钛白粉表面处理前的分散性研究_张智涛

关键词 钛白粉 分散性 六偏磷酸钠 中 图 分 类 号 ：ＴＱ６２１ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｏｆ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｂｅｆｏｒｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉｔａｏ，ＬＩＵ Ｑｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｑｉｎｇｊｕ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｄｉｏｘｉｄｅ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｓｏｄｉｕｍ ｈｅｘａｍｅｔａｐｈｏｓｐｈａｔｅ
０ 引 言
钛白粉（ＴｉＯ２）是一种白色无 毒 的 无 机 颜 料，具 有 优 异 的 白度和光亮度且遮盖能力强，是目前世界上性能 最 佳 的 白 色 颜料之一，广泛应 用 于 涂 料、塑 料、橡 胶、造 纸、化 纤 油 墨、化 妆品等工业领域。
钛 白 粉 表 面 处 理 前 的 分 散 性 研 究／张 智 涛 等
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钛白粉表面处理前的分散性研究＊
张 智 涛 ，刘 强 ，柳 清 菊
（云南大学云南省高校纳米材料与技术重点实验室，昆明 ６５００９１）
摘要 钛白粉表面处理前在水中的分散性非常重要。通过沉 降 实 验、吸 光 度 实 验 和 Ｚｅｔａ电 位 实 验，研 究 了 钛 白粉粗品在水介质中的分散行为。考察了 ｐＨ 值、分散 剂 种 类 及 加 入 量 对 钛 白 粉 粗 品 在 水 中 的 分 散 稳 定 性 的 影 响。 实验结果证明，在 ｐＨ 值为９～１０，加入钛白粉质量０．４％的六偏磷酸钠作为分散剂时，分散性最好。
２．２ 分 散 剂 种 类 对 分 散 性 的 影 响 表１是使用不 同 分 散 剂 时 的 实 验 数 据。 由 表 １ 中 的 数
据 可 以 看 出 六 偏 磷 酸 钠 的 上 清 液 高 度 最 小 ，吸 光 度 最 大 ，Ｚｅｔａ 电位绝对值最大，说明六偏磷酸钠作为钛白粉 的 分 散 剂 效 果 最好。六偏磷酸钠是一种直链的多磷酸 盐 玻 璃 体，其 在 二 氧 化钛悬浮液中的分散作用主要是作为定位离子在二氧化钛 颗粒表面吸附，形成双电层，增大颗粒 Ｚｅｔａ电位［９］，从 而 使 颗 粒因电荷排斥作用造成彼此不能相互接触，在 浆 液 中 保 持 悬 浮状态。硅酸钠 是通 过改 变浆液的 ｐＨ 值来改变分散性的。 聚乙二醇和十二烷基苯磺酸钠不是通过提高颗粒表面的电 位来改善分散性的，而是由分子上的羟基与二 氧 化 钛 颗 粒 表 面的羟基氧通过氢键形成羟桥结构，从而在二 氧 化 钛 表 面 吸 附形成溶剂化层，最终因位阻效应而ห้องสมุดไป่ตู้ 止 粒 子 间 的 絮 凝。从 实验结果可以看出最佳的分散剂为六偏磷酸钠。
由于钛白粉具有良好的光化学 活性，当 其 暴 露 在 可 见 光 或者是紫外光下 时，能 氧 化 与 之 接 触 的 有 机 化 合 物，导 致 与 之接触的有机 化 合 物 降 解，发 生 脆 裂 或 粉 化 。 ［１，２］ 因 此 钛 白 粉工业生产时一般通过对其进行 表面处 理，即包 覆 一 层 无 机 氧化物，来弥补钛白粉的这一缺 陷。表面处 理 前 首 先 是 对 钛 白粉进行分散制浆，制得的浆液的分散性直接影 响 钛 白 粉 的 表面处理效果。如果二氧化钛粒子不能很 好 地 分 散，不 仅 不 能实现连续、均匀 地 包 覆，而 且 还 会 影 响 颜 料 粒 子 对 光 的 散 射，从而降低颜料 的 光 学 性 质 和 颜 料 性 能，甚 至 有 可 能 在 后 续的气流粉碎过程中使包覆物受到 破坏，从而影 响 颜 料 的 耐 候性。所以研究表面处理前钛白粉的水分散性就显得十分 有必要。
图２ ｐＨ 值与上清液高度和吸光度的关系曲线 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｎａｔａｎｔ ｈｅｉｇｈｔ ａｎｄ ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ ｏｆ
ＴｉＯ２ｓｌｕｒｒｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐＨ ｖａｌｕｅｓ
图４ ｐＨ 值的精确实验 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｐＨ ｖａｌｕｅ
２ 结 果 与 讨 论
２．１ ｐＨ 值对分散性的影响 图２是不同ｐＨ 值（分散剂为六偏磷酸钠，含量为钛白粉
质量的 ０．５％）的 钛 白 粉 浆 液 沉 降 １ｈ 后 上 清 液 高 度 和 吸 光 度的变化趋势图。由图 ２ 可以看出 ｐＨ 值在 ９～１２ 之 间 时， 上清液的高度低，浆液的吸光度大。上清液 高 度 越 低 说 明 沉 淀越少，分散性越 好；吸 光 度 反 映 的 是 钛 白 粉 浆 液 中 颗 粒 的 数量，吸光度大说 明 悬 浮 的 颗 粒 多，分 散 性 好。 图 ３ 是 不 同 ｐＨ 值 时 的 Ｚｅｔａ电 位 图。 由 图 ３ 可 以 看 出，ｐＨ 值 在 ９～１２ 之间时 Ｚｅｔａ电 位 的 绝 对 值 最 大，Ｚｅｔａ电 位 反 映 的 是 钛 白 粉 颗粒表面的双电 层 的 大 小，Ｚｅｔａ电 位 绝 对 值 越 大，双 电 层 越 大，颗粒之间的斥力越大，分散性越好 。 ［７，８］
（Ｙｕｎｎａｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙｕｎｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００９１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｄｉｓｐｅｒｓｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｄｉｏｘｉｄｅ ｗｅｌｌ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｄｉｓ－ ｐｅｒｓｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ ａｎｄ ｚｅｔａ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｚａ－ ｔｉｏｎ ｏｆ ＴｉＯ２ｐｏｗｅｒ ｉｎ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐＨ ｖａｌｕｅｓ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｐｅｒｓａｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｄｉｓｐｅｒｓａｎｔ ｗｅｒｅ ｉｎ－ ｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｐＨ ｉｓ ９－１０，ｔｈｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ＴｉＯ２ ｕｓｉｎｇ ｓｏｄｉｕｍ ｈｅｘａｍｅｔａ－ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ （０．４％ ，ｗｅｉｇｈｔ ｒａｔｉｏ）ａｓ ｄｉｓｐｅｒｓａｎｔ ｉｎ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ．
３
０．３５８ －６５．９
聚乙二醇
５
０．２７６ －５４．６
十二烷基苯磺酸钠
８０
０．１１０ －５５．６
硅酸钠
８１
０．１０７ －６０．３
２．３ 分 散 剂 用 量 对 分 散 性 的 影 响 图５是分散剂六偏磷酸钠的加入量不同时的吸光度及
上清液高度图。
由图５可以看出，分散 剂 的 用 量 为 钛 白 粉 质 量 的 ０．４％ 时 分 散 性 最 好 ，增 加 和 减 少 分 散 剂 的 用 量 都 会 减 弱 分 散 的 效
称取一定量的钛白粉，置于烧 杯 中，加 入 去 离 子 水，搅 拌 ３０ｍｉｎ，并超声 波 分 散 ２０ ｍｉｎ，然 后 调 节 钛 白 粉 浆 液 的 ｐＨ 值，并加入一定量 的 分 散 剂，即 得 到 分 散 性 良 好 的 钛 白 粉 浆 液。
因为 ｐＨ 值、分 散剂种类和分散剂用量是分散过程的 重 要影响因素，所以分别考察它们对钛白粉浆液 的 分 散 性 的 影 响。 １．２．２ 表 征 方 法
图３ ｐＨ 值与 Ｚｅｔａ电位的关系曲线 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｚｅｔａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ＴｉＯ２ｓｌｕｒｒｙ ｕｎｄｅｒ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐＨ ｖａｌｕｅｓ
为了缩小 ｐＨ 值的范 围，将 ｐＨ 值 为 ８～１２ 时 的 钛 白 粉 浆 液 沉 降 ２４ｈ，然 后 观 察 记 录 上 清 液 高 度 ，吸 取 液 面 下 １０ｃｍ 处的浆液１ｍＬ 稀释 １００ 倍，测 量 其 吸 光 度。 图 ４ 是 其 结 果 趋势图，可以看出 ｐＨ 值为９～１０时分散性最好。实际上，粉 体表面主要受相互排斥的静电斥力和相互吸引的范德华力 的作用，当静电斥力远远大于范德华力 时，分 散 性 就 好，否 则 分散性很差。ｐＨ 值是通过改变钛白粉颗粒表面的正负电荷 量从而形成双电层，而这种双电层可以看作是 四 周 被 同 一 电 荷所包围 的粒子，当 ｐＨ 值改变时，电荷浓度发生变化，电荷 产生斥力，当这种斥力大于范德华引力 时，粒 子 就 会 分 开，体 系处于分散稳定状态。
１．１ 原 料 及 试 剂 实验所用的原 材 料 包 括：未 包 膜 钛 白 粉，攀 枝 花 钢 铁 有
限责任公司钛业 公 司；硫 酸，天 津 市 化 学 试 剂 三 厂，分 析 纯； 氢氧化钠，天津市 化 学 试 剂 三 厂，分 析 纯；硅 酸 钠，天 津 市 化 学试剂三厂，分 析 纯；六 偏 磷 酸 钠，天 津 市 龙 强 化 工 有 限 公 司，工业纯；十二烷基苯磺酸钠，中国医药（集 团）上 海 化 学 试 剂公司，工业纯；聚 乙 二 醇，江 苏 嘉 丰 化 学 股 份 有 限 公 司，工 业纯。 １．２ 实 验 方 法 １．２．１ 分 散 实 验
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材料导报
液面刚好达到１００ｍＬ 刻度处，沉淀若干时间（１～２４ｈ不等） 后观察上清液的高度 ，沉 ［３，４］ 降实验示意图如图１所示。
２０１３ 年 ５ 月 第 ２７ 卷 专 辑 ２１
图 １ 钛 白 粉 颗 粒 在 水 溶 液 中 沉 降 高 度 测 定 示 意 图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ
本实验分别选择六偏磷酸钠、硅 酸 钠、聚 乙 二 醇、十 二 烷 基 苯 磺 酸 钠 作 为 分 散 剂 ，采 用 沉 降 实 验 、吸 光 度 实 验 、Ｚｅｔａ 电 位实验研究钛白粉分散 性，主 要 考 察 ｐＨ 值、分 散 剂 种 类、分 散剂的加入量等对钛白粉在水中分散性的影响。