二氧化钛水分散性的分散机理及高速分散机

TiO2是最常用的白色颜料，广泛用于涂料、塑料、

　　探讨了二氧化钛水分散性的分散机理;阐述了其改性过程和改性剂的选择;评价了其理化性能及其影响因素，并用扫描电镜表征了二氧化钛的表面结构。

1引言

TiO2是最常用的白色颜料，广泛用于涂料、塑料、橡胶、纸张、陶瓷、化妆品与纺织工业。随着人们对环境的日益关注，水性环保涂料倍受青睐，而TiO2作为一种优质的白色颜料，如何更好地应用于水性涂料是当今研究的课题。水分散性是TiO2在水性涂料中应用的一个很重要的性能指标，它的优劣直接影响涂料的遮盖力和其他性能。对于TiO2水分散性的改进，本文先从水分散性的机理出发进行分析，然后通过改性试验加以确认。

2改性的理论基础

2.1TiO2表面特性

2.1.1单相中的团聚现象

TiO2煅烧所得的原级粒子很小，具有很高的比表面能，极不稳定，在高温下会很快地团聚，形成亚稳态的较大粒子。对于一定量的TiO2而言，粒子愈小，原级粒子之间的引力愈强，粒子更易团聚。

　　目前，采用仪器测定的TiO2平均粒径多数是二级粒子的粒径(一般为0.2～0.4um)，表面的能量仍然较高，容易通过团聚来降低表面能量，达到准稳定状态。因此，TiO2在单相中的易团聚现象是讨论其水分散性的前提。

2.1.2两相中的高分散性

　　在水分散体中，TiO2呈现高度的分散性。其原因是：①TiO2表面有很多羟基，它能够吸附极性粒子，使固体表面带有相同的电荷，因同种电荷排斥而分散;②粒子的比表面能很大，表面收缩而降低表面能，使分散体系稳定化。正是TiO2在水中的高度分散性使它能够在水性涂料中得以广泛应用。

2.2TiO2在水分散体中的分散过程

2.2.1吸附作用

　　大量研究表明，TiO2表面有很多极性羟基，若在水中不加任何分散剂，TiO2在水中分散时会吸附大量的极性基团;若加入一定浓度的高分子分散剂，高分子分散剂吸附在TiO2颗粒的表面，使得吸附层厚度增加，表面特性改变。

2.2.2双电层理论

　　通过检测TiO2在水中的Zeta电位，发现锐钛型TiO2在pH为6.8左右时，Zeta电位约为一36mV，这表明TiO2表面带有电荷，而且电负性较强。根据双电层理论解释TiO2在水中的分散过程合乎事实，有一定的科学依据。

　　实际上，TiO2在水中分散的过程是双电层形成的过程。当TiO2接触水表面时，瞬间被浸渍润湿，其表面会吸附一层相反电荷，构成了双电层。这种双电层可以看作是四周被同一电荷所包围的粒子，当布朗运动使2个粒子靠近时，相同性质的电荷之间产生斥力，当这种斥力大于范德华引力时，则粒子分开，体系处于分散稳定状态。

3改性试验

　　为了改进TiO2在水分散性方面的不足，需对其进行表面处理。最常用的是稳定化处理，即在晶体结构中加入其他元素，或对粒子的表面进行改性，这些都有助于改变其物理化学性质。

3.1改性的目的

　　引入能与有机物相互作用的新基团，改进界面附着力，改变表面的亲水/疏水性。改性后的产品应具有尽可能低的堆密度和尽可能高的疏水性。

3.2改性材料

TiO2由济南裕兴化工总厂以硫酸法工艺制备而得。经检测，该TiO2(型号为R一818)的主要理化性能见表1。

3.3改性剂的选择

　　在改性剂中，最常用的有硅烷、钛酸酯、锆酸酯偶联剂，以及脂肪酸及其衍生物和表面活性剂。本文选择以前作为黏附剂用的硅烷偶联剂作为改性剂。具体化合物见表2。

3.4改性方法

3.4.1改性的工艺过程

　　制备合适的硅烷溶液，然后将100份(质量份，以下同)待改性的TiO2和0.25-5.00份硅烷偶联剂溶液在表面改性混合器中混合，以保证TiO2表面有均匀一致的润湿性。混合后，在l10°C除去溶剂并干燥改性后的粉末。

