濁度法測定鈦白粉的分散性

       引言

       鈦白粉以其獨特的物理、化學(xué)性能廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、造紙、印刷油墨、化纖和橡膠等工業(yè)，而超細二氧化鈦具有優(yōu)良的光學(xué)、力學(xué)和電學(xué)特性，在高級涂料、塑料、造紙以及某些電子材料領(lǐng)域中具有很高的應(yīng)用價值．對鈦白粉的進一步改性使其成為導(dǎo)電性功能填料，應(yīng)用于高分子材料（包括導(dǎo)電涂料）上，使高分子材料具有導(dǎo)電性、抗靜電、屏蔽電磁波等功能的抗靜電劑、電磁屏蔽涂層或表面發(fā)熱體．對于它的制備與應(yīng)用，國內(nèi)剛剛處于起步階段，但國外卻很重視，特別是在日本已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化．這主要是因為與傳統(tǒng)的導(dǎo)電和抗靜電材料相比，導(dǎo)電鈦白粉具有明顯的優(yōu)勢，特別是隨著信息業(yè)的飛速發(fā)展，對抗靜電和電磁屏蔽涂層的需求劇增，從而使導(dǎo)電鈦白粉具有廣闊的市場前景．

       但由于TiO2顆粒比表面積大、表面能較高，致使粒子處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，在制備和后期處理過程中極易團聚在一起而形成較大的顆粒，從而直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能．因此從某種意義上講，TiO2的分散穩(wěn)定性成為其應(yīng)用過程中的關(guān)鍵因素．由于TiO2顆粒在液相中的分散性受諸多因素影響，如：分散介質(zhì)的種類、機械攪拌時間、溶液的ｐＨ 值、分散劑的選擇、分散溫度以及分散時間等．因此，研究這些影響因素對TiO2的應(yīng)用具有重要的意義．

       目前，對分散性的定性表征方法有相差顯微鏡或電子顯微鏡觀察、拍照，zeta電位測試法，上述兩種方法均在實驗條件下進行，對測試儀器和環(huán)境都有較高的要求，并且操作也較復(fù)雜．另外更多地采用重力沉降烘干的方法，這種方法耗時長、人為誤差較大、結(jié)果重現(xiàn)性差．因此，在一般條件下，對鈦白粉濁液進行快速、準(zhǔn)確的測試也是本文主要討論的問題．

 

       1、實驗

       實驗方案是通過制備活性硅酸溶膠，作為一種分散劑，同時通過調(diào)整該分散劑的酸堿度，以實現(xiàn)在不同的酸堿度環(huán)境下鈦白粉在其中的分散效果．

       1.1實驗原理

       通過控制硅酸鈉和酸的量，使生成的活性硅酸溶膠被TiO2的羥基吸附，形成Ti-O-Si鍵；而后形成的硅酸分子與鍵合在表面的硅酸發(fā)生縮合反應(yīng)，形成致密膜，隨時間延長，最終形成包覆膜．SiO2包覆TiO2顆粒機理：溶膠→吸附→凝膠→成膜．其過程先是一個快速的溶膠物理吸附，然后是一個緩慢的成膜階段，最后硅凝膠依靠庫侖力和異相成核優(yōu)先于均相成核．SiO2以羥基形式牢固地鍵合在TiO2表面，它不是一種單純的物理包覆，而是一種化學(xué)鍵合．這種包覆顯著地降低其界面張力，增加了槳液的穩(wěn)定性和耐久性，改變粉體的潤濕和附著特性，提高鈦白粉在基體中的分散行為，從而改善粉體與基體的界面結(jié)合能力．由于液體中懸浮微粒引起光的散射，散射光的強度與濁度有關(guān)，因此測量散射光強可得到濁度信息．散射光越強，代表懸浮微粒越多，因此濁度值也越大．對同一樣品，體積、濃度、分散介質(zhì)、不同分散劑的分散體系，如果濁度值越大，則分散體系越穩(wěn)定，分散效果就越好．

       1.2試劑與儀器設(shè)備

       1.2.1試劑　零濁度水（自制）、400濁度水、去離子水、廣泛ｐＨ 試紙、超細鈦白粉、二氧化硅粉末、氫氧化鈉（分析純，質(zhì)量分數(shù)不小于99.5%）、鹽酸（含量36%-38%）．

