二氧化鈦在塑料中的應(yīng)用研究
王 麗1, 2,汪穎軍1,趙 偉2
(1.大慶石油學(xué)院,黑龍江大慶 163318; 2.大慶華科股份有限公司,黑龍江大慶 163318)
摘 要：研究了在塑料中添加二氧化鈦后的分散性、耐候性、加工性能,結(jié)果表明,二氧化鈦的粒徑增大,分散性提高;金紅石型二氧化鈦的耐候性能較好;添加無(wú)機(jī)填料可以提高產(chǎn)量、降低成本。
關(guān)鍵詞：二氧化鈦;性能;分散性;塑料
中圖分類(lèi)號(hào)：o 612. 4,tq 320
無(wú)機(jī)顏料在許多工業(yè)領(lǐng)域如涂料、塑料與造紙工業(yè)中用作遮光劑與著色劑。一般,顏料在這樣的應(yīng)用中的效果取決于其在涂料、塑料或紙張中可分散的是否均勻。其中,二氧化鈦是當(dāng)今工業(yè)上最廣泛應(yīng)用的白色顏料,由于其配制成產(chǎn)品時(shí)能賦予高的不透明度,并為了保持材料具有最高的不透明性,所以以細(xì)粉末形式處置。但是,二氧化鈦粉末在粉末本身處置時(shí),尤其在產(chǎn)品配制、混合和制造時(shí)有固有的起粉塵和常常顯現(xiàn)的粉末流動(dòng)性不好。雖然通過(guò)已知的制造實(shí)踐可以獲得起粉塵性低和能自由流動(dòng)的粉末,但這些粉末常顯示出不透明性降低。為此目的,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)二氧化鈦顏料表面的化學(xué)改性已經(jīng)較佳的接近實(shí)現(xiàn)顏料不透明度與流動(dòng)性的要求的平衡。在熱塑性塑料方面,改進(jìn)的顏料分散性可導(dǎo)致熱塑性塑料的加工性和顏色均勻性得到改進(jìn),其中顏料分散均勻性是很重要的。
因此,在配合有機(jī)熱塑性塑料方面,其中增強(qiáng)的熱塑性塑料穩(wěn)定性,****的熱塑性塑料表面審美觀,或更高的加工產(chǎn)率是需要的,本實(shí)驗(yàn)對(duì)改進(jìn)二氧化鈦顏料的方法進(jìn)行研究,其中,在顏料加入到如塑料、涂料、油墨及紙張這樣的最終材料之前,進(jìn)行添加填料和表面改性劑的處理,以達(dá)到降低成本,提高產(chǎn)量的目的。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1·1 主要原料
鈦白粉銳鈦型b101,上海躍江;金紅石型cr501,上海染化十二廠;低分子量聚乙烯,杭州一泰高分子;聚丙烯粉料,自制;表面改性劑,市售。
1·2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備 雙螺桿擠出機(jī):te-35,江蘇科亞化工裝備公司;高速混合機(jī): shr-10a,張家港億利機(jī)械有限公司;氣候儀:quv/spray,q-panel實(shí)驗(yàn)室;偏光顯微鏡: dm lm/p11888500,德國(guó)leica公司;粒徑分析儀:英國(guó)。
1·3 試樣的制備
將聚丙烯粉料,聚乙烯臘,鈦白粉等放入高速混合機(jī)中進(jìn)行高速攪拌,利用旋轉(zhuǎn)葉片的高速剪切力和分散介質(zhì)的摩擦力,把鈦白粉的顆粒群和團(tuán)聚體拆散開(kāi)來(lái),盡量使其回到原生粒子狀態(tài)。鈦白粉經(jīng)細(xì)化后,粒徑減小,表面積增大,為了使鈦白粉在加工過(guò)程中不產(chǎn)生凝聚,必須進(jìn)行分散處理。添加一定量的表面改性劑熔融包覆在鈦白粉顆粒表面,使鈦白粉表面性能由無(wú)機(jī)性向有機(jī)性過(guò)渡,增大鈦白粉和有機(jī)樹(shù)脂的親和性[1],經(jīng)細(xì)化、分散后的微細(xì)鈦白粉,成為較為穩(wěn)定的分散體系,將最終得到與大量塑料樹(shù)脂相容性良好的擠出制品。
