二氧化鈦水分散性的分散機理及高速分散機

TiO2是最常用的白色顏料，廣泛用于涂料、塑料、

　　探討了二氧化鈦水分散性的分散機理;闡述了其改性過程和改性劑的選擇;評價了其理化性能及其影響因素，并用掃描電鏡表征了二氧化鈦的表面結(jié)構(gòu)。

1引言

TiO2是最常用的白色顏料，廣泛用于涂料、塑料、橡膠、紙張、陶瓷、化妝品與紡織工業(yè)。隨著人們對環(huán)境的日益關(guān)注，水性環(huán)保涂料倍受青睞，而TiO2作為一種優(yōu)質(zhì)的白色顏料，如何更好地應(yīng)用于水性涂料是當今研究的課題。水分散性是TiO2在水性涂料中應(yīng)用的一個很重要的性能指標，它的優(yōu)劣直接影響涂料的遮蓋力和其他性能。對于TiO2水分散性的改進，本文先從水分散性的機理出發(fā)進行分析，然后通過改性試驗加以確認。

2改性的理論基礎(chǔ)

2.1TiO2表面特性

2.1.1單相中的團聚現(xiàn)象

TiO2煅燒所得的原級粒子很小，具有很高的比表面能，極不穩(wěn)定，在高溫下會很快地團聚，形成亞穩(wěn)態(tài)的較大粒子。對于一定量的TiO2而言，粒子愈小，原級粒子之間的引力愈強，粒子更易團聚。

　　目前，采用儀器測定的TiO2平均粒徑多數(shù)是二級粒子的粒徑(一般為0.2～0.4um)，表面的能量仍然較高，容易通過團聚來降低表面能量，達到準穩(wěn)定狀態(tài)。因此，TiO2在單相中的易團聚現(xiàn)象是討論其水分散性的前提。

2.1.2兩相中的高分散性

　　在水分散體中，TiO2呈現(xiàn)高度的分散性。其原因是：①TiO2表面有很多羥基，它能夠吸附極性粒子，使固體表面帶有相同的電荷，因同種電荷排斥而分散;②粒子的比表面能很大，表面收縮而降低表面能，使分散體系穩(wěn)定化。正是TiO2在水中的高度分散性使它能夠在水性涂料中得以廣泛應(yīng)用。

2.2TiO2在水分散體中的分散過程

2.2.1吸附作用

　　大量研究表明，TiO2表面有很多極性羥基，若在水中不加任何分散劑，TiO2在水中分散時會吸附大量的極性基團;若加入一定濃度的高分子分散劑，高分子分散劑吸附在TiO2顆粒的表面，使得吸附層厚度增加，表面特性改變。

2.2.2雙電層理論

　　通過檢測TiO2在水中的Zeta電位，發(fā)現(xiàn)銳鈦型TiO2在pH為6.8左右時，Zeta電位約為一36mV，這表明TiO2表面帶有電荷，而且電負性較強。根據(jù)雙電層理論解釋TiO2在水中的分散過程合乎事實，有一定的科學依據(jù)。

　　實際上，TiO2在水中分散的過程是雙電層形成的過程。當TiO2接觸水表面時，瞬間被浸漬潤濕，其表面會吸附一層相反電荷，構(gòu)成了雙電層。這種雙電層可以看作是四周被同一電荷所包圍的粒子，當布朗運動使2個粒子靠近時，相同性質(zhì)的電荷之間產(chǎn)生斥力，當這種斥力大于范德華引力時，則粒子分開，體系處于分散穩(wěn)定狀態(tài)。

3改性試驗

　　為了改進TiO2在水分散性方面的不足，需對其進行表面處理。最常用的是穩(wěn)定化處理，即在晶體結(jié)構(gòu)中加入其他元素，或?qū)αＷ拥谋砻孢M行改性，這些都有助于改變其物理化學性質(zhì)。

3.1改性的目的

　　引入能與有機物相互作用的新基團，改進界面附著力，改變表面的親水/疏水性。改性后的產(chǎn)品應(yīng)具有盡可能低的堆密度和盡可能高的疏水性。

3.2改性材料

TiO2由濟南裕興化工總廠以硫酸法工藝制備而得。經(jīng)檢測，該TiO2(型號為R一818)的主要理化性能見表1。

3.3改性劑的選擇

　　在改性劑中，最常用的有硅烷、鈦酸酯、鋯酸酯偶聯(lián)劑，以及脂肪酸及其衍生物和表面活性劑。本文選擇以前作為黏附劑用的硅烷偶聯(lián)劑作為改性劑。具體化合物見表2。

3.4改性方法

3.4.1改性的工藝過程

　　制備合適的硅烷溶液，然后將100份(質(zhì)量份，以下同)待改性的TiO2和0.25-5.00份硅烷偶聯(lián)劑溶液在表面改性混合器中混合，以保證TiO2表面有均勻一致的潤濕性?；旌虾螅趌10°C除去溶劑并干燥改性后的粉末。

