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钛白粉分散性能的研究

来源:山东道恩钛业有限公司 作者:迟维萩,马文,李作成 时间:2019-08-02 点击:
导读:针对不同影响因素对钛白粉分散性能进行了研究,实验表明钛白粉的粒度增加对分散性能有害,粒度越小,分散性能越好;钛含量越高,分散性越好;弱酸条件下钛白粉的分散性较好,强酸、强碱都会影响钛白粉的分散性;分散剂加量越多,分散性能越好。并对分散性能的
0 前 言
钛白粉主要用于造纸、油墨、塑料、涂料等行业,在使用过程中对钛白粉的性能要求较为严格,尤其是钛白粉的分散性能,各应用体系对其格外关注。若钛白粉的分散性能较差,不能完全体现出钛白粉的高白度、高遮盖等性能,在涂料中会影响整体分散效果,严重甚至会导致涂料含有颗粒、产生沉淀等。通过各种控制手段,提高钛白粉的分散性,既有利于钛白粉生产厂家,亦有利于下游行业进行质量控制。
目前,国内外对于钛白粉分散性能的研究较少,大都停留在实验室阶段,对生产的导向作用极少,而且对于分散机理的研究少之又少,对其分散好坏没有进行系统论述,其影响效果一直没有明确定论。本文针对钛白粉在水性体系中的分散效果及影响因素进行系统实验,为产品的生产及应用提供科学依据。

1 实验材料与方法
1.1 实验材料
本实验材料主要为钛白粉,根据不同的影响因素选取相应性质的钛白粉原料,所用水为去离子水,pH值调整剂选用0.1 mol/L的硫酸和氢氧化钠溶液,涉及到的分散剂选用分析纯,并用去离子水配制成0.1mol/L。其他设备还有pH值计、荧光光谱分析仪、粒度分布仪、黏度计等。
1.2 实验步骤
(1)取适量钛白粉分成5份,在气流粉碎机上粉碎不同的时间,让其粒度产生差异,然后将这5份钛白粉分别配制成700 g/L的溶液,充分分散后测量黏度并记录。
(2)取8份钛含量不同的钛白粉,分别检测其产品的组分,然后将这8份钛白粉分别配制成700 g/L的溶液,充分分散后测量黏度并记录。
(3)取10份去离子水,分别用硫酸溶液和氢氧化钠溶液调制成pH值=2、3、4……11的溶液,保持其总体积相同,然后分别加入相同质量的钛白粉配制成700g/L的溶液,充分分散后测量黏度并记录。
(4)取9份相同的钛白粉配制成浓度为700 g/L的钛白粉溶液,分别加入硅酸钠分散剂,加量分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%,并做一个空白对照,充分分散后测量黏度并记录。

2 实验结果
2.1 粒度实验
将钛白粉进行气流粉碎后其粒度随着粉碎时间的延长而降低,对产品进行粒度分布的测试,结果见图1。
粒度分布结果
对上述5份钛白粉配制成相同浓度的溶液后测量结果见图2。
粒度对分散性的影响结果
从图1中看出,样品1到样品5的粒度分布逐渐变宽,并且峰值粒度也逐渐变大,因此,样品1到样品5的平均粒度逐渐变大。从图2中可以看出,钛白粉的黏度与产品粒度呈正相关的关系,即产品的粒度越大,黏度越大,分散性越差。样品1与样品2的黏度相差较小,从样品3之后产品黏度增加幅度较快,这就说明,在粒度较小的情况下产品的分散性差异较小,随着产品粒度的增加,分散性的差异逐渐显现出来,并呈指数型增加。
2.2 含钛量实验
钛白粉中含量最多的物质是二氧化钛,最高含量可达99%,通常情况下颜料级钛白粉的二氧化钛含量在85%~95%。二氧化钛含量是钛白粉主要的指标之一,含钛量越高,钛白粉的白度性能越好,但相应成本就越高,不同的应用体系含钛量也有不同的要求。将不同含钛量的钛白粉进行检测后配制成相同浓度的溶液,充分分散后测量黏度,其结果见图3。
不同含钛量的黏度指标
从图3中可以看出,随着钛含量的升高,产品的黏度出现下降趋势,即钛白粉中二氧化钛含量越高,产品的分散性越好。当产品中钛含量在90%以下时,产品黏度的变化较大,而当钛含量增加到90%以上时变化幅度较小,因此,高二氧化钛含量虽然在一定程度上有提高产品分散性的好处,但是当钛含量升高到90%以上时其提升效果不太明显。
2.3 pH值实验
在钛白粉的应用中,经常将钛白粉置于不同pH值下进行分散,如在造纸过程中会将钛白粉分散于碱性环境中,而在乳胶漆体系中也有将钛白粉分散于弱酸性的环境。将相同的钛白粉置于不同的pH值中,在水性体系的相同浓度下测量黏度,得到的结果见图4。
不同pH值下的黏度
从图4中可以看出,在相同的浓度下pH值与钛白粉的黏度呈“U”型关系,即在强酸和强碱环境下钛白粉的分散性极差,在碱度适中时钛白粉的分散性较好。该钛白粉在pH值=5.2时表现出极好的分散效果,随着pH值的升高,黏度增加极快,当pH值增加到12时,黏度接近1 900 mPa · s。在强酸性环境下,钛白粉的分散性要比强碱性环境好,当pH值=4.2时黏度仅为508 mPa · s。因此,钛白粉在酸性条件下要比碱性环境分散性好,尤其是在弱酸性环境下分散性最好。
2.4 分散剂实验
分散剂是提高分散性能的重要手段,在钛白粉行业中常用的分散剂有六偏磷酸钠、硅酸钠等,可根据不同的场合选择使用。图5是用硅酸钠作为分散剂研究对分散性能的影响。
不同用量的分散剂对分散性能的影响
从图5中可以看出,分散剂的加入能有效降低钛白粉的黏度,提高分散性能,尤其是分散剂加量在0.2%以内时能迅速降低黏度,当分散剂加量继续增加时,黏度降低的幅度下降,效果不太明显。这主要是由于0.2%左右的分散剂足以分散700 g/L的钛白粉,再进一步增加分散剂不会对分散效果进一步提升。

