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andy562562木虫 (小有名气)
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水性颜料浆的制备
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水性颜料浆的制备 一、资料准备部分（部分）： 钛白粉的结构与性质： 钛白粉学名二氧化钛（TiO2），相对分子量为79.88，是一种白色无机颜料，是无臭味的白色粉末，熔点1560—1580℃，折光率高达2.55—2.70，对光线的遮盖力很强。钛白粉不溶于水、有机酸、稀无机酸、有机溶剂及油类、微溶于碱，钛白粉是无机颜料中着色力最强的品种，具有优良的遮盖力及很好的着色牢度，钛白粉是最佳的白色颜料（用于制造涂料的白色颜料通常有钛白、锌白、锌钡白等），广泛用于涂料、颜料、化学纤维和化妆品中。 1. 钛白粉的结构 钛白粉有三种晶形结构：金红石、锐钛和板钛矿。这些结构的共同特点是它 们的组成基本单位是TiO6八面体（图略）。 金红石型（R型、Rutile）和锐钛型（A型、Anatase）为同一晶型，都属于四方晶系，但具有不同的晶格。金红石型晶体细长，呈棱形晶体，而锐钛型一般为近似规则的八面体。无论是金红石型还是锐钛型，它们每个钛原子都位于八面体的中心，并且被六个氧原子环绕，但是锐钛型分子的八面体上只有两个共用边，这就是说金红石型的单体晶格是由两个二氧化钛分子组成；锐钛型是由四个二氧化钛分子组成。所以金红石型和锐钛型相比，由于其单位晶格较小而紧密，故而有较大的稳定性和相对密度，因此具有较高的折射率和介电常数以及较低的热传导性。 2. 钛白粉的表面性质 ① 表面超亲水性； 目前的研究认为，在光照条件下，钛白粉表面的超亲水性起因于其表面结构 的变化：在紫外光照射下TiO2价带电子被激发到导带、电子和空穴间，TiO2 表面迁移，在表面形成电子空穴对，电子与Ti4+ 反应，空穴则与表面氧离子反应，分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时，空气中的水解离吸附在氧空位中，成为化学吸附水（表面羟基），化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层，如图所示： ②表面羟基； 相对于其他颜料的金属氧化物，TiO2中的Ti—O键的极性较大，表面吸附的 水因极化发生解离，容易形成羟基。由于羟基的极化作用使吸附水的性质变得活跃（如H+、OH-的浓度远大于自由水中的浓度）为表面改性提供方便。 二氧化钛的比表面积及其羟基随改性温度的升高而迅速下降，温度对表面羟基的影响可用下式表示： （Ⅰ） （Ⅱ） （Ⅲ）（略，具体见参考文献） 二氧化钛的表面羟基（Ⅰ）因加热首先按（1）式进行，形成较不稳定的表面氧化物（Ⅱ），但状态（Ⅲ）可按（2）式发生再水合（放热）。温度在350℃以上，则状态（Ⅱ）按（3）式变化，形成晶格氧而不易再水合。 ③表面酸碱性。 钛白粉用于涂料时，其表面酸碱性与涂料介质密切相关。当钛白粉与聚氯乙 烯（PVC）等卤代烯烃聚合物配伍时，加热可使PVC分解（我想其中的机理与铜、铁及稀土类金属催化降解PVC等卤代烯烃聚合物机理相似）。此外表面酸碱性也与表面改性反应的活性点有关。钛白粉试样，应区分是纯TiO2，还是混入SO42-、Cl-等杂质或在改性中有SiO2、Al2O3及ZnO将其表面覆盖。若有TiOSO4存在，则分解温度（550℃）以上才能除去SO42-。在确认酸碱基点和强度的同时，应区分其类型，即L型或B型。 工业生产的钛白粉中含少量Fe、Si的氧化物。在改性时，常加入Al、Si、Zn等氧化物。Al或Si的氧化物单独存在时无明显的酸性，但与TiO2复合，则呈强酸性。因此，加入其它金属氧化物改性时可形成新的酸碱点。 颜料的分散过程可以分为三步：润湿、细化和细化后的稳定化。颜料表面处理就是颜料细化后稳定化的过程，在颜料粒子表面上沉积或包覆单分子或多分子的物质，包括表面活性剂、改性剂、颜料本身的衍生物等。工程上的概念“分散”一般包括如下两种过程：1.分散质载体积上的减小和同一过程；2.分散质在空间分布上的均匀过程。——（即通常所说的分散和均一）。颜料的分散首先要进行润湿，润湿过程是用润湿剂润湿、包覆颜料表面，润湿过程可以简单的分为三个阶段：吸附、渗透、扩散。