水中易分散鈦白粉的制備

楊林燕，李 傳，張 爽，肖明明

（天津賽菲化學(xué)科技發(fā)展有限公司，天津301727）

由于通用型鈦白粉應(yīng)用于水性體系（如水性涂料）時分散效果并不理想，這直接影響了涂料的貯存穩(wěn)定性、流動性、漆膜光澤等應(yīng)用指標［1］，所以很多涂料如汽車面漆等往往會選擇商品改性較好的進口產(chǎn)品。如果改變鈦白顏料的表面形態(tài)，改善鈦白顏料在水性涂料中的分散性能，可能會贏得更多的應(yīng)用機會。本文通過使用一類聚合物分散劑對鈦白粉進行商品化改性，制備出能夠像速溶咖啡一樣可以自行分散于水中的“速溶式”鈦白粉。另外，本文著重于從應(yīng)用的角度建立了簡單易操作的實驗評估方法，拋棄了傳統(tǒng)的鈦白顏料行業(yè)檢測方法，而更多關(guān)注鈦白顏料在水性介質(zhì)中的分散性能評價。

“速溶式”是描述鈦白粉在不加入其他分散劑或分散樹脂的情況下，自行向水中擴散的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象與分散過程類似但卻存在較大區(qū)別。分散過程描述見圖1。由圖1可知，未改性的鈦白粉進入水相后需要從水相中吸附帶電離子來形成雙電層，從而實現(xiàn)分散穩(wěn)定。但是通常水的電離并不多，所以帶電離子的來源更多靠鈦白粉中所帶的游離的鹽類，而這些鹽類在鈦白粉生產(chǎn)過程中已經(jīng)被水洗掉大部分，再加上這些鹽類首先需要溶于水中并發(fā)生電離后才可以提供帶電離子，所以這一分散行為會受到局限［2］；經(jīng)過改性的鈦白粉的表面由于包覆一層 “被擠干”的聚合物，而這種聚合物本身含有較長的親水鏈段，所以當鈦白粉接觸到水相后，親水鏈馬上向水中舒展，并“拽著”鈦白粉擴散到水中，形成堅固的雙電層，而不受水中帶電離子多少的影響，可以實現(xiàn)自行分散且穩(wěn)定［3］，顯示出“速溶”的效果。

圖1 未改性（a）、改性（b）鈦白粉自分散機理

1 實驗部分

1.1 實驗原料與設(shè)備

金紅石型鈦白粉R216（TiO2質(zhì)量分數(shù)為98%）；涂易樂?DS-192L（有效成分質(zhì)量分數(shù)為33%）；涂易樂?DS-192P（有效成分質(zhì)量分數(shù)為33%）；涂易樂?DS-195L（有效成分質(zhì)量分數(shù)為 40%）；涂易樂?DS-194H（有效成分質(zhì)量分數(shù)為40%）。

JM型電子天平；JSF-550型攪拌、砂磨、分散多用機；DV-I Prime型黏度儀；JS94J2微電泳儀；TDL-5A臺式低速離心機；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱；722N分光光度計。

1.2 鈦白粉體改性過程

稱取0.9~1.8 g分散劑于研磨杯中，加入38.2~39.0 g去離子水將其全部溶解后，加入60 g鈦白粉，制備粉體質(zhì)量分數(shù)為60%的分散漿料。待粉體全部潤濕后，加入玻璃珠（d=1 mm）150 g，于 3 000 r/min條件下研磨分散1 h。將漿料過濾，將濾餅烘干后粉碎至粒徑小于30 μm，即得改性的粉體。

1.3 水性鈦白粉分散漿料的制備

稱取一定質(zhì)量的涂易樂?分散劑于研磨杯中，加入一定質(zhì)量的水將其溶解后，加入70 g鈦白粉和一定質(zhì)量的鋯珠進行研磨分散實驗。其中，漿料配方中鈦白粉的質(zhì)量分數(shù)為70%，分散劑有效成分的質(zhì)量占粉體質(zhì)量的2%~6%。

2 表征與測試

2.1 ζ電位測試

首先，制備鈦白粉質(zhì)量分數(shù)為1%的水分散液，采用自動電位滴定儀測試分散液的pH。然后取少量分散液稀釋至適宜濃度后，采用JS94J2微電泳儀測量分散液的ζ電位大小。

2.2 吸光度測試

由于鈦白粉擴散入水相后，形成白色不透明的分散液，對光會產(chǎn)生吸收現(xiàn)象，所以本實驗采用上層分散液的吸光度來定性表征分散液中所含鈦白粉的含量，吸光度越大，表明粉體分散性越好。

實驗過程：稱取1 g鈦白粉分散于50 mL水中，靜置10 min后，取距離液面1 cm處的分散液1 mL稀釋100倍后，立即采用722N分光光度計測試稀釋液的吸光度。

