楊林燕，李 傳，張 爽，肖明明

（天津賽菲化學(xué)科技發(fā)展有限公司，天津301727）

由于通用型鈦白粉應(yīng)用于水性體系（如水性涂料）時(shí)分散效果并不理想，這直接影響了涂料的貯存穩(wěn)定性、流動(dòng)性、漆膜光澤等應(yīng)用指標(biāo)［1］，所以很多涂料如汽車面漆等往往會(huì)選擇商品改性較好的進(jìn)口產(chǎn)品。如果改變鈦白顏料的表面形態(tài)，改善鈦白顏料在水性涂料中的分散性能，可能會(huì)贏得更多的應(yīng)用機(jī)會(huì)。本文通過使用一類聚合物分散劑對(duì)鈦白粉進(jìn)行商品化改性，制備出能夠像速溶咖啡一樣可以自行分散于水中的“速溶式”鈦白粉。另外，本文著重于從應(yīng)用的角度建立了簡(jiǎn)單易操作的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法，拋棄了傳統(tǒng)的鈦白顏料行業(yè)檢測(cè)方法，而更多關(guān)注鈦白顏料在水性介質(zhì)中的分散性能評(píng)價(jià)。

“速溶式”是描述鈦白粉在不加入其他分散劑或分散樹脂的情況下，自行向水中擴(kuò)散的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象與分散過程類似但卻存在較大區(qū)別。分散過程描述見圖1。由圖1可知，未改性的鈦白粉進(jìn)入水相后需要從水相中吸附帶電離子來形成雙電層，從而實(shí)現(xiàn)分散穩(wěn)定。但是通常水的電離并不多，所以帶電離子的來源更多靠鈦白粉中所帶的游離的鹽類，而這些鹽類在鈦白粉生產(chǎn)過程中已經(jīng)被水洗掉大部分，再加上這些鹽類首先需要溶于水中并發(fā)生電離后才可以提供帶電離子，所以這一分散行為會(huì)受到局限［2］；經(jīng)過改性的鈦白粉的表面由于包覆一層 “被擠干”的聚合物，而這種聚合物本身含有較長(zhǎng)的親水鏈段，所以當(dāng)鈦白粉接觸到水相后，親水鏈馬上向水中舒展，并“拽著”鈦白粉擴(kuò)散到水中，形成堅(jiān)固的雙電層，而不受水中帶電離子多少的影響，可以實(shí)現(xiàn)自行分散且穩(wěn)定［3］，顯示出“速溶”的效果。

圖1 未改性（a）、改性（b）鈦白粉自分散機(jī)理

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

金紅石型鈦白粉R216（TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%）；涂易樂?DS-192L（有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%）；涂易樂?DS-192P（有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%）；涂易樂?DS-195L（有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40%）；涂易樂?DS-194H（有效成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%）。

JM型電子天平；JSF-550型攪拌、砂磨、分散多用機(jī)；DV-I Prime型黏度儀；JS94J2微電泳儀；TDL-5A臺(tái)式低速離心機(jī)；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱；722N分光光度計(jì)。

1.2 鈦白粉體改性過程

稱取0.9~1.8 g分散劑于研磨杯中，加入38.2~39.0 g去離子水將其全部溶解后，加入60 g鈦白粉，制備粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的分散漿料。待粉體全部潤(rùn)濕后，加入玻璃珠（d=1 mm）150 g，于 3 000 r/min條件下研磨分散1 h。將漿料過濾，將濾餅烘干后粉碎至粒徑小于30 μm，即得改性的粉體。

1.3 水性鈦白粉分散漿料的制備

稱取一定質(zhì)量的涂易樂?分散劑于研磨杯中，加入一定質(zhì)量的水將其溶解后，加入70 g鈦白粉和一定質(zhì)量的鋯珠進(jìn)行研磨分散實(shí)驗(yàn)。其中，漿料配方中鈦白粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，分散劑有效成分的質(zhì)量占粉體質(zhì)量的2%~6%。

2 表征與測(cè)試

2.1 ζ電位測(cè)試

首先，制備鈦白粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的水分散液，采用自動(dòng)電位滴定儀測(cè)試分散液的pH。然后取少量分散液稀釋至適宜濃度后，采用JS94J2微電泳儀測(cè)量分散液的ζ電位大小。

2.2 吸光度測(cè)試

由于鈦白粉擴(kuò)散入水相后，形成白色不透明的分散液，對(duì)光會(huì)產(chǎn)生吸收現(xiàn)象，所以本實(shí)驗(yàn)采用上層分散液的吸光度來定性表征分散液中所含鈦白粉的含量，吸光度越大，表明粉體分散性越好。

實(shí)驗(yàn)過程：稱取1 g鈦白粉分散于50 mL水中，靜置10 min后，取距離液面1 cm處的分散液1 mL稀釋100倍后，立即采用722N分光光度計(jì)測(cè)試稀釋液的吸光度。