颜料的细化是将团聚体颗粒破碎，它主要靠颜料颗粒之间的自由运动和颜料团聚体通过周围介质的应力（剪切应力）来完成。 颜料的分散机理： ①静电相斥稳定化机理； ②空间屏蔽稳定化机理； ③以上二者的结合，即静电空间屏蔽稳定化机理。 分散剂的分类： ① 无机分散剂： 磷酸盐、硅酸盐等，使用最多的六偏磷酸钠，其次是多磷酸钠、多磷酸钾、 焦磷酸四钙等； ② 有机分散剂： 聚丙烯酸盐类（DP19的主要成份为聚丙烯酸钠）、聚羧酸盐类、萘磺酸盐缩聚物、聚异丁烯顺丁烯的酸盐类等（有机分散剂更适于酞菁蓝、炭黑的分散）。 从分散系统的稳定性，特别是粘度稳定性着眼，还是以有机分散剂、至少是有机—无机复合分散剂为好，此外，还要考虑的主要是涂膜耐湿磨性的问题，这也是以有机分散剂为好。 不同的分散剂对不同的颜料的润湿作用有差异，确定分散剂对各种颜料分散效率的实际有效方法包括用滴定法测定颜料浆的流动点。其具体测试方法为：先将要测定的定量颜料加少量水，形成能够搅动的粘稠浆状物，然后逐滴滴入分散剂溶液，边滴边搅动，加到粘稠浆状颜料突然下降为准，此时，所滴定的分散剂用量便为该颜料浆系统的流动点。此方法作为相对评价不同分散剂的分散效率是较为简便及直观的有效手段。例如：钛白粉（R—930）颜料用量为42克，水用量为17克（这是以后实验部分确定水颜比的依据）。 二、实验部分： ①’0.4055gDP19 + 5gH2O + 20gNA100 → 太稠（失败），且在研磨时没有产品。 原因分析：润湿分散剂用量过多，没有形成单分子包覆层而是形成了多分子包覆层，且水量过少，润湿分散剂没有分散好，体系不稳定。 重新拟定实验方案： ①0.2gDP19（由于是用精度为0.1g的天平测量，质量不准确，偏多） + 35gH2O + 100gNA100 → 在锥形磨中研磨时较少漏液（得率为338.2-274.9）/（100+35+0.2）=0.4682，且大约50小时后部分絮凝沉淀（分散不好）。 ②0.2015gDP19 + 30gH2O + 100gNA100 → 在锥形磨中研磨时漏液严重（得率为（283.4-262.1）/（100+30+0.2015）=0.1636），大约40小时后近乎完全絮凝沉淀（分散不好），在此得出漏夜的原因除由于润湿分散剂的原因外还有就是在冷却不好的锥形磨中过于长时间多次数（5）地研磨使得嵌缝生热异常而导致生成粉末，故应减少研磨次数（5 → 2）。 鉴于①和②的沉淀，DP19的用量改为0.4g。 ③0.4015gDP19 + 30gH2O + 100gNA100 → 在锥形磨中研磨时没有漏夜现象发生，得率为（347.3-253.3）/（100+30+0.4015）=0.7209，且没有絮凝沉淀（原因分析：研磨次数较少，润湿分散剂分散良好）。 说明及结论： 这里的水性颜料浆是指白色颜料钛白粉的水分散浆； 在上述所有颜料浆分散体系中均有少量泡沫； 由于实验用锥形磨有其他人要用，我所做的实验工作暂告一段； 由于不是最终产品，测其粘度毫无意义，且试样量也不够和实验室没有合适的粘度计； 但光就分散性来说，③已良好，由于水颜比是次重要的参数，本实验不予重点分析，3：10对在锥形磨中研磨时是否漏夜的标准来说时可以接受的，以后所要做的无非是在给定的水颜比下找寻最佳的润湿分散体系及其最佳用量。 主要参考文献： 1 陈朝华，刘长河编著.钛白粉生产及应用技术.北京：化学工业出版社.2006 2 李郁.钛白粉的表面处理及其在色母料中的应用.北京：北京化工大学材料加工工程论文.2005 3 邓捷，吴立峰主编.钛白粉应用手册（修订版）.北京：化学工业出版社.2005 4 耿耀宗，赵风清主编.现代水性涂料配方与工艺.北京：化学工业出版社.2004 5 邓捷，吴立峰，乔辉等编著.钛白粉应用手册.北京：化学工业出版社.2004 6 耿耀宗主编.现代水性涂料：工艺•配方•应用.北京：中国石化出版社.2003 附： DP19：系德谦化学有限公司Disponer W-19水性润湿分散剂。其特性为低起泡型水性润湿分散剂，适用范围为水性体系中有机、无机颜料的分散。 NA100:系金浦集团•南京钛白化工有限责任公司NA100锐钛型钛白粉。具体参数见其网站。 [ Last edited by chentp on 2008-7-9 at 18:45 ] |
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