毕业论文——硅表面包膜改性钛白粉的研究

哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）硅表面包膜改性钛白粉的研究学 生 姓 名： 指 导 教 师： 专 业 班 级： 印刷工 学 号： 学 院： 轻工学院 二XX年六月八日哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）摘 要钛白粉被公认为是目前世界上功能性最好的白色颜料，TiO2的折光指数在已知的白色颜料中是最高的。但是钛白粉实际应用性能尤其是分散性能并不是很好，因此对钛白粉表面进行包膜改造非常必要。使用硅酸钠作为包膜剂，六偏磷酸钠作为分散剂对钛白粉的包膜进行研究，设计实验探究温度、包膜时间、包膜剂量以及pH值等因素对包膜质量的影响。对实验所得样品进行光学显微镜、沉降实验的表征以及对吸油量、遮盖力等性能的检测来判断包膜质量的好坏，从而确定出最优包膜工艺条件为：包膜温度85，包膜剂量为5%，反应时间为3小时，pH值为9。关键词：钛白粉；表面改性；硅酸钠；六偏磷酸钠IIAbstractTiO2(titanium dioxide) is widely used as the best functional white pigment in the world. The refractive index of TiO2 is the highest in the known white pigment. But its practical application is reduced for its lattice defect performance. The surface modification of TiO2 coated is necessary.Na2SiO3 is adopted as the coating agent and (NaPO3)6 as a dispersant for titanium dioxide coated study. The influences of temperature, time, coated dosage and pH on the coating quality are investigated through the experiments. The quality of modified TiO2 is determined by detecting the oil absorption capacity, covering mass and optical microscope and sedimentation experiment. The optimal coating process conditions are as follows：85, Na2SiO3 concentration (5%), time (3h) and pH (9).Keywords:TiO2；surface modification；Na2SiO3；(NaPO3)6目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 钛白粉表面硅包膜改性的目的和意义11.2 硅表面包膜改性钛白粉的国内外研究现状11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状31.3钛白粉的结构、性质和应用41.3.1 钛白粉的结构41.3.2 钛白粉的性质41.3.3 钛白粉的应用51.4钛白粉表面改性的方法51.4.1钛白粉的无机包膜改性51.4.2钛白粉的有机包膜改性61.4.3其他表面改性方法71.5本课题研究的内容72实验材料及内容82.1实验试剂与仪器82.2试验方法82.3 试验流程及步骤92.3.1实验流程图92.3.2实验步骤92.4测试分析102.4.1沉降行为表征102.4.2吸油量检测102.4.3遮盖力检测112.4.4光学显微镜观察113实验结果与讨论123.1 硅包膜改性钛白粉的实验123.2 硅包膜改性钛白粉的表征结果及讨论143.2.1沉降行为表征（分散性测试）143.2.2光学显微镜观察163.3 硅包膜改性钛白粉的检测结果及讨论163.3.1包膜改性反应时间对包膜的影响163.3.2包膜改性反应温度对包膜的影响183.3.3包膜改性包膜量对包膜的影响193.3.4 pH值范围对包膜的影响20结 论22参考文献23致 谢2626哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）1 绪 论1.1钛白粉表面硅包膜改性的目的和意义钛白粉，化学名称：二氧化钛，化学式：TiO2，具有较稳定的物理性质与化学性质，被公认为是目前世界上功能性最好的白色颜料，TiO2的折光指数在已知的白色颜料中是最高的。在适宜的粒子密度分布下，对光线具有优良的散射能力，所以着色力较高、遮盖力较大，广泛应用于涂料、橡胶、造纸、油墨、塑料、造纸、食品添加和医药染色等工业l2。在实际应用中，它表面的特性展现出的效果直接关系到它的白度、消色力、分散性、色调、光泽、遮盖力和耐久性等一系列的特殊性能。但钛白粉晶体本身存在晶格缺陷，紫外线照射下会激活表面上的许多光活化点，使涂膜在紫外光的照射下产生失光和粉化现象。为了提高它的性能，除了调整和优化钛白粉前期的生产工艺外，还必须在生产结尾进行表面强化处理。所谓的表面处理，一般就是通过在二氧化钛的粒子表面包覆一层或多层无机化合物或有机物的包膜层，用以改善二氧化钛产品固有的缺陷或改变其分子颗粒的表面性质，提高它的整体耐候性、分散性、吸油量、遮盖力等应用性能。