3.4.2物理化學性質(zhì)檢測

　　改性后接著進行TiO2的物理化學性能檢測，測定其堆密度、吸水性、吸鄰苯二甲酸二丁酯性、吸石蠟油性。為了得到分散性數(shù)據(jù)，進行形態(tài)學、微結(jié)構(gòu)的研究和粒子的形狀、晶粒形態(tài)、單個粒子結(jié)構(gòu)、TiO2聚集、附聚集類型的研究(所用儀器為掃描電子顯微鏡)。

3.5改性結(jié)果與討論

　　改性和未改性TiO2的基本理化性能參數(shù)見表3。這些參數(shù)指出了改性后產(chǎn)物表面特性的明顯變化。

　　表3未改性和改性TiO2的理化性能參數(shù)

　　應(yīng)用硅烷偶聯(lián)劑改性時，TiO2樣品的堆密度稍有增加。在使用帶辛基、乙烯基官能團的硅烷時，TiO2的疏水性明顯增加，這是由于其表面的水潤濕性部分或完全喪失。當用正辛基三乙氧基硅烷(U一222)改性時，對疏水性的影響最明顯，用0.5份該化合物改性100份TiO2時，TiO2的水潤濕性已失去。而用脲基硅烷改性時，TiO2表面基團發(fā)生部分封閉，疏水性只有了可忽略不計的增加。因為在這種情況下改性物表面上存在著氨基，能與水分子形成氫鍵，使表面出現(xiàn)較小的親水性。

　　分別對未改性的TiO2和用U一222改性后的TiO2進行電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)未改性TiO2顯示有高的分散程度并存在小粒子，且稍有粒子聚集傾向。用0.25份U一222改性100份鈦白粉時，可以使TiO2完全分散;而用5份U一222硅烷改性時會導致TiO2的附聚傾向明顯增加。

4結(jié)語

TiO2的表面特性隨著改性而改變，改性的TiO2通過化學和物理加工得到物理化學性質(zhì)各異的表面。TiO2的水分散性在改性中得到了提高，從而在水性涂料中得到更好地應(yīng)用。

一 般是采用下述分散方法來達到分散效果。
◆研磨分散：利用三輥機或多輥機的輥與輥速度的不同，將研磨料投入加料輥(后輥)和中輥之間的加料溝，二輥以不同速度內(nèi)向旋轉(zhuǎn)，部分研磨料進入加料縫并受到強大的剪切作用，通過加料縫，研磨料被分為兩部分，一部分附加在加料輥上回到加料溝，另一部分由中輥帶到中輥和前輥之間的刮漆縫，在此又一次受到更強大的剪切力作用。經(jīng)過刮漆縫，研磨料又分成兩部分，一部分由前輥帶到刮刀處，落入刮漆盤，另一部分再回到加料溝，如此經(jīng)幾次循環(huán)，可達到分散的目的。但用三輥機或多輥機進行處理效率低，能耗高，滿足不了大生產(chǎn)的需求。

◆球磨分散：通過球磨機中磨球之間及磨球與缸體間相互滾撞作用，使接觸鋼球的粉體粒子被撞碎或磨碎，同時使混合物在球的空隙內(nèi)受到高度湍動混合作用而被均勻地分散。
◆砂磨分散：砂磨是球磨的外延。只不過研磨介質(zhì)是用微細的珠或砂。砂磨機可連續(xù)進料，納米粉體的預(yù)混合漿通過圓筒時，在筒中受到激烈攪拌的砂粒所給予的猛烈的撞擊和剪切作用，使得納米氧化物能很好地分散在涂料中，分散后的漿離開砂粒研磨區(qū)通過出口篩，溢流排出，出口篩可擋住砂粒，并使其回到筒中。通過球磨機和砂磨機分散能取得較好的分散效果及物料細度，但球磨機和砂磨機同樣無法避免處理效率低，能耗高的缺點。

◆高剪切分散機：高剪切分散機的核心部件是定子／轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高切線速度和高頻機械效應(yīng)帶來強勁的動能，使物料在定、轉(zhuǎn)子狹窄的間隙中受到強烈的機械剪切、液力剪切、離心擠壓、液層磨擦、撞擊撕裂和湍流等綜合作用，使不相溶的固相、液相、氣相在相應(yīng)成熟工藝的條件下，瞬問均勻精細地分散，經(jīng)過高頻的循環(huán)往復(fù)，最終得到穩(wěn)定的高品質(zhì)產(chǎn)品。與三輥機、球磨機、砂磨機相比，高剪切分散機具有效率高、能耗低等顯著優(yōu)點，是分散工藝的首選。

