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水性涂料用易分散钛白颜料的制备
2018.11.28   点击54次

随着国家环保政策及相关行业标准的出台,为降低VOC的排放,涂料行业已由溶剂型逐步转向水性化生产[1]。颜填料作为涂料配方中重要的组成部分,不仅能够增加漆膜的色彩起到装饰作用,而且能够增加漆膜的厚度,增强漆膜的机械强度和附着力。而在各种颜料中,白色颜料是应用量最大的一类颜料,不仅直接用于白色系涂料,而且广泛应用于多彩色系涂料的调色。在白色颜料中,钛白颜料,尤其是金红石型钛白,以其优越的使用性能被广泛应用[2]。根据钛白粉市场调查可知,涂料行业是钛白粉应用量最大的消费市场,占比可达60%[3]。

一方面,目前市场上的钛白颜料主要是通用型的,适用于溶剂型和水性体系。但通用型钛白粉应用于水性体系时分散效果并不理想,这直接影响了涂料的贮存稳定性、流动性、漆膜光泽等应用指标[2]。这样就需要改变钛白颜料的表面形态,改善钛白颜料在水性涂料中的分散效果,以提高其应用性能。

另一方面,由于传统的钛白颜料出厂检测方法更偏向于检测粉体的理化性质及颜料性能,而水性市场的扩大使市场更加关注其应用性能,建立钛白颜料在水性介质中的分散性能评价方法对指导钛白颜料在水性涂料中的易分散应用指标有重要意义[4]。

本文着重考察了钛白颜料在水中的分散应用性能,并由这些指标评价了有机包覆的有效性,从而制备了易分散的钛白颜料,间接地降低了下游水性涂料企业的生产成本。

1、实验部分

1.1 实验原料与设备

金红石型钛白粉R216:中核华原钛白股份有限公司;涂易乐®DS-192L:天津赛菲化学科技发展有限公司;涂易乐®DS-192P(有效含量33%):天津赛菲化学科技发展有限公司;涂易乐®DS-195L(有效含量40%):天津赛菲化学科技发展有限公司;涂易乐®DS-194H(有效含量40%):天津赛菲化学科技发展有限公司;

JM型电子天平:诸暨市超泽衡器设备有限公司;JSF-550型搅拌、砂磨、分散多用机:上海御盛机电设备有限公司;DV-I Prime型黏度仪:Brookfield公司;JS94J2微电泳仪:上海中晨;TDL-5A台式低速离心机:江苏省金坛市白塔新宝仪器厂;101型电热鼓风干燥箱:北京市永光明医疗仪器有限公司;722N分光光度计:上海菁华科技仪器有限公司。

1.2 易分散钛白颜料的制备

称取0.9-1.8g分散剂于研磨杯中,加入38.2g-39.0g去离子水将其全部溶解后,加入60g钛白粉,制备固含量为60%的。待粉体全部润湿后,加入玻璃珠(d=1mm)150g,于3000rpm/min条件下研磨分散1hr。将浆料进行过滤后,将滤饼进行烘干粉碎,用筛网(500目)筛选粉体,即得物理包覆型粉体。

1.3 水性分散浆料的制备

称取一定质量的涂易乐®分散剂于研磨杯中,加入一定质量的水将其溶解后,加入70g钛白粉和一定质量的锆珠进行研磨分散实验。其中,浆料配方中钛白占比70%,分散剂有效含量的质量占粉体质量的2%-6%。

2、表征与测试

2.1 Zeta电位测试

首先,制备1%水分散液,采用自动电位滴定仪测试分散液的pH值。然后取少量分散液稀释至适宜浓度后,采用JS94J2微电泳仪测量分散液的Zeta电位大小。

2.2 吸光度测试

称取1g钛白粉分散于50ml水中,静置10min后,取距离液面1cm处的分散液1ml稀释100倍后,立即采用722N分光光度计测试稀释液的吸光度。吸光度越大,表明粉体分散性越好。

2.3 沉降测试

称取1g粉体分散于50ml水中,超声分散5min后,取20ml分散液于20ml试管中。静置一段时间后,记录试管中清水层的高度。清水层越少,说明粉体分散稳定性越好。

2.4 粘度测试

取10g 70%水性浆料置于15ml试管中,于40℃恒温放置。采用DV-I Prime型黏度仪测试浆料在一段时间内粘度的变化。粘度变化越小,说明色浆的稳定性越好。

3、结果与讨论

3.1 电位与分散性的关系

颗粒表面的电荷会吸附周围的反粒子形成扩散双电层。根据Stern双电层理论可知,在相同pH值介质中,Zeta电位能够客观反映粉体表面双电层的厚度和颗粒之间作用力的强度。当分散粒子粒径越小,Zeta电位的绝对值越大,分散体系越稳定,抵抗团聚絮凝的作用力越强。反之,Zeta电位的绝对值越低,颗粒越倾向于絮凝团聚[5-9]。

因此,通过测定不同改性剂粉体的电位值,可以直观反映出改性剂对粉体的改性程度。

表1 Zeta电位测定

Table 1 Zeta potential test

改性剂

1%粉体溶液pH值

Zeta电位(mV)