3 机理分析
通过对以上实验的研究可总结出以下分散机理。
(1)钛白粉的分散过程就是大块颗粒变成小块颗粒的过程,当钛白粉的颗粒足够小时,就是分散性能较好的时刻。钛白粉的颗粒较大,其分散需要一定的外力才能将大颗粒变成小颗粒,这些外力包括外加动力、溶解力、分子氢键等,而这些外力与颗粒的大小成正比,颗粒越大,需要的外力越大,在相同的情况下大颗粒的分散性能就越差。
(2)钛白粉中钛含量是重要的指标之一,钛元素可表现出较多的性能,其中之一是亲水性。钛元素表面有较多的不饱和键,可与水分子形成较多的氢键,生成钛元素的水合物。这种物质的存在能使钛白粉与水的亲和力加强,从而增加钛白粉的分散性。
(3)当钛白粉体系中pH值改变,其实就是改变了体系的电位值,而钛白粉本身具有一定的Zeta电位,当溶液中电位与钛白粉本身的Zeta电位相符合时钛白粉的分散性能就加强,这是电子相互排斥的结果。当两电位相同时产生较大的斥力,使得水分子与钛白粉分子相互排斥,两者有远离的趋势,从而加大了两者的间距,实现在混合体系中的分散。
(4)分散剂的加入可以改变溶液中各集合体的电性,如阴离子分散剂,可以使得溶液中分子表面荷负电,从而实现在斥力作用下分散;而当分散剂添加量过多时,荷负电的物质反而会产生团聚,使得颗粒变大,分散效果不明显。

4 对生产的启示
对钛白粉分散性能的研究旨在强化钛白粉的生产,其对生产的指导作用有如下几方面。
(1)钛白粉的粒度是影响分散性能的重要参数,在生产时要尽量降低钛白粉的粒度,主要做法是控制钛白粉生产时的水解粒径、加强钛白粉粗品的砂磨强度、增加钛白粉气流粉碎时的蒸汽强度等,尤其是气流粉碎的强度,它是钛白粉的最后一道粉碎工序,粉碎效果的好坏直接关系到产品的质量。
(2)钛含量的提高会增加钛白粉的成本,也能加强产品的分散性能,在这两个方面中需要寻找平衡点,一般颜料有钛白粉的钛含量可控制在90%~94%,过多或过少都会对产品的质量和成本带来负面影响。
(3)pH值在生产中也是重要的控制指标,尤其是在钛白粉包膜过程中,其最终的包膜pH值即为产品的pH值,通过对分散性能影响因素的研究可知,在弱酸性的环境下能得到较好的分散效果,因此在包膜过程中最好选用弱酸性的包膜终点作为产品的结束点。
(4)分散剂是钛白粉重要的生产原料,尤其是在砂磨过程中,控制好加量是改善分散性能的重要手段,随着产品浓度的增加可适当增加分散剂的加量,从而保证产品处在良好的分散环境下。另外,在产品应用时分散剂的添加也是必须的,但是要保证分散剂的添加适量。

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