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
中圖分類號：o 612. 4,tq 320
無機(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,尤其在產(chǎn)品配制、混合和制造時有固有的起粉塵和常常顯現(xiàn)的粉末流動性不好。雖然通過已知的制造實踐可以獲得起粉塵性低和能自由流動的粉末,但這些粉末常顯示出不透明性降低。為此目的,本實驗通過二氧化鈦顏料表面的化學(xué)改性已經(jīng)較佳的接近實現(xiàn)顏料不透明度與流動性的要求的平衡。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,本實驗對改進(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 實驗部分
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 實驗儀器和設(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實驗室;偏光顯微鏡: dm lm/p11888500,德國leica公司;粒徑分析儀:英國。
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)聚體拆散開來,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機(jī)性向有機(jī)性過渡,增大鈦白粉和有機(jī)樹脂的親和性[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 二氧化鈦的粒徑對原料分散性的影響二氧化鈦的粒徑對原料分散性的影響見圖1。
由圖1可以看出,當(dāng)二氧化鈦的粒徑范圍在14nm~58nm時[2],隨著二氧化鈦粒徑的增大,其分散性能逐漸提高。該無機(jī)顏料單獨在聚丙烯中應(yīng)用時,是以松散團(tuán)聚體和顆粒群狀出現(xiàn)的,盡管在使用過程中它們的產(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)中對較大顆粒必須保證其在樹脂中能均勻分散,這樣不僅能提高工作效率,并且會減少對某些性能的不良影響。
2. 2 不同的表面活性劑對分子粒徑的影響
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,由粒徑分析儀測得數(shù)據(jù)見表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,進(jìn)一步抑制了二氧化鈦粒子的生長。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 二氧化鈦添加量對耐候性的影響
本實驗選用的是金紅石型(r)和銳鈦型(a)。quv的燈管發(fā)出的紫外線接近于太陽光中的紫外光,模擬太陽光產(chǎn)生的損害,通過冷凝系統(tǒng)和水噴淋系統(tǒng)可以模擬雨淋和露水的影響,曝曬溫度可自動控制。在幾天或幾個星期內(nèi),可以再現(xiàn)戶外幾個月或幾年發(fā)生的褪變。對于二氧化鈦的光化學(xué)穩(wěn)定性來說,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個月后才開始。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,隨著時間的推移,材料會受到周圍各種環(huán)境因素的影響,如受太陽光照射,潮濕、熱氧等因素的作用,會出現(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,同時吸收紫外光,可以防止對塑料產(chǎn)生破壞作用。
2·4 無機(jī)填料在二氧化鈦中的應(yīng)用及生產(chǎn)過程中的加工溫度
生產(chǎn)過程中,為了降低生產(chǎn)成本,在鈦白粉中會添加一定的無機(jī)填料。本實驗選用碳酸鈣、硅酸鋁作為無機(jī)填料加到鈦白粉中,來代替部分的鈦白粉。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)點是增加了白度、降低了成本并且產(chǎn)品性能不會有太大的變動,具有一定的經(jīng)濟(jì)和實用價值。
同時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)聚體拆散開來,使顆粒能均勻的分散到介質(zhì)中。在加工過程中,擠出機(jī)輥筒溫度、轉(zhuǎn)速的控制對制品的質(zhì)量有很大的影響[3]。在擠出過程中,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。本實驗基料采用聚丙烯,為防止制品在加工過程中變黃,加工工藝溫度宜控制在195~230℃[4]。
2. 5 二氧化鈦的添加量對材料拉伸強(qiáng)度的影響
二氧化鈦添加量對材料拉伸強(qiáng)度的影響見表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。填料的含量很低時,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。同時二氧化鈦具有較強(qiáng)的光化學(xué)活性,這會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);選用不同種類的表面活性劑對二氧化鈦粒子進(jìn)行分散,宜選用低分子量聚乙烯來改善顏料的分散性。
(2)鈦白粉的耐候性能是金紅石型高于銳鈦型。
(3)通過添加無機(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)。
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