生产工艺的改进和调整可以使二氧化钛缺陷的表现都有所降低，但依旧无法完全排除。因此，从各方面考虑与选择，必须对制备产出的TiO2进行表面处理优化，以提高二氧化钛的应用性能。所以本文将研究氧化硅对钛白粉颜料颗粒的表面包膜改性，为钛白粉的应用提供相应的实验依据。1.2硅表面包膜改性钛白粉的国内外研究现状1.2.1 国内研究现状阳立芬3对TiO2的表面改性包膜的成分结构采用了GC-MS分析法来进行探究，与此同时，结合IR分析法以及TG-DTA分析法对包膜物的热稳定性和其官能团做了深度分析，从而获取TiO2实验样本的表面包膜成分组成信息。研究结果显示:68个样品中，有机分子包膜改性成功的有59个，包膜物大多为多元醇类物质(占百分之三十八)、硅烷偶联剂(占百分之二十七)，其次是钛酸醋偶联剂。王韫4以AlSO4·16H20和Na2SiO3·9H2O作为无机包膜制剂，三乙醇胺等作有机包膜剂。使用分子水溶液沉积法对锐钛型的TiO2颜料粒子分别进行无机、有机包膜，获得了以TiO2颜料粒子为内核，外部包裹一层致密分子膜的复合粒子。通过讨论TiO2分子的表面改性措施，探究了不同种类工艺条件对包膜实际效果的影响，以包膜后TiO2分子的酸溶率、吸油量等现实应用性能的改变为根据确定了最佳的改性工艺参数为：硅的加入量为TiO2分子质量的5wt%，铝加入量为TiO2分子质量的3wt%，悬浮液的pH值为9.5，反应温度为85。李蓓，王亭杰等人5探究了TiO2分别经过氧化硅、氧化铝包膜改性后，形成的水悬浮液酸碱值和钛白粉颗粒表面的电位特性的变化。通过实验获得连续、质地均匀、分布紧密的无机氧化物膜状包裹，包覆膜层的厚度的大小随着包裹量的增加而增大。实验结果显示：被氧化硅和氧化铝表面包膜处理的钛白粉形成的水悬浮液酸碱值偏离酸碱中性；包裹氧化硅膜后钛白粉的水悬浮液显示碱性，PH值随着包裹量的增加而增大，最高能达到9.7PH值；包裹氧化铝膜的钛白粉的水悬浮液显示酸性，PH值随包裹量增加而降低，最低能达到4.4PH值。钛白粉表面的包膜量的大小对钛白粉表面的电位的影响跟PH值的变化相似。经过对包硅膜的颗粒进行少量包铝处理、或对包铝膜的颗粒进行少量包硅膜处理，就能够有效的控制最终包覆物水悬浮液的酸碱值。张智涛6研究了TiO2颗粒表面包覆膜改性前的钛白粉颗粒在水中的分散性。此外，还对酸碱性、分散剂的类别、分散剂的添加量对钛白粉颗粒水分散性的影响进行了研究，通过沉降行为表征、吸光度测量评定、Zeta电位测量这三种方法，确定了TiO2在水中分散时的最佳工艺参数：PH值约为9到10，使用六偏酸钠为分散剂，分散剂的使用量为钛白粉用量的0.4%。王振英7对有机包膜剂通过实验做了选择，发现在各种包膜剂中，D-7066有机硅酮较为合适。结合硅铝包膜工艺条件，设计了硅铝有机硅的联合包膜工艺，生产出塑料专用型钛白粉，并命名为R828，这种塑料专用钛白粉具有较强的的流动性能，耐热温度为300摄氏度左右。我们对生产出的R828塑料专用型钛白粉和国内外相同种类产品进行了塑料实际应用性能的测试。通过对比分析分散性显示，R828在PVC中具有良好的分散性，与国内相近产品相比，其分散性有较大优势，与国外相近产品分散性相当；对加工性能的实验结果显示，几乎所有样品的转矩均能达到生产工艺条件要求，但是RCL696以及R828的转矩较小，对生产加工更有利；在遮盖力方面，R828的遮盖力与国外相近产品差不多，但是却比国内相近产品好很多；耐候性的研究也表明，R828的耐候性比国内相近产品优秀，与国外相近产品差不多。郭会良8也研究了TiO2在生产制备过程中粗品的分散分散性的课题，实验显示，钛白粉的分散性最好时是当分散剂六偏磷酸钠的使用量为钛白粉用量的0.55%时。文章还对分散性提高的原因进行了分析，分散剂在水里发生了水解产生的阴离子吸附在TiO2固体粉末的表面，让其带电，使得TiO2固体粉末颗粒间的团聚受到阻拦。王小静9用水悬浮液体系的粘度设置为评价指标，以此来探究钛白粉颗粒在水分散系统里的分散性；探究了用湿法改性技术对钛白粉的改性进行研究，并通过设置吸油量测定标准来确定了最佳包膜改性工艺参数；经过对TiO2改性条件的研究，得出以下结论：(1)当选择乙醇胺以及水玻璃两个分散剂作为符合分散剂时，最佳的工艺条件是：0.4%/0.6%的比例，搅拌时间为1.5个小时，温度为25，pH为10。(2)将CTAC用作钛白粉的改性包膜剂时，在多种实验方案的研究中得出最佳的包膜改性工艺参数为：温度65、改性包膜剂的用量为钛白粉质量的2.5%、pH值为7.5、包膜改性时间为2个小时。薛兵，侯阳春10利用浊度值法对使用自己制备的硅酸钠溶液作为分散剂时TiO2的分散性作了表征，并利用对浊液的PH值的大小的调节来对浊度值进行控制，以此达到不同分散效果。结论显示，分散性随着浊度值的增大而提高，而浊度值又随着PH值的变化而变化，而且有最大峰值。当分散溶剂不是水而是酒精时，实验结果也是如此。此方法改性处理得到的钛白粉可以用于提高高分子复合材料的各种应用性能。曾成华，钟玉凤等人11研究了将硅酸钠以及铝酸钠作为钛白粉改性包膜的包膜剂时对金红石型钛白粉的制备，通过化学液相沉积的措施对金红石型钛白粉硅铝双包膜。他们通过改变改性包膜条件来研究最佳包膜参数，最终确定的最优的工艺参数为：钛白粉的浆料的浓度是150g/L，包膜剂浓度是45g/L，pH值范围是5-7，温度是65，包膜时间是1.5小时。在这样的包膜工艺条件下制备出的钛白粉的分散性能有很大提升，白度也增加了4%。1.2.2 国外研究现状B.S.Richards等人12研究了聚合物包覆钛白粉的课题，实验结果显示：采用聚合物用来作为有机包覆物的钛白粉样品与二甲苯形成的直线斜率k值较小，接触角较大，粒子表面湿润性不好；采