2.3 沉降測試

稱取1g粉體分散于50mL水中，超聲分散5min后，取20 mL分散液于20 mL試管中。靜置一段時間后，記錄試管中清水層的高度。清水層越少，說明粉體分散穩(wěn)定性越好。

2.4 黏度測試

取10g70%水性漿料置于15mL試管中，于40℃恒溫放置。采用DV-I Prime型黏度儀測試漿料在一段時間內(nèi)黏度的變化。黏度變化越小，說明色漿的穩(wěn)定性越好。

3 結(jié)果與討論

3.1 鈦白粉改性后的ζ電位

實驗中采用不同的表面改性劑制備了粒徑相近的鈦白粉粉體，將這些粉體進行ζ電位測試實驗，結(jié)果見表1。從表1可知，采用不同表面改性劑得到的鈦白顏料水分散液pH相近，均呈中性。在相同的pH介質(zhì)中，涂易樂?DS-192L和DS-192P改性后的鈦白粉粉體電位絕對值明顯升高，并且在水中的分散狀態(tài)良好。

表1 ζ電位測定

ζ電位是反映粒子帶電量的數(shù)據(jù)，還可以反映體系中帶電粒子的相互排斥力，關(guān)系如下：

式中：VR為質(zhì)點間的排斥力，J；r為質(zhì)點的半徑，m；D為水的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ζ為雙電層滑動面的電位，V；k為擴散層的厚度，m-1；H為質(zhì)點間的最短距離，m。

由式1可以推知，ζ電位越大說明粒子間的相互排斥作用越強，越能抵抗團聚絮凝的作用力。反之，ζ電位的絕對值越低，顆粒越傾向于絮凝團聚。

3.2 改性后鈦白粉的自分散性

將改性后的粉體與市售商品、未改性鈦白粉（空白）同時倒入水中，觀察粉體在水中的自發(fā)性分散過程，并且進行吸光度測試實驗，結(jié)果見圖2和表2。

圖2 粉體在水中的分散狀態(tài)

表2 吸光度測定

通過表2吸光度測試數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過改性的鈦白粉吸光度數(shù)值明顯增大，說明這種鈦白粉自發(fā)性擴散入水中的粒子更多，影響光的透過，表現(xiàn)出較高的吸光度，說明改性結(jié)果良好，粉體的懸浮穩(wěn)定性提高，自動解絮凝能力提升。

3.3 改性粉體再分散穩(wěn)定性

取改性后的粉體進行沉降實驗測試，同時與市售商品、未改性鈦白粉（空白）進行對比實驗，結(jié)果見圖3。從圖3可看出，改性后鈦白粉沒有出現(xiàn)清水層，而未改性鈦白粉和對比樣均出現(xiàn)了明顯的水層，說明改性粉體在水中的分散穩(wěn)定性明顯提高。

圖3 超聲分散后粉體的沉降對比

3.4 改性粉體用于制備水性鈦白粉分散體

用分散劑涂易樂?DS-194H和改性后的鈦白粉、未改性鈦白粉分別制備色漿，通過測量色漿的黏度變化來表征色漿的儲存穩(wěn)定性。測試黏度變化得到結(jié)果見圖4。

在粉體分散過程中，如果粉體不能充分解絮凝，將會導(dǎo)致體系內(nèi)存在較大固體團聚物，對剪切作用表現(xiàn)出較大的反作用力，表現(xiàn)出較大的黏度；另外色漿在放置過程中，隨著絮凝現(xiàn)象的產(chǎn)生也會出現(xiàn)較大固體團聚物，引起黏度上升。通過圖4分散漿料黏度變化曲線可知，進行研磨分散實驗時，改性后的鈦白粉只需較少的分散劑即可達到很低的黏度水平。而且在儲存過程中，改性鈦白粉分散液的黏度沒有發(fā)生明顯升高，說明漿料沒有發(fā)生明顯的聚沉現(xiàn)象，分散液的穩(wěn)定性較好。

圖4 黏度變化曲線

4 結(jié)語

1）采用分散劑對鈦白粉進行了表面包覆改性，制備了易于在水中分散的鈦白粉。

2）建立了一種鈦白粉分散應(yīng)用的實驗評價方法，有效地評價了鈦白粉的自分散性能及分散穩(wěn)定性。

3）通過實驗考察了制得的鈦白粉的ζ電位、分散液的吸光度及沉降性能，得出了改性鈦白粉的自動解絮凝能力和再分散穩(wěn)定性能明顯提升。

4）改性鈦白粉比原料鈦白粉在制備水性色漿的性能上表現(xiàn)更好，具體表現(xiàn)為黏度變化更小，儲存穩(wěn)定性得到提升。