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不同类型有机处理后钛白粉分散性以及耐温性能的测试机理和影响因素
发布时间:2015-10-12   来源:   发布人:867   点击次数:867
钛白粉化学名二氧化钛是目前世界上最佳白色无机颜料,具有优异的白度和遮盖力,且物理化学性质稳定,是应用最广、用量最大的颜料;广泛用于涂料、塑料、造纸、油墨、医药、陶瓷和化妆品等领域。

0 前 言

钛白粉化学名二氧化钛是目前世界上最佳白色无机颜料,具有优异的白度和遮盖力,且物理化学性质稳定,是应用最广、用量最大的颜料;广泛用于涂料、塑料、造纸、油墨、医药、陶瓷和化妆品等领域。随着钛白粉的应用范围的扩大,对钛白粉颜料的应用性能要求越来越高,特别是对不同性质的使用环境,通用型的钛白粉满足不了市场的需求,有机处理的出现解决了这一难题。有机处理对钛白粉的表面性质的改变,使钛白粉可以在不同领域表现出不同的性能,从而是钛白粉与其他基料更好的结合,使钛白粉的优点最大的发挥,有助于提高产品质量、降低生产成本以及提高产品竞争能力。

最初的有机包膜主要采用NPG(新戊二醇)、TMP(三羟甲基丙烷)、TME(三羟甲基乙烷)等各种带羟基或水解后产生羟基的醇类或烷类有机物。由于传统的有机包膜剂(如最常用的TMP)存在着不耐高温,使用过程中容易出现黄变以及泡沫等弊病,钛白粉生产企业需要更好性能的有机包膜剂。从上个世纪80年代初,国外钛白粉公司开始采用有机硅包膜剂来进行钛白粉的有机包膜。经过有机硅包膜处理的钛白粉,可大幅度改善钛白粉在各种介质中的分散性和相容性,提高钛白粉的消色力和白度,增加钛白粉的光泽度和耐候性,降低吸油量,提高钛白粉与各种树脂和塑料介质的结合力等,而且耐温性能突出(超过300 ℃),具有用量少,使用方便等特点,其出色的应用性能引起了钛白粉生产企业的高度关注,将其作为一种提高钛白粉品质,增强与进口钛白粉竞争力的核心技术来大力开发。


1 实验部分

1.1 实验原料与制备

(1)实验原料

干燥后钛白粉、有机处理剂(多元醇类:TMP、TME、聚乙二醇400;有机硅类:有机硅油、JL-1、DE-701)。

(2)样品制备

将有机处理剂按0.3%的比例与干燥后钛白粉在1 500 r/min下搅拌15 min,搅拌均匀后倒入瓷盘中放入烘箱烘干,将烘干的样品依次经过初步粉碎,再进行气粉后待用。

1.2 水分散测试

取500 mL烧杯称取15 g钛白粉样品,再加入285 g蒸馏水,充分搅拌20 min,取10 mL液体倒入已恒重称量瓶中测得液体质量W1,在恒温箱中烘干1 h后测得固体质量W2。剩下的液体取200 mL液体倒入250 mL的具塞量筒中静置2 h后取液面至170 mL处(30 mL)液体倒入到烧杯中搅拌均匀后取10 mL倒入已恒重的称量瓶中测得液体质量W3,在恒温箱中烘干1 h后测得固体质量W1。


1.3 油分散测试

称取3 g钛白粉样品置于平磨仪下盘,再加入2 g亚麻仁油调和后,合紧上盘研磨两次,每次25圈,研磨完成后再加入2 g亚麻仁油调和均匀后用细度计测得其油分散值。

1.4 耐温性能测试

用全自动白度计测量样品初始干粉白度,将干燥箱设定到150 ℃,待恒温后放入样品并加热 30 min,取出样品待样品冷却后测量其白度值;用同样的方法依次测量样品在175 ℃、200 ℃、225 ℃、250 ℃、275 ℃、300 ℃加热后待其冷却后的干粉白度值。


2 实验结果与讨论

2.1 有机处理对钛白粉分散性的影响

分散性又称研磨分散性和研磨润湿性,在以水为使用介质时,则称之为水分散性。分散性好坏影响钛白粉的遮盖力、消色力、吸油量等指标,而且影响涂料成膜之后的光泽和耐候性。

影响钛白粉分散性的因素如吸水量、吸油量、粒度分布、无机包膜和有机处理等。钛白粉通过有机处理后分散性有一定的改善,有机处理剂通过物理吸附和化学反应在钛白粉颗粒表面形成一层亲水或亲油的薄膜,因此改变钛白粉颗粒的水分散性和油分散性。