3.4.2物理化学性质检测

　　改性后接着进行TiO2的物理化学性能检测，测定其堆密度、吸水性、吸邻苯二甲酸二丁酯性、吸石蜡油性。为了得到分散性数据，进行形态学、微结构的研究和粒子的形状、晶粒形态、单个粒子结构、TiO2聚集、附聚集类型的研究(所用仪器为扫描电子显微镜)。

3.5改性结果与讨论

　　改性和未改性TiO2的基本理化性能参数见表3。这些参数指出了改性后产物表面特性的明显变化。

　　表3未改性和改性TiO2的理化性能参数

　　应用硅烷偶联剂改性时，TiO2样品的堆密度稍有增加。在使用带辛基、乙烯基官能团的硅烷时，TiO2的疏水性明显增加，这是由于其表面的水润湿性部分或完全丧失。当用正辛基三乙氧基硅烷(U一222)改性时，对疏水性的影响最明显，用0.5份该化合物改性100份TiO2时，TiO2的水润湿性已失去。而用脲基硅烷改性时，TiO2表面基团发生部分封闭，疏水性只有了可忽略不计的增加。因为在这种情况下改性物表面上存在着氨基，能与水分子形成氢键，使表面出现较小的亲水性。

　　分别对未改性的TiO2和用U一222改性后的TiO2进行电镜观察，发现未改性TiO2显示有高的分散程度并存在小粒子，且稍有粒子聚集倾向。用0.25份U一222改性100份钛白粉时，可以使TiO2完全分散;而用5份U一222硅烷改性时会导致TiO2的附聚倾向明显增加。

4结语

TiO2的表面特性随着改性而改变，改性的TiO2通过化学和物理加工得到物理化学性质各异的表面。TiO2的水分散性在改性中得到了提高，从而在水性涂料中得到更好地应用。

一 般是采用下述分散方法来达到分散效果。
◆研磨分散：利用三辊机或多辊机的辊与辊速度的不同，将研磨料投入加料辊(后辊)和中辊之间的加料沟，二辊以不同速度内向旋转，部分研磨料进入加料缝并受到强大的剪切作用，通过加料缝，研磨料被分为两部分，一部分附加在加料辊上回到加料沟，另一部分由中辊带到中辊和前辊之间的刮漆缝，在此又一次受到更强大的剪切力作用。经过刮漆缝，研磨料又分成两部分，一部分由前辊带到刮刀处，落入刮漆盘，另一部分再回到加料沟，如此经几次循环，可达到分散的目的。但用三辊机或多辊机进行处理效率低，能耗高，满足不了大生产的需求。

◆球磨分散：通过球磨机中磨球之间及磨球与缸体间相互滚撞作用，使接触钢球的粉体粒子被撞碎或磨碎，同时使混合物在球的空隙内受到高度湍动混合作用而被均匀地分散。
◆砂磨分散：砂磨是球磨的外延。只不过研磨介质是用微细的珠或砂。砂磨机可连续进料，纳米粉体的预混合浆通过圆筒时，在筒中受到激烈搅拌的砂粒所给予的猛烈的撞击和剪切作用，使得纳米氧化物能很好地分散在涂料中，分散后的浆离开砂粒研磨区通过出口筛，溢流排出，出口筛可挡住砂粒，并使其回到筒中。通过球磨机和砂磨机分散能取得较好的分散效果及物料细度，但球磨机和砂磨机同样无法避免处理效率低，能耗高的缺点。

◆高剪切分散机：高剪切分散机的核心部件是定子／转子结构，转子高速旋转所产生的高切线速度和高频机械效应带来强劲的动能，使物料在定、转子狭窄的间隙中受到强烈的机械剪切、液力剪切、离心挤压、液层磨擦、撞击撕裂和湍流等综合作用，使不相溶的固相、液相、气相在相应成熟工艺的条件下，瞬问均匀精细地分散，经过高频的循环往复，最终得到稳定的高品质产品。与三辊机、球磨机、砂磨机相比，高剪切分散机具有效率高、能耗低等显著优点，是分散工艺的首选。