       1.2.2儀器　SGZ-2P型數(shù)顯濁度儀、樣品試樣瓶、電子天平、藥匙、烘箱、表面皿、燒杯、玻璃棒、試管、試管刷、滴管、過濾器、放水瓶、大口瓶、移液管、濾紙．

       1.3實驗步驟

       1.3.1實驗前準(zhǔn)備�。�1）制備校正用零濁度水．參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7027中規(guī)定的方法，選擇孔徑為0.1μｍ（或0.2μｍ）的微孔濾膜過濾蒸餾水，反復(fù)過濾2次以上，本實驗過濾5次，所獲得的濾液即為檢定用的零濁度水．該水貯存于清潔的，并用該水沖洗后的玻璃瓶中．（2）打開ＳＧＺ－２Ｐ濁度儀背后的電源開關(guān)，預(yù)熱３０ｍｉｎ．（3）分別用上述制得的校正用零濁度水和４００濁度水校正濁度儀．（4）稱取０．１０ｇ鈦白粉，放于烘箱進行烘干，15min后取出．待冷卻片刻后，倒進燒杯中，向其中加蒸餾水至40ml，用玻璃棒攪拌均勻，靜置２０ｍｉｎ，然后采取上清液，放于濁度儀中，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄濁度值．

       1.3.2制備硅酸鈉溶液　
      （1）稱取0.15g二氧化硅粉末和0.20g氫氧化鈉，在燒杯中溶解，稀釋并充分反應(yīng)，靜置，澄清，用移液管將所得上清液（硅酸鈉溶液）轉(zhuǎn)移至試管中．反應(yīng)式如式（1）所示．

ＳｉＯ２＋２ＮａＯＨ→Ｎａ２ＳｉＯ３＋Ｈ２Ｏ （１）

      （2）制備活性硅酸溶膠．用另一試管取適量鹽酸，使用滴管將上述硅酸鈉溶液逐滴加入鹽酸中，邊加邊振蕩試管，并使用廣泛ｐＨ 試紙測定生成物的ｐＨ 值，ｐＨ 值大于９．０（這里定為10.0）時停止滴入硅酸鈉溶液．反應(yīng)式如式（２），（3）所示．

Ｎａ２ＳｉＯ３＋２ＨＣｌ→Ｈ２ＳｉＯ３＋２ＮａＣｌ （２）

Ｎａ２ＳｉＯ３＋２ＨＣｌ＋（ｎ－１）Ｈ２Ｏ→ＳｉＯ２·ｎＨ２Ｏ↓＋２ＮａＣｌ （３）

      （３）同樣稱取0.10ｇ導(dǎo)電鈦白粉，放于烘箱烘15min，冷卻片刻后倒入燒杯中，將上述所得的硅溶膠轉(zhuǎn)移進來，加蒸餾水稀釋至40ml，用玻璃棒攪拌均勻待測．

       1.3.3測量數(shù)據(jù)　首先重復(fù)步驟（2），分別在PH值為11.0,12.0,13.0,14.0時停止滴入硅酸鈉溶液．然后再重復(fù)步驟（3），用樣品試樣瓶取樣，放于濁度儀中測定其濁度值，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄此時懸濁液的濁度值．

       2結(jié)果與討論

       2.1實驗數(shù)據(jù)

       在溫度為20℃，相對濕度為53%的實驗條件下，測試不同ｐＨ 值的活性硅酸溶膠作為分散劑的鈦白粉懸濁液的濁度值，其實驗結(jié)果見表１．

       2.2分析與討論

       2.2.1無機表面改性　根據(jù)濁度值與分散性的關(guān)系可知，經(jīng)過處理（進行無機表面改性）后的導(dǎo)電鈦白粉的分散性比未經(jīng)處理導(dǎo)電鈦白粉的分散穩(wěn)定性有顯著的改善．當(dāng)ｐＨ 值在１１左右時，濁度值最大，此時分散系的分散穩(wěn)定性最好．這是因為硅包膜通過生成“活性硅”形成一層均勻致密的無定形水合氧化硅膜．當(dāng)Ｎａ２ＳｉＯ３酸化時，最初析出的是Ｓｉ（ＯＨ）４．單體形式的Ｓｉ（ＯＨ）４活性很大，很快生成硅氧烷鏈的聚合硅膠．活性硅就是指單體的和低聚合度的水合氧化硅，而具有高分子量的聚合物不活潑．這種膜的特征是：首先膜厚基本均勻，結(jié)構(gòu)致密，是連續(xù)的，不是多孔的海綿狀；其次氧化硅以羥基形式牢固地結(jié)合到鈦白粉表面．二氧化硅與鈦白粉之間是通過Ｓｉ—Ｏ—Ｔｉ結(jié)合在一起的顆粒．無機表面改性就是將無機化合物或金屬通過一定的手段在其表面沉積，形成包覆膜，或者形成核－殼復(fù)合顆粒，改善表面性能．