图1 水分散测试数据柱状图


图2 油分散测试数据柱状图

通过图1和图2 数据可以得到以下结论:

(1)通过图1数据可以明显看出有机硅类有机处理剂JL-1对钛白粉的水分散性的提高优于其他有机处理剂,说明JL-1有机处理剂可以有效的降低钛白粉的吸水量,从而提高钛白粉的水分散性。相对而言传统的有机处理剂,如TMP、TME在改善钛白粉水分散性方面表现一般。钛白粉的有机处理可以改善钛白粉在各种介质中的分散性能,同时改善颜料的亲水性和亲油性,通过一定的有机处理可以改变钛白粉对水的亲和力,降低其吸水量,从而提高钛白粉的分散性以及分散稳定性[4]。

(2)由图2数据可知,有机处理对钛白粉的油分散有很明显的提高,只有部分有机处理剂对油分散影响不大。总体可以看出DE-701处理后的钛白粉在油分散方面表现比较优异。与影响水分散的原理几乎一样,通过有机处理剂对钛白粉吸油量的改善,从而影响其油分散性。

2.2 有机处理对钛白粉耐温性能的影响

钛白粉由于晶格缺陷,高温时容易引起色变。钛白粉的耐温性能影响因素有很多,如偏钛酸的盐处理、钛白粉的无机包膜和钛白粉的有机处理等,在此我们主要讨论有机处理对钛白粉耐温性能的影响。

传统的有机处理剂如TMP、TME等大多以碳-碳(C-C)键为主链,而一些有机硅有机处理剂是以硅-氧(Si-O)键为主链。C-C键的键能为82.6千卡/克分子,Si-O键的键能为121千卡/克分子,所以有机硅的热稳定性高,高温下分子的化学键不断裂、不分解,从而提高钛白粉的耐温性能。

由图3和图4数据可以得到以下结论:

(1)通过图3可知,未有机处理的钛白粉在温度超过275 ℃后出现L值降低的现象且发生突变;TMP与TME处理后的钛白粉L值在温度超过225 ℃后明显降低且变化趋势较大;总体来看有机硅类处理剂处理后的钛白粉L值随温度变化较多元醇类有机处理剂处理后的钛白粉变化幅度要小很多,且能在300 ℃以下随温度变化L值保持相对稳定。

(2)通过图4可知,未有机处理的钛白粉b值随温度变化趋势较为平稳;TMP与TME处理后的钛白粉b值在温度超过225 ℃后明显升高且趋势较大;聚乙二醇处理后的钛白粉b值随温度变化波动不大;有机硅类处理剂处理后的钛白粉b值随温度变化趋势不大;总体来说钛白粉在300 ℃以下即使未有机处理,其b值随温度变化波动也不是太大,而TMP和TME处理后出现明显黄变现象,是因为这两种处理剂本身的耐温性能不足导致的。

(3)总体来看有机硅类有机处理剂处理后的钛白粉在耐温性能上明显优于多元醇类有机处理剂处理后的钛白粉,证实了硅-氧(Si-O)键的键能比碳碳(C-C)键的键能高,不易遭到破坏,从而提高了钛白粉的耐温性。由此说明有机处理是影响钛白粉耐温性能的一个重要因素之一。

(4)通过以上分析和图3和图4可以看出DE-701处理后的钛白粉白度好,并且在耐温性能方面尤为突出,能在300 ℃以内保持白度值没有太大波动,由此可以看出用DE-701有机处理的R-3195在耐温性能方面上表现优异。


图3 L值随温度变化曲线图


图4 b值随温度变化曲线图


3 结论及应用

通过本次实验得到下列结论:

(1)有机处理对钛白粉的分散性影响有所不同,总体上来看有机硅类有机处理剂在提高钛白粉分散性方面表现较为优异。

(2)在耐温性能方面,有机硅类有机处理剂要普遍优于多元醇类有机处理剂。尤其是DE-701处理后的钛白粉在耐温性能方面表现突出。

(3)有机处理在钛白粉后处理应用可以改变钛白粉一些应用性能,使钛白粉更趋向于专用型,从而提高钛白粉在下游产品中的颜料性能。


 
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