二氧化钛有机表面修饰研究
2019年12月20日 发布
分类:粉体加工技术 点击量:3523
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摘要:实验室包覆有机物通常采用高速分散湿法、振荡分散法、汽粉机粉碎法。三种常用方法都能在钛白粉表面包覆有机物,但其中包覆工艺不同,决定了包覆质量也不同。本文采用同种有机物对钛白粉进行三种包覆方法,对比其包覆方法,找出其优缺点。 关键词:钛白粉;有机硅;表面包覆;粒径 引言 TiO2,俗称钛白粉,是一种多晶型化合物,自然界中主要有板钛型、锐钛型、金红石型三种晶型。其物理化学特性稳定,无毒无害,具有较高的白度,高遮盖,优异的光泽度和消色力等,广泛应用于涂料、油墨、塑料、造纸、橡胶、化纤、化妆品等工业[1~2]。由于二氧化钛晶型结构特点导致本身存在光化学活性缺陷(肖特基缺陷),从而影响二氧化钛应用性能。因此在实际应用中需要对二氧化钛进行表面包覆处理,已屏蔽紫外光对其造成的光催化作用。通常先进行无机表面包覆处理,提高其耐候性,分散性等;后进行有机表面包覆处理[3~4]。进一步提高分散性,光泽度等。 目前,同常先采用硅、铝、锆、钛等无机盐进行TiO2表面无机包覆,提高其分散性、耐候性、光泽度等,然后在采用胺类化合物、多元醇、有机硅化合物、有机酸盐等进行TiO2有机包覆。进一步提高其分散性[5]。实验室通常采用高速搅拌湿法包覆有机物、振动混匀法包覆有机物、汽粉法包覆有机物。本文针对三种方法进行试验对比分析,探讨三种包覆方法优缺点,为实验室包覆TiO2有机物提供参考。 1.实验部分1.1试剂与仪器1.1.1主要原料和试剂 实验中使用的原料及主要试剂见表1。 表1原料及主要试剂 Table 1 Raw Materials and Main Reagents.
1.1.2主要设备和仪器 实验中使用的主要设备和仪器见表。 表2主要设备和仪器 Table 2 Main Equipment and Instruments.
1.2实验流程
图1 工艺流程图 Fig. 1 Process Flow Chart. 氯化法钛白粉浆料经过前期中和砂磨分散,进行无机Si、Al包膜,然后压滤得到此次实验的滤饼料。滤饼料分三种工艺进行TME有机包覆。 1.3实验方法1)浆料中和:配置7L浓度为350g/L的氯化法钛白粉浆料,加入浓度为50g/L的六偏磷酸钠15mL,搅拌调节浆料PH为10.0-10.5。 2)砂磨分散:将中和后的浆料用实验室型砂磨机进行研磨分散,浆料循环研磨15min,研磨转速为2000r/min。测定研磨分散后的钛白粉浆料粒径[8]。 3)包硅实验:量取5L砂磨后浆料倒入单层玻璃反应釜中,开启搅拌转速设定为150r/min,水浴升温到浆料温度为60℃。用1mol/L硫酸溶液和1mol/L氢氧化钠溶液调节浆料溶液pH值为10.0~10.5,搅拌分散5min,移取定量的硅酸钠溶液(以SiO2计浓度为100g/L)加入单层玻璃反应釜中,陈化20min。 4)包铝实验:移取适量偏铝酸钠溶液(以Al2O3计浓度为100g/L)缓慢加入单层玻璃反应釜中,陈化15min后,再取适量硫酸铝溶液(以Al2O3计浓度为250g/L)缓慢加入单层玻璃反应釜中,陈化15min,用1mol/L硫酸溶液和1mol/L氢氧化钠溶液滴定浆料溶液pH值为5.5~6.5,陈化20min。 5)压滤洗涤:将包膜后的浆液用实验室隔膜压滤机进行压滤,浆料倒入压滤机后用60℃除盐水洗涤至电导率小于100μs/cm,得到滤饼。称取1000g滤饼配置成500g/L的浆料待用,剩余滤饼取到不锈钢瓷盘中,调节电热恒温鼓风干燥箱温度到145℃持续干燥12h,冷却后干燥钛白粉用高速分散机进行粗粉。 6)高速分散包覆TME:将压滤后配置的500g/L浆料放在高速分散机分散缸内,调节高速分散机转速为3000r/min,加入适量的TME高速分散30min。分散后将料方法不锈钢瓷盘中,调节电热恒温鼓风干燥箱温度到145℃持续干燥12h,冷却后干燥钛白粉用高速分散机进行初打粉,后用实验室型气流粉碎机进行粉碎,粉碎介质为除油除湿压缩空气,粉碎压力为1.0MPa,进料压力为0.8MPa;得到1号样品。 7)振荡分散包覆TME:称取钛白粉粗粉500g,加入适量的TME振荡分散30min。后用实验室型气流粉碎机进行粉碎,粉碎介质为除油除湿压缩空气,粉碎压力为1.0MPa,进料压力为0.8MPa;得到2号样品。 8)汽流粉碎包覆TME:称取钛白粉粗粉500g,用实验室型气流粉碎机进行粉碎,粉碎介质为除油除湿压缩空气,粉碎压力为1.0MPa,进料压力为0.8MPa;并在汽粉机出口加入适量的TME(TME由计量泵输送),得到3号样品。 1.4性能表征与测试1.4.1粒度测试 粒径测试:称取0.1g钛白粉成品样溶于40ml蒸馏水中,滴加5‰的六偏磷酸钠,在磁力搅拌器上搅拌3min,而后放入超声波清洗器中超声3min。采用Malvern Mastersizer2000激光粒度仪检测,测量三次取平均结果。 1.4.2分散性测试 检测树脂为固含量为40%的长油醇酸树脂。 振荡分散:分散性检测按照《颜料和体质颜料评定分散性用的分散方法第2部分:用振荡磨分散》ISO 8780-2:1990标准测定,检测参数:颜料含量为40%,分散时间10min;颗粒数的计算为刮板细度计上25-50刻度之间的颗粒数。 高速搅拌分散:分散性按照《颜料和体质颜料评定分散性用的分散方法第3部分:用高速搅拌机分散》ISO 8780-3:1990标准测定,检测参数:颜料含量为70%,分散线速度为10.5m/s,高速分散时间10min;粗颗粒的计算为75μm槽深1平方英寸面积的颗粒数;细颗粒的计算为25μm槽深1平方英寸面积的颗粒数。 1.4.3颜色测试 漆膜颜色:制成全遮盖的漆膜后按照《涂膜颜色的测量方法第二部分:颜色测量》GB/T 11186.2-1989标准检测; 对比率:在标准的黑白卡纸上涂覆湿膜,恒温恒湿处理后得到19μm厚度干膜,按照《白色和浅色漆对比率的测定》GB/T 23981-2009标准检测; 光泽:在玻璃板上采用《色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜20°、60°和85°镜面光泽的测定》GB/T 9754-2007标准制样和检测。 2.结果与讨论2.1粒径测试结果
图2粒径分布图 Fig. 2 Particle Size Distribution Map.
