二氧化鈦顏料的結(jié)晶顆粒(原級粒子、一次粒子)是很細(xì)的，金紅石型的平均粒徑約0.17~0.24μm，銳鈦型的平均粒徑約0.14~0.16μm，所以它們的表面積很大。經(jīng)計算粒徑為0.2μm的球形金紅石型二氧化鈦粒子的比表面積為7m2/g,與公認(rèn)的未處理二氧化鈦顏料的實際數(shù)值相接近，一般市售工業(yè)用二氧化鈦1g的表面積可達7~30m2，0.906kg(2磅)表面積為15m2/g的二氧化鈦[相當(dāng)于4.546dm3(1加侖)油漆中的二氧化鈦的數(shù)量]的表面積幾乎達到21.2畝(3.5英畝)，通常門窗上所用的白色有光漆，1cm2中含有大約300億個二氧化鈦分子，在這樣大的表面積上結(jié)合的自由能是相當(dāng)大的，一般為數(shù)百至數(shù)萬10-3N/m.
根據(jù)DLVO理論，按照膠體化學(xué)的觀點，分子間的力主要分為引力和雙電層所產(chǎn)生的斥力，鄰近粒子間的引力主要是范德華引力和牛頓引力。由于這些力的作用，使相鄰不同表面的分子互相靠近在一起，因而自發(fā)地縮小了粒子間的表面積和單位面積內(nèi)自由能的數(shù)量，表面張力變大，于是二氧化鈦就會從一個分散體系自然而然地變成個絮凝體。這時除了有一個較高的ζ電位，或者在這些粒子周圍有一個吸咐保護層，才能防止其進一步絮凝，這涉及到顏料表面被液體所濕潤的程度，也就是說濕潤力要大到能夠打破固體粒子間的凝聚力，或液-固界面上的自由能要比固-固界面上的自由能小時才能分散。
當(dāng)二氧化鈦顏料在載色劑中研磨分散時，首先看到顏料粉末附集漂浮在載色劑上面，然后浸沒，接著被分散開來，這一過程實際上是顏料表面的空氣和水被載色劑置換，顏料顆粒之間被充分濕潤，顆粒的濕潤代替了顏料與空氣、顏料與水、顏料與顏料粒子之間的界面，從而也縮小了這些界面上的自由能。研磨過程實際上聚集體和絮凝體的分散過程，隨著研磨輸入的能量，又增加了新的表面，因此顏料聚集體和絮凝體要在液體中完全分散，首先必須要充分濕潤，其次才能很好地分散開來。
固體能否在液體中很好的濕潤以及濕潤的程度，可以根據(jù)接觸角的大小來判斷，接觸角越小濕潤的程度就越好，接觸角為零表示完全濕潤、接觸角為180°表示完全不濕潤。其次降低液體的沾度有利于液體向聚集體內(nèi)部滲透，但是純二氧化鈦是一種親水性的粉末，在水中的接觸為零，因此用接觸角來比較其在水中的分散程度就不太適合。除此以外還可以用固體浸漬在液體中所產(chǎn)生的濕潤熱來表示，顏料中既有像二氧化鈦那樣極性高的固體，又有像酞菁藍(lán)和炭黑那樣極性低的固體;液體中有像水那樣極性高的液體，也有像庚烷那樣極性低的液體，一般極性高的固體在極性高的液體中濕潤熱大，在非極性液體中濕潤熱小，而極性低的固體無論在極性高或極性低的液體中(水除外)濕潤熱大致相同。因此濕潤熱不僅能定量的表明顏料的濕潤程度，百且還能評介顏料的極性，表1為二氧化鈦在不同介質(zhì)中的濕潤熱。
表1 二氧化鈦和石墨化炭黑的濕潤熱
|
液體
|
濕潤熱(25℃)/10-3N/m
|
液體
|
濕潤熱(25℃)/10-3N/m
|
||
|
金紅石型TiO2
|
石墨化炭黑
|
金紅石型TiO2
|
石墨化炭黑
|
||
|
水
|
550±18
|
32.6±6.1
|
正丁胺
|
330±40
|
106±2
|
|
甲醇
|
426±11
|
102±2
|
|||
|
乙醇
|
397±3
|
110±4
|
已烷
|
135±1
|
103±3
|
|
正丁醇
|
410±1
|
114±5
|
辛烷
|
140±5
|
127±0
|
除濕潤熱外，還可用濕潤值(WV)來表示：
從上式可知WV與表面張力(γ)、接觸角(cosθ)和密度(ρ)成反比，P為常數(shù)它取決于粒徑、粒徑分布和顆粒的形狀，金紅石型二氧化鈦在甲苯中的WV=1.2~1.21Ml/g.
表面自由能=表面積×表面張力，根據(jù)上式要降低表面自由能，用降低表面積的辦法來實現(xiàn)顯然是行不通，因為這樣就要增大顏料顆粒的粒徑來縮小表面積，與所需要的顏料性能恰恰相反，而表面張力與晶體珠構(gòu)造、分散介質(zhì)的性質(zhì)和顏料的表面性質(zhì)三者有關(guān)，改變晶體的結(jié)構(gòu)并不容易。
一般未經(jīng)表面處理的二氧化鈦表面積較小，經(jīng)過表面處理的二氧化鈦表面積較高，吸油量也較高，表2是經(jīng)過Al2O3、SiO2、TiO2表面處理后的表面積的變化。
表2 TiO2的表面處理與表面積
|
顏料
|
粒徑/μm
|
表面積(計算)/m2/g
|
表面積(BET法)
|
|
|
未處理/m2/g
|
處理后/m2/g
|
|||
|
1
|
0.21
|
6.8
|
7.2
|
13.8
|
|
2
|
0.17
|
8.5
|
9.0
|
13.2
|
|
3
|
0.22
|
6.5
|
7.1
|
14.2
|
|
4
|
0.26
|
5.5
|
6.2
|
11.4
|
顏料的濕潤很費時，因為空氣的置換發(fā)生在暴露在外表的顆粒表面上，因此細(xì)粒子的濕潤更慢，這可以通過添加表面活性劑(濕潤劑)來解決，表面活性劑吸附在液-固界面上，有助于降低表面張力，提高濕潤性，常用的濕潤劑有：烷基酚聚乙烯醚、烷基萘磺酸鈉、二烷基丁二酸鹽、土耳其紅油、三乙醇胺、單乙醇胺、二氨基二甲基丙醇、聚乙烯醇、羥甲基纖維素、聚丙烯酸鈉、硅酸鹽、多磷酸鹽等。
上一篇：鈦白粉主要的應(yīng)用領(lǐng)域
下一篇：二氧化鈦的表面電荷與分散性
