同的鈦白粉置于不同的pH值中，在水性體系的相同濃度下測量黏度，得到的結(jié)果見圖4。
從圖4中可以看出，在相同的濃度下pH值與鈦白粉的黏度呈“U”型關(guān)系，即在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿環(huán)境下鈦白粉的分散性極差，在堿度適中時(shí)鈦白粉的分散性較好。該鈦白粉在pH值＝5.2時(shí)表現(xiàn)出極好的分散效果，隨著pH值的升高，黏度增加極快，當(dāng)pH值增加到12時(shí)，黏度接近1 900 mPa · s。在強(qiáng)酸性環(huán)境下，鈦白粉的分散性要比強(qiáng)堿性環(huán)境好，當(dāng)pH值＝4.2時(shí)黏度僅為508 mPa · s。因此，鈦白粉在酸性條件下要比堿性環(huán)境分散性好，尤其是在弱酸性環(huán)境下分散性最好。分散劑是提高分散性能的重要手段，在鈦白粉行業(yè)中常用的分散劑有六偏磷酸鈉、硅酸鈉等，可根據(jù)不同的場合選擇使用。圖5是用硅酸鈉作為分散劑研究對(duì)分散性能的影響。從圖5中可以看出，分散劑的加入能有效降低鈦白粉的黏度，提高分散性能，尤其是分散劑加量在0.2%以內(nèi)時(shí)能迅速降低黏度，當(dāng)分散劑加量繼續(xù)增加時(shí)，黏度降低的幅度下降，效果不太明顯。這主要是由于0.2%左右的分散劑足以分散700 g/L的鈦白粉，再進(jìn)一步增加分散劑不會(huì)對(duì)分散效果進(jìn)一步提升。
03
通過對(duì)以上實(shí)驗(yàn)的研究可總結(jié)出以下分散機(jī)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(dāng)鈦白粉的顆粒足夠小時(shí)，就是分散性能較好的時(shí)刻。鈦白粉的顆粒較大，其分散需要一定的外力才能將大顆粒變成小顆粒，這些外力包括外加動(dòng)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粒的分散性能就越差。(2)鈦白粉中鈦含量是重要的指標(biāo)之一，鈦元素可表現(xiàn)出較多的性能，其中之一是親水性。鈦元素表面有較多的不飽和鍵，可與水分子形成較多的氫鍵，生成鈦元素的水合物。這種物質(zhì)的存在能使鈦白粉與水的親和力加強(qiáng)，從而增加鈦白粉的分散性。(3)當(dāng)鈦白粉體系中pH值改變，其實(shí)就是改變了體系的電位值，而鈦白粉本身具有一定的Zeta電位，當(dāng)溶液中電位與鈦白粉本身的Zeta電位相符合時(shí)鈦白粉的分散性能就加強(qiáng)，這是電子相互排斥的結(jié)果。當(dāng)兩電位相同時(shí)產(chǎn)生較大的斥力，使得水分子與鈦白粉分子相互排斥，兩者有遠(yuǎn)離的趨勢，從而加大了兩者的間距，實(shí)現(xiàn)在混合體系中的分散。(4)分散劑的加入可以改變?nèi)芤褐懈骷象w的電性，如陰離子分散劑，可以使得溶液中分子表面荷負(fù)電，從而實(shí)現(xiàn)在斥力作用下分散；而當(dāng)分散劑添加量過多時(shí)，荷負(fù)電的物質(zhì)反而會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚，使得顆粒變大，分散效果不明顯。
04對(duì)鈦白粉分散性能的研究旨在強(qiáng)化鈦白粉的生產(chǎn)，其對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用有如下幾方面。(1)鈦白粉的粒度是影響分散性能的重要參數(shù)，在生產(chǎn)時(shí)要盡量降低鈦白粉的粒度，主要做法是控制鈦白粉生產(chǎn)時(shí)的水解粒徑、加強(qiáng)鈦白粉粗品的砂磨強(qiáng)度、增加鈦白粉氣流粉碎時(shí)的蒸汽強(qiáng)度等。尤其是氣流粉碎的強(qiáng)度，它是鈦白粉的最后一道粉碎工序，粉碎效果的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。(2)鈦含量的提高會(huì)增加鈦白粉的成本，也能加強(qiáng)產(chǎn)品的分散性能，在這兩個(gè)方面中需要尋找平衡點(diǎn)，一般顏料有鈦白粉的鈦含量可控制在90%～94%，過多或過少都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和成本帶來負(fù)面影響。(3)pH值在生產(chǎn)中也是重要的控制指標(biāo)，尤其是在鈦白粉包膜過程中，其最終的包膜pH值即為產(chǎn)品的pH值。通過對(duì)分散性能影響因素的研究可知，在弱酸性的環(huán)境下能得到較好的分散效果，因此在包膜過程中最好選用弱酸性的包膜終點(diǎn)作為產(chǎn)品的結(jié)束點(diǎn)。(4)分散劑是鈦白粉重要的生產(chǎn)原料，尤其是在砂磨過程中，控制好加量是改善分散性能的重要手段，隨著產(chǎn)品濃度的增加可適當(dāng)增加分散劑的加量，從而保證產(chǎn)品處在良好的分散環(huán)境下。另外，在產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)分散劑的添加也是必須的，但是要保證分散劑的添加適量。
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