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水性涂料用易分散鈦白顏料的制備
2018.11.28   點擊322次

隨著國家環保政策及相關行業標準的出臺,為降低VOC的排放,涂料行業已由溶劑型逐步轉向水性化生產[1]。顏填料作為涂料配方中重要的組成部分,不僅能夠增加漆膜的色彩起到裝飾作用,而且能夠增加漆膜的厚度,增強漆膜的機械強度和附著力。而在各種顏料中,白色顏料是應用量最大的一類顏料,不僅直接用于白色系涂料,而且廣泛應用于多彩色系涂料的調色。在白色顏料中,鈦白顏料,尤其是金紅石型鈦白,以其優越的使用性能被廣泛應用[2]。根據鈦白粉市場調查可知,涂料行業是鈦白粉應用量最大的消費市場,占比可達60%[3]。

一方面,目前市場上的鈦白顏料主要是通用型的,適用于溶劑型和水性體系。但通用型鈦白粉應用于水性體系時分散效果并不理想,這直接影響了涂料的貯存穩定性、流動性、漆膜光澤等應用指標[2]。這樣就需要改變鈦白顏料的表面形態,改善鈦白顏料在水性涂料中的分散效果,以提高其應用性能。

另一方面,由于傳統的鈦白顏料出廠檢測方法更偏向于檢測粉體的理化性質及顏料性能,而水性市場的擴大使市場更加關注其應用性能,建立鈦白顏料在水性介質中的分散性能評價方法對指導鈦白顏料在水性涂料中的易分散應用指標有重要意義[4]。

本文著重考察了鈦白顏料在水中的分散應用性能,并由這些指標評價了有機包覆的有效性,從而制備了易分散的鈦白顏料,間接地降低了下游水性涂料企業的生產成本。

1、實驗部分

1.1 實驗原料與設備

金紅石型鈦白粉R216:中核華原鈦白股份有限公司;涂易樂®DS-192L:天津賽菲化學科技發展有限公司;涂易樂®DS-192P(有效含量33%):天津賽菲化學科技發展有限公司;涂易樂®DS-195L(有效含量40%):天津賽菲化學科技發展有限公司;涂易樂®DS-194H(有效含量40%):天津賽菲化學科技發展有限公司;

JM型電子天平:諸暨市超澤衡器設備有限公司;JSF-550型攪拌、砂磨、分散多用機:上海御盛機電設備有限公司;DV-I Prime型黏度儀:Brookfield公司;JS94J2微電泳儀:上海中晨;TDL-5A臺式低速離心機:江蘇省金壇市白塔新寶儀器廠;101型電熱鼓風干燥箱:北京市永光明醫療儀器有限公司;722N分光光度計:上海菁華科技儀器有限公司。

1.2 易分散鈦白顏料的制備

稱取0.9-1.8g分散劑于研磨杯中,加入38.2g-39.0g去離子水將其全部溶解后,加入60g鈦白粉,制備固含量為60%的。待粉體全部潤濕后,加入玻璃珠(d=1mm)150g,于3000rpm/min條件下研磨分散1hr。將漿料進行過濾后,將濾餅進行烘干粉碎,用篩網(500目)篩選粉體,即得物理包覆型粉體。

1.3 水性分散漿料的制備

稱取一定質量的涂易樂®分散劑于研磨杯中,加入一定質量的水將其溶解后,加入70g鈦白粉和一定質量的鋯珠進行研磨分散實驗。其中,漿料配方中鈦白占比70%,分散劑有效含量的質量占粉體質量的2%-6%。

2、表征與測試

2.1 Zeta電位測試

首先,制備1%水分散液,采用自動電位滴定儀測試分散液的pH值。然后取少量分散液稀釋至適宜濃度后,采用JS94J2微電泳儀測量分散液的Zeta電位大小。

2.2 吸光度測試

稱取1g鈦白粉分散于50ml水中,靜置10min后,取距離液面1cm處的分散液1ml稀釋100倍后,立即采用722N分光光度計測試稀釋液的吸光度。吸光度越大,表明粉體分散性越好。

2.3 沉降測試

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

2.4 粘度測試

取10g 70%水性漿料置于15ml試管中,于40℃恒溫放置。采用DV-I Prime型黏度儀測試漿料在一段時間內粘度的變化。粘度變化越小,說明色漿的穩定性越好。

3、結果與討論

3.1 電位與分散性的關系

顆粒表面的電荷會吸附周圍的反粒子形成擴散雙電層。根據Stern雙電層理論可知,在相同pH值介質中,Zeta電位能夠客觀反映粉體表面雙電層的厚度和顆粒之間作用力的強度。當分散粒子粒徑越小,Zeta電位的絕對值越大,分散體系越穩定,抵抗團聚絮凝的作用力越強。反之,Zeta電位的絕對值越低,顆粒越傾向于絮凝團聚[5-9]。

因此,通過測定不同改性劑粉體的電位值,可以直觀反映出改性劑對粉體的改性程度。

表1 Zeta電位測定

Table 1 Zeta potential test

改性劑

1%粉體溶液pH值

Zeta電位(mV)