2 結(jié)果與討論
2·1 二氧化鈦的粒徑對(duì)原料分散性的影響二氧化鈦的粒徑對(duì)原料分散性的影響見(jiàn)圖1。
由圖1可以看出,當(dāng)二氧化鈦的粒徑范圍在14nm~58nm時(shí)[2],隨著二氧化鈦粒徑的增大,其分散性能逐漸提高。該無(wú)機(jī)顏料單獨(dú)在聚丙烯中應(yīng)用時(shí),是以松散團(tuán)聚體和顆粒群狀出現(xiàn)的,盡管在使用過(guò)程中它們的產(chǎn)品可以加工成很細(xì)的粉末,但若不進(jìn)行細(xì)化分散處理,除影響表面質(zhì)量外,還對(duì)本應(yīng)達(dá)到的產(chǎn)品強(qiáng)度有所削弱,使材料韌性降低,所以在生產(chǎn)中對(duì)較大顆粒必須保證其在樹(shù)脂中能均勻分散,這樣不僅能提高工作效率,并且會(huì)減少對(duì)某些性能的不良影響。
2. 2 不同的表面活性劑對(duì)分子粒徑的影響
采用烷基磺酸鹽、低分子量聚乙烯、含有稀土元素的分散劑進(jìn)行二氧化鈦的表面改性,由粒徑分析儀測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
從表1可以看出,處于自由狀態(tài)下的二氧化鈦粒子,分子粒徑較大,由于粒子表面能高、內(nèi)聚集能力強(qiáng),因而很難以原生粒子狀態(tài)分散在低粘度的塑料熔體中。但添加了表面活性劑之后,因分子中同時(shí)含有極性和非極性基團(tuán),分散劑分散到二氧化鈦粒子表面并包裹在粒子表面,達(dá)到阻礙粒子之間相互接觸的目的,從而起到分散的作用。含有稀土元素的分散劑在改善粒子分散性能的同時(shí),進(jìn)一步抑制了二氧化鈦粒子的生長(zhǎng)。但從生產(chǎn)成本和產(chǎn)品性能進(jìn)行考慮,選用低分子量聚乙烯作為原料的分散劑更合適。
2·3 二氧化鈦添加量對(duì)耐候性的影響
本實(shí)驗(yàn)選用的是金紅石型(r)和銳鈦型(a)。quv的燈管發(fā)出的紫外線接近于太陽(yáng)光中的紫外光,模擬太陽(yáng)光產(chǎn)生的損害,通過(guò)冷凝系統(tǒng)和水噴淋系統(tǒng)可以模擬雨淋和露水的影響,曝曬溫度可自動(dòng)控制。在幾天或幾個(gè)星期內(nèi),可以再現(xiàn)戶外幾個(gè)月或幾年發(fā)生的褪變。對(duì)于二氧化鈦的光化學(xué)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō),銳鈦型二氧化鈦的總色差變化較大,不適用于戶外,僅5~7個(gè)月后制品表面就明顯降解,而金紅石型二氧化鈦灰化則在11~13個(gè)月后才開(kāi)始。由圖2可知,在相同的基料體系中,金紅石型(r)耐候性比銳鈦型(a)好,隨著時(shí)間的推移,材料會(huì)受到周?chē)鞣N環(huán)境因素的影響,如受太陽(yáng)光照射,潮濕、熱氧等因素的作用,會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象,諸如表面泛黃、發(fā)灰,光澤下降,表面粗糙、粉化,直到最后脆裂。二氧化鈦的作用一是可作為紫外線吸收劑,保護(hù)材料不直接受紫外線破壞;二是具有光化學(xué)穩(wěn)定性,同時(shí)吸收紫外光,可以防止對(duì)塑料產(chǎn)生破壞作用。
2·4 無(wú)機(jī)填料在二氧化鈦中的應(yīng)用及生產(chǎn)過(guò)程中的加工溫度
生產(chǎn)過(guò)程中,為了降低生產(chǎn)成本,在鈦白粉中會(huì)添加一定的無(wú)機(jī)填料。本實(shí)驗(yàn)選用碳酸鈣、硅酸鋁作為無(wú)機(jī)填料加到鈦白粉中,來(lái)代替部分的鈦白粉。在不影響產(chǎn)品性能的情況下,碳酸鈣、硅酸鋁的添加量范圍控制在20%以內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)是增加了白度、降低了成本并且產(chǎn)品性能不會(huì)有太大的變動(dòng),具有一定的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價(jià)值。
