分散劑對納米二氧化鈦分散穩(wěn)定性的影響

王 超

（衡水學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，河北衡水 053000）

納米TiO2的粒徑很小，表面能高，很容易發(fā)生團(tuán)聚，形成二次粒子，影響其應(yīng)用。納米TiO2雖然是親水性的，但是在水介質(zhì)中的分散性并不理想。在溶液中，TiO2表面吸附一些帶反電荷的離子形成雙電層，雙電層會產(chǎn)生庫倫斥力[1-2]。庫倫斥力與范德華力的大小將影響TiO2顆粒的分散狀態(tài)。二氧化鈦表面性能低，在有機(jī)體系中不易分散，而且易團(tuán)聚和板結(jié)[3]。

二氧化鈦粒子之間的引力大于斥力，同時具有較大的比表面能，很容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，另外二氧化鈦本身具有強(qiáng)極性且顆粒的粒徑較小，極不易分散在非極性介質(zhì)中，且又極易凝聚在極性介質(zhì)中，嚴(yán)重影響其優(yōu)良性能的發(fā)揮[4]。因此，在使用和制備過程時既要控制好它的粒度，還要避免反應(yīng)后期自行發(fā)生團(tuán)聚，在實際應(yīng)用中，必須要與應(yīng)用體系的其他組分有較好的相容性，達(dá)到一定的分散性能[5]。解決上述問題的關(guān)鍵就是對二氧化鈦顆粒進(jìn)行表面改性，因此表面改性技術(shù)是關(guān)系到二氧化鈦能否發(fā)揮它優(yōu)良性能的關(guān)鍵因素。

1 二氧化鈦的用途

當(dāng)前二氧化鈦市場需求量已近500萬t/a，二氧化鈦的銷售量中有62%用于涂料，油漆方面，14%用于塑料工業(yè)，13%用于造紙工業(yè)，7%用于油墨行業(yè)，4%用于其他方面：例如，化妝品、陶瓷等[6-10]。

1.1 涂料工業(yè)的應(yīng)用

鈦白粉的第一大用戶是涂料工業(yè)，特別是R型鈦白粉。由于中國汽車行業(yè)和建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，涂料和制漆業(yè)不僅從數(shù)量上需要較多的鈦白粉，而且對種類和質(zhì)量也提出了較高的要求[1]。用鈦白粉制作的涂料，遮蓋力高，色彩鮮艷，附著力強(qiáng)，用料省，種類多，對物質(zhì)的理化性質(zhì)的穩(wěn)定性可起到很強(qiáng)的保護(hù)作用，可以顯著提高涂膜的黏附力和機(jī)械力，可以屏蔽紫外線的直接照射，另外還可以防止出現(xiàn)浸水、裂紋等現(xiàn)象，延長涂膜的使用壽命。

1.2 塑料與橡膠工業(yè)的應(yīng)用

鈦白粉的第二大用戶是塑料工業(yè)。在塑料中摻雜少量鈦白粉，可以提高塑料產(chǎn)品的耐光、耐熱、耐候性，顯著改善高分子塑料制品的物理化學(xué)性能，增強(qiáng)塑料的機(jī)械強(qiáng)度，延長塑料產(chǎn)品的使用壽命。

在橡膠工業(yè)中，鈦白粉既可作為著色劑，又具有防老化、充當(dāng)填料的作用。在白色和彩色的橡膠制品中摻雜入少量的鈦白粉，在強(qiáng)日光直接照射下，不易產(chǎn)生裂紋裂、也不易變色褪色，提高橡膠產(chǎn)品的舒展率，增強(qiáng)產(chǎn)品的耐酸堿性。橡膠所用的鈦白粉，多為銳鈦礦型，主要用于橡膠鞋類和車輪胎、膠皮手套、運(yùn)動健身器材等。

1.3 造紙工業(yè)方面的應(yīng)用

鈦白粉第三大用戶是造紙工業(yè)。在紙張的制作生產(chǎn)中，常用鈦白粉用作填料，高級紙張和超薄紙最為常見。在紙張中摻雜少量的鈦白粉，可以使紙張有較高的白度，光澤和強(qiáng)度，紙張既薄又平滑，質(zhì)量較輕，并且在印刷時很不易穿透。造紙工業(yè)通常使用沒有經(jīng)過表面處理的銳鈦型鈦白粉，可以起到增白的作用。但層壓紙則要求使用經(jīng)過表面處理的金紅石型鈦白粉，以滿足耐熱、耐光等性能要求。

1.4 其他方面的應(yīng)用

鈦白粉在化妝品和醫(yī)藥方面也有較廣泛的應(yīng)用。由于鈦白粉無毒，較鉛白粉好很多，所以通常的香粉中幾乎都使用鈦白粉，逐漸取代了鋅白粉和鉛白粉。由于鈦白粉的白度高，香粉中只需加極少的鈦白粉便可以做到保持永久白色，還可以使香料更平滑細(xì)膩，有較強(qiáng)的遮蓋力。在粉、霜中加入鈦白粉可減少油膩感。在其他用途中，例如：各種香料，防曬霜，香皂，剃須膏和牙膏中常常也使用鈦白粉。這些都是利用了鈦白粉的高遮蓋力和無毒的優(yōu)點。

