金紅石型鈦白粉在水性涂料中應用性能的探討

從鈦白粉的表觀指標和應用體系，闡述了鈦白粉在水性涂料中的部分應用問題，以及鈦白粉的表觀指標和應用體系的聯系。倡導選擇合適的鈦白粉品種來設計水性涂料配方。

    關鍵詞：金紅石型鈦白粉；水性涂料；配方；應用

    前言

    近幾年來，隨著國家環保政策的加強和人民生活水平的日益提高，水性建筑涂料有了突飛猛進的發展，與此同時，隨著科學技術和社會生產力的發展，人類對生活環境日益重視。尤其是國家對“三苯”的溶劑型涂料的嚴格控制，涂料生產廠家在產品的品種、質量、環保等方面做了大量的適應新形勢的改進工作，取得了長足的發展，逐步淘汰對人體和環境有害的原材料勢在必行。鈦白粉性能的優劣直接影響到水性涂料的應用性能。因此應該根據各個行業的特點設計不同的鈦白粉品種是今后鈦白粉企業努力的方向。

    1鈦白粉在水性涂料中分散

    在涂料生產的過程中，鈦白粉分散的好壞直接影響著水性涂料的儲存穩定性、涂膜外觀和涂裝作業難易等[1]。在水性涂料的生產過程中，鈦白粉顏料的潤濕過程是一個“鈦白粉－空氣”、“鈦白粉－鈦白粉粒子界面”被“鈦白粉－樹脂溶液界面”替換的過程，決定潤濕效果的因素主要有樹脂溶液在鈦白粉顏料粒子表面的吸附，樹脂向鈦白粉顏料凝聚體空隙間的滲透。粉碎過程是鈦白粉顏料粒子的凝聚體或者附聚體通過剪切力或者沖擊力破壞為細小粒子的過程，它不僅與設備有關系，還與鈦白粉顏料的聚凝狀態相關。分散穩定是粒子間產生斥力而阻止粒子間再聚集的過程。

    1.1雙電層理論

    雙電層理論就是靜電穩定機制，通過調整pH值或者加入電解質，使顆粒表面產生一定量的表面電荷，以增大雙電層厚度和顆粒表面的ξ電位值，使顆粒間產生較大的排斥力，進而實現顆粒的穩定分散[2-3]。盡管鈦白粉的ξ電位有助于分散穩定性，但是，與位阻的排斥力相比，其作用還是相當小的。通常的工藝要求漿液具有較高固含量、較低黏度的同時具有較好的穩定性。懸浮液的穩定性是其基本性質：首先粒子不能太大，否則重力會導致快速地沉降；另一重要因素是粒子間的吸引力，如果粒子引力足夠大，彼此就會相互粘附，導致粒子束快速沉降(如絮凝)。通常采用的防止絮凝的方法是在粒子表面引入相互排斥的力：電荷間的排斥力(電穩定)、吸附的高分子間的斥力(空間穩定)或兩者的結合(空間穩定)。雙電層穩定機制，即通過調節pH值使顆粒表面帶上一定的表面電荷，形成雙電層；通過雙電層之間的排斥力使粒子之間的引力大大降低，從而實現粉體的分散。鈦白粉的表面電性是由粉體表面的荷電離子，如OH-、H+等決定的，當鈦白粉分散到溶液中的電性還與溶液的pH值之一即溶液的離子類型有關系。粉體表面的荷電性影響顆粒之間、顆粒與無機離子之間、表面活性劑離子以及其他化學物質之間的作用力，因此影響顆粒之間的團聚和分散。根據雙電層理論可以比較清晰地看出所謂的ξ電位并不是顆粒的界面電位，只是吸附層外側的電位，ξ電位與顆粒緊密層的電位十分接近，可以近似為相等。熱力學電位總是大于ξ電位，吸附層越厚ξ電位越低。如果顆粒表面上的負電荷數和固定層吸附的正電荷數相等，ξ電位就變成了零，這時對應的溶液的pH值稱為等電點[4-5]。當溶液的pH值大于等電點時，粉體表面荷負電；小于等電點時，荷正電。當然，影響ξ電位的因素很多，如粉體的化學成分、pH值、表面缺陷、溶劑、粒度分布等等。

