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塑料专用钛白粉的有机处理剂的制备及性能研究 钛白粉（二氧化钛）是最重要的白色涂料之一，广泛应用于涂料、塑料、造纸、油漆、合成纤维等领域。塑料作为钛白粉的第二大用户,除了利用它的高遮盖力、高着色力及其他颜料性能之外,它还能提高塑料制品的耐热、耐光、耐候性。但是,未经表面处理的钛白粉含有大量的表面羟基,具有强极性,易团聚,影响其在应用体系中的分散,最终影响塑料制品的质量。只有在充分分散之后,才能达到最佳的使用效果。 目前,钛白行业通常采用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂等对钛白粉进行表面处理,偶联剂含有两个不同性质的基团,一个是亲水基团,与无机物有较好的相容性;另一个是亲油的有机基团,与有机物具有较好的相容性,从而达到提高钛白粉的亲油性。但是在这种处理方法下,钛白粉与偶联剂之间作用力不强,并且混合的均匀性差,不能充分发挥偶联剂的作用。本研究通过偶联剂的水解基团水解,水解后的一端可与钛白粉的表面羟基进行缩合反应,使偶联剂与钛白粉之间形成分子键作用力,大大改善钛白粉与有机物之间的界面作用。此种方法处理后的钛白粉与塑料之间的相容性更好,分散性能和着色力得到有效的提高。 1 实验部分 1.1 有机处理剂及标准 金红石型钛白粉:工业级,攀钢集团钛业有限公司;硅烷偶联剂A、B:市售;专用钛白粉有机处理剂(硅烷偶联剂)C:市售;低密度聚乙烯:50A,北京燕山石化公司;聚乙烯蜡:北京化工大学精细化工厂。 1.2 橡塑设备开发 双螺杆挤出机:TSSJ,成都晨光众益科技有限公司;橡胶试验密炼机:上海科创橡塑机械设备有限公司;积分球式分光光度仪:SP60系列,美国爱色丽股份有限公司;红外光谱仪:TENSOR 27,瑞士布鲁克光谱仪器公司;扫描电子显微镜(SEM):JSM-5900LV,日本电子株氏会社。 1.3 工艺路线 1.3.1 表面处理剂 采用不同的表面处理剂,加入一定量的异丙醇溶液(醇/水的体积比为1/4)进行水解,并加入醋酸调节pH至4.5～5.5,得到水解后的表面处理剂。 先将未经有机表面处理的钛白粉加水打浆分散,再加入计量的表面处理剂,搅拌30 min,干燥、研磨后进行气流粉碎,得到有机表面处理后的钛白粉。 1.3.2 用于色母粒的加工和准备 色母粒的加工采用以下配方:TiO230 g,LDPE 60 g,聚乙烯蜡10 g。色母粒的制备工艺流程如图1所示。 1.4 测定指标及方法 毛细管法:通过毛细管法考察钛白粉的亲油性能。为了方便装填钛白粉以及读取液位高度读数,本文以5 mL移液管代替毛细管。在移液管的底端用脱酯棉进行密封,加入3 g钛白粉,将低端浸入丙酮溶液,每隔2 min读取液位高度。得出液面高度-时间关系曲线。 IR测试:将钛白粉和KBr压片后测试,考察经有机处理后的钛白粉是否含有特征官能团。 SEM测试:将不同钛白粉所制备的色母粒以质量分数2%的比例加入到PE树脂中并注塑成样条,用液氮淬断,取其断面进行SEM分析,观察钛白粉在树脂中的分散性。 着色力测试:将双螺杆挤出的色母粒采用平板硫化机压片,用分光光度仪检测其白度。 转矩流变仪测试:将300 g钛白粉、600 g LDPE混合均匀后,加入橡胶密炼机,在160 ℃、30 r/min的条件下进行检测,考察有机处理剂对钛白粉在树脂中的分散性及加工性能的影响。 2 结果与讨论 2.1 a处理钛白粉表面羟基自由基活性 采用动态毛细管法测试单位时间(t)内毛细管内液面上升的高度(h),结果见图2。从图2可以看出,不同的有机处理剂处理后的钛白粉在单位时间内液面上升的高度不同。这是因为,未经有机处理的钛白粉表面带有大量的羟基,呈亲水性;而经过有机处理后,有机处理剂亲水基团与钛白粉的表面羟基相结合,其亲油基团包覆在钛白粉的表面,提高了钛白粉的亲油性能。从图2可知,偶联剂A处理后的钛白粉的h-t关系图斜率最小,表示其效果最好。 由于钛白粉表面可与偶联剂结合的羟基数有限,并且大量添加处理剂会增加生产成本,所以考察偶联剂A的不同加量对钛白粉亲油性能的影响,结果如图3所示。随着偶联剂A含量的增加,钛白粉的亲油性呈增高趋势,但是质量分数达到0.5%以后趋于稳定,说明此时偶联剂A已经将钛白粉表面是羟基全部结合完,因此0.5%为最佳用量。 2.2 钛白粉亚甲基、酯基的分布 图4为IR测试结果。由图4可知,与未经处理的钛白粉相比较,经有机处理后的钛白粉在2 909.8 cm-1处出现了亚甲基的特征峰,在1 714.6 cm-1处出现了酯基的特征峰。由此可以证明,有机处理剂与钛白粉的表面羟基结合生成酯基,并包覆在钛白粉的表面。 2.3 分散性的影响 分散性指颜料在被着色介质中的分散能力。钛白粉的颗粒以原生粒子、凝聚体和团聚体三种形式存在。钛白粉在塑料中的分散,就是团聚体被破碎成为聚集体和原生粒子,新生成粒子继而稳定的