二氧化鈦水分散性的分散機(jī)理及高速分散機(jī)

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(jī)理;闡述了其改性過(guò)程和改性劑的選擇;評(píng)價(jià)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(duì)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(dāng)今研究的課題。水分散性是TiO2在水性涂料中應(yīng)用的一個(gè)很重要的性能指標(biāo)，它的優(yōu)劣直接影響涂料的遮蓋力和其他性能。對(duì)于TiO2水分散性的改進(jìn)，本文先從水分散性的機(jī)理出發(fā)進(jìn)行分析，然后通過(guò)改性試驗(yàn)加以確認(rèn)。

2改性的理論基礎(chǔ)

2.1TiO2表面特性

2.1.1單相中的團(tuán)聚現(xiàn)象

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

　　目前，采用儀器測(cè)定的TiO2平均粒徑多數(shù)是二級(jí)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(guò)團(tuán)聚來(lái)降低表面能量，達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。因此，TiO2在單相中的易團(tuán)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(guò)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(shí)會(huì)吸附大量的極性基團(tuán);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(guò)檢測(cè)TiO2在水中的Zeta電位，發(fā)現(xiàn)銳鈦型TiO2在pH為6.8左右時(shí)，Zeta電位約為一36mV，這表明TiO2表面帶有電荷，而且電負(fù)性較強(qiáng)。根據(jù)雙電層理論解釋TiO2在水中的分散過(guò)程合乎事實(shí)，有一定的科學(xué)依據(jù)。

　　實(shí)際上，TiO2在水中分散的過(guò)程是雙電層形成的過(guò)程。當(dāng)TiO2接觸水表面時(shí)，瞬間被浸漬潤(rùn)濕，其表面會(huì)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(dāng)布朗運(yùn)動(dòng)使2個(gè)粒子靠近時(shí)，相同性質(zhì)的電荷之間產(chǎn)生斥力，當(dāng)這種斥力大于范德華引力時(shí)，則粒子分開(kāi)，體系處于分散穩(wěn)定狀態(tài)。

3改性試驗(yàn)

　　為了改進(jìn)TiO2在水分散性方面的不足，需對(duì)其進(jìn)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(jìn)行改性，這些都有助于改變其物理化學(xué)性質(zhì)。

3.1改性的目的

　　引入能與有機(jī)物相互作用的新基團(tuán)，改進(jìn)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(jì)南裕興化工總廠以硫酸法工藝制備而得。經(jīng)檢測(cè)，該TiO2(型號(hào)為R一818)的主要理化性能見(jiàn)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(jiàn)表2。

3.4改性方法

3.4.1改性的工藝過(guò)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(rùn)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(xué)性質(zhì)檢測(cè)

　　改性后接著進(jìn)行TiO2的物理化學(xué)性能檢測(cè)，測(cè)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(jìn)行形態(tài)學(xué)、微結(jié)構(gòu)的研究和粒子的形狀、晶粒形態(tài)、單個(gè)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(jiàn)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(shí)，TiO2樣品的堆密度稍有增加。在使用帶辛基、乙烯基官能團(tuán)的硅烷時(shí)，TiO2的疏水性明顯增加，這是由于其表面的水潤(rùn)濕性部分或完全喪失。當(dāng)用正辛基三乙氧基硅烷(U一222)改性時(shí)，對(duì)疏水性的影響最明顯，用0.5份該化合物改性100份TiO2時(shí)，TiO2的水潤(rùn)濕性已失去。而用脲基硅烷改性時(shí)，TiO2表面基團(tuán)發(fā)生部分封閉，疏水性只有了可忽略不計(jì)的增加。因?yàn)樵谶@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(duì)未改性的TiO2和用U一222改性后的TiO2進(jìn)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(shí)，可以使TiO2完全分散;而用5份U一222硅烷改性時(shí)會(huì)導(dǎo)致TiO2的附聚傾向明顯增加。

4結(jié)語(yǔ)