    1.2表面化學特性

    實際上在水性涂料體系里面，ξ電位是隨著鈦白粉的單位吸附量的增加而迅速增大的，但是當ξ電位升高到一定程度后，其增大的幅度逐漸變緩。從而表明鈦白粉顆粒必須達到一定的吸附量，才能夠具有一定的電荷穩定性，這一點對實際的水性涂料配方設計有著深遠的意義。隨著鈦白粉粒子的細微化，表面原子所占比例增加。但表面原子受到的是不對稱力，即與其鄰近的內部原子的非對稱價鍵力和其他原子的范德華力的作用，其價鍵是不飽和的。根據鈦白粉在水溶液中的pH值不同，可帶正電、負電和電中性。當pH值比較小時，粒子表面形成M—OH2，導致粒子表面帶正電；當pH值高時粒子表面形成M-O鍵，使粒子表面帶負電；如果pH值處于中間值，則表面形成M—OH，粒子呈電中性。在不同的pH值下，分散在水中的粉體的表面化學特性就由吸附到顆粒表面的H+和OH-粒子所決定。

    1.3水性涂料分散劑對鈦白粉粉體特性的影響

    在鈦白粉含量不變的情況下，單位的吸附量與分散劑的含量成正比，根據公式a=Ax/(1+Ay)=X/(A-1+Y)可以推導出單位鈦白粉上的吸附量。根據膠體穩定性的DLVO理論，膠體質點之間存在范德華吸引作用，而質點在相互接近時又因雙電層的重疊而產生排斥作用，膠體的穩定性取決于質點之間吸引與排斥作用的相對大小。懸浮體的分散性和流動性與其ξ電位值有很大關系，一般，ξ電位絕對值越大，越有利于懸浮體分散。在漿料的制備過程中，為獲得高分散性穩定性好的漿料，通常選用一些高分子電解質來改善其懸浮性能。引入分散劑以后，粒子表面ξ電位絕對值增加，這是由于加入分散劑后，帶有負電荷的分散劑陰離子基團吸附在鈦白粉粒子表面，使粒子表面的負電荷性更高，粒子表面的電荷密度最高，粒子間產生最大的靜電斥力，于是漿料具有最佳的分散性。因此，制備高固體含量的鈦白粉漿料選擇最佳pH值應在8～9。

    1.4水性涂料分散劑對鈦白粉漿料流變特性的影響

    懸浮液的流變性決定于漿液的固含量和粒子間的相互作用。鈦白粉粉體在水介質中具有較高的比表面能，因而容易產生團聚或絮凝，影響漿料的穩定性和均勻性。分散劑的加入不僅能改善粉體的表面特性，而且對鈦白粉懸浮體的流變行為也有較大影響，通過加入分散劑的方法可以獲得低黏度、高穩定性均勻性好的涂料漿料。不加分散劑時漿料的黏度最大，隨著分散劑用量的增加，粒子表面電荷密度升高，離子間斥力也相應增加，漿料的黏度開始下降，流動性好轉，體系的分散性得到改善。進一步增加分散劑用量，漿料黏度變化不大，這是由于粒子表面電荷達到飽和所致。但分散劑用量過大，過剩的分散劑分子相互橋連形成網絡結構，限制粒子間的運動，使流變性變差。

    2金紅石型鈦白粉在水性涂料中的表現

    鈦白粉是水性涂料的重要組成部分，更是提供人們需要裝飾顏色的重要顏料，遮蓋被涂底層，改善涂膜的性能，提高涂膜的機械強度和防腐性能，減少涂膜的透氣性和透水性，在涂料的功能化中起到關鍵性的作用。

2.1鈦白粉的電阻率

    根據雙電層的理論，負荷粉體微粒雙電層將會受到體系中陰離子或者陰離子集團的壓縮，從而導致體系的ξ電位下降，進而導致整個體系的分散穩定性大幅度降低。因為鈦白粉在進行無機表面處理和有機處理的過程實際上就是一個引入其他元素、改進產品性能的過程，如果合理，則整個產品的性能能夠得到巨大的改進和顯著的提高；如果不合理將會使其成為有害的雜質，使產品的性能減低或者無法應用。由于各個生產廠家的處理工藝和儲備技術不盡一致，因此其粉體的陰離子Cl-等和陽離子K+、Na+等都有很大的差別，從而造成了產品應用性能的千差萬別。但是，鈦白粉的電阻率并非越高越好，過高的電阻率沒有實際意義反而增加了鈦白粉生產的經濟成本，而且也與當今的國家政策和節能降耗不相符合。鈦白粉的電阻率同時反映出了在一定程度上的鈦白粉中的雜質情況。

    2.2鈦白粉的pH值

    鈦白粉的pH值直接影響到其在水性涂料中的應用性能。從道理上講鈦白粉粉體的pH值應該在中性附近，但是由于生產工藝的不同，煅燒條件、包膜狀態、化學組成等諸多因素的影響，造成了鈦白粉的pH值偏離中性。鈦白粉的pH值直接影響到涂料生產的穩定性問題，因此穩定的鈦白粉粉體將對涂料生產企業有著十分重要的意義。另外鈦白粉的pH值偏酸性還容易造成涂料生產過程的固化和干燥的速度變慢，分散性變差，嚴重的會使涂料結底膠化等。