       2.2.2酸堿度的影響　由表１看出濁度值隨著PH值增大而不斷增大，到達11時達到最大值，再繼續(xù)增大PH值，濁度值會逐漸減小，當(dāng)接近１４時濁度值達到最小．在PH=11.0時濁度值達到了一個峰值，表明此時導(dǎo)電鈦白粉在ｐＨ＝11.0的活性硅酸溶膠中分散穩(wěn)定性達到了最佳的效果；而在PH＝12.0，ph＝13.0和PH=14.0時，濁度值急劇下降，說明分散效果變差了，而且PH越大（堿性越強），濁度值越小．這是因為粉體表面主要受相互排斥的靜電斥力和相互吸引的范德華力的作用，當(dāng)靜電斥力遠遠大于范德華力時，分散性就好，否則分散性很差．PH值是通過改變鈦白粉顆粒表面的正負電荷量從而形成雙電層，而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)PH值改變時，電荷濃度發(fā)生變化，電荷產(chǎn)生斥力，當(dāng)這種斥力大于范德華引力時，粒子就會分開，體系處于分散穩(wěn)定狀態(tài)．

       2.2.3防靜電性能的鈦白粉　用ATO包覆TiO2獲得的ATO／TiO2導(dǎo)電粉體，能同時具備ATO與TiO2的優(yōu)點：既有一定的導(dǎo)電性，顏色較淺，能吸收紫外光，又具有很好的耐候性及高溫使用性能．ATO、ATO／TiO2粉作為一種新型的功能導(dǎo)電材料，主要是以添加劑的形式應(yīng)用于各種材料中，用于制備各種顏色的永久性導(dǎo)電、電磁屏蔽及防靜電材料，如導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電膠（粘合劑）、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電陶瓷、導(dǎo)電水泥、導(dǎo)電油墨、導(dǎo)電纖維等導(dǎo)電制品．

       以上采用的溶劑是蒸餾水，實驗結(jié)果表明，采用無水乙醇作溶劑時，重復(fù)實驗步驟(4)，導(dǎo)電鈦白粉懸濁液的濁度值也要遠遠大于5.60，說明采取無水乙醇作為溶劑時，導(dǎo)電鈦白粉懸濁液的分散體系比在蒸餾水中要穩(wěn)定得多，分散性更好．Ti-O的不平衡使TiO2極性很強，表面吸附的水因極化而發(fā)生解離，易形成羥基．TiO2顆粒的比表面積越大，表面羥基數(shù)量越多．羥基的存在可提高TiO2作為吸附劑及各種載體的極性，為表面改性提供方便．盡管TiO2本性是親水憎油的，改性就是利用一定的化學(xué)物質(zhì)通過一定的工藝方法使其與TiO2表面上的羥基發(fā)生反應(yīng)，消除或減少表面醇羥基的量，接枝或包覆其他化學(xué)物質(zhì)，使產(chǎn)品由親水變?yōu)槭杷�，以達到改變表面性質(zhì)的目的．另外經(jīng)改性后的鈦白粉具有親油性，這對各種高分子材料的多功能改性提供了重要的方法，由此對可以研制防靜電多功能高分子材料提供了理論依據(jù)．

       3結(jié)束語

       濁度法操作簡單、易掌握、測試范圍寬、精度高，濁度值可表征鈦白粉在介質(zhì)中的分散性．通過對表面改性后鈦白粉在介質(zhì)中的濁度進行測量發(fā)現(xiàn)，鈦白粉在介質(zhì)中的分散性得到大幅度的改善．另外，進一步改性后的鈦白粉可作為高分子基質(zhì)中的多功能性添加劑，從而實現(xiàn)可調(diào)控顏色、防電磁輻射、抗靜電等多功能復(fù)合材料．