图3粒径测试图 Fig 3. Particle Size Test Diagram. 二氧化钛粒子大小在氧化阶段已经固定,由于粒子之间相互吸引使二氧化钛颗粒结集团聚,砂磨过程只是把团聚打开,经过包膜压滤一些列工艺后,钛白粉可以又产生二次团聚,所以采用汽粉进行粉碎。激光粒径分析仪是根据激光在被测颗粒表面发生散射,散射光的角度和光强会因颗粒尺寸的不同而不同,根据米氏散射和弗氏衍射理论。[7~8]可以进行粒径分析。从图2、3可以看出3个样品粒径相差不大,进一步说明砂磨汽粉工艺不能改变粒子形貌大小,只能打开团聚,起到解聚作用。测试结果D50、D90对比,3号样品汽粉效果相对好一点,粒径更集中。 2.2三个钛白粉样品分散性测定对比
图4分散性测试图 Fi高 4. Dispersion Test Diagram. 由图4可以看出:振动法分散性高于高速搅拌法分散性,说明在应用体系中,振荡分散更有利于钛白粉分散,但高速搅拌分散方法简单,效率更高。颗粒数多少能客观的反应样品分散情况,振荡分散中未看到粗颗粒,总体情况为3号样品分散性最好1号样品次之,分散性最差为2号样品。说明样品采用不同的有机包膜方法,样品应用体系中分散性有明显差别。 2.3三个钛白粉样品色差性能测定对比在15%PVC(颜料体积浓度)的丙烯酸油漆中的性能对比
图5颜色测试图 Fig 5 Color Test Diagram. 样品颜色主要由颗粒形貌、包膜配方、颜料配方所决定,本文针对同一浆料、同一包膜配方研究,样品各项颜色指标相差不算大,但三种包覆有机方法之间还是有一些差异。由图5可以看出,3个样品遮盖力相差不大,说明遮盖力主要受粒子形貌影响,涂层厚度在此不做讨论。3号样品L*值和白度、光泽度均比1号2号好,与分散性相呼应,说明样品分散性与各项应用指标有着密切关系。 3.结论本文对氯化法钛白粉基料做中和砂磨分散处理,在进行无机包覆后,分三种方法进行有机包覆的实验研究,最终测试成品各项指标,得到以下结论: 1) 采用微型汽粉机和高速搅拌机包膜TME的样品比采用振荡包覆TME的样品粒径更均匀集中。 2) 汽粉机包覆TME分散性优于高速搅拌包覆和振荡包覆。 3) 由于汽粉包覆分散性好,样品的白度、亮度、光泽度相对偏高。 4) 遮盖力主要取决于粒子本身大小,同一个样遮盖力相差较小。 参考文献[1]刘于民. 二氧化钛表面功能化及应用研究[D].江苏大学,2011. [2]李璇,张敏,李秋叶,杨建军. 二氧化钛表面处理研究进展[J]. 化学研究,2017,28(05):537-547. [3]李家其,周硕林,徐琼,钟文周,刘贤响,尹笃林. 二氧化钛颜料表面包覆及光活性评价研究进展[J]. 化工进展,2017,36(12):4613-4621. [4]李礼. 二氧化钛表面包覆氧化铝的形态和机理分析[J]. 无机盐工业,2013,45(08):27-29. [5]张先鹏,袁海斌,李实秾,徐祖彪,李恩明,彭祥燕. 二氧化钛表面包覆SiO_2的最优条件试验研究[J]. 现代涂料与涂装,2013,16(09):13-15+23. [6]马磊. 氯化法钛白粉表面包膜关键因素研究[D].云南大学,2016. [7]刘培炎. 激光粒度仪干法和湿法测试在涂料粒径分析中的应用[J]. 涂料工业,2016,46(12):58-62. [8]王钦清. 二氧化钛改性及其性能研究[D].江南大学,2010. [9]张智涛. 钛白粉表面包膜改性技术研究[D].云南大学,2013.
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