    2.3鈦白粉的水分

    由于鈦白粉顏料的表面自由能特別高，所以顏料表面吸水是必然的。由于水分的存在，從而影響顏料在涂料生產過程中的研磨分散性，所以控制適當的顏料水分。防止在涂料生產過程中的返粗和絮凝效果顯著。隨著水分的增加，在剪切分散的過程中需要較大的動能，不易剪切分散均勻。不同水分含量的鈦白粉測定其分散度，如表1所示。

    表1水分對分散度的影響

    不同水分含量的鈦白粉對分散度有較大的影響，由此可以看出鈦白粉的水分直接影響到水性涂料的分散性和生產成本，如果分散性太差，在涂料生產過程中需要較大的動力，還需延長剪切時間。

    2.4鈦白粉的遮蓋力

    遮蓋力不僅取決于對光的散射能力，而且也取決于對光的吸收能力，還取決于鈦白顏料與基料的折光指數之差。折光指數越大，遮蓋力越大；粒度越小，遮蓋力越高，但是，當粒度小于可見光波長一半時，遮蓋力反而降低。遮蓋力還與鈦白粉的粒度有著直接的關系，一般而言，在高顏料體積濃度的涂料體系里面，粒度較大的鈦白顏料遮蓋力較高；在低顏料體積濃度的涂料體系里面，粒度較小的鈦白顏料遮蓋力較高。由于鈦白粉的顏料性能而影響遮蓋力的主要因素是鈦白粉的折射率和媒介物的折射率，鈦白粉的粒度和粒度分布，以及鈦白粉分散以后的分散性等。按照不同的顏料體積濃度，制備羥乙基纖維素體系的水性涂料，體系組成為纖維素－水－分散劑－消泡劑－潤濕劑－鈦白粉。測定其遮蓋力，數據如表2所示。

    表2顏料體積濃度與遮蓋力的關系

    2.5鈦白粉的著色強度

    鈦白粉的著色強度是嚴格測定鈦白粉在涂料中散射光效率的一種方法。著色力是將鈦白粉與藍色與黑色原料混合，然后檢測體系對綠光的反射率。只要鈦白粉不發生絮凝作用，著色力與覆蓋能力是相互平行的。著色力更加強調的是鈦白粉顏料對光的反射率，而不應該過分地考慮和注重鈦白粉的色調。反射率與鈦白粉的粒徑有著密切的關系，粒徑較小的鈦白粉反射光帶有藍光。把鈦白粉放入醇酸樹脂體系，加入分散劑，加入氧化鐵紅測定沖淡色的反射率，如圖1所示，隨著波長的增加，其反射率逐漸下降。

    圖1波長－反射率關系曲線

    2.6鈦白粉在水性涂料中的保光和耐粉化性涂料粉化的實質是由于涂膜表面的有機樹脂基料經受了外界因素的誘導和激發，主要指受陽光、潮氣、溫度變化和環境污染后出現了光化學降解，有機樹脂降解涂膜表面變為無光澤和粗糙所致。用鈦白粉調制顏料體積濃度在30％的三聚氰胺醇酸磁漆，測定不同溫度下的光澤度，如圖2所示。

    圖2溫度－光澤度關系曲線

2.7鈦白粉自身的絮凝

    由于鈦白粉表面自由能的因素，鈦白粉粒子在流體中生成松塊狀的凝聚物，這種塊狀物在中度剪切力的作用下容易打開，若是剪切不夠徹底，容易造成涂料遮蓋力和著色力的下降，光澤暗淡，亮度更差。將兩種不同粒徑大小的鈦白粉R1和R2分別以同樣的條件制備長油醇酸樹脂涂料以比較分散時間與光澤度的關系，如圖3所示。采用的鈦白粉的質量分數為60％，體系為醇酸樹脂－分散劑－鈦白粉。由圖3可以看出，在條件一致的情況下，粒徑較小的R1在同等的分散時間下，自身的絮凝較差，容易分散打開，光澤度更高。

    圖3分散時間－光澤度關系曲線

    3結論

    鈦白粉在水性涂料中的應用和水性涂料的設計過程中，選擇合適的鈦白粉品種進行設計水性涂料配方設計。根據涂料的不同應用范圍，選擇適宜的鈦白粉產品，選擇合適的等級最為重要。如果鈦白粉的品種選擇得當，既能夠提高產品的性能，又能夠降低水性涂料的生產成本。因此，根據用戶和社會發展設計涂料配方，選擇鈦白粉極為重要。

    作者：李化全1，2 (1.山東東佳集團研發中心，山東淄博255200；2.中北大學研究生院，太原030000)