2.3 沉降測(cè)試

稱取1g粉體分散于50mL水中，超聲分散5min后，取20 mL分散液于20 mL試管中。靜置一段時(shí)間后，記錄試管中清水層的高度。清水層越少，說明粉體分散穩(wěn)定性越好。

2.4 黏度測(cè)試

取10g70%水性漿料置于15mL試管中，于40℃恒溫放置。采用DV-I Prime型黏度儀測(cè)試漿料在一段時(shí)間內(nèi)黏度的變化。黏度變化越小，說明色漿的穩(wěn)定性越好。

3 結(jié)果與討論

3.1 鈦白粉改性后的ζ電位

實(shí)驗(yàn)中采用不同的表面改性劑制備了粒徑相近的鈦白粉粉體，將這些粉體進(jìn)行ζ電位測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。從表1可知，采用不同表面改性劑得到的鈦白顏料水分散液pH相近，均呈中性。在相同的pH介質(zhì)中，涂易樂?DS-192L和DS-192P改性后的鈦白粉粉體電位絕對(duì)值明顯升高，并且在水中的分散狀態(tài)良好。

表1 ζ電位測(cè)定

ζ電位是反映粒子帶電量的數(shù)據(jù)，還可以反映體系中帶電粒子的相互排斥力，關(guān)系如下：

式中：VR為質(zhì)點(diǎn)間的排斥力，J；r為質(zhì)點(diǎn)的半徑，m；D為水的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ζ為雙電層滑動(dòng)面的電位，V；k為擴(kuò)散層的厚度，m-1；H為質(zhì)點(diǎn)間的最短距離，m。

由式1可以推知，ζ電位越大說明粒子間的相互排斥作用越強(qiáng)，越能抵抗團(tuán)聚絮凝的作用力。反之，ζ電位的絕對(duì)值越低，顆粒越傾向于絮凝團(tuán)聚。

3.2 改性后鈦白粉的自分散性

將改性后的粉體與市售商品、未改性鈦白粉（空白）同時(shí)倒入水中，觀察粉體在水中的自發(fā)性分散過程，并且進(jìn)行吸光度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖2和表2。

圖2 粉體在水中的分散狀態(tài)

表2 吸光度測(cè)定

通過表2吸光度測(cè)試數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過改性的鈦白粉吸光度數(shù)值明顯增大，說明這種鈦白粉自發(fā)性擴(kuò)散入水中的粒子更多，影響光的透過，表現(xiàn)出較高的吸光度，說明改性結(jié)果良好，粉體的懸浮穩(wěn)定性提高，自動(dòng)解絮凝能力提升。

3.3 改性粉體再分散穩(wěn)定性

取改性后的粉體進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)測(cè)試，同時(shí)與市售商品、未改性鈦白粉（空白）進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖3。從圖3可看出，改性后鈦白粉沒有出現(xiàn)清水層，而未改性鈦白粉和對(duì)比樣均出現(xiàn)了明顯的水層，說明改性粉體在水中的分散穩(wěn)定性明顯提高。

圖3 超聲分散后粉體的沉降對(duì)比

3.4 改性粉體用于制備水性鈦白粉分散體

用分散劑涂易樂?DS-194H和改性后的鈦白粉、未改性鈦白粉分別制備色漿，通過測(cè)量色漿的黏度變化來表征色漿的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。測(cè)試黏度變化得到結(jié)果見圖4。

在粉體分散過程中，如果粉體不能充分解絮凝，將會(huì)導(dǎo)致體系內(nèi)存在較大固體團(tuán)聚物，對(duì)剪切作用表現(xiàn)出較大的反作用力，表現(xiàn)出較大的黏度；另外色漿在放置過程中，隨著絮凝現(xiàn)象的產(chǎn)生也會(huì)出現(xiàn)較大固體團(tuán)聚物，引起黏度上升。通過圖4分散漿料黏度變化曲線可知，進(jìn)行研磨分散實(shí)驗(yàn)時(shí)，改性后的鈦白粉只需較少的分散劑即可達(dá)到很低的黏度水平。而且在儲(chǔ)存過程中，改性鈦白粉分散液的黏度沒有發(fā)生明顯升高，說明漿料沒有發(fā)生明顯的聚沉現(xiàn)象，分散液的穩(wěn)定性較好。

圖4 黏度變化曲線

4 結(jié)語

1）采用分散劑對(duì)鈦白粉進(jìn)行了表面包覆改性，制備了易于在水中分散的鈦白粉。

2）建立了一種鈦白粉分散應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，有效地評(píng)價(jià)了鈦白粉的自分散性能及分散穩(wěn)定性。

3）通過實(shí)驗(yàn)考察了制得的鈦白粉的ζ電位、分散液的吸光度及沉降性能，得出了改性鈦白粉的自動(dòng)解絮凝能力和再分散穩(wěn)定性能明顯提升。

4）改性鈦白粉比原料鈦白粉在制備水性色漿的性能上表現(xiàn)更好，具體表現(xiàn)為黏度變化更小，儲(chǔ)存穩(wěn)定性得到提升。