浅析金红石型二氧化钛粗品分散性的影响因素

赵燕雷

摘要：分散性贯穿了钛白粉后处理生产和应用的整个过程，本文着重讨论金红石型粗品的分散性，直接影响钛白粉无机包膜的包膜结构、均匀性与完整性，对相关各工艺参数的调整有重要指导意义。本文主要通过Zeta电位表征分散性，通过对不同因素的调整，讨论金红石型二氧化钛粗品的分散情况。

关键词：

金红石型二氧化钛；粗品；分散；分散剂；表面活性剂

0、引言

金红石型二氧化钛的无机表面处理通常在将二氧化钛可以充分分散在水中后进行，整个包膜过程中，二氧化钛是否处于良好的单分散状态对于包覆剂在二氧化钛颗粒上的成膜过程有着重大影响。包覆膜的结构、致密性、均匀性与完整性都依赖与二氧化钛颗粒的分散程度。将分散剂分散后的TiO₂浆液进行机械研磨，使凝聚在一块的基本粒子打散分离变成单个粒子状态，经珠磨后的浆液通过水力旋流器进行粒子分级，上流粒子料浆送往下工序，底流粗粒子返回振动磨继续研磨。因此粗品分散性的好坏对于整个钛白粉后处理生产至关重要。

对于固体颗粒在水溶液中的分散，其影响因素有：范德华力、静电力、空间位阻效应、水化膜作用。通过使用分散剂，主要可以改变其中的静电力和空间位阻效应，其中空间位阻和分散剂的分子结构有关，所以我们主要讨论静电排斥力对固体颗粒分散的贡献。

固体颗粒的表面电现象是指固体与介质相接触时，其表面上总是会存在一定的电荷，这些电荷收到固体颗粒自身表面性质、介质性质、分散剂以及外界电场等的影响；人们通过对这一现象的研究提出并建立的双电层结构模型理论，该理论为胶体的稳定性、电动和动电现象提供的理论依据。Zeta电位是表征颗粒表面双电层电场的参数，Zeta电位的绝对值越大，固体颗粒表面所带的电荷越多；若颗粒所带电荷种类相同的话，则颗粒间排斥力也就越大，颗粒分散性越好。下面主要通过Zeta电位来表征金红石型二氧化钛颗粒在水中的分散性，并研究其影响因素。

1、实验

1.1、原料、试剂和仪器

国内不同厂家所生产的硫酸法金红石二氧化钛型粗品： A、B、C；

pH调节剂： H₂SO₄、氨水， 分析纯；

电导率调节：NaCl，分析纯；

分散剂：六偏磷酸钠（6P）分析纯；Na₂SiO₃ 工业级，模数 2.8~3；聚羧酸盐（PC）工业级；

YT-125高速搅拌分散剂；

美国Colloidal Dynamics公司的Zeta Probe；

BrookField  DV II+ Pro 旋转粘度计；

1.2、实验方法

1.2.1、实验试剂的配制

粗品A、B、C经研磨粉碎过筛后，配制为 300g/L浆料，与高速搅拌机上  1500rpm 20min；

pH调节剂稀释配制为 0.048mol/L水溶液，以 H⁺、OH^-计；

分散剂配制为 75g/L水溶液，6P以P2O5计，Na₂SiO₃以SiO₂计；

以上配制过程均使用脱盐水。

1.2.2、Zeta电位的测量

对配制好的浆料依实验要求加入适量分散剂、调节剂后，与高速搅拌机上再次分散 10min。置于ZetaProbe电位仪中测定颗粒表面Zeta电位，重复测量 3次，偏差小于 5%，取平均值。