同時(shí)鈦白粉的分散是否均勻,直接影響到產(chǎn)品的外觀和性能。因此在高速混合機(jī)中利用高速剪切力和分散介質(zhì)的摩擦力,把鈦白粉的顆粒群和團(tuán)聚體拆散開(kāi)來(lái),使顆粒能均勻的分散到介質(zhì)中。在加工過(guò)程中,擠出機(jī)輥筒溫度、轉(zhuǎn)速的控制對(duì)制品的質(zhì)量有很大的影響[3]。在擠出過(guò)程中,物料的熱量一部分由加熱輥筒供給,另一部分熱量是物料與輥筒之間摩擦產(chǎn)生及物料自身剪切力產(chǎn)生的能量。要使物料能逐漸達(dá)到熔融塑化和造粒下去,需考慮輥筒溫度。本實(shí)驗(yàn)基料采用聚丙烯,為防止制品在加工過(guò)程中變黃,加工工藝溫度宜控制在195~230℃[4]。
2. 5 二氧化鈦的添加量對(duì)材料拉伸強(qiáng)度的影響
二氧化鈦添加量對(duì)材料拉伸強(qiáng)度的影響見(jiàn)表2。
通常,加入形狀系數(shù)很低的固體填料或球型填料,往往會(huì)使塑料的力學(xué)性能有所下降,特別是當(dāng)填料的含量較高時(shí)。填料的含量很低時(shí),由于其誘導(dǎo)結(jié)晶效應(yīng)或阻礙裂紋擴(kuò)展效應(yīng),使得塑料的拉伸強(qiáng)度可能有所增大。原因是隨著二氧化鈦含量的增加,聚丙烯復(fù)合材料的結(jié)晶度有所下降,導(dǎo)致其拉伸強(qiáng)度降低。同時(shí)二氧化鈦具有較強(qiáng)的光化學(xué)活性,這會(huì)造成部分聚丙烯大分子降解,二氧化鈦的含量越高,聚丙烯降解的程度也越高。使得分子量減小進(jìn)而導(dǎo)致伸長(zhǎng)率降低,強(qiáng)度也可能有所下降。因此二氧化鈦在復(fù)合材料中的添加量易控制在3%以內(nèi)。
3 結(jié)論
(1)二氧化鈦的顆粒細(xì)度對(duì)于制品的分散效果至關(guān)重要。隨著粒徑的增大,鈦白粉的分散性增強(qiáng);選用不同種類(lèi)的表面活性劑對(duì)二氧化鈦粒子進(jìn)行分散,宜選用低分子量聚乙烯來(lái)改善顏料的分散性。
(2)鈦白粉的耐候性能是金紅石型高于銳鈦型。
(3)通過(guò)添加無(wú)機(jī)填料碳酸鈣降低生產(chǎn)成本,并根據(jù)基料選擇適宜的加工溫度。同時(shí)在不影響材料拉伸強(qiáng)度的前提下,二氧化鈦的添加量宜控制在3%的范圍內(nèi)。
參考文獻(xiàn):
[1] 盧鳴,等.塑料異型材[m]·北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2001·
[2] 吳立峰,等.色母料應(yīng)用技術(shù)問(wèn)答[m]·北京:化學(xué)工業(yè)出版, 2000·
[3] 錢(qián)漢英,等.塑料加工實(shí)用技術(shù)問(wèn)答[m]·北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1999·
[4] 劉立華·納米二氧化鈦應(yīng)用研究進(jìn)展[j]·唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 26(5): 3~5.
[5] 陳冠榮,等·化工百科全書(shū)(專(zhuān)業(yè)版)[m]·北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2001· |
