钛白粉表面处理前的分散性研究_张智涛

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(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.
(1)沉 降 实 验 将分散好的钛白粉浆液倒入100mL 的量筒中至浆液上
* 科 技 部 科 技 人 员 服 务 企 业 项 目 (2009GJF30022);昆 明 市 科 技 合 作 重 大 项 目 (08H130201) 张智涛:男,1985年生,硕士,研究方向为功能材料 E-mail:zzt_152693@126.com 柳清菊:通讯作 者,教 授,博 士 生 导 师,主 要 研 究 方 向 为 二 氧 化 钛 的 光 催 化 效 应 E-mail:qjliu@ynu.edu.cn
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
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
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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
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
果 。 [10] 这是因为增加和减少加入量都会减小 表 面 的 电 荷 量 , 从而导致斥力减 小,颗 粒 之 间 容 易 聚 集,所 以 分 散 能 力 相 对 减弱。
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,最终因位阻效应而阻 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。
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。
1 实 验
钛 白 粉 表 面 处 理 前 的 分 散 性 研 究/张 智 涛 等
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ห้องสมุดไป่ตู้
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。
TiO2particles in aqueous solution
(2)Zeta电 位 测 定 用 Zeta 电 位 仪 (英 国 马 尔 文 公 司,型 号 Mastersizer 2000)测量分散好的 钛白粉浆液的 Zeta电位,Zeta电位 数值 的绝对值越大分散性越好 。 [5,6] (3)浆 液 吸 光 度 测 定 沉降实验中的钛白粉浆液沉降 完毕后,用 移 液 管 吸 取 液 面下10cm 处的浆液1mL,稀释 100倍,立 即 在 分 光 光 度 计 (上海菁华科技 仪 器 有 限 公 司,型 号 722N)上 测 量 稀 释 后 溶 液 的 吸 光 度 ,吸 光 度 越 大 表 明 分 散 性 越 好 。
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
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。
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。
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]
钛 白 粉 表 面 处 理 前 的 分 散 性 研 究/张 智 涛 等
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表 1 不 同 分 散 剂 的 分 散 效 果 Table 1 The effect of different dispersant
分散剂
上清液高度/cm 吸光度 Zeta电位/mV

83
0.102 -50.4
六偏磷酸钠

0.358 -65.9
聚乙二醇

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
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。
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