在水中的分散状态

7.01

-61.98

下沉,在水中不分散

DS-192L

6.98

-67.21

快速润湿分散

DS -192P

7.23

-69.17

快速润湿分散

DS-195L

7.12

-57.23

下沉,在水中不分散

实验中采用不同的表面改性剂制备了粒径相近的包覆钛白粉。从表1中数据可知,采用不同表面改性剂得到的钛白颜料水分散液pH值相近,均呈中性。在相同的pH值介质中,涂易乐®DS-192L和DS-192P改性后的钛白粉粉体电位绝对值明显升高,并且在水中的分散状态良好,说明DS-192L和DS-192P可以达到良好的改性作用。

3.2 吸光度与分散性的关系

吸光度可以反映出粉体在水中的解絮凝能力。在分散液相同位置处,当吸光度越大时,表明分散液浓度越高,即粉体在水中的悬浮稳定性越好,粉体的解絮凝能力越强。相反,当吸光度越小时,表明分散液浓度越低,粉体在水中发生沉降的量越多。

图1粉体在水中的分散状态

空白表示未改性钛白;改性表示改性后钛白;对比表示市场对比钛白

Fig.1 The dispersion of TiO2 in water

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

表2 吸光度测定

Table2 Absorbance test

改性剂

DS-192L

市场对比样

吸光度

0.102

0.358

0.117

通过表2吸光度测试数据可知,采用改性剂DS-192L和DS-192P改性的钛白粉吸光度数值明显增大,说明DS-192L和DS-192P均达到良好的改性效果,粉体的悬浮稳定性提高,解絮凝能力提升。

3.3 沉降与分散稳定性的关系

沉降实验可以直观反映出粉体在分散液中的稳定程度。实验采用重力沉降法测试其分散液稳定性。对于相同浓度的分散液而言,清水层高度越小,说明沉降率越低,粉体在水中的分散稳定性越好。

图2超声分散后粉体的沉降对比

(A:未改性钛白;B:改性后钛白;C:市售钛白)

Fig.2 Comparison of settlement condition after ultrasound dispersion

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

从图2可知,改性后钛白粉没有出现清水层,而未改性钛白粉和对比样均出现了明显的水层。说明改性粉体在水中的分散稳定性明显提高。

3.4 粘度与分散稳定性的关系

当分散液浆料的颜料承载量越高时,粉体颗粒之间的距离减小,碰撞几率增大,分散液的粘度也会随之升高。而分散剂吸附于粉体颗粒表面时,能够有效降低颗粒之间的相互碰撞,使体系的粘度降低。但是,当分散剂的用量不足时,分散剂分子可能会同时吸附于多个颗粒表面而形成聚沉,此时分散液的粘度会逐渐增大。因此,当分散液的粘度较低,浆料的流动性良好时,分散液的稳定性越好。

色浆分散实验进行了以下三组实验:

表3 色浆分散实验

Table 3 Stability test of aqueous paste

实验编号

粉体类型

涂易乐®DS-194H添加量

1#

空白钛白粉

2%

2#

空白钛白粉

6%

3#

改性钛白粉

2%

测试粘度变化得到图3如下:

图3粘度变化曲线

Fig.3 Viscosity curve

通过图3分散浆料粘度变化曲线可知,进行研磨分散实验时,改性后的钛白粉只需较少的分散剂即可达到很好的降粘效果。而且在储存过程中,分散液的粘度没有发生明显升高,说明浆料没有发生明显的聚沉现象,分散液的稳定性较好。

结语

(1)通过实验证明,包覆后粉体在水中的解絮凝能力提升,能够达到快速分散的目的。

(2)改性钛白粉制成的分散液的分散稳定性明显提高。

(3)经过涂易乐®DS-192L和DS-192P包覆后的钛白粉在色浆制备过程中,所需分散剂的用量大幅减少。

(4)涂易乐®DS-192L和DS-192P是比较适合于制作易分散的钛白粉。

参考文献

1. 王卉,渠毅.中国涂料行业VOC污染控制政策法规研究及国内外相关法规对比分析[J].现代涂料与涂装,2016.19(12):28-31.

2. 肖勇丽.钛白粉在涂料中的应用概述[J].四川冶金,2014.36(1):9-13.

3. 姚文静.近期国内外钛白粉市场[J].中国钛业,2017.1:11-15.

4. 李礼,陈新红,杜剑桥等.水性涂料中钛白粉颜料性能与应用性能的关系[J].现代涂料与涂装,2014.17(11):14-17.

5. 王瑥. 钛白粉表面包覆的表征及机理[D]. 云南:昆明理工大学,2011.

6. 张智涛. 钛白粉表面包膜改性技术研究[D]. 云南:云南大学,2013.

7. 陈隆. 金红石型钛白粉无机-有机包覆及耐候性研究[D]. 湖南:湖南工业大学,2016.

8. 肖进新,赵振国.表面活性剂应用原理[M].北京:化学工业出版社,2015.227-247.

9. Milton J. Rosen ,Joy T. Kunjappu. Surfactants and Interfacial Phenomena[M].崔正刚,蒋建中.第四版.北京:北京工业出版社,2015.248-261.

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