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【技术】钛白粉无机/有机包覆改性技术及特点

 金红石型钛白粉是一种带隙宽度大致约为3.0eV的半导体,在未经过表面改性时具有较强的光催化活性,使其能够在太阳紫外线的辐射下产生出高活性的氧自由基,这种氧自由基能发挥出强大的氧化能力,会对钛白粉周围的介质产生破坏从而影响产品的使用寿命。因此表面改性是钛白粉生产加工中极为重要的一项工作。

 

表面改性就是通过使用改性添加剂与二氧化钛表面发生反应,从而改变表面特性,进而改善产品的性能。目前,针对钛白粉的表面改性大致分为无机包覆和有机包覆两种方法。
 
1、钛白粉无机包覆
 
无机包覆就是借助沉降反应在钛白粉粒子表面包覆单层或者多层无机物薄膜,在粒子和介质中间形成一道屏障,使钛白粉的各项性能得到提高。一般采用铝包覆、硅包覆、锆包覆和多元混合包覆的方法对钛白粉进行无机表面改性。
 
对于硅包覆来说,在中性及偏酸性的条件下形成的薄膜是相对“蓬松”的,而在碱性条件下形成的薄膜则是比较致密的,一般通过硅酸钠水解生成硅质胶束再通过Ti-O-Si键来固定在钛白粉表面,同时还可以借助Si-O-Si键的形成保证薄膜是连续且均匀的。
 
对于铝包覆来说则是通过OH-Al与钛白粉表面的-OH基团相反应形成Ti-O-Al键,在高于等电点的情况下,钛白粉粒子表面提供的-OH基团数量增多促进包覆的进行。同时在高pH条件下,升高温度时OH-Al的定向生长速度相对于沉降速度占据了主导地位,进而使薄膜形态从均匀连续的片状层变为相对松散的絮状物。
 
在包覆过程中还需注意确保整个过程是受控的,一般指的是过程中的pH值、温度等,否则不受控的过程会导致钛白粉的表面产生不完整、不均匀的涂层,对整体的改性效果产生影响,具体表现为部分未包覆的颗粒絮凝在一起导致粒度分布变宽、影响整体的分散性能。
 
无机包覆根据处理方式的不同又具体分为干法包覆和湿法包覆两种方法。
 
(1)钛白粉干法包覆
 
干法包覆一般借助气流喷雾让金属卤化物附着在钛白粉表面,在经过焙烧氧化后通入热蒸汽促使其水解形成薄膜包覆在粒子表面。这种包覆形式的操作简单、流程短、易实现自动连续化,但是采用干法包覆时颗粒生长速度过快,不易于进行控制,会导致产品的稳定性较差,对产品性能产生一定的影响。
 
(2)钛白粉湿法包覆
 
湿法包覆主要依托在水介质中进行,具体也被细分为煮沸法、中和法和碳化法三种。其中煮沸法主要是在高强热的条件下先使包膜剂水解然后再沉积到粒子表面形成薄膜,这种方式的反应速度较慢,水解不彻底且过程难以控制,故一般不采用这种方法。而中和法主要是通过酸碱中和的方式,在浆液中添加相对应的碱液或者酸液来使包膜剂沉淀下来形成薄膜。碳化法则是将二氧化碳通入到含包膜剂的碱性浆液中使之沉淀在粒子表面形成薄膜,此种方法虽然过程较为缓慢,但是形成的薄膜更加均匀,产品性能也更加优秀。
 
2、钛白粉有机包覆
 
有机包覆的发展历史要比无机包覆的发展历史短,但是凭借着用量小(通常添加量仅为颜料重量的0.1%~1%)、收效大的特点发展十分迅速。实验室有机包覆的方法主要有三种,分别是高速分散湿法、震荡分散法和气粉机粉碎法。在日常实验过程中,我们主要采取其中的高速分散湿法进行处理。
 
一般情况下在有机包覆的过程中,一部分有机处理剂采用物理吸附的方式连接在钛白粉表面,另一部分则通过与粒子表面的羟基进行反应进而与钛白粉表面紧密的结合在一起,过程中常采用分散剂、偶联剂、表面活性剂等。
 
3、钛白粉复合包覆
 
由于无机包覆和有机包覆各有侧重。一般来说,无机包覆的主要目的是降低钛白粉的光催化活性,提高其耐候性,从而增加产品的使用寿命,而有机包覆的主要目的则是提高产品在各个介质中的分散能力以及分散稳定性。
 
两种方法并不能互相取代,因此在实际应用操作中大多采用先无机包覆再进行有机改性的操作模式来对钛白粉颗粒进行表面修饰以达到目的,即在钛白粉颗粒上先采用硅、铝、锆等可溶性无机源(如二氧化硅、三氧化二铝等)在其各自相适宜的温度及pH条件下完成一层甚至多层的无机包覆层以增强其耐候性。再通过选取合适的桥基结构在其上连接亲水性较强的脂肪酸或芳香酸基团,以增强其水分散性及分散稳定性。
 
资料来源:《李金泽,李学敏,王瑛.钛白粉概述及研究进展[J].染料与染色,2022,59(05):12-19+40》,由【粉体技术网】编辑整理

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