2、结果与讨论

2.1、分散剂加量对分散的影响

对上述浆料依次加入不同量的分散剂，检测其Zeta电位情况如下：

图表1粗品A分散剂加量 

图表2粗品B分散剂加量

图表3粗品C分散剂加量

由图可见：

a.对于粗品A，6P的最佳加量为 0.2%，而粗品B、C，6P的最佳加入量为0.3%左右；

b.硅酸钠对于三种粗品，最佳加入量均为 0.3%左右；

c.Zeta电位对分散剂PC加量的曲线，在0.2%处有个峰，且在0.4%以后还有下降趋势，在0.5%左右可以取得类似与0.2%的分散性，但是出于经济因素，0.5%以上的结果不予考虑，可以认为 PC的最佳加入量为 0.2%。

综上所述，分散剂的加量并非越高越好，而是有着一个最佳加入量，过量的分散剂并不意味着能取得更好的分散效果，上述图表对于实际生产中的分散剂加量有着一定的指导意义。

2.2、离子强度对分散的影响

溶液中的杂质离子，特别是高价的杂质离子不但会影响固体颗粒表面双电层的形成，和固体颗粒竞争分散剂，而且高价的杂质离子还会成为絮凝的核，对于整个体系的分散性有着重大的影响。

由于实际生产中原料和水均经过严格的处理，高价金属离子含量很少，在整个无机表面处理过程中最多的阳离子就是Na+离子，所以下面重点考察Na+离子对分散性的影响。

在加入 0.3%分散剂的前述浆料中，依次加入适量NaCl，测量其Zeta电位、粘度和电导率，通过电导率间接反映溶液中的离子强度。实验数据如下：

图表 4 Zeta电位对电导率变化

图表 5 粘度对电导率变化

由图可见：

浆料的Zeta电位和粘度均随电导率而有明显变化，特别是硅酸钠所受影响最大，可见以硅酸钠作为分散剂的话，在包膜后期其分散效果几乎完全丧失；如果使用硅酸钠作为分散剂的话，应当尽量使用模数较大的硅酸钠；6P受电导率影响呈现阶梯式分布，特别是粘度在后期有飞跃式上升。

2.3、pH对分散的影响

水溶液的pH对Zeta电位有着非常大的影响，它可以直接改变固体颗粒表面的电离平衡，并且影响分散剂的存在形式等，是固体颗粒在水溶液中分散的重要影响因素；在二氧化钛的无机表面处理过程中，pH的变化范围非常大，因此研究pH对分散性的影响是十分有必要的。

图表 6 6P分散性随pH变化 

图表 7 硅酸钠分散性随pH变化 

图表 8  PC分散性随pH变化

由图可见：

a.三种分散剂均需在pH 8.5以上才能取得最优的分散效果，pH 8.5以上Zeta电位虽然还有变化，但是变化已经不是很大了。

b.6P的分散效果最强，受pH变化的影响最小，十分适合二氧化钛无机表面处理过程使用。

c.硅酸钠和PC的分散性受pH变化影响很大，pH小于5时，几乎没有分散效果，其中PC的pH适用范围较硅酸钠略广。

3、结束语

浓度为 300g/L的金红石二氧化钛颗粒，其分散性的影响因素如下：

a.分散剂的最优加量，六偏磷酸钠 0.3%，硅酸钠0.3%，聚羧酸盐0.2%；

b.离子强度的增加导致分散性下降，特别是硅酸钠所受影响明显；

c.pH至少应在 8.5以上，进一步提高 pH还会略有改善。其中六偏磷酸钠受 pH影响最小，适用 pH范围最广，比较适合包膜过程使用；而硅酸钠和聚羧酸盐的pH适用范围较窄，不适合酸性环境使用。

参考文献：

[1]曾瑞 金红石二氧化钛粗品最佳分散条件的研究  上海涂料  Vol. 44 No. 2 Feb. 2006

[2]李鹏，韩恩山，等 表面电现象的研究及应用 河北工业大学学报 2004.12 Vol.33  No. 6

[3]胡泳絮 ZETA电位与表面吸附—聚沉规划的理论解释 结构化学 1992 Vol.11 No.6

[4]王晓娜 钛白粉zeta电位测定方法的研究 《钛工业进展》 2003年第2期

[5]陈德彬 浅谈金红石钛白粉后处理技术 《湖南化工》 1994 第二期