高剪切分散機工作原理
IKN高剪切分散設(shè)備目前已在納米研究、生化制藥、新材料、新能源等現(xiàn)代高科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。高剪切分散機的工作原理如下：
◆在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力作用下，物料從工作頭的上下進料區(qū)，同時從軸向吸人工作腔。
◆強勁的離心力將物料從徑向甩入定、轉(zhuǎn)子之間狹窄精密的間隙中，同時受到離心擠壓、液層摩擦、液力撞擊等綜合作用力，物料被初步分散。
◆高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生至少15m／s以上的線速度，物料在強烈的液力剪切、液層磨擦、撕裂碰撞等作用下被充分分散破碎，同時通過定子槽高速射出。
◆物料不斷地從徑向高速射出，在物料本身和容器壁的阻力下改變流向，與此同時在轉(zhuǎn)子區(qū)產(chǎn)生的上、下軸向抽吸力的作用下，又形成上、下兩股強烈的翻動紊流。物料經(jīng)過數(shù)次循環(huán)，最終完成分散過程。

高剪切分散機特點
高剪切分散機與傳統(tǒng)的攪拌混合設(shè)備相比具有以下優(yōu)點：
◆處理量大，適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)
◆粒徑分布范圍窄，勻度高
◆省時、高效、節(jié)約能耗
◆噪音低，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)
◆無死角，物料100％通過分散剪切
◆設(shè)計新穎，操作簡單，維修方便
◆可實現(xiàn)自動化控制.

研磨分散機的細化作用一般來說要強于均質(zhì)機，但它對物料的適應(yīng)能力較強（如高粘度、大顆粒），所以在很多場合下，它用于均質(zhì)機的前道或者用于高粘度的場合。

研磨式分散機是由錐體磨,分散機組合而成的高科技產(chǎn)品。

第一級由具有精細度遞升的三級鋸齒突起和凹槽。定子可以無限制的被調(diào)整到所需要的與轉(zhuǎn)子之間的距離。在增強的流體湍流下，凹槽在每級都可以改變方向。

第二級由轉(zhuǎn)定子組成。分散頭的設(shè)計也很好地滿足不同粘度的物質(zhì)以及顆粒粒徑的需要。在線式的定子和轉(zhuǎn)子（乳化頭）和批次式機器的工作頭設(shè)計的不同主要是因 為在對輸送性的要求方面，特別要引起注意的是：在粗精度、中等精度、細精度和其他一些工作頭類型之間的區(qū)別不光是指定轉(zhuǎn)子齒的排列，還有一個很重要的區(qū)別 是不同工作頭的幾何學特征不一樣。狹槽數(shù)、狹槽寬度以及其他幾何學特征都能改變定子和轉(zhuǎn)子工作頭的不同功能。根據(jù)以往的慣例，依據(jù)以前的經(jīng)驗指定工作頭來 滿足一個具體的應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，機器的構(gòu)造是和具體應(yīng)用相匹配的，因而它對制造出最終產(chǎn)品是很重要。當不確定一種工作頭的構(gòu)造是否滿足預(yù)期的應(yīng)用。

CMD2000 系列的線速度很高，剪切間隙非常小，這樣當物料經(jīng)過的時候，形成的摩擦力就比較劇烈，結(jié)果就是通常所說的濕磨。定轉(zhuǎn)子被制成圓椎形，具有精細度遞升的三級 鋸齒突起和凹槽。定子可以無限制的被調(diào)整到所需要的與轉(zhuǎn)子之間的距離。在增強的流體湍流下，凹槽在每級都可以改變方向。高質(zhì)量的表面拋光和結(jié)構(gòu)材料，可以 滿足不同行業(yè)的多種要求。

7890/13789RPM 可以通過變頻調(diào)速通過皮帶加速 我們軸承可以承受140000RPM(轉(zhuǎn)速是他們的3-4倍，研磨的力度也是他們的3-4倍，這樣研磨的細度更小)。

IKN膠體磨結(jié)構(gòu)：

三道磨碎區(qū)，一級為粗磨碎區(qū)，二級為細磨碎區(qū)，三級為超微磨碎區(qū)。雖然都是三級結(jié)構(gòu)，但是他們的設(shè)計不同理念不同，形狀及齒列的結(jié)構(gòu)。

管線式乳化頭

粗精度的工作頭可以滿足中剪切的混合、均質(zhì)工藝過程。它是由粗精度定子與泵葉式轉(zhuǎn)子（2P）相組成：一個粗精度的定子在使用時通常是和一個特定的轉(zhuǎn)子配套 的，轉(zhuǎn)子可以提供很高的產(chǎn)量，這就是所謂的“P”。和其他形式的工作頭相比，這種定轉(zhuǎn)子組合成的分散頭將產(chǎn)量提高了4倍，它所產(chǎn)生的剪切力在中等水平，并 且能產(chǎn)生泵的那種抽吸效應(yīng)。這種工作頭可以在泵的位置替代泵使用，或者可以輔助泵來增加流量，同時也可以用于輔助多級機器輸送高粘度流體。