高剪切分散机工作原理
IKN高剪切分散设备目前已在纳米研究、生化制药、新材料、新能源等现代高科技领域得到广泛应用。高剪切分散机的工作原理如下：
◆在高速旋转的转子产生的离心力作用下，物料从工作头的上下进料区，同时从轴向吸人工作腔。
◆强劲的离心力将物料从径向甩入定、转子之间狭窄精密的间隙中，同时受到离心挤压、液层摩擦、液力撞击等综合作用力，物料被初步分散。
◆高速旋转的转子产生至少15m／s以上的线速度，物料在强烈的液力剪切、液层磨擦、撕裂碰撞等作用下被充分分散破碎，同时通过定子槽高速射出。
◆物料不断地从径向高速射出，在物料本身和容器壁的阻力下改变流向，与此同时在转子区产生的上、下轴向抽吸力的作用下，又形成上、下两股强烈的翻动紊流。物料经过数次循环，最终完成分散过程。

高剪切分散机特点
高剪切分散机与传统的搅拌混合设备相比具有以下优点：
◆处理量大，适合工业化连续生产
◆粒径分布范围窄，匀度高
◆省时、高效、节约能耗
◆噪音低，运转平稳
◆无死角，物料100％通过分散剪切
◆设计新颖，操作简单，维修方便
◆可实现自动化控制.

研磨分散机的细化作用一般来说要强于均质机，但它对物料的适应能力较强（如高粘度、大颗粒），所以在很多场合下，它用于均质机的前道或者用于高粘度的场合。

研磨式分散机是由锥体磨,分散机组合而成的高科技产品。

第一级由具有精细度递升的三级锯齿突起和凹槽。定子可以无限制的被调整到所需要的与转子之间的距离。在增强的流体湍流下，凹槽在每级都可以改变方向。

第二级由转定子组成。分散头的设计也很好地满足不同粘度的物质以及颗粒粒径的需要。在线式的定子和转子（乳化头）和批次式机器的工作头设计的不同主要是因 为在对输送性的要求方面，特别要引起注意的是：在粗精度、中等精度、细精度和其他一些工作头类型之间的区别不光是指定转子齿的排列，还有一个很重要的区别 是不同工作头的几何学特征不一样。狭槽数、狭槽宽度以及其他几何学特征都能改变定子和转子工作头的不同功能。根据以往的惯例，依据以前的经验指定工作头来 满足一个具体的应用。在大多数情况下，机器的构造是和具体应用相匹配的，因而它对制造出最终产品是很重要。当不确定一种工作头的构造是否满足预期的应用。

CMD2000 系列的线速度很高，剪切间隙非常小，这样当物料经过的时候，形成的摩擦力就比较剧烈，结果就是通常所说的湿磨。定转子被制成圆椎形，具有精细度递升的三级 锯齿突起和凹槽。定子可以无限制的被调整到所需要的与转子之间的距离。在增强的流体湍流下，凹槽在每级都可以改变方向。高质量的表面抛光和结构材料，可以 满足不同行业的多种要求。

7890/13789RPM 可以通过变频调速通过皮带加速 我们轴承可以承受140000RPM(转速是他们的3-4倍，研磨的力度也是他们的3-4倍，这样研磨的细度更小)。

IKN胶体磨结构：

三道磨碎区，一级为粗磨碎区，二级为细磨碎区，三级为超微磨碎区。虽然都是三级结构，但是他们的设计不同理念不同，形状及齿列的结构。

管线式乳化头

粗精度的工作头可以满足中剪切的混合、均质工艺过程。它是由粗精度定子与泵叶式转子（2P）相组成：一个粗精度的定子在使用时通常是和一个特定的转子配套 的，转子可以提供很高的产量，这就是所谓的“P”。和其他形式的工作头相比，这种定转子组合成的分散头将产量提高了4倍，它所产生的剪切力在中等水平，并 且能产生泵的那种抽吸效应。这种工作头可以在泵的位置替代泵使用，或者可以辅助泵来增加流量，同时也可以用于辅助多级机器输送高粘度流体。