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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構。
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
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，即在晶體結構中加入其他元素，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。混合后，在l10°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、微結構的研究和粒子的形狀、晶粒形態(tài)、單個粒子結構、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，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／轉子結構，轉子高速旋轉所產(chǎn)生的高切線速度和高頻機械效應帶來強勁的動能，使物料在定、轉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，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)代高科技領域得到廣泛應用。高剪切分散機的工作原理如下：
◆在高速旋轉的轉子產(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。
◆高速旋轉的轉子產(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，運轉平穩(wěn)
◆無死角，物料100％通過分散剪切
◆設計新穎，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。
第二級由轉定子組成。分散頭的設計也很好地滿足不同粘度的物質(zhì)以及顆粒粒徑的需要。在線式的定子和轉子（乳化頭）和批次式機器的工作頭設計的不同主要是因 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 滿足一個具體的應用。在大多數(shù)情況下，機器的構造是和具體應用相匹配的，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造是否滿足預期的應用。
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，結果就是通常所說的濕磨。定轉子被制成圓椎形，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)量的表面拋光和結構材料，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膠體磨結構：
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)。雖然都是三級結構，但是他們的設計不同理念不同，形狀及齒列的結構。
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子配套 的，轉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。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。
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