鈦白粉在油墨中也有不可取代的地位。含有鈦白粉的油墨可以放置很久但不會變色，表面仍有較好的潤濕性。金紅石型、銳鈦型鈦白粉都可以應(yīng)用在油墨行業(yè)中，可以根據(jù)具體的需求選擇不同晶型的鈦白粉。

陶瓷通常都有較強(qiáng)的透明度，也具有較輕的質(zhì)量、較強(qiáng)的抗打擊力、較大機(jī)械強(qiáng)度、色彩鮮艷、不易污染等特點。這些性質(zhì)利用鈦白粉以后可以大大提高，所以，鈦白粉在搪瓷、陶瓷中也有較廣泛的使用。

2 分散劑在分散中的作用

TiO2粒子在水溶液中，顆粒表面力作用使它們很容易團(tuán)聚，形成較大的團(tuán)聚體，為了使納米TiO2顆粒長時間穩(wěn)定地分散在液體介質(zhì)中，一般在介質(zhì)中加入分散劑。對常用分散劑分散機(jī)理進(jìn)行分析[11-15]。

2.1 表面活性劑

表面活性劑主要由親水基團(tuán)以及親油基團(tuán)構(gòu)成，親水基團(tuán)與極性的無機(jī)納米粉體的親和性較好，而親油基團(tuán)與非極性的聚合物基體的親和性好。表面活性劑可以增加粒子的電荷表面，增強(qiáng)粒子間的靜電排斥力。經(jīng)表面活性劑改性后的納米粉體，其表面由親水性向親油性轉(zhuǎn)變，改性納米粉體填充聚合物時，能改善納米粉體在有機(jī)基體中的分散性以及相容性。表面活性劑可以分為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和非離子表面活性劑。

十二烷基苯磺酸鈉為陰離子表面活性劑，在溶液中發(fā)生電離，有機(jī)長鏈吸附到納米顆粒表面，形成雙電層，使得納米粒子因表面所帶電荷而相互排斥，抑制粒子的團(tuán)聚，減少大粒徑團(tuán)聚物，達(dá)到分散效果。

十六烷基三甲基溴化銨為陽離子表面活性劑，由于電性相反，可能形成不太穩(wěn)定的單層吸附，隨著其加入量的增大反而使粒子粒徑加大。

聚乙烯吡咯烷酮為非離子表面活性劑，吸附于二氧化鈦粒子表面，其環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成空間位阻作用，可抑制粒子的互相靠近；但聚乙烯吡咯烷酮又會導(dǎo)致長的碳?xì)滏溄Y(jié)構(gòu)互相締合成膠團(tuán)，從而產(chǎn)生團(tuán)聚作用，降低粒子的分散性能，因此，隨著聚乙烯吡咯烷酮加入量的增大，粒子團(tuán)聚物的平均粒徑增大。

2.2 偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑法改性納米粉體時，其一部分官能團(tuán)如氨基、環(huán)氧基等與無機(jī)納米粉體表面的功能基團(tuán)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵結(jié)合在一起。

硅烷偶聯(lián)劑是一種常用的偶聯(lián)劑，其在水中發(fā)生分解，脫水縮合反應(yīng)生成低聚物，這種低聚物很易與納米二氧化鈦表面的羥基形成氫鍵，在加熱干燥過程中脫水形成共價鍵，而使得硅烷偶聯(lián)劑覆蓋在納米二氧化鈦表面，達(dá)到分散的目的。

2.3 電解質(zhì)類無機(jī)鹽

六偏磷酸鈉是一種常見的無機(jī)鹽分散劑，屬于強(qiáng)堿弱酸鹽，在水溶液中最基本的機(jī)構(gòu)單元是PO3-。PO3-會發(fā)生兩種反應(yīng)：一，它們相互聚合形成螺旋狀的長鏈，吸附在顆粒表面增強(qiáng)顆粒的親水性，并且顯著提高顆粒表面的負(fù)電位，使雙電層更加穩(wěn)定，分散效果更好。六偏磷酸鈉在納米顆粒表面吸附部分電荷形成雙電層，雙電層之間的排斥力有利于微粒的分散[15]。二，在水中的水解反應(yīng)，電離形成H2PO4-、HPO42-、PO43-，這些陰離子吸附在顆粒表面，形成保護(hù)層，使顆粒充分分散。

2.4 高分子聚合物

以聚乙二醇為例的高分子聚合物作為分散劑時，主要機(jī)理為高分子分散劑在顆粒表面吸附，使顆粒之間產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，從而達(dá)到分散的目的。

4 結(jié)束語

由此可以看出，納米二氧化鈦的經(jīng)濟(jì)價值很高，但是由于易團(tuán)聚，分散性能不佳，常常會影響其使用效果。為了更好地體現(xiàn)納米二氧化鈦的經(jīng)濟(jì)價值，我們應(yīng)該積極探索其分散方法，探索不同的表面活性劑的分散機(jī)理。