TiO2的表面特性隨著改性而改變，改性的TiO2通過(guò)化學(xué)和物理加工得到物理化學(xué)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(lái)達(dá)到分散效果。
◆研磨分散：利用三輥機(jī)或多輥機(jī)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(jìn)入加料縫并受到強(qiáng)大的剪切作用，通過(guò)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(qiáng)大的剪切力作用。經(jīng)過(guò)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(dá)到分散的目的。但用三輥機(jī)或多輥機(jī)進(jìn)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(guò)球磨機(jī)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(shí)使混合物在球的空隙內(nèi)受到高度湍動(dòng)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(guò)研磨介質(zhì)是用微細(xì)的珠或砂。砂磨機(jī)可連續(xù)進(jìn)料，納米粉體的預(yù)混合漿通過(guò)圓筒時(shí)，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(kāi)砂粒研磨區(qū)通過(guò)出口篩，溢流排出，出口篩可擋住砂粒，并使其回到筒中。通過(guò)球磨機(jī)和砂磨機(jī)分散能取得較好的分散效果及物料細(xì)度，但球磨機(jī)和砂磨機(jī)同樣無(wú)法避免處理效率低，能耗高的缺點(diǎn)。

◆高剪切分散機(jī)：高剪切分散機(jī)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(jī)械效應(yīng)帶來(lái)強(qiáng)勁的動(dòng)能，使物料在定、轉(zhuǎn)子狹窄的間隙中受到強(qiáng)烈的機(jī)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(wèn)均勻精細(xì)地分散，經(jīng)過(guò)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(jī)、球磨機(jī)、砂磨機(jī)相比，高剪切分散機(jī)具有效率高、能耗低等顯著優(yōu)點(diǎn)，是分散工藝的首選。

高剪切分散機(jī)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(jī)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(jìn)料區(qū)，同時(shí)從軸向吸人工作腔。
◆強(qiáng)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(shí)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(qiáng)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(shí)通過(guò)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(shí)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(qiáng)烈的翻動(dòng)紊流。物料經(jīng)過(guò)數(shù)次循環(huán)，最終完成分散過(guò)程。

高剪切分散機(jī)特點(diǎn)
高剪切分散機(jī)與傳統(tǒng)的攪拌混合設(shè)備相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
◆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(shí)、高效、節(jié)約能耗
◆噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)
◆無(wú)死角，物料100％通過(guò)分散剪切
◆設(shè)計(jì)新穎，操作簡(jiǎn)單，維修方便
◆可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制.

研磨分散機(jī)的細(xì)化作用一般來(lái)說(shuō)要強(qiáng)于均質(zhì)機(jī)，但它對(duì)物料的適應(yīng)能力較強(qiáng)（如高粘度、大顆粒），所以在很多場(chǎng)合下，它用于均質(zhì)機(jī)的前道或者用于高粘度的場(chǎng)合。

研磨式分散機(jī)是由錐體磨,分散機(jī)組合而成的高科技產(chǎn)品。

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

第二級(jí)由轉(zhuǎn)定子組成。分散頭的設(shè)計(jì)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(jī)器的工作頭設(shè)計(jì)的不同主要是因 為在對(duì)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(xì)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(gè)很重要的區(qū)別 是不同工作頭的幾何學(xué)特征不一樣。狹槽數(shù)、狹槽寬度以及其他幾何學(xué)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(yàn)指定工作頭來(lái) 滿足一個(gè)具體的應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，機(jī)器的構(gòu)造是和具體應(yīng)用相匹配的，因而它對(duì)制造出最終產(chǎn)品是很重要。當(dāng)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(dāng)物料經(jīng)過(guò)的時(shí)候，形成的摩擦力就比較劇烈，結(jié)果就是通常所說(shuō)的濕磨。定轉(zhuǎn)子被制成圓椎形，具有精細(xì)度遞升的三級(jí) 鋸齒突起和凹槽。定子可以無(wú)限制的被調(diào)整到所需要的與轉(zhuǎn)子之間的距離。在增強(qiáng)的流體湍流下，凹槽在每級(jí)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(guò)變頻調(diào)速通過(guò)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(xì)度更小)。

IKN膠體磨結(jié)構(gòu)：

三道磨碎區(qū)，一級(jí)為粗磨碎區(qū)，二級(jí)為細(xì)磨碎區(qū)，三級(jí)為超微磨碎區(qū)。雖然都是三級(jí)結(jié)構(gòu)，但是他們的設(shè)計(jì)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(guò)程。它是由粗精度定子與泵葉式轉(zhuǎn)子（2P）相組成：一個(gè)粗精度的定子在使用時(shí)通常是和一個(gè)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(lái)增加流量，同時(shí)也可以用于輔助多級(jí)機(jī)器輸送高粘度流體。