在水中的分散狀態

7.01

-61.98

下沉,在水中不分散

DS-192L

6.98

-67.21

快速潤濕分散

DS -192P

7.23

-69.17

快速潤濕分散

DS-195L

7.12

-57.23

下沉,在水中不分散

實驗中采用不同的表面改性劑制備了粒徑相近的包覆鈦白粉。從表1中數據可知,采用不同表面改性劑得到的鈦白顏料水分散液pH值相近,均呈中性。在相同的pH值介質中,涂易樂®DS-192L和DS-192P改性后的鈦白粉粉體電位絕對值明顯升高,并且在水中的分散狀態良好,說明DS-192L和DS-192P可以達到良好的改性作用。

3.2 吸光度與分散性的關系

吸光度可以反映出粉體在水中的解絮凝能力。在分散液相同位置處,當吸光度越大時,表明分散液濃度越高,即粉體在水中的懸浮穩定性越好,粉體的解絮凝能力越強。相反,當吸光度越小時,表明分散液濃度越低,粉體在水中發生沉降的量越多。

圖1粉體在水中的分散狀態

空白表示未改性鈦白;改性表示改性后鈦白;對比表示市場對比鈦白

Fig.1 The dispersion of TiO2 in water

(Left:Original TiO2; Middle: Modified TiO2;Right:The commercial TiO2)

表2 吸光度測定

Table2 Absorbance test

改性劑

DS-192L

市場對比樣

吸光度

0.102

0.358

0.117

通過表2吸光度測試數據可知,采用改性劑DS-192L和DS-192P改性的鈦白粉吸光度數值明顯增大,說明DS-192L和DS-192P均達到良好的改性效果,粉體的懸浮穩定性提高,解絮凝能力提升。

3.3 沉降與分散穩定性的關系

沉降實驗可以直觀反映出粉體在分散液中的穩定程度。實驗采用重力沉降法測試其分散液穩定性。對于相同濃度的分散液而言,清水層高度越小,說明沉降率越低,粉體在水中的分散穩定性越好。

圖2超聲分散后粉體的沉降對比

(A:未改性鈦白;B:改性后鈦白;C:市售鈦白)

Fig.2 Comparison of settlement condition after ultrasound dispersion

(A: Original TiO2; B:Modified TiO2; C:The commercial TiO2)

從圖2可知,改性后鈦白粉沒有出現清水層,而未改性鈦白粉和對比樣均出現了明顯的水層。說明改性粉體在水中的分散穩定性明顯提高。

3.4 粘度與分散穩定性的關系

當分散液漿料的顏料承載量越高時,粉體顆粒之間的距離減小,碰撞幾率增大,分散液的粘度也會隨之升高。而分散劑吸附于粉體顆粒表面時,能夠有效降低顆粒之間的相互碰撞,使體系的粘度降低。但是,當分散劑的用量不足時,分散劑分子可能會同時吸附于多個顆粒表面而形成聚沉,此時分散液的粘度會逐漸增大。因此,當分散液的粘度較低,漿料的流動性良好時,分散液的穩定性越好。

色漿分散實驗進行了以下三組實驗:

表3 色漿分散實驗

Table 3 Stability test of aqueous paste

實驗編號

粉體類型

涂易樂®DS-194H添加量

1#

空白鈦白粉

2%

2#

空白鈦白粉

6%

3#

改性鈦白粉

2%

測試粘度變化得到圖3如下:

圖3粘度變化曲線

Fig.3 Viscosity curve

通過圖3分散漿料粘度變化曲線可知,進行研磨分散實驗時,改性后的鈦白粉只需較少的分散劑即可達到很好的降粘效果。而且在儲存過程中,分散液的粘度沒有發生明顯升高,說明漿料沒有發生明顯的聚沉現象,分散液的穩定性較好。

結語

(1)通過實驗證明,包覆后粉體在水中的解絮凝能力提升,能夠達到快速分散的目的。

(2)改性鈦白粉制成的分散液的分散穩定性明顯提高。

(3)經過涂易樂®DS-192L和DS-192P包覆后的鈦白粉在色漿制備過程中,所需分散劑的用量大幅減少。

(4)涂易樂®DS-192L和DS-192P是比較適合于制作易分散的鈦白粉。

參考文獻

1. 王卉,渠毅.中國涂料行業VOC污染控制政策法規研究及國內外相關法規對比分析[J].現代涂料與涂裝,2016.19(12):28-31.

2. 肖勇麗.鈦白粉在涂料中的應用概述[J].四川冶金,2014.36(1):9-13.

3. 姚文靜.近期國內外鈦白粉市場[J].中國鈦業,2017.1:11-15.

4. 李禮,陳新紅,杜劍橋等.水性涂料中鈦白粉顏料性能與應用性能的關系[J].現代涂料與涂裝,2014.17(11):14-17.

5. 王瑥. 鈦白粉表面包覆的表征及機理[D]. 云南:昆明理工大學,2011.

6. 張智濤. 鈦白粉表面包膜改性技術研究[D]. 云南:云南大學,2013.

7. 陳隆. 金紅石型鈦白粉無機-有機包覆及耐候性研究[D]. 湖南:湖南工業大學,2016.

8. 肖進新,趙振國.表面活性劑應用原理[M].北京:化學工業出版社,2015.227-247.

9. Milton J. Rosen ,Joy T. Kunjappu. Surfactants and Interfacial Phenomena[M].崔正剛,蔣建中.第四版.北京:北京工業出版社,2015.248-261.

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