濁度法測定鈦白粉的分散性

       鈦白粉以其獨(dú)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(xì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化．這主要是因?yàn)榕c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(tuán)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(jī)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(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)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(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測試也是本文主要討論的問題．

 

       實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)在不同的酸堿度環(huán)境下鈦白粉在其中的分散效果．

       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(jī)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(qiáng)度與濁度有關(guān)，因此測量散射光強(qiáng)可得到濁度信息．散射光越強(qiáng)，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．

        １．２．１　試劑　零濁度水（自制）、４００濁度水、去離子水、廣泛ｐＨ 試紙、超細(xì)鈦白粉、二氧化硅粉末、氫氧化鈉（分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于９９．５％）、鹽酸（含量３６％～３８％）．

        １．２．２　儀器�。樱牵冢�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．

        １．３．１　實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備�。ǎ保┲苽湫Ｕ�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(shí)驗(yàn)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�。埃�１０ｇ鈦白粉，放于烘箱進(jìn)行烘干，１５ｍｉｎ后取出．待冷卻片刻后，倒進(jìn)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�。埃�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）

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

        （３）同樣稱�。埃�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(jìn)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．

       在溫度為２０℃，相對濕度為５３％的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見表１．

       ２．２．１　無機(jī)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(jìn)行無機(jī)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?yàn)楣璋�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(jī)表面改性就是將無機(jī)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(dá)１１時達(dá)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(dá)到最小．在ｐＨ＝１１．０時濁度值達(dá)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(dá)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(qiáng)），濁度值越�。�這是因?yàn)榉垠w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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)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(diǎn)：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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用無水乙醇作溶劑時，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟（４），導(dǎo)電鈦白粉懸濁液的濁度值也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)，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(dá)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)．

 

       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(jìn)